实现局部倏逝波光场增强的芯片结构及光场增强方法

技术领域

本申请涉及光子集成电路的技术领域，尤其是涉及一种实现局部倏逝波光场增强的芯片结构及光场增强方法。

背景技术

对生物传感器采用集成光子学可以实现紧凑、可扩展和可靠的产品(可重复性)，从而帮助提高产量，节省大量的时间和资源。这种生物传感器的应用可用于荧光检测、比色法和光谱学。

众所周知，集成光子波导可用于提供一种小型化且价格合理的检测设备，用于单粒子检测或作为显微镜的成像系统。由于与周围介质相比具有高折射率对比度，光波导被用于通过引导模式将光传送到被检验样本处。

在图1中，显示了传统矩形波导的截面几何形状以及单模波导的基本TE和TM模式的模式轮廓。光主要被限制在波导内部，而一小部分将在包层衰减，限制了光-分析物相互作用的激发体积和功率，特别是在上表面附近，仅延伸80nm至200nm。

在图2中，通过去除部分顶部包层，可以局部增加波导上表面上光与分析物相互作用的激发功率，然而，由于较高的折射率对比度，传播损耗也将大大增加。

单个粒子或分子检测的挑战之一是来自多个分析物或本体背景的信号的重叠。如图1和图2所示的矩形波导可以通过定位波导附近的场来从多个分析物中分离信号，然而在光传播的的方向，仍然可以同时填充多个分析物质。因此，如图3所示在波导传播的方向上定点蚀刻纳米尺寸的孔，能够保持光-分析物相互作用体积足够小，以确保一次检测单个分析物。然而，均匀蚀刻纳米量级尺寸的孔仍然是工艺上的一个挑战。因此，考虑到制造的成本和可行性，没有纳米孔蚀刻的其他解决方案更有利。

发明内容

为了有助于单粒子的检测和增强成像分辨率，本申请提供一种实现局部倏逝波光场增强的芯片结构及光场增强方法。

一方面，申请提供的一种实现局部倏逝波光场增强的芯片结构，采用如下的技术方案：

一种实现局部倏逝波光场增强的芯片结构，包括多级串联的多模干涉耦合器、波导环路阵列以及相位调制器，其中所述多模干涉耦合器包括输入波导、多模波导区和输出波导；

第一种结构：多级所述多模干涉耦合器中的每个末级所述多模干涉耦合器的输出波导通过一级波导环路连接，所述一级波导环路上设有相位调制器，多个所述多模干涉耦合器的所述一级波导环路形成波导阵列区；

或，第二种结构：次末级所述多模干涉耦合器的输出波导与末级所述多模干涉耦合器的输入波导一级波导环路连接，多级所述多模干涉耦合器中的每个末级所述多模干涉耦合器的输出波导通过二级波导环路连接，所述二级波导环路上设有相位调制器，多个所述一级波导环路形成波导阵列区；

或，第三种结构：次末级所述多模干涉耦合器的输出波导与末级所述多模干涉耦合器的输入波导通过一级波导环路连接，多级所述多模干涉耦合器中的任意两个末级所述多模干涉耦合器的输出波导通过二级波导环路连接，所述二级波导环路上设有相位调制器，多个所述一级波导环路形成波导阵列区；

或，第四种结构：次末级所述多模干涉耦合器的输出波导与两个末级所述多模干涉耦合器的输出波导通过一级波导环路连接，多个所述一级波导环路形成波导阵列区；多级所述多模干涉耦合器中的所述两个末级多模干涉耦合器的输入波导通过二级波导环路连接，所述二级波导环路上设有相位调制器。

通过采用上述技术方案，由于光在传播时，在垂直传播的方向，会有部分泄露在包层内，且其中200nm左右的光强较强，设置有多级多模干涉耦合器，结合第一波导环路，或者结合一级波导环路和二级波导环路，从而形成闭环，通过形成干涉条纹，能够保持局部光场增强，减少光的损耗，有效利用波导上表面的倏逝波；多种结构均设置有波导阵列区，利用波导阵列区作为激发荧光的区域，用于产生不同相位的成像图片，闭环的设置有利于干涉条件的形成，从而更加有利于对分子或颗粒信号的检测此外，串联的数量越多，则意味着波导阵列区顶部的总传感面积越大；本结构的工艺简单，制造成本低。

