光波导天线器件、生物微粒分析仪及通过光场操控微粒的方法

1.本发明大致涉及光学技术领域，尤其涉及一种光波导天线器件、生物微粒分析仪及通过光场操控微粒的方法。


背景技术：

2.宏观上很容易使用工具来操控物体，但是，在微观领域，人们很难使用宏观的工具来操控诸如电介质小球、生物细胞、生物大分子、病毒、量子点、原子这样的尺寸在微米量级甚至纳米量级的颗粒。即使假设现有技术可以将工具的尺寸加工到微米或者纳米量级，其物理接触的作用机制也很容易对目标物体造成损坏，尤其是生物目标。光操控是指依靠光学系统产生的具有特定能量和动量分布的光束来推动、拉动、牵引、捕获或者旋转微尺度的物体。
3.光操控系统的基本原理是：具有特定能量和动量分布的电磁场与处于其中的物体相互作用，产生动量交换，从而改变物体运动状态。
4.传统的光操控系统的结构通常比较复杂并且体积比较大，通常是通过一系列透镜将激光束聚焦，光束焦点附近的光强度分布不均匀，具有很大的梯度，即可用来捕获和操控微粒，但是，传统的基于透镜聚焦的光操控系统通常体积庞大，系统复杂，操作不易，还有一个最大的问题，该系统通常一次只能操控单个或者几个微粒，很难同时操控成百上千个微粒。随着光纤的出现，人们尝试将光纤端面加工成透镜或者将光纤拉锥来汇聚光束，这些方法也被证明是行之有效的操控微粒的方法，该方法相比于传统透镜系统，系统体积较小，结构也相对简单且操作更为灵活，但是其仍然无法同时精确操控很多个微粒。近几年，随着集成光学的发展，人们也尝试了通过超表面器件来调控光场的波阵面分布从而将光场聚焦的方法，该方法可与现有的cmos工艺兼容，在一个芯片上加工多个超透镜来同时捕获多个微粒，但是，现有的大部分超透镜基于透射式或者反射式的工作方式，即入射光束都是在器件平面外的，这不利于建立一个包括光源、光操控器件、探测器在内的完全片上集成的系统。而实际上，在光操控几乎所有的生物应用中，生物目标都是在液体中的，这要求光操控系统需要很好地与微流控的通道相结合，即光操控器件要可以被大量集成在芯片上的微流体通道里，而以上所述三种光操控系统均不易于与微流体通道结合。
5.还有一种被广泛研究的光操控系统，该系统基于片上集成的光子器件，例如光波导、微环谐振腔、以及一维和二维光子晶体器件等，这些片上的器件具有上述所说的易于实现大量集成、易于与微流体通道结合的优势，但是，这些器件的工作机制也与上述不同，不是依靠聚焦光束，而是依靠器件表面仅仅只有几百纳米深度的倏逝场，越靠近光子器件表面，倏逝场的强度越大，该梯度也可以将微米尺度和纳米尺度的粒子进行捕获并且移动。但是，正如前描述的那样，倏逝场只有几百纳米的深度，而超出这个范围的微粒，是感受不到光力的，而微流体通道通常具有几微米至几百微米的高度，远远超出光子器件可以作用到的范围，所以倏逝场会大大限制器件的捕获范围和捕获效率，大部分的微粒不会被抓住。同
时，倏逝场存在于光子器件的几乎所有位置处的表面，这会在一些需要将微粒捕获在特定位置的使用环境中，对目标位置的捕获造成干扰，即微粒除了会被捕获在预想的位置，同时还有可能被捕获在器件其他位置的倏逝场中，对于需要定量定点操控微粒的研究，这显然是非常不利的。
6.背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。


技术实现要素：

7.有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种光波导天线器件，包括：
8.波导，所述波导具有第一端面、第二端面以及位于所述第一端面和第二端面之间的侧表面：和
9.天线结构，所述天线结构位于所述波导的侧表面上，并具有多个沟槽，所述天线结构配置成可将所述波导内传播的光束耦出所述波导外部并在所述波导外部产生预设分布的光场以操控微粒。
