文摘
我们提出基于开槽波导多模干涉的光学传感器。传感器可以调整灵敏度最高的折射率范围必要检测蛋白质分子或其他水溶性化学或生物材料。选择低损耗的材料氧氮化硅(以色列人),这是高度稳定的生物制剂的反应和处理化学品。传感器用这项技术适合于大量生产。
1。介绍
快速增长在过去的十年里已经有了兴趣集成光学传感器,因为他们的许多优点在非平面的光学传感器。许多集成光传感器(ios)主要是允许敏感,实时label-free,现场的测量非常小的物种的生物和化学参数的变化。IO传感有不同的方法,其中绝大多数意味着改变传感、光学性质的区域其折射率和厚度等,这将转化为光学传感器的输出强度的变化。在几乎所有集成光传感器有效折射率的变化,利用,在某些情况下测量方法依靠光学干涉的现象(1]。清晰可见的所谓干涉传感器的输出光束传感波导干扰参考光束。之间的传感器工作,基于干扰的概念,这里有几个提到:马赫曾德耳干涉仪(MZIs) [2- - - - - -6),年轻的干涉仪(7- - - - - -9),和迈克耳逊10),当然resonator-type传感器也依赖于干扰如环谐振器(11,12和法布里-珀罗谐振腔13]。这些类的典型的分辨率的传感器的顺序折射率单位(RIUs)。最广泛的表面等离子体共振(SPR)传感方案(14)表面上的光栅的生化作用转化为折射率的变化,并将监控的共振行为导波在金属薄膜的表面。最近一些传感方案提出了基于表面等离子体干涉(15,16]。对于这些类型的传感器典型的决议的秩序。光栅耦合器实现领域的IO传感器,使用波长审讯或角审讯(17- - - - - -20.]。在许多情况下,一种改进传感器的分辨率为代价获得有限的操作范围。
本文引入了一个IO的新型传感器。这个传感器是基于一个开槽多模干涉(MMI)波导的折射率变化读取输出强度的变化。由于其密实度,健壮性、大工作范围,灵敏度高,该设备是一种新型光学传感领域的贡献。MMI-based光学设备广泛用于各种传感目的其中温度(21)和化学/生物传感器(22,23),但在我们所知,有槽MMI设备从未追究传感应用。
这个作品描述了该装置的设计和优化参数以及制造过程的详细描述。设备的性能的敏感性批量覆盖介质折射率的变化已经实验调查。初步实验结果证明这个特定的配置检测的适用性广泛的化学和生物物种。
2。设计
多模干涉(MMI)设备妥协输入和输出波导单模和多模区域。这个波导区域通常是横向单模和多模在横向方向。图1显示了一个示意图配置一个简单的off-center-fed MMI (24]。
MMI地区支持许多横向模式。输入信号激发这些模式,传播与不同阶段的速度沿着MMI地区,成为阶段。输入字段将会自己繁殖的叠加模式MMI地区匹配输入的原始模态分布平面上。这种情况发生在飞机的相位差异的兴奋模式积分2的倍数π,它允许激动的模式相长干涉和复制输入的模态分布。这发生的传播距离被称为自我形象长度和描述(1):
自我形象的长度取决于波长光的偏振,以及对设备的参数如折射率和宽度(这是比MMI宽度)。
最近Mackie和李25MMI地区)引入了一个新的修改,减少了自我成像长度。修改涉及引入一个或多个槽沿整个纵向长度的MMI地区(图2 (b))。“槽”一词指的是一条狭窄的MMI地区的次区域,与特定的宽度和位置有不同的有效折射率比其余的MMI地区。单一集中槽与槽的正确参数如折射率、宽度和分离槽减少自我形象的长度的2倍,这样做不影响性能。介绍槽长度减少了自我形象的一个因素。数据2(一个)和2 (b)代表着一个简单的和一个航班MMI。场传播在设备数据描述了2 (c),2 (d),假设熔凝石英薄片作为底物()和锡安为核心材料()。样品的折射率液体要分析电影是1.45,它完全填充槽。操作波长1300 nm,槽的宽度设置为520海里。MMI地区的长度(长度)是2.2毫米,和波导的高度。
(一)
(b)
(c)
(d)
每种模式的MMI地区传播,它获得模态相位延迟,由(2):
在哪里方式是数字,是传播距离,是没有槽的MMI的自我形象的距离。开槽MMI地区,每个模式也获得一个额外的插槽的相位延迟。这种额外的相位延迟取决于,(槽之间的有效折射率的不同地区和其他地区的MMI),槽宽度,整个槽模式的价值。可以近似的最后一个参数的值模式的中心位置。事实上,额外的相位延迟从槽的模式将是零节点(即。为零),槽的位置。自我形象出现时总相位延迟的差异之间连续模式要么是奇数的倍数导致实像(交叉状态),否则一个甚至多个导致noninverted图像(状态)。
