СЕНСОРНОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ПЛАНАРНЫХ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОЛЫХ СВЕТОВОДОВ С ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ
SENSOR BASED ON PLANAR AND CYLINDRICAL HOLLOW LIGHT GUIDES WITH INTEGRATED INTERFEROMETRIC SYSTEM

Изобретение относится к волоконно-оптическим устройствам (сенсорам), предназначенным для анализа состава и концентрации газообразных и жидких веществ, а также тонких слоев молекул (включая биологические).
Существующие в настоящее время сенсорные волноводные устройства, как правило, основаны на использовании одного из двух принципов: (i) оптическом возбуждении аналита эванесцентным полем, т.е. распространяющейся за пределами сердцевины волновода частью волноводной моды, и (ii) регистрации небольшого изменения постоянной распространения волноводной моды, возникающего в результате изменения показателя преломления аналита или иммобилизации (био)молекул на оболочке волновода.
Рассмотрим несколько примеров волоконно-оптических сенсорных устройств. В заявке на патент США US 2004057647 (LYONS DANALD R (US). APPARATUS FOR AND METHODS OF SENSING EVANESCENT EVENTS IN A FLUID FIELD) описана схема, при которой волоконное сенсорное устройство имеет круглую сердцевину и D-образную оболочку, при этом плоский срез оболочки обладает дифракционной решеткой. Эванесцентное поле проникает в исследуемое вещество, прикладываемое к месту плоского среза D-образной оболочки. Условия распространения лазерного излучения изменяются при изменении состояния исследуемого вещества, что затем фиксируется с помощью системы регистрации. В патенте США US 5436167 (ROBILLARD JEAN J (US), FIBER OPTICS GAS SENSOR) представлен волоконно-оптический сенсор, в котором один из участков этого сенсора покрыт прозрачным полупроводниковым материалом, который функционирует как газовый поглотитель. Этот полупроводниковый материал может абсорбировать атомы и молекулы исследуемого газа, что изменяет его показатель преломления. Лазерное излучение направляется в оптическое волокно с известным состоянием поляризации. При изменении показателя преломления полупроводниковой оболочки изменяется состояние поляризации проходящего света. По изменению поляризации света определяют присутствие и концентрацию исследуемого газа.
Для реализации сенсорных систем все шире используются микроструктурированные (фотонно-кристаллические) световоды (J.C.Knight, J.Broeng, Т.А.Birks, and P.St.J.Russell, Science 282, 1476 (1998); P.St.J.Russell, Science 299, 358 (2003); J.C.Knight, Nature 424, 847 (2003); A.M.Желтиков, Оптика микроструктурированных волокон (Москва, Наука, 2004); A.M.Желтиков, Успехи физических наук, 177 (2007)). Планарные интегральные волноводные системы на основе антирезонансного отражения обеспечивают высокую чувствительность регистрации биохимических процессов в аналите и могут быть использованы для прямого мониторинга биомолекулярных процессов. Микроструктурированные волокна представляют значительный интерес для разработки новых оптических сенсоров (Т.М.Monro, W.Belardi, K.Furusawa, J.С.Baggett, N.G.R.Broderick, and D.J.Richardson, Meas. Sci. Technol. 12, 854 (2001); L.Rindorf, J.B.Jensen, М.Dufva, L.H.Pedersen, P.E.Høiby, and O.Bang, Opt. Express 14, 8224 (2006)). В сенсорах на основе микроструктурированных (МС) световодов, продемонстрированных в работе М.Т.Myaing, J.Y.Ye, Т.В.Norris, Т.Thomas, J.R.Baker, Jr., W.J.Wadsworth, G.Bouwmans, J.C.Knight, and P.S.J.Russell, Opt. Lett. 28, 1224 (2003), возбуждающее излучение доставляется к объекту по сердцевине МС-волокна. Внутренняя часть МС-оболочки имеет отверстия с размерами порядка микрометра и служит для доставки рассеянного либо флуоресцентного сигнала по волокну от исследуемого объекта к приемнику излучения, который может располагаться рядом с источником излучения. Такая конструкция волокна обеспечивает высокие эффективности зондирования химических и биологических растворов методами однофотонной и двухфотонной люминесценции. Микроструктурированная оболочка волокна может использоваться также в качестве системы микрокапилляров, заполняемых предельно малым объемом исследуемого раствора. Излучение, распространяющееся вдоль сердцевины волокна, вызывает люминесценцию регистрируемых молекул (S.Konorov, A.Zheltikov, and М.Scalora, Opt. Express 13, 3454 (2005)). Такие волоконные сенсоры могут быть интегрированы в системы хранения и обработки химических и биологических данных, включая биочипы, для считывания и преобразования хранимой информации.
