專利名稱：基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器。
背景技術(shù)：
光學(xué)生物傳感器作為一種新型光電子器件，具有尺寸小、不受電磁場干擾和具有遙感特性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)、環(huán)境安全檢測、醫(yī)學(xué)診斷和衛(wèi)生保健方面，引起人們研究的極大興趣。光學(xué)生物傳感器大致可分為兩類基于熒光檢測的光學(xué)生物傳感器和非標(biāo)記檢測的光學(xué)生物傳感器。由于基于熒光檢測的光學(xué)生物傳感器需要繁瑣的處理過程，并且會影響到所探測的對象；而基于非標(biāo)記檢測的光學(xué)生物傳感器具有易于實(shí)現(xiàn)，不影響所探測的對象，可量化探測對象特性等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)在人們研究的熱點(diǎn)。目前，基于干涉原理制作非標(biāo)記檢測的光學(xué)生物傳感器主要有馬赫曾德爾干涉法 (B. Sepulveda, J. Sanchez del Rio, Μ. Moreno, F. J. Blanco, K. Mayora, C. Dominguez, and L. M. Lechuga,"Optical biosensor Microsystems based on the integration of highly sensitive mach-zehnder interferometer devices,，，J. Opt. A :Pure App 1. Opt. , vol. 8, pp. S561-S566，2006.)和楊氏雙縫干涉法(D. Hradetzky, C.Mueller, and H. Reinecke, “Interferometric label-free biomolecular detection system, "J. Opt. A :Pure App1. Opt.，vol. 8，pp. S360-S364，2006.)。從最早提出基于干涉原理制作非標(biāo)記檢測的光學(xué)生物傳感器以來，研究的方向一直朝著簡單化、實(shí)用化和集成化方向發(fā)展，但是迄今為止仍要引入外加光源才能實(shí)現(xiàn)光學(xué)生物傳感器的探測功能，限制了光學(xué)生物傳感器向集成化和實(shí)用化方向的發(fā)展。光學(xué)生物傳感器不需要外加光源實(shí)現(xiàn)探測功能已經(jīng)成為現(xiàn)在極需解決的問題。本發(fā)明基于已經(jīng)制作出來的單模雙端口微腔激光器(J. D. Lin ；Y. Z. Huang ；Q. F. Yao ； X. M. Lv ；Y.D. Yang ；J.L.Xiao ；Y. Du, “ InAlGaAs/InP cylinder microlaser connected with two waveguides, " Electronics Letters,vol. 47,pp. 929-930,Aug 42011·),把兩個端口輸出光的空間相干應(yīng)用到光學(xué)生物傳感器上，提出了一個可解決以上問題的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，提供一種基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，其利用兩端口單模微腔激光器的空間相干，實(shí)現(xiàn)傳感器對生物學(xué)中抗體的探測，以解決光學(xué)生物傳感器需要外加光源而不利于應(yīng)用集成的問題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，包括一微腔激光器，該微腔激光器為室溫電注入激光器，輸出的激光具有較高的邊模抑制比，具有好的單模特性；—第一輸出端口和第二輸出端口，該第一輸出端口和第二輸出端口直接連接在微腔激光器上；
一容器，位于微腔激光器上，該容器有一上蓋；一個透明薄片，位于容器內(nèi)的下部，該透明薄片與第一輸出端口和第二輸出端口的位置對準(zhǔn)，該透明薄片對激光器出射光無吸收；一 CXD攝像機(jī)，位于容器的上蓋上，該CXD攝像機(jī)用來觀測干涉條紋。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1.本發(fā)明提供的這種基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了微腔激光器兩個端口輸出光的空間相干。2.本發(fā)明提供的這種基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，解決了光學(xué)生物傳感器探測需要外加光源這一問題。3.