开槽MMI波导提高了很多感兴趣的由于其潜在的MMI设备分离/波长组合/极化,powersplitting,小说类型的MMI开关(25),但他们从未用于传感目的。本文调查的潜在的传感应用这类设备。图3代表六个席位的MMI相等宽度相对于中心对称放置的设备。
在我们的设计中,我们假定一个玻璃晶片作为衬底和锡安为核心材料。要分析的液膜形成包层和完全填充槽。因此,我们研究了设备的行为对一个典型的许多溶剂的折射率,对水的1.33和1.5之间范围蛋白质溶液(26,27]。实验结果提出了关注材料的折射率在1.5和操作的波长633 nm。实验正在进行中同样的设备尺寸的折射率约1.3和操作的波长1300 nm。应该提到的波长大于1300海里不是理想的选择,因为大多数的液态样品含有水的强烈吸收这些波长的信号。槽的宽度设置为520 nm价值时,可以意识到通过创新的方式使用我们的锡安技术。因为传感器的敏感性是成正比,长传感结构将不足之处。在我们的设计中,设备的长度是8.1毫米。锡安的高度波导进行了优化。
每一个传感器应用的特点是其特有的需求。因为集成光传感器是最具竞争力的如果需要高分辨率,我们会关注这方面,分析开槽MMI传感器的分辨率前景。分辨率被定义为最小的批量改变折射率,可以通过完整的检测和测量传感系统。在开槽MMI传感器,更多的场分布的变化已经观察到更高的槽数作为传感材料的折射率的变化。
图4代表了领域传播在mmi提到和偶数槽的参数设置为1.48。如图4,两个任意位置的端面开槽MMI传感器被选择研究的行为场分布与覆盖材料的折射率的变化对不同槽数。输出信号相对强度定义为差,在那里正确的输出和电源吗对应的输出。相对强度差绘制与样品材料的折射率,在图的图5。随着槽数的增加更多的振荡将出现在输出信号,相应的增加反应性的一个小范围的折射率传感器。最发现振荡槽数最高。six-slot MMI我们可以区分三个最大值和最小值,而振荡从−1到1在一个小范围的折射率差输出对应于一切权力——手输出端口的MMI−1对应于一切权力左端口。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
而不是限制自己只有两个数据点的输出端,我们可以监视输出的强度分布在每一点上的脸。图6代表了强度分布的端面外six-slot MMI传感器上面定义的材料参数和尺寸而上液体的折射率是1.4682和1.465848。数据6(一)和6 (c)提出一个三维强度剖面输出设备如果年底传感材料折光指数的1.4682和1.465848,分别。数据6 (b)和6 (d)代表强度分布的横截面的两个不同的折光率1.4682和1.465848,分别。显著改变输出配置文件可以观察到只有覆盖材料的折射率变化。
(一)
(b)
(c)
(d)
如图5显示,割缝MMI设备的响应周期一般来说这可能导致测量模棱两可。为了解决这个潜在的问题,我们调查了多个波长的波长审讯方法在任何时候应该使用这样的组合传感器响应在这些波长会导致折射率的独特价值。
为了分析这个方案我们模拟的行为six-slotted MMI设备用于获得的结果图6两个新的波长。因此,我们维持相同的材料特性,尺寸,和液体覆盖指数;然而,操作波长780 nm和800 nm。
结果见图7和8.Comparison结果的数据8和9表明,对于任何给定的近场强度剖面折射率传感器输出波长取决于操作。然而,当强度资料在两个波长780 nm和800 nm的同时,一个独特的和明确的价值可以确定的折射率。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
进一步的调查显示,该设备能够检测很小的折射率的变化。一个非常简单的信号检测方案可以保守识别指数变化的顺序。图在图9代表了归一化微分输出强度之间的第一和第六波导(从左到右)覆盖液体的折射率在1.465652和1.466436之间变化的步长。理论预测与实验结果吻合较好,稍后将展示。
3所示。制造
不同的技术被用于生产IO传感器这取决于应用程序。锡安科技(28- - - - - -30.),向内扩散的玻璃(31日),和聚合物技术(32很少有名字。他们之间,锡安技术的大范围从可见近红外波长。过程的精确控制反应离子刻蚀(RIE),锡安为我们提供了一个高品质、直边墙就是要求我们的应用程序。锡安的化学惰性使这种材料很好的候选人避免生物制剂和处理化学物质的反应。最后,锡安增长和工艺参数已经被充分研究过这要求所需的特征提出了传感器可以很容易实现。
