[发明专利]垂直耦合马赫-曾德干涉式微环谐振腔光学生化传感芯片

说明书

技术领域

本发明涉及对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术，具体涉及光传感技术领域，特别涉及一种基于垂直耦合的马赫-曾德(MZ)干涉式微环谐振腔光学生化传感芯片。 

背景技术

生化传感器是一种生物活性材料与相应换能器的结合体，它用于测定特定的化学或生物物质。由于测定这些化学或生物物质在环境监测、疾病监控以及药物研发中具有重要意义，所以对生化传感器的研究已经显得非常重要。目前典型的光学生化传感器主要可分为荧光标记型光学生化传感器和无标记型光学生化传感器两大类，由相关的文献可知，荧光标记型光学生化传感器虽然已被用于探测和辨别特定的生物化学分子，但却有设备庞大、操作复杂及花费时间长等缺点，且通常需要具有一定专业技术的专人操作，普及成本较高，同时，用于标记的荧光分子还有可能影响样本的探测。相比而言，无标记型光学生化传感器的尺寸更小，成本更低，应用方法也更为便捷，而且在测量过程中不再引入新的干扰，结果也更加可靠。 

基于SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）的光学生化传感器就是一种无标记型光学生化传感器，同时也正是本领域的研究热点。从现有的基于SOI的光学生化传感器来看，大多采用了倏逝波（消逝波）探测原理，倏逝波是指由于全反射而在两种不同介质的分界面上产生的一种电磁波，其幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，通过检测所述的光学生化传感器光波导的倏逝波以探测样本生物化学物质。其原理在于待测样本中生物化学物质会引起光学生化传感器中光波传输性质的改变（表现为光学生化传感器的有效折射率的变化），也即将使样本中的生物化学物质浓度信号转换为光信号变化。目前已用于传感的平面波导结构有马赫泽德干涉计、光栅、以及法布里-伯罗（FP）腔、环形腔、表面等离子体共振等结构。其中，对基于光学谐振腔结构（如FP腔、环形腔等）的光学生化传感器而言，谐振效应的引入可使光信号在谐振腔内不断谐振和放大，因此等效于光学生化传感器探测长度的增加，更能引起相位(或强度)等光信号变化到可探测的量值，进而实现在小尺寸光学生化传感器上达到较好的传感性能，另外小尺寸的光学生化传感器也便于光学生化传感器系统的小型化与微型化，将有效地降低系统成本。 

目前，在现有的对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术领域中，将基于SOI的片上系统的可小型化的优势和基于MZ干涉效应和微环谐振效应的系统测量 精度等优势相结合的实例几乎没有。 

发明内容

本发明的目的是为了解决某些生物化学物质的探测问题，在现有技术中主流的基于光学探测的生化传感器的基础上，为进一步解决其利用倏逝波探测原理及单系统探测所存在的倏逝波能量密度低导致探测难度大及单系统测量范围窄、灵敏度不高等问题，提出了一种垂直耦合马赫-曾德(MZ)干涉式光学谐振腔生化传感芯片。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：垂直耦合马赫-曾德干涉式微环谐振腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，其特征在于，所述SOI基体的单晶硅层包含U型波导和微环谐振腔，U型波导由输入直波导、输出直波导和半圆环形波导耦合组成平面U型结构，微环谐振腔包含至少两段半圆环形波导，所述半圆环形波导耦合组成平面环形结构；所述微环谐振腔位于U型波导的正上方，二者重叠间距为0，并在U型波导平面的垂直方向耦合； 

且，U型波导的半圆环形波导与微环谐振腔同侧的半圆形波导构成垂直耦合的MZ干涉结构，并分别作为MZ干涉结构的干涉臂。 

进一步的，所述微环谐振腔还包括两段直波导，所述直波导与微环谐振腔的半圆形波导交替耦合组成平面跑道形结构。 

进一步的，所述U型波导和微环谐振腔的波导具有相同的厚度。 

进一步的，所述U型波导的半圆形波导与微环谐振腔的半圆形波导的半径相同。