1.本实用新型属于生物芯片技术领域，涉及一种等离激元光学增强芯片系统。


背景技术：

2.生物芯片用途广泛，在生命科学研究及实践、医学科研及临床、药物设计、环境保护、农业、军事等各个领域有着广泛的用武之地，有着广泛的经济、社会及科研前景。如何提高生物芯片的检测灵敏度，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。


技术实现要素：

3.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种等离激元光学增强芯片系统，用于解决现有技术中生物芯片检测灵敏度较低的问题。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种等离激元光学增强芯片系统，包括：
5.纳米孔芯片，包括衬底层、激发光导入层、微腔层及金属膜，所述激发光导入层位于所述衬底层与所述微腔层之间，所述微腔层中设有至少一反应单元，所述反应单元包括布拉格反射镜及微腔，所述微腔自所述微腔层的顶面开口，并延伸至所述微腔层的底面形成纳米开口，所述布拉格反射镜分布于所述微腔的两侧并与所述微腔间隔预设距离，所述激发光导入层中设有经由所述纳米开口与所述微腔连通的通孔，所述金属膜位于所述微腔层上表面并覆盖所述布拉格反射镜的表面及所述微腔的表面；
6.集成光学芯片，位于所述纳米孔芯片上方，所述集成光学芯片包括至少一光学单元，用于收集所述纳米开口处被激发的光学信号，并将收集的光学信号进行处理后输出；
7.图像传感器芯片，位于所述集成光学芯片上方，所述图像传感器芯片包括至少一光电转换单元，用于接收所述集成光学芯片输出的光学信号并转换为电信号。
8.可选地，所述激发光导入层包括单模波导。
9.可选地，所述衬底层的材料包括二氧化硅，所述激发光导入层的材料包括氮化硅，所述微腔层的材料包括硅。
10.可选地，所述微腔的开口面积自上而下逐渐缩小。
11.可选地，所述纳米开口的形状包括长方形、正方形及圆形中的一种。
12.可选地，所述光学单元包括收集光栅耦合器、平面波导、多模波导及静态干涉仪，所述收集光栅耦合器用于收集所述纳米开口处被激发的光学信号并依次通过所述平面波导及所述多模波导传输至所述静态干涉仪，所述静态干涉仪用于产生干涉信号并投射进所述图像传感器芯片中。
13.可选地，所述光学单元还包括微环谐振器结构，所述微环谐振器结构设置于所述多模波导旁以滤除激发光。
14.可选地，所述微环谐振器结构包括环形波导、条形波导及金属块，所述环形波导位于多模波导与所述条形波导之间，所述金属块连接于所述条形波导的输出端。
15.可选地，所述等离激元光学增强芯片系统还包括激光器与光纤，所述纳米孔芯片通过所述光纤与所述激光器相连。
16.可选地，所述激光器产生的激发光通过所述光纤以端面耦合方式或光栅耦合方式进入所述纳米孔芯片中。
17.可选地，所述等离激元光学增强芯片系统包括多个所述反应单元、多个所述光学单元及多个所述光电转换单元以组成多个检测单元，一所述检测单元包括一所述反应单元、一所述光学单元及一所述光电转换单元。
18.可选地，所述纳米孔芯片还包括与所述激发光导入层相连的多级多模干涉耦合器，所述多级多模干涉耦合器用于将所述纳米孔芯片中的激发光分成多束以输入不同的所述反应单元。
19.如上所述，本实用新型的等离激元光学增强芯片系统具有超高灵敏检测能力，可以实现最低单个分子的超高灵敏的光学检测。原理是利用等离激元增强电场的放大作用，对光学增强天线结构内部的分子进行高效激发，从而获得单分子灵敏度的光学信号，此光学信号包括光谱信号和/或荧光。本实用新型的等离激元光学增强芯片系统可以应用于单分子检测和dna/rna测序领域。
附图说明
20.图1显示为本实用新型的等离激元光学增强芯片系统的架构及原理图。
21.图2显示为所述纳米孔芯片的一种局部俯视图。
22.图3显示为所述纳米孔芯片的另一种局部俯视图。
23.图4显示为所述纳米孔芯片的工作原理图。
24.图5显示为端面耦合方式的一种原理图。
25.图6显示为光栅耦合方式的一种原理图。
26.图7显示为耦合光栅中光栅结构选用长方形光栅的示意图。
27.图8显示为耦合光栅中光栅结构选用扇形光栅的示意图。
28.图9显示为耦合光栅中光栅结构选用亚波长光栅的示意图。
29.图10显示为所述收集光栅耦合器呈半椭圆形的示意图。
30.图11显示为所述收集光栅耦合器呈半圆形的示意图。
31.图12显示为微环谐振器结构的原理图。
32.图13显示为由静态干涉仪和图像传感器芯片通过封装形成的芯片式光谱仪的结构示意图。
33.图14显示为所述等离激元光学增强芯片系统的多阵列形式示意图。
34.图15显示为一个多模干涉耦合器结构的示意图。
35.图16显示为一个多级多模干涉耦合器结构的示意图。
36.图17显示为第二种静态干涉仪的结构示意图。
37.图18显示为第三种静态干涉仪的结构示意图。
38.图19显示为第四种静态干涉仪的结构示意图。
39.图20显示为第五种静态干涉仪的结构示意图。
40.元件标号说明
[0041]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
纳米孔芯片
[0042]
101
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微腔层
[0043]
102
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金属膜
