GR1010873B - Συμβολομετρικη οπτικη συσκευη ανιχνευσης ολοκληρωμενη σε φωτονικα κυκλωματα - Google Patents
Συμβολομετρικη οπτικη συσκευη ανιχνευσης ολοκληρωμενη σε φωτονικα κυκλωματα Download PDFInfo
- Publication number
- GR1010873B GR1010873B GR20230101081A GR20230101081A GR1010873B GR 1010873 B GR1010873 B GR 1010873B GR 20230101081 A GR20230101081 A GR 20230101081A GR 20230101081 A GR20230101081 A GR 20230101081A GR 1010873 B GR1010873 B GR 1010873B
- Authority
- GR
- Greece
- Prior art keywords
- plasmonic
- waveguide
- photonic
- sensitivity
- waveguides
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
- G01D5/35329—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using interferometer with two arms in transmission, e.g. Mach-Zender interferometer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/12004—Combinations of two or more optical elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
- G02B6/1226—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths involving surface plasmon interaction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
- G01N2021/7706—Reagent provision
- G01N2021/7709—Distributed reagent, e.g. over length of guide
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
- G01N2021/7776—Index
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
- G01N2021/7779—Measurement method of reaction-produced change in sensor interferometric
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
- G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
- G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
- G01N21/774—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the reagent being on a grating or periodic structure
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12133—Functions
- G02B2006/12138—Sensor
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12133—Functions
- G02B2006/12159—Interferometer
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Η εφεύρεση αφορά μια συμβολομετρική συσκευή ανίχνευσης οπτικού κυματοδηγού ολοκληρωμένη σε συστήματα φωτονικών κυκλωμάτων που αποτελείται από ένα στρώμα κυματοδηγού προορισμένο να λαμβάνει ένα οπτικό σήμα και να κυματοδηγεί το εν λόγω οπτικό σήμα σύμφωνα με έναν προκαθορισμένο οπτικό τρόπο διάδοσης, καθώς επίσης και μία επιφάνεια ενός μέσου δοκιμής σε επικοινωνία με το στρώμα κυματοδηγού το οποίο ανταποκρίνεται στο μέσο δοκιμής για να τροποποιεί τουλάχιστον ένα χαρακτηριστικό του οδηγούμενου οπτικού σήματος σε σχέση με μία δοθείσα παράμετρο του εν λόγω μέσου δοκιμής, μέσω του οποίου το τροποποιημένο χαρακτηριστικό του οδηγούμενου οπτικού σήματος καθίσταται μετρήσιμο εν όψει του προσδιορισμού της δοθείσας παραμέτρου του εν λόγω μέσου δοκιμής, όπου είναι αξιοσημείωτη από το ότι η ανωτέρω συσκευή περιλαμβάνει βιοαισθητήρες, αντιστοίχως φωτονικά και πλασμονικά στοιχεία (101, 102, 111) σε ειδικά σχεδιασμένα συμβολόμετρα ΜΖΙ (101), ιδιαίτερα επιπέδους πλασμονικούς κυματοδηγούς (111), οι οποίοι είναι μονολιθικά ολοκληρωμένοι σε ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα, και από το ότι περιλαμβάνει πλασμονικούς κυματοδηγούς με φράγματα περίθλασης Bragg (402, 502, 602, 609), oι οποίοι είναι κοινά ολοκληρωμένοι με φωτονικούς κυματοδηγούς (102, 605, 606), και αποτελούνται από ολοκληρωμένους κυματοδηγούς όπου ένας μηχανισμός καθυστέρησης του φωτός ενσωματώνεται στη συσκευή και χρησιμοποιείται μέσω φραγμάτων περίθλασης Bragg (602) έτσι ώστε να ενισχύσει την ευαισθησία σε πρωτοφανή επίπεδα διατηρώντας μικρά μήκη μορφοτροπέα.
Description
[0001] ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗ ΣΥΣΚΕΥΗ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΗ
[0004] ΣΕ ΦΩΤΟΝΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ
[0006] ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ
[0008] Πεδίο της εφεύρεσης
[0010] Η παρούσα εφεύρεση αναφέρεται σε οπτικούς συμβολομετρίκούς βιοαισθητήρες που βασίζονται σε επίπεδους πλασμονικούς κυματοδηγούς ενσωματωμένους σε φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα.
[0012] Υπόβαθρο της εφεύρεσης
[0014] Η βιολογική ανίχνευση παίζει σημαντικό ρόλο σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων εφαρμογής που σχετίζονται στενά με την καθημερινή ζωή του ανθρώπου, συμπεριλαμβανομένων της διαγνωστικής ιατρικής, των φαρμακευτικών προϊόντων, της περιβαλλοντικής παρακολούθησης και της ασφάλειας των τροφίμων. Μεταξύ των διαφορετικών τεχνολογιών ανίχνευσης, οι οπτικοί αισθητήρες που βασίζονται σε ολοκληρωμένη οπτική τεχνολογία και συντονισμό επιφανειακού πλασμονίου (SPR) αντιπροσωπεύουν έναν εξαιρετικά ελκυστικό υποψήφιο που μπορεί να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις για γρήγορη και ακριβή ανίχνευση χημικών και βιολογικών στοιχείων. Ωστόσο, η ευρεία εμπορική εκμετάλλευση εξακολουθεί να παρεμποδίζεται λόγω των ογκωδών διατάξεων ζεύξης του φωτός βασιζόμενων σε πρίσματα που απαιτούνται για τους SPR αισθητήρες ή των μέτριων ευαισθησιών των ολοκληρωμένων φωτονικών αισθητήρων.
[0016] Δύο παράγοντες καθορίζουν την ευαισθησία των οπτικών αισθητήρων: η ευαισθησία του κυματοδηγού του μορφοτροπέα που αντιπροσωπεύει την αλλαγή του ενεργού δείκτη διάθλασης του τρόπου διάδοσης του πεδίου στον κυματοδηγό μετά από μια αλλαγή στον δείκτη διάθλασης της περιβάλλουσας υπό ανάλυση ουσίας και η ευαισθησία της συσκευής που εξαρτάται από τη συνολική αρχιτεκτονική του κυκλώματος του αισθητήρα. Για το σκοπό αυτό, η ενίσχυση της ευαισθησίας σε εξαιρετικά υψηλές τιμές απαιτείτη βελτιστοποίηση και των δύο παραγόντων ευαισθησίας με βάση τη βέλτιστη επιλογή τόσο της δομής του κυματοδηγού όσο και της αρχιτεκτονικής του κυκλώματος.
[0018] Η πιο συνηθισμένη τεχνική για την ενίσχυση της ευαισθησίας της συσκευής σε σύμβολο μετρικές δομές είναι η αύξηση του μήκους του κυματοδηγού ανίχνευσης στην τάξη πολλών χιλιοστών ή ακόμα και εκατοστών, κάτι που έρχεται εις βάρος της συμπαγούς και λειτουργικής ευρωστίας. Μια άλλη τεχνική είναι η βελτιστοποίηση της διαφοράς στην οπτική διαδρομή μεταξύ των δύο βραχιόνων και η αύξηση της ελεύθερης φασματικής περιοχής (FSR) Από την άλλη πλευρά, η χρήση κυματοδηγών με έντονο πεδίο διαφυγής, όπως φωτονικοί κυματοδηγοί που λειτουργούν με ΤΜ πόλωση, οι κυματοδηγοί διακένου, οι κυματοδηγοί φραγμάτων περίθλασης υπο-μήκους κύματος (SWG) και οι πλασμονικοί κυματοδηγοί, μπορούν να βελτιώσουν την ευαισθησία των κυματοδηγών. Ωστόσο, μεταξύ αυτών, οι φωτονικές δομές εξακολουθούν να απαιτούν μήκη ανίχνευσης σε κλίμακα εκατοστών προκειμένου να επιτευχθούν υψηλές ευαισθησίες [4-6],
[0020] Σε αυτό το πλαίσιο, η χρήση πλασμονικών μετατροπέων μπορεί να προσφέρει σημαντικά οφέλη σε σύγκριση με τους φωτονικούς λόγω της βαθιάς έκθεσης των πλασμονικών τρόπων στο περιβάλλον που οδηγεί σε ισχυρότερη αλληλεπίδραση φωτός-ύλης. Αυτό το μοναδικό χαρακτηριστικό καθιστά τους πλασμονικούς αισθητήρες εξαιρετικά ευαίσθητους, αλλά σε βάρος των εγγενών μεγάλων απωλειών διάδοσης κάτι που θέτει σοβαρούς περιορισμούς στις λειτουργίες του τσιπ και των περιορισμένων δυνατοτήτων σμίκρυνσης λόγω των ογκωδών διατάξεων διέγερσης που βασίζονται στο πρίσμα που συνήθως απαιτούνται αναιρώντας μια συμπαγή δομή του συστήματος.
[0022] Η επιλεκτική ενσωμάτωση πλασμονικών κυματοδηγών στον βραχίονα ανίχνευσης φωτονικών συμβολομετρικών διατάξεων χαμηλών απωλειών έχει αναδειχθεί ως μια ελκυστική λύση που θα μπορούσε να εξισορροπήσει τους παραπάνω περιορισμούς αξιοποίώντας συνδυαστικά τα βελτιωμένα χαρακτηριστικά ανίχνευσης των πλασμονικών κυματοδηγών με το χαρτοφυλάκιο των παθητικών φωτονικών κυκλωμάτων χαμηλών απωλειών για την υλοποίηση υπερευαίσθητων φωτονικών αισθητήρων σε μικρότερα ίχνη.
[0024] Ακολουθώντας αυτή την προσέγγιση, ορισμένες προσεγγίσεις πλασμο-φωτονικών αισθητήρων έχουν παρουσιαστεί μέχρι στιγμής είτε σε διατάξεις αισθητήρων που βασίζονται στη διαμόρφωση της έντασης [7] είτε σε διατάξεις αισθητήρων που βασίζονται σε συμβολή [8-10]. Η πρώτη προσέγγιση προτείνει SΡΡ μικρής εμβέλειας με ευαισθησία δείκτη διάθλασης ίση με 1365 dB/RIU, ενώ στη δεύτερη προσέγγιση χρησιμοποιούνται υβριδικοί κυματοδηγοί πλασμονικού διακένου [8,9] ή κοίλοι υβριδικοί πλασμο-φωτονικοί κυματοδηγοί [10], που αποδίδουν ευαισθησία δείκτη διάθλασης έως 1060 nm/RIU [9].