Сенсорные устройства на основе МС-световодов, осуществляющие возбуждение аналита эванесцентным полем, описаны в следующем базовом Европейском патенте ЕР 1236059 (PHOTONIC CRYSTAL FIBRE GUIDING A FIRST MODE AND A PUMP BEAM, RUSSELL, PHILIP ST JOHN (GB); BIRKS, TIMOTHY ADAM (GB); KNIGHT, JONATHAN CAVE (GB); MANGAN, BRIAN JOSEPH (GB)). Сенсорные устройства на основе регистрации изменения постоянной распространения волноводной моды в полых фотонно-кристаллических волокнах описаны в патенте КНР CN 1900696 (XUE CHENYANG ZHANG (CN), HOLLOW CORE PHOTON CRYSTAL FIBER-OPTIC FIBER GAS SENSOR). В патенте предложен газовый сенсор с использованием полого фотонно-кристаллического волокна. В этом устройстве имеется фотонно-кристаллическое волокно, обладающее относительно низкими потерями света при распространении света в его сердцевине по сравнению с обычными полыми волокнами. Имеется другое опорное плечо сенсора, содержащее эталонную кювету с газом, через которую проходит опорный пучок света. Система регистрации измеряет и сравнивает оба пучка света, т.е. в этой схеме имеется внешняя система сравнения условий пропускания волокна (по-существу, это есть внешняя интерферометрическая схема, которая использует опорный и исследуемый пучки света). При заполнении полой сердцевины фотонно-кристаллического волокна исследуемым газом или изменении его концентрации изменяется условия прохождения света в сердцевине полого волокна, и система регистрации фиксирует эти изменения.
Предметом настоящего патента являются сенсорные устройства и системы нового типа, основанные на полых световодах, включая МС-световоды. Принцип действия этих сенсоров основан на высокой чувствительности волноводных мод конечной оболочки планарных и цилиндрических полых волноводов к толщине структуры оболочки и к показателю преломления среды, заполняющей воздушные отверстия данной волноводной структуры. Разрабатываемые сенсорные устройства предназначены, во-первых, для регистрации тонких слоев молекул (включая биологические), иммобилизуемых на поверхности оболочки, а во-вторых, для регистрации малых изменения показателя преломления аналита, заполняющего воздушные отверстия волноводной структуры.
Задачей изобретения является создание сенсорного устройства, основанного на полых оптических световодах.
Сенсорное устройство на основе полых оптических световодов содержит источник света, оптический полый световод, систему регистрации, измеряющую изменение условий распространения света в световоде при наличии тестируемого аналита, отличающееся тем, что содержит антирезонансную интерферометрическую систему, непосредственно интегрированную в оболочку световода. Антирезонансная интерферометрическая система, интегрированная в оболочку световода, позволяет упростить сенсорное устройство за счет того, что не нужен внешний интерферометр, уменьшить размеры устройства.
Антирезонансная интерферометрическая система является интерферометром Фабри-Перо, образованным внутренней границей полого слоя световода, стеклянной оболочкой конечных размеров, сравнимых с длиной волны света, внешней оболочкой. Вариантом исполнения встроенной в оболочку световода интерферометрической системы является интерферометр Фабри-Перо.
Антирезонансная интерферометрическая система выполнена так, что при распространении света в системе образует узкие линии в спектре пропускания световода, образующиеся за счет антирезонансной многолучевой интерференции при взаимодействии волноводных мод полой сердцевины и стеклянной оболочки. Положение линии в спектре пропускания световода зависит от наличия аналита в полом световоде. Узкие линии в спектре пропускания световода позволяют повысить чувствительность регистрации малых изменений показателя преломления аналита и, следовательно, повысить чувствительность регистрации монослоев биомолекул (включая молекулы ДНК), иммобилизуемых на поверхности оболочки волновода.
