[发明专利]基于双模光波导的干涉仪和传感器以及感测方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于光波导的干涉仪和传感器，尤其涉及基于双模光波导的干涉仪和传感器。

背景技术

对分子的检测，例如对蛋白质、葡萄糖、或分子之间的结合(binding)的检测，是一个常见的问题。溶液中的试剂量或分子浓度可能很低，需要高灵敏度的设备来检测分子。可以使用各种方法和技术来进行检测。存在多种纳米机械和光学设备，诸如马赫-曾德(Mach-Zhender)干涉仪、表面等离子体激光谐振、杨氏(Young)干涉仪、法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪、以及平板干涉仪。马赫-曾德和杨氏干涉仪是很久以前引入并已被充分研究过的基于光波导的紧凑型设备。现在，这些技术被认为属于生物分子检测领域中最灵敏的技术，因为坚固平面结构的简单性提供了相对简单的固定过程这一优点。已开发的方法和规程能够结合分子而无需作标记。这使得实验不那么费劲并且更加可重复，因为作标记会干扰实际结果，因而是一种误差来源。干涉仪通常具有两个支路，当干涉仪作为感测设备时，其一个支路设有传感器片，另一个支路作为参考。流过传感器片的试剂与之前被固定在波导上的分子在窗口中相互作用。这会改变波导包层的折射率，并随之改变光沿该波导传播的速度。从而，在两个支路中传播的光波之间存在相移。根据干涉仪的类型，混合这些波会产生不同的结果：在杨氏干涉仪的情况下是干涉图案，而在马赫-曾德干涉仪的情况下是输出通道信号的变化。

然而，具有两个支路的干涉仪具有难以精确分光的缺点。如果制作得不好，则关键的Y接头对称性使得干涉仪容易具有减小的调制深度和灵敏度的损失。

而且，可能仅仅在相对较薄的波导上才能获得高灵敏度。灵敏度定义为，波导消逝场进入与波导结合的分析物中——即进入与波导接触的分析物中——的穿透深度。如果波导厚度减小，则穿透深度显著增大。由于薄波导的波导传播模式的强度分布与常规光源强度分布之间的失配，这引起光耦合的困难。

两个支路中的干涉光波之间的初始相移调节需要额外的技术和工程努力。

通过使用双模波导干涉仪可以部分解决上述问题。日本专利申请JP2004145246给出了利用两个传播模式的干涉来工作的设备的一个例子。该设备由单模波导、随后的双模波导、和再随后的另一个单模波导组成。

JP2004145246中描述的结构的工作原理是基于平面型双模波导中两个传播模式的干涉。图5示出了这种波导。虽然物理结构是三维的，但是从性质角度而言该结构是二维的：在纵向(在图5中被称为X轴)，即光传播的方向，该结构具有台阶(step)或肋(rib)500，其定义了沿纵轴的厚度变化。在横向(在图5中被称为Y轴)，波导材料的性质(即，折射率)有变化。在侧向(在图5中被称为Z轴)，波导结构是均匀的，因为其性质沿侧向无变化。因此，该结构是二维结构(从传播的角度而言，它具有一个纵向尺寸和另一个横向尺寸)。

然而，JP2004145246的设备的尺寸无法制造能够检测包层折射率的极小变化的狭长干涉仪。

G.Coppola等人在“Temperature Optical Sensor Based on allSilicon Bimodal Waveguide”中给出了利用传播模式的干涉来工作的设备的另一个例子，其中侧向模式参与生成干涉图案。该设备可以使用常规的光刻法制造。

尽管如此，该设备的准确实施仍然非常需要对干涉仪侧向几何结构的精确控制。利用常规的微电子技术来控制该设备的侧向几何结构是很复杂的。

实际上，JP2004145246和G.Coppola等人的文献中的设备结构暗示的是顺序波导结构，其被设计用于激励模式和用于读取干涉信号。这对设备的灵敏度以及对其通用性造成某些限制。

发明内容

本发明利用双模波导结构，其中当该双模波导结构经历结构变化时，积累在两个传播模式之间的不同的相对相位延迟。本发明还涉及包括双模波导的光波导干涉仪，其中该双模波导的传播模式色散对模式阶次敏感。

本发明的一个方面涉及一种平面光波导干涉仪，包括：衬底；包括沉积在所述衬底上的至少一个层的双模波导，所述双模波导被设计为支持零阶和一阶横向传播模式，所述横向传播模式具有不同的色散；位于所述双模波导的上侧的选定区域中的传感器片，所述传感器片被配置用于接收化学、生物或物理输入刺激物，所述刺激物能够改变所述双模波导的有效折射率。所述双模波导包括被设计用于在侧向限制光的限制装置，从而双模波导被设计用于支持一个侧向模式。

所述干涉仪优选地包括被配置用于将光导入所述双模波导中的电磁辐射源。该源更优选地是激光器。

可选地，所述源集成在衬底的结构中。