专利名称：一种基于表面等离子体共振的光波导传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光传感器，尤其是涉及一种基于表面等离子体共振的光波导传感器。
背景技术：
生物化学传感器不仅广泛用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在即时即地诊断(POCT，Point of Caring)、生命科学、食品药品工业、环境监测和发酵工程等领域广泛应用。光传感器是根据表面等离子体共振原理提出的。光入射到介质-金属-被测物质界面，全发射将会产生倏逝波，在特定角度上产生的倏逝波满足共振条件，从而激发表面等离子体波。当被测物质折射率发射变化(或表面吸附薄膜厚度的变化引发的折射率变化) 时，表面等离子体波的共振频率将会发生改变，相应的激发角度将会偏移，通过探测角度的偏移量，可以确定被测物质的折射率的变化量。图1给出了以体棱镜式的等离子体共振光传感器结构作为示意，当入射光在某特定角度激发出表面等离子体波，该角度将会对应极大的吸收峰，体现在反射光即为光强的锐减，可以实现高灵敏度。使用反射光暗斑的偏移来确定被测物质折射率的变化，可探测的最小折射率变化受所设计的输出波导阵列角间距的限制。在1550nm附近区域，考虑实际使用的介质折射率，其灵敏度为21. 2° /RIU (折射率单位)，若设计输出波导阵列角度间隔为0. 02°，则可探测最小折射率单位为10_3RIU。然而基于体棱镜式的等离子体共振光传感器，其技术缺点是基于分离的光学元器件，组装复杂， 体积大，成本高。

发明内容
本发明的目的在于提供一种基于表面等离子体共振的光波导传感器，采用SOI (Silicon-on-hsulator)材料，使用平面集成技术和工艺，结合微流体技术，实现小型化、 集成化、可便携。本发明解决其技术问题采用的技术方案是 技术方案一
包括输入波导阵列、自由传播区、自由传播区反射端面、镀在自由传播区反射端面的金属传感层、装被测物质的深刻蚀槽、输出波导阵列、探测器阵列和用于拦光的深刻蚀槽；输入波导阵列中的一根输入波导引入的入射光光束，经自由传播区的一端到达自由传播区底面的反射端面-金属传感层-被测物质界面，反射光束反射到自由传播区的另一端、经输出波导阵列的一侧至探测器阵列，输出波导阵列的另一侧设有用于拦光的深刻蚀槽。所述的自由传播区反射端面的侧面溅射金属从而形成金属传感层，光波导传感器的上层有将被测物质引入深刻蚀槽的微流通道。所述的输入波导阵列中的每根输入波导末端渐变展宽的梯形结构，控制入射光的角度范围。
技术方案二
包括输入波导阵列、自由传播区、自由传播区反射端面、镀在自由传播区反射端面的金属传感层、装被测物质的微流通道槽、输出波导阵列、探测器阵列和用于拦光的深刻蚀槽； 输入波导阵列中的一根输入波导引入的入射光光束，经自由传播区的一端到达自由传播区底面的反射端面-金属传感层-被测物质界面，反射光束反射到自由传播区的另一端、经输出波导阵列的一侧至探测器阵列，输出波导阵列的另一侧设有用于拦光的深刻蚀槽。所述的自由传播区反射端面是由光波导芯片晶向解理实现介质镜面，介质镜面侧面溅射金属，形成金属传感层，所述光波导传感器的金属传感层侧面有引入被测物质的微流通道槽。所述的输入波导阵列中的每根输入波导末端渐变展宽的梯形结构，控制入射光的角度范围。本发明具有的有益效果是
通过使用SOI材料，可以得到更为尖锐的反射吸收峰曲线，从而有效提高了传感器的分辨率；采用1550nm波长，更易于与光通信网络相连接在用户家庭使用，作为物联网的一部分，实现即时即地诊断；并采用平面光波导集成工艺和微流体工艺，使得传统的体型等离子体共振传感器实现小型化、集成化、可便携。


图1是背景技术中基于体棱镜式的等离子体共振光传感器示意图。图2是本发明第一种实施方式结构示意图。图3是本发明第一种方案自由传播区反射端局部剖面示意图。图4是本发明入射波导末端结构图。图5是本发明入射波导末端输出角频谱图。图6是没有产生表面等离子体振荡时的输出光能量图。图7是存在表面等离子体振荡时的输出光能量图。图8是归一化后角频率对应的吸收曲线图。图9是本发明波导横截面示意图。图10是本发明使用术语定义释义图。图11是固定金层厚度改变钛层厚度的对比度和角宽度变化图。图12是固定钛层厚度改变金层厚度的对比度和角宽度变化图。图13是本发明第二种实施方案结构示意图。图14是本发明第二种方案自由传播区反射端局部剖面示意图。图中1、输入波导阵列，2、自由传播区，30、自由传播区反射端面，3、金属传感层， 4、被测物质，40、深刻蚀槽，41、微流通道槽，42、PDMS，5、输出波导阵列，6、探测器阵列，7、 用于拦光的深刻蚀槽。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图2、图3所示，是本发明的第一个实施方式示意图。它包括输入波导阵列1、自
