CN101893562A - 基于数字式微滴进样通道的高灵敏度集成光波导传感器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字式微滴进样通道的高灵敏度集成光波导传感器件。包括数字式微滴进样通道，输入、输出光波导，与输入、输出光波导相耦合的集成平面光波导传感器，将输出光波导中光信号转换成电信号的光电探测器以及与光电探测器相连的锁相放大器；与输入、输出光波导相耦合的集成平面光波导传感器放置在数字式微滴进样通道中缓冲液与待测物质混合形成微滴后的下面。本发明将待测物质按设定频率f流经集成光波导传感器传感区域，对传感器输出光波导输出信号进行频率为f的调制，使输出信号变为交流信号，并通过锁相放大器将频率为f的有效信号提取出来，最大限度地滤除由激光器和光电探测器引入的以白噪声为主的噪声，提高传感器的灵敏度。

Description

基于数字式微滴进样通道的高灵敏度集成光波导传感器件

技术领域

本发明涉及集成光波导传感器，尤其是涉及一种基于数字式微滴进样通道的高灵敏度集成光波导传感器件。

背景技术

光学生物化学传感器具有不受电磁干扰，灵敏度高等特点，不仅广泛应用于传统医学领域，推动医学发展，而且还在空间生命科学、食品工业、环境监测和发酵工程等领域有着广泛的应用。

利用光学方法进行生物化学传感有两种主要的方法：一种是基于荧光探测的方法，另一种则是免标记的方法。对于荧光探测，需要特定的荧光标记物对待测物质进行标记，通过检测荧光的强度就可以得到所需的生物化学信息，虽然其拥有很高的灵敏度，但是荧光物质往往会对被探测物质产生化学作用，从而限制了其的使用，而且由于无法精确控制每个分子上的荧光团数目，所以其在定量分析上的表现也会受到影响。而对于免标记的方法，目标探测物无需标记，通过测试被探测物质的折射率的变化便可以得到所需的生物化学信息，且该方法易于进行定量分析。

集成光学的发展使得近年来出现了种类繁多的集成光波导传感器。各种光波导传感器都是根据倏逝波增强技术原理提出的，可以实现无标记的传感。通过倏逝场与包层物质发生作用，包层物质变化时，引起波导模式折射率的变化，从而使得输出光的特性发生变化。对于输出光的特性的变化，有两种测试方法，一种方法是通过监测光谱峰值的漂移Δλ，另外一种方法则是监测固定波长处的强度变化ΔI，如图1所示。

通过监测谐振峰漂移来进行探测时，要对整个频谱进行扫描以精确地找到峰值位置，因而所需的仪器设备比较复杂，且数据处理分析时间很长。而若采用监测固定波长处的强度变化则不需要对整个频谱扫描，所需设备简单，所需时间也短，且拥有更高的探测精度，限制其探测极限的最主要因素是检测系统的各种噪声。

如Chung-Yen Chao，Wayne Fung，and L.Jay Guo在他们的文章“PolymerMicroring Resonators for Biochemical Sensing Applications”JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY，VOL.24，NO.3，MARCH 2006中提到其所制作聚合物环形谐振腔传感器通过监测固定波长处的强度变化来探测物质折射率的变化，由于受噪声限制，光电探测器探测极限为1nW，因此限制其折射率探测极限为10^-7。

近年来，微流体技术与集成光学技术的融合使得片上光学探测系统成为可能。目前的微流进样系统基本都为连续微流进样系统，输出光学信号为直流信号，该系统可以起到对被检测物质进样的作用，但对于提高探测精度并无帮助。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于数字式微滴进样通道的高灵敏度集成光波导传感器件，通过控制微滴流经集成光波导传感器的频率f，从而使得传感器传感区域模式有效折射率发生周期性变化，使得输出光信号被调制为频率为f的交流信号，从而在经过光电探测器之后可以由锁相放大器将频率为f的有用信号提取出来，而滤除由于激光源以及光电探测器等器件所引入的以白噪声为主的各种噪声，并采用监测固定波长处光强变化的方法来测量被检测物质的折射率，从而提高探测精度。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明包括数字式微滴进样通道，输入光波导，输出光波导，与输入光波导和输出光波导相耦合的集成平面光波导传感器，将输出光波导中光信号转换成电信号的光电探测器以及与光电探测器相连的锁相放大器；与输入光波导和输出光波导相耦合的集成平面光波导传感器放置在数字式微滴进样通道中缓冲液与待测物质混合形成微滴后的下游通道的下面。