Сенсорное устройство имеет планарную геометрию.
Сенсорное устройство имеет цилиндрическую геометрию. Вариантами исполнения сенсорного устройства являются планарная или цилиндрическая геометрия.
Система регистрации выполнена так, чтобы детектировать изменения положения узких линий спектре пропускания световода, определяемых антирезонансной интерферометрической системой. Детектирование аналита осуществляют за счет измерения изменений положения линий в спектре пропускания полого световода, спектр которых определяется встроенным в оболочку интерферометром Фабри-Перо. Подобный интерферометр является чувствительным к малым изменениям в условиях распространения света, связанных с наличием исследуемого вещества на стенках либо внутри полой сердцевины. Другими словами, детектирование осуществляется за счет высокой чувствительности мод конечной оболочки полых волноводов к толщине кольцевой структуры оболочки и к показателю преломления среды, заполняющей воздушные отверстия волноводной структуры.
Сенсорное устройство содержит хотя бы два оптических полых световода, интегрированных на платформе единого чипа. Это позволяет создавать сенсорное устройство для параллельного экспресс-мониторинга нескольких био(аналитов).
Техническим результатом разработки сенсорного устройства на основе оптических полых световодов является:
- более высокая по сравнению с имеющимися аналогами чувствительность регистрации малых изменений показателей преломления аналита;
- более высокая по сравнению с имеющимися аналогами чувствительность регистрации монослоев биомолекул (включая молекулы ДНК), иммобилизуемых на поверхности оболочки волновода;
- отсутствие внешнего интерферометра, т.к. интерферометрическая система (типа интерферометра Фабри-Перо) интегрирована в волновод,
- возможность создания системы для параллельного экспресс-мониторинга нескольких (био)аналитов.
Фиг.1 Схематическое изображение цилиндрического полого оптического сенсорного устройства с встроенным интерферометром Фабри-Перо.
1
c1
1
2
0
Фиг.2. Геометро-оптическая картина волноводного распространения излучения в полом волноводе: n, n - показатели преломления сердцевины и оболочки, θ, θ - углы, который падающий и преломленный лучи образуют с нормалью к поверхности раздела сердцевины и оболочки, t - поперечный размер сердцевины,  - постоянная распространения волноводной моды, k=2π/λ, λ - длина волны, волноводной мод, h - собственное значение волноводной моды падения и преломления.
1
Фиг.3. Спектр пропускания планарного (сплошная и пунктирная линии) и цилиндрического (штрихпунктирная линия) полого волновода с единственным антирезонансным слоем в оболочке. Показатель преломления оболочки волновода рассчитан с помощью формулы Селлмейера для плавленого кварца. Показатель преломления сердцевины n=1. Поперечный размер сердцевины волновода t=10 мкм, толщина антирезонансного слоя d=0.5 мкм, длина волновода L=2 см.
1
2
Фиг.4. Спектры пропускания полого цилиндрического волновода, заполненного аналитом с показателем преломления n=1.33 в отсутствие (1, 2) и при наличии (3, 4) слоя биомолекул толщиной 10 нм. Толщина оболочки волновода d=400 нм, показатель преломления оболочки n=1.46. Поперечный размер сердцевины волновода t=15 мкм (1, 3), 100 мкм (2, 4).
1
1
2
Фиг.5. Спектры пропускания полого цилиндрического волновода, заполненного аналитом с показателем преломления n=1.33 (сплошная линия) и n=1.34. Толщина оболочки волновода d=400 нм, показатель преломления оболочки n=1.46. Поперечный размер сердцевины волновода t=100 мкм.
Фиг.6. Изображение поперечного сечения полого волокна с микроструктурированной оболочкой (а). Спектр пропускания волокна (б): сплошная линия - экспериментальные данные, штриховая линия - результат расчетов для t=20 мкм, d=1.4 мкм.
Фиг.7. Изображение поперечного сечения волноводной структуры, состоящей из системы полых волноводов, позволяющей осуществить параллельное детектирование различных биохимических процессов в растворе на платформе единого чипа.
