[发明专利]一种基于硅基槽式波导的多模干涉型生物化学传感器

说明书

技术领域

本发明涉及生物/化学物质的精确检测和集成光学传感领域，具体是一种新型的基于硅基槽式波导的多模干涉型生物/化学传感器的结构。

背景技术

生物化学传感器是能够直接提供周围的有关生物、化学物质的种类和浓度信息的传感器，并且从电子计算机、新型材料和微电子处理技术的发展中获得了发展动力，在环境监测、生物技术、医疗诊断、药物筛选、食品安全、环境和安全监控以及其他的一些领域发挥着非常重要的作用。

光学生物/化学传感器分为两大类：标记型，无标记型的传感器。其中标记检测具有成本高、耗时、易干扰等缺点；而无标记型传感器均具有灵敏度高、响应快、实时检测、无标记、小型化易集成等特点，在分子检测、安全监控、生物技术等领域得到广泛的应用。

无标记型生物化学传感器主要有三种，它们分别是基于表面等离子体共振的，基于波导渐逝波的，基于多模干涉型的生物/化学传感器。其中基于前两种的传感器具有体积大、成本高、效率低等缺点，而多模干涉结构天然具有紧凑性、坚固性、容易制作和容差性好等优点，基于硅基槽式波导的多模干涉型结构的提出在光学传感领域是一个创新的贡献。本发明设计的锥形多模干涉器件具有很高的可靠性，在大范围的生物和化学物品的检测方面具有很大的潜在应用价值。另外，由于这种结构灵敏度高、检测限低、小型化和低功耗等优良特性可能会带来潜在的大批量生产降低成本，实现商业化，在实际生活中得到广泛的应用。在此基础上，还可以将光学、流体和电学功能集成在同一平台上以获得实验上的单片微系统，进一步为光学生物化学传感领域开辟新型的道路。

发明内容

技术问题：为了克服现有光学生物/化学传感器存在的不足，本发明提供一种基于硅基槽式波导的多模干涉器件，作为传感器的主要部件。这种传感器具有结构简单、制作容差性好、紧凑便于集成、成本低、检测效率高等优点，可实现大范围的生物和化学物质的检测。

技术方案： 为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于硅基槽式波导的多模干涉型生物化学传感器，该传感器包括用于输入光信号的输入波导，两个输出波导，即第一输出波导，第二输出波导，多模干涉波导，输入波导与第一输出波导，第二输出波导之间通过多模干涉波导连接；其中，

多模干涉波导为锥形；

单波长光信号从输入波导输入，在多模干涉波导区域发生多模干涉，基于多模干涉的自成像效应，输入光经过自镜像长度再生，选自镜像长度作为该器件的长度。

优选的，所述传感器的多模波导为二次锥形曲线结构，并且在多模波导区域设有开槽，用于填充检测液体。

有益效果：

1、核心传感部件采用多模干涉波导，制作容差性好、可靠性高，不仅使得器件易于制作、经济成本低廉，而且还能提高器件检测物质的灵敏度和效率。

2、多模干涉波导设计为锥形结构，可实现自镜像长度很大程度的缩小，使得制作的器件更加紧凑、易于集成、适合大规模批量生产。

3、器件的多模波导中引入的检测槽利于制作微流通道，引入低折射率开槽，使得器件更趋于小型化，还适用于大范围的生物/化学物质检测。

4、基于硅基波导，兼容成熟的CMOS加工工艺，能够实现硅基单片集成，在集成光学领域有着巨大的潜力。

附图说明

图1是本发明第一个实例的结构示意图。

图2是本发明第一个实例的横截面示意图。

图3是本发明第一个实例中检测物质折射率为1.483的输出端光场分布图。

图4是本发明第一个实例中检测物质折射率为1.4852的输出端光场分布图。

图5是本发明的第一个实例中测得的在不同检测物质折射率下的归一化输出光功率图。

图6是本发明第二个实例的结构示意图。

图中标号说明如下：

1–输入波导 ，2–开槽 ，3-第一输出波导，4–第二输出波导 ，5–多模干涉波导， 6－第一三等分开槽，7–第二三等分开槽 ，8–检测液体层 ，9–二氧化硅，10–硅衬底，11–硅芯层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参见图1－6，本发明公开了一种基于硅基槽式波导的多模干涉型生物化学传感器，该传感器包括用于输入光信号的输入波导1，两个输出波导，即第一输出波导3，第二输出波导4，多模干涉波导5，输入波导1与第一输出波导3，第二输出波导4之间通过多模干涉波导5连接。