[0026] Με βάση το ίδιο σκεπτικό, ένας ολοκληρωμένος πλασμο-φωτονικός βιοαισθητήρας με πολύλειτουργικές δυνατότητες αποκαλύπτεται στο έγγραφο US20200003696A1 / WO2018150205A8 / GR20170100088A [3]. Συγκεκριμένα, ένας πλασμονικός κυματοδηγός, είτε λεπτού υμενίου είτε διακένου, είναι ενσωματωμένος στον βραχίονα ανίχνευσης ενός φωτονικού ΜΖΙ. Προτείνονται δομικά στοιχεία για τη βέλτιστη συμβολή και για την εξισορρόπηση ισχύος σε συνδυασμό με ένα μεγάλο FSR προκειμένου να ενισχυθεί η ευαισθησία της συσκευής. Ωστόσο, απαιτείται ένα πολύ μεγάλο FSR άνω των 1000 nm προκειμένου να επιτευχθούν οι ισχυριζόμενες υψηλές ευαισθησίες, γεγονός που θέτει αρκετές προκλήσεις. Μια πρόκληση είναι ότι απαιτείται πολύ ακριβής έλεγχος της απαραίτητης εξαιρετικά μικρής διαφοράς οπτικής διαδρομής μεταξύ του βραχίονα ανίχνευσης και του βραχίονα αναφοράς και εξαιτίας αυτού πιθανές δομικές αποκλίσεις κατά την κατασκευή αναμένεται να έχουν αξιοσημείωτη επίδραση στην απόδοση του αισθητήρα. Επιπλέον, OL δομές εξαιρετικά υψηλού FSR μπορεί να παρεμποδίσουν τη διαδικασία μέτρησης, καθώς η πιθανότητα καμία από τις φασματικές βυθίσεις να μην βρίσκεται στην οπτική περιοχή του οργάνου μέτρησης αυξάνεται δραματικά. Τέλος, η επίδραση των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας γίνεται πιο έντονη σε διατάξεις με μεγάλα FSR απαιτώντας αυστηρότερο έλεγχο της θερμοκρασίας.
[0028] Η εργασία που παρουσιάζεται στην αναφορά [11] δείχνει την πειραματικά ληφθείσα απόδοση μιας κατασκευασμένης έκδοσης του βιοαισθητήρα που περιγράφεται στην παραπάνω ευρεσιτεχνία με FSR ίσο με 50 nm και μήκος πλασμονικής περιοχής ανίχνευσης ίση με 70 μm. Επιτεύχθηκε μια οπτική ευαισθησία ίση με 4764 nm/RIU, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη από την τιμή που αποκαλύπτεται στο εν λόγω έγγραφο διπλώματος ευρεσιτεχνίας και την υπερσύγχρονη τιμή οπτικής ευαισθησία των 59.000 nm/RIU που επιτεύχθηκε από αισθητήρα τύπου SPR που αναφέρεται στο [12 ].
[0030] Η χρήση αργού φωτός σε κυματοδηγούς με φράγματα υπο-μήκους κύματος (SWG) έχει επίσης προταθεί ως μέσο για την αύξηση της ευαισθησίας των κυματοδηγών τόσο στις φωτονικές όσο και στις πλασμονικές δομές. Τα φράγματα υπο-μήκους κύματος με περίοδο Λ, μπορούν να συμπεριφέρονταί ως ομοιογενή μεταϋλικά στην περιοχή μεγάλου μήκους κύματος (λ » Λ), ως καθρέφτες Bragg στην ζώνη χάσματος όπου η διάδοση απαγορεύεται (λ = Λ) ή ως κυματοδηγοί αργού φωτός κοντά στο άνω όριο μήκους κύματος της ζώνης χάσματος. Η περιοχή αργού φωτός χαρακτηρίζεται από έναν δείκτη διάθλασης ομάδας υψηλότερο σχεδόν κατά μία τάξη μεγέθους σε σύγκριση με έναν συμβατικό κυματοδηγό και μια αντίστοιχη χαμηλή ταχύτητα ομάδας -ή μεγάλη καθυστέρηση ομάδας-, η οποία σχετίζεται με αυξημένη αλληλεπίδραση φωτός-ύλης.
[0032] Στις αναφορές [13] και [14] παρουσιάζεται η σχεδίαση της διασποράς κυματοδηγών πυριτίου φράγματος περίθλασης υπο-μήκους κύματος σε μία διάσταση (1D) ώστε να λειτουργούν κοντά στη φωτονική ζώνη χάσματος προκειμένου να επιτραπεί η χαμηλή ταχύτητα ομάδας και η αυξημένη αλληλεπίδραση φωτός-ύλης. Ωστόσο, οι παραπάνω συσκευές δεν αξιολογήθηκαν ως αισθητήρες δείκτη διάθλαση (RI) ή βιο-αισθητήρες. Ομοίως στην αναφορά [15], ένα πλασμονικό πλέγμα Bragg που βασίζεται σε μια δομή μετάλλου/αέρα/μετάλλου με διαμορφωμένο διάκενο μεταξύ των μετάλλων (πλασμονικό Bragg διακένου) έχει σχεδιαστεί ώστε να παρουσιάζει μια επίπεδη καμπύλη διασποράς που επιτρέπει αργή διάδοση φωτός του τρόπου λειτουργίας Bloch στο διάκενο. Ωστόσο, ο διερευνη μένος πλασμονικός κυματοδηγός αργού φωτός δεν αξιολογήθηκε ως RI αισθητήρας ή βιοαισθητήρας. Αντίστοιχα, στην αναφορά [16], ένας παρόμοιος πλασμονικός κυματοδηγός Bragg βασισμένος σε διάκενο, τοποθετημένος μεταξύ δύο συμβατικών κυματοδηγών διακένου (μέταλλο/διηλεκτρικό/μεταλλικό) προτείνεται ως αισθητήρας δείκτη διάθλασης υπομήκους κύματος ενίσχυμένου αργού φωτός. Αποδεικνύεται ότι μπορεί να επιτευχθεί ενίσχυση της ευαισθησίας δείκτη διάθλασης περίπου 3,5 έως 3,9 φορές σε συνδυασμό με 2 έως 3 φορές μείωση στο απαιτούμενο μήκος ανίχνευσης. Ωστόσο, η προτεινόμενη δομή δεν έχει διερευνηθεί ως ενσωματωμένος μορφοτροπέας στον κλάδο ανίχνευσης συμβολόμέτρων.
[0033] Στην αναφορά [17], ο βασισμένος σε διάκενο πλασμονικός κυματοδηγός Bragg που αναφέρεται στην προαναφερθείσα εργασία [16] «Ενισχυμένοι μέσω αργού φωτός αισθητήρες δείκτη διάθλασης βασισμένοι σε πλασμονικούς κυματοδηγούς υποκύματος» ενσωματώνεται στον κλάδο ανίχνευσης ενός πλασμονικού συμβολόμετρου Mach-Zehnder που οδηγεί σε περίπου δύο φορές μεγαλύτερη ευαισθησία δείκτη διάθλασης από τον σκέτο πλασμονικό κυματοδηγό Bragg. Επιπρόσθετα, επιτυγχάνεται σχεδόν μια τάξη μεγέθους αύξηση στην ευαισθησία δείκτη διάθλασης και επομένως στην ελάχιστη ανιχνεύσιμη μεταβολή του δείκτη διάθλασης, σε σύγκριση με έναν σύμβολο μετρικό αισθητήρα που χρησιμοποιεί έναν συμβατικό κυματοδηγό πλασμονικού διακένου.
[0035] Στην αναφορά [18], ένας φωτονικός κυματοδηγός αργού φωτός που βασίζεται σε έναν μονοδιάστατο (1D) φωτονικό κρύσταλλο (phC) ενσωματώνεται στον κλάδο ανίχνευσης ενός φωτονίκού ΜΖΙ με βάση το πυρίτιο. Μια πενταπλάσια βελτίωση ευαισθησίας δείκτη διάθλασης επιτεύχθηκε πειραματικά σε σύγκριση με έναν παραδοσιακό αισθητήρα MZi, συνοδευόμενη από 400 φορές μείωση του χωρικού αποτυπώματος. Ωστόσο, η επιτευχθείσα φασματική ευαισθησία των 103 nm/RIU είναι αρκετά χαμηλή.
[0037] Ένα μονοκάναλο δαροπικό συμβολόμετρο βασισμένο σε μονοδιάστατο φωτονικό κρύσταλλο (ID phC) που υποστηρίζει δύο ηλεκτρομαγνητικούς τρόπους ίδιας πόλωσης αλλά με μεγάλη διαφορά ταχύτητας ομάδας προτάθηκε στην αναφορά [19]. Η περιοδική δομή είναι βελτιστοποιημένη έτσι ώστε να υποστηρίζει έναν τρόπο λειτουργίας ανώτερης τάξης με σημαντικά μειωμένη ταχύτητα ομάδας -που ενεργεί ως ο τρόπος ανίχνευσης- σε σύγκριση με τον θεμελιώδη τρόπο -που ενεργεί ως ο τρόπος αναφοράς-. Λόγω της χαμηλότερης ταχύτητας ομάδας, ο τρόπος ανώτερηςτάξης είναι πιο ευαίσθητος σε αλλαγές στο δείκτη διάθλασης (RI) από το θεμελιώδη. Ομοίως με το προηγούμενο ΜΖΙ με βάση το φωτονικό κρύσταλλο (phC), επιτεύχθηκε χαμηλή φασματική ευαισθησία ίση με 138,75 nm/RIU.
[0039] Στάθμη της τεχνικής
[0041] Αρκετές αιτήσεις διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας σχετίζονται με το πεδίο που προσδιορίστηκε παραπάνω, οι οποίες μπορούν να υποδιαιρεθούν σε διαφορετικές κατηγορίες, μεταξύ των οποίων οι ακόλουθες αποκαλύπτουν σύμβολομετρία, όπως οι WO2020128293, ΕΡ3264070, U52004257579, W02010010527, US2020200972, US2022050246, W02007011384, GB25392812929226N 64982, W02018078404, WO2009115847, GB2437543, WO2021152345. Το κύριο χαρακτηριστικό αυτών των δημοσιεύσεων είναι η χρήση ενός συμβολόμετρου, όπως Mach-Zehnder (ΜΖΙ), Fabry-Perot, Michelson κ.λπ., αλλά χωρίς πλασμονικά υλικά και φράγματα περίθλασης Bragg που επομένως δεν χρησιμοποιούνται σε αυτά, κάτι το οποίο τα διαφοροποιεί από τα επί του παρόντος επιδιωκόμενα προς ανάπτυξη στη συνέχεια.