4由传播区2、自由传播区反射端面30、镀在自由传播区反射端面30的金属传感层3、装被测物质4的深刻蚀槽40、输出波导阵列5、探测器阵列6和用于拦光的深刻蚀槽7。所述的自由传播区反射端面30的侧面溅射金属从而形成金属传感层3，光波导传感器的上层有将被测物质引入深刻蚀槽的微流通道。所述输入波导阵列1中的每根输入波导末端渐变展宽的梯形结构，控制入射光的角度范围。输入波导阵列1中的一根输入波导引入一定角度范围的入射光光束，经自由传播区2的一端到达自由传播区2底面的反射端面30-金属传感层 3-被测物质4界面，反射光束反射到自由传播区2的另一端、经输出波导阵列5的一侧至探测器阵列6。当光束角度范围内某特定的入射角产生表面等离子体共振，光能将会耦合到等离子体波，从而相应角度的反射光强将会大大减弱，反射光束再经自由传播区2、输出波导阵列5到达探测器阵列6，探测器阵列6就会探测到反射光束光强的变化，观察到亮线中出现相应的暗斑。当被测物质的折射率变化，或者自由传播去反射端面30-金属传感层 3-被测物质4界面膜层厚度变化时，引发表面等离子体的共振频率发生变化，从而激发表面等离子体的入射光角度将会发生变化，从而在探测器阵列6上可以观察到反射光暗斑的移动。通过暗斑的移动量来确定角度的变化量，进而可以有效地探测被测物质的折射率变化。所用的光波导芯层材料为SOI (Silicon-on-Insulator)，上层材料为硅(Si)，中间为二氧化硅(SiO2),下层为硅(Si)。当输入波导阵列1其中的一个波导将入射光引入，通过合理设置光波导的结构使得单模入射，并做渐变展宽，进而当光波导到达光束自由传播区2时，可以获得具有一定范围发散角度的入射光束。图4给出了入射波导末端结构示意图，图5为波导末端输出角频谱图，即输出光强对应不同角度的分量。入射光经过平板波导自由传播区2到达介质-金属-被测物质界面，由全反射产生倏逝波，倏逝波的传播常数为
权利要求
1.一种基于表面等离子体共振的光波导传感器，其特征在于包括输入波导阵列(1)、 自由传播区O)、自由传播区反射端面(30)、镀在自由传播区反射端面(30)的金属传感层 (3)、装被测物质⑷的深刻蚀槽(40)、输出波导阵列(5)、探测器阵列(6)和用于拦光的深刻蚀槽(7)；输入波导阵列(1)中的一根输入波导引入的入射光光束，经自由传播区O)的一端到达自由传播区(2)底面的反射端面(30)-金属传感层(3)-被测物质(4)界面，反射光束反射到自由传播区⑵的另一端、经输出波导阵列(5)的一侧至探测器阵列(6)，输出波导阵列(5)的另一侧设有用于拦光的深刻蚀槽(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的光波导传感器，其特征在于 所述的自由传播区反射端面(30)的侧面溅射金属从而形成金属传感层(3)，光波导传感器的上层有将被测物质引入深刻蚀槽的微流通道。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的光波导传感器，其特征在于 所述的输入波导阵列(1)中的每根输入波导末端渐变展宽的梯形结构，控制入射光的角度范围。
4.一种基于表面等离子体共振的光波导传感器，其特征在于包括输入波导阵列(1)、 自由传播区O)、自由传播区反射端面(30)、镀在反射端面(30)的金属传感层(3)、装被测物质的微流通道槽(41)、输出波导阵列(5)、探测器阵列(6)和用于拦光的深刻蚀槽 (7)；输入波导阵列(1)中的一根输入波导引入的入射光光束，经自由传播区O)的一端到达自由传播区(2)底面的反射端面(30)-金属传感层(3)-被测物质(4)界面，反射光束反射到自由传播区O)的另一端、经输出波导阵列(5)的一侧至探测器阵列(6)，输出波导阵列(5)的另一侧设有用于拦光的深刻蚀槽(7)。
5.根据权利要求4所述的一种基于表面等离子体共振的光波导传感器，其特征在于 所述的自由传播区反射端面(30)是由光波导芯片晶向解理实现介质镜面，介质镜面侧面溅射金属，形成金属传感层，所述光波导传感器的金属传感层侧面有引入被测物质的微流通道槽。
6.根据权利要求4所述的一种基于表面等离子体共振的光波导传感器，其特征在于 所述的输入波导阵列(1)中的每根输入波导末端渐变展宽的梯形结构，控制入射光的角度范围。
全文摘要
本发明公开了一种基于表面等离子体共振的光波导传感器。包括输入波导阵列、自由传播区、自由传播区反射端面、镀在自由传播区反射端面的金属传感层、装被测物质的槽、输出波导阵列、探测器阵列和用于拦光的深刻蚀槽；输入波导阵列中的一根输入波导引入的入射光光束，经自由传播区的一端到达自由传播区底面的反射端面-金属传感层-被测物质界面，反射光束反射到自由传播区的另一端、经输出波导阵列的一侧至探测器阵列，输出波导阵列的另一侧设有用于拦光的深刻蚀槽。采用1550nm波长，易于与光通信网络相连接在用户家庭使用，实现即时即地诊断；采用平面光波导集成和微流体工艺，使传统的体型等离子体共振传感器实现小型化、集成化、可便携。
文档编号G01N21/55GK102519911SQ20111035620
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月11日 优先权日2011年11月11日
发明者何建军, 李明宇, 范世琦 申请人:浙江大学