傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器的製造方法
2023-08-08 09:25:16
傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器。該光學生化傳感器包括傳感單元、解調單元和電路部分。雷射光源、第一直光波導、第一光波導微環、第二直光波導和傳感池構成傳感單元；第二直光波導、第二光波導微環、倒L形光波導、第一光電探測器和第二光電探測器構成解調單元。該發明利用傳感單元光波導微環的高Q值特性實現待測生化樣品溶液的高靈敏傳感功能；利用解調單元光波導微環兩個輸出埠光譜的互補特性構建功率比值與波長對應函數，實現傳感單元輸出光波波長的實時快速解調。將傳感單元、解調單元和電路部分集成到同一平臺上，實現傳感解調一體化和光學生化傳感器的微型化和片上傳感系統，具有穩定性高、操作便捷的優點。
【專利說明】傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器
【技術領域】
[0001] 本發明屬於光傳感【技術領域】，具體涉及一種傳感解調一體化的集成波導光學生化 傳感器。
【背景技術】
[0002] 光學生化傳感器在生物工程、醫療檢測、環境監測等領域具有廣闊的應用前景。其 基本原理是待測物質與光波相互作用，從而使光波的某些物理參量，如波長、強度、相位、偏 振等，發生變化，通過對這些物理參量的測量來獲得待測物質的濃度、類別等信息。
[0003] 集成波導光學生化傳感器以其靈敏度高、所需樣品量少、體積小、能耗低等優勢呈 現出廣闊的應用前景。基于波導微環、馬赫一曾德幹涉儀等結構的集成波導光學生化傳感 器相繼報導。研究工作主要集中在傳感單元的設計與傳感功能的驗證，對於解調主要是利 用實驗室的測試系統進行演示，尚未滿足實際應用中光學生化傳感器的微型化和低成本要 求。
[0004] 在先技術[1] (Gun-Duk Kim, Geun-Sik Son, Hak-Soon Lee, Ki_Do Kim, Sang-Shin Lee. - Integrated photonic glucose biosensor using a vertically coupled microring resonator in polymers || Optics Communications, 2008, 281，pp. 4644 - 4647.)中，米用垂 直耦合聚合物集成波導微環作為傳感單元實現了對葡萄糖溶液濃度的檢測，該傳感器採用 可調諧雷射器為光源，光電探測器為功率接收裝置，掃描可調諧雷射器輸出波長，記錄葡萄 糖溶液不同濃度條件下波導微環輸出的光譜，通過對諧振波長漂移量的檢測解調來獲得葡 萄糖溶液的濃度。該傳感檢測系統需要可調諧雷射器為光源，成本高、系統結構複雜。
[0005] 在先技術[2] (Sang-Yeon Cho and Deva K. Borah. - Chip-scale hybrid optical sensing systems using digital signal processing, || Optics Express, 2009, Vol. 17, No. l，pp. 150-155)中，採用寬帶光源、陣列波導光柵（AWG)和陣列式光電探測器（PD)構成波 導微環傳感器的傳感解調系統。AWG具有解復用功能，不同波長的光波在AWG的不同埠 輸出，通過探測各個埠的光波功率值並進行採樣擬合，來檢測微環傳感器輸出波長值的 改變量，進而獲得待測樣品濃度。該傳感解調裝置雖然避免了先前技術[1]中的波長掃描， 並且採用了集成光波導AWG以減小波導晶片尺寸，但是需要陣列式（多個）光電探測器對 AWG多個輸出埠的光波進行光電轉換，然後再進行多路信號取樣擬合處理，增加了傳感檢 測裝置的體積和數據處理的複雜性。
