Interferómetro y sensor basados en una guía de onda óptica bimodal y procedimiento de detección.

Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) que comprende:

• un sustrato

(8, 28, 38, 48);

• una guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) que comprende al menos una capa (1, 2, 3) depositada en dicho sustrato (8, 28, 38, 48), estando dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) diseñada para soportar un modo de orden cero y un modo de orden primero de propagación transversal, teniendo dichos modos de propagación transversal diferente dispersión, en el que dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) comprende, además, un medio de confinamiento (9), diseñado para confinar la luz en dirección lateral, estando la guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) diseñada así para soportar un modo lateral;

• una zona de detección (21, 31, 41, 51) situada en una zona seleccionada de la parte superior de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40), estando dicha zona de detección (21, 31, 41, 51) configurada para recibir un estímulo de entrada químico, biológico o físico, siendo dicho estímulo capaz de cambiar el índice de refracción efectivo de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40);

• medios de detección (27, 27', 37, 47) para medir en la salida de dicha guía de onda, cambios en la intensidad de radiación debidos a dicho estímulo de entrada

caracterizado porque dicho medio de detección es un fotodetector de dos secciones, comprendiendo, además, el interferómetro, medios para registrar de forma simultánea tanto la energía total, como el cambio de distribución de la luz que sale de la guía de onda bimodal usando dicho fotodetector de dos secciones.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E07381053.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: DOMINGUEZ HORNA,CARLOS, ZINOVIEV,Kirill, LECHUGA GOMEZ,Laura Maria.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación o análisis de los materiales por... > G01N21/77 (observando el efecto sobre un reactivo químico)
  • SECCION G — FISICA > OPTICA > ELEMENTOS, SISTEMAS O APARATOS OPTICOS (G02F tiene... > Guías de luz; Detalles de estructura de las disposiciones... > G02B6/12 (del género de circuito integrado (producción o tratamiento de monocristales C30B; circuitos integrados eléctricos H01L 27/00))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION... > Investigación o análisis de los materiales por... > G01N21/45 (utilizando métodos interferométricos; utilizando los métodos de Schlieren)
  • SECCION G — FISICA > OPTICA > ELEMENTOS, SISTEMAS O APARATOS OPTICOS (G02F tiene... > Guías de luz; Detalles de estructura de las disposiciones... > G02B6/124 (Lentes geodésicas o redes integradas)

PDF original: ES-2465619_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Interferómetro y sensor basados en una guía de onda óptica bimodal y procedimiento de detección Campo de la invención La presente invención se refiere a interferómetros y sensores basados en guías de ondas óptica, y más concretamente, a interferómetros y sensores basados en guías de ondas óptica bimodales.

Estado de la técnica

La detección de una molécula, ej.: proteína, glucosa o la unión entre moléculas es un tema conocido. La cantidad de reactivo o la concentración de moléculas presente en una solución puede ser baja y son necesarios dispositivos altamente sensibles para la detección de las moléculas. La detección puede dirigirse utilizando varios procedimientos y técnicas. Existen diversos dispositivos nanomecánicos y ópticos, tales como los interferómetros Mach-Zhender, la Resonancia de Plasmen Superficial, los interferómetros Young, los interferómetros Fabr y -Perot y los interferómetros tipo slab. Los interferómetros Mach-Zhender y Young son dispositivos compactos basados en guías de onda óptica, conocidos desde hace mucho tiempo y que se han estudiado en profundidad. Actualmente éstas técnicas se cuentan entre las más precisas en el campo de la detección biomolecular, porque la simplicidad de las estructuras planas robustas confiere una ventaja en procedimientos de inmovilización relativamente simples. Los procedimientos y protocolos desarrollados permiten la unión de moléculas sin etiqueta. Esto hace que los experimentos sean menos laboriosos y más repetibles, pues etiquetar podía inducir a error, al interferir en los resultados efectivos. Los interferómetros suelen tener dos brazos, cuando el interferómetro actúa como un dispositivo de detección y uno de ellos posee una ventana de detección, mientras que el otro es una referencia. El reactivo, que fluye a través de la ventana de detección, interactúa con las moléculas previamente inmovilizadas por las guías de onda situadas en la zona. Esto modifica el índice de refracción de la capa de revestimiento de la guía de onda y por consiguiente la velocidad de propagación de la luz a lo largo de este guía de onda. Como consecuencia, se produce un cambio de las fases de las ondas de luz que se propagan por ambos brazos. Al mezclar éstas ondas se obtienen resultados distintos, dependiendo del tipo de interferómetro: un patrón de interferencia en el caso del interferómetro Young y una variación en la señal del canal de salida en el caso del interferómetro Mach-Zhender.

