专利名称：同心环光学谐振腔的生物芯片及其阵列实施器件的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及的是一种光器件技术领域的生物芯片，具体涉及一种同心环光 学谐振腔的生物芯片及其阵列实施器件。
背景技术：
基于绝缘体上硅结构(SOI)的的微型环形谐振腔，由于其尺度为微纳米范 围，具有超高的集成度，并且其加工技术可以和互补型金属氧化物半导体(C0MS) 工艺相兼容，使其正在成为光器件加工的诱人方案。传统的基于绝缘体上硅的微 纳米环形谐振腔，由一个直的纳米硅波导和微纳米硅波导环组成。当光波与谐振
腔周长达到相位匹配时，即KneffC二2Mn ，其中I^2ir/A, A为光波长，neff为
有效折射率，C为谐振腔的周长，则该波长的光波被限制在该谐振腔内，从而传 输曲线上该波长对应的频率处功率减小(临界耦合时为零)，则得到凹陷的传输 光谱。由于光学滤波、光开关、和生物分子检测等方面的应用中都需要该器件的 光传输谱线有比较深的凹陷峰值，因此微纳米环形谐振腔在这些方面都有比较诱 人的应用前景。然而对于一个直的纳米硅波导一个微纳米硅波导环的结构，传输 光谱要得到深的峰值并不容易。当两个甚至更多的环同圆心的放置时，满足耦合 条件的光耦合在外环后还会进入内环，这样增加了谐振光波在谐振腔内传输的时 间，则可以得到更深的凹陷光谱。通过耦合模理论的数学分析可证实，该结构为 达到临界耦合条件提供了一种新的方案，更容易得到深的凹陷的传输光谱。由于 基于谐振腔的生物检测芯片，基本原理是环境的改变，将引起谐振频率的偏移， 而检测的灵敏度和凹陷部的深度有关，谐振频率处凹陷越深，检测越灵敏。此外， 经过有限差分时域分析(FDTD)验证光在内外环内均匀分布，所以这种环同心放 置的方法使得检测面积大大增加；同时由于这种方法是在单个微纳米硅波导环谐 振腔内增加同心的硅波导环，因此芯片体积可控制在比较小的范围内。
当多个同心环谐振腔单元线性排列，组成芯片阵列时，可以得到各个芯片单元光谱的叠加谱。当各个单元选择取值不同的波导与环、环与环之间的空气间 隙，可以使得个单元光谱的谐振频率不同，当光波到达第一个同心环谐振腔时， 在其谐振频率处的光波耦合在谐振腔内，不在该频率的光波继续传输，到达第二 个同心环谐振腔时，再进行选择，如此类推到最后，输出的光谱为各个同心环谐 振腔单元输出谱的线性叠加。这样可以通过设计纳米硅波导宽度以及各个单元直 的硅波导与环、环与环之间的空气间隙，来得到多分子同时检测的生物芯片和各 种形式的滤波器。
在已经公开的文献中，已有多个组利用环形谐振腔的结构作生物探测和滤 波器，而环形谐振腔传输光谱的凹陷峰越深，灵敏度也越高。经对现有技术的文 献检索发现，在现有利用环行谐振腔技术中，发表在2007年IEEE的第二十届激 光与电光协会会议(Lasers and Electro-Optics Society, 2007 ( LEOS 2007) The 20th Annual Meeting of the IEEE)上的利用光学硅技术的非标记倏逝场 生物传感器 (Label-free Evanescent Field Biosensors Using Silicon Photonics Technology)中公开了一种技术，即通过与直波导耦合的螺旋结构谐 振腔，来得到深的凹陷峰值即高灵敏度的生物传感器。由于绝缘体上的硅波导利 用的倏逝波技术，其灵敏度与检测的区长度和折射率变化有关，在此技术中由于 增加了检测波导的长度，从而得到深峰值的凹陷传输光谱，提高了灵敏度。但是 该技术下芯片体积比较大(毫米数量计)，而且在内部的弧度处(半径为5微米) 弯曲损耗又比较大，影响其集成度的提高和品质因数的增加，同时设计和加工缺 乏灵活性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，采用与直的纳米硅波导通过空气 间隙直接耦合的同心环波导环形谐振腔的结构，提供一种具有深凹陷峰值、光场 分布面积增加的且容易加工的同心环光学谐振腔的生物芯片及其阵列实施器件， 通过选择各个芯片单元的直的纳米硅波导与微型硅波导环形谐振腔的空气间隙 以及硅波导的环形谐振腔中环与环之间的空气间隙取不同的值，可得到不同芯片 单元取不同谐振波长的传输谱；并且在此基础上，把两个以上的芯片单元周期排 列，使得各个单元的光谱线性叠加，在一个自由光谱范围内一个凹陷峰表征一个 芯片单元的信息。本发明可以用于滤波器和多分子的同时检测，且具有集成度高，制作工艺简单，设计灵活性高的特性。 本发明是通过以下技术方案实现的
