一种集成光波导生物传感器及其制作方法技术

本发明专利技术属于生物传感器技术领域，公开了一种集成光波导生物传感器机器制作方法。此生物传感器包括尾纤半导体激光器、双微透镜和光波导。所述光波导内具有一条脊型波导芯，所述双微透镜包括第一微透镜和第二微透镜，所述尾纤半导体激光器的尾端具有第一微透镜，所述脊型波导芯的始端具有第二微透镜，所述第一微透镜对准第二微透镜，所述脊型波导芯的末端具有分布式布拉格反射镜。本发明专利技术的光波导既保留了传统干涉类光波导的高灵敏度，又具有结构简单，制造可重复性高的特点，此外，本发明专利技术的光耦合方法，实现了光源与光波导，光波导与光探测器之间的高效光耦合，进而降低整个传感系统的成本，并提高其集成度与稳定性。并提高其集成度与稳定性。并提高其集成度与稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种集成光波导生物传感器及其制作方法


[0001]本专利技术属于光波导生物传感器
，尤其涉及一种集成光波导生物传感器及其制作方法。

技术介绍

[0002]生物传感器是主要由生物活性材料(如酶，抗原，细胞等)，物理化学换能器(又称信号转换器)和信号探测器所构成的科学分析装置。它主要通过依附在换能器上的生物活性材料与待测分析物发生生物反应，进而引发一种或者多种物理化学特性的改变(如pH值、质量、温度、折射率、谐振频率等)，然后由换能器将这些改变转换成可被信号探测器探测到的次级信号。这些次级信号的强弱,频率或相位的变化与生物活性材料所结合的待测分析物浓度相关，从而实现对待测分析物的分析测定。根据换能器的不同，生物传感器可分为压电石英晶体，机械微悬臂，及光波导生物传感器等。其中光波导生物传感器，由于其具备对待测分析物免标记、实时快捷、高灵敏度、抗电磁干扰能力强、低探测极限、体积小(微纳米尺寸)等优点已成为近些年来发展较快、国内外研究较多的生物传感器。
[0003]目前大多的光波导生物传感器都是基于倏逝波传感原理：当光波沿着光波导芯层传播时，有一部分光波会渗入发生生物反应的外围介质很薄的一层表面(约一个波长)，并沿着界面传播一段距离(Goos
‑
Hanchen位移)，最后返回波导芯层。渗入到波导外围介质的光波，称为倏逝波。利用导模倏逝波可以传感波导表面附近由生物反应产生的待测分析物特性的变化，从而改变光波相位，偏振，或振幅，然后利用合适的光路和电路进行探测而得到待测分析物的信息。
[0004]在几类不同的光波导生物传感器中，基于干涉效应的光波导生物传感器具有极高的灵敏度，可用于探测浓度极低的待测分析物，如在尿液中提取人类生长荷尔蒙蛋白用于诊断生长障碍相关疾病等。通常此类光波导生物传感器将光由Y型波导分光至传感臂与参考臂，在传感臂经过倏逝波效应后的光与经过参考臂的光在波导输出端混合干涉，通过检测干涉光强获得待测分析物信息。
[0005]然而迄今为止，基于干涉效应的光波导生物传感技术尚不能以一种集成的、价廉的，稳定的、可大规模批量生产的、简单易操作的产品形式进入市场。其原因可包括以下两点：(1)光波导结构设计复杂并且精密，制造可重复性低，不适合大规模批量生产。为获得稳定清晰的干涉信号以用于提取待测分析物信息，波导上的分光部分需要精确设计，以使得光波能分成两束完全一样的光波分别进入传感臂与参与臂。这样的设计易受环境影响，并且目前标准微加工技术还难以有效地精准重复制造这种分光部分。(2)集成度不高，依靠分离器件搭建而成，导致整个系统体积庞大，价格昂贵。目前，光波导生物传感器(不仅限于干涉类)都是用外部光源并通过诸如透镜，棱镜和准直器等光学体器件将光耦合到超薄(纳米级)和超窄(微米级)的光波导里，然后再通过一系列光学体器件将从光波导中导出的载有待测分析物信息的光耦合到外部光探测器中。很显然，这些会使整个系统的体积增大，成本增加，并且稳定性降低。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于提供一种集成光波导生物传感器及其制作方法，以解决上述的技术问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的一种集成光波导生物传感器及其制作方法的具体技术方案如下：