Sin embargo, los interferómetros de dos brazos tienen el inconveniente de tener dificultades en dividir la luz adecuadamente. Si hubiera defectos de fabricación, la simetría crítica de la intersección Y hace que sea más probable que el interferómetro sea proclive a una profundidad de modulación reducida y pérdidas de sensibilidad.

Además, una sensibilidad alta sólo se obtiene en guías de onda relativamente delgadas. La sensibilidad viene definida por la profundidad de penetración del campo evanescente de la guía de onda en el analito, en combinación con la misma, es decir, en el analito que está en contacto con la guía de onda. La profundidad de penetración aumenta significativamente si disminuye el grosor de la guía de onda. Esto entraña complicaciones a la hora de acoplar la luz, debido al desajuste entre la distribución de intensidad en el modo de propagación de la guía de onda en guías de onda delgadas, y la distribución de intensidad de una fuente de luz convencional.

De hecho, el ajuste inicial de cambio de fases entre las ondas de luz interferentes en las dos ramas requiere esfuerzos tecnológicos y de ingeniería adicionales.

Los problemas mencionados anteriormente pueden ser en parte resueltos mediante el uso de interferómetros de guía de onda bimodales. Un ejemplo de un dispositivo que opera gracias a la interferencia de dos modos de propagación se presentó en la solicitud de patente japonesa JP2004145246. Este dispositivo consiste en una guía de onda monomodo, seguida de otra bimodal, a su vez seguida de una tercera guía de onda monomodo.

El principio operativo de la estructura descrita en JP2004145246 se basa en la interferencia de dos modos de propagación en una guía de onda bimodal plana. La figura 5 muestra tal guía de onda. Aunque la estructura física es tridimensional, en lo tocante a sus propiedades la estructura es bidimensional: En dirección longitudinal (consta como eje X en la figura 5) , que es dirección en la que se propaga la luz, la estructura posee un escalón o costilla 500 que determina un cambio de grosor a lo largo del eje longitudinal. En dirección transversal (consta como eje Y en la figura 5) , las propiedades (ej. índice de refracción) de los materiales de la guía de ondas cambian. En dirección lateral (consta eje Z en la figura 5) , la estructura de guía de onda es uniforme, ya que sus propiedades no cambian a lo largo de esta dirección lateral. La estructura es, por tanto, bidimensional (desde el punto de vista de la propagación posee una dimensión longitudinal y otra transversal) .

Sin embargo, la dimensión del dispositivo de JP2004145246 no posibilita la fabricación de interferómetros largos y estrechos, capaces de detectar cambios mínimos en el índice de refracción de la capa de revestimiento.

Otro ejemplo de dispositivo que opera con la interferencia de modos de propagación fue presentado por G. Coppola et al. en "Temperature Optical Sensor Based on all Silicon Bimodal Waveguide", en el cual los modos laterales están implicados en la generación del patrón de interferencia. Este dispositivo puede elaborarse utilizando una fotolitografía convencional.

No obstante, el control preciso de la geometría del interferómetro en dirección lateral es muy necesario para implementar el dispositivo con precisión. Este control de la geometría lateral del dispositivo es muy difícil de conseguir usando tecnologías microelectrónicas convencionales.

De hecho, la arquitectura de los dispositivos en JP2004145246 y G. Coppola et al. implica una estructura de guía de onda secuencial, diseñada para excitar los modos y para leer la señal de interferencia. Esto produce limitaciones en la sensibilidad de los dispositivos y la versatilidad de los mismos.

El documento 49440328 A divulga una guía de onda bimodal que soporta un modo lateral, con sensibilidad limitada.

Sumario de la invención La presente invención se centra en estructuras de guía de onda bimodales en las que el retardo de fase relativo diferente entre los dos modos de propagación se acumula cuando está sujeto a un cambio estructural. La presente invención está relacionada con un interferómetro de guías de onda ópticas que comprende una guía de onda bimodal, en la que la dispersión de los modos de propagación es sensible al orden de los modos según la reivindicación 1.