本发明所述的同心环光学谐振腔的生物芯片是由设置在绝缘体上的硅结构 上的直的纳米硅波导和微波导环形谐振腔组成;微波导环形谐振腔由多于两个的 硅波导环同圆心设置，直的纳米硅波导与微波导环形谐振腔通过第一空气间隙直 接耦合，所述的第一空气间隙，是指直的纳米硅波导与微波导环形谐振腔的外 环硅波导之间的空气间隙;微波导环形谐振腔中波导环之间通过第二空气间隙耦 合，所述的第二空气间隙，是指微波导环形谐振腔中环与环之间的空气间隙。 所述的绝缘体上的硅(SOI)，又称硅晶绝缘体、绝缘硅。这种结构，硅表 层之下是薄薄的玻璃或二氧化硅绝缘层，因此采用这种晶片的芯片，在提供更快 的交换速度、消耗较少的能量、产生较小的电流漏泄的同时，也使其所用的组件 能更紧密地结合在一起。本发明所述的绝缘体上的硅是由底层525微米厚的硅衬 底、中间层3微米厚的二氧化硅缓冲层和最上层250纳米厚的单晶硅组成的。 所述的微波导环形谐振腔半径为微米尺度。 所述的直的纳米硅波导的宽度》400纳米且《600纳米。 所述的第一空气间隙和第二空气间隙均》100纳米且《500纳米。 本发明所述的同心环光学谐振腔的生物芯片阵列实施器件由激光源、入射 光探测计、出射光探测计、第一个芯片检测单元、第二个芯片检测单元和直的纳 米硅波导组成；激光源位于直的纳米硅波导的左侧；第一个芯片检测单元和第二 个芯片检测单元均是由同心放置的两个波导环组成的微波导环形谐振腔，并且平 行放置于直的纳米硅波导的上方，通过第三空气间隙与直的纳米硅波导直接耦 合，所述的第三空气间隙，是指直的纳米硅波导与芯片检测单元外环之间的空 气间隙；第一个芯片检测单元中波导环通过第四空气间隙直接耦合，所述的第四 空气间隙，是指第一个芯片检测单元中波导环之间的空气间隙；第二个芯片检 测单元中波导环通过第五空气间隙直接耦合，所述的第五空气间隙，是指第二
个芯片检测单元中波导环之间的空气间隙;入射光探测计和出射光探测计分别位 于直的纳米硅波导的左右两侧。
所述的第三空气间隙、第四空气间隙和第五空气间隙均》100纳米且《500 纳米。本发明中的同心环光学谐振腔的生物芯片由直的纳米硅波导和并行排列的 多于两个的同圆心放置的微波导环形谐振腔组成。激光进入直的纳米硅波导后通 过直波导与微波导环形谐振腔的空气间隙，耦合进入微波导环形谐振腔的外环， 外环内的光波在通过微波导环形谐振腔中环与环之间的空气间隙，不断向内耦 合，同时光能量在微波导环形谐振腔内不断耦合，得到具有深凹陷峰的光传输谱。
本发明中的同心环光学谐振腔生物芯片阵列实施器件由具有不同谐振峰的 同心环光学谐振腔生物芯片检测单元和直的纳米硅波导组成。通过调整各个芯片 单元的直的纳米硅波导与微波导环形谐振腔之间的空气间隙以及同心环谐振腔 中环与环之间的的空气间隙，可以得到在不同波长谐振的传输谱。将上述芯片单 元在直的纳米硅波导一侧线性排列，组成芯片阵列，可以得到各个芯片单元光谱 的叠加谱，可用于多分子同时检测。
本发明采用绝缘体上的硅结构，硅波导宽度为400-600纳米，大大减小了 芯片的面积，提高了芯片的集成度。由于其半径可以控制在10到20微米，弯曲 损耗小，所以可以降低系统的总损耗。此结构制作工艺简单，可以与COMS等工 艺兼容。此外本发明通过多于两个的同圆心放置的环形谐振腔组成芯片单元，就 得到比单环深的凹陷峰传输谱，可以大幅增加检测的面积和灵敏度，提高了设计 灵活性。
图l同心环光学谐振腔的生物芯片结构示意其中l为直的纳米硅波导，2为第一空气间隙，3为第二空气间隙，4为 微波导环形谐振腔。
