CN103411926B

CN103411926B - 拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器

Info

Publication number: CN103411926B
Application number: CN201310291710.XA
Authority: CN
Inventors: 王卓然; 袁国慧; 姚佳
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2033-07-12
Also published as: CN103411926A

Abstract

本发明公开了一种拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器，包括一个输入输出直波导、一个环形谐振腔，所述环形谐振腔包括：第一直波导、左半圆反馈环波导、右半圆反馈环波导、第二直波导、环形波导以及第三直波导；输入输出直波导依次包括输入端、第四直波导、第五直波导、第六直波导以及输出端。本发明通过采用一个非平衡马赫曾德尔干涉仪结构和一个环形谐振腔，基于游标效应，使得二者的传输谱相叠加，获得具有更大的自由光谱范围和较高灵敏度的谐振峰，通过测量这种具有高灵敏度的谐振峰的漂移，从而测得波导内模式有效折射率的变化，进一步获得被测物质折射率和浓度的信息。

Description

拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器

技术领域

本发明属于光生化传感技术领域，具体涉及一种拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器的设计。

背景技术

随着光子学技术的日趋成熟以及它在生物和化学领域应用的不断扩展，光学生化传感器的应用范围已经覆盖了生化传感器的诸多领域，成为当今生化传感器件的重要组成部分。生化传感器不仅广泛应用于传统的医学领域，而且还在环境监测、农作物保护、国土安全等方面有着广泛的应用。光学生化传感器是一种以某种生物化学成分为敏感基元，以光学信号为载体，对目标检测物具有高选择性和高灵敏度的检测器件。生化传感器通常是对气体、液体、生物大分子等微流体进行检测，待分析的样本至少覆盖整个波导器件的上方区域，待分析样本浓度的变化或免疫反应的发生都将改变波导包层的折射率，该变化被光波的倏逝场分量所感应，从而引起光波模式有效折射率的改变，并使得光在环中的传输性质发生变化。通过测量光场的变化量就可以知道待测物质的信息。光学传感器主要分为光纤型和集成波导型两大类。与光纤型传感器相比，基于倏逝波的集成光波导型光学传感器使得器件在结构尺寸上大大缩小，特别是对于高对比度折射率材料的光波导。

近年来，许多研究者提出了基于集成光波导型的各种传感结构用以实现大的探测范围和高的传感灵敏度传感。其中，马赫曾德尔干涉仪和微环谐振腔是其中两种常用的结构。马赫曾德尔干涉仪型（MZI）的生化传感器由于其传感机理简单，自由光谱范围（FSR）大，因此是光学生化传感器件常选用的结构，但传统的MZI结构必须通过增加MZI两臂的长度，以增大光与物质相互作用的距离来实现大的探测范围和高的传感灵敏度，这样器件尺寸就无法做到小型化，也就更难实现亚微米,乃至纳米量级的光学生化传感器件。而且制作时需要对MZI的其中一臂，即传感臂，固定微流体通道或修饰生物大分子，而对参考臂不做处理，这样不仅大大增加了器件制作的难度而且也难以实现器件小型化和便携化。单一的微环谐振腔结构虽然可以有效的增加腔长，使结构更为紧凑，但这种结构的自由光谱范围较小，一般仅有几十纳米，故可实现的探测范围也就较小。因此基于以上两种单一的方式都较难实现大测量范围和高灵敏度的光学生化传感器件。

相对而言，采用整个器件都覆盖有外界待检测环境物质的方式，取代传统的仅对MZI的一个臂进行修饰，可以有效的缩小器件尺寸、降低器件制作的复杂度，但这种方式对于传统的平衡型MZI是无法用于检测的，因为采用整个器件覆盖待分析物质的这种方式，两干涉臂感知的相位变化相等，相位差恒为零，因此无法用于探测。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的光学生化传感器采用单臂检测其制作工艺难、器件尺寸大的缺点而提供一种拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器，包括一个输入输出直波导、一个环形谐振腔，所述环形谐振腔包括：第一直波导、左半圆反馈环波导、右半圆反馈环波导、第二直波导、环形波导以及第三直波导，所述第二直波导和第三直波导共线，所述输入输出直波导、第一直波导与第二直波导和第三直波导平行，左半圆反馈环波导的两端分别延伸出第一直波导的第一端和第二直波导的第一端，右半圆反馈环波导的两端分别延伸出第一直波导的第二端和第三直波导的第二端，环形波导的两端分别延伸出第二直波导的第二端和第三直波导的第一端；

输入输出直波导依次包括输入端、第四直波导、第五直波导、第六直波导以及输出端；所述第二直波导与第四直波导构成第一方向耦合器，所述第三直波导与第六直波导构成第二方向耦合器，所述环形波导与第五直波导构成马赫曾德尔干涉仪结构，所述环形波导作为马赫曾德尔干涉仪结构的弯曲臂，所述第五直波导作为马赫曾德尔干涉仪结构的直臂。

进一步的，所述环形波导包括第一左圆环、第二半圆环、第一右圆环，第一左圆环的两端分别延伸出第二直波导的第二端和第二半圆环的第一端，第一右圆环的两端分别延伸出第二半圆环的第二端和第三直波导的第一端，所述第一左圆环、第一右圆环的内径与第二半圆环的内径相切，且第一左圆环、第二半圆环、第一右圆环之间的连接处呈平滑连接。