10.根据本发明的一个方面，所述天线结构与所述波导集成在一起，所述沟槽为刻在所述波导的侧表面上的沟槽；或者所述天线结构与所述波导为单独的部件，所述天线结构贴附在所述波导的侧表面上。
11.根据本发明的一个方面，所述光波导天线器件还包括覆盖在所述天线结构上的覆盖层。
12.根据本发明的一个方面，所述覆盖层的厚度与所述波导周围的倏逝场的深度相关。
13.根据本发明的一个方面，所述覆盖层的表面是平坦的或非平坦的。
14.根据本发明的一个方面，所述波导为单模波导或多模波导，所述波导具有平板波导、矩形波导、脊型波导、狭缝波导、多层材料波导结构中的一种或多种。
15.根据本发明的一个方面，所述预设分布的光场由所述天线结构的沟槽的数目、沟槽的间隔、沟槽的深度、沟槽的宽度以及所述天线结构的宽度确定。
16.根据本发明的一个方面，所述多个沟槽呈非均匀分布，和/或所述多个沟槽的宽度是非均匀的。
17.根据本发明的一个方面，所述预设分布的光场为具有特定动量和能量分布的光场。
18.根据本发明的一个方面，所述沟槽的侧壁与所述波导的侧表面非垂直，和/或所述沟槽的侧壁与所述波导的纵向非垂直，和/或所述沟槽是非直线的。所述刻槽可贯穿波导侧壁或仅占波导部分侧壁。
19.根据本发明的一个方面，所述光波导天线器件还包括基底，所述基底设置在所述波导的与所述天线结构相反的一侧上。
20.根据本发明的一个方面，所述基底包括第一基底和第二基底，所述第一基底设置在所述波导的与所述天线结构相反的一侧上，所述第二基底设置在所述第一基底的与所述波导相反的一侧上。
21.根据本发明的一个方面，所述光波导天线器件还包括覆盖在所述天线结构上的覆
盖层，所述覆盖层仅覆盖所述天线结构，或者覆盖整个所述基底。
22.根据本发明的一个方面，所述第一基底的位于所述波导下方的至少一部分被去除。
23.根据本发明的一个方面，所述光波导天线器件具有两个所述天线结构，分别对应于从所述第一端面和第二端面耦入的光束。
24.根据本发明的一个方面，所述覆盖层的材料选自由以下材料构成的组中：ge、si、sio2、sic、sin、al2o3、linbo3、硫系玻璃、石墨烯、
ⅲ‑ⅴ
族化合物和聚合物材料。
25.根据本发明的一个方面，所述覆盖层经过生物处理。
26.根据本发明的一个方面，所述波导的材料选自由以下材料构成的组中：ge、si、sio2、sic、sin、al2o3、linbo3、硫系玻璃、石墨烯、
ⅲ‑ⅴ
族化合物和聚合物材料。
27.根据本发明的一个方面，所述光波导天线器件还包括光源，所述光源配置成可发射光束，所述光束被耦入所述波导，所述光源包括连续激光器、脉冲激光器、ps激光器、fs激光器、窄带激光器、宽带激光器或led、sled。
28.根据本发明的一个方面，所述波导和天线结构集成为光芯片，所述光源集成在所述光芯片上，或者与所述光芯片分离。
29.本发明还涉及一种生物微粒分析仪，包括：如上所述的光波导天线器件。
30.根据本发明的一个方面，所述生物微粒分析仪还包括光源，所述光源配置成可发射光束，所述光束被耦入所述光波导天线器件的波导中，并通过所述光波导天线器件的天线结构被耦出所述波导外部。
31.根据本发明的一个方面，所述生物微粒分析仪包括多组相对应的光波导天线器件。
32.本发明还提供一种通过光场操控微粒的方法，包括：
33.向一波导中耦入光束；
34.通过所述波导的侧表面上的天线结构，将光束耦出所述波导外部并在所述波导外部产生预设分布的光场以操控微粒。
35.根据本发明的一个方面，该方法还包括：
36.在所述天线结构的上方放置液体，所述微粒位于所述液体中；