[0006] 在先技術[3] (Kyowon Kim and Thomas E. Murphy. - Porous silicon integrated Mach-Zehnder interferometer waveguide for biological and chemical sensing, || 2013 ，Vol. 21，No. 17, pp. 19488-19497)中，以兩個Y分支光波導構成馬赫-曾德幹涉結構多孔 矽光波導傳感器。採用雷射外差幹涉解調方法實現對異丙醇的傳感檢測。該傳感解調系統 除了雷射器和光電探測器外，還需要數位訊號發生器、鎖相放大器等設備，傳感解調系統復 雜、成本高。
【發明內容】
[0007] 本發明針對上述集成波導光學生化傳感器存在的結構尺寸大、解調算法複雜、成 本高等技術問題，提出一種傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器。該集成波導光學 生化傳感器包括傳感單元、解調單元和電路部分。
[0008] 所述傳感單元在集成波導光學生化傳感器前部，包括雷射光源，第一直光波導，第 一光波導微環，第二直光波導，傳感池；第一直光波導與第一光波導微環構成第一耦合區； 第一光波導微環與第二直光波導構成第二稱合區；
[0009] 所述解調單元在集成波導光學生化傳感器中部，包括第二直光波導，第二光波導 微環，倒L形光波導，第一光電探測器，第二光電探測器；第二直光波導與第二光波導微環 構成第三耦合區；第二光波導微環與倒L形光波導構成第四耦合區；第二直光波導和倒L 形光波導垂直相交，分別構成解調單元的兩個光學輸出埠；
[0010] 所述電路部分在在集成波導光學生化傳感器後部，包括第一連接電路，第二連接 電路，數據採集與處理單元；
[0011] 所述第一光波導微環的自由光譜範圍為FRSi，第二光波導微環的自由光譜範圍為 FSR2，滿足FRS2彡關係。
[0012] 所述雷射光源譜寬I，滿足I彡FRSi關係。
[0013] 所述一種傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器的傳感解調方法，其特徵在 於該方法具有如下步驟：
[0014] a.雷射光源輸出譜寬為I的光波進入第一直光波導，經第一稱合區稱合進入第一 光波導微環，光波在第一光波導微環中往返傳輸，與傳感池中的待測生化樣品溶液發生相 互作用，滿足諧振條件的光波&從第二耦合區耦合輸出至第二直光波導。諧振光波\與第 一光波導微環的周長U滿足如下關係
[0015] πιλ R1 = （1)
[0016] 其中nrff為待測生化樣品溶液覆蓋波導的有效折射率，m為諧振級數。
[0017] b.傳感池中的待測生化樣品溶液的濃度不同，其折射率不同，待測生化樣品溶液 覆蓋波導的有效折射率neff不同，使得波導微環的諧振波長\不同，即從第二耦合區耦合 輸出至第二直光波導的不同波長代表待測生化樣品溶液的不同濃度，實現對待測生化樣品 溶液的傳感檢測功能。
[0018] c.從第二f禹合區f禹合輸出至第二直光波導中光波的一部分在第三f禹合區f禹合進 入第二光波導微環，然後經第四f禹合區f禹合輸出進入倒L形光波導，並傳輸至第一光電探 測器進行光電轉換輸出光電流。
[0019] d.從第二耦合區耦合輸出至第二直光波導中光波的另一部分經第三耦合區繼續 傳輸，經第二直光波導的光輸出埠達到第二光電探測器進行光電轉換輸出光電流。
[0020] e.第一光電探測器和第二光電探測器輸出的光電流分別經第一連接電路和第二 連接電路進入數據採集與處理單元轉換為光功率值Pi和P 2, Pi和P2滿足以下公式
【權利要求】
