CN102636456A

CN102636456A - 基于光强探测的集成光波导微腔传感器

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Publication number: CN102636456A
Application number: CN2012100525759A
Authority: CN
Inventors: 张晓光; 吴远大; 王玥; 张家顺; 安俊明; 王红杰; 李建光; 胡雄伟
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2012-08-15

Abstract

一种基于光强探测的集成光波导微腔传感器，包括：一第一3dB光分束器，一第二3dB光分束器，所述第二3dB光分束器的光输入波导与第一3dB光分束器的第二输出波导连接；一传感微腔，其一侧与第二3dB光分束器的第一光输出波导耦合；一样品槽，其用于容置传感微腔；一2×1光合束器，包括一第一输入光波导、一第二输入光波导和一输出光波导，所述2×1光合束器的第一输入光波导与传感微腔的另一侧耦合；一参考微腔，其一侧与第二3dB光分束器的第二光输出波导耦合，另一侧与2×1光合束器的第二输入光波导耦合；所述2×1光合束器的输出光波导的输出光强与第一3dB光分束器的第一输出波导的输出光强的比值作为最终的传感信号。

Description

基于光强探测的集成光波导微腔传感器

技术领域

本发明涉及光传感领域，尤其涉及一种基于光强探测的集成光波导微腔生化传感器。

背景技术

生物和化学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、偏振、光强等)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)、选择性好、灵敏度高、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。基于谐振原理的集成光波导传感器通常还需要高灵敏度的光谱仪或者稳定性高、带宽窄的激光光源。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其是具有高灵敏度、集成度高的光学微腔生化传感器，具有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。

为达到上述目的，本发明提供一种基于光强探测的集成光波导微腔传感器，包括：

一第一3dB光分束器，包括一输入波导、一第一输出波导和一第二输出波导；

一第二3dB光分束器，包括一光输入波导、一第一光输出波导和一第二光输出波导，所述第二3dB光分束器的光输入波导与第一3dB光分束器的第二输出波导连接；

一传感微腔，其一侧与第二3dB光分束器的第一光输出波导耦合；

一样品槽，其用于容置传感微腔；

一2×1光合束器，包括一第一输入光波导、一第二输入光波导和一输出光波导，所述2×1光合束器的第一输入光波导与传感微腔的另一侧耦合；

一参考微腔，其一侧与第二3dB光分束器的第二光输出波导耦合，另一侧与2×1光合束器的第二输入光波导耦合；

所述2×1光合束器的输出光波导的输出光强与第一3dB光分束器的第一输出波导的输出光强的比值作为最终的传感信号。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

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.本发明不需要光谱仪、激光器等昂贵设备，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因子等因素的要求很低，降低了工艺要求。

5.本发明的传感特性对光源的强度、3dB带宽等因素不敏感，降低了光源的要求。

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是光学微腔生化传感器的结构示意图；

图2是光谱图，其中：

图2(a)是入射光源的光谱图；

图2(b)是第一3dB光分束器的第一输出波导输出光束的光谱图；

图2(c)是当被测物质为纯净的去离子水(折射率为1.33)时，2×1光合束器的输出光波导输出光束的光谱图；

图3是当样品槽内折射率变化为10^-2，2×1光合束器的输出光波导输出光束的光谱图。

图4是参考微腔下载光束在λ＝1.55μm附近的归一化光谱分布图。

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、一第二3dB光分束器2和2×1光合束器5；

一传感微腔3和一参考微腔6；

一样品槽4，该样品槽4用于容置传感微腔3。

第一3dB光分束器1的输入波导11与光源相连，第一3dB光分束器1的第二输出波导13与第二3dB光分束器2的光输入波导21相连。第二3dB光分束器2的第一光输出波导22与传感微腔3的一侧相耦合，该传感微腔3的另一侧与2×1光合束器5的第一输入光波导51耦合；第二3dB光分束器2的第二光输出波导23与参考微腔6的一侧相耦合，该参考微腔6的另一侧与2×1光合束器5的第二输入光波导52耦合。2×1光合束器5的输出光波导53的输出光强与第一3dB光分束器1的第一输出波导12的输出光强的比值作为最终的传感信号。

