CN102506911A - 光学微腔生化传感器 - Google Patents

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吴远大
王玥
张家顺
安俊明
王红杰
李建光
胡雄伟
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Abstract

一种光学微腔传感器，包括：一第一3dB光分束器和一第二3dB光分束器；一传感微腔，该传感微腔的一侧与第一3dB光分束器的端口1耦合，该传感微腔的另一侧与第二3dB光分束器的端口1耦合；一参考微腔，该参考微腔的一侧与第一3dB光分束器的端口2耦合，该参考微腔的另一侧与第二3dB光分束器的端口2耦合；一样品槽，该样品槽用于容置传感微腔；一参考槽，该参考槽用于容置参考微腔；其中传感微腔与参考微腔的自由频谱宽不同，入射光由第一3dB光分束器输入，经分束后分别与传感微腔和参考微腔相耦合；耦合进入传感微腔和参考微腔的光分别耦合进入第二3dB光分束器的端口1和端口2，两束光经第二3dB光分束器干涉后作为传感信号输出。

Description

光学微腔生化传感器
技术领域
本发明涉及光传感领域，尤其涉及一种高灵敏度的光学微腔生化传感器。
背景技术
化学和生物传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。光学传感器是传感技术的重要组成部分，其基本原理是：被测物质与光场相互作用，从而使光场的某些参量(如波长、相位、光强、偏振等)发生变化。
集成光波导传感器具有抗电磁干扰、耐恶劣环境(如高温、核辐射等)、灵敏度高、选择性好、响应快、便于集成等优点，在临床医学、生物工程、食品工业、环境污染等领域展现出十分广阔的应用前景。集成光波导传感器通常采用干涉或者谐振等原理。采用谐振原理的集成光波导传感器具有灵敏度高，能耗低，易于集成等优点而被广泛地研究。
基于谐振原理的集成光波导传感器，为了获得高的灵敏度和低的探测极限，通常要求微腔的Q很高(～106)。这使得传感器的制备对工艺的要求很苛刻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高灵敏度的光学微腔生化传感器，具有易于集成、降低了光传感系统的成本、灵敏度很高、探测极限小和降低了工艺要求的优点。
本发明提供一种光学微腔传感器，包括：
一第一3dB光分束器和一第二3dB光分束器；
一传感微腔，该传感微腔的一侧与第一3dB光分束器的端口1耦合，该传感微腔的另一侧与第二3dB光分束器的端口1耦合；
一参考微腔，该参考微腔的一侧与第一3dB光分束器的端口2耦合，该参考微腔的另一侧与第二3dB光分束器的端口2耦合；
一样品槽，该样品槽用于容置传感微腔；
一参考槽，该参考槽用于容置参考微腔；
其中传感微腔与参考微腔的自由频谱宽不同，入射光由第一3dB光分束器输入，经分束后分别与传感微腔和参考微腔相耦合；耦合进入传感微腔和参考微腔的光分别耦合进入第二3dB光分束器的端口1和端口2，两束光经第二3dB光分束器干涉后作为传感信号输出。
2.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中传感微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
其中参考微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
其中传感微腔与第一3dB光分束器端口1的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
其中传感微腔与第二3dB光分束器端口1的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
其中参考微腔与第一3dB光分束器端口2的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
其中参考微腔与第二3dB光分束器端口2的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
其中用于制作该光学微腔生化的材料是SOI、有机物或者硅基二氧化硅。
本发明的有益效果是：
1.本发明设计简单、制备方便、与标准的CMOS工艺兼容、易于集成。
2.本发明对光谱仪分辨率的要求很低，从而极大的降低了光传感系统的成本。
3.本发明的灵敏度很高，探测极限小。
4.本发明对微腔Q因子、临界耦合条件等因素的依赖小，降低了工艺要求。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是高灵敏度光学微腔生化传感器的结构示意图。
图2是当样品槽和参考槽中的物质折射率相同时，参考光束、传感光束和最终输出光束的频谱响应图。其中，(a)为参考光束，(b)为传感光束，(c)为最终输出光束。
图3是当样品槽和参考槽中的物质折射率差为10-4时，参考光束、传感光束和最终输出光束的频谱响应图。其中，(a)为参考光束，(b)为传感光束，(c)为最终输出光束。
图4是当传感器的微腔损耗很大(A＝0.95，A为光在传感器一周的光损耗)、Q因子很低(～8×103)、且不在临界耦合条件下、传感微腔内折射率变化为10-4时，参考光束和最终输出光束的频谱响应图。其中，(a)为参考光束，(b)为1.552μm波长附近的参考光束，(c)为最终输出光束。
具体实施方式：
请参阅图1所示，本发明提供一种光学微腔传感器，包括：
一第一3dB光分束器1和一第二3dB光分束器4；
一传感微腔2，该传感微腔2的一侧与第一3dB光分束器1的端口1耦合，该传感微腔2的另一侧与第二3dB光分束器4的端口1耦合。所述传感微腔2是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
一参考微腔3，该参考微腔3的一侧与第一3dB光分束器1的端口2耦合，该参考微腔3的另一侧与第二3dB光分束器4的端口2耦合。所述参考微腔3是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
一样品槽5，该样品槽5用于容置传感微腔2；
一参考槽6，该参考槽6用于容置参考微腔3；
其中传感微腔2与第一3dB光分束器1端口1的耦合、传感微腔2与第二3dB光分束器4端口1的耦合、参考微腔3与第一3dB光分束器1端口2的耦合以及参考微腔3与第二3dB光分束器4端口2的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