图2芯片单元实施器件结构其中图2(A)是绝缘体上的硅结构的横截面示意图，5为硅层，6为二氧 化硅层，7为硅衬底；图2 (B)是芯片单元实际器件的SEM电镜照片。 图3芯片单元实施器件的实施结果图。 图4芯片阵列实施器件结构其中8为激光源，9为入射光探测计，IO为出射光探测计，ll为第一个 芯片检测单元，12为第二个芯片检测单元，13为直的纳米硅波导，14为第三空 气间隙，15为第四空气间隙，16为第五空气间隙。图5芯片阵列实施结果其中17为第一个检测单元的谐振峰，18为第二个检测单元的谐振峰。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件， 或按照制造厂商所建议的条件。
如图1所示，本实施例由设置在绝缘体上的硅结构上的直的纳米硅波导和 微波导环形谐振腔组成。微波导环形谐振腔由多于两个的硅波导环同圆心设置， 直的纳米硅波导与微波导环形谐振腔通过第一空气间隙直接耦合，所述的第一空 气间隙，是指直的纳米硅波导与微波导环形谐振腔的外环硅波导之间的空气间 隙；微波导环形谐振腔中波导环之间通过第二空气间隙耦合，所述的第二空气间 隙，是指微波导环形谐振腔中环与环之间的空气间隙。激光源通过耦合装置进 入直的纳米硅波导l，再通过第一空气间隙，耦合进入多环谐振腔的外环，外环 内的光波再通过第二空气间隙，不断向内耦合。微波导环形谐振腔及微盘的半径 均为微米尺度，波导宽度为几百纳米，而空气间隙为一百到五百纳米之间。相对 于单环的谐振腔，本发明结构中光能量在同心环谐振腔内不断耦合，该结构光场 分布面积也大幅增加，同时可以得到具有深凹陷峰的光传输谱，使得本发明具有 高的检测灵敏度。将多个芯片单元并行排列，可以得到各个芯片单元光谱的线性 叠加情况，在一个自由光谱范围内得到不同单元的谐振谱，可用于多分子同时检 测。波导的宽度和高度均在纳米尺度，光在本系统内单模传输，具有高的集成度。
如图2所示，本实施例在此次实施过程中使用商用的绝缘体上的硅(SOI) 结构。图2A为绝缘体上的硅结构的横截面示意图。该结构由底层525微米厚的 硅衬底、中间层3微米厚的二氧化硅缓冲层和最上层250纳米厚的单晶硅组成的。 在绝缘体上的硅结构上，由于表层硅5与缓冲层二氧化硅6折射率分别为3. 5 与1.46，两者相差很大(接近2.0)，光传输时被限制在硅层，利用离子刻蚀的 方法制作器件时，两层的刻蚀比有120: 1到125: 1，所以该结构精度很高，可 以达到纳米尺度。
图2B是芯片单元实际器件的SEM电镜照片。该器件由一根直的纳米硅波导和两个同心环硅波导组成，通过设计该直波导与环和环与环的空气间隙取不同 值，可以得到光谱的凹陷峰值最深情况下的结构。该结构首先由电子束刻蚀制成 模板，然后通过反离子刻蚀，把模板的形状刻到表面的硅层上。单根硅波导宽度 最开始为IO微米，然后逐渐变细到480纳米。外环的半径为21微米，内环半径 为20. 02微米。为了得到好的耦合，直的纳米硅波导与微波导环形谐振腔外环的 空气间隙为110纳米，内环与外环之间的空气间隙为480纳米。硅波导环的截面 宽500纳米，深250纳米。
如图3所示，图中实线为单根波导与单环耦合的环形谐振腔结构的光传输 谱。波导宽度最开始为IO微米，然后逐渐变细到480纳米，直波导与环的空气 间隙约为110纳米，环的截面宽约为500纳米，深约为250纳米。虚线为本发 明的单波导与同心环耦合的新型环形谐振腔结构的光传输谱。在这个结构就是在
前面单波导与单环的结构基础上，再加了一个同心环，两个环之间的空气间隙约 为480纳米，第二个环与第一个环的截面形状一致。通过对比可以明显看到，本 发明具有更深的凹陷峰值，其中在1568. 14皿处凹陷峰值增加值约为15dB。该 同心环结构的本征品质因数约为5. 1X104 。
如图4所示，本实施例芯片阵列器件由以下部分组成中心波长为1550纳 米的激光源8，入射光探测计9，出射光探测计IO，第一个芯片检测单元ll，第 二个芯片检测单元12，直的纳米硅波导13。激光源8位于直的纳米硅波导13 的左侧;第一个芯片检测单元11和第二个芯片检测单元12均是由同心放置的两 个波导环组成的微波导环形谐振腔，并且平行置于直的纳米硅波导13的上方， 通过第三空气间隙14与直的纳米硅波导13直接耦合；第一个检测单元11中波 导环通过第四空气间隙15直接耦合;第二个检测单元12中波导环通过第五空气 间隙16直接耦合;入射光检测计9和出射光检测计10分别位于直的纳米硅波导 13的左右两侧。两个芯片检测单元ll、 12的外环与直的纳米硅波导之间的空气 间隙与检测单元中环与环之间的空气间隙取不同值，可以得到两个单元光谱的谐 振峰所在波长不同，同时保证峰值很深。该设计中第一个芯片检测单元ll中的 第四空气间隙15为100纳米，第二个检测单元12中的第五空气间隙16为200 纳米。硅波导宽度都为600纳米，直的纳米硅波导与同心环外环的空气间隙为 100纳米。在直的纳米硅波导左侧为中心波长为1550纳米的激光源，在其左右输入输出两侧还分别有两个光探测计，随时检测输入和输出的光强。