[0043] Μια άλλη κατηγορία που περιλαμβάνει τις δημοσιεύσεις διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας KR20120013821, KR20090006942, US2015308950, US2013329230, US2020278294, US2006045809, αποκαλύπτει πλασμονικά υλικά, όπως μεταλλικά υμένια ή νανοσωματίδια, αλλά ωστόσο χωρίς να χρησιμοποιείται συμβολομετρία και φράγματα περίθλασης Bragg, κάτι το οποίο τα διαφοροποιεί και πάλι από την παρούσα επιδίωκόμενη ανάπτυξη.
[0045] Μια ακόμη κατηγορία περιλαμβάνει περαιτέρω δημοσιεύσεις διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας όπως τις US2005018949, US2009214159, US2008056640, US2014218738, ΕΡ3988970, W02018150205 που αποκαλύπτουν συμβολομετρία και πλασμονικά υλικά, καθώς επίσης και η δημοσίευση W02018150205, από την οποία η παρούσα εφεύρεση διαφέρει με την εισαγωγή των φραγμάτων περίθλασης Bragg και τον μηχανισμό αργού φωτός, όπως περαιτέρω ορίζεται παρακάτω.
[0047] Το έγγραφο CN113253403 αποκαλύπτει συμβολομετρία και πλέγματα περίθλασης Bragg. Το κύριο χαρακτηριστικό του είναι η ενσωμάτωση ενός συμβολόμετρου Mach-Zehnder (ΜΖΙ) μαζί με φράγματα περίθλασης Bragg, στερείται όμως πλασμονικών υλικών που δεν χρησιμοποιούνται σε αυτό καί επομένως το διαφοροποιεί από την παρούσα ανάπτυξη.
[0048] Τέλος, η δημοσίευση W02006122402 αποκαλύπτει συμβολομετρία, πλασμονικά υλικά και πλέγματα περίθλασης Bragg, ενώ αυτό το συγκεκριμένο έγγραφο είναι το μόνο μεταξύ εκείνων που αναφέρονται παραπάνω που συνδυάζει αυτά τα χαρακτηριστικά που αποτελούνται από συμβολομετρία, πλασμονικά υλικά και φράγματα περίθλασης Bragg. Ωστόσο, οι βασικές διαφορές με την επιδίωκόμενη ανάπτυξη της παρούσας εφεύρεσης είναι ότι αφορά οπτικές ίνες και όχι ολοκληρωμένους κυματοδηγούς. Αυτό μεταφράζεται σε μεγαλύτερο μέγεθος, το οποίο αυξάνειτην πολυπλοκότητα της κατασκευής και περιορίζει τον αριθμό των αισθητήρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα σε μια μέτρηση, τα οποία αποτελούν και τα δύο σοβαρό μειονέκτημα.
[0050] Σκοπός της εφεύρεσης
[0052] Στόχος της εφεύρεσης είναι να αντιμετωπίσει τα προαναφερθέντα μειονεκτήματα, ιδίως με την ενσωμάτωση ενός μηχανισμού αργού φωτός με τη χρήση φραγμάτων περίθλασης Bragg, που έχει ως αποτέλεσμα μια στοχευμένη αύξηση της ευαισθησίας.
[0054] Συνοπτική περιγραφή της εφεύρεσης
[0056] Προτείνεται σύμφωνα με την εφεύρεση, μια συσκευή οπτικού συμβολομετρικού αισθητήρα, ιδιαιτέρως μια συσκευή βιο-αισθητήρα σε φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα που αποτελείται από ένα στρώμα κυματοδηγού προορισμένο να λαμβάνει ένα οπτικό σήμα και να κυματοδηγεί το εν λόγω οπτικό σήμα σύμφωνα με έναν προκαθορισμένο οπτικό τρόπο διάδοσης, καθώς επίσης και μία επιφάνεια ενός μέσου δοκιμής σε επικοινωνία με το στρώμα κυματοδηγού το οποίο ανταποκρίνεται στο μέσο δοκιμής για να τροποποιεί τουλάχιστον ένα χαρακτηριστικό του οδηγούμενου οπτικού σήματος σε σχέση με μία δοθείσα παράμετρο του εν λόγω μέσου δοκιμής, μέσω του οποίου το τροποποιημένο χαρακτηριστικό του οδηγούμενου οπτικού σήματος καθίσταται μετρήσιμο εν όψει του προσδιορισμού της δοθείσας παραμέτρου του εν λόγω μέσου δοκιμής. Η εν λόγω συσκευή είναι αξιοσημείωτη στο γεγονός ότι περιλαμβάνει φωτονικά και πλασμονικά στοιχεία σε ειδικά σχεδιασμένες διαμορφώσεις ΜΖΙ, ιδιαιτέρως επίπεδους πλασμονικούς κυματοδηγούς, οι οποίοι είναι μονολιθικά ολοκληρωμένοι σε φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα, και στο γεγονός ότι περιλαμβάνει πλασμονικούς κυματοδηγούς με βάση το πλέγμα Bragg, οι οποίοι είναι κοινά ολοκληρωμένοι με φωτονικούς κυματοδηγούς, οι οποίοι αποτελούνται από ενσωματωμένους κυματοδηγούς, όπου ένα μέσο μηχανισμού αργού φωτός είναι ενσωματωμένο στη συσκευή που χρησιμοποιείται με τα μέσα φραγμάτων περίθλασης Bragg.
[0057] Χάρη στη συσκευή που προτείνεται σύμφωνα με την εφεύρεση, η κατασκευαστική πολυπλοκότητα διατηρείται σε μέτριο επίπεδο, σε τέτοιο βαθμό ώστε ο αριθμός των αισθητήρων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα σε μια μέτρηση δεν είναι πολύ περιορισμένος, κάτι το οποίο είναι σημαντικό πλεονέκτημα. Επιπροσθέτως, ο μηχανισμός αργού φωτός που είναι ενσωματωμένος στη συσκευή χρησιμοποιείται με τα εν λόγω φράγματα περίθλασης Bragg, γεγονός που οδηγεί σε αξιοσημείωτη αύξηση στην ευαισθησία, ενώ ο εν λόγω μηχανισμός δεν αποκαλύπτεται σε καμία άλλη προγενέστερη δημοσίευση που αναφέρεται παραπάνω.
[0059] Συνεπώς, προτείνεται σύμφωνα με την παρούσα εφεύρεση μια εξαιρετικά ευαίσθητη συσκευή βιοαισθητήρα που περιλαμβάνει νέα φωτονικά και πλασμονικά στοιχεία σε ειδικά σχεδιασμένες διατάξεις ΜΖΙ και πιο συγκεκριμένα, χάρη στην υιοθέτηση των πλασμονικών κυματοδηγών φορτισμένων με πλέγματα περίθλασης Bragg ως το μέσο για την αύξηση της ευαισθησίας του κυματοδηγού που ενισχύει τη συνολική ευαισθησία του αισθητήρα σε πρωτόγνωρα επίπεδα διατηρώντας μικρό μήκος μορφοτροπέα.
[0061] Σύμφωνα με μια ειδική ενσωμάτωση της εφεύρεσης, η συσκευή περιλαμβάνει πλασμονικούς κυματοδηγούς βασισμένους σε πλέγμα Bragg κοινά ολοκληρωμένους με φωτονικούς κυματοδηγούς, με στόχο την ενίσχυση της απόδοσης ευαισθησίας σε τιμές >130.000 nm/RIU μειώνοντας ταυτόχρονα το συνολικό αποτύπωμα και τον θόρυβο. Η εν λόγω ελεύθερη φασματική περιοχή (FSR) επιλέγεται μεγαλύτερη από 100 nm, όπου το πλάτος του εν λόγω φωτονικού κυματοδηγού βελτιστοποιείται σε συνδυασμό με ένα μεγάλο FSR, φέρνοντας με αυτόν τον τρόπο την ευαισθησία κοντά στις 130000 nm/RIU.
[0063] Αυτός ο οδικός χάρτης επιδιώκεται μέσω δύο παράλληλων προσεγγίσεων για την αύξηση τόσο της αρχιτεκτονικής (S<a>) όσο και της ευαισθησίας του κυματοδηγού (S<wg>), και δύο εναλλακτικών αρχιτεκτονικών διατάξεων, η πρώτη από τις οποίες συνίσταται στη βελτίωση της αρχιτεκτονικής ευαισθησίας, η οποία επιτυγχάνεται με την αύξηση του FSR και προσαρμόζοντας τη γεωμετρία του φωτονικού κυματοδηγού για να ληφθεί υπόψη η διασπορά 2<ης>τάξης στους πλασμο-φωτονικούς κλάδους του ΜΖΙ, χρησιμοποιώντας τις πρόσφατες προβολές που προέκυψαν από το πειραματικά επικυρωμένο θεωρητικό και αριθμητικό μοντέλο προσομοίωσης που παρουσιάζεται στο [20],
[0065] Η δεύτερη συνίσταται σε μια βελτίωση της ευαισθησίας κυματοδηγού, η οποία επιτυγχάνεται σύμφωνα με έναν εναλλακτικό τρόπο πραγμάτωσης της εφεύρεσης, με την υιοθέτηση πλασμονικών κυματοδηγών λεπτού υμενίου διακοσμημένων με πλέγματα περίθλασης Bragg, προσδοκώντας την εκμετάλλευση φαινομένων αργού φωτός για την αύξηση της αποτελεσματικής έκθεσης του πλασμονικού πεδίου στον υπερκείμενο αναλύτη.
[0067] Σύμφωνα με μια ειδική ενσωμάτωση της συσκευής της εφεύρεσης, οι διηλεκτρικές φορτώσεις ενσωματώνονται στην πάνω επιφάνεια της πλασμονικής λωρίδας για να παραχθεί μια διάταξη κοιλότητας Bragg που μεγιστοποιεί τον αποτελεσματικό χρόνο έκθεσης του πλασμονικού πεδίου. Οι προκαταρκτικές προσομοιώσεις της ενισχυμένης ευαισθησίας που ελήφθησαν με πλασμονικούς κυματοδηγούς λεπτού υμενίου διακοσμημένους με Perot-Fabry παρατίθενται παρακάτω.
[0068] Σύμφωνα με μια περαιτέρω ενσωμάτωση της συσκευής της εφεύρεσης, ένας κυματοδηγός πλασμονικής λωρίδας είναι ενσωματωμένος σε ένα μέσο φωτονικού αισθητήρα ΜΖΙ.