37.通过所述光束耦出所述波导外部后产生的预设分布的光场，确定所述微粒的位置或改变所述微粒的形态。
38.根据本发明的一个方面，所述方法通过如上所述的生物微粒分析仪执行。
39.根据本发明的一个方面，所述方法还包括：
40.激发所述微粒的荧光或拉曼信号；和
41.采集所述荧光或拉曼信号。
附图说明
42.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
43.图1示出了根据本发明一个实施例的光波导天线器件的示意图；
44.图2示出了根据本发明另一个实施例的光波导天线器件的示意图；
45.图3示出了根据本发明一个实施例的具有非平坦覆盖层的光波导天线器件的示意图；
46.图4示出了根据本发明一个实施例的具有非均匀沟槽宽度的光波导天线器件的示意图；
47.图5示出了根据本发明一个实施例在基底中具有空腔的光波导天线器件的示意图；
48.图6示出了根据本发明一个实施例的光波导天线器件的纵向剖视图，其中光波导天线器件具有对称的天线结构；
49.图7示出了利用图6的光波导天线器件获得的光场的强度分布；
50.图8示出了在图7的光场中不同尺寸和折射率颗粒在高度方向的受力分布图；
51.图9示出了根据本发明一个实施例的生物分析仪；和
52.图10示出了根据本发明一个实施例的通过光场操控微粒的方法。
具体实施方式
53.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
54.在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
55.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
56.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
57.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，
这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
58.以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
59.图1示出了根据本发明一个实施例的光波导天线器件的示意图，下面参考图1具体描述。如图1所示，光波导天线器件10包括波导11和天线结构12。其中所述波导11具有第一端面111和第二端面112，分别用于耦入/耦出光束，所述波导并且具有位于所述第一端面111和第二端面112之间的侧表面。通常在使用波导时，从其中一个端面耦入光束，光束在波导的侧表面处发生全反射，从而沿着波导的长度(图中的x方向)传播，并且从另一个端面耦出。本发明中，在波导11的侧表面(图1中显示为波导11的上表面)上设置有天线结构12，天线结构12包括多个沟槽，从而形成凹凸不平的结构，当光束在波导11内部传播到天线结构12的沟槽的位置处时，经过沟槽的作用而被耦出或散出所述波导11的外部，在所述波导外部产生预设分布的光场。图1中示出了所述波导11大致为扁平的板状结构，本发明不限制波导11的结构，可采用任意类型的波导，例如所述波导11可以为单模波导或多模波导，具有平板波导、矩形波导、脊型波导、狭缝波导、多层材料波导结构中的一种或多种。所述波导11的材料可选自由以下材料构成的组中：ge、si、sio2、sic、sin、al2o3、linbo3、硫系玻璃、石墨烯等常用半导体材料、gan、gaas、inp等
ⅲ‑ⅴ
族化合物和su-8、pmma、pdms等聚合物材料。波导11的材料不限于上述列举的材料。波导11可以是上述多种材料组合形成的多层材料波导。
