CN101706424A - 基于级联微腔的数字式集成光波导传感器 - Google Patents

基于级联微腔的数字式集成光波导传感器 Download PDF

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Abstract

本发明的基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，包括一个恒定微腔、一条输入波导、n个传感微腔、n条连接波导、n条输出波导和n个样品槽，n≥1；每一个传感微腔分别置于样品槽当中，输入波导位于恒定微腔的一侧，输入波导的一端与恒定微腔相耦合，另一端为整个光波导传感器的光源接入端；n条连接波导的一端各自与恒定微腔相耦合，n条连接波导的另一端分别与n个传感微腔相耦合，n条输出波导的一端分别与n个传感微腔相耦合，n条输出波导的另一端均为传感信号出射端。该光波导传感器具有数字式工作模式，灵敏度高、抗噪声性能好、可靠性高、并易于扩展实现阵列化，便于与集成光谱仪单片集成，有利于实现集成化、小型化、便携式、低成本的传感系统。

Description

基于级联微腔的数字式集成光波导传感器
技术领域
本发明涉及一种基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，属于光传感领域。
背景技术
在药物开发、环境监测、食品安全检测等领域，可靠的测试手段不可或缺，而传感技术正是其核心技术。利用先进传感技术，可以对物质成分/浓度等进行实行定性或定量分析。光学传感是传感技术的重要分支，其基本原理是：当被测物质与光场作用时，导致光信号某些参量(如强度、波长、相位、偏振态、模式分布等)的变化。
在众多不同形式的光学传感器中，集成光波导传感器是目前最受关注的一种类型。集成光波导传感器通常采用谐振或干涉原理，如各种微腔结构、马赫-泽德干涉仪(MZI)等。其中，微腔具有结构紧凑、灵敏度高、可阵列化等优势。
一般来讲，主要有两类传感方式：标记型和无标记型。前者需要在检测前对被分析物进行特殊标记，通过检测标记物的量变来检测被分析物，因而具有成分分辩能力和高灵敏度的特点，但检测过程相对复杂。而无标记型传感器的原理是直接测定被测对象引起的光学信号变化(如抗原抗体等生物组合形成时的物理、化学变化)，无需特殊标记，故具有制备和操作简便的优点，适用于持续性在线监测。
无标记工作模式为：将被测样品覆盖于光波导表面，当被测样品浓度或成分变化时，其折射率也会发生相应变化Δn，从而引起光波导有效折射率变化
Figure G2009101546017D0000011
利用特定的光路，则可将光波导有效折射率变化Δneff转化为光强或谐振波长的变化量进而可以通过频谱仪或光强计进行检测。
对于常规的微环传感器，通常是通过测试微环谐振波长的漂移获得被测物理量的大小。此时，对于高灵敏度传感应用，价格昂贵的高分辨率(如0.01nm)光谱仪就往往成为不可或缺的重要检测仪器，这阻碍了光学传感系统微型化、便携化和低成本化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高灵敏度的基于级联微腔的数字式集成光波导传感器。
本发明的基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，包括一个恒定微腔、一条输入波导、n个传感微腔、n条连接波导、n条输出波导和n个样品槽，n≥1；每一个传感微腔分别置于样品槽当中，输入波导位于恒定微腔的一侧，输入波导的一端与恒定微腔相耦合，另一端为整个光波导传感器的光源接入端；n条连接波导的一端各自与恒定微腔相耦合，n条连接波导的另一端分别与n个传感微腔相耦合，n条输出波导的一端分别与n个传感微腔相耦合，n条输出波导的另一端均为传感信号出射端。
上述的恒定微腔可以是微环、微盘、微球或光子晶体微腔，或者是微环、微盘、微球和光子晶体微腔的任意两个或多个的组合。
上述的传感微腔可以是微环、微盘、微球或光子晶体微腔，或者是微环、微盘、微球和光子晶体微腔的任意两个或多个的组合.
本发明中，传感微腔与输出波导之间的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合；传感微腔与连接波导之间的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合。