1. 一種傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器，其特徵在於： 該集成波導光學生化傳感器（1)包括傳感單元、解調單元和電路部分； 傳感單元在集成波導光學生化傳感器（1)前部，包括雷射光源（2)，第一直光波導（3)， 第一光波導微環（5)，第二直光波導（7)，傳感池（17);第一直光波導（3)與第一光波導微 環（5)構成第一稱合區（4);第一光波導微環（5)與第二直光波導（7)構成第二稱合區 (6)； 解調單元在集成波導光學生化傳感器（1)中部，包括第二直光波導（7)，第二光波導微 環（9)，倒L形光波導（11)，第一光電探測器（12)，第二光電探測器（13);第二直光波導（7) 與第二光波導微環（9)構成第三耦合區（8);第二光波導微環（9)與倒L形光波導（11)構 成第四耦合區（10);第二直光波導（7)和倒L形光波導（11)垂直相交，分別構成解調單元 的兩個光學輸出埠； 電路部分在在集成波導光學生化傳感器（1)後部，包括第一連接電路（14)，第二連接 電路（15)，數據採集與處理單元（16); 第一光波導微環（5)的自由光譜範圍為FRSi，第二光波導微環（9)的自由光譜範圍為 FSR2，滿足FRS2彡2FRSi關係； 雷射光源⑵譜寬I，滿足I彡FRSi關係。
2. -種傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器的傳感解調方法，其特徵在於該方 法具有如下步驟： a. 雷射光源（2)輸出譜寬為I的光波進入第一直光波導（3)，經第一f禹合區（4) f禹合 進入第一光波導微環（5)，光波在第一光波導微環（5)中往返傳輸，與傳感池（17)中的待測 生化樣品溶液發生相互作用，滿足諧振條件的光波從第二耦合區（6)耦合輸出至第二直 光波導（7)。諧振光波&與第一光波導微環（5)的周長U滿足如下關係 m 入 R1 - neffLl 其中neff為待測生化樣品溶液覆蓋波導的有效折射率，m為諧振級數； b. 傳感池（17)中的待測生化樣品溶液的濃度不同，其折射率不同，待測生化樣品溶液 覆蓋波導的有效折射率nrff不同，使得波導微環的諧振波長七不同，即從第二耦合區（6) 耦合輸出至第二直光波導（7)的不同波長代表待測生化樣品溶液的不同濃度，實現對待測 生化樣品溶液的傳感檢測功能； c. 從第二f禹合區（6) f禹合輸出至第二直光波導（7)中光波的一部分在第三f禹合區（8) 耦合進入第二光波導微環（9)，然後經第四耦合區（10)耦合輸出進入倒L形光波導（11)， 並傳輸至第一光電探測器（12)進行光電轉換輸出光電流； d. 從第二f禹合區（6) f禹合輸出至第二直光波導（7)中光波的另一部分經第三f禹合區 (8)繼續傳輸，經第二直光波導（7)的光輸出埠達到第二光電探測器（13)進行光電轉換 輸出光電流； e. 第一光電探測器（12)和第二光電探測器（13)輸出的光電流分別經第一連接電路 (14)和第二連接電路（15)進入數據採集與處理單元（16)轉換為光功率值Pi和P2, Pi和己 滿足以下公式
其中^和κ2分別為第三耦合區（8)和第四耦合區（10)的交叉強度耦合係數，γ為 第二光波導微環（9)的光波傳輸強度損耗因子，# = 為第一光波導微環（5)經第 二耦合區（6)輸出的光波在第二光波導微環（9)中的傳輸相位； 傳感解調單元兩輸出埠的功率一波長響應譜具有互補特性，即Pi和Ρ2的光譜響應的 峰值波長與谷值波長重合，二者的功率比值R在〇?FSR2/2範圍內與光波長具有一一對應 的關係。利用該對應關係，獲得無待測生化樣品的純液體條件下從第二耦合區（6)耦合輸 出至第二直光波導（7)的光波波長<"，以及有待測生化樣品的溶液條件下從第二耦合區 (6)耦合輸出至第二直光波導（7)的光波波長<，二者的差值為說-進而根據 公式（1)獲得待測生化樣品溶液的濃度信息。
【文檔編號】G01N21/41GK104048943SQ201410253124
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月9日 優先權日:2014年6月9日
【發明者】韓秀友, 趙明山 申請人:大連理工大學