[0044]
103
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布拉格反射镜
[0045]
104
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微腔
[0046]
105
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纳米开口
[0047]
106
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激发光导入层
[0048]
107
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通孔
[0049]
108
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多级多模干涉耦合器
[0050]
109
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衬底层
[0051]
110
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光波导
[0052]
111
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光栅结构
[0053]
112
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波导
[0054]
112a
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平面波导
[0055]
112b
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单模波导
[0056]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
集成光学芯片
[0057]
201
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收集光栅耦合器
[0058]
202
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平面波导
[0059]
203
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多模波导
[0060]
204
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静态干涉仪
[0061]
204a
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多模干涉耦合器结构
[0062]
204b
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光栅结构
[0063]
204c
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多级多模干涉耦合器结构
[0064]
204d
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干涉仪单元结构
[0065]
204e
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多模波导
[0066]
204f
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反射镜
[0067]
204g
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多模干涉耦合器
[0068]
204h
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环路波导
[0069]
204i
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入射波导
[0070]
204j
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输入耦合器
[0071]
204k
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阵列波导
[0072]
204l
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输出耦合器
[0073]
204m
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出射波导
[0074]
204n
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微透镜阵列
[0075]
205
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微环谐振器结构
[0076]
205a
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环形波导
[0077]
205b