本發(fā)明提供的這種基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，由于其利用室溫電注入微腔激光器兩端口輸出相干作為傳感器探測原理，有利于以后光學(xué)生物傳感器的廣泛應(yīng)用和光學(xué)集成。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的樣品槽的結(jié)構(gòu)正向示意圖；圖3為本發(fā)明的微腔激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的微腔激光器兩端口的功率-電流曲線。圖5為本發(fā)明的微腔激光器在注入電流55毫安下的兩個端口光譜圖；圖6為本發(fā)明的微腔激光器在注入電流55毫安下的空間干涉遠(yuǎn)場分布圖。圖7為本發(fā)明的模擬計算相位差Δ β = 0和π /2的空間干涉遠(yuǎn)場分布圖。
具體實(shí)施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，包括一微腔激光器1，該微腔激光器1為室溫電注入激光器，在室溫(18_25°C )下可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)電流注入激射。激光器類型可以是固體激光器、液體激光器、氣體激光器和半導(dǎo)體激光器，其中半導(dǎo)體激光器的襯底可以是硅、鎵砷、銦磷和藍(lán)寶石襯底，有源層可以雙異質(zhì)結(jié)，量子阱和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。激光器的諧振腔可以是法布里-珀羅腔、光子晶體腔和回音壁類型腔，其中回音壁類型腔的形狀可以是圓形、耦合雙圓形、橢圓形、螺旋形、三角形、正方形和六邊形。圖4是銦磷襯底的兩端口量子阱圓形微腔激光器功率-電流曲線。兩個輸出端口的功率-電流曲線表明器件實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)電注入激射。該微腔激光器1具有較好的單模特性，輸出的激光具有高的邊模抑制比。所述微腔激光器1輸出激光波長覆蓋可見光波段和近紅外波段，發(fā)光波長為400到2500納米；圖 5是微腔激光器在注入電流55毫安時測量得到的兩個端口的光譜圖。兩個輸出端口的光譜圖表明，對于1572. 6納米的發(fā)光波長，a輸入端口的邊模抑制比達(dá)到^dB,而b輸入端口的邊模抑制比為18dB，滿足空間干涉的要求。
一第一輸出端口 2和第二輸出端口 3，該第一輸出端口 2和第二輸出端口 3直接連接在微腔激光器1上，如圖3所示。所述第一輸出端口 2和第二輸出端口 3的波導(dǎo)材料可以是二氧化硅、III-V族化合物二元系、三元系和四元系材料、鈮酸鋰和鉭酸鋰、有機(jī)聚合物和硅鍺半導(dǎo)體材料。第一輸出端口 2和第二輸出端口 3的端口寬度為0. 2到50微米；第一輸出端口 2和第二輸出端口 3之間的距離為0. 1到5000微米，該距離與空間干涉的條紋間距相關(guān)。第一輸出端口 2和第二輸出端口 3與器件中心的連線之間的夾角為0到180°。圖6是第一輸出端口 2和第二輸出端口 3之間的距離為20微米，第一輸出端口 2 和第二輸出端口 3與器件中心的連線之間的夾角為45°，微腔激光器1在55毫安的注入電流下的空間相干遠(yuǎn)場分布。由于干涉的光強(qiáng)分布可寫為I(x) = l+cos(2Jind/(Af)x-5)χ為條紋橫向位置，η為有效折射率，f為兩個端口之間的距離，d為干涉條紋離激光器端口的垂直距離，λ為激光波長，δ為位相差。這次測量的微腔激光器兩個端口之間的距離為20微米，干涉條紋離激光器端口的垂直距離為10厘米，取1. 5微米的相干波長， 計算得到的相干條紋空間周期為7. 5毫米。由遠(yuǎn)場干涉圖周期振蕩的條紋，計算得到的相干條紋空間周期為8. 5毫米。這兩種方法得出來的相干條紋空間周期結(jié)果很吻合，表明微腔激光器1實(shí)現(xiàn)了室溫空間干涉。同時，通過紅外CXD攝像機(jī)可以實(shí)時觀測到的空間相干遠(yuǎn)場分布圖。一容器4，位于微腔激光器1上，該容器4有一上蓋41，該上蓋41可以打開和關(guān)閉， 使容器放置不同的樣品；一個透明薄片5，位于容器4內(nèi)的下部，該透明薄片5與第一輸出端口 2和第二輸出端口 3的位置對準(zhǔn)，該透明薄片5對激光器出射光無吸收，該透明薄片5上刻有多個樣品槽51，每個樣品槽51中的一側(cè)可以放有抗原來檢測抗體，或者生物酶來檢測基質(zhì)，或者核酸適體來檢測蛋白質(zhì)；如圖2所示，當(dāng)?shù)谝惠敵龆丝?2和第二輸出端口 3與器件中心的連線
之間的夾角為0°時，輸出的高斯分布光場可表示為
φ2 \E1 = E10 cxpcxp[/(i -t, ■ rt + ^1)]⑴
V病ο j
f η \E2 = E10 exp -^r exp [ι (ω ^k1-T1+β,)]⑵
