一种等离激元光学增强芯片系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种等离激元光学增强芯片系统，该系统包括纳米孔芯片、光学芯片组及图像传感器芯片，纳米孔芯片包括衬底层、激发光导入层、微腔层及金属膜，微腔层中设有至少一反应单元，反应单元包括布拉格反射镜及微腔，微腔底面设有纳米开口；光学芯片组包括中继光学芯片及集成光学芯片以构成至少一光学单元，用于接收纳米开口处被激发的光学信号并依次准直、汇聚、收集、处理、输出；图像传感器芯片包括至少一光电转换单元。本实用新型专利技术的等离激元光学增强芯片系统利用等离激元增强电场的放大作用，对微腔纳米开口处的分子进行高效激发，具有超高灵敏检测能力，可以实现最低单个分子的超高灵敏的光学检测，可应用于单分子检测和DNA/RNA测序领域。检测和DNA/RNA测序领域。检测和DNA/RNA测序领域。

An plasmon optical enhancement chip system

【技术实现步骤摘要】
一种等离激元光学增强芯片系统


[0001]本技术属于生物芯片
，涉及一种等离激元光学增强芯片系统。

技术介绍

[0002]生物芯片用途广泛，在生命科学研究及实践、医学科研及临床、药物设计、环境保护、农业、军事等各个领域有着广泛的用武之地，有着广泛的经济、社会及科研前景。如何提高生物芯片的检测灵敏度，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