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条形波导
[0078]
205c
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金属块
[0079]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
图像传感器芯片
[0080]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
激光器
[0081]5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
光纤
[0082]
501
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单模光纤
[0083]6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
芯片式光谱仪
[0084]7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
分子
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数据处理设备
[0086]mꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
表面等离激元
具体实施方式
[0087]
以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
[0088]
请参阅图1至图20。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0089]
本实用新型提供一种等离激元光学增强芯片系统，请参阅图1，显示为该等离激元光学增强芯片系统的架构及原理图，包括纳米孔芯片1、集成光学芯片2及图像传感器芯片3，其中，所述纳米孔芯片1包括衬底层(图1中未图示)、激发光导入层106、微腔层101及金属膜102，所述激发光导入层106位于所述衬底层与所述微腔层101之间，所述微腔层101中设有至少一反应单元，所述反应单元包括布拉格反射镜103及微腔104，所述微腔104自所述微腔层101的顶面开口，并延伸至所述微腔层101的底面形成纳米开口105，所述布拉格反射镜103分布于所述微腔104的两侧并与所述微腔104间隔预设距离，所述激发光导入层106中设有经由所述纳米开口105与所述微腔104连通的通孔107，所述金属膜102位于所述微腔层101上表面并覆盖所述布拉格反射镜103的表面及所述微腔104的表面；所述集成光学芯片2位于所述纳米孔芯片1上方，所述集成光学芯片2包括至少一光学单元，用于收集所述纳米开口105处被激发的光学信号，并将收集的光学信号进行处理后输出；所述图像传感器芯片3位于所述集成光学芯片2上方，所述图像传感器芯片3包括至少一光电转换单元，用于接收所述集成光学芯片2输出的光学信号并转换为电信号。
[0090]
作为示例，所述图像传感器芯片3连接数据处理设备8。
[0091]
作为示例，所述衬底层的材料包括二氧化硅，所述激发光导入层106的材料包括氮化硅，所述微腔层101的材料包括硅，所述金属膜102包括金膜、银膜、铜膜和铂膜中的至少一种。
[0092]
作为示例，所述微腔104的开口面积自上而下逐渐缩小，所述微腔104底部的所述纳米开口105至少在一个维度上的尺寸为纳米级别(例如0.1-1000nm)。
[0093]
作为示例，所述布拉格反射镜103包括多条形成于所述微腔层101中的光栅槽，所述光栅槽自所述微腔层101的顶面开口，并往所述微腔层101的底面方向延伸，但未贯穿所述微腔层101的底面。
[0094]
作为示例，请参阅图2，显示为所述纳米孔芯片1的一种局部俯视图，其中，所述纳米开口105呈纳米狭缝形态。请参阅图3，显示为所述纳米孔芯片1的另一种局部俯视图，其中，所述纳米开口105呈纳米孔形态。需要指出的是，所述纳米开口105的形状可以根据需要进行调整，包括但不限于长方形、正方形及圆形中的一种，所述布拉格反射镜103的多条光栅槽的排布规则也可根据需要进行调整，不以图2与图3所示为限。
[0095]
请参阅图4，显示为所述纳米孔芯片1的工作原理图，其中，激发光(如图中水平箭头所示)进入所述纳孔芯片中后被束缚在所述激发光导入层106中传输，其中，所述激发光导入层106可包括单模波导，所述激发光导入层106表面的消逝波耦合进入所述纳米开口105中，在所述纳米开口105处产生高度局域的等离激元共振的增强电场，激发所述纳米开口105内的分子7的光学信号，例如荧光/拉曼/振动/转动/吸收/反射光谱，具有非常高效率的增强效果，能够实现单分子检测灵敏度(例如，可以对拉曼散射效应产生10
5-10
20
倍的增强效果)。其中，所述纳米开口105处产生的等离激元共振的增强电场可以沿所述金属膜102表面传播(图中示出了表面等离激元m)，所述纳米孔芯片1表面所述微腔104两侧的所述布拉格反射镜103起到反射的作用，可以将所述纳米开口105内产生的光学信号部分反射回去，达到减少信号光子在表面的传播损耗，增强光学信号强度的效果。其中，被检测的分子7可经由所述纳米孔芯片1上方输送至所述纳米开口105处，也可以经由所述纳米孔芯片1下方输送至所述纳米开口105处。
[0096]
