Интерферометр Маха-Цендера

2.2. Интерферометр на основе биосесоров. 
2.2.1. Интерферометр Маха-Цендера. 
Принцип работы интегрированного интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ) приведен на рис. 3 (А).

Рис. 3 (А)

А – датчик интерферометра Маха-Цендера

В – датчик мульти-канального интерферометра Юнга

С – датчик интерферометра Хартмана

Когерентные, то есть одинаковой частоты и поляризации, световые пучки лазера попадают в одномодовый входной волновод и делятся поровну на Y-образном перекрестке. Одна из ветвей отводится вверх, что позволяет затуханиям данного поля взаимодействовать с образцом, в то время, как опорное плечо защищено от образца плотным слоем облицовки. В  результате помех, обе ветви рекомбинируются на выходе фотодетектора меры интенсивности. Как правило, структурно волноводы должны быть одномодовы, а так же иметь одинаковую поляризациию, чтобы на выходе не появились мультимодальные помехи и кросс-поляризация. Результаты изменение на поверхности датчика, оптическое изменения фазы при зондировании плеча и последующее изменение интенсивности света, измеряется в фотоприемнике, процесс описан формулой: , где - P  - изменения амплитуды волнового вектора, а L - длина чувствительного региона, соответственно. Обычно, увеличение длины зондирования, приводит к увеличению зондирующего сигнала. Однако отметим, что из-за косинусозависимых функций интенсивности, изменение сигнала не так легко разрешимы вблизи максимума и минимума функции косинуса. По сравнению с датчиками, которые имеют линейную характеристику интенсивности,  это минус. Первым работу биодатчиков, с использованием интегрированного ИМЦ, продемонстрировал Хейдеймен с коллегами. Они создали ИМЦ на кремниевой подложке с Si3N4 волноводом и протравили решетки для ввода/вывода связи. Экспериментальное значение было установлено на уровне около степени. Антитела для хорионического гонадотропина человека (ХГЧ) адсорбировали на одном канале, и подобное выявление ХГЧ было специальным. Экспериментальное значение было принято на уровне 50 пМ ХГЧ.  Примерно в то же время, Ингенхоф с коллегами, использовали, полученную комплексную ИМЦ для обнаружения монослоя адсорбированных образований биомолекул, и в скором времени, та же группа добилась улучшений, путем оптимизации материалов волновода. В последующие годы технология волновода была улучшена.

Бросингер и Шхиппер с коллегами использовали SiON или Si3N4 волноводы с ребристой структурой на кремниевой подложке.  Размер RI DL составляет около 10-5 RIU - именно такие данные авторы приводят по чувствительности в молекулярном монослое. Кроме, в работе показано, что основная ветвь ИМЦ может быть использована для блокировки основных шумов, таких как температурные шумы модуляции, изменение и неспецифическая адсорбции.  Жидкостная система разработана, для возможности обработки поверхности каждой ветви различными способами; чтобы ветвь зондирования была подходящей для конкретного обнаружения во время отсылки, она должна быть готова отменить неспецифическое связывание. Тем не менее, следует отметить, что из-за поверхностного зондирования, основы  являются биологически различными, поэтому ожидается, что неспецифическая адсорбция на поверхности каждого  слоя будет разной. Последующая деятельность по итогам этой работы позже была опубликован Вейссером и коллегами; в своей работе они утверждают следующее – при помощи зондирования  1% стептавидина в монослое был обнаружен на поверхности. Это преобразует белок DL к 20 pgmm-2. Ряд инженерных усовершенствований датчиков интегрирующего ИМЦ был включен в работу (по Хейдману и Ламбеку). Как показали авторы, применение правильно спроектированного постоянного сигнала переменного тока для фазового модулятора, позволяет получить квадратурные точки синусоидальной выходной характеристики ИМЦ по интенсивности, через простую схему демодуляции. Напомним, что одним из недостатков структуры ИМЦ является то, что результаты ответа чувствительности, основанные на синусоиде, подвержены потерям на максимуме и минимуме косинуса. Тем не менее, квадратурные точки движутся непрерывно-линейно во время зондирования, и, таким образом, отслеживание квадратурных точек, а не выходной интенсивности, устраняет проблему снижения чувствительности при максимальном и минимальном положениях синусоиды. Несмотря на отличную  способность к обнаружению, фактически, на сегодняшний день, данные биодатчики так не были продемонстрированы. Еще одним важным изменение в структуре является обеспечение больших размеров ядра волновода ​​без ущерба для работы одномодового волокна или чувствительности. Ранее считалось, что при размерах ядра волновода порядка более 100 нм, возникают большие потери в связи интерфейс- ввод.  Одной из хорошо изученных архитектур волновода, которая может достичь одномодового режима, размерами до микрометра, при соблюдении антирезонансных отражающих свойств оптического волновода, является  «стрелка».  Кроме того, эта структура использует отражающую оболочку, состоящую из чередующихся слоев с высокими и низкими показателями преломления, поэтому наибольшее количество света проходит над поверхностью волновода, и, следовательно, не приходится жертвовать чувствительностью в угоду более крупными размерам. «Стрелка» была впервые предложена в интегрированной ИМЦ Хименесом и коллегами, а затем была реализована для биодатчиков той же группы. Кроме того, уникальная структура «стрелы» для интегрирующих ИМЦ была предложена Шу и Хваном, которые использовали вертикально расположенные друг над другом двухъядерные волноводные структуры. Дальнейшие достижения в интегрированную функциональность ИМЦ были заложены Бланко и коллегами. В этой работе, интегрированные ИМЦ устройства были изготовлены на пластине. Затем, микро-жидкостные сети была построены на пластине с использованием CMOS-совместимой многоуровневой сборке при использовании полимерных технологий. Эта сеть эффективно взаимодействует с внешней трубкой и точно обеспечивает зондирование области образца.  Хотя это была первая демонстрация интеграции микро-жидкостной пластины, ожидается, что, в конечном счете, это станет необходимым условием для эффективного развития волновода основе биосенсоров интерферометрии.