其中传感微腔2与参考微腔3的自由频谱宽不同，入射光由第一3dB光分束器1输入，经分束后分别与传感微腔2和参考微腔3相耦合；耦合进入传感微腔2和参考微腔3的光分别耦合进入第二3dB光分束器4的端口1和端口2，两束光经第二3dB光分束器4干涉后作为传感信号输出。
其中用于制作该光学微腔生化的材料是SOI、有机物或者硅基二氧化硅。
实施例1：
参照图1，本发明是一种基于3dB光分束器和光学微环耦合的高灵敏度传感器，包括一第一3dB光分束器1、一第二3dB光分束器4、一个传感微环2、一个参考微环3、一个样品槽5和一个参考槽6。其中传感微环2位于样品槽5中，参考微环3位于参考槽6中。入射光由第一3dB光分束器1输入，经分束后分别与传感微环2、参考微环3相耦合；耦合进入传感微环2、参考微环3的光分别与第二3dB光分束器4两侧的直波导相耦合，经干涉后作为传感信号输出。以SOI材料为例，波导截面尺寸为220nm×500nm，参考微环3的半径为60μm，传感微环2的半径为59.52μm。
参照图2，当不存在被测物质时，由于参考微腔与传感微腔的结构略有差别，故参考微腔与传感微腔的自由光谱区不相等。当参考光束的某一谐振波长与传感光束的某一谐振波长相等时，称此波长为参考微腔3与传感微腔2的公共谐振波长。由图可见，当不存在被测物质时，参考微腔与传感微腔的公共谐振波长为1.5521μm。
此时，我们可得参考微腔3与传感微腔2的谐振条件和自由光谱宽为：
Figure BDA0000094531320000041
Figure BDA0000094531320000042
Figure BDA0000094531320000043
Figure BDA0000094531320000044
当不存在被测物质时，本发明的公共谐振波长为：
其中：a、b为整数。
参照图3，当样品槽中存在被测物质，传感微腔内折射率变化为10-4时，传感微腔的有效折射率发生改变，引起传感光束谐振波长、相位等因素的变化。传感光束和参考光束干涉后输出，公共谐振波长发生变化。此时，我们得到传感微腔2的谐振条件：
Figure BDA0000094531320000052
若Δλ传＝c*(FSR传-FSR参)，公共谐振波长变化为：
Figure BDA0000094531320000053
综上可得：
从而，本发明的敏感度为常规微环型传感器的F倍。由于参考微环3和传感微环2的半径差很小，F值很大，故本发明大大提高了常规微环型传感器的灵敏度。
本发明的探测极限为：
由于参考微环3和传感微环2的半径差很小，故本发明的探测极限很小。
利用光谱仪进行探测，通过分析公共谐振波长的变化得出被测物质的浓度等相关信息。当传感微腔内折射率变化为10-4时，公共谐振波长由1.5521μm变为1.5475μm。因此折射率微小变化10-4时，波长移动了4.6nm，其灵敏度约为4.6×104nm/RIU。
实施例2：
参照图1，本发明是一种基于3dB光分束器和光学微环耦合的高灵敏度传感器，包括一第一3dB光分束器1、一第二3dB光分束器4、一个传感微环2、一个参考微环3、一个样品槽5和一个参考槽6。其中传感微环2位于样品槽5中，参考微环3位于参考槽6中。入射光由第一3dB光分束器1输入，经分束后分别与传感微环2、参考微环3相耦合；耦合进入传感微环2、参考微环3的光分别与第二3dB光分束器4两侧的直波导相耦合，经干涉后作为传感信号输出。以SOI材料为例，波导截面尺寸为220nm×500nm，参考微环3的半径为60μm，传感微环2的半径为59.52μm。
由图4(b)，可得Q因子约为8×103。参照图4(c)，当传感器的参考微腔3和传感微腔2损耗很大(A＝0.95，A为光在传感器一周的光损耗)、Q因子很低、且不在临界耦合条件下、传感微腔2内折射率变化为10-4时，虽然最终输出光束的光强总体变弱，公共谐振波长仍由1.5521μm移动到1.5475μm，从而未影响传感器的敏感性。因此本发明微腔损耗、Q因子等要求低，从而降低了对工艺的要求。
以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光学微腔传感器，包括：
一第一3dB光分束器和一第二3dB光分束器；
一传感微腔，该传感微腔的一侧与第一3dB光分束器的端口1耦合，该传感微腔的另一侧与第二3dB光分束器的端口1耦合；
一参考微腔，该参考微腔的一侧与第一3dB光分束器的端口2耦合，该参考微腔的另一侧与第二3dB光分束器的端口2耦合；
一样品槽，该样品槽用于容置传感微腔；
一参考槽，该参考槽用于容置参考微腔；
其中传感微腔与参考微腔的自由频谱宽不同，入射光由第一3dB光分束器输入，经分束后分别与传感微腔和参考微腔相耦合；耦合进入传感微腔和参考微腔的光分别耦合进入第二3dB光分束器的端口1和端口2，两束光经第二3dB光分束器干涉后作为传感信号输出。
2.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中传感微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
3.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中参考微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
4.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中传感微腔与第一3dB光分束器端口1的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
5.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中传感微腔与第二3dB光分束器端口1的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
6.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中参考微腔与第一3dB光分束器端口2的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
7.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中参考微腔与第二3dB光分束器端口2的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
8.根据权利要求1-7任一项所述的光学微腔生化传感器，其中用于制作该光学微腔生化的材料是SOI、有机物或者硅基二氧化硅。
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