60.另外，在图1中，波导11的侧表面上设置有一个天线结构12，从其中一个端面耦入光束(图中为第一端面111)，从该端面入射的光束在对应的天线结构12的位置处，(大部分能量)被耦出所述波导11的外部，形成预设分布的光场。本发明不限于此，波导11的侧表面上也可以设置多个天线结构12，例如两个天线结构，可以对称地分布在波导11的侧表面上，下文将具体描述这样的实施例。
61.根据本发明的实施例，所述预设分布的光场由所述天线结构12的沟槽的数目、沟槽的间隔、沟槽的深度、沟槽的宽度以及所述天线结构的宽度确定。在设计时，可根据具体的实际情况和需求来确定预设分布的光场，进而根据预设分布的光场来设计天线结构12以及沟槽的参数，例如天线结构的沟槽的数目、任意相邻沟槽的间隔、每一个沟槽的深度(图1中z方向的尺寸)、每一个沟槽的宽度(图1中y方向的尺寸)以及所述天线结构的宽度(图1中y方向的尺寸)确定。
62.根据本发明的一个实施例，所述预设分布的光场为为具有特定动量和能量分布的光场，例如大致具有高斯分布、艾里分布、洛伦兹分布、贝塞尔分布、拉盖尔-高斯分布中的一种。本发明不限于此，也可以设计并产生其他类型的光场，这些都在本发明的保护范围内。
63.在产生了预设分布的光场之后，可以利用该光场来操控微粒，也就是通过图1所示的光波导天线器件10产生光场，光场具有特定能量和动量分布，从而推动、拉动、牵引、捕获或者旋转微尺度的物体。图1中从波导11耦出的光束可用来对具有不同折射率的微米或纳米颗粒进行光操控。光波导天线器件10可与微流体通道相结合，即光波导天线器件10位于微流体通道的底部，光波导天线器件10上方液体里的粒子在接触到光束时，被光束产生的
梯度力拉向光束中心并且最终被拉向器件上表面光场最强的位置，粒子被稳定捕获在此位置。
64.图1所示的光波导天线器件10可被用来捕获尺度范围从微米到纳米量级的颗粒，包括细胞、细菌、病毒、核酸、蛋白质、脂粒等生物目标，也可以捕获所述尺寸范围内的非生物目标例如量子点、介质微纳米颗粒、金属微纳米颗粒、高分子聚合物微纳米颗粒等微观尺度在微米或纳米量级的颗粒。另外，图1所示的光波导天线器件10还可以用于改变所述微粒的形态，例如对于一些分子链，通常状态下缩在一起，受力以后可能会展开。
65.图1中的一个天线结构可称作一个光操控单元，如果将多个光操控单元通过一定的排布方式结合起来，即可形成功能更加复杂和多样化的光操控系统。光操控单元由于基于光波导天线器件，所以在一个芯片上可以大量集成，基于分支波导和多模干涉耦合器等器件，可以将输入的光能量分到多根光波导上，从而形成光操控单元阵列结构。
66.图1所示的实施例中，天线结构12与所述波导11集成在一起，直接在所述波导的侧表面上进行蚀刻(或采用其他加工方式)以形成所述沟槽。可替换的，所述天线结构12与所述波导11也可以为单独的部件，分别制造加工，然后将天线结构12贴附在所述波导11的侧表面上，以形成本发明的光波导天线器件10。这些都在本发明的保护范围内。
67.如图1所述的波导结构，其可以将光束传导到用于操控微粒的天线结构中，以较小的损耗传输例如可见光到近红外光等光操控系统中常用波段的光波导模式，该波导可灵活传输te、tm基模或高阶模等波导模式，可以是单模波导，也可以是多模波导，在传播光的过程中，该波导不限于宽度均匀的模式保持波导，可以是宽度渐变的模式保持波导，也可以是结构突变的模式转换波导等。