作为示例，请回头参见图1，所述等离激元光学增强芯片系统还包括激光器4与光纤5，所述纳米孔芯片1通过所述光纤5与所述激光器4相连。所述激光器4与光纤5作为芯片架构之外必不可少的光学部件，提供了芯片中的光学激发功能，所述激光器4通过所述光纤5输出激发光源，激发光通过光栅耦合或者端面耦合的方式，耦合进入所述纳米孔芯片1中。
[0097]
作为示例，所述光纤5可以选用单模光纤或单模光纤透镜。
[0098]
作为示例，请参阅图5，显示为端面耦合方式的一种原理图，其中，激发光通过单模光纤501与所述纳米孔芯片1的衬底层109上的光波导110的端面直接近距离对准，所述单模光纤501中出射的光可以被耦合进入所述光波导110中继续传输。
[0099]
作为示例，请参阅图6，显示为光栅耦合方式的一种原理图，其中，激发光通过单模光纤501向外出射至所述纳米孔芯片1的衬底层109上的光栅结构111，被所述光栅结构111耦合进入波导112中继续传输。所述单模光纤501的中心轴偏离法向预设角度θ。
[0100]
作为示例，请参阅图7至图9，显示了几种常见的耦合光栅的俯视图，其中，图7显示为所述耦合光栅中所述光栅结构111选用长方形光栅的示意图，图8显示为所述耦合光栅中所述光栅结构111选用扇形光栅的示意图，图9显示为所述耦合光栅中所述光栅结构111选用亚波长光栅的示意图。本实施例中，所述耦合光栅的整体结构包括周期性的所述光栅结构111及与所述光栅结构111的输出端相连的平面波导112a和单模波导112b，所述纳米孔芯片1外部的激发光被耦合进入光栅后，通过所述单模波导112b继续传输。
[0101]
请回头参阅图1，所述集成光学芯片2中，所述光学单元包括收集光栅耦合器201、平面波导202、多模波导203及静态干涉仪204，所述收集光栅耦合器201用于收集所述纳米开口105处被激发的光学信号并依次通过所述平面波导202及所述多模波导203传输至所述静态干涉仪204，所述静态干涉仪204用于产生干涉信号并投射进所述图像传感器芯片3中。
[0102]
具体的，所述收集光栅耦合器201是利用衍射光栅的原理实现对光束传播方向的
控制，实现光学收集的效果。为了增加收集的效率，所述收集光栅耦合器201的整体尺寸可以制备得较大，尺寸范围可以控制在50-5000μm。
[0103]
作为示例，请参阅图10及图11，显示为所述收集光栅耦合器201、所述平面波导202及所述多模波导203依次连接的示意图，其中，所述收集光栅耦合器201可以是如图10所示的半椭圆形，也可以是如图11所示的半圆形。
[0104]
作为示例，所述光学单元还包括微环谐振器结构205，所述微环谐振器结构205设置于所述多模波导203旁以滤除激发光。
[0105]
作为示例，请参阅图12，显示为所述微环谐振器结构205的原理图，其中，所述微环谐振器结构205包括环形波导205a、条形波导205b及金属块205c，所述环形波导205a位于多模波导203与所述条形波导205b之间，所述金属块205c连接于所述条形波导205b的输出端。通过设计所述环形波导205a的尺寸，可以达到选择特定的波长的作用，被选择的波长光子经过消逝波耦合进入所述环形波导205a中，当光子在所述环形波导205a中传播的光程等于波长整数倍时会产生干涉增强，形成回音壁模式，并且停留在所述环形波导205a内传播，通过另外一个较短的所述条形波导205b将所述环形波导205a内的光子耦合出去，通过所述金属块205c将光子吸收，从而实现将该波长的光子从原输入光子中剔除的作用，可以实现对光谱信号的激发光进行滤波。
[0106]
作为示例，请参阅图13，显示为由所述静态干涉仪204和所述图像传感器芯片3通过封装形成的芯片式光谱仪6的结构示意图，其中，所述静态干涉仪204的耦入端是一个多模干涉耦合器结构204a，光谱信号经过所述多模波导203传播耦合进入所述多模干涉耦合器结构204a中，被所述多模干涉耦合器结构204a一分为二后进入两条平行的光波导(材质可以是氮化硅)中继续向前传播。两条光波导的宽度专门设计成不同的宽度，导致两条光波导中传播的光子产生相位差，并且两束光学信号在波导内传播时，因全内反射产生的倏逝场在两平行波导之间发生重叠，产生干涉信号。两条波导之间的区域制备周期性的光栅结构204b，将干涉信号向上方衍射至所述图像传感器芯片3中，所述图像传感器芯片3可以为线性或长方形的ccd阵列，用于接收干涉信号，得到干涉图纹，干涉图纹经过傅里叶变换处理可得到光谱信息。
[0107]
作为示例，请参阅图14，显示为所述等离激元光学增强芯片系统的多阵列形式示意图，包括多个所述反应单元、多个所述光学单元及多个所述光电转换单元以组成多个检测单元，一所述检测单元包括一所述反应单元、一所述光学单元及一所述光电转换单元。其中，所述纳米孔芯片1还包括多级多模干涉耦合器108，所述多级多模干涉耦合器108用于将激发光源输入所述纳米孔芯片1的激发光分成多束以输入不同的所述反应单元。所述图像传感器芯片3连接数据处理设备8。
[0108]
作为示例，请参阅图15，显示为一个多模干涉耦合器结构的示意图，多模干涉耦合器结构是集成光学领域中常用的一种微纳光学器件，光波可以在其中传播，以可控制的方式将光波分隔成两束传播出去，一个理想的1
×
2多模干涉耦合器结构是50/50的分光镜，将进入的光波按照50％和50％的比例分隔出射出去。请参阅图16，显示为一个多级多模干涉耦合器结构的示意图，按照一分二的结果，多级mmi结构可以将光波分成很多束光强均等的光束，然后光波在波导中继续传输。
[0109]
