[发明专利]同心环光学谐振腔的生物芯片及其阵列实施器件

说明书

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(COMS)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Kn_effC＝2Mπ，其中K＝2π/λ，λ为光波长，n_eff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 SiliconPhotonics 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：