Принцип действия сенсорного устройства
1
c1
Рассмотрим полый волновод общего вида, состоящий из сердцевины с показателем преломления n и однородной бесконечной оболочки с показателем преломления n. В рамках представлений геометрической оптики собственной моде волновода соответствует луч света, распространяющийся вдоль зигзагообразной траектории (фиг.2), точки излома которой соответствуют точкам частичного отражения луча от границы раздела между сердцевиной и оболочкой волновода. Затухание такой моды обусловлено неполным отражением излучения от границы раздела между сердцевиной и оболочкой. Коэффициент затухания α при этом может быть вычислен (A.Yariv, P.Yeh, Optical Waves in Crystals, New York, Wiley, 1984) по следующей формуле:
где r - коэффициент отражения границы раздела,
1
- число точек излома зигзагообразной траектории светового луча на длине L, θ - угол, который световой луч образует с нормалью к поверхности раздела между сердцевиной и оболочкой (фиг.2).
0
Для волноводной моды с постоянной распространения , где k=2π/λ, λ - длина волны, волноводной мод, h - собственное значение волноводной моды (фиг.2), имеем
Для планарного волновода с толщиной центрального слоя (сердцевины) t
где m - целое число.
0
1
Ввиду того что приемлемый уровень потерь в полом волноводе обеспечивается для собственных мод, соответствующих режиму скользящего падения на границу раздела между сердцевиной и оболочкой, полагаем h<<kn и преобразуем выражение (2) к виду
0
1
Коэффициент отражения в выражении (1) определяется согласно формулам Френеля, которые при выполнении условия h<<kn приводят к следующему соотношению:
2
где θ - угол, который преломленный луч образует с нормалью к поверхности раздела (фиг.2).
Логарифмируя формулу (1) и используя соотношение ln(1+ξ)≈ξ, верное для малых ξ, получаем
1
l
0
0
2
Коэффициент затухания собственных мод цилиндрического полого волновода с диаметром t (фиг.1) может быть получен путем умножения выражения (7) на фактор (2u/πm), где u - предельное значение собственного значения собственной моды цилиндрического волновода (для основной моды l=0, J(u)=0).
1
2
Рассмотрим теперь волноводную структуру с полой сердцевиной с показателем преломления n и толщиной t и оболочкой, содержащей слой конечной толщины d с показателем преломления n. Для простоты будем предполагать, что за пределами этого слоя показатель преломления оболочки близок показателю преломления сердцевины. Для расчета коэффициента отражения от границы раздела между сердцевиной и оболочкой в выражении (1) воспользуемся хорошо известным результатом для коэффициента отражения интерферометра Фабри-Перо
Здесь
F
где r - коэффициент отражения, вычисляемый по формулам Френеля (6).
1
В режиме скользящего падения, θ<<1, h<<β, выражения (9) и (10) принимают вид
1
Сплошной линией на фиг.3 представлен спектр пропускания T(λ)=exp(-αL) для основной собственной моды (m=1) планарного полого волновода рассматриваемого типа, рассчитанный с использованием формул (1), (5), (8)-(10). Показатель преломления оболочки волновода определялся по формуле Селлмейера для плавленого кварца. Другие параметры волновода выбирались следующим образом: n=1, t=10 мкм, d=0.5 мкм, L=2 см.
При выполнении равенства
где l - целое число, обеспечиваются условия резонансного возбуждения мод оболочки волновода, идентичных модам интерферометра Фабри-Перо. В этом режиме мода сердцевины оказывается резонансно связана с модами сердцевины и испытывает сильное затухание. При выполнении условия (13), таким образом, в спектре пропускания волновода наблюдается ярко выраженные минимумы (см. фиг.3).
При выполнении условия
где j - целое число, связь между модами сердцевины и оболочки оказывается минимальной. Моды интерферометра Фабри-Перо, образующего оболочку рассматриваемого волновода, при выполнении равенства (14) антирезонансны модам сердцевины. Пропускание волновода при этих условиях достигает максимума (фиг.3).
