[發(fā)明專利]一種基于光子晶體諧振腔的光學(xué)生化探測芯片

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410248734.1
• 申請日: 2014-06-06
• 公開（公告）號: CN104007085A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張淋江;張宏賓;孔素真;劉俊輝;武書彥;周紅雷;崔先雨;劉志龍
• 申請（專利權(quán)）人: 河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 鄭州市華翔專利代理事務(wù)所(普通合伙) 41122
• 代理人: 張愛軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)探測技術(shù)，特別是涉及一種基于絕緣襯底上的硅的光子晶體諧振腔高性能光學(xué)探測芯片。

背景技術(shù)

生化探測器常用于測定特定的化學(xué)或生物物質(zhì)。由于測定這些化學(xué)或生物物質(zhì)在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、疾病監(jiān)控以及藥物研發(fā)中具有重要意義，所以對生化探測器的研究已經(jīng)顯得非常重要。目前典型的光學(xué)生化探測器主要可分為熒光標(biāo)記型光學(xué)生化探測器和無標(biāo)記型光學(xué)生化探測器兩大類，由相關(guān)文獻(xiàn)可知，熒光標(biāo)記型光學(xué)生化探測器雖然已被用于探測和辨別特定的生物化學(xué)分子，但卻有設(shè)備龐大、操作復(fù)雜及花費(fèi)時(shí)間長等缺點(diǎn)，且通常需要具有一定專業(yè)技術(shù)的專人操作，普及成本較高；同時(shí)，用于標(biāo)記的熒光分子還有可能影響樣本的探測。相比而言，無標(biāo)記型光學(xué)生化探測器的尺寸更小，成本更低，應(yīng)用方法也更為便捷，而且在測量過程中不會(huì)再引入新的干擾，結(jié)果也更加可靠。

基于絕緣襯底上的硅的光學(xué)生化探測器是一種無標(biāo)記型光學(xué)生化探測器，同時(shí)也正是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。從現(xiàn)有的基于絕緣襯底上的硅的光學(xué)生化探測器來看，大多采用了倏逝波（消逝波）探測原理，倏逝波是指由于全反射而在兩種不同介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生的一種電磁波，又叫消逝波，其幅值隨與分界面相垂直的深度的增大而呈指數(shù)形式衰減，通過檢測所述的光學(xué)生化探測器的光波導(dǎo)的倏逝波以探測樣本生物化學(xué)分子。其原理在于待測樣本中生物化學(xué)分子會(huì)引起光學(xué)生化探測器中光波傳輸性質(zhì)的改變（表現(xiàn)為光學(xué)生化探測器的倏逝場發(fā)生變化），也即將樣本中的生物化學(xué)分子濃度信號轉(zhuǎn)換為光信號變化。目前光學(xué)生化探測器的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有馬赫澤德干涉計(jì)、光柵、以及法布里-伯羅腔、環(huán)形腔、表面等離子體共振等結(jié)構(gòu)。對基于光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)（如法布里-伯羅腔，環(huán)形腔等）的光學(xué)生化探測器而言，諧振效應(yīng)的引入可使光信號在光學(xué)諧振腔內(nèi)不斷諧振和放大，因此等效于光學(xué)生化探測器探測長度的增加，更能引起相位(或強(qiáng)度)等光信號變化到可探測的量值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在小尺寸光學(xué)生化探測器上達(dá)到較好的探測性能，另外小尺寸的光學(xué)生化探測器也便于光學(xué)生化探測器系統(tǒng)的小型化與微型化，將有效地降低系統(tǒng)成本。

當(dāng)前，基于諧振效應(yīng)的光學(xué)生化探測器可以做得非常微小，并且表現(xiàn)出很好的探測性能，但是分布于光學(xué)生化探測器光波導(dǎo)周圍的倏逝波的能量密度較低，故仍存在靈敏度較低的缺陷。如何在現(xiàn)有技術(shù)中主流的基于光學(xué)探測的生化探測器的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步解決其利用倏逝波探測原理所存在的由于其被探測的倏逝波分布于器件光波導(dǎo)周圍并存在能量密度低導(dǎo)致探測難度大的缺陷，仍然是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光子晶體諧振腔的高性能光學(xué)探測芯片。利用光子晶體的禁帶特性及形成的FP腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)的探測，另外利用光子晶體本身的色散補(bǔ)償效應(yīng)，在大規(guī)模遠(yuǎn)程分布式探測中實(shí)現(xiàn)高性能檢測，避免色散等因素對檢測性能的干擾。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案：

一種基于光子晶體諧振腔的光學(xué)生化探測芯片，包括自下而上依次層疊鍵合的硅基層、二氧化硅層和單晶硅層構(gòu)成的基體，在所述基體上的單晶硅層中間刻蝕出狹縫槽，并由所述狹縫槽和其兩側(cè)的條形硅波導(dǎo)構(gòu)成狹縫光波導(dǎo)，在所述狹縫光波導(dǎo)的光信號傳播路徑上刻蝕第一光子晶體鏡面和第二光子晶體鏡面，第一光子晶體鏡面和第二光子晶體鏡面均刻蝕于狹縫光波導(dǎo)兩側(cè)的條形硅波導(dǎo)上，第一光子晶體鏡面和第二光子晶體鏡面相隔一定的距離，并在狹縫光波導(dǎo)上形成光子晶體諧振腔。

所述的基于光子晶體諧振腔的光學(xué)生化探測芯片，第一光子晶體鏡面或/和第二光子晶體鏡面均包括不少于12個(gè)不多于16個(gè)光子晶體周期單元，所述光子晶體周期單元為刻蝕在單晶硅層的圓孔。

所述光子晶體周期單元的直徑為50nm～80nm；相鄰兩個(gè)光子晶體周期單元之間縱向方向的最小間距為30nm～50nm；相鄰兩個(gè)光子晶體周期單元之間水平方向的最小間距為100nm～150nm。

所述狹縫光波導(dǎo)的狹縫槽為直狹縫槽；所述狹縫槽為垂直于單晶硅層表面由單晶硅層向下刻蝕形成的狹縫；狹縫深度為單晶硅層厚度。

所述基體俯視方向?yàn)殚L方形，所述狹縫光波導(dǎo)以基體的長度方向的中心線為軸對稱分布，并保持方向與基體長度方向一致，其中狹縫兩側(cè)硅波導(dǎo)的寬度均為330～350nm；狹縫槽寬度為100～120nm。

本發(fā)明的有益效果：