可选地，所述波导阵列区的所述波导阵列区的多个波导平行设置。

通过采用上述技术方案，由于波在传播时，在垂直传播的方向，会有部分光泄露在包层内，平行设置的波导和环路下干涉条件的形成，有利于最大化利用消逝波，减少光的损耗，有利于增强超分辨成像。

可选地，若采用所述第一种结构，所述第一波导环路远离所述输出波导一端的弯折部为热调制区。

通过采用上述技术方案，热调制区通过热调制器改变波导的温度，引起相位的变化，从而可以在波导阵列区获得不同相位的图像，以生成超分辨率图像；图像中的信息是混合的，多种信息混合对应多个方程，多个图像对应于多个公式，从而还原多个方程中的因素的解。

可选地，若采用所述第二种结构、第三种结构和第四种结构中，所述二级波导环路设置为热调制区。

通过采用上述技术方案，通过热调制器改变波导的温度，引起相位的变化，从而可以在波导阵列区获得不同相位下的图像，以还原出高分辨率图像；图像中的信息是混合的，多种信息混合对应多个方程，多个图像对应于多个公式，从而还原多个方程中的因素的解。

可选地，所述波导阵列区前一级所述多模干涉耦合器的输入波导处还包括波导输入输出端，所述波导输入输出端用于传输单波长或多波长的光。

通过采用上述技术方案，末端波导输入输出端的闭环结构能够产生后向反射以增强条形波导区域中的场的环路图。

可选地，若采用所述第一种结构，所述一级波导环路中的波导不交叉设置。

通过采用上述技术方案，波导不交叉设置，形成的是条形波导区域，以充分利用波导上表面的倏逝波，增强超分辨成像。

可选地，若采用所述第二种结构、第三种结构和第四种结构，所述二级波导环路中的波导不交叉设置。

通过采用上述技术方案，波导不交叉设置，形成的是条形波导区域，以充分利用波导上的倏逝波，增强超分辨成像。

可选地，若采用所述第三种结构，所述二级波导环路中，同一环路中的两个波导的总相位差为π的整数倍。

通过采用上述技术方案，使得波导阵列区中的驻波干涉加强和减弱区域发生变化，以改变条状波导区光强增强或者减弱的区域。

可选地，所述波导阵列区的顶部设置有纳米孔。

另一方面，本申请提供了一种局部倏逝波光场增强方法，采用如下的技术方案：

一种局部倏逝波光场增强方法，基于上述的实现局部倏逝波光场增强的芯片结构，包括如下方法：通过波导阵列区衍射图样创建波导照明图像，改变相位调制区的的温度，当热调制区对应波导的相位变化与相长干涉条件相匹配时，波导阵列区生成的光图案发生偏移。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：通过设置多种通过形成闭环的倏逝波增强的结构，保持局部光强增强，减少光的损耗，有效利用波导上的倏逝波，通过波导阵列区不同相位下衍射图样创建波导照明图像，以获得超分辨率成像。

附图说明

图1是矩形波导的截面图和单模波导的基本TE和TM模的模型显示。

图2是矩形波导去除顶部包层的截面图和单模波导的基本TE和TM模的模型显示。

图3是波导的正上方腐蚀纳米孔的截面图。

图4是第一种结构中的生成结构的电路树图。

图5是第一种结构中的生成结构，产生后向反射的电路树图。

图6是第二种结构中的生成结构，二级多模干涉耦合器包括两个MMI2X2阵列的电路树图。

图7是第三种结构中的生成结构的电路树图。

图8是第四种结构中的生成结构的电路树图。

具体实施方式

以下结合附图，对本申请作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请实施例公开一种实现局部倏逝波光场增强的芯片结构。参照图1，实现局部倏逝波光场增强的芯片结构有多种结构，包括多级串联的多模干涉耦合器、波导环路阵列以及相位调制器，多模干涉耦合器包括输入波导、多模波导区和输出波导。

第一种结构：参照图4，多级多模干涉耦合器中的每个末级多模干涉耦合器的输出波导通过第一波导环路连接，多个多模干涉耦合器的第一波导环路形成波导阵列区。波导阵列区即为图中的“Waveguide Array”。