所述的数字式微滴进样通道为T型数字式微滴进样通道或Y型分叉结构数字式微滴进样通道。

所述的集成光波导传感器为基于微环谐振腔型的集成平面光波导传感器、基于微盘谐振腔型的集成平面光波导传感器或基于马赫-曾德干涉结构的集成平面光波导传感器。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

本发明通过数字式微滴进样通道将待测物质按设定频率f流经集成光波导传感器传感区域，可以对传感器输出波导所输出光信号进行频率为f的调制，使输出光信号变为交流信号，通过光电探测器，将光信号变为电信号后可以使用锁相放大器将频率为f的有效信号提取出来，而将由激光器和光电探测器所引入的以白噪声为主的噪声信号最大限度地滤除，从而大大提高了传感器的灵敏度。

附图说明

图1是背景技术中提到的两种不同的对于输出光学特性进行检测的方法。

图2是本发明第一种实施方式示意图。

图3是T型结构数字式微滴进样通道示意图。

图4是T型结构数字式微滴进样通道中活塞状离散微滴流动示意图。

图5是锁相放大器原理示意图。

图6是环形谐振腔传感器输出光信号随覆盖层折射率变化而变化的示意图。

图7是数字式微滴进样通道将微滴以频率f送入传感器后，传感器输出光强在理想情况下的示意图。

图8是Y型分叉结构数字式微滴进样通道示意图。

图9是微盘谐振腔型集成平面光波导传感器示意图。

图10是基于马赫-曾德干涉结构的集成平面光波导传感器示意图。

图中：1、T型数字式微滴进样通道，2、输入光波导，3、微环谐振腔型的集成平面光波导传感器，4、输出光波导，5、光电探测器，6、Y型分叉结构数字式微滴进样通道，7、锁相放大器，8、微盘谐振腔型的集成平面光波导传感器，9、基于马赫-曾德干涉结构的集成平面光波导传感器，10、锁相放大器被测量信号，11、锁相放大器参照信号，12、锁相放大器相敏检波器，13、锁相放大器低通滤波器，50、传感器传感区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图2所示是本发明的第一个实施方式示意图。它包含一个T型数字式微滴进样通道1，一个输入光波导2、一个与输入光波导2相耦合的微环谐振腔型的集成平面光波导传感器3，以及一个与微环谐振腔型的集成平面光波导传感器3相耦合的输出光波导4，一个用来探测输出光波导4输出光的光电探测器5，以及与光电探测器5连接的锁相放大器7。所述T型数字式微滴进样通道1将待测物质以微滴形式或者微滴之间的缓冲液形式，按设定的频率f流经微环谐振腔型的集成平面光波导传感器3，通过改变该环型谐振腔包层的折射率，使得该区域的模式有效折射率发生周期性变化。直流光信号从输入光波导2进入微环谐振腔型的集成平面光波导传感器3，受到传感区域模式有效折射率周期性变化的影响，其从输出光波导4输出的光信号为交流信号。由光电探测器5将此光信号转换为电信号，此交流电信号包括频率为f的有用信号以及各种噪声源所引入的噪声信号，再由锁相放大器7将频率为f的有用信号提取出来，而滤除由于激光源、光电探测器等各种噪声源产生的以白噪声为主的噪声信号，从而大大提高探测精度。