传感器结构的多层堆栈上沉积硅衬底。锡安沉积了等离子体增强化学气相沉积(PECVD) ",和折射率定制了不同混合气体浓度(,和)。模式是由光刻和发达国家和蚀刻了RIE使用和。图10代表了割缝MMI传感器的制造工艺将讨论更多的细节。第一次2.5米西昂波导层折射率为1.49是生长在一个石英薄片用PECVD。"薄薄的一层铬沉积在锡安使用PVD-Lesker 75工具120纳米的厚度。定义有槽MMI,积极的光刻胶在PGMEA S1813稀释比例2:1是铬层。由步进模式已经转移工具,与投影对准器减少5倍。接触和抵抗的发展后,传输模式是由发射到120 nm厚铬层。抵制层充当底层Cr的蚀刻掩模层的反应离子刻蚀(RIE)等离子体。干Cr.腐蚀的主要优势是它蚀刻anisotropically,大大降低了chrome腐蚀破坏。因此,临界尺寸(CD)的偏见是大大减少和解决改善(33]。最后铬层作为一个面具在第二个RIE一步转移开槽MMI到锡安波导层结构。C4F8 / O2, 80/5 sccm-based等离子体用于选择性蚀刻在锡安高纵横比的战壕。添加剂如氧气通常被用来优化过程(34,35]。在最后一步石英玻璃晶片切成1芯片和高速锯,紧随其后的是一个抛光的步骤。扫描电子显微镜(SEM)照片的设备图所示11。设备显示了一个几乎完美的矩形截面的战壕和直,光滑的一面墙壁。
(一)增长锡安层PECVD。"
周围性血管疾病(b)沉积铬层。
(c)光刻。
(d)开发光致抗蚀剂。
(e)铬RIE。
(f) RIE锡安层。
(g)湿蚀刻铬。
(一)
(b)
4所示。实验
每个芯片包含10设备是安装在一个翻译阶段。从氦氖光在633 nm展开了单模光纤耦合到输入波导的MMI传感器。光输出的传感器成像在BeamPro(光子Inc .)相机。成像镜头的景深输出信号集成;因此,用这种方法获得的强度剖面应考虑设备的远场分布,而数据的模拟6,7,8代表了近场强度剖面。
液体折射率为1.4682在633 nm波长和温度系数- - - - - -0.000392 /(Gargille认证)作为传感材料。封面折射率变化非常小的步骤在1.4632和1.4682之间的红外热排放源元素。BeamProfiler软件(版本2.84)被用来监控远场强度分布随着折射率的变化,而价值发表在文献[2- - - - - -20.]。图12显示了一个3 d远场强度的six-slot MMI传感器的输出端与制造节中提到的尺寸和设备参数覆盖液体的折射率为1.465652在波长633纳米。
折射率的变化进行了加热覆盖介质使用红外热排放源,而实时强度变化的输出端面外被摄像头监控和存储在非常小的步骤和软件。图13情节配电的波长633 nm处沿着MMI宽度为9个不同的折射率。为了清晰,不是全部测量了这个图所示。图表显示出明显的权力分配的变化,作为覆盖介质的折射率变化的顺序。
图14显示了一个3 d图像的强度分布两种不同覆盖指数在远场。描绘,强度分布模式的输出变化随着折射率的增加从1.466240 (a) (b) 1.466436。
(一)
(b)
结果图13验证的顺序的一项决议折射率的变化,估计在理论部分。这项决议意味着液体的温度传感器和控制系统在0.2感兴趣的,假设的典型thermo-optical系数的液体在生物化学和化学监测。这可能是克服通过开发一个校准过程,实现双波长审讯方法。虽然提出了结果的折射率在1.46,这个设备可以很容易地用于低得多的折射率范围,约1.33,检测溶水化学。在这种情况下所有的设备参数和尺寸应该是一样的,但操作波长为1300 nm。这个波长低于水的吸收光谱。
在这一点上没有评估的可重复性制造过程已经完成,但在单个芯片上所有设备功能。进一步的研究应该进行比较他们的性能特征。这个项目的另一个方面,需要进一步调查的发展是一个实用的标定方法。作为数据6- - - - - -8说明这一点,有槽MMI传感器的动态范围可以增强如果合并两个或多个波长克服歧义问题。另一个解决方案,被认为是开发图像处理工具来识别配电与一个独特的折射率有关。
5。结论
小说的配置集成光传感器基于割缝MMI结构提出了和演示。结果证实,高槽数的多模面积增加的敏感性设备体积的变化折射率传感的物种。材料的选择是锡安是一个健壮的材料的交互与溶胶-凝胶法可检测化学物质比较,和沉积锡安的技术已经开发。的最大分辨率RIU预计在一个特定的操作制度。