[0070] Σύμφωνα με μια ακόμη περαιτέρω υλοποίηση της συσκευής της εφεύρεσης, ο εν λόγω κυματοδηγός πλασμονικής λωρίδας έχει πλάτος λίγων μικρομέτρων και μήκος μερικών δεκάδων μικρομέτρων.
[0072] Σύμφωνα με μια ακόμη περαιτέρω ενσωμάτωση της συσκευής της εφεύρεσης, αυτή αποτελείται από πλασμονίκούς κυματοδηγούς CMOS με φράγματα περίθλασης Bragg κοινά ολοκληρωμένους με φωτονικούς κυματοδηγούς, κάτι το οποίο ενισχύει την απόδοση ως προς την ευαισθησία σε τιμές πάνω από 130000 nm/RIU ενώ ταυτόχρονα μειώνεται ο θόρυβος και το χωρικό αποτύπωμα, και το εν λόγω FSR επιλέγεται να είναι μεγαλύτερο από 100 nm, όπου το πλάτος του εν λόγω φωτονικού κυματοδηγού βελτιστοποιείται σε συνδυασμό με ένα μεγάλο FSR, και έτσι φέρνοντας την ευαισθησία σε κοντά στην τιμή των 130000 nm/RIU.
[0073] Σύμφωνα με έναν εναλλακτικό τρόπο πραγμάτωσης της συσκευής της εφεύρεσης, ενσωματώνονται πλασμονικοί κυματοδηγοί λεπτού υμενίου με φράγματα περίθλασης Bragg όπου εφαρμόζονται φαινόμενα καθυστέρησης του φωτός, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο την ενεργό έκθεση του πλασμονικού πεδίου στον αναλύτη ώστε να αυξηθεί η ευαισθησία κυματοδηγού και η αρχιτεκτονική ευαισθησία.
[0075] Σύμφωνα με έναν επιπλέον τρόπο πραγμάτωσης της συσκευής της εφεύρεσης, διηλεκτρικές φορτώσεις ενσωματώνονται επάνω στην εν λόγω πλασμονική λωρίδα, δημιουργώντας με αυτόν τον τρόπο μια κοιλότητα Bragg μεγιστοποιώντας τον ενεργό χρόνο έκθεσης του εν λόγω πλασμονικού πεδίου.
[0077] Σύμφωνα με έναν προτιμώμενο τρόπο πραγμάτωσης της συσκευής της εφεύρεσης, ενσωματώνονται πλασμονικά λεπτά υμένια διακοσμημένα με Perot-Fabry ενισχύοντας την ευαισθησία, όπου η διάδοση ενός τρόπου επιφανειακού πλασμονίου υποστηρίζεται από ένα μεταλλικό υμένιο αλουμινίου ενσωματωμένο σε ένα υδατικό διάλυμα, όπου επιπρόσθετα η ευαισθησία του πλασμονικού τρόπου (SPP) σε μία τροποποίηση της επιφάνειας αξιολογείται εφαρμόζοντας μια αλλαγή στο δείκτη διάθλασης, ιδιαιτέρως της τάξης του Δn=0.2 σε ένα στρώμα πάχους d=20 nm επάνω στην επιφάνεια του μεταλλικού υμενίου και για ένα πεπερασμένο μήκος διάδοσης L, περαιτέρω όπου για έναν τρόπο λεπτού υμενίου, η εν λόγω τροποποίηση της επιφάνειας αποδίδει μια αλλαγή φάσης Δφ<F>που αντιστοιχεί σε μια ευαισθησία φάσης του SPP τρόπου λεπτού υμενίου σε τροποποιήσεις της επιφάνειας ίση με
[0078] S<φ>=Δφ/((Δn d)L)= 7.2e-3 rad/(RIU.nm)μm
[0080] περαιτέρω όπου εφαρμόζοντας την ίδια τροποποίηση σε SPP τρόπους που διαδίδονται μέσω πλασμονικών κοιλοτήτων Perot-Fabry που αποτελούνται από καθρέφτες Bragg διηλεκτρικής φόρτισης, ιδίως με μια περίοδο ίση με 1.1 μm και ύψος 0.55 μm, αποδίδει μια ενισχυμένη αλλαγή φάσης Δφc από την οποία προκύπτει ένα παράγοντας ενίσχυσης ευαισθησίας η= Δφc/ ΔφF σε σχέση με μία διάταξη γυμνού λεπτού υμενίου.
[0082] Σύμφωνα με μια άλλη υλοποίηση της συσκευής της εφεύρεσης, εισάγονται περισσότερες περίοδοι, ιδιαιτέρως 2 ή 3, διότι ο εν λόγω παράγοντας κλιμακώνεται με την ενίσχυση του πεδίου μέσα στην κοιλότητα, καί επιπρόσθετα εκεί όπου αναπτύσσονται συζευγμένες κοιλότητες με τους SPP τρόπους να μεταπηδούν από την μία κοιλότητα στην άλλη, δημιουργώντας μια βελτίωση της ευαισθησίας κατά μία τάξη μεγέθους οδηγώντας στην υπερυψηλή τιμή ευαισθησίας των 130000 nm/RIU, είτε με μικρότερα μήκη πλασμονικού κυματοδηγού μειώνοντας το χωρικό αποτύπωμα και τις απώλειες, είτε με ένα μικρότερο FSR αποδίδοντας μια συσκευή με ενίσχυμένη ανοχή.
[0084] Σύμφωνα με έναν επιπλέον ειδικό τρόπο υλοποίησης της συσκευής της εφεύρεσης, μια πρώτη διάταξη περιλαμβάνει ένα ισοσκελισμένο συμβολόμετρο Mach Zehnder ΜΖI που έχει και στους δύο βραχίονες πανομοιότυπα τμήματα φωτονικού κυματοδηγού λωρίδας και πλασμονικού κυματοδηγού λωρίδας, όπου διηλεκτρικές ράχες που βρίσκονται στην επάνω επιφάνεια των πλασμονικών λωρίδων επιτρέπουν τη διάδοση αργού φωτός, και επιπλέον για να διευκολυνθεί η ανίχνευση, μόνο ένας από τους δύο πλασμονικούς κυματοδηγούς ενεργοποιείται προκειμένου να χρησιμεύσει ως αισθητήριος μετατροπέας, ενώ ο αντίστοιχος πλασμονικός κυματοδηγός στον βραχίονα αναφοράς είναι επικαλυμμένος με παράγοντες αποκλεισμού που χρησιμεύουν ως αναφορά, έτσι ώστε όταν το υγρό δείγμα ρέει και στους δύο βραχίονες, συμβάντα δέσμευσης συμβαίνουν μόνο στον βραχίονα ανίχνευσης, οδηγώντας σε τοπικές αλλαγές τοπικού δείκτη διάθλασης (RI) που ανιχνεύονται από τον αισθητήριο κυματοδηγό· ιδιαιτέρως δε προσθέτοντας τον ίδιο πλασμονικό κυματοδηγό στον βραχίονα αναφοράς ενισχύεται η ευαισθησία και βελτιώνεται το όριο ανίχνευσης.
[0086] Oι παραπάνω προσεγγίσεις μπορούν να εφαρμοστούν σε δύο εναλλακτικές συμβολομετρικές διατάξεις που απεικονίζονται σχηματικά στα Σχήματα 6 και 7, αντίστοιχα. Η πρώτη διάταξη του Σχ. 6 περιλαμβάνει ένα συμβατικό, ισοσκελισμένο συμβολόμετρο Mach Zehnder ΜΖΙ όπου και οι δύο βραχίονες φιλοξενούν πανομοιότυπα τμήματα φωτονικού καί πλασμονικού κυματοδηγού λωρίδας. Διηλεκτρικές ράχες βρίσκονται στην επάνω επιφάνεια των πλασμονικών λωρίδων για να επιτρέπουν τη διάδοση αργού φωτός, όπως περιγράφηκε προηγουμένως. Για να διευκολυνθεί η ανίχνευση, μόνο ένας από τους δύο πλασμονικούς κυματοδηγούς απαιτεί ενεργοποίηση προκειμένου να χρησιμεύσει ως ο αισθητήριος μετατροπέας, ενώ ο αντίστοιχος πλασμονικός κυματοδηγός στον κλάδο αναφοράς πρέπει να επικαλυφθεί με παράγοντες αποκλεισμού για να εξυπηρετήσει ως αναφορά. Με αυτόν τον τρόπο, όταν το υγρό δείγμα ρέει πάνω και από τους δύο βραχίονες, συμβάντα δέσμευσης συμβαίνουν μόνο στον βραχίονα ανίχνευσης, με αποτέλεσμα αλλαγές τοπικού δείκτη διάθλασης (RI) που μπορούν να ανιχνευθούν από τον αισθητήριο κυματοδηγό. Η προσθήκη του ίδιου πλασμονικού κυματοδηγού στον βραχίονα αναφοράς προσφέρει δύο πλεονεκτήματα που συμβάλλουν στη βελτίωση της ευαισθησίας και στη βελτίωση του ορίου ανίχνευσης: πρώτον, οι οπτικές απώλειες μεταξύ των δύο κλάδων εξισορροπούνται, οδηγώντας σε υψηλό λόγο απόσβεσης στην έξοδο του συμβολόμετρου [1], [10]. Δεύτερον, ο θόρυβος που προέρχεται από διακυμάνσεις θερμοκρασίας, μη ειδική δέσμευση ή μεταβολές του δείκτη διάθλασης στον συνολικό όγκο κατά τη φόρτωση του δείγματος ακυρώνεται [20], [21], Οι θερμοοπτικοί μετατοπιστές φάσης που χρησιμοποιούνται σε κάθε κλάδο του ΜΖΙ, επιτρέπουν την ευθυγράμμιση του συντονισμού του ΜΖΙ εντός του φασματικού παραθύρου της φωτεινής πηγής. Ο ανθεκτικός στον θόρυβο χαρακτήρα του ισορροπημένου ΜΖΙ μαζί με πιο προηγμένες τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων και ακύρωσης θορύβου που θα χρησιμοποιούνται στο ηλεκτρονικό σύστημα ανάγνωσης αναμένεται στη συνέχεια να επιτρέπουν χαμηλότερες τιμές ορίου ανίχνευσης-LoD.
