集成式等离子体光子生物传感器及其使用方法技术

本发明专利技术涉及一种装置，其包括具有大自由光谱范围的第一光学马赫曾德尔干涉测量传感器(MZI1)，其中，等离子体波导管(107)薄膜或混合槽被合并为平面集成在Si3N4光子波导管上的换能器元件，以及第二光学马赫曾德尔干涉测量传感器(MZI2)，两台光学马赫曾德尔干涉测量传感器均包括热光移相器(104,106)，其用作可变光衰减器VOA以最佳方式偏置所述MZI传感器(MZI1)和MZI。所述装置进一步包括一单块芯片(112)，其中，所述整体芯片显着之处在于包括一组具有高折射率氮化硅条(303,603)的光子波导管(103)，所述单块芯片设置在低折射率氧化物基质(SiO2)和低折射率氧化物覆盖层(LTO)之间；光学耦合结构(102,109)，其设置在传感器两端，用作光输入/输出；分光器(102)和光组合器(109)，其分别用于在所述第一传感器(MZI1)的第一联接点(102)进行光分离，以及在所述第一MZI(MZI1)的第二联接点(109)进行光组合；可变光衰减器(VOA)，其设有所附加第二MZI(MZI2)，嵌套在所述MZI1(传感器)中，用于部署分别在所述附加第二MZI(MZI2)的第一联接点进行光分离和在所述第二MZI(MZI2)的第二联接点进行光组合的分光器和光组合器；一组热光移相器(104,106)，用于调谐每个所述MZI(MZI1,MZI2‑VOA)参考臂(104,106)中光信号的相位；其中，通过在一段光子波导管顶部上并沿着光的传播方向沉积彼此平行的两条金属条形成热光移相器；以及等离子体波导管(107)，其设置在所述第一MZI(MZI1)的上支路(103)中，用于通过耦合限制光传播。

Integrated plasma photon biosensor and its application

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成式等离子体光子生物传感器及其使用方法
本专利技术涉及一种用于低成本大规模制造平面集成光子生物传感器的装置，更具体地说，涉及将CMOS光子和等离子体部件单片与最佳偏置MZI干涉仪共同集成的方法，该方法以低制造成本空前提高传感器灵敏度。
技术介绍
已经提出了几种解决方案来解决高灵敏度生物传感的技术问题。然而，所需制造方法复杂、成本高昂，系统体积大或灵敏度适中仍妨碍广泛的商业开发。在进入市场之前，应该同时解决在传感装置中的所有这些特性。JiriHomola、SinclairS.Yeea和GünterGauglitzb在《表面等离子共振传感器：评论》，传感器和执行器B：化学杂志，第54卷，1999年1月1—2期，第3-15页，中提出，由于金属表面上的强光场，表面等离子体共振(SPR)对折射率变化的灵敏度导致了开发用于检测生物制剂的SPR传感系统。那些传感器通常使用光学棱镜将光耦合到平坦金膜上的表面等离子体模式。然而，这些系统的尺寸大，严重妨碍了用平面单片芯片对其进行小型化，低成本制造，以及它们在床旁检测和其他便携式应用中的使用。近来，纳米制造技术的探索发展，使得载有传播表面等离子体激元的等离子体波导管装置被集成为生物传感器，但在灵敏度方面，感测性能低。为了提高等离子体传感器的性能，将等离子体波导管集成在称为“MZI”的马赫曾德尔干涉仪以及其他干涉结构中，以利用等离子体波导管光场的相位依赖性来改变受试测试分析物的折射率。美国光学学会-光学快报第23卷第20期第25688-25699页(2015)，doi.org/10.1364/OE.23.025688[Wosinski]的论文演示了具有集成在硅上的金基槽式波导管的马赫曾德尔干涉仪。然而，由于在与小自由光谱范围的MZI组合时，缺少最佳偏置部件用以优化上下支路之间的差分长度和功率不平衡，使得光学灵敏度只能达到1061/nm/RIU量级。M.Z.Alam、F.Bahrami、J.S.Aitchison和M.Mojamedi在美国电气和电子工程师协会-《光学和光子学杂志》发表名为《分析和优化用作生物传感平台的混合等离子体波导管》的论文中提出了使用混合等离子体槽式波导管的类似方法：第6卷，第4期，2014年8月，DOI：10.1109/JPHOT.2014.2331232，但是，设计侧重于缺少任何MZI平衡组件和相关的性能指标的等离子体波导管。