第一种结构中的多模干涉耦合器包括三级，多模干涉耦合器设置为MMI1X2阵列，即，共设置有7个MMI1X2阵列。光栅耦合器输出端的光从第一MMI1X2的输入波导输入，从MMI1X2的两个输出波导输出；光栅耦合器为图中“Grating coupler”。再分别从第二MMI1X2和第三MMI1X2的输入波导输入，第二MMI1X2和第三MMI1X2的两个输出波导也分别输出两个输出波导，每一个输出波导处分别连接有MMI1X2的输入波导；分别为第四MMI1X2、第五MMI1X2、第六MMI1X2和第七MMI1X2。此时，波导的一端连接至第四MMI1X2、第五MMI1X2、第六MMI1X2和第七MMI1X2中任一MMI1X2的其中一个输出波导，波导的另一端连接至对应MMI1X2的另一个输出波导，形成第一波导环路。第四MMI1X2、第五MMI1X2、第六MMI1X2和第七MMI1X2的结构相同，均形成有对应的第一波导环路。

本实施例中，波导阵列区的多个波导平行设置。由于光在传播时，在垂直传播的方向，会有消逝波，平行设置的波导，有利于最大化利用消逝波，减少波光损耗，有利于增强超分辨成像。

第一波导环路远离输出波导一端的弯折部设置有相位调制器,相位调制器为图中标识的“Heater”区域。相位调制器为热调制区供热调制器加热，通过热调制器改变波导的温度，引起相位的变化，从而可以在波导阵列区获得不同相位的图像，以生成高分辨率图像；图像中的信息是混合的，多种信息混合对应多个方程，多个图像对应于多个公式，从而还原多个方程中的因素的解。

此外，第一波导环路按照设定间距平行排列设置，因此第一波导环路中的波导不交叉设置，从而形成的条形波导区域，以充分利用波导上的倏逝波，增强超分辨成像。

参照图5，在其他实施方式中，三级多模干涉耦合器包括四个MMI2X2阵列，分别为第四MMI2X2、第五MMI2X2、第六MMI2X2和第七MMI2X2。MMI2X2阵列包括两个波导输入输出端，第四MMI2X2、第五MMI2X2、第六MMI2X2和第七MMI2X2相比于MMI1X2阵列分别多出对应为Ouput1、Ouput2、Ouput3和Ouput4。波导输入输出端用于传输单波长或多波长的光，能够产生后向反射形成干涉以增强条形波导区域中的场。

第二种结构：参照图6，次末级多模干涉耦合器的输出波导与末级多模干涉耦合器的输入波导通过一级波导环路连接，多级多模干涉耦合器中的每个末级多模干涉耦合器的输出波导通过二级波导环路连接；多个一级波导环路形成波导阵列区。

第二种结构中的多模干涉耦合器的一级多模干涉耦合器包括一个MMI1X2阵列，二级多模干涉耦合器包括两个MMI1X2阵列，三级多模干涉耦合器包括两个MMI2X2阵列。一级多模干涉耦合器MMI1X2阵列的输入波导连接至光栅耦合器的输出端；二级多模干涉耦合器中每个MMI1X2的两个输入波导中，其中一个连接至一级多模干涉耦合器的输出波导，另一个设置为波导输入输出端，用于传输单波长或多波长的光。其中，两个波导的连接结构对称设置。多个一级波导环路等间距排列，波导之间互相平行设置的部分形成波导阵列区。二级波导环路中的波导不交叉设置。波导不交叉设置，形成的是条形波导区域，以充分利用波导上的倏逝波，增强高分辨成像。

三级多模干涉耦合器中的每个MMI2X2的两个输出波导通过一个波导连接，及二级波导环路；二级波导环路形成弯区部，设置有相位调制器,相位调制器为图中标识的“Heater”区域。相位调制器为热调制区供热调制器的加热，通过热调制器改变波导的温度，引起相位的变化，从而可以在波导阵列区获得不同相位的图像，以生成超高分辨率图像；图像中的信息是混合的，多种信息混合对应多个方程，多个图像对应于多个公式，从而还原多个方程中的因素的解。

第三种结构：参照图7，次末级多模干涉耦合器的输出波导与末级多模干涉耦合器的输入波导通过一级波导环路连接，多级多模干涉耦合器中的任意两个末级多模干涉耦合器的输出波导通过二级波导环路连接；多个一级波导环路形成波导阵列区。

第三种结构的结构与第二种结构中的结构基本相同，区别在于二级波导环路的连接方式不同：

二级波导环路中包括依次排列的弯曲光纤“a”、“b”、“c”和“d”，四级多模干涉耦合器中的四个MMI2X2阵列，位于排列方向两侧的两个MMI2X2的输出波导通过弯曲波导“a”和“b”连接成环状；位于排列方向中部的两个MMI2X2的输出波导通过弯曲波导“c”和“d”连接成环状。