[0008]一种集成光波导生物传感器，包括尾纤半导体激光器、双微透镜和光波导，所述光波导内具有一条脊型波导芯；所述双微透镜包括第一微透镜和第二微透镜，所述尾纤半导体激光器的尾端具有第一微透镜，所述脊型波导芯的始端具有第二微透镜，所述第一微透镜对准第二微透镜，所述脊型波导芯的末端具有分布式布拉格反射镜；所述尾纤半导体激光器用于发射激光并接收脊型波导芯的反馈光；所述双微透镜用于激光互耦合；所述光波导用于传导激光并反射携带了待测分析物信息的反馈光。
[0009]进一步的，所述尾纤半导体激光器包括尾纤包层和尾纤芯层，所述尾纤包层包覆在尾纤芯层外；所述光波导包括衬底、波导下夹层、波导芯层和波导上夹层、传感区间和脊型波导芯；所述衬底位于最下层，所述衬底之上为波导下夹层、所述波导下夹层之上为波导芯层，所述波导芯层之上为波导上夹层，所述脊型光波导在波导上夹层内，所述波导上夹层顶部打开一窗口作为传感区间。
[0010]进一步的，所述衬底为硅，所述波导芯层为氮化硅，所述波导下夹层和波导上夹层为二氧化硅，所述脊型光波导为氮化硅的绝缘材料。
[0011]本专利技术还公开了一种集成光波导生物传感器的制作方法，包括如下步骤：
[0012]步骤1：设计并制造末端带有分布式布拉格反射镜的脊型波导芯；
[0013]步骤2：设计并制造双微透镜，集成尾纤半导体激光器和光波导；
[0014]步骤3：表征一种基于激光自混合干涉效应的集成光波导生物传感器；
[0015]步骤4：验证一种基于激光自混合干涉效应的集成光波导生物传感器。
[0016]进一步地，所述步骤1包括如下具体步骤：
[0017]步骤1.1设计光波导；
[0018]首先通过使用Matlab求解带反馈激光速率方程，获得带反馈半导体激光器的稳定区间；然后再根据获得的稳定区间，使用商用软件COMSOL Multiphysics进行全3D数值模拟光波导的模式传播特性；通过优化波导结构参数，包括脊长度，脊高度，脊宽度，DBR层数、层高及每层之间间隔长度，以保证基模在波导中完成低损耗传播并反射的同时，倏逝波的渗入深度d
p
也能达到最大值；
[0019]倏逝波的渗入深度d
p
由下式描述，d
p
＝λ(2πn
Si3N4
)
‑1(sin2θ
‑
n
2SiO2
/n
2Si3N4
)
‑
1/2
，其中λ为导波波长，n
Si3N4
和n
SiO2
分别为波导芯层、波导下夹层、和波导上夹层的折射率，θ为导波在波导芯层与波导下夹层和波导上夹层界面的入射角；
[0020]步骤1.2制作光波导；
[0021]步骤1.2.1：使用等离子体增强化学气相沉积法在整个四英寸硅片衬底上热生长二氧化硅波导下夹层；
[0022]步骤1.2.2：使用低压化学气相沉积法在步骤1.2.1制作的二氧化硅波导下夹层上沉积出氮化硅波导芯层；
[0023]步骤1.2.3：通过使用掩模版与反应离子刻蚀法在步骤1.2.2得到的波导芯层上刻
出氮化硅脊型波导芯与其末端的分布式布拉格反射镜；
[0024]步骤1.2.4：再次使用等离子体增强化学气相沉积法在步骤1.2.3得到的氮化硅波导芯层上沉积出二氧化硅波导上夹层；
[0025]步骤1.2.5：通过使用掩模版在步骤1.2.4制得的二氧化硅波导上夹层刻出一窗口作为传感区间，以使一部分脊型波导芯置于外部环境用于生物传感。
[0026]进一步地，其特征在于，所述步骤2包括如下具体步骤：
[0027]步骤2.1：设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成光波导生物传感器，其特征在于，包括尾纤半导体激光器(1)、双微透镜(2)和光波导(3)，所述光波导(3)内具有一条脊型波导芯(36)；所述双微透镜(2)包括第一微透镜(21)和第二微透镜(22)，所述尾纤半导体激光器(1)的尾端具有第一微透镜(21)，所述脊型波导芯(36)的始端具有第二微透镜(22)，所述第一微透镜(21)对准第二微透镜(22)，所述脊型波导芯(36)的末端具有分布式布拉格反射镜(37)；所述尾纤半导体激光器(1)用于发射激光并接收脊型波导芯(36)的反馈光；所述双微透镜(2)用于激光互耦合；所述光波导(3)用于传导激光并反射携带了待测分析物的信息的反馈光。