Подстановка выражения (8) в формулу (1) при выполнении условия (14) с учетом выражений (6) и (10) приводит к следующему результату:
Как следует из выражения (15), коэффициент потерь полого волновода с антирезонансной оболочкой изменяется пропорционально третьей степени длины волны излучения и обратно пропорционально четвертой степени поперечного размера сердцевины. Коэффициент пропускания для такого волновода показан штрихпунктирной линией на фиг.3. Для высших волноводных мод, как следует из выражения (15), коэффициент затухания растет пропорционально третьей степени индекса волноводной моды m. Таким образом, антирезонансная оболочка волновода приводит к значительному (по порядку величины в λm/t раз) снижению потерь собственных мод волновода по сравнению с потерями полого волновода со сплошной бесконечной оболочкой. Благодаря зависимости  антирезонансная оболочка волновода обеспечивает также существенно более высокую, по сравнению с бесконечной оболочкой, эффективность подавления высших волноводных мод (ср. формулы (7) и (15)).
1
1
1
3
Выражение для коэффициента затухания собственных мод цилиндрического полого волновода с диаметром t (фиг.1) может быть получено путем умножения коэффициента потерь для планарного полого волновода на фактор (2u/πm), где u - предельное значение собственного значения собственной моды цилиндрического волновода. Рассчитанный спектр пропускания полого волновода, имеющего вид цилиндра с внутренним диаметром t=10 мкм и внешним диаметром 11 мкм, для n=1 и L=2 см представлен штриховой линией на фиг.3.
Таким образом, сенсорное устройство совмещает две функции: (i) детектирования тонких слоев молекул (включая биологические) и атомов, осаждаемых на стенки полого волновода; (ii) детектирования малых изменений показателя преломления аналита, заполняющего полую сердцевину.
Принцип действия сенсора первого типа иллюстрируется на фиг.1, 4. Образование слоя биомолекул на поверхности кольцевой оболочки полого световода в результате биохимических процессов в растворе аналита, заполняющего воздушные отверстия волновода (см. фиг.1), приводит к сдвигу минимума в спектре пропускания волновода (фиг.5). При разработке сенсоров слоев биомолекул, содержащих ДНК, необходимо принимать во внимание, что прямая иммобилизация молекул ДНК на поверхности плавленого кварца оказывается невозможной из-за того, что поверхность кварца несет отрицательный заряд, а молекулы ДНК содержат отрицательно заряженные фосфатные группы. Для иммобилизации молекул ДНК часто используется поли-L-лизин (L.Rindorf, J.В.Jensen, M.Dufva, L.H.Pedersen, Р.Е.Høiby, and О.Bang, Opt. Express 14, 8224 (2006)), который содержит положительно заряженные аминогруппы, способствующие образованию молекулярному монослою на отрицательно зараженной поверхности кварца. Формирование такого слоя позволяет иммобилизовать молекулы ДНК на поверхности кварцевой оболочки волновода (фиг.1) с образованием слоя толщиной порядка 10 нм с показателем преломления (1.45-1.48), близким к показателю преломления кварца. Образование такого слоя в растворе, введенном в воздушные отверстия волноводной структуры, может быть зарегистрировано по спектральному сдвигу полос пропускания полого волновода с кольцевой оболочкой (фиг.4).
1
Ключевым параметром, определяющим чувствительность биохимического сенсора, основанного на регистрации сдвига минимума в спектре пропускания полого световода с антирезонансной оболочкой, является фактор F, задаваемый выражением (10). По своему физическому смыслу этот фактор определяет резкость интерференционной картины ньютоновых полос, формируемых модами Фабри-Перо кольцевой оболочки волновода. Для собственных мод полого цилиндрического волновода, соответствующих режиму скользящего падения на границу раздела между сердцевиной и оболочкой, θ<<1, h<<β, фактор F вычисляется согласно формуле (12). Как следует из этого выражения, при большом отношении t/λ провалы в спектр пропускания полого волновода характеризуется наличием узких провалов, соответствующих резонансному возбуждению мод Фабри-Перо в кольцевой оболочке волновода. В таком режиме обеспечивается возможность регистрации сверхтонких слоев, формируемых на оболочке волновода в результате биохимических процессов.