68.图2示出了根据本发明另一个实施例的光波导天线器件10'的示意图。图2所示的光波导天线器件10'具有图1实施例的光波导天线器件10的基本结构，包括波导11和天线结构12。其中所述波导11具有第一端面和第二端面，分别用于耦入/耦出光束，所述波导并且具有位于所述第一端面111和第二端面112之间的侧表面。天线结构12设置在波导11的侧表面(图1中显示为波导11的上表面)上，天线结构12包括多个沟槽，从而形成凹凸不平的结构，从而当光束在波导11内部传播到天线结构12的沟槽的位置处时，经过沟槽的作用而被耦出或散出所述波导11的外部，在所述波导外部产生预设分布的光场。下面重点描述图2实施例与图1实施例的区别之处，相同之处不再赘述。
69.根据本发明的一个实施例，如图2所示，所述光波导天线器件10'还包括覆盖在所述天线结构12上的覆盖层13，覆盖层13的厚度与所述波导11周围的倏逝场的深度相关。
70.通常，光子器件周围的倏逝场具有几百纳米的深度，而超出这个范围的微粒，是感受不到光力的，而微流体通道通常具有几微米至几百微米的高度，远远超出光子器件可以作用到的范围，所以倏逝场会大大限制器件的捕获范围和捕获效率，大部分的微粒不会被抓住。同时，倏逝场存在于光子器件的几乎所有位置处的表面，这会在一些需要将微粒捕获在特定位置的使用环境中，对目标位置的捕获造成干扰，即微粒除了会被捕获在预想的位置，同时还有可能被捕获在器件其他位置的倏逝场中。因此，本技术的发明人构思出，可以将待捕获的微粒与波导和天线中传导的模式产生的倏逝场隔离开。例如在波导上的天线结构加工完成后，在天线结构上方沉积一层覆盖层13，该覆盖层13的厚度和覆盖区域可根据倏逝场的深度和辐射光束(光场)的分布来调整，达到将微粒与倏逝场隔离但是不影响辐射
光束捕获微粒的目的。该覆盖层的上表面可以是平坦的，也可以是非平坦的。图2所示的覆盖层13的上表面是平坦的，例如先沉积大于所需厚度再整体抛光。图3示出了覆盖层13的上表面是非平坦的，直接沉积所需厚度但其上表面不平整。
71.该覆盖层13的材料可选择但不限于ge、si、sio2、sic、sin、al2o3、linbo3、石墨烯等常用半导体材料、gan、gaas、inp等
ⅲ‑ⅴ
族化合物，还可以选择su-8、pmma、pdms等聚合物材料。另外，所述覆盖层优选经过生物处理，包括但不限于亲水、疏水处理，或者经过生物亲和、生物排斥、表面抗菌、抗原抗体表面嫁接等处理等。
72.如图2所示，根据本发明的一个优选实施例，所述光波导天线器件10'还包括基底14，所述基底14设置在所述波导11的与所述天线结构12相反的一侧上，即图2中波导11的下表面上。根据本发明的一个优选实施例，所述基底14包括第一基底141和第二基底142，所述第一基底141设置在所述波导11的与所述天线结构12相反的一侧上，所述第二基底142设置在所述第一基底141的与所述波导11相反的一侧上。本领域技术人员容易理解，基底14也可以为单层基底。
73.在沉积所述覆盖层13时，可以仅仅覆盖所述天线结构12，或者覆盖整个所述基底，包括所述天线结构12。当把光波导天线器件集成为光芯片时，可以灵活地控制覆盖层沉积的位置和范围，可以沉积在整个芯片表面，也可以只沉积在天线结构上方。
74.根据本发明的一个优选实施例，所述沟槽的侧壁可以与所述波导11的侧表面是垂直的(即沟槽的侧壁位于yz平面中，而波导11的侧表面或上表面位于xy平面内，二者垂直)，也可以是非垂直的，即所述沟槽的侧壁并非位于yz平面内，而是与yz平面具有一定的夹角。另外，所述沟槽的侧壁与所述波导11的纵向(x轴的方向)可以是垂直的，也可以是非垂直的(即从上方观察，所述侧壁是倾斜的，与x轴和y轴均成一定夹角)，所述沟槽也可以是非直线的，例如为大致沿着y方向延伸的折线、弧线或曲线，这些都在本发明的范围内。