本发明中，恒定微腔与输入波导之间的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合；恒定微腔与连接波导之间的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合。
其工作原理为：将被测物质加入样品槽，宽带光从输入波导的一端入射，在恒定微腔和传感微腔分别发生谐振。恒定微腔和传感微腔各自有一系列谐振波长，且它们的自由频谱范围(FSR)不相等。当传感微腔的某一级次谐振波长与恒定微腔的某一级次谐振波长重合时，此谐振波长称之为恒定微腔和传感微腔的公共谐振波长。此时，可以从相应输出光波导的输出光谱中检测到该公共谐振波长。工作时，将恒定微腔的谐振波长固定不变，而传感微腔的谐振波长随着样品槽中样品折射率变化而漂移。当样品折射率从n1变化为n2时，由于恒定微腔、传感微腔的自由频谱范围(FSR)不相等，它们的公共谐振波长将从λ1变为λ2，通过测试公共谐振波长的变化，即可获知样品折射率比变化量。其波长漂移量Δλ(即λ1与λ2之差)为恒定微腔的自由频谱范围(FSR)整数倍。由于微腔自由频谱范围通常为纳米量级，波长漂移量Δλ也在纳米量级以上，因此非常容易用低分辨率频谱仪进行检测。而且，由于波长漂移量Δλ是离散的，因而输出光波导的输出光谱具有数字式工作特征。用频谱仪检测时，并不需要获得谐振波长的精确值，只需测得其粗略范围即可。为了获得高灵敏度，通过设计使得两个微腔自由频谱范围(FSR)很接近，从而即使样品折射率发生非常微小的变化，公共谐振波长变化量仍然非常显著，其波长漂移量Δλ为恒定微腔的自由频谱范围(FSR)整数倍，达到纳米量级。因此本发明可利用低成本的低分辨光谱仪实现超高灵敏度检测。
本发明有益的效果是：
1.本发明结构简单、设计方便、制作简便、仅需标准工艺制作。
2.本发明只需要具有纳米量级分辨率的光谱仪，极大地降低了对光谱仪的要求，从而使得光传感系统成本大大降低；并使得光波导传感器与集成光谱仪(通常分辨率较低)的单片集成成为可能，有利于实现集成化、小型化、便携式传感模块/系统，也可进一步降低成本。
3.传感器工作时只要判断某个谐振级次的公共谐振峰是否存在，具有数字式的工作特征，因而抗噪声性能好、可靠性高。
4.易于扩展，实现传感器阵列化。
附图说明
图1是一种基于级联微腔的数字式集成光波导传感器示意图；
图2是另一种基于级联微腔的数字式集成光波导传感器示意图；
图3是当折射率变化量Δn＝0时，恒定微腔、传感微腔以及输出波导的频谱响应图；其中(a)为恒定微腔，(b)为传感微腔，(c)为输出波导；
图4是当折射率变化量Δn＝1.5×10-5时，恒定微腔、传感微腔以及输出波导的频谱响应图；其中(a)为恒定微腔，(b)为传感微腔，(c)为输出波导.
具体实施方式
参照图1，本发明的基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，包括一个恒定微腔1、一条输入波导3、一个传感微腔2、一条连接波导4、一条输出波导5和一个样品槽6；每一个传感微腔2分别置于样品槽6当中，输入波导3位于恒定微腔1的一侧，输入波导3的一端与恒定微腔1相耦合，另一端为整个光波导传感器的光源接入端；连接波导4的一端各自与恒定微腔1相耦合，连接波导4的另一端与传感微腔2相耦合，输出波导5的一端与传感微腔2相耦合，输出波导5的另一端为传感信号出射端。
将被测物质加入样品槽，宽带光从输入波导3的一端入射，在恒定微腔1、传感微腔2分别发生谐振。两个微腔1、2各自有一系列谐振波长，且恒定微腔1、传感微腔2的自由频谱范围(FSR)不相等。当传感微腔2的某一级次谐振波长与恒定微腔1的某一级次谐振波长重合时，此谐振波长称之为它们的公共谐振波长。此时，可以从输出光波导5的输出光谱中检测到该公共谐振波长。工作时，将恒定微腔1的谐振波长固定不变，而传感微腔2的谐振波长随着样品槽中样品折射率变化而漂移。当样品折射率从n1变化为n2时，由于恒定微腔1、传感微腔2的自由频谱范围(FSR)不相等，它们的公共谐振波长将从λ1变为λ2，其波长漂移量Δλ(即λ1与λ2之差)为恒定微腔1的自由频谱范围(FSR)的整数倍。通过测试公共谐振波长的变化，即可获知样品折射率变化量。
图2所示实例，n＝3，基于级联微腔的数字式集成光波导传感器包括一个恒定微腔1、一条输入波导3、三个传感微腔2、三条连接波导4、三条输出波导5和三个样品槽6；每一个传感微腔2分别置于样品槽6当中，输入波导3位于恒定微腔1的一侧，输入波导3的一端与恒定微腔1相耦合，另一端为整个光波导传感器的光源接入端；三条连接波导4的一端各自与恒定微腔1相耦合，三条连接波导4的另一端分别与三个传感微腔2相耦合，三条输出波导5的一端分别与三个传感微腔2相耦合，三条输出波导5的另一端均为传感信号出射端。