[0088] Σύμφωνα με έναν επιπλέον τρόπο ενσωμάτωσης της συσκευής της εφεύρεσης, οι οπτικές απώλειες μεταξύ των δύο κλάδων εξισορροπούνται, αποδίδοντας υψηλό λόγο σβέσης στην έξοδο του συμβολόμετρου, ή/και ο θόρυβος που προέρχεται από διακυμάνσεις θερμοκρασίας, μη ειδικές συνδέσεις ή μεταβολές του δείκτη διάθλασης κατά τη φόρτωση του δείγματος ακυρώνεται.
[0090] Σύμφωνα με έναν ακόμη περαιτέρω τρόπο ενσωμάτωσης της συσκευής της εφεύρεσης, οι θερμο-οπτικοί ολίσθητές φάσης που χρησιμοποιούνται σε κάθε κλάδο του ΜΖΙ επιτρέπουν την ευθυγράμμιση του συντονισμού του ΜΖΙ εντός του φασματικού παραθύρου της οπτικής πηγής, ιδιαίτερα όπου ο ανθεκτικός στον θόρυβο χαρακτήρας του ισορροπημένου ΜΖΙ μαζί με προηγμένες τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων και ακύρωσης θορύβου που χρησιμοποιούνται στο ηλεκτρονικό σύστημα ανάγνωσης επιτρέπουν στη συνέχεια χαμηλές τιμές ορίου ανίχνευσης (LoD).
[0092] Σύμφωνα με έναν επιπλέον τρόπο ενσωμάτωσης της εφεύρεσης, μια 2η διάταξη μιας εναλλακτικής αρχιτεκτονικής ανθεκτικής στον θόρυβο περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός διτροπικού συμβολόμετρου, όπου παρέχονται δύο φωτονικοί κυματοδηγοί εισόδου που διαχωρίζονται από μια μεταλλική λωρίδα που βρίσκεται επάνω σε ένα λεπτότερο φωτονικό στρώμα, περαιτέρω όπου μια κοιλότητα Bragg αποτελούμενη από διηλεκτρικές φορτώσεις είναι ενσωματωμένη στην επάνω διεπαφή του πλασμονικού κυματοδηγού λωρίδας, στην πλασμονική περιοχή όπου 2 διεπαφές μετάλλου /διηλεκτρικού σχηματίζονται για να υποστηρίζουν τρόπους SPP, ιδιαιτέρως δε η κοιλότητα Bragg στην επάνω επιφάνεια έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να υποστηρίζει ένα πλασμονικό Bloch τρόπο διάδοσης που παρουσιάζει αργή διάδοση του φωτός κάτι το οποίο ενισχύει την αλληλεπίδραση φωτός-ύλης και αυξάνει την ευαισθησία του κυματοδηγού, περαιτέρω όπου κατά τη διέγερση, αυτοί οι τρόποι συμβάλλουν στον φωτονικό κυματοδηγό εξόδου υλοποιώντας το στοχευόμενο συμβολόμετρο μονού βραχίονα, όπου περαιτέρω η εν λόγω άνω μεταλλική επιφάνεια χρησιμεύει ως ο βραχίονας ανίχνευσης, ενώ η κάτω επιφάνεια έχει το ρόλο του βραχίονα αναφοράς, δημιουργώντας έτσι μια διτροπίκή διάταξη που μειώνει το χωρικό αποτύπωμα του αισθητήρα.
[0094] Συνοψίζοντας, η παρούσα εφεύρεση προτείνει μια συσκευή που περιλαμβάνει ειδικά σχεδιασμένους αισθητήρες ΜΖΙ με ενσωματωμένα πλασμονίκά ανιχνευτικά στοιχεία βασισμένα σε πλέγμα Bragg που εκμεταλλεύονται έναν μηχανισμό συσσώρευσης φάσης που επιβάλλεται μέσω διάδοσης αργού φως. Η υιοθέτηση τέτοιων στοιχείων ανίχνευσης επιτρέπει εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία με μικρότερα μήκη ανίχνευσης και μικρότερα FSR σε σύγκριση με το προγενέστερο ανωτέρω έγγραφο W02018150205A8, όπου απαιτείται εξαιρετικά υψηλό FSR άνω των 1000 nm για την ισχυριζόμενη εξαιρετική ευαισθησία. Αυτό, παράλληλα με τα σχεδιασμένα με κατάλληλη διασπορά και τέλεια ισορροπημένα ΜΖΙ ή διτροπικές διατάξεις, αποτελούν μια ολοκληρωμένη μέθοδο για την επίτευξη εξαιρετικά υψηλών ευαισθησιών και στιβαρής απόδοσης ανίχνευσης. Η παρούσα εφεύρεση συνδυάζει συμβολομετρία, πλασμονίκά υλικά και πλέγματα περίθλασης Bragg. Οι διαφορές της παρούσας εφεύρεσης σε σχέση με αυτόν τον συνδυασμό είναι σημαντικές και εκτίθενται παρακάτω ανάλογα.
[0096] Περαιτέρω χαρακτηριστικά και ιδιότητες της συσκευής σύμφωνα με την εφεύρεση αποκαλύπτονται στην πιο λεπτομερή περιγραφή ενός κύριου υποδειγματικού τρόπου υλοποίησης της και στα σχέδια όπως επισυνάπτονται σε αυτήν.
[0098] Σύντομη περιγραφή των σχεδίων
[0100] Το Σχήμα 1 είναι μια σχηματική αναπαράσταση ενός πλασμο-φωτονικού αισθητήρα ΜΖΙ μαζί με τις διατομές των συστατικών φωτονικών και πλασμονικών κυματοδηγών σύμφωνα με την εφεύρεση.
[0102] Το Σχήμα 2 είναι μια γραφική αναπαράσταση της ευαισθησίας ως συνάρτηση του FSR του ΜΖΙ για διαφορετικά πλάτη φωτονικών κυματοδηγών λαμβάνοντας υπόψη τη διασπορά 2ης τάξης, περιλαμβάνοντας έτσι ένα σύνολο συμπαγών καμπύλών που δείχνουν τα θεωρητικά αποτελέσματα με διασπορά 2ης τάξης, τις αντίστοιχες κουκκίδες που δείχνουν αποτελέσματα αριθμητικής προσομοίωσης και τη διακεκομμένη καμπύλη που αντιστοιχεί στην περίπτωση χωρίς διασπορά.
[0104] Το Σχήμα 3 παρουσιάζει ένα γυμνό πλασμονικό λεπτό υμένιο από αλουμίνιο με στρώμα ενεργοποίησης.
[0106] Το Σχήμα 4 παρουσιάζει ένα πλασμονικό λεπτό υμένιο αλουμινίου ενισχυμένης ευαισθησίας διακοσμημένο με φράγματα περίθλασης Bragg με κοιλότητα καθρέφτη δύο περιόδων.
[0107] Το Σχήμα 5 δείχνει μια παρόμοια όψη ενός πλασμονικού λεπτού υμενίου αλουμινίου ενισχυμένης ευαισθησίας διακοσμημένο με φράγματα περίθλασης Bragg όπως στο Σχ. 4, αλλά με κοιλότητα καθρέφτη τριών περιόδων.
[0109] Τα Σχήματα 6 καί 7 απεικονίζουν σχηματικά δύο προσεγγίσεις που θα εφαρμοστούν σε δύο εναλλακτικές συμβολομετρικές διατάξεις αντίστοιχα.
[0111] Αναλυτική Περιγραφή
[0113] Το Σχ. 2 απεικονίζει την απόδοση ευαισθησίας ως συνάρτηση του FSR του ΜΖΙ όταν ενσωματώνεται ένας πλασμονικός κυματοδηγός τύπου λωρίδας πλάτους 7 μm και μήκους 70 μm σε έναν φωτονικό αισθητήρα τύπου ΜΖΙ , όπως φαίνεται στο Σχ. 1, για διαφορετικές γεωμετρίες φωτονικών κυματοδηγών. Υποδεικνύεται ξεκάθαρα ότι όταν λαμβάνεται υπόψη η διασπορά 2<ης>τάξης και το FSR είναι μεγαλύτερο από 100 nm, η ευαισθησία δεν ορίζεται μονοσήμαντα από το FSR, αλλά τα χαρακτηριστικά διασποράς των κυματοδηγών παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο. Αξιοποιώντας αυτά τα ευρήματα, η ευαισθησία αναμένεται να φτάσει κοντά στα 130.000 nm/RIU απλά βελτιστοποιώντας το πλάτος του φωτονικού κυματοδηγού σε συνδυασμό με ένα μεγάλο FSR εκατοντάδων νανομέτρων.
[0114] Διηλεκτρικές φορτώσεις ενσωματώνονται στην κορυφή της πλασμονικής λωρίδας για να παραχθεί μια κοιλότητα Bragg που μεγιστοποιεί τον ενεργό χρόνο έκθεσης του πλασμονικού πεδίου. Oι προκαταρκτικές προσομοιώσεις που δείχνουν ενισχυμένη ευαισθησία και ελήφθησαν με πλασμονικά λεπτά υμένια διακοσμημένα με Perot-Fabry απεικονίζονται στα Σχήματα 4 και 5. Το Σχ. 3 απεικονίζει τη διάδοση ενός επιφανειακού πλασμονίου που υποστηρίζεται από ένα μεταλλικό φιλμ αλουμινίου ενσωματωμένο σε ένα υδατικό διάλυμα. Η ευαισθησία του πλασμονικού τρόπου SPP σε μία τροποποίηση επιφάνειας αξιολογείται εφαρμόζοντας μια μεταβολή του δείκτη διάθλασης Δn = 0,2 σε ένα στρώμα πάχους d- 20 nm πάνω από το μεταλλικό φιλμ σε ένα πεπερασμένο μήκος διάδοσης L. Για έναν τρόπο λειτουργίας λεπτού υμενίου, μια τέτοια τροποποίηση επιφάνειας έχει ως αποτέλεσμα μια αλλαγή φάσης ΔφF που αντιστοιχεί σε μια ευαισθησία φάσης του SPP τρόπου λεπτού υμενίου σε τροποποιήσεις της επιφάνειας ίση με S<φ>=Δφ/((Δn d)L)= 7.2e-3 rad/(RIU.nm)/μm. Εφαρμόζοντας την ίδια προσέγγιση σε τρόπους SPP που μεταδίδονται μέσω πλασμονικών κοιλοτήτων Pérot-Fabry που αποτελούνται από κάτοπτρα Bragg διηλεκτρικής φόρτισης - με περίοδο = 1,1 μm, ύψος = 0,55 μm- με αναφορά στα Σχ. 4 & 5, έχουμε ως αποτέλεσμα μια αυξημένη αλλαγή φάσης Δφc από την οποία προκύπτει ένα παράγοντας ενίσχυσης ευαισθησίας η= Δφc/ Δφ<F>σε σχέση με μία διάταξη γυμνού λεπτού υμενίου. Αυτός ο παράγοντας κλιμακώνεται με ενίσχυση του πεδίου εντός της κοιλότητας όταν εισάγονται περισσότερες περίοδοι. Με την ανάπτυξη συζευγμένων κοιλοτήτων Bragg όπου οι SPP τρόποι μεταπηδούν από τη μια κοιλότητα στην άλλη, στοχεύεται μια βελτίωση της ευαισθησίας κατά μία τάξη μεγέθους που σημαίνει ότι η εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία των 130.000 nm/RIU μπορεί να επιτευχθεί με μικρότερα (<40 pm ) μήκη πλασμονικού κυματοδηγού που μειώνουν το αποτύπωμα και τις απώλειες ή μικρότερο FSR (<150 nm) με αποτέλεσμα μια συσκευή με ενισχυμένη ανοχή.