2.根据权利要求1所述的集成光波导生物传感器，其特征在于，所述尾纤半导体激光器(1)包括尾纤包层(11)和尾纤芯层(12)，所述尾纤包层(11)包覆在尾纤芯层(12)外；所述光波导(3)包括衬底(31)、波导下夹层(32)、波导芯层(33)和波导上夹层(34)、传感区间(35)和脊型波导芯(36)；所述衬底(31)位于最下层，所述衬底(31)之上为波导下夹层(32)、所述波导下夹层(32)之上为波导芯层(33)，所述波导芯层(33)之上为波导上夹层(34)，所述脊型光波导(3)在波导上夹层(34)内，所述波导上夹层(34)顶部打开一窗口作为传感区间(35)。3.根据权利要求2所述的集成光波导生物传感器，其特征在于，所述衬底(31)为硅，所述波导芯层(33)为氮化硅，所述波导下夹层(32)和波导上夹层(34)为二氧化硅，所述脊型光波导(3)为氮化硅的绝缘材料。4.一种如权利要求1
‑
3任一项所述的集成光波导生物传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：设计并制造末端带有分布式布拉格反射镜(37)的脊型波导芯(36)；步骤2：设计并制造双微透镜(2)，集成尾纤半导体激光器(1)和光波导(3)；步骤3：表征一种基于激光自混合干涉效应的集成光波导生物传感器；步骤4：验证一种基于激光自混合干涉效应的集成光波导生物传感器。5.根据权利要求4所述的集成光波导生物传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤1包括如下具体步骤：步骤1.1设计光波导(3)；首先通过使用Matlab求解带反馈激光速率方程，获得带反馈半导体激光器的稳定区间；然后再根据获得的稳定区间，使用商用软件COMSOLMultiphysics进行全3D数值模拟光波导(3)的模式传播特性；通过优化波导结构参数，包括脊长度，脊高度，脊宽度，DBR层数、层高及每层之间间隔长度，以保证基模在波导中完成低损耗传播并反射的同时，倏逝波的渗入深度d
p
也能达到最大值；倏逝波的渗入深度d
p
由下式描述，d
p
＝λ(2πn
Si3N4
)
‑1(sin2θ
‑
n
2SiO2
/n
2Si3N4
)
‑
1/2
，其中λ为导波波长，n
Si3N4
和n
SiO2
分别为波导芯层(33)、波导下夹层(32)、和波导上夹层(34)的折射率，θ为导波在波导芯层(33)与波导下夹层(32)和波导上夹层(34)界面的入射角；步骤1.2制作光波导(3)；步骤1.2.1：使用等离子体增强化学气相沉积法在整个四英寸硅片衬底(31)上热生长二氧化硅波导下夹层(32)；步骤1.2.2：使用低压化学气相沉积法在步骤1.2.1制作的二氧化硅波导下夹层32上沉积出氮化硅波导芯层(33)；
步骤1.2.3：通过使用掩模版与反应离子刻蚀法在步骤1.2.2得到的波导芯层(33)上刻出氮化硅脊型波导芯(36)与其末端的分布式布拉格反射镜(37)；步骤1.2.4：再次使用等离子体增强化学气相沉积法在步骤1.2.3得到的氮化硅波导芯层(33)上沉积出二氧化硅波导上夹层(34)；步骤1.2.5：通过使用掩模版在步骤1.2.4制得的二氧化硅波导上夹层(34)刻出一窗口作为传感区间(35)，以使一部分脊型波导芯(36)置于外部环境用于生物传感。6.根据权利要求4所述的集成光波导生物传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤2包括如下具体步骤：步骤2.1：设计双微透镜(2)；首先根据尾纤芯层(12)直径尺寸与光波导(3)截面尺寸确定互耦合所需的光斑尺寸；光斑尺寸需满足：尾纤半导体激光器(1)输出的高斯光束经过双微透镜(2)互耦合系统后，其输出的高斯光斑的腰斑要小于等于待耦合光波导(3)的截面尺寸，且半远场发散角对应的数值孔径要小于等于待耦合光波导(3)截面尺寸；然后使用商用软件Zemax进行全3D数值模拟双微透镜(2)；双微透...

【专利技术属性】
技术研发人员：范元龙，安甲林，史腾，吴俊琳，李轩，黄彬，邵晓鹏，
申请(专利权)人：西安电子科技大学杭州研究院，
类型：发明
国别省市：