一种光栅微环互调结构的光波导生化传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]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，具体涉及光生化传感技术领域，特别涉及一种光栅微环互调结构的光波导生化传感器。
【背景技术】
[0002]在二十一世纪，人们开始越来越关注环境问题和气候问题，对医药和食品的安全健康要求也日益增加，临床上和军事上也迫切需要一种能够对生物化学成分快速准确地检测分析的手段，这样的需求大大促进了光学生化传感器的应用和发展。光学生化传感器是一种以某种生物化学成分为敏感基元，以光学信号为载体，对目标测物具有高选择性和高灵敏度的检测器件。光学生化传感器是一种把待测生化物质所表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器，用现代微电子和自动化仪表技术进行信号的再加工，构成各种可以使用的生化传感器分析装置、仪器和系统。生化传感器通常是对气体、液体、生物大分子等微流体进行检测，待分析的样本至少覆盖整个波导器件的上方区域，待分析样本浓度的变化或免疫反应的发生都将改变波导包层的折射率，该变化被光波的倏逝场分量所感应，从而引起光波模式有效折射率的改变，并使得光在环中的传输性质发生变化。通过测量光场的变化量就可以知道待测物质的信息。光学生化传感器主要有体材料型、光纤型和集成型三种。最近这几年，随着集成光学技术的发展，集成型光学生化传感器因其高灵敏度、微型化、集成化、低成本、选择性好等优点而受到极大的重视。集成型光学生化传感器传感的工作机理是基于倏逝光波与外界物质的相互作用，因此这是一种无需荧光标记的生化传感方式。为了提高集成光路的集成度，国内外正在致力于研宄基于SOI (SiIicon-On-1nsulator,绝缘衬底上的硅)的硅波导和表面等离子体光波导。SOI硅波导因为高折射率差可以将光场限制在亚波长量级，表面等离子体光波导则因为表面等离子体共振效应，从而打破光学衍射极限并将光场限制在深亚米波长量级。同时，这两种光波导的最小弯曲半径约为几个微米。因此，这两种光波导被业内人士认为是最有可能实现高密度的光电混合集成系统的集成光学平台。目前光学生化传感器的光波导结构有马赫泽德干涉型、光栅、以及法布里-珀罗(FP)腔、环形腔、表面等离子体共振等结构。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光学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。
[0003]但是基于现有的单一光栅结构和微环谐振腔结构，其自由光谱范围小，可探测的动态范围小，器件制作的难度大且难以实现器件小型化和便携化，不利于对各种生物、化学成分进行简便操作。
【发明内容】
[0004]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所存在的由于其被探测的倏逝波分布于器件光波导周围并存在能量密度低导致探测难度大的缺陷，提出了一种光栅微环互调结构的光波导生化传感器。
[0005]为了实现上述目的，本发明的技术方案是:一种光栅微环互调结构的光波导生化传感器，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，所述SOI基体的单晶硅层包含第一直波导、第二直波导、外环形谐振腔和内环形光栅谐振腔，所述外环形谐振腔分别与第一直波导和第二直波导耦合连接，内环形光栅谐振腔设于外环形谐振腔内沿，与外环形谐振腔位于同一平面。
[0006]优选地，所述外环形谐振腔为环形波导，内环形光栅谐振腔为环形光栅波导，第一直波导和环形波导耦合连接构成第一方向耦合器，第二直波导和环形波导耦合连接构成第二方向耦合器。
[0007]优选地，所述内环形光栅谐振腔为垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下刻蚀于外环形谐振腔内沿。
[0008]优选地，所述内环形光栅谐振腔的深度等于单晶硅层厚度。
[0009]优选地，所述内环形光栅谐振腔包括249至254个周期单元。
[0010]优选地，所述光栅周期单元的周期为0.3um?0.4um之任一值。
[0011]优选地，所述光栅周期单元的占空比为40%?60%之任一值。
[0012]优选地，所述光栅周期单元的纵向长度与所述外环形谐振腔纵向长度的比为60%?100%之任一值。
[0013]本发明的有益效果:本发明所提供的光栅微环互调结构的光波导生化传感器，通过在SOI基体顶部的单晶硅层形成外环形谐振腔和内环形光栅谐振腔检测外界物质对光信号的影响，由于外环形谐振腔和内环形光栅谐振腔的调制作用，可以使外环形谐振腔中某些谐振峰得到抑制，从而增大了自由光谱范围，同时由于内环形光栅谐振腔能够将光极大的限制在光栅区域，从而有效增强了光和物质之间的相互作用，使检测灵敏度更高，检测难度进一步降低。另外利用光学谐振腔的谐振效应，使得可以在达到相同传感性能的条件下，大大减小光学生化传感芯片的体积，有利于实现生化传感器的微型化与片上传感系统。以SOI材料为基体，可以利用成熟的微电子CMOS加工工艺，使得这种光学生化传感芯片易于大规模批量生产，有利于降低光学生化传感芯片的成本。本光波导生化传感器既可用于生物大分子(蛋白质或者是DNA)液体样本探测，也可用于气体分子检测，具有制作工艺标准化、价格低、体积小、便于集成化、传感性能优良及适用范围广等一系列特点。
【附图说明】
[0014]图1是本发明光波导生化传感器的结构示意图；
[0015]图2是本发明光波导生化传感器的俯视图；
[0016]图3是本发明实施例的光波导生化传感器的传输谱示意图；
[0017]图4是本发明实施例的光波导生化传感器在不同折射率变化量情况下与谐振波长的线性拟合曲线图；
[0018]图5是本发明实施例的光波导生化传感器在不同有机物溶液下对应的输出透射谱线。
[0019]附图标记说明:11、硅基层；12、二氧化硅层；13、单晶硅层；14、第一直波导；15、第二直波导；16、环形波导；17、环形光栅波导；21、第一方向親合器；22、第二方向親合器。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。
[0021]如图1和图2所示，本实施例的一种光栅微环互调结构的光波导生化