此例中，n＝3，构成了光波导传感器阵列，因而可用于多参量传感：将被测物质加入样品槽，可以在每个样品槽6分别加入不同样品，或者预先对各个传感微腔2分别作不同的表面修饰使之与样品中某一特定成分发生作用。宽带光从输入波导3的一端入射，在恒定微腔1发生谐振，通过与三条连接波导4分别发生耦合而分成三条支路，并分别耦合进入传感微腔2而发生谐振。通过分别测试各个输出波导5输出光谱的波长漂移，即可获得多路传感信号，从而实现传感阵列，实现单芯片多参量传感。
下面以图1所示级联微腔光波导传感器为例，说明本发明具有高灵敏度的数字式工作特点。
此例中，微腔采用微环结构，其中恒定微腔半径为59.4857μm，传感微腔半径R＝59.7832μm。图3为折射率变化量Δn＝0时恒定微腔、传感微腔以及输出波导的输出频谱图。由图3可见，恒定微腔、传感微腔的输出频谱有一系列谐振波长(一系列谐振峰)，而输出波导的输出频谱图仅有一个主峰，位于恒定微腔、传感微腔的公共谐振波长λres＝1550nm。当样品折射率变化时，传感微腔谐振波长发生漂移，而恒定微腔的频谱不变，因而其公共谐振波长发生漂移。图5给出了当有效折射率变化Δn＝2×10-5时的频谱响应变化情况，其公共谐振波长为λ’res＝1551.97nm。因此，通过检测公共谐振波长λres的漂移即可获知折射率的变化量。通过上述实施例，可知折射率的微小变化Δn～1.5×10-5即可引起近2nm的波长漂移，其灵敏度约为1.33×105nm/RIU(RIU：Refractive Index Unit，单位折射率)，远远大于传统微腔传感器灵敏度(200～400nm/RIU)。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，其特征在于包括一个恒定微腔(1)、一条输入波导(3)、n个传感微腔(2)、n条连接波导(4)、n条输出波导(5)和n个样品槽(6)，n≥1；每一个传感微腔(2)分别置于样品槽(6)当中，输入波导(3)位于恒定微腔(1)的一侧，输入波导(3)的一端与恒定微腔(1)相耦合，另一端为整个光波导传感器的光源接入端；n条连接波导(4)的一端各自与恒定微腔(1)相耦合，n条连接波导(4)的另一端分别与n个传感微腔(2)相耦合，n条输出波导(5)的一端分别与n个传感微腔(2)相耦合，n条输出波导(5)的另一端均为传感信号出射端。
2.根据权利要求1所述的基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，其特征在于恒定微腔(1)是微环、微盘、微球或光子晶体微腔，或者是微环、微盘、微球和光子晶体微腔的任意两个或多个的组合。
3.根据权利要求1所述的基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，其特征在于传感微腔(2)是微环、微盘、微球或光子晶体微腔，或者是微环、微盘、微球和光子晶体微腔的任意两个或多个的组合。
4.根据权利要求1所述的基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，其特征在于传感微腔(2)与输出波导(5)之间的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合。
5.根据权利要求1所述的基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，其特征在于传感微腔(2)与连接波导(4)之间的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合。
6.根据权利要求1所述的基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，其特征在于恒定微腔(1)与输入波导(3)之间的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合。
7.根据权利要求1所述的基于级联微腔的数字式集成光波导传感器，其特征在于恒定微腔(1)与连接波导(4)之间的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式是横向耦合或垂直耦合。
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