75.另外，根据本发明的一个优选实施例，天线结构12中的所述多个沟槽呈非均匀分布，即多个沟槽之间的距离并非是均匀的。另外，所述多个沟槽的宽度(即沿着图中y方向的尺寸)可以是非均匀的，例如图4所示的，在所述波导11的中间位置处的沟槽的宽度较窄，靠近波导11的第一端面和第二端面的位置处的沟槽的宽度较大。于此相应的，所述波导的宽度也可以是非均匀的。
76.本发明中，天线结构可以灵活设计。天线结构包括沟槽，例如通过在波导上刻槽而形成，其主要目的是将沿着波导传播的光模式散射到其他方向，主要是散射到波导上方，这个散射形成的场可以由调整天线结构的宽度、波导天线结构宽度的变化曲线、刻槽的个数、任意相邻刻槽之间的间隔、任意刻槽的宽度和深度这些参数来决定，一组参数对应一个分布确定的场，通过以所需的光场的分布函数为目标，对这些参数进行优化，就可以得到所需的辐射光束，这些辐射光束在xz平面内满足或近似满足例如一阶或高阶的高斯分布、艾里分布、洛伦兹分布、贝塞尔分布、拉盖尔-高斯分布等光操控的光束；刻槽的深度基于波导的结构可以有很多种：如果波导是单层材料的矩形波导结构，刻槽的结构可以是只刻掉波导上一部分，也可以是将波导刻透，露出基底的上表面；如果波导是脊型波导，可以只刻上方脊波导的部分，也可以刻到下方平板波导内部；如果波导是多层材料波导，例如上层si、下层sin的波导，该种结构可以将更大比例的光辐射到波导上方从而产生很小的基底损耗，这种波导可以只刻si，可以刻部分si，也可以刻透si同时刻掉部分sin，还可以将两部分都刻
透。总之，刻槽深度包括但不限于以上描述，可以随波导结构来灵活调整。另外，波导的宽度可以是固定的，如图1所示，也可以是沿着x方向是变化的，例如服从某种函数变化，包括但不限于双曲线函数、二次函数、分段折线函数、圆、椭圆函数、指数函数等，不限于这些，或者可替换的，可以不服从任何函数而是随机变化的，如图4所示，这有利于使光束在y方向上也达到比较理想的强度分布。刻槽的个数、任意相邻刻槽的间距、任意刻槽的位置和宽度，任意刻槽的深度等参数均可以灵活调整；刻槽的方向可以是垂直于波导传播方向，即沿y轴方向，也可以与y轴形成夹角，即从xy平面观察是斜的刻槽，刻槽可以是垂直向下刻，也可以是斜着向下刻，即从xz平面观察刻槽侧壁是斜的，各刻槽的角度范围也可以是不同的且各自可调的。
77.根据本发明的一个实施例，所述第一基底141的位于所述波导11下方的至少一部分被去除。第一基底141例如采用氧化层制成，优选为sio2，其用来将波导层与第二基底142隔开，从而使波导中传播的光接触不到第二基底142而减少光模式的泄漏，该第一基底141或氧化层的厚度可以调整，使向下辐射的从氧化层与基底层界面向上反射的光与天线结构向上辐射的光相干增强。如图5所示，在第一基底141中去除部分材料，形成了空腔cav，其中可填充折射率低于第一基底141的材料，例如水h2o，h2o的折射率比sio2小，这有利于阻止光向下辐射损失能量。在形成空腔cav时，可以通过湿法刻蚀将第一基底141的sio2腐蚀掉，然后在空腔cav形成的微流体通道中灌注液体。
78.根据本发明的一个优选实施例，所述的光波导天线器件10或10'还可包括光源，所述光源配置成可发射光束，所述光束被耦入所述波导，所述光源包括连续激光器、脉冲激光器、ps激光器、fs激光器、窄带激光器、宽带激光器或led、sled。所述波导11和天线结构12可以集成为光芯片的形式，所述光源可以集成在所述光芯片上，或者与所述光芯片分离，这些都在本发明的保护范围内。
79.光波导将光源的光导传输到天线结构的沟槽区域，可以是如图1所示的单输入光的结构，也可以是从两端同时输入光的结构，即天线区域两端均可输入光，如图4所示。在图4的结构中，光波导天线器件上具有两个天线结构，分别靠近波导的其中一个端面。当两个端面均输入光时，天线的结构可以是关于yz结构对称的，也可以是非对称的，从而可以产生对称或非对称的向上辐射的光束。