Un aspecto de la invención se refiere a un interferómetro de guía de onda óptica plana que comprende un sustrato; una guía de onda bimodal, que comprende al menos una capa depositada sobre el sustrato, estando la guía de onda bimodal diseñada para soportar modos de propagación transversales de orden cero y primero, teniendo los modos de propagación transversales una dispersión diferente; una ventana de detección situada en una zona seleccionada de la parte superior de la guía de onda bimodal, siendo la ventana de detección diseñada para recibir un estímulo de entrada químico, biológico o físico, siendo este estímulo capaz de modificar el índice de refracción efectivo de la guía de onda bimodal. La guía de onda bimodal comprende, además, medios de confinamiento diseñados para confinar la luz en dirección lateral, estando la guía de onda bimodal diseñada, por tanto, para soportar un modo lateral.... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) que comprende:

! un sustrato (8, 28, 38, 48) ;

! una guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) que comprende al menos una capa (1, 2, 3) depositada en dicho sustrato (8, 28, 38, 48) , estando dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) diseñada para soportar un modo de orden cero y un modo de orden primero de propagación transversal, teniendo dichos modos de propagación transversal diferente dispersión, en el que dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20’, 30, 40) comprende, además, un medio de confinamiento (9) , diseñado para confinar la luz en dirección lateral, estando la guía de onda bimodal (10, 20, 20’, 30, 40) diseñada así para soportar un modo lateral;

! una zona de detección (21, 31, 41, 51) situada en una zona seleccionada de la parte superior de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) , estando dicha zona de detección (21, 31, 41, 51) configurada para recibir un estímulo de entrada químico, biológico o físico, siendo dicho estímulo capaz de cambiar el índice de refracción efectivo de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) ;

! medios de detección (27, 27', 37, 47) para medir en la salida de dicha guía de onda, cambios en la intensidad de radiación debidos a dicho estímulo de entrada caracterizado porque dicho medio de detección es un fotodetector de dos secciones, comprendiendo, además, el interferómetro, medios para registrar de forma simultánea tanto la energía total, como el cambio de distribución de la luz que sale de la guía de onda bimodal usando dicho fotodetector de dos secciones.

2. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según la reivindicación 1, que comprende, además, una fuente de radiación electromagnética (4, 4') configurada para conducir la luz óptica a dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) .

3. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según la reivindicación 2, en el que dicha fuente de radiación electromagnética (4, 4') es un láser.

4. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según la reivindicación 2, en el que dicha fuente de radiación electromagnética está integrada en la estructura del sustrato (8, 28, 38, 48) .

5. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según cualquier reivindicación anterior, que comprende, además, medios de polarización.

6. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según cualquier reivindicación anterior, que 30 comprende, además, medios de enfoque.

7. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25) según la reivindicación 6, en el que dichos medios de enfoque son una lente (22, 52) .

8. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25) según la reivindicación 7, en el que el eje central de dicha lente (22, 52) está configurado para desalinearse en dirección transversal con respecto al eje de simetría

longitudinal de la guía de onda bimodal (20, 20') , excitándose de esta forma un primero y segundo modos de propagación transversal dentro de la guía de onda bimodal (20) , 20' cuando la luz procedente de una fuente se enfoca directamente a través de dicha lente hacia la guía de onda bimodal (20, 20') .

9. Interferómetro de guía de onda óptica plana (35) según cualquier reivindicación de la 1 a la 5, que comprende, además:

-una guía de onda de entrada (32) conectada a un extremo de dicha guía de onda bimodal (30) , estando diseñada dicha guía de onda de entrada (32) para soportar un mono modo en dirección tanto transversal como lateral; -una guía de onda de salida (33) conectada al otro extremo de dicha guía de onda bimodal (30) , estando dicha guía de onda de salida (33) diseñada para soportar un mono modo en dirección tanto transversal

como lateral; en el que el grosor cada una de dichas guías de onda de entrada y salida (32, 33) es menor que el de dicha guía de onda bimodal (30) , de manera que debido a la geometría asimétrica de la estructura en la intersección de dicha guía de onda de entrada (32) y dicha guía de onda bimodal (30) , dicho mono modo se divide en dichos modos primero y segundo de propagación transversal.