[0116] OL παραπάνω προσεγγίσεις μπορούν να εφαρμοστούν σε δύο εναλλακτικές συμβολομετρικές διατάξεις που απεικονίζονται σχηματικά στα Σχήματα 6 και 7 αντίστοιχα. Η πρώτη του Σχ. 6 περιλαμβάνει ένα συμβατικό, ισοσκελισμένο συμβολόμετρο Mach Zehnder ΜΖΙ όπου και οι δύο βραχίονες φιλοξενούν πανομοιότυπα τμήματα φωτονικού και πλασμονικού κυματοδηγού λωρίδας. Διηλεκτρικές ράχες 602 βρίσκονται στην επάνω επιφάνεια των πλασμονικών λωρίδων 608, 609 για να επιτρέπουν τη διάδοση σε αργό φως, όπως περιγράφηκε προηγουμένως. Για να διευκολυνθεί η ανίχνευση, μόνο ένας από τους δύο πλασμονικούς κυματοδηγούς 608 απαιτεί ενεργοποίηση προκειμένου να χρησιμεύσει ως ο αισθητήριος μετατροπέας, ενώ ο αντίστοιχος πλασμονικός κυματοδηγός 609 στον κλάδο αναφοράς 606 πρέπει να επικαλυφθεί με παράγοντες αποκλεισμού για να εξυπηρετήσει ως αναφορά. Με αυτόν τον τρόπο, όταν το υγρό δείγμα ρέει πάνω και από τους δύο βραχίονες 605, 606, συμβάντα δέσμευσης συμβαίνουν μόνο στον βραχίονα ανίχνευσης 605, με αποτέλεσμα αλλαγές τοπικού δείκτη διάθλασης (RI) που μπορούν να ανιχνευθούν από τον αισθητήριο κυματοδηγό. Η προσθήκη του ίδιου πλασμονικού κυματοδηγού στον βραχίονα αναφοράς 606 προσφέρει δύο πλεονεκτήματα που συμβάλλουν στη βελτίωση της ευαισθησίας και στη βελτίωση του ορίου ανίχνευσης όπου ειδικότερα πρώτον, οι οπτικές απώλειες μεταξύ των δύο κλάδων 605, 606 εξισορροπούνται, οδηγώντας σε υψηλό λόγο απόσβεσης στην έξοδο του συμβολόμετρου [1], [10] και δεύτερον, ο θόρυβος που προέρχεται από διακυμάνσεις θερμοκρασίας, μη ειδική δέσμευση ή μεταβολές του δείκτη διάθλασης στον συνολικό όγκο κατά τη φόρτωση του δείγματος ακυρώνεται [20], [21]. Οι θερμοοπτικοί μετατοπιστές φάσης 603, 610 που χρησιμοποιούνται σε κάθε κλάδο ΜΖΙ, επιτρέπουν την ευθυγράμμιση του συντονισμού ΜΖΙ εντός του φασματικού παραθύρου της φωτεινής πηγής. Ο ανθεκτικός στον θόρυβο χαρακτήρα του ισορροπημένου ΜΖΙ μαζί με πιο προηγμένες τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων και ακύρωσης θορύβου που θα χρησιμοποιούνται στο ηλεκτρονικό σύστημα ανάγνωσης αναμένεται στη συνέχεια να επιτρέπουν φασματική διακριτότητα 10 pm και ως εκ τούτου τιμή ορίου ανίχνευσης LoD χαμηλότερη από 10<-8>.
[0117] Η εναλλακτική, ανθεκτική στον θόρυβο διάταξη όπως φαίνεται στο Σχ. 7 αφορά την ανάπτυξη ενός διτροπικού συμβολόμετρου ενός βραχίονα. Αυτή η διάταξη χρησιμοποιεί δύο φωτονικούς κυματοδηγούς εισόδου 701, 707 που διαχωρίζονται από μια μεταλλική λωρίδα 705 που βρίσκεται επάνω σε ένα λεπτότερο φωτονικό στρώμα 704. Μια κοιλότητα Bragg αποτελούμενη από διηλεκτρικές φορτώσεις 703 είναι ενσωματωμένη στην επάνω διεπαφή του πλασμονίκού κυματοδηγού λωρίδας 705. Στην πλασμονική περιοχή, σχηματίζονται 2 διεπαφές μετάλλου/διηλεκτρικού ικανές να υποστηρίξουν τρόπους SPP. Η κοιλότητα Bragg στην επάνω επιφάνεια έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να υποστηρίζει ένα πλασμονικό Bloch τρόπο διάδοσης που παρουσιάζει αργή διάδοση του φωτός κάτι το οποίο ενισχύει την αλληλεπίδραση φωτός-ύλης και αυξάνει την ευαισθησία του κυματοδηγού. Κατά τη διέγερση, αυτοί οι τρόποι συμβάλλουν στον φωτονικό κυματοδηγό εξόδου 707 υλοποιώντας το επιθυμητό συμβολόμετρο μονού βραχίονα. Η άνω μεταλλική επιφάνεια είναι εκτεθειμένη στο υπό έλεγχο δείγμα και χρησιμεύει ως ο βραχίονας ανίχνευσης, ενώ η κάτω επιφάνεια έχει το ρόλο του βραχίονα αναφοράς. Εκτός από την αποφυγή του θορύβου που προέρχεται από τη διαφορετική αντίληψη των περιβαλλοντικών διακυμάνσεων στην περίπτωση των χωρικά διαχωρισμένων σημάτων, η διτροπική διαμόρφωση μειώνει σημαντικά το χωρικό αποτύπωμα του αισθητήρα.
Claims (11)
1. ΑΞΙΩΣΕΙΣ
1. Συμβολομετρική συσκευή ανίχνευσης οπτικού κυματοδηγού σε συστήματα ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων που αποτελείται από ένα στρώμα κυματοδηγού προορισμένο να λαμβάνει ένα οπτικό σήμα και να τό κυματοδηγεί το εν λόγω οπτικό σήμα σύμφωνα με έναν προκαθορισμένο οπτικό τρόπο διάδοσης, καθώς επίσης και μία επιφάνεια ενός μέσου δοκιμής σε επικοινωνία με το στρώμα κυματοδηγού το οποίο ανταποκρίνεται σε ένα μέσο δοκιμής για να τροποποιεί τουλάχιστον ένα χαρακτηριστικό του οδηγούμενου οπτικού σήματος σε σχέση με μία δοθείσα παράμετρο του εν λόγω μέσου δοκιμής, μέσω του οποίου το τροποποιημένο χαρακτηριστικό του οδηγούμενου οπτικού σήματος καθίσταται μετρήσιμο εν όψει του προσδιορισμού της δοθείσας παραμέτρου του εν λόγω μέσου δοκιμής, η οποία εν λόγω συσκευή περιλαμβάνει βιοαισθητήρες, αντιστοίχως φωτονικά και πλασμονικά στοιχεία (101, 102, 111) σε ειδικά σχεδιασμένα συμβολόμετρα ΜΖΙ (101), ιδιαίτερα επίπεδους πλασμονικούς κυματοδηγούς (111), οι οποίοι είναι μονολιθικά ολοκληρωμένοι σε ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα, και περιλαμβάνει πλασμονικούς κυματοδηγούς με φράγματα περίθλασης Bragg (402, 502, 602, 609), οι οποίοι είναι κοινά ολοκληρωμένοι με φωτονικούς κυματοδηγούς (102, 605, 606), οι οποίοι αποτελούνται από ολοκληρωμένους κυματοδηγούς, όπου ένας μηχανισμός καθυστέρησης του φωτός ενσωματώνεται στη συσκευή και χρησιμοποιείται μέσω φραγμάτων περίθλασης Bragg (602) έτσι ώστε να ενισχύσει την ευαισθησία σε πρωτοφανή επίπεδα διατηρώντας μικρά μήκη μορφοτροπέα, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ενσωματώνονται στη συσκευή μέσα, δηλαδή μήκος του φωτονικού κυματοδηγού στον ένα βραχίονα του ΜΖΙ, ώστε να αυξηθεί το FSR (Ελεύθερη Φασματική Περιοχή) και να βελτιωθεί η αρχιτεκτονική ευαισθησία, καθώς επίσης και μέσα προσαρμογής για την προσαρμογή της φωτονικής γεωμετρίας λαμβάνοντας υπ' όψη τη διασπορά δεύτερης τάξης στους βραχίονες του πλασμο-φωτονικού ΜΖΙ (605, 606),
από το ότι έχει ενσωματωμένους πλασμονίκούς κυματοδηγούς λεπτού υμενίου (608, 609) με φράγματα περίθλασης Bragg όπου χρησιμοποιούνται φαινόμενα καθυστέρησης του φωτός, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο την ενεργό έκθεση του πλασμονικού πεδίου στον αναλύτη ώστε να αυξηθεί η ευαισθησία κυματοδηγού και η αρχιτεκτονική ευαισθησία, και
από το ότι διηλεκτρικές φορτώσεις ενσωματώνονται επάνω στην εν λόγω πλασμονική λωρίδα (111, 608, 609), δημιουργώντας με αυτόν τον τρόπο μια κοιλότητα Bragg (402, 502, 602, 703) μεγιστοποιώντας τον ενεργό χρόνο έκθεσης του εν λόγω πλασμονικού πεδίου.
2. Συσκευή σύμφωνα με τις προηγούμενες αξιώσεις 1, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ένας πλασμονικός κυματοδηγός τύπου λωρίδας (608, 609) ενσωματώνεται σε ένα φωτονικό ΜΖΙ (101).