技术实现思路

[0003]鉴于以上所述现有技术的缺点，本技术的目的在于提供一种等离激元光学增强芯片系统，用于解决现有技术中生物芯片检测灵敏度较低的问题。
[0004]为实现上述目的及其他相关目的，本技术提供一种等离激元光学增强芯片系统，包括：
[0005]纳米孔芯片，包括衬底层、激发光导入层、微腔层及金属膜，所述激发光导入层位于所述衬底层与所述微腔层之间，所述微腔层中设有至少一反应单元，所述反应单元包括布拉格反射镜及微腔，所述微腔自所述微腔层的顶面开口，并延伸至所述微腔层的底面形成纳米开口，所述布拉格反射镜分布于所述微腔的两侧并与所述微腔间隔预设距离，所述激发光导入层中设有经由所述纳米开口与所述微腔连通的通孔，所述金属膜位于所述微腔层上表面并覆盖所述布拉格反射镜的表面及所述微腔的表面；
[0006]光学芯片组，位于所述纳米孔芯片上方，所述光学芯片组包括自下而上依次堆叠的中继光学芯片及集成光学芯片以构成至少一光学单元，用于接收所述纳米开口处被激发的光学信号并依次准直、汇聚，收集汇聚的光学信号并进行处理后输出；
[0007]图像传感器芯片，位于所述光学芯片组上方，所述图像传感器芯片包括至少一光电转换单元，用于接收所述光学芯片组输出的光学信号并转换为电信号。
[0008]可选地，所述光学单元包括位于所述中继光学芯片中的透镜组，所述透镜组包括在垂直方向上间隔设置的第一透镜与第二透镜，所述第一透镜用于准直所述纳米开口处被激发的光学信号，所述第二透镜用于将所述第一透镜准直的光学信号汇聚至所述集成光学芯片。
[0009]可选地，所述第一透镜包括微透镜或菲涅尔透镜，所述第二透镜包括微透镜或菲涅尔透镜。
[0010]可选地，所述激发光导入层包括单模波导。
[0011]可选地，所述衬底层的材料包括二氧化硅；所述激发光导入层的材料包括氮化硅，所述微腔层的材料包括硅。
[0012]可选地，所述微腔的开口面积自上而下逐渐缩小。
[0013]可选地，所述纳米开口的形状包括长方形、正方形及圆形中的一种。
[0014]可选地，所述光学单元包括位于所述集成光学芯片中的收集光栅耦合器、平面波
导、多模波导及静态干涉仪，所述收集光栅耦合器用于收集所述中继光学芯片汇聚的光学信号并依次通过所述平面波导及所述多模波导传输至所述静态干涉仪，所述静态干涉仪用于产生干涉信号并投射进所述图像传感器芯片中。
[0015]可选地，所述光学单元还包括位于所述集成光学芯片中的微环谐振器结构，所述微环谐振器结构设置于所述多模波导旁以滤除激发光。
[0016]可选地，所述微环谐振器结构包括环形波导、条形波导及金属块，所述环形波导位于多模波导与所述条形波导之间，所述金属块连接于所述条形波导的输出端。
[0017]可选地，所述等离激元光学增强芯片系统还包括激光器与光纤，所述纳米孔芯片通过所述光纤与所述激光器相连。
[0018]可选地，所述激光器产生的激发光通过所述光纤以端面耦合方式或光栅耦合方式进入所述纳米孔芯片中。
[0019]可选地，所述等离激元光学增强芯片系统包括多个所述反应单元、多个所述光学单元及多个所述光电转换单元以组成多个检测单元，一所述检测单元包括一所述反应单元、一所述光学单元及一所述光电转换单元。
[0020]可选地，所述纳米孔芯片还包括与所述激发光导入层相连的多级多模干涉耦合器，所述多级多模干涉耦合器用于将所述纳米孔芯片中的激发光分成多束以输入不同的所述反应单元。
[0021]如上所述，本技术的等离激元光学增强芯片系统具有超高灵敏检测能力，可以实现最低单个分子的超高灵敏的光学检测。原理是利用等离激元增强电场的放大作用，对光学增强天线结构内部的分子进行高效激发，从而获得单分子灵敏度的光学信号，此光学信号包括光谱信号和/或荧光。本技术的等离激元光学增强芯片系统可以应用于单分子检测和DNA/RNA测序领域。
附图说明
[0022]图1a显示为本技术的等离激元光学增强芯片系统的一种架构及原理图。
[0023]图1b显示为本技术的等离激元光学增强芯片系统的另一种架构及原理图。
[0024]图2显示为所述纳米孔芯片的一种局部俯视图。
[0025]图3显示为所述纳米孔芯片的另一种局部俯视图。
[0026]图4显示为所述纳米孔芯片的工作原理图。
[0027]图5显示为端面耦合方式的一种原理图。
[0028]图6显示为光栅耦合方式的一种原理图。
[0029]图7显示为耦合光栅中光栅结构选用长方形光栅的示意图。
[0030]图8显示为耦合光栅中光栅结构选用扇形光栅的示意图。
[0031]图9显示为耦合光栅中光栅结构选用亚波长光栅的示意图。
[0032]图10显示为所述收集光栅耦合器呈半椭圆形的示意图。
[0033]图11显示为所述收集光栅耦合器呈半圆形的示意图。
[0034]图12显示为微环谐振器结构的原理图。
[0035]图13显示为由静态干涉仪和图像传感器芯片通过封装形成的芯片式光谱仪的结构示意图。
[0036]图14显示为所述等离激元光学增强芯片系统的多阵列形式示意图。
[0037]图15显示为一个多模干涉耦合器结构的示意图。
[0038]图16显示为一个多级多模干涉耦合器结构的示意图。
[0039]图17显示为第二种静态干涉仪的结构示意图。
[0040]图18显示为第三种静态干涉仪的结构示意图。
[0041]图19显示为第四种静态干涉仪的结构示意图。
[0042]图20显示为第五种静态干涉仪的结构示意图。
[0043]元件标号说明
[0044]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
纳米孔芯片
[0045]101
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微腔层
[0046]102
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金属膜
[0047]103
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布拉格反射镜
[0048]104
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微腔
[0049]105
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纳米开口
[0050]106
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种等离激元光学增强芯片系统，其特征在于，包括：纳米孔芯片，包括衬底层、激发光导入层、微腔层及金属膜，所述激发光导入层位于所述衬底层与所述微腔层之间，所述微腔层中设有至少一反应单元，所述反应单元包括布拉格反射镜及微腔，所述微腔自所述微腔层的顶面开口，并延伸至所述微腔层的底面形成纳米开口，所述布拉格反射镜分布于所述微腔的两侧并与所述微腔间隔预设距离，所述激发光导入层中设有经由所述纳米开口与所述微腔连通的通孔，所述金属膜位于所述微腔层上表面并覆盖所述布拉格反射镜的表面及所述微腔的表面；光学芯片组，位于所述纳米孔芯片上方，所述光学芯片组包括自下而上依次堆叠的中继光学芯片及集成光学芯片以构成至少一光学单元，用于接收所述纳米开口处被激发的光学信号并依次准直、汇聚，收集汇聚的光学信号并进行处理后输出；图像传感器芯片，位于所述光学芯片组上方，所述图像传感器芯片包括至少一光电转换单元，用于接收所述光学芯片组输出的光学信号并转换为电信号。2.根据权利要求1所述的等离激元光学增强芯片系统，其特征在于：所述光学单元包括位于所述中继光学芯片中的透镜组，所述透镜组包括在垂直方向上间隔设置的第一透镜与第二透镜，所述第一透镜用于准直所述纳米开口处被激发的光学信号，所述第二透镜用于将所述第一透镜准直的光学信号汇聚至所述集成光学芯片。3.根据权利要求2所述的等离激元光学增强芯片系统，其特征在于：所述第一透镜包括微透镜或菲涅尔透镜，所述第二透镜包括微透镜或菲涅尔透镜。4.根据权利要求1所述的等离激元光学增强芯片系统，其特征在于：所述激发光导入层包括单模波导。5.根据权利要求1所述的等离激元光学增强芯片系统，其特征在于：所述微腔的开口面积自上而下逐渐缩小。6.根据权利要求1所述的等离激元光学增强芯片系统，其特征在于：所述纳米开口...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：上海近观科技有限责任公司，
类型：新型
国别省市：