其中第一3dB光分束器1、第二3dB光分束器2和2×1光合束器5可以是Y型、多模干涉(MMI)型或者定向耦合型。

其中传感微腔3和参考微腔6是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。

其中传感微腔3与第二3dB光分束器2的第一光输出波导22的耦合、传感微腔与2×1光合束器5的第一输入光波导51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6与第二3dB光分束器2的第二光输出波导23的耦合、参考微腔与2×1光合束器5的第二输入光波导52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。

其中用于制作该微腔传感器的材料是SOI、有机物或者硅基二氧化硅。

入射光由第一3dB光分束器1的输入波导11输入，经分束后分别进入第一3dB光分束器1的第一输出波导12和第一3dB光分束器的第二输出波导13。其中，进入第一3dB光分束器1的第一输出波导12的光作为参考光束输出；进入第一3dB光分束器1的第二输出波导13的光经第二3dB光分束器2分束后分别与传感微腔3和参考微腔6相耦合。耦合进入传感微腔3和参考微腔6的光分别耦合进入2×1光合束器5的第一输入光波导51和2×1光合束器5的第二输入光波导52，两束光经2×1光合束器5干涉后由2×1光合束器5的输出光波导53输出。由2×1光合束器5的输出光波导53输出的探测光束的光强，与第一3dB光分束器1的第一输出波导12输出的参考光束的光强的比值作为最终的传感信号。

入射光由第一3dB光分束器1的输入波导11输入，经分束后分别进入第一3dB光分束器1的第一输出波导12和第一3dB光分束器1的第二输出波导13。则，第一3dB光分束器1的第一输出波导12处的电场Er和第一3dB光分束器1的第二输出波导13处的电场E₀₂分别为：

E_{1} = E_{01} = \frac{\sqrt{2} E_{0}}{2}

E_{02} = \frac{\sqrt{2} E_{0}}{2}

其中，E₀为入射光的电场强度。第一3dB光分束器1的第二输出波导13处的电场E₀₂经过第二3dB光分束器2分束后，第二3dB光分束器2的第一光输出波导22处的电场E₁₁和第二3dB光分束器2的第二光输出波导23处的电场E₁₂分别为：

E_{11} = \frac{\sqrt{2} E_{01}}{2} = \frac{E_{0}}{2}

E_{12} = \frac{\sqrt{2} E_{01}}{2} = \frac{E_{0}}{2}

第二3dB光分束器2的第一光输出波导22处的电场E₁₁和第二3dB光分束器2的第二光输出波导23处的电场E₁₂分别经过传感微腔3和参考微腔6后，2×1光合束器5的第一输入光波导51处的电场E₂₁和2×1光合束器5的第二输入光波导52处的电场E₂₂分别为：

E_{21} = \frac{E_{0}}{2} * \frac{(- k_{1}^{*} k_{2} A_{r} e^{(\frac{jω (λ) T_{1}}{2})}) / 2}{1 - τ_{1}^{*} τ_{2}^{*} A_{r} e^{(jω (λ) T_{1})}}

E_{22} = \frac{E_{0}}{2} * \frac{(- k_{1}^{*} k_{2} A_{s} e^{(\frac{jω (λ) T_{2}}{2})}) / 2}{1 - τ_{1}^{*} τ_{2}^{*} A_{s} e^{(jω (λ) T_{2})}}

其中：k₁和k₂分别是微腔与第二3dB分束器2和2×1光合束器5的耦合因子。τ₁和τ₂分别是微腔与第二3dB分束器2和2×1光合束器5的传输因子。式中，A_s和A_r分别为光在传感微腔3和参考微腔6内的传输损耗。