专利文献US2005/0018949A1公开了一种使用等离子体的MZI传感器，其仅以微米级尺寸以内(2-20μm)应用，因此仅仅允许微米级集成，不能实现更小量级的集成。另外，所述文献没有公开等离子体和光子波导管之间的耦合效率，预期其耦合效率低，集成等离子体波导管的MZI支路的损耗非常高。这种情况与MZI下支路缺少偏置部件类似，因此所述文献未公开，预计在感测测量期间分辨率低，因此限制了传感器的灵敏度和检测限。专利EP2214049B1使用专门设计的光子MZI，其依赖于渐逝光场，但在MZI感测支路中需要非常长的交互臂。这与CMOS不兼容材料，例如聚合物，使用相结合时，阻碍了该设备在微米级或纳米级中的进一步小型化以及CMOS工厂大规模制造。与上述装置类似，该传感器也不使用完美平衡MZI传感器所需的平衡部件，同时为了满足灵敏度要求，它需要大的传感器结构，这限制了大规模制造，因此妨碍了传感芯片制造成本的降低。此外，YongkangGao、QiaoqiangGan、ZhemingXin、XuanhongCheng和FilbertJBartoli2011年12月18日于《美国化学学会奈米期刊》5(12)：9836-44发表论文《用于超敏感片上生物传感的等离子体马赫曾德尔干涉仪》，以及KirillE.Zinoviev；AnaBelénGonzalez-Guerrero；CarlosDominguez；LauraM.Lechuga于2011年在《光波技术杂志》第29卷，第13期第1926–1930页，DOI：10.1109/JLT.2011.2150734，论文《用于无标记分析的集成双模式波导干涉式生物传感器》分别提出了一种被称为BiModal干涉仪的新型干涉仪。这种新型干涉仪使用光子和等离子体结构，目标是增强热稳定性和/或偏离理想的50：50分离比。虽然他们提供紧凑的解决方案，但对双模式操作的要求阻碍了扩大传感区域以及为优化分辨率而精确平衡两个MZI分路。JianghaiWo等人在美国光学学会《光学快报》第37卷第1期67-69页(2012)，doi.org/10.1364/OL.37.000067发表论文《采用超细纤维马赫曾德尔干扰仪的折射率传感器》，文中报道了采用MZI结构的微纤维折射率传感器。所提出的设计采用光纤，手动控制的现成光学延迟线和衰减器部件优化MZI传感器操作以及6cm光学微纤维。该论文没有公开在平面集成芯片中开发所提议设计并且实现集成式衰减器和延迟线的方法。此外，使用6cm长的微纤维作为传感器换能器不允许进一步小型化(毫米或微米级)和大规模制造。StewartA.Clark、BrianCulshaw、EmmaJ.C.Dawnay和IanE.Day于Proc.SPIE3936，集成光学装置IV，(2000年3月24日)；DOI：10.1117/12.379940发表论文《用SIMOX材料制备热光相位调制器》公开了一种在MZI结构中利用平面电控热光移相器作为相位调制元件的方法。WO00/73848A2(JDSUNIPHASECORP[美国]；McBrienGregoryJ[美国]；KissaKarlM[美国]；Hal)(2000年12月7日)(2000-12-07)也公开一种在嵌套MZI结构中组合电控相位调制器的类似方法。然而，两种方案均没有说明传感元件或传感功能。WO00/73848A2在图3中公开了一种带有电极的嵌套式马赫曾德尔结构，其中电极用于控制干涉仪臂中的场的相位和平衡。然而，公开的装置是调制器而不是传感器，并且不包含热光学移相器。专利技术目的本专利技术旨在通过提出一种超灵敏生物传感器装置来同时解决上述各种问题，所述超灵敏生物传感器装置可通过使用简单的低成本制造方法集成在基于微米级芯片的结构中。能够精确地实时读取低至分子水平的目标物质的传感技术，将促进疾病早期诊断和预防、床旁检测应用和精确环境监测。因为能够将光限制在纳米级尺寸，且具有出色的灵敏度与相互作用长度关系，所以等离子体光子技术在应用于传感时具有巨大潜力。