本实用新型的等离激元光学增强芯片系统的工作原理如下：所述激光器4通过所
述光纤5输出激发光源，激发光通过光栅耦合或者端面耦合的方式，耦合进入所述纳米孔芯片1中的所述多级多模干涉耦合器108，所述多级多模干涉耦合器108将激发光等分成为功率相同的多束激发光，并进入所述激发光导入层106中传输(所述多级多模干涉耦合器108的输出结构连接至所述激发光导入层106)，激发所述微腔104底部所述纳米开口105处的分子7的光学信号。被激发的光学信号向上方散射，被所述收集光栅耦合器201收集，再通过所述平面波导202汇聚进入所述多模波导203，传输进入所述静态干涉仪204，所述多模波导203旁边的所述微环谐振器结构205可以将激发光滤除。被滤除激发光之后的光学信号进入所述静态干涉仪204，不同波长的光子在所述静态干涉仪204中发生干涉，并被所述静态干涉仪204中的散射光栅向上投射进入所述图像传感器芯片3中，形成干涉图纹，对干涉图纹作傅里叶变换，可得到光学信号的光谱信息。
[0110]
需要指出的是，所述静态干涉仪204不局限于图1、图13、图14中所示的类型，例如，还可以采用如图17至图20任意一幅所呈现的类型。
[0111]
具体的，图17所呈现的静态干涉仪包括多级多模干涉耦合器结构204c及多个干涉仪单元结构204d，其中所述干涉仪单元结构204d包括法布里-珀罗干涉腔，且各个所述干涉仪单元结构204d的法布里-珀罗干涉腔的腔长不同，长度差值采用梯度设计，可最终采集到多组条纹间隔不同、峰值强度也不同的干涉图案，解析出精确的光谱。在芯片结构中，干涉仪单元结构的数目越多，能够解析的光谱范围越大。
[0112]
具体的，图18所呈现的静态干涉仪包括多模波导204e及放置于所述多模波导204e末端的反射镜204f，光谱信号在所述多模波导204e内向前传播至所述反射镜204f被反射回来，入射信号光子和被反射的信号光子在所述多模波导204e的中心位置发生驻波干涉(图中采用多个长椭圆形示意)，使用一个线性的图像传感器芯片可以拍摄到干涉图纹，经傅里叶变换后得到光谱信息。
[0113]
具体的，图19所呈现的静态干涉仪包括多模干涉耦合器204g与环路波导204h，光谱信号在多模波导中传播至所述多模干涉耦合器204g，所述多模干涉耦合器204g将入射的信号光子分为两束，进入所述环路波导204h中，两束信号光子最终在所述环路波导204h的中心位置相遇，发生驻波干涉(图中采用多个长椭圆形示意)，使用一个线性的图像传感器芯片可以拍摄到干涉图纹，经傅里叶变换后得到光谱信息。
[0114]
具体的，图20所呈现的静态干涉仪采用阵列波导光栅(arrayed waveguide grating,awg)，信号光子由入射波导204i进入输入耦合器204j，所述输入耦合器204j的结构为一个平面波导，信号光子在所述输入耦合器204j与所述入射波导204i的交界面发生衍射，在垂直于传播方向上强度以高斯分布形式进入阵列波导204k中。所述阵列波导204k与所述输入耦合器204j的交界面为曲面，确保各个位置的衍射光以相同相位到达所述阵列波导204k端面。所述阵列波导204k由一系列形状类似的条形波导组成，相邻波导具有相同的长度差，在整个阵列中，每条波导的总长度呈梯度增加/减小。由于长度差的存在，不同波长的光在所述阵列波导204k中传播后具备了相同的相位差。信号光子从所述阵列波导204k中进入输出耦合器204l，所述输出耦合器204l也是一个平面波导结构，其两端面均为曲面，并且两个曲面在同一个圆周上。所述输出耦合器204l的另一端连接出射波导204m。由于相位差的存在，不同波长的信号光子在所述输出耦合器204l的平面波导中衍射出去并被聚焦在不同的所述出射波导204m中，达到了波长分离的效果(图中示意了n种波长：λ1～λn)。所述出
射波导204m将波长分离后的信号光子通过微透镜阵列204n聚焦在线性的图像传感器芯片3上，得到干涉图纹，经逆傅里叶变换后得到光谱信息。
[0115]
当然，在其它实施例中，所述静态干涉仪204还可以采用其它合适的类型，此处不应过分限制本实用新型的保护范围。
[0116]
本实用新型的等离激元光学增强芯片系统可应用于检测分子的光学信号，可以实现最低单个分子的超高灵敏的光学检测。所述光学信号包括光谱信号及荧光信号中的至少一种。进一步的，可利用所述等离激元光学增强芯片系统进行dna测序或rna测序。
[0117]
需要指出的是，所述图像传感器3既可以包括阵列式或线性的光学倍增管(pmt)、单光子雪崩二极管(spad)、电荷耦合元件(ccd)、硅光电倍增管(sipm)，也可以包括单个的pmt、spad、ccd、sipm或光电二极管。如果是单个pmt、spad、ccd、sipm或光电二极管，则本实用新型的等离激元光学增强芯片系统可以用来检测单个分子的荧光信号强度。
[0118]
综上所述，本实用新型的等离激元光学增强芯片系统具有超高灵敏检测能力，可以实现最低单个分子的超高灵敏的光学检测。原理是利用等离激元增强电场的放大作用，对光学增强天线结构内部的分子进行高效激发，从而获得单分子灵敏度的光学信号，此光学信号包括光谱信号和/或荧光。本实用新型的等离激元光学增强芯片系统可以应用于单分子检测和dna/rna测序领域。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0119]
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。