如图5所示，本实施例显示了第一个检测单元的谐振峰17与第二个检测单 元的谐振峰18叠加后的光传输谱。由图可见在1540到1620纳米间一个自由光 谱空间内，传输谱两个芯片单元的谐振波长相差ll纳米，足以区分其上探测分 子引起的谐振偏移(皮米数量级)，因此可以用来同时检测两个芯片上的分子状 况。
权利要求
1.一种同心环光学谐振腔的生物芯片，其特征在于由设置在绝缘体上的硅结构上的直的纳米硅波导和微波导环形谐振腔组成，微波导环形谐振腔由多于两个的硅波导环同圆心设置，直的纳米硅波导与微波导环形谐振腔通过第一空气间隙直接耦合，所述的第一空气间隙，是指直的纳米硅波导与微波导环形谐振腔的外环硅波导之间的空气间隙；微波导环形谐振腔中波导环之间通过第二空气间隙耦合，所述的第二空气间隙，是指微波导环形谐振腔中环与环之间的空气间隙。
2、 根据权利要求l所述的同心环光学谐振腔的生物芯片，其特征是所述的 直的纳米硅波导的宽度》400纳米，且《600纳米。
3、 根据权利要求l所述的同心环光学谐振腔的生物芯片，其特征是所述的 第一空气间隙和第二空气间隙均》100纳米，且《500纳米。
4、 根据权利要求l所述的同心环光学谐振腔的生物芯片，其特征是所述的绝缘体上的硅结构是由底层525微米厚的硅衬底、中间层3微米厚的二氧化硅缓 冲层和最上层250纳米厚的单晶硅组成的。
5、 根据权利要求l所述的同心环光学谐振腔的生物芯片，其特征是所述的 直的纳米硅波导的宽度由10微米逐渐变细到480纳米。
6、 根据权利要求l所述的同心环光学谐振腔的生物芯片，其特征是所述的 微波导环形谐振腔由同心放置的两个波导环组成，其中外环的半径为21微米，内 环半径为20. 02微米，两个环之间的第二空气间隙为480纳米。
7、 一种同心环光学谐振腔的生物芯片阵列实施器件，其特征在于由激光源、 入射光探测计、出射光探测计、第一个芯片检测单元、第二个芯片检测单元和直 的纳米硅波导组成；激光源位于直的纳米硅波导的左侧；第一个芯片检测单元和 第二个芯片检测单元均是由同心放置的两个波导环组成的微波导环形谐振腔，并 且平行放置于直的纳米硅波导的上方，通过第三空气间隙与直的纳米硅波导直接 耦合，所述的第三空气间隙，是指直的纳米硅波导与芯片检测单元外环之间的 空气间隙；第一个芯片检测单元中波导环通过第四空气间隙直接耦合，所述的第四空气间隙，是指第一个芯片检测单元中波导环之间的空气间隙；第二个芯片 检测单元中波导环通过第五空气间隙直接耦合，所述的第五空气间隙，是指第二个芯片检测单元中波导环之间的空气间隙；入射光探测计和出射光探测计分别 位于直的纳米硅波导的左右两侧。
8、根据权利要求7所述的同心环光学谐振腔的生物芯片阵列实施器件，其特 征是所述的第三空气间隙、第四空气间隙和第五空气间隙均^100纳米且《500纳米。
全文摘要
本发明涉及的是一种光器件技术领域的同心环光学谐振腔的生物芯片及其阵列实施器件，其生物芯片由设置在绝缘体上的硅结构上的直的纳米硅波导和微波导环形谐振腔组成，微波导环形谐振腔由多于两个的硅波导环同圆心设置，直的纳米硅波导与微波导环形谐振腔通过第一空气间隙直接耦合，微波导环形谐振腔中波导环之间通过第二空气间隙耦合。其阵列实施器件由激光源、入射光探测计、出射光探测计、第一个芯片检测单元、第二个芯片检测单元和直的纳米硅波导组成。本发明可以大幅增加检测的面积和灵敏度，达到同时检测多种分子的目的，同时具有集成度高，制作工艺简单，设计灵活性高的特点。
文档编号G01N21/00GK101303341SQ200810039560
公开日2008年11月12日 申请日期2008年6月26日 优先权日2008年6月26日
发明者旻 仇, 李晓慧, 苏翼凯 申请人:上海交通大学