用于對分析物進行分析的折射率傳感器及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明大體涉及諸如在生化分析中用于對分析物進行分析的折射率傳感器、制造 該折射率傳感器的方法，更具體地，涉及高靈敏度折射率傳感器。
【背景技術】
[0002] 光學折射率（RI)傳感器已經被廣泛研究用于多種應用，并在生化分析中起到重 要作用。在現有的生化RI傳感器中，人們對那些基于集成的光學波導的傳感器由于其高靈 敏度、小尺寸和高度集成而感興趣。最近，由于在亞波長尺度低折射率區域（槽狀區域）中 提供高光強的能力，基于某些類型的槽狀波導的RI傳感器引起人們的興趣。相比傳統帶狀 波導，利用這樣的槽狀波導可以在槽狀區域中獲得更大的光-分析物相互作用，并因此獲 得更高的靈敏度。到目前為止，已經報道了基于環形諧振器、馬赫-曾德爾干涉儀、布拉格 光柵以及定向耦合器的槽狀波導傳感器。該報道的槽狀波導環形諧振器傳感器可以表現出 的靈敏度比基于傳統帶狀波導的環形諧振器的靈敏度大大約兩倍（大約212nm/RIU(折射 率單位））。
[0003] 但是，進一步增強RI傳感器的靈敏度以提供它的分析物檢測/測量能力，從而例 如以非常低的檢測閾值檢測/測量生物分子將是有益的。另外，由于大多數生物相互作用 的復雜性質，提供一種能夠進行波長多路復用測量的RI傳感器也將是有益的。
[0004]因此，需要提供一種用于對分析物進行分析的高靈敏度并且優選地能夠進行波長 多路復用測量的折射率（RI)傳感器。針對于此背景，開發出本發明。
【發明內容】
[0005] 本發明尋求克服或至少改善上述現有技術的一個或多個缺陷，或向消費者提供有 用的或商業的選擇。
[0006] 根據本發明的第一方面，提供了一種用于對分析物進行分析的折射率傳感器，所 述傳感器包括：
[0007] 帶狀波導，用于接收在所述帶狀波導中的輸入光信號并將所述光信號傳輸至用于 對所述分析物進行分析的檢測器，其中，所述光信號在傳播通過所述帶狀波導時受到操縱； 以及
[0008] 槽狀波導，用于感測放置在所述槽狀波導上的所述分析物，并從所述帶狀波導接 收感測信號，其中，所述感測信號與所述光信號的所述操縱相對應，
[0009] 其中，光柵形成在所述帶狀波導的表面上，以使得能夠將所述感測信號從所述帶 狀波導耦合至所述槽狀波導，并且
[0010] 所述傳感器基于所述槽狀波導和所述帶狀波導之間的靈敏度差和/或所述槽狀 波導和帶狀波導之間的群折射率差被配置為具有增強的靈敏度。
[0011] 優選地，所述傳感器還包括基底，其中，所述帶狀波導和所述槽狀波導被設置在所 述基板上以隔開并大體上互相平行。
[0012] 優選地，所述感測信號為光信號的形式，并且所述光柵具有被配置為將光信號在 特定共振波長處從所述帶狀波導耦合至所述槽狀波導的光柵周期。
[0013] 優選地，所述槽狀波導具有根據被放置在所述槽狀波導上的所述分析物而受到改 變的模式折射率，所述模式折射率的改變導致從所述帶狀波導被耦合至所述槽狀波導的所 述光信號的所述特定共振波長的移位，從而使得能夠根據所述特定共振波長的移位對所述 分析物進行分析。
[0014] 優選地，所述傳感器配置為以使得其靈敏度（S)根據以下等式確定：
[0015]
[0016] 其中，X。為所述光信號的所述特定共振波長，AS為所述槽狀波導和所述帶狀波 導之間的所述靈敏度差，ANg為所述槽狀波導和所述帶狀波導之間的所述群折射率差。
[0017] 優選地，所述傳感器配置為以使得所述槽狀波導和所述帶狀波導之間的所述靈敏 度差增大，和/或所述槽狀波導和所述帶狀波導之間的所述群折射率降低。
[0018] 優選地，所述帶狀波導被隔離以降低其靈敏度，從而增大所述槽狀波導和所述帶 狀波導之間的所述靈敏度差。
[0019] 優選地，所述帶狀波導被由Si02制成的隔離層封閉以將所述帶狀波導與所述分析 物隔離。
[0020] 在另一個實施方式中，所述帶狀波導被由聚合物材料制成的隔離層封閉以將所述 帶狀波導與所述分析物隔離。
[0021] 優選地，所述聚合物材料具有熱光系數，所述熱光系數被選擇用于補償所述傳感 器的正溫度相關性或負溫度相關性，以降低所述傳感器的溫度相關性。
[0022] 優選地，所述聚合物材料由WIR30-490或SU-8制成。
[0023] 優選地，所述帶狀波導的寬度被配置為約600nm至約lOOOnm。
[0024] 優選地，所述槽狀波導的一個或多個參數被配置為增大所述槽狀波導的靈敏度， 從而增大所述槽狀波導和所屬帶狀波導之間的所述靈敏度差，其中，所述一個或多個參數 包括所述槽狀波導的寬度和/或所述槽狀波導的間隙的寬度。
