[发明专利]一种基于VCSEL耦合阵列的光学相位差的液体检测芯片

说明书

一种基于VCSEL耦合阵列的光学相位差的液体检测芯片系统，属于半导体激光器技术、生化检测技术的交叉技术领域。本发明通过采用质子注入或腔诱导反波导或光子晶体等技术，实现VCSEL耦合阵列的制备。通过PECVD、光刻、溅射、反应离子刻蚀、湿法腐蚀和键合等工艺在VCSEL耦合阵列表面集成微流控结构。在VCSEL耦合阵列上表面利用微流控技术，将待测液体通入VCSEL耦合阵列单元上方，引起VCSEL单元间光束耦合相位差改变，使得激光光束发生偏转，通过对激光光束偏转角度测量，可以计算出液体的折射率，实现液体折射率检测。

技术领域

本发明属于光电子技术和传感技术的交叉领域，具体涉及一种基于VCSEL耦合阵列的液体折射率传感芯片设计与制备。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)具有低阈值、圆形光斑、平面工艺兼容易于集成等优点，在光通信、光互联、传感等领域有着重要应用，也是实现微型化生化检测系统(片上实验室)的理想光源之一。VCSEL耦合阵列是通过调控阵元间的相位差，实现对激光光束的操控，当激光器阵列单元相位发生改变时，其波前会发生变化，从而使激光光束在空间上发生偏转。在VCSEL阵列耦合中，通过改变阵元间出射光的光程差，可以实现对阵列单元相位调控，从而实现光束偏转。基于此，我们提出一种基于VCSEL耦合阵列的液体折射率传感芯片，在VCSEL耦合阵列平面结构基础上利用微流控技术，将待测液体通入VCSEL耦合阵列单元上方，引起VCSEL阵元间相位差改变，使得激光光束发生偏转，通过对激光光束偏转角度测量，可以计算出液体的折射率，实现液体折射率检测。该传感芯片将半导体激光器技术与微流控技术进行结合，具有实时、微量和可检测样品范围广等优势。

发明内容

采用VCSEL耦合阵列作为激光光源，通过等离子体增强化学的气相沉积法(Plasmaenhanced chemical vapor deposition，PECVD)、光刻、溅射、反应离子刻蚀(Reactive ionetching,RIE)、湿法腐蚀和键合等工艺在VCSEL耦合阵列表面集成微流通道结构，完成芯片制备。利用微流通道结构，将待测液体通入VCSEL耦合阵列单元上方，改变VCSEL单元间光束耦合相位差，使激光光束发生偏转，通过对激光光束偏转角度测量，计算出液体的折射率，实现液体折射率检测。

本发明提出一种基于光学相位差的液体检测芯片，解决传统液体折射率检测设备，结构复杂和不能实时检测的问题。本发明的技术解决方案如下：

1.通过质子注入限制或光子晶体或腔诱导反波导等技术，使VCSEL阵列各个发光单元的光场在器件内部耦合，单元间有固定的相位关系，从而制备出能够获得高光束质量相干光输出的VCSEL耦合阵列；

2.通过微流控技术在VCSEL耦合阵列表面出光区集成微流通道，使待测液体注入上述特定的VCSEL阵列单元上方微流通道，使VCSEL阵列单元产生相位差，使出射光束偏转，通过测量光束偏转角，计算出液体折射率。本发明的光束传感芯片的横向剖面示意图和俯视图分别如图1和图2所示。