如图3所示是给出了T型数字式微滴进样通道的三维结构示意图，包括两条微流通道和它们所形成的T型结，w为微流通道的宽度，h为微流通道的高度。互不相溶的缓冲液a和待检测液体b从不同的两个微流通道注入，在T型结处形成离散化的微滴，如图4所示。通过改变两个微流通道所注入液体的流动速度，可以改变所形成微滴的形状和频率，其频率可为几十赫兹到几千赫兹。在本发明中，需要形成如图4所示的活塞状微滴，从而获得稳定的输出光信号。

如图2所示中锁相放大器7可以起到提取有效频率信号和去除噪声信号的作用。锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变为直流，其原理示意图，如图5所示。在外差式振荡技术中被称为本地振荡的、用于做乘法运算的信号，在锁相放大器中被称为锁相放大器参照信号11，是从外面输入的。锁相放大器能够从锁相放大器被测量信号10中检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被锁相放大器相敏检波器12转换成为直流，因而才能够通过锁相放大器低通滤波器13。其它频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被锁相放大器低通滤波器13滤除。锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由图5中锁相放大器低通滤波器13的截止频率来确定的。例如，在测量10kHz的信号时，如果使用1mHz的低通滤波器(LPF)，那么就等效于在使用10kHz±1mHz的带通滤波器，这样得到的信号就将是10KHz的有效信号再加上频谱宽度仅为为2mHz的噪声信号，如果换算成Q值，就是5×10⁶，可见其提取有效信号及去噪能力是非常强的。

如图2所示，对于微环谐振腔型的集成平面光波导传感器3，当输入光波导2中输入光耦合进微环谐振腔型的集成平面光波导传感器3中后，在里面发生谐振。由于环的自干涉作用，只有当微环谐振腔型的集成平面光波导传感器3的光程(光程为环的长度乘以其模式有效折射率)满足光波长的整数倍时(该波长称为环的谐振波长)，该波长的光波才能最大限度地从输出波导4中耦合出来。环形谐振腔振幅透射系数为：

$t=\frac{-c^2{e}^{{\mathrm{jk}}_0\mathrm{n\πR}}}{1-(1-c^2)e^{2{\mathrm{jk}}_0\mathrm{n\πR}}}---\left(1\right)$

式中c表示环与波导间的耦合系数，n，R分别表示环的模式有效折射率和半径。k₀是光波在真空中的波数，e为指数函数的符号。由(1)式可以得到环形谐振器的谐振条件：

2nπR＝mλ_r        (2)

其中λ_r是环的谐振波长，m是某个正整数。由该式可以看出，谐振波长会随着模式有效折射率的变化而发生变化。

如图6所示给出了环形谐振腔输出光强与波长之间的关系，以及其光谱峰值和光强随波导模式有效折射率变化的情况。在图2中，令T型数字式微滴进样通道1中的缓冲液折射率使图6中所示环形谐振腔的输出光强为极小值，同时，令被检测液体折射率使图6中所示环形谐振腔的输出光强在峰值附近，且它们将以频率f周期性地通过环形谐振腔的传感区域，则理想中的输出光波导4处的输出光强将会按照频率f周期性的变化，不考虑任何噪声的理想情况如图7所示，为一周期性矩形函数。对其进行傅里叶变换，令该周期矩形函数其占空比为1，在频率f处的谱值强度为0.318E，E为周期性矩形函数幅度，即若将其通过锁相放大器，其有效信号的强度为0.318E。

采用测量固定波长处光强变化的方法来测量波导模式有效折射率的变化，这可以获得更高的探测精度，而影响其探测极限的最主要原因是由激光器光源以及光电探测器所引入的各种噪声。激光器光源会引入激光器的强度噪声，光电探测器主要会引入散粒噪声、热噪声、暗电流噪声和1/f噪声，其中1/f噪声在大于100Hz时可以忽略不计，其余皆为白噪声。因此本发明中利用数字式微滴进样通道的调制作用，将输出光信号调制为频率为f的交流信号，再利用锁相放大器将该频率为f的有效信号提取出来，而尽最大可能地滤除各种噪声，从而提高探测精度。举例如下：

