ISORS光子芯片及无创组分检测系统技术方案

本发明专利技术提供一种ISORS光子芯片及无创组分检测系统，该ISORS光子芯片包括透明衬底及位于透明衬底上的耦入光栅、单模波导、多模干涉分光器和出射光栅，其中，耦入光栅包括耦入光栅部及第一波导部；单模波导的输入端与第一波导部的输出端连接；多模干涉分光器至少分成两路输出端，多个多模干涉分光器构成级联结构；多个出射光栅分别与级联结构中最后一级的多模干涉分光器的输出端连接，且多个出射光栅呈预设图案排布以在透明衬底上围成激发光信号区。本发明专利技术通过耦入光栅及出射光栅的结构的改进，可以实现在可见光波段对生物组织组分进行无创检测。无创检测。无创检测。

【技术实现步骤摘要】
ISORS光子芯片及无创组分检测系统


[0001]本专利技术属于半导体集成电路领域，涉及一种ISORS光子芯片及无创组分检测系统。

技术介绍

[0002]空间偏移拉曼光谱技术(Spatially Offset Raman Spectroscopy，SORS)是一种近年来新兴的无创非侵入式生物医学检测技术。与传统拉曼光谱共轴背散射的激发
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收集方式不同，空间偏移拉曼的收集位置与激发光位置有一定空间距离。由于较深层激发光子在样品中发生横向随机运动的几率比在浅层中的激发光子更高，因此通过收集不同空间偏移下的拉曼散射光，就能获得样品中不同厚度层的分子信息。从这个角度看，空间偏移可以发生在收集端，例如使用光学透镜围绕激发光斑外不同半径距离做环形收集，但缺点是激发光斑的聚焦会产生热量，不适用于活体的实时检测。另一种技术方案，也被称为反向空间偏移拉曼光谱(Inverted Spatially Offset Raman Spectroscopy，ISORS)是采用不同半径的环形光源产生空间偏移激发，随后在环形的中心处进行收集，这样就能避免激光能量过于聚焦所产生的热量问题。
[0003]基于氮化硅光子集成电路的可见光波段空间偏移光芯片，目前尚未有文献或专利报道。而在硅基光子集成电路(例如SOI)中有报道过类似的片上被动光源技术方案。例如，在C.R.Doerr的论文(C.R.Doerr and L.L.Buhl,"Circular grating coupler for creating focused azimuthally and radially polarized beams"Optics Letters,vol.36,no.7,pp.1209
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1211,2011/04/012011)中，研究人员在220nm厚度SOI芯片上设计并制造了基于多模干涉分光器(MMI)并利用圆弧形光栅耦合器在芯片平面上方产生可以在方位角或径向方向上偏振的圆形光场分布。然而该设计需要保证每一路MMI到达光栅的相位差一致，也就是波导长度要一致，并且所需要的圆弧形光栅数量众多，这些都对芯片制造工艺的容忍度提出很高的要求。在J.Sun的论文(J.Sun,A.Yaacobi,M.Moresco,D.D.Coolbaugh,and M.R.Watts,"Chip
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Scale Continuously Tunable Optical Orbital Angular Momentum Generator"arXiv:Optics,2014)的设计中，其分光器件则换成了定向耦合器。光在通过圆形波导途中被多个定向耦合器捕获并传播到终端的圆弧形光栅耦合器中进行出射。但由于定向耦合器的耦合效率对耦合区域的长度和间隙非常敏感，因此要保证最终出射光场的均匀性就需要保证定向耦合器的制备具有很低的工艺误差。此外，以上两个设计中所使用的光栅结构都无法在离开芯片平面较远处保证一个较小的空间发散，使该芯片不适用于工作距离在毫米量级以上的ISORS应用中。再者，由于硅基器件对可见光波段不透明，因此无法应用于生物组织的组分的检测。
[0004]综上所述，急需寻找一种能够工作在可见光波段并实现ISORS功能的ISORS光子芯片。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种ISORS光子芯片及无
创组分检测系统，用于解决芯片级无创非侵入式生物组织组分检测的无法实现的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供了一种ISORS光子芯片，包括：
[0007]透明衬底；
[0008]耦入光栅，位于所述透明衬底的上表面，所述耦入光栅包括依次相连的耦入光栅部及第一波导部；
[0009]单模波导，位于所述透明衬底的上表面，所述单模波导的输入端与所述第一波导部的输出端连接；