在波长λ处，2×1光合束器5的输出光波导53处的光强Is(λ)为：

I_s(λ)＝(E₂₁+E₂₂)*((E₂₁+E₂₂)^*)

若入射光的光谱分布为f₀(λ)，则2×1光合束器5的输出光波导53和第一3dB光分束器1的第一输出波导12处的总输出光强分别为：

I_{s} = {&Integral;}_{0}^{+ \infty} [f_{0} (λ) * I_{s} (λ)] dλ

I_{r} = {&Integral;}_{0}^{+ \infty} [f_{0} (λ) * I_{r} (λ)] dλ = {&Integral;}_{0}^{+ \infty} {f_{0} (λ) [E_{r} (λ) * E_{r}^{*} (λ)]} dλ

最终的传感信号为：S＝I_s/I_r

下面通过一个实施例，对本发明提供的基于光强探测的集成光波导微腔传感器作进一步的详细说明。

实例

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传感器，包括一第一3dB光分束器1、一第二3dB光分束器2、2×1光合束器5、一个传感微环3、一个参考微环6和一个样品槽4。其中传感微环3位于样品槽中4。

以SOI材料为例，波导截面尺寸为220nm×500nm，参考微环6的半径为150μm，传感微环3的半径为149.13μm。

参照图2，当被测物质为纯净的去离子水(折射率为1.33)时，由于参考微腔6与传感微腔3的结构、有效折射率略有差别，故传感微腔3与参考微腔6的自由光谱宽不相等。为了降低传感系统的成本，选择宽带光源为入射光源。本发明，入射光源以3dB带宽为10nm的LED为例。图2(a)是入射光源的光谱图。图2(b)是第一3dB光分束器1的第一输出波导12输出光束的光谱图。参照图2(c)为2×1光合束器5的输出光波导53输出光束的光谱图，最终的传感信号为2.745dB。

参照图3，当样品槽内折射率变化为10^-2时，传感微腔3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。图3为2×1光合束器5的输出光波导53输出光束的光谱图。

当样品槽内折射率变化为10^-2时，最终的传感信号由2.252dB变为4.343dB。故本发明的灵敏度为209.1dB/RIU。若功率计的相对测量精度为0.01dB，则本发明的探测极限为4.782×10^-5RIU。

由于传感信号为2×1光合束器5的输出光波导53处的总输出光强和第一3dB光分束器1的第一输出波导12处的总输出光强的比值，从而入射光源的强度涨落对传感信号影响很小。当入射光源的3dB带宽由5nm变为15nm时，本发明的灵敏度仅由207.7dB/RIU变为210.0dB/RIU。从而，光源强度的涨落、3dB带宽等因素对本发明的传感性能影响很小。

参照图4，参考微腔6下载光束在λ＝1.55μm附近的归一化光谱分布图，可得Q因子约为3.3×10³。上述结果是在传感微腔3和参考微腔6损耗很大、Q因子很低的情况下取得的，因此本发明对微腔损耗、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

1.一种基于光强探测的集成光波导微腔传感器，包括：

一样品槽，其用于容置传感微腔；

2.根据权利要求1所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中第一3dB光分束器、第二3dB光分束器和2×1光合束器是Y分支型、多模干涉型或者定向耦合型。

3.根据权利要求1所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中传感微腔和参考微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。

4.根据权利要求1所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中传感微腔与第二3dB光分束器的第一光输出波导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所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中传感微腔与2×1光合束器的第一输入光波导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所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中参考微腔与第二3dB光分束器的第二光输出波导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所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中参考微腔与2×1光合束器的第二输入光波导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任一项所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中用于制作该微腔传感器的材料是SOI、有机物或者硅基二氧化硅。

9.根据权利要求1-7任一项所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中所述的连接是光波导连接。

10.根据权利要求1所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中该参考微腔与传感微腔的自由频谱宽度不同。