在背景介绍中提到Chung-Yen Chao等人在他们所制作聚合物环形谐振腔传感器由于受噪声限制，光电探测器探测极限为1nW，因此限制其折射率探测极限为10^-7。而目前主流的商业锁相放大器通过滤除非选定频率的噪声，能在比目的信号(1KHz正弦波)强1000倍以上的噪声中把目的信号几乎准确无误地检测出来。因此若通过数字式微滴进样通道将输出信号调制为交流信号并采用锁相放大器，该型传感器探测极限可提高至少3个数量级，达到10^-10量级。

图8给出了图3中T型数字式微滴进样通道1的另一种实现方式，Y型数字式微滴进样通道6的示意图。其工作原理和方式和T型数字式微滴进样通道相同，只是通过增加分叉，可以实现不同微滴的进样。这样可以在一次进样中既完成校准又完成检测的工作，从而提高检测效率。图9给出了图2中集成光波导传感器3的另一种实现方式——微盘型谐振腔传感器，包括输入光波导2、微盘谐振腔型的集成平面光波导传感器8和输出光波导4，光在微盘中以回音壁模式(WGM)传输，当满足谐振条件时，其输出光波导4中输出光强有最大值。若改变其传感区域所通液体折射率，其模式有效折射率会发生变化，会使其固定波长处输出光强发生变化，通过探测该输出光强的变化，可以判定液体折射率的变化。而若通过数字式微滴进样通道周期性地改变传感区域的折射率，微盘谐振腔的模式有效折射率也会发生周期性的变化，从而可以将输出光波导4处输出光信号调制为交流信号，随后可以通过锁相放大器来提高其探测极限。

图10给出了图2中集成光波导传感器3的另一种实现方式——基于马赫-曾德干涉结构的集成平面光波导传感器，包括输入光波导2，基于马赫-曾德干涉结构的集成平面光波导传感器9，输出波导4，传感区域50。令该基于MZI结构的集成平面光波导传感器工作在某固定波长，当MZI结构的两臂的光程差为该波长整数倍时，输出端4拥有最大光强。若改变传感区域50的液体折射率，使其中一个臂的模式有效折射率会发生变化，使得两臂的光程差发生变化，从而会使得输出端4的输出光强发生变化，以此可以来探测传感区域液体的折射率变化情况。而若通过微滴进样系统周期性地改变传感区域50的折射率，两臂光程差也会发生周期性的变化，从而可以将输出波导4处输出光信号调制为交流信号，随后可以通过锁相放大器来提高其探测极限。

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 (3)

1.一种基于数字式微滴进样通道的高灵敏度集成光波导传感器件，其特征在于：包括数字式微滴进样通道，输入光波导(2)，输出光波导(4)，与输入光波导(2)和输出光波导(4)相耦合的集成平面光波导传感器，将输出光波导(4)中光信号转换成电信号的光电探测器(5)以及与光电探测器(5)相连的锁相放大器(7)；与输入光波导(2)和输出光波导(4)相耦合的集成平面光波导传感器放置在数字式微滴进样通道中缓冲液与待测物质混合形成微滴后的下游通道的下面。

2.根据权利要求1所述的基于数字式微滴进样通道的高灵敏度集成光波导传感器件，其特征在于：所述的数字式微滴进样通道为T型数字式微滴进样通道(1)或Y型分叉结构数字式微滴进样通道(6)。

3.根据权利要求1所述的基于数字式微滴进样通道的高灵敏度集成光波导传感器件，其特征在于：所述的集成光波导传感器为基于微环谐振腔型的集成平面光波导传感器(3)、基于微盘谐振腔型的集成平面光波导传感器(8)或基于马赫-曾德干涉结构的集成平面光波导传感器(9)。

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