倏逝场照明的集成零模波导纳米孔芯片

俞鹏飞; 付博文; 李传宇; 李超; 周连群; 郭振

doi:10.37188/OPE.2021.0138

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倏逝场照明的集成零模波导纳米孔芯片

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-02-15

- 倏逝场照明的集成零模波导纳米孔芯片
- Integrated zero-mode waveguide nanopore chip illuminated by evanescent field
- 光学精密工程 2022年30卷第1期页码：62-70
- 作者机构：
  
  1.中国科学技术大学，安徽合肥 230026
  2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所中国科学院生物医学检验技术重点实验室，江苏苏州 215163
  3.复旦大学，上海 200433
  4.苏州国科芯感医疗科技有限公司，江苏苏州 215163
  5.季华实验室，广东佛山 528200
- 作者简介：
  
  [ "俞鹏飞（1994-），男，安徽滁州人，硕士研究生，2016年于大连理工大学获得学士学位，主要从事微机电系统与微纳加工工艺方面的研究。E-mail：ypf@mail.ustc.edu.cn" ]
  [ "周连群（1981-），男，山东金乡人，博士，研究员，博士生导师，主要从事生物医学传感器和仪器的开发工作。E-mail：zhoulq@sibet.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2018YFF01011003);国家自然科学基金青年基金资助项目(61874133;61901469;22005331);江苏省重点研究开发项目(BE2019684;BE2018080;BE2020768);江苏省政策引导类计划(BZ2019069);季华实验室资助项目(X190181TD190);中科院青年创新促进会资助项目(2019322;2018360;201856);中国科学院科研仪器设备研制项目(YJKYYQ20200046;YJKYYQ20190057);中国科学院重大科研仪器研制项目(ZDKYYQ20210004);苏州市科技支撑计划资助项目(SYG201907);中国科学院苏州生物医学工程技术研究所自主部署项目(Y851591105;E055011301)
- DOI：10.37188/OPE.2021.0138
  中图分类号： TP212.3
- 收稿日期：2021-03-18，
  
  修回日期：2021-04-23，
  
  纸质出版日期：2022-01-15
- 稿件说明：
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俞鹏飞,付博文,李传宇等.倏逝场照明的集成零模波导纳米孔芯片[J].光学精密工程,2022,30(01):62-70.

YU Pengfei,FU Bowen,LI Chuanyu,et al.Integrated zero-mode waveguide nanopore chip illuminated by evanescent field[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(01):62-70.
俞鹏飞,付博文,李传宇等.倏逝场照明的集成零模波导纳米孔芯片[J].光学精密工程,2022,30(01):62-70. DOI： 10.37188/OPE.2021.0138.

YU Pengfei,FU Bowen,LI Chuanyu,et al.Integrated zero-mode waveguide nanopore chip illuminated by evanescent field[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(01):62-70. DOI： 10.37188/OPE.2021.0138.

摘要

为了降低零模波导照明系统的成本、缩小尺寸，设计并完成衍射光栅、光波导以及零模波导的片上集成，并对集成化芯片的微纳结构及性能进行验证。采用时域有限差分法对集成化芯片进行了仿真设计，基于微纳加工手段制备出片上衍射光栅、光波导以及零模波导阵列结构，对微观结构进行表征，并借助荧光微球对芯片的性能进行验证。通过荧光微球测试，制备的集成化芯片可以实现荧光微球的有效激发；通过微观结构表征，衍射光栅周期为（352.8±2.6） nm，齿宽为（155.3±2.4） nm，刻蚀深度为（67.8±3.5） nm；光波导芯层的宽度为（504.05±10.35） nm，高度为（184.9±8.9） nm；零模波导直径为（200.2±6.4） nm，深度为（301.3±7.6） nm，满足设计要求。芯片尺寸为22 mm×22 mm，最小线宽为155 nm，通过8个衍射光栅、约1 000条光波导以及数十万个零模波导阵列结构的片上集成，为零模波导的照明提供了一种紧凑且有效的解决方案。

Abstract

To reduce the cost and size of zero-mode waveguide lighting systems， the on-chip integration of diffraction gratings， optical waveguides， and zero-mode waveguides was designed and completed， and the micro-nanostructure and performance of the integrated chip were verified. The FDTD method was used to simulate and design the integrated chip. The on-chip diffraction grating， optical waveguide， and zero-mode waveguide array were fabricated by micro-nano machining methods， and the micro-nanostructure was characterized. A fluorescent microsphere test was performed to verify the performance of the chip. The test shows that the prepared integrated chip can realize the effective excitation of the fluorescent microsphere. The micro-nanostructure characterization shows that the diffraction grating period， tooth width， and etching depth are （352.8±2.6） nm，（155.3±2.4） nm， and （67.8±3.5） nm， respectively. The width and height of the waveguide core layer are （504.05±10.35） nm and （184.9±8.9） nm， respectively. The diameter and depth of the zero-mode waveguide are （200.2±6.4） nm and （301.3±7.6） nm， respectively， which meet the design requirements. The 22 mm× 22 mm chip， with a minimum linewidth of 155 nm， provides a compact and efficient solution for zero-mode waveguide illumination through the on-chip integration of eight diffraction gratings， approximately 1 000 optical waveguides， and hundreds of thousands of zero-mode waveguide array structures.

关键词

Keywords

references

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