3. Συσκευή σύμφωνα με την προηγούμενη αξίωση 2, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ο εν λόγω πλασμονικός κυματοδηγός λωρίδας (111, 608, 609) έχει πλάτος μερικών μικρομέτρων και μήκος μερικών δεκάδων μικρομέτρων.
4. Συσκευή σύμφωνα με τις αξιώσεις 2 ή 3, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι αποτελείται από πλασμονικούς κυματοδηγούς με φράγματα περίθλασης Bragg κοινά ολοκληρωμένους με φωτονικούς κυματοδηγούς, κάτι το οποίο ενισχύει την απόδοση ως προς την ευαισθησία σε τιμές πάνω από 130000 nm/RIU ενώ ταυτόχρονα μειώνεται ο θόρυβος και το χωρικό αποτύπωμα, και από το γεγονός ότι το FSR επιλέγεται να είναι μεγαλύτερο από 100 nm, όπου το πλάτος του εν λόγω φωτονικού κυματοδηγού (102) βελτιστοποιείται σε συνδυασμό με ένα μεγάλο FSR, και φέρνοντας την ευαισθησία κοντά στην τιμή των 130000 nm/RIU.
5. Συσκευή σύμφωνα με την αξίωση 1, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι ενσωματώνονται πλασμονικά λεπτά υμένια διακοσμημένα με Perot-Fabry ενισχύοντας την ευαισθησία, όπου η διάδοση ενός τρόπου επιφανειακού πλασμονίου υποστηρίζεται από ένα μεταλλικό υμένιο αλουμίνιου ενσωματωμένο σε ένα υδατικό διάλυμα, επιπλέον όπου η ευαισθησία του πλασμονικού τρόπου (SPP) σε μία τροποποίηση της επιφάνειας αξιολογείται εφαρμόζοντας μία αλλαγή στο δείκτη διάθλασης σε ένα στρώμα d επάνω στην επιφάνεια του μεταλλικού υμενίου και για ένα πεπερασμένο μήκος διάδοσης L.
6. Συσκευή σύμφωνα με την προηγούμενη αξίωση 5, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι για ένα τρόπο λεπτού υμενίου, η εν λόγω τροποποίηση της επιφάνειας αποδίδει μία αλλαγή φάσης Δφ<F>που αντιστοιχεί σε μία ευαισθησία φάσης του SPP τρόπου λεπτού υμενίου στην τροποποίηση επιφάνειας που δίνεται από τη σχέση Sφ = Δφ<F>/((Δn d)L), και/ή από το γεγονός ότι εφαρμόζοντας την ίδια τροποποίηση σε SPP τρόπους που διαδίδονται μέσω πλασμονικών κοιλοτήτων Perot-Fabry που αποτελούνται από καθρέφτες Bragg διηλεκτρικής φόρτισης αποδίδει μία ενισχυμένη αλλαγή φάσης από την οποία προκύπτει ένα παράγοντας ενίσχυσης ευαισθησίας η- ΔφC/ Δφ<F>σε σχέση με μία διάταξη γυμνού λεπτού υμενίου.
7. Συσκευή σύμφωνα με την αξίωση 5 ή 6, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι εισάγονται περισσότερες περίοδοί διότι ο εν λόγω παράγοντας κλιμακώνεται με την ενίσχυση του πεδίου μέσα στην κοιλότητα, καί επιπρόσθετα όπου εκεί αναπτύσσονται συζευγμένες κοιλότητες με τους SPP τρόπους να μεταπηδούν από την μία κοιλότητα στην άλλη, δημιουργώντας μία βελτίωση της ευαισθησίας κατά μία τάξη μεγέθους οδηγώντας στην υπερυψηλή τιμή ευαισθησίας των 130000 nm/RIU, είτε με μικρότερα μήκη πλασμονικού κυματοδηγού μειώνοντας το χωρικό αποτύπωμα και τις απώλειες, είτε με ένα μικρότερο FSR αποδίδοντας μία συσκευή με ενισχυμένη ανοχή.
8. Συσκευή σύμφωνα με μία από τις προηγούμενες αξιώσεις 1 ή 5 έως 7, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι μία πρώτη διάταξη περιλαμβάνει ένα ισοσκελισμένο συμβολόμετρο Mach Zehnder (ΜΖΙ) που έχει καί στους δύο βραχίονες πανομοιότυπα τμήματα φωτονίκού κυματοδηγού λωρίδας και πλασμονικού κυματοδηγού λωρίδας, όπου διηλεκτρικές ράχες (602) που βρίσκονται στην επάνω επιφάνεια των πλασμονικών λωρίδων (608, 609) επιτρέπουν τη διάδοση αργού φωτός, και επιπλέον όπου για να διευκολυνθεί η ανίχνευση, μόνο ένας από τους δύο πλασμονικούς κυματοδηγούς (608, 609) ενεργοποιείται προκειμένου να χρησιμεύσει ως αισθητήριος μετατροπέας, ενώ ο αντίστοιχος πλασμονικός κυματοδηγός (609) στον βραχίονα αναφοράς (606) είναι επικαλυμμένος με παράγοντες μπλοκαρίσματος που χρησιμεύουν ως αναφορά, έτσι ώστε όταν το υγρό δείγμα ρέει και στους δύο βραχίονες (605, 606), συμβάντα δέσμευσης συμβαίνουν μόνο στον βραχίονα ανίχνευσης (605), οδηγώντας σε τοπικές αλλαγές τοπικού δείκτη διάθλασης (RI) που ανίχνεύονταί από τον αισθητήριο κυματοδηγό (608), και όπου ειδικότερα προσθέτοντας τον ίδιο πλασμονικό κυματοδηγό στον βραχίονα αναφοράς (609) ενίσχύεταί η ευαισθησία και βελτιώνεται το όριο ανίχνευσης.
9. Συσκευή σύμφωνα με την προηγούμενη αξίωση 8, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι οι οπτικές απώλειες μεταξύ των δύο κλάδων (605, 606) εξισορροπούνται, αποδίδοντας υψηλό λόγο σβέσης στην έξοδο του συμβολόμετρου, ή/καί από το ότι ο θόρυβος που προέρχεται από διακυμάνσεις θερμοκρασίας, μη ειδικές συνδέσεις ή μεταβολές του δείκτη διάθλασης κατά τη φόρτωση του δείγματος ακυρώνεται.
10. Συσκευή σύμφωνα με την προηγούμενη αξίωση 9, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι οι θερμο-οπτικοί ολισθητές φάσης που χρησιμοποιούνται σε κάθε κλάδο του ΜΖΙ (605,606), επιτρέπουν την ευθυγράμμιση του συντονισμού του ΜΖΙ εντός του φασματικού παραθύρου της οπτικής πηγής, ιδιαίτερα όπου ο ανθεκτικός στον θόρυβο χαρακτήρας του ισορροπημένου ΜΖΙ μαζί με προηγμένες τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων και ακύρωσης θορύβου που χρησιμοποιούνται στο ηλεκτρονικό σύστημα ανάγνωσης επιτρέπουν στη συνέχεια χαμηλές τιμές ορίου ανίχνευσης (LoD).
11. Συσκευή σύμφωνα με την αξίωση 1, η οποία χαρακτηρίζεται από το ότι μία 2η διάταξη μίας εναλλακτικής αρχιτεκτονικής ανθεκτικής στον θόρυβο περιλαμβάνει την ανάπτυξη ενός διτροπικού συμβολόμετρου (701), όπου παρέχονται δύο φωτονικοί κυματοδηγοί εισόδου που διαχωρίζονται από μία μεταλλική λωρίδα (705) που βρίσκεται επάνω σε ένα λεπτότερο φωτονικό στρώμα (704), περαιτέρω όπου μία κοιλότητα Bragg αποτελούμενη από διηλεκτρικές φορτώσεις (703) είναι ενσωματωμένη στην επάνω διεπαφή (707) του πλασμονικού κυματοδηγού λωρίδας (705), στην πλασμονική περιοχή όπου 2 διεπαφές μετάλλου/διηλεκτρικού σχηματίζονται για να υποστηρίζουν τρόπους SPP, ειδικότερα όπου η κοιλότητα Bragg στην επάνω επιφάνεια έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να υποστηρίζει ένα πλασμονικού Bloch τρόπο διάδοσης που παρουσιάζει αργή διάδοση του φωτός κάτι, το οποίο ενισχύει την αλληλεπίδραση φωτός-ύλης και αυξάνει την ευαισθησία του κυματοδηγού, περαιτέρω όπου κατά τη διέγερση, αυτοί οι τρόποι συμβάλλουν στον φωτονικό κυματοδηγό εξόδου υλοποιώντας το στοχευόμενο συμβολόμετρο μονού βραχίονα, και όπου επιπλέον η εν λόγω άνω μεταλλική επιφάνεια χρησιμεύει ως ο βραχίονας ανίχνευσης, ενώ η κάτω επιφάνεια έχει το ρόλο του βραχίονα αναφοράς, δημιουργώντας έτσι μία διτροπική διάταξη που μειώνει το χωρικό αποτύπωμα του αισθητήρα.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20230101081A GR1010873B (el) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | Συμβολομετρικη οπτικη συσκευη ανιχνευσης ολοκληρωμενη σε φωτονικα κυκλωματα |
| US19/005,060 US20250216223A1 (en) | 2023-12-28 | 2024-12-30 | Optical interferometric sensing device in photonic integrated circuits |
| EP24223779.0A EP4579219A1 (en) | 2023-12-28 | 2024-12-30 | Optical interferometric sensing device in photonic integrated circuits |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20230101081A GR1010873B (el) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | Συμβολομετρικη οπτικη συσκευη ανιχνευσης ολοκληρωμενη σε φωτονικα κυκλωματα |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| GR1010873B true GR1010873B (el) | 2025-02-06 |
Family
ID=91030298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| GR20230101081A GR1010873B (el) | 2023-12-28 | 2023-12-28 | Συμβολομετρικη οπτικη συσκευη ανιχνευσης ολοκληρωμενη σε φωτονικα κυκλωματα |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20250216223A1 (el) |
| EP (1) | EP4579219A1 (el) |
| GR (1) | GR1010873B (el) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006122402A1 (en) * | 2005-05-17 | 2006-11-23 | Corporation De L'ecole Polytechnique De Montreal | Plasmon-polariton refractive-index fiber bio-sensor with fiber bragg grating |
| WO2018150205A1 (en) * | 2017-02-17 | 2018-08-23 | Aristotle University Of Thessaloniki-Research Committee, E.L.K.E. | Integrated plasmo-photonic biosensor and method of use |
Family Cites Families (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5623561A (en) | 1995-09-29 | 1997-04-22 | Georgia Tech Research Corporation | Integrated optic interferometric sensor |
| US7212692B2 (en) | 2002-11-08 | 2007-05-01 | Ming Yan | Multiple array surface plasmon resonance biosensor |
| JP2005009944A (ja) | 2003-06-18 | 2005-01-13 | Hitachi Ltd | 化学物質検出装置 |
| JP2006071300A (ja) | 2004-08-31 | 2006-03-16 | Hitachi Ltd | 生化学物質検出装置 |
| JP4638498B2 (ja) | 2004-09-27 | 2011-02-23 | ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル．ピー． | フォトニック結晶干渉計 |