80.图6示出了根据本发明一个实施例的光波导天线器件的纵向剖视图。如图6所示，光波导天线器件包括波导11，其上具有由多个沟槽形成的天线结构，并且其上具有覆盖层13。图6中的光波导天线器件具有对称的天线结构，即在图6中，z轴两侧分别具有一个天线结构，两个天线结构的沟槽围绕z轴(实际上关于yz平面)是对称的。以z轴右侧的沟槽为例，具有四个沟槽以及位于各个沟槽之间的脊状部，在图中从左向右，脊状部的长度(x轴方向的尺寸)以及沟槽的长度分别为s1、w1、s2、w2、s3、w3、s4以及w4。其中s1为两个天线结构共用的脊状部的尺寸的一半。波导11由si制成，覆盖层13由sio2制成。另外，所述光波导天线器件还包括第一基底141和第二基底142。依次位于波导11的下方。其中第一基底141由sio2制成，第二基底142由si制成。
81.图6的光波导天线器件采用soi(silicon-on-insulator)结构，波导的上层si材料被部分刻掉以形成天线结构，并且天线结构关于yz和xz对称且两端输入，波导和天线结构的宽度均是固定的，设计出一个波长1550nm的、向上辐射的光场分布在xz平面上关于z轴
±
20
°
的范围内。如图6所示，该结构基于soi结构，包括上硅层、sio2氧化层、基底si，其中上硅层的厚度是220nm，sio2氧化层的厚度是1μm，基底厚度通常为500μm左右且无精确要求。为形成所述光场分布，通过优化可得到表1所示的参数值：
82.表i
[0083] 长度(nm) 长度(nm)s1156w1238s2294w2510s382w31000s476w484d130
ꢀꢀ
[0084]
在制造时，可以先对上硅层进行加工刻蚀，得到固定宽度为1.5μm，厚度为220nm的波导，然后按照表1所述参数对波导进行刻槽，刻槽深度为130nm。加工完天线结构以后，再在芯片上方整体沉积一层sio2作为覆盖层，并将其打磨抛光至上表面平整，最后得到约0.72μm厚度的上方覆盖层，该厚度的覆盖层足够将波导天线表面的倏逝场与微粒隔离开，保证器件中间向上辐射光束捕获微粒时的稳定性。
[0085]
该结构的设计针对1550nm的光波长。得到如图7所示的光场的强度分布。利用图7所示光场分布，可对折射率分布在1.4-1.57、微粒尺寸分布在10μm
–
200nm的微粒进行捕获，将微粒从较高的位置捕获到覆盖层的上表面位置。图8示出了不同尺寸和折射率颗粒在器件高度方向受力分布图，是粒子在光束中心沿高度方向所受力的分布，可以看出，对于具有所述折射率和尺寸的粒子，均可在某一特定高度范围内受到向下的拉力，最终被捕获到器件的上表面。上述实施例中的光束可用来捕获具有不同折射率的微米或纳米颗粒：辐射该光束的器件可与微流体通道相结合，即该器件位于微流体通道的底部，与液体直接接触，器件上方液体里的粒子在接触到光束时，被光束产生的梯度力拉向光束中心并且最终被拉向器件上表面光场最强的位置，粒子被稳定捕获在此位置。
[0086]
本发明还涉及一种生物微粒分析仪，包括如上所述的光波导天线器件10或10'。
[0087]
图9示出了根据本发明一个实施例的生物分析仪20，其中包括多个如上所述的光波导天线器件10或10'，如图6中所述的光波导天线器件10-1、10-2、
…
、10-12。优选的，所述多个光波导天线器件设置成非均匀的密度，如图6中示意性所示的，图中上方密度更高，越往下越稀疏。另外，本领域技术人员容易理解，生物分析仪20可包括任意数目的光波导天线器件，例如数百、数千乃至数万。