由于等离子体每单位长度具有前所未有的灵敏度，以及能够与低损耗光子学、电子-纳米级和金属-生物化学机制(生物相容性)和谐共存，等离子体将实现生物传感器系统在性能，多功能性和紧凑性方面的新能力。与此同时，选择性地组合等离子体波导管与Si3N4基光子可以利用电子IC工厂的CMOS后端制造工艺以近低成本和大规模制造集成光子传感器。虽然等离子体光子的附加价值已得到实际证实，但尚未有组织力量将集成等离子体传感器从高损耗和隔离技术转变为高价值的实用CMOS兼容器件。简而言之，在集成平面芯片中和谐和平衡地混合CMOS兼容性光子等离子体与光子有望使昂贵而复杂的技术转变成等离子体光子传感器，从而实现基于等离子体光子集成电路(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包括至少一个光学干涉测量传感器，特别是具有大自由光谱范围的第一马赫曾德尔(211)干涉测量传感器(MZI1)，特别是数十纳米到数百纳米自由光谱范围，其中等离子体波导管(107)，特别是薄膜或混合槽波导管，用作平面集成在Si3N4光子波导管上的换能器元件‑一组具有高折射率氮化硅条(303,603)的光子波导管(103)，其设置在低折射率氧化物衬底(诸如SiO2)和低折射率氧化物覆板之间，诸如LTO，‑光学耦合结构(102,109)，其设置在所述传感器两端，用于光输入/输出；‑分光器(102)和光组合器(109)，用于在所述MZI传感器(MZI1)第一联接点(102)进行光分离，以及在所述MZI传感器(MZI1)第二联接点(109)进行光组合，特别是星形联接/定向耦合器或多模式干涉耦合器(MMI)；和‑等离子体波导管(107)，其设置在所述MZI传感器(MZI1)的上支路(103)，用于通过在金属分析物界面与表面等离子体激元(SPP)耦合限制光传播，其特征在于，所述装置包括附加光学干涉测量元件，特别是第二马赫曾德尔型干涉仪(MZI2)，其布置在所述第一MZI干涉测量传感器(MZI1)的参考臂中，两台所述(MZI2)马赫曾德尔干涉仪(MZI1)和(MZI2)均包括热光加热器(104,106)，其作为可变光衰减器用于最佳地偏置所述干涉仪(MZI1)和(MZI2)；进一步包括整个芯片(112)，‑具有所述附加马赫曾德尔干涉仪(MZI2)的可变光学衰减器(VOA)，其用于设置分别用于在所述附加MZI马赫曾德尔干涉仪(MZI2)第一联接点进行光分离以及在所述附加MZI马赫曾德尔干涉仪(MZI2)第二联接点进行光组合的分光器和光组合器，‑一组热光移相器(104,106)，用于调谐每个所述MZI马赫曾德尔干涉仪(MZI1,MZI2‑VOA)的参考臂(104,106)中的光信号相位；其中通过在一段光子波导管顶部上并沿着光的传播方向沉积彼此平行的两条金属条形成所述热光移相器。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.17 GR 2017/01000881.一种装置，包括至少一个光学干涉测量传感器，特别是具有大自由光谱范围的第一马赫曾德尔(211)干涉测量传感器(MZI1)，特别是数十纳米到数百纳米自由光谱范围，其中等离子体波导管(107)，特别是薄膜或混合槽波导管，用作平面集成在Si3N4光子波导管上的换能器元件-一组具有高折射率氮化硅条(303,603)的光子波导管(103)，其设置在低折射率氧化物衬底(诸如SiO2)和低折射率氧化物覆板之间，诸如LTO，-光学耦合结构(102,109)，其设置在所述传感器两端，用于光输入/输出；-分光器(102)和光组合器(109)，用于在所述MZI传感器(MZI1)第一联接点(102)进行光分离，以及在所述MZI传感器(MZI1)第二联接点(109)进行光组合，特别是星形联接/定向耦合器或多模式干涉耦合器(MMI)；和-等离子体波导管(107)，其设置在所述MZI传感器(MZI1)的上支路(103)，用于通过在金属分析物界面与表面等离子体激元(SPP)耦合限制光传播，其特征在于，所述装置包括附加光学干涉测量元件