| GB2437543B (en) | 2006-04-24 | 2010-03-31 | Yaping Zhang | Multi-channelled waveguide chemical and biochemical optical sensing device |
| KR100801278B1 (ko) | 2006-08-29 | 2008-02-04 | 삼성전기주식회사 | 하이브리드형 광도파로 센서 |
| KR100911626B1 (ko) | 2007-07-13 | 2009-08-12 | 서강대학교산학협력단 | 바이오 센서 측정 장치 |
| US7715667B2 (en) | 2008-02-26 | 2010-05-11 | Sungkyunkwan University Foundation For Corporate Collaboration | Metal waveguide device and nano plasmonic integrated circuits and optical integrated circuit module using the same |
| GR1006491B (el) | 2008-03-17 | 2009-07-22 | Εκεφε "Δημοκριτος" | Μονολιθικα ολοκληρωμενες φυσικες χημικες και βιολογικες συστοιχιες αισθητηρων στηριζομενες στη συμβολομετρια mach-zehnder ευρεως φασματος |
| EP2310806A2 (en) | 2008-07-24 | 2011-04-20 | Ramot at Tel-Aviv University Ltd. | Enhanced sensitivity interferometric sensors |
| US9297955B2 (en) | 2009-10-02 | 2016-03-29 | Lehigh University | Plasmonic interferometer sensor |
| KR101226677B1 (ko) | 2010-08-06 | 2013-01-25 | 서강대학교산학협력단 | 위상 천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템 |
| US8953168B2 (en) | 2012-06-08 | 2015-02-10 | City University Of Hong Kong | Optical sensing devices and methods for detecting samples using the same |
| CN105021574B (zh) | 2014-04-23 | 2017-09-19 | 香港中文大学 | 用于检测样本特性的光学传感装置和方法 |
| GB2539017B (en) | 2015-06-03 | 2019-12-18 | Toshiba Res Europe Limited | An optical measuring device |
| CA2972052A1 (en) | 2016-06-30 | 2017-12-30 | Sightline Innovation Inc. | System, method, and module for biomarker detection |
| GR20160100552A (el) | 2016-10-27 | 2018-06-27 | Εθνικο Κεντρο Ερευνας Φυσικων Επιστημων (Εκεφε) " Δημοκριτος" | Φωτονικες ψηφιδες με μονοπλευρη οπτικη θυρα αυτοευθυγραμμισμενη με δικλωνικες οπτικες ινες για την ανιχνευση βιομοριακων αντιδρασεων χωρις επισημανση μεσω ολοκληρωμενων συμβολομετρων και συντονιστων |
| FR3090099B1 (fr) | 2018-12-18 | 2022-04-22 | Univ De Technologie De Troyes | Dispositif laser pour interferometrie a polarisation |
| EP3671186A1 (en) | 2018-12-21 | 2020-06-24 | IHP GmbH - Innovations for High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik | Photonic sensor chip, packaged photonic sensor device and arrangement |
| US11009658B2 (en) | 2019-03-01 | 2021-05-18 | California Institute Of Technology | Waveguide integrated plasmon assisted field emission detector |
| WO2020221964A1 (fr) | 2019-04-29 | 2020-11-05 | Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas | Capteur a guide d'onde |
| WO2021152345A1 (en) | 2020-01-28 | 2021-08-05 | Latvijas Universitātes Cietvielu Fizikas Institūts | An optical waveguide gas sensor |
| CN212963389U (zh) | 2020-08-27 | 2021-04-13 | 南京信息工程大学 | 一种基于光子晶体光纤的三参数测量光纤干涉仪传感器 |
| EP3988970A1 (en) | 2020-10-20 | 2022-04-27 | Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) | A stretchable opto-mechanical material composed by a metallic and or dielectric nanostructure array embedded into a wrinkled elastomer |
| CN117043583A (zh) | 2021-01-29 | 2023-11-10 | 奥索临床诊断有限公司 | 诊断性光子生物传感器方法、装置以及系统 |
| CN113253403B (zh) | 2021-06-17 | 2021-10-29 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | 一种光学器件、电子器件和可编程光子集成电路 |
-
2023
- 2023-12-28 GR GR20230101081A patent/GR1010873B/el active IP Right Grant
-
2024
- 2024-12-30 US US19/005,060 patent/US20250216223A1/en active Pending
- 2024-12-30 EP EP24223779.0A patent/EP4579219A1/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006122402A1 (en) * | 2005-05-17 | 2006-11-23 | Corporation De L'ecole Polytechnique De Montreal | Plasmon-polariton refractive-index fiber bio-sensor with fiber bragg grating |
| WO2018150205A1 (en) * | 2017-02-17 | 2018-08-23 | Aristotle University Of Thessaloniki-Research Committee, E.L.K.E. | Integrated plasmo-photonic biosensor and method of use |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| CHATZIANAGNOSTOU E ET AL: "High-sensitivity plasmo-photonic interferometric sensors on a chip", SPIE PROCEEDINGS; [PROCEEDINGS OF SPIE ISSN 0277-786X], SPIE, US, vol. 11284, 26 February 2020 (2020-02-26), pages 112841V - 112841V, XP060129025, ISBN: 978-1-5106-3673-6, DOI: 10.1117/12.2543547 * |
| HUANG Y ET AL: "Slow-light enhanced nanoscale plasmonic waveguide sensors and switches", PROCEEDINGS OF SPIE, IEEE, US, vol. 8988, 7 March 2014 (2014-03-07), pages 89880V - 89880V, XP060035143, ISBN: 978-1-62841-730-2, DOI: 10.1117/12.2041057 * |
| HUANG YIN ET AL: "Design of Compact Mach-Zehnder Interferometer-Based Slow-Light-Enhanced Plasmonic Waveguide Sensors", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, IEEE, USA, vol. 34, no. 11, 1 June 2016 (2016-06-01), pages 2796 - 2803, XP011610431, ISSN: 0733-8724, [retrieved on 20160518], DOI: 10.1109/JLT.2016.2546317 * |
| HUANG YIN ET AL: "Slow-light enhanced subwavelength plasmonic waveguide refractive index sensors", OPTICS EXPRESS, vol. 23, no. 11, 1 June 2015 (2015-06-01), US, pages 14922, XP093191213, ISSN: 1094-4087, Retrieved from the Internet <URL:https://opg.optica.org/directpdfaccess/c5cc1fbc-6d58-412b-8bfdd38f8bfa4e66_319126/oe-23-11-14922.pdf?da=1&id=319126&seq=0&mobile=no> DOI: 10.1364/OE.23.014922 * |
| QIN KUN ET AL: "Slow Light Mach-Zehnder Interferometer as Label-free Biosensor with Scalable Sensitivity", OPTICS LETTERS, vol. 41, no. 4, 5 February 2016 (2016-02-05), US, pages 753 - 756, XP093191226, ISSN: 0146-9592, Retrieved from the Internet <URL:https://doi.org/10.1364/OL.41.000753> * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20250216223A1 (en) | 2025-07-03 |
| EP4579219A1 (en) | 2025-07-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7212692B2 (en) | Multiple array surface plasmon resonance biosensor | |
| Slavı́k et al. | Single-mode optical fiber surface plasmon resonance sensor | |
| JP3924211B2 (ja) | 集積光干渉センサ | |
| Weiss et al. | A theoretical investigation of environmental monitoring using surface plasmon resonance waveguide sensors | |
| GR20170100088A (el) | Μεθοδος κατασκευης ολοκληρωμενου πλασμο-φωτονικου βιοαισθητηρα και συσκευη για το σκοπο αυτο | |
| CA2687917A1 (en) | Silicon photonic wire waveguide biosensor configurations | |
| US9335263B2 (en) | Optical circuit for sensing a biological entity in a fluid and method of configuring the same | |
| US8665447B2 (en) | Enhanced sensitivity interferometric sensors | |
| Shakoor et al. | One-dimensional silicon nitride grating refractive index sensor suitable for integration with CMOS detectors | |
| Zhang et al. | Silicon subwavelength-grating microdisks for optical sensing | |
| WO2002027303A2 (en) | Optical micro-cavity sensors | |
| Xu et al. | Wide-range refractive index sensing relied on tracking the envelope spectrum of a dispersive subwavelength grating microring resonator | |
| Dwivedi et al. | Ultra high sensitive refractive index sensor using a metal under-clad ridge waveguide modal interferometer near the dispersion turning point | |
| Ma et al. | Cost-effective Mach-Zehnder interferometer liquid refractive index sensor based on conventional polymer strip waveguide | |
| Chatzianagnostou et al. | Theory and sensitivity optimization of plasmo-photonic Mach-Zehnder interferometric sensors | |
| Chen et al. | High-sensitivity silicon nitride optical temperature sensor based on cascaded Mach-Zehnder interferometers | |
| Lambeck et al. | Three novel integrated optical sensing structures for the chemical domain | |
| Wu et al. | Design of highly sensitive refractive index sensor based on silicon photonic Mach–Zehnder interferometer | |
| Dwivedi et al. | Refractive index sensing using silicon-on-insulator waveguide based modal interferometer | |
| JP5311852B2 (ja) | センシング装置 | |
| Le | Two-channel highly sensitive sensors based on 4× 4 multimode interference couplers | |
| GR1010873B (el) | Συμβολομετρικη οπτικη συσκευη ανιχνευσης ολοκληρωμενη σε φωτονικα κυκλωματα | |
| Tsarev | Overview of Integrated Optical Sensors Based on Silicon: Forecasts and Results of the Decade [invited Article] | |
| Chatzianagnostou et al. | Ultra-compact single-arm interferometric plasmonic sensor co-integrated on a TiO2 photonic waveguide platform | |
| Xhoxhi et al. | Interferometric evanescent wave biosensor principles and parameters |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PG | Patent granted |
Effective date: 20250314 |