2
2
2
2
Предположим, что в результате иммобилизации ДНК на монослое поли-L-лизина на обеих поверхностях оболочки волновода образуется слой толщиной  (фиг.1) с показателем преломления, близким к показателю преломления оболочки. При этом можно считать, что толщина оболочки полого волновода увеличилась на . В окрестности резонанса (13) с модами Фабри-Перо кольцевой оболочки, обеспечивающего минимум пропускания волновода, имеем δ/2=πl+ξ/2, где  - малый параметр, так что sin(δ/2)≈ξ/4. Минимальный сдвиг минимума в спектре пропускания волновода, который еще может быть зарегистрирован, определим равным спектральной ширине δλ минимума пропускания, которая может быть найдена в приближенном виде из соотношения Fsin(δ/2)≈Fξ/4=1.
1
2
Таким образом, приходим к следующему соотношению для минимальной регистрируемой толщины слоя биомолекул, формирующегося на поверхности оболочки волновода: . Для полого волновода, заполненного аналитом с показателем преломления n≈1.33 и имеющим оболочку с показателем преломления n≈1.46 (фиг.1), минимальная регистрируемая толщина слоя иммобилизуемых биомолекул составляет . При λ=0.5 мкм, t=100 мкм имеем  нм.
1
2
1
Для волновода с n≈1.33, n≈1.46 и толщиной невозмущенной оболочки d=400 нм минимум пропускания, соответствующий l=1, наблюдается на длине волны λ≈480 нм (кривые 1 и 3 на фиг.4). Формирование слоя иммобилизованных ДНК молекул толщиной  нм на обеих поверхностях оболочки световода приводит к сдвигу минимума пропускания световода на  нм (фиг.5).
1
1
1
2
2
2
2
2
-1
-4
Волноводный сенсор второго типа предназначен для регистрации малых изменений показателя преломления аналита, заполняющего воздушные отверстия волноводной структуры. Изменение показателя преломления аналита на малую величину δn приводит к сдвигу минимума в спектре пропускания полого волновода с кольцевой оболочкой (фиг.5). Величина этого сдвига Δλ может быть найдена путем дифференцирования выражения (13) по n. Эта операция приводит к следующему результату: . Для малого изменения показателя преломления аналита в окрестности резонанса (13) с модами Фабри-Перо кольцевой оболочки, обеспечивающего минимум пропускания волновода, имеем δ/2=πl+ζ/2, где  - малый параметр, так что sin(δ/2)≈ζ/4. Минимальное изменение показателя преломления, которые могут быть зарегистрированы с помощью такого сенсора, определяется параметром F и находится из уравнения Fsin(δ/2)≈Fζ/4=1. Решение этого уравнения с учетом выражения (12) приводит к следующему результату: |δn|≈λ(2πndt). Для n=1.33, λ=0.5 мкм, d=0.4 мкм, t=100 мкм имеем |δn|≈7·10. Важно отметить, что, в отличие от многих интегральных антирезонансных волноводных сенсоров (F.Prieto, L.M.Lechuga, A.Calle, A.Llobera, and С.Dominguez, J. Lightwave Technol. 19, 75 (2001)), рассматриваемый тип сенсора не требует для измерений внешнего интерферометра, т.к. интерферометр Фабри-Перо по сути встроен в оболочку волновода, являющегося основой сенсорного устройства.
На фиг.6 (а) показано характерное изображения полого волновода с МС-оболочкой. Для волноводов этого класса наиболее важную роль играет ближайшая к сердцевине часть оболочки, имеющая форму кольца толщиной 1-2 мкм. Сплошной линией на фиг.6 (б) показан характерный спектр пропускания, измеренный для такой волноводной структуры. Отличительной чертой представленного спектра пропускания является наличием последовательности ярко выраженных максимумов и минимумов, положение которых с высокой точностью описывается в рамках представленной выше модели полого световода с кольцевой оболочкой (штриховая линия на фиг.6 (б)). Последовательность максимумов и минимумов в спектре пропускания волновода рассматриваемого типа соответствует ньютоновому ряду цветов тонкой пленки, роль которой в рассматриваемой волноводной структуре играет ограничивающее сердцевину стеклянное кольцо (фиг.6 (а)). На фиг.7 показана структура, интегрирующая полые волноводы различных диаметров и позволяющая, тем самым, осуществить параллельное детектирование различных биохимических процессов в растворе на платформе единого чипа.