二级波导环路设置有相位调制器,相位调制器为图中标识的“Heater”区域。相位调制器为热调制区供热调制器的加热，通过热调制器改变波导的温度，引起相位的变化，从而可以在波导阵列区获得不同的图像，以生成超分辨率图像；图像中的信息是混合的，多种信息混合对应多个方程，多个图像对应于多个公式，从而还原多个方程中的因素的解。

二级波导环路中的波导不交叉设置。波导不交叉设置，形成的是条形波导区域，以充分利用波导上的倏逝波，增强超分辨成像。弯曲光纤“a”和“b”的相位差为整数倍，在波导阵列区中产生谐振。弯曲光纤“c”和“d”的相位差一致，使得波导阵列区中的驻波产生跳动模式，以增强条状波导区域内的场。

第四种结构：参照图8，次末级多模干涉耦合器的输出波导与任意两个末级多模干涉耦合器的输出波导通过一级波导环路连接，多个一级波导环路形成波导阵列区；多级多模干涉耦合器中的任意两个末级多模干涉耦合器的输入波导通过二级波导环路连接。

第四种结构中的包括两级多模干涉耦合器，一级多模干涉耦合器包括一个MMI2X2阵列，二级多模干涉耦合器包括两个MMI1X2阵列。一级多模干涉耦合器的MMI2X2阵列的两个输入波导连接至光栅耦合器的输出端，一级多模干涉耦合器中MMI2X2阵列的两个输出波导，分别连接至二级多模干涉耦合器中两个MMI1X2的其中一个的输出波导，且二级多模干涉耦合器中两个MMI1X2剩余的两个输出波导通过波导连接。一级多模干涉耦合器和二级多模干涉耦合器之间的波导形成一级波导环路。一级波导环路中的波导按照设定间距平行排列设置，且二级波导环路中的波导不交叉设置，平行部分为波导阵列区。波导不交叉设置，形成的是条形波导区域，以充分利用波导上的倏逝波，增强超分辨成像。

二级多模干涉耦合器中两个MMI1X2的两个输入波导通过波导连接，形成二级波导环路。通过连接两个MMI1X2，在波导阵列区域中产生谐振回路以获得干涉驻波。二级波导环路设置有相位调制器,相位调制器为图中标识的“Heater”区域。相位调制器为热调制区供热调制器的加热，通过热调制器改变波导的温度，引起相位的变化，从而可以在波导阵列区获得不同相位的图像，以生成超高分辨率图像；图像中的信息是混合的，多种信息混合对应多个方程，多个图像对应于多个公式，从而还原多个方程中的因素的解。

本申请实施例一种实现局部倏逝波光场增强的芯片结构的实施原理是：设置有多级多模干涉耦合器，结合第一波导环路，或者结合一级波导环路和二级波导环路，从而形成闭环，保持局部光强增强，减少光的损耗，有效利用波导上的倏逝波。多种结构均设置有波导阵列区，利用波导阵列区作为照射的区域，用于产生不同相位的成像图片，闭环的设置有利于增强超分辨成像，从而更加有利于实现对物质成分的检测。此外，串联的数量越多，则意味着波导阵列区顶部的总传感面积越大。因此，上述提出了几种通过干涉在条形波导顶部产生倏逝波增强的结构。这种增强有助于在波导传播方向上定位少数粒子。此外，我们的结构还可以通过衍射图案创建波导照明图案，以获得高成像分辨率。

本申请实施例还公开一种局部倏逝波光场增强方法，基于上述的一种倏逝波加强生成结构，包括如下方法：通过波导阵列区衍射图样创建波导照明图像，改变热调制器的温度，当热调制区对应的热调制器的相位变化与相长干涉条件相匹配时，波导阵列区生成的光图案发生偏移。

照明图像中，改变调制器的温度可以将光强加强的点变为减弱的点；且同一个点处，不同的相位，携带有不同的物质信息。通过热调制器改变波导的温度，引起相位的变化，从而可以在波导阵列区获得不同相位的图像，以生成超分辨率图像；图像中的信息是混合的，多种信息混合对应多个方程，多个图像对应于多个公式，从而还原多个方程中的因素的解。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。