[0010]多个多模干涉分光器，位于所述透明衬底的上表面，所述多模干涉分光器至少分成两路输出端，多个所述多模干涉分光器构成至少两级的级联结构，位于所述级联结构的第一级的所述多模干涉分光器的输入端与所述单模波导的输出端连接，所述级联结构中所述多模干涉分光器的输入端与上一级所述多模干涉分光器的输出端连接；
[0011]多个出射光栅，位于所述透明衬底的上表面，所述出射光栅分别与所述级联结构中最后一级的所述多模干涉分光器的输出端连接，且所述出射光栅呈预设图案排布以在所述透明衬底上围成激发光信号区。
[0012]可选地，所述耦入光栅部包括第一光栅层及位于所述第一光栅层下方的对比光栅层。
[0013]可选地，所述第一光栅层的材质包括氮化硅。
[0014]可选地，所述对比光栅层的材质包括非晶硅。
[0015]可选地，所述对比光栅层的反射系数不低于99％。
[0016]可选地，所述第一波导部包括依次连接的第一楔形波导及出射波导，所述第一楔形波导与所述出射波导连接处的宽度小于所述第一楔形波导远离所述出射波导一端的宽度。
[0017]可选地，所述出射光栅包括依次相连的出射光栅部及第二波导部，所述第二波导部包括依次相连的第二楔形波导及出射波导，所述第二楔形波导远离所述出射波导的一端与所述出射光栅部连接。
[0018]可选地，所述出射光栅部包括位于所述透明衬底上的第四透明包层、位于所述第四透明包层上的第二光栅层及覆盖所述第二光栅层显露表面的第五透明包层。
[0019]可选地，所述第二光栅层中包括多个呈阵列排布的刻蚀段。
[0020]本专利技术还提供了一种无创组分检测系统，包括：
[0021]上述所述的ISORS光子芯片；
[0022]光纤，包括第一端及第二端，所述第二端与所述ISORS光子芯片中的所述耦入光栅部连接；
[0023]激光器，出光口与所述第一端连接；
[0024]信号收集系统，位于所述ISORS光子芯片的正下方，以收集待测生物组织表层散射出的光信号，所述信号收集系统与所述透明衬底间隔预设距离。
[0025]如上所述，本专利技术ISORS光子芯片及无创组分检测系统通过对所述耦入光栅和所述出射光栅的结构的改进，于所述第一光栅层的下方设置所述对比光栅层，使所述耦入光栅的反射系数得到了提升，继而提高了所述耦入光栅的耦合效率；利用二维非均匀光栅作为所述出射光栅中的所述第二光栅层，并调控所述第二光栅层中各所述刻蚀段在水平和竖
直维度上的周期和占空比，以减少所述刻蚀段前端部分出射的能量，使所述第二光栅层中各所述刻蚀段之间出射能量的方差最小，继而保证从所述第二光栅层出射的光场分布均匀；利用光栅出射光斑在远场下的空间发散度与光栅的发光面积成反比的关系，并基于所述ISORS光子芯片所需要的发光面积，对所述第二光栅层中各个所述刻蚀段的面积进行调控，以减小所述第二光栅层出射的光斑在远场下的空间发散度，继而使所述光子芯片的工作距离得到增大，且所述ISORS光子芯片的工作距离可以达到毫米量级以上；此外，所述I本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种ISORS光子芯片，其特征在于，包括：透明衬底；耦入光栅，位于所述透明衬底的上表面，所述耦入光栅包括依次相连的耦入光栅部及第一波导部；单模波导，位于所述透明衬底的上表面，所述单模波导的输入端与所述第一波导部的输出端连接；多个多模干涉分光器，位于所述透明衬底的上表面，所述多模干涉分光器至少分成两路输出端，多个所述多模干涉分光器构成至少两级的级联结构，位于所述级联结构的第一级的所述多模干涉分光器的输入端与所述单模波导的输出端连接，所述级联结构中所述多模干涉分光器的输入端与上一级所述多模干涉分光器的输出端连接；多个出射光栅，位于所述透明衬底的上表面，所述出射光栅分别与所述级联结构中最后一级的所述多模干涉分光器的输出端连接，且所述出射光栅呈预设图案排布以在所述透明衬底上围成激发光信号区。2.根据权利要求1所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述耦入光栅部包括第一光栅层及位于所述第一光栅层下方的对比光栅层。3.根据权利要求2所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述第一光栅层的材质包括氮化硅。4.根据权利要求2所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述对比光栅层的材质包括非晶硅。5.根据权利要求1所述的ISORS光子芯片，其特征在于：所述对比光栅层的反射系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓卓，萨普，
申请(专利权)人：上海近观科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：