VΦ J其中Eltl和E^1分別為第一輸出端口 2和第二輸出端口 3的場強(qiáng)峰值，Φ為旋轉(zhuǎn)的角度，Φ K1和Φ2。為第一輸出端口 2和第二輸出端口 3高斯分布的角度半寬，1^和1^2為第一輸出端口 2和第二輸出端口 3的光波矢量，T1和r2為第一輸出端口 2和第二輸出端口 3 到探測器的位矢，^和β 2為第一輸出端口 2和第二輸出端口 3的輸出光場的初始相位。 考慮干涉光的時間相干性Y，以及旋轉(zhuǎn)半徑遠(yuǎn)小于器件到探測器的距離，空間干涉的光場強(qiáng)度分布可以表示為I = IE112+1E212+2 IE11 | E2I y cos (2 Jid sin Φ / λ - Δ β ) (3)其中d為第一輸出端口 2和第二輸出端口 3之間的距離，Δ β為第一輸出端口 2 和第二輸出端口3的輸出光場的初始相位差，λ為空間干涉光波長。取 E10 = 1.0, E20 = 1.0，Φ10 = 30° ，φ20 = 30° ，d = 20 μ m，λ = 1. 55 μ m, γ =0.3，計算不同相位差Δ β =0和π/2，如圖7所示。當(dāng)所探測的抗體出現(xiàn)在第一輸出端口 2到探測器之間的路徑，就會使為第一輸出端口 2和第二輸出端口 3的輸出光場的相位差Δ β發(fā)生改變，由圖7所計算出來的結(jié)果表明，相位差Δ β改變會直接引起空間干涉條紋的變化，從而通過觀測空間干涉條紋的變化來實(shí)現(xiàn)傳感器的探測。一 CXD攝像機(jī)6，位于容器4的上蓋41上，該CXD攝像機(jī)6用來觀測干涉條紋，該 CCD攝像機(jī)6與容器4的距離為1到1000毫米。作為傳感器實(shí)用的方案是，把樣品裝載在薄片樣品槽上，然后將抗原(或者生物酶，或者核酸適體)，通過微加工的方法放在樣品槽的一側(cè)，并且保證液體的表面為一平面。再裝入容器中，通過光學(xué)顯微鏡或CXD攝像儀觀察， 調(diào)節(jié)三維微調(diào)架使得微腔激光器的兩個端口對準(zhǔn)裝有抗原的凹槽，其中一個端口對準(zhǔn)抗原 (或者生物酶，或者核酸適體)。如果氣體或液體中含有要檢測的抗體(或者基質(zhì)，或者蛋白質(zhì))，就會被抗原(或者生物酶，或者核酸適體)吸附住，就會改變對準(zhǔn)裝有抗原(或者生物酶，或者核酸適體)的端口光程，影響到兩個端口的相位差，從而反映在干涉條紋的變化上。通過CCD探測器進(jìn)行實(shí)時觀察干涉條紋的變化情況，結(jié)合快速傅立葉變換進(jìn)行換算，可以對微小的抗體(或者基質(zhì)，或者蛋白質(zhì))進(jìn)行實(shí)時的探測。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，包括一微腔激光器，該微腔激光器為室溫電注入激光器，輸出的激光具有較高的邊模抑制比，具有好的單模特性；一第一輸出端口和第二輸出端口，該第一輸出端口和第二輸出端口直接連接在微腔激光器上；一容器，位于微腔激光器上，該容器有一上蓋；一個透明薄片，位于容器內(nèi)的下部，該透明薄片與第一輸出端口和第二輸出端口的位置對準(zhǔn)，該透明薄片對激光器出射光無吸收；一 CXD攝像機(jī)，位于容器的上蓋上，該CXD攝像機(jī)用來觀測干涉條紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，其中第一輸出端口和第二輸出端口之間的距離為1到500微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，其中微腔激光器發(fā)光波長為400到2500納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，其中第一輸出端口和第二輸出端口的端口寬度為0. 2到50微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，其中該透明薄片上刻有多個樣品槽，每個樣品槽中的一側(cè)放有抗原。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，其中該 CXD攝像機(jī)與容器的距離為1到1000毫米。
全文摘要
一種基于兩端口微腔激光器空間干涉的光學(xué)生物傳感器，包括一微腔激光器，該微腔激光器為室溫電注入激光器，輸出的激光具有較高的邊模抑制比，具有好的單模特性；一第一輸出端口和第二輸出端口，該第一輸出端口和第二輸出端口直接連接在微腔激光器上；一容器，位于微腔激光器上，該容器有一上蓋；一個透明薄片，位于容器內(nèi)的下部，該透明薄片與第一輸出端口和第二輸出端口的位置對準(zhǔn)，該透明薄片對激光器出射光無吸收；一CCD攝像機(jī)，位于容器的上蓋上，該CCD攝像機(jī)用來觀測干涉條紋。
文檔編號G01N21/45GK102519910SQ201110419799
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者呂曉萌, 姚齊峰, 杜云, 楊躍德, 林建東, 肖金龍, 黃永箴 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所