，特别是第二马赫曾德尔型干涉仪(MZI2)，其布置在所述第一MZI干涉测量传感器(MZI1)的参考臂中，两台所述(MZI2)马赫曾德尔干涉仪(MZI1)和(MZI2)均包括热光加热器(104,106)，其作为可变光衰减器用于最佳地偏置所述干涉仪(MZI1)和(MZI2)；进一步包括整个芯片(112)，-具有所述附加马赫曾德尔干涉仪(MZI2)的可变光学衰减器(VOA)，其用于设置分别用于在所述附加MZI马赫曾德尔干涉仪(MZI2)第一联接点进行光分离以及在所述附加MZI马赫曾德尔干涉仪(MZI2)第二联接点进行光组合的分光器和光组合器，-一组热光移相器(104,106)，用于调谐每个所述MZI马赫曾德尔干涉仪(MZI1,MZI2-VOA)的参考臂(104,106)中的光信号相位；其中通过在一段光子波导管顶部上并沿着光的传播方向沉积彼此平行的两条金属条形成所述热光移相器。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一个光学干涉测量传感器包括第一马赫曾德尔(211)干涉测量传感器(MZI1)，具有从几十纳米到几百纳米的大自由光谱范围，并且所述附加光学干涉测量元件包括第二马赫曾德尔型(MZI2)干涉仪，其布置在所述第一干涉仪传感器(MZI1)的所述参考臂中。3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述等离子体波导管由贵金属制成，特别是金(Au)或银(Ag)。4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述等离子体波导管由低成本金属制成，例如特别是铜(Cu)、铝(Al)，或诸如氮化钛(TiN)或其他CMOS兼容金属化合物。5.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述等离子体波导管(107)包括薄膜或混合槽。6.根据前述权利要求5所述的装置，其特征在于，所述等离子体波导管由以下波导管制成：所谓的包括薄金属条的薄膜波导管(TFW)，所述薄金属条借助通过蚀刻顶部氧化物包层和仅一段光子波导管氮化硅芯而形成的空腔直接沉积在氧化物覆板上。7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述等离子体波导管由所谓的混合等离子体光子槽式波导管(HPPSW)制成，其包括两条平行金属线(202,305)，所述金属线直接沉积在波导管预定段顶部(405)上，无需空腔或额外处理步骤，其中，在光刻期间，金属条(303,403)下面的光子波导管是中断的，无需额外掩模或处理步骤，其中在单步骤中使用单一金属层沉积步骤将等离子体槽(202,107)和移相器(104)直接沉积在光子波导管顶部(103,303,403)，无需蚀刻等离子体波导管，更具体地，其中，为了在单个掩模中分别设计HPPSW和热光学移相器、加热器(104)，在传感器掩模设计期间，确定金属条(305)间隔数值，距离WSlot，以及金属条长度和宽度，更具体地，其中包括定向耦合器，用于将来自光子波导管(101,303,403)的光耦合到等离子体槽(202,305,405)并返回光子波导管(101,303,403)，其中等离子体槽(202,305,405)前后端的光子波导管等离子体圆锥还用于提高耦合效率。8.根据前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述等离子体波导管的所述高折射率氮化硅条带(303,603)设置在作为低折射率氧化物基质的SiO2基质和作为低折射率氧化物覆盖层的LTO基质之间。9.如权利要求1，特别是权利要求8所述的装置，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼古拉斯·普莱罗斯，迪米特洛斯·蒂奥克斯，乔治奥斯·纳普斯，迪米他·科扎基，安娜·莱娜·吉塞科，
申请(专利权)人：亚利桑那大学塞萨洛尼基研究委员会，阿默应用微电子和光电子技术协会有限公司，
类型：发明
国别省市：希腊,GR