[0088]
生物分析仪20还可包括光源l，光源l发射光束，然后经过分束器进行分束(图中所示分为12条光束)，分束后的光束分别被耦入所述光波导天线器件10-1、10-2、
…
、10-12中，并通过所述光波导天线器件的天线结构被耦出所述波导外部。所述分束器例如y型分束器。另外，所述生物分析仪20包括微流体通道，图6中示出了微流体通道的入口inlet和出口outlet，分别用于导入和导出微流体，所述出、入口在实际操作中可以转换功能。所述微流体通道中的流体将被分配到每个光波导天线器件的天线组件上或者覆盖层上。
[0089]
图9所示的实施例中，生物分析仪20包括光源l，光源l发出的光束经分束后被耦入到各个光波导天线器件10-1、10-2、
…
、10-12的波导中。本领域技术人员容易理解，当光波导天线器件本身集成了光源时，生物分析仪20也可以不包括光源l和/或分束器，这些都在
本发明的范围内。
[0090]
图9所示的生物分析仪20的示例工作过程如下。首先开启光源l，然后在微流体通道内注入含有药物颗粒的溶液，当溶液流过光波导天线器件阵列的天线结构的区域时，所述每一个天线结构均会捕获一个药物颗粒，已经捕获一个颗粒的天线结构通常很难再捕获第二个颗粒，经过一段时间，所有的天线结构均捕获了颗粒，然后停止注入含有药物颗粒的溶液，缓慢注入不含颗粒的生物溶液，使其将微流体通道中的剩余未捕获的颗粒带出通道。此时，通道内形成了不同分布密度的、按照波导天线结构排布的特定位置固定的药物颗粒，再从通道另一侧注入少量细胞，即可观察在同一个生物环境中，药物按照不同密度分布时生物细胞的不同反应。
[0091]
细胞对具有不同分布浓度的药物颗粒的敏感度不同，传统的大范围药物浓度测试由于各浓度独立实验，不利于控制其他变量的完全一致，同时，这样的分析不够精细化，也不利于观察药物对细胞发生作用的具体过程。通过本发明，可以在一个芯片上将大量所述波导天线结构排布成阵列，所述阵列按照不同间隔或者密度排布，如图6所示，然后在所述芯片上方集成微流体通道用来输送研究的生物对象。
[0092]
另外，本发明的光波导天线器件以及生物分析仪还可以进行多种类型的光操控，例如用于特定生物过程的长时间观察；促进不同细胞间或细胞与其他物质的融合和反应；微粒输送；不同大小或种类细胞分选；核酸分子或蛋白质等生物大分子、细胞、细胞器、抗原抗体复合物等固定或旋转进行形态研究。
[0093]
本发明还涉及一种通过光场操控微粒的方法100，如图10所示，包括：
[0094]
在步骤s101：向一波导中耦入光束；
[0095]
在步骤s102：通过所述波导的侧表面上的天线结构，将光束耦出所述波导外部并在所述波导外部产生预设分布的光场以操控微粒。
[0096]
根据本发明的一个实施例，所述方法100还包括：
[0097]
在所述天线结构的上方放置液体，所述微粒位于所述液体中；
[0098]
通过所述光束耦出所述波导外部后产生的预设分布的光场，确定所述微粒的位置或改变所述微粒的形态。
[0099]
根据本发明的一个实施例，所述方法通过如上所述的生物微粒分析仪执行。
[0100]
根据本发明的一个实施例，所述的方法100还包括：
[0101]
激发所述微粒的荧光或拉曼信号；和
[0102]
采集所述荧光或拉曼信号。
[0103]
所述波导天线器件还可以在捕获微粒的同时，激发目标微粒的一些特征信号：例如荧光或拉曼信号；相反的，目标微粒被激发的特征信号也可以被所述天线器件收集，从波导导出；以上靠天线结构激发或接收过程可独立进行或同时存在。
[0104]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。