10. Interferómetro de guía de onda óptica plana (35) según la reivindicación 9, que comprende, además, medios para acoplar radiación electromagnética dentro de dicha guía de onda bimodal (30) , en el que dichos medios se seleccionan del grupo formado por: radiación longitudinal, enfoque directo, acoplamiento por prisma y acoplamiento por red de difracción.

11. Interferómetro de guía de onda óptica plana (35) según la reivindicación 9 o 10, en el que la cantidad de luz acoplada en la guía de onda de salida (33) depende de la distribución de intensidad existente en la intersección entre la guía de onda bimodal (30) y la guía de onda de salida (33) .

12. Interferómetro de guía de onda óptica plana (45) según cualquier reivindicación de la 1 a 5, que comprende, además, medios de acoplamiento (42) diseñados para acoplar a dicha guía de onda bimodal (40) un modo de luz de orden cero y un modo de orden primero con diferentes ángulos de incidencia (θ0, θ1) .

13. Interferómetro de guía de onda óptica plana (45) según la reivindicación 12, en el que dicho medio de acoplamiento (42) es una red de difracción acoplada a una entrada de dicha guía de onda bimodal (40) .

14. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según cualquier reivindicación anterior, en el que dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) comprende al menos dos capas.

15. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según la reivindicación 14, en el que la primera capa de la guía de onda posee un primer índice de refracción y la segunda capa de la guía de posee un segundo índice de refracción; siendo el índice de refracción de dicha segunda capa menor que el de dicha primera capa de la guía de onda.

16. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según cualquier reivindicación anterior, en el que el índice de refracción efectivo de dicho modo de orden cero y el índice de refracción efectivo de dicho modo de orden primero son sustancialmente diferentes.

17. Interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según cualquier reivindicación anterior, en el que dicha diferencia de dispersión de los modos de propagación transversal depende de la velocidad de propagación en los parámetros de dicha guía de onda.

18. Chip que comprende al menos un interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según cualquier reivindicación anterior.

19. Sensor que comprende un interferómetro de guía de onda óptica plana (15, 25, 35, 45) según cualquier reivindicación de 1 a 17.

20. Procedimiento de detección que comprende los siguientes pasos:

a) definir una zona de detección (21, 31, 41, 51) en una zona seleccionada de la guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) de un interferómetro de guía de onda óptica (15, 25, 35, 45) ;

b) colocar un estímulo químico, biológico o físico en dicha zona de detección (21, 31, 41, 51) ;

c) introducir o causar cambios en dicho estímulo químico, biológico o físico, situado en dicha zona de detección (21, 31, 41, 51) ;

d) acoplar un modo de orden cero y un modo de orden primero de radiación electromagnética dentro de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) , de forma que cuando ambos modos se desplazan a través de dicha zona de detección (21, 31, 41, 51) definida en dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) , sufren un retardo de fase que depende de los cambios en dicho estímulo químico, biológico o físico;

e) medir, en la salida de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20', 30, 40) , la respuesta de dicho modo de orden cero en relación a la respuesta de dicho modo de orden primero; y

f) relacionar dicha respuesta relativa de ambos modos con los cambios en el estímulo químico, biológico o físico, caracterizándose el procedimiento porque dicho paso (e) de medir la respuesta de dicho modo de orden cero en relación a la respuesta de dicho modo de orden primero en la salida de dicha guía de onda bimodal (10, 20, 20’. 30, 40) se lleva a cabo usando un fotodetector de dos secciones (47) para registrar de forma simultánea tanto la potencia total, como el cambio de distribución de la luz que sale de la guía de onda bimodal.

21. Procedimiento de detección según la reivindicación 20, en el que el paso de medir la respuesta de dicho modo de orden cero en relación a la respuesta de dicho modo de orden primero comprende:

! generar un patrón de franjas de interferencias (11, 12, 13) ; y ! medir un desplazamiento en el patrón de interferencia (11, 12, 13) .

22. Procedimiento de detección según la reivindicación 21, en el que el paso de relacionar dicha respuesta relativa de ambos modos con los cambios dados en el estímulo químico, biológico o físico comprende, además:

! relacionar dicho desplazamiento del patrón de interferencia con la presencia de cambios en el estímulo químico, biológico o físico de interés.