[0025] 優選地，配置所述槽狀波導以使得所述槽狀波導的寬度增大，和/或所述間隙的 寬度降低。
[0026] 優選地，所述槽狀波導的所述寬度處于約350nm至約550nm的范圍內，并且所述間 隙的所述寬度處于約50nm至約300nm的范圍內。
[0027] 優選地，彼此分離的多個光柵形成在所述帶狀波導的表面上，每個光柵具有被配 置為在各自的共振波長處將所述感測信號耦合至所述槽狀波導的不同光柵周期，從而使得 能夠進行波長多路復用測量。
[0028] 優選地，所述槽狀波導和/或所述帶狀波導由氮化硅（Si3N4)制成。
[0029] 根據本發明的第二方面，提供一種制造用于對分析物進行分析的折射率傳感器的 方法，該方法包括：
[0030] 形成帶狀波導，所述帶狀波導用于接收在所述帶狀波導中的輸入光信號并將所述 光信號傳輸至用于對所述分析物進行分析的檢測器，其中，所述光信號在傳播通過所述帶 狀波導時受到操縱；以及
[0031] 形成槽狀波導，所述槽狀波導用于感測放置在所述槽狀波導上的所述分析物，并 從所述帶狀波導接收感測信號，其中，所述感測信號與所述光信號的所述操縱相對應，
[0032] 其中，所述方法還包括在所述帶狀波導的表面形成光柵，以使得能夠將所述感測 信號從所述帶狀波導耦合至所述槽狀波導，并且
[0033] 基于在所述槽狀波導和所述帶狀波導之間的靈敏度差和/或所述槽狀波導和帶 狀波導之間的群折射率差，將所述傳感器配置為具有增強的靈敏度。
[0034] 根據本發明的第三方面，提供一種用于對分析物進行分析的折射率傳感器裝置， 該傳感器裝置包括：
[0035] 折射率傳感器，包括帶狀波導和槽狀波導；
[0036] 光源，用于向所述帶狀波導輸出光信號；以及
[0037] 檢測器，用于從所述帶狀波導接收所述光信號以對所述分析物進行分析，
[0038] 其中，所述帶狀波導被配置為接收在所述帶狀波導中的輸入光信號并將所述光信 號傳輸至用于對所述分析物進行分析的檢測器，其中，所述光信號在傳播通過所述帶狀波 導時受到操縱，
[0039] 所述槽狀波導被配置為感測放置在所述槽狀波導上的所述分析物，并從所述帶狀 波導接收感測信號，其中，所述感測信號與所述光信號的所述操縱相對應，
[0040] 光柵形成在所述帶狀波導的表面上，以使得能夠將所述感測信號從所述帶狀波導 耦合至所述槽狀波導，并且
[0041] 所述折射率傳感器基于所述槽狀波導和所述帶狀波導之間的靈敏度差和/或所 述槽狀波導和帶狀波導之間的群折射率差被配置為具有增強的靈敏度。
[0042] 優選地，所述折射率傳感器裝置還包括偏振控制器，所述偏振控制器用于從所述 光源接收所述光信號，并向所述帶狀波導輸出TE偏振光信號。
[0043] 附圖簡要說明
[0044] 結合以下附圖并僅通過舉例的方式，根據以下的描述，本發明的實施方式對于本 領域技術人員將被更好地理解并顯而易見，其中：
[0045] 圖1A示出根據本發明示例性實施方式的RI傳感器的示意性立體圖；
[0046] 圖1B示出RI傳感器的示意性剖視圖；
[0047] 圖2說明從帶狀波導向槽狀波導的感測信號的耦合，并示出在兩個波導的輸出處 的透射光譜；
[0048] 圖3A和3B分別示出用于具有示例性參數的傳感器的帶狀波導和槽狀波導的場分 布；
[0049] 圖3C曲線圖示出了兩個波導的模式折射率Neff和兩個波導104、112之間的模式 折射率差為波長A的函數的相關性；
[0050] 圖3D描繪的曲線圖示出了兩個波導的模式折射率Neff和兩個波導104、112之間 的模式折射率差A Nrff作為外部折射率!!^的相關性；
[0051] 圖4描述根據本發明另一實施方式的傳感器的示意性剖視圖，其中，帶狀波導被 隔咼；
[0052] 圖5A至5C示出了相對于帶狀波導的寬度^、槽狀波導管的間隙124的寬度g和 肋高t兩個傳感器（即，進行隔離和未進行隔離）的靈敏度；
[0053] 圖6描述耦合系數和達到kL = 31 /2所需的對應的光柵長度的變化，該耦合系數 和對應的光柵長度的變化作為對于間距s的三個示例性值的蝕刻深度的函數；
[0054] 圖7A和7B分別示出了外部折射率1^的值不同的兩個傳感器（即，未進行隔離和 進行隔離）的透射光譜；
[0055] 圖7C說明共振波長X。對外部折射率n ^的線性相關度；
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