进一步的，所述第一左圆环和第一右圆环的内径为R2，第二半圆环的内径为R3，所述R2和R3相等。

进一步的，所述左半圆反馈环和右半圆反馈环的半径为R1，所述R1大于R2、R3。

进一步的，所述输入输出直波导与所述环形波导之间的耦合通过第一方向耦合器和第二方向耦合器实现。

进一步的，所述波导为无源脊形波导或条形波导。

本发明的有益效果：本发明一种拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器通过采用一个非平衡马赫曾德尔干涉仪结构和一个环形谐振腔，基于游标效应，使得二者的传输谱相叠加，获得具有更大的自由光谱范围和较高灵敏度的谐振峰，通过测量这种具有高灵敏度的谐振峰的漂移，从而测得波导内模式有效折射率的变化，进一步获得被测物质折射率和浓度的信息，其不仅克服了采用单臂做检测制作工艺难、器件尺寸大等缺点，还解决了采用整个器件都覆盖有待检测环境物质时传统的平衡型MZI无法用于检测的问题，同时，它还兼顾了微环谐振腔和MZI干涉仪二者的优点，利用谐振腔的谐振效应和MZI的FSR大的特点，不仅增加了光与物质相互作用的长度而且还增大了其自由光谱范围，缩小了器件尺寸，增大了制作容差，更具有实用性。

附图说明

图1为本发明实施例的拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器的结构示意图；

图2是本发明背景技术中单一马赫曾德尔干涉仪结构传输谱示意图；

图3是本发明背景技术中单一微环谐振腔传输谱示意图；

图4是本发明实施例的拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器的传输谱示意图；

其中：1-输入输出直波导、2-环形谐振腔、20-左半圆反馈环波导、21-第一直波导、22-右半圆反馈环波导、23第二直波导、24-环形波导、240-第一左圆环、241-第二半圆环、242-第一右圆环、25-第三直波导、10-输入端、11-第四直波导、12-第五直波导、13-第六直波导、14-输出端、4-马赫曾德尔干涉仪结构、30-第一方向耦合器、31-第二方向耦合器、22-21-20反馈波导回路。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述。

如图1所示为本发明实施例的拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器的结构示意图，包括一个输入输出直波导1、一个环形谐振腔2，所述环形谐振腔包括：第一直波导21、左半圆反馈环波导20、右半圆反馈环波导22、第二直波导23、环形波导24以及第三直波导25，所述第二直波导23和第三直波导25共线，所述输入输出直波导1、第一直波导21与第二直波导23和第三直波导25平行，左半圆反馈环波导20的两端分别延伸出第一直波导21的第一端和第二直波导23的第一端，右半圆反馈环波导22的两端分别延伸出第一直波导21的第二端和第三直波导23的第二端，环形波导24的两端分别延伸出第二直波导23的第二端和第三直波导25的第一端；输入输出直波导1依次包括输入端10、第四直波导11、第五直波导12、第六直波导13以及输出端14；所述第二直波导23与第四直波导11构成第一方向耦合器30，所述第三直波导25与第六直波导13构成第二方向耦合器31，所述环形波导24与第五直波导12构成马赫曾德尔干涉仪结构4，所述环形波导24作为马赫曾德尔干涉仪结构4的弯曲臂，所述第五直波导12作为马赫曾德尔干涉仪结构4的直臂。其中，在本申请方案中，所述输入输出直波导1是一个一体化的整体器件，为了描述方便，在这里被人为的定义为输入端10、第四直波导11、第五直波导12、第六直波导13以及输出端14；同样的，所述环形谐振腔2也是作为一个一体化的整体器件。

其中，所述环形谐振腔2和马赫曾德尔干涉仪结构4作为整个传感器件的主体部分，通过采用非平衡式马赫曾德尔干涉仪结构，由于其两臂在未加待分析物质时已有一个初始相位差，当外界分析物质改变时，不等的两臂感知的相位变化不同，相位差改变，故可用于探测待分析物质的变化；所述拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器不仅克服了采用单臂做检测制作工艺难、器件尺寸大等缺点，还解决了采用整个器件都覆盖有待检测环境物质时传统的平衡型MZI无法用于检测的问题，同时，它还兼顾了微环谐振腔和MZI干涉仪二者的优点，利用谐振腔的谐振效应和MZI的FSR大的特点，不仅增加了光与物质相互作用的长度而且还增大了其自由光谱范围，缩小了器件尺寸，增大了制作容差。

其中，所述环形波导包括第一左圆环240、第二半圆环241、第一右圆环242，第一左圆环240的两端分别延伸出第二直波导23的第二端和第二半圆环241的第一端，第一右圆环242的两端分别延伸出第二半圆环241的第二端和第三直波导25的第一端，所述第一左圆环240、第一右圆环242的内径与第二半圆环241的内径相切；所述第一左圆环240和第一右圆环242的内径为R2，第二半圆环241的内径为R3，其中所述R2和R3相等或者近似；所述左半圆反馈环20和右半圆反馈环22的半径为R1，所述R1大于R2、R3。

下面为了本领域技术人员能够理解并且实施本发明技术方案，将结合具体的工作过程对一种拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器作详细说明：

首先，外部入射的光通过输入输出波导1的输入端10注入到整个器件中，并且向输出端14方向传播，经过第一方向耦合器30，通过倏逝波耦合，一部分的光侧向耦合进入了环形谐振腔2中，另一部分光则沿输入输出直波导1继续向前传播，这两部分光分别经过马赫曾德尔干涉仪结构4的弯曲臂和直臂，也就是环形谐振腔的环形波导24部分和输入输出直波导的第五直波导12，这两支同频率同初始相位的光，在经历第一方向耦合器30时，会产生一个p的相位跳变，两束光经历光程不同的两臂，在马赫曾德尔干涉仪结构4发生干涉，造成了光强的重新分配，满足干涉相长条件的光波得到了增强，不满足干涉条件的光波受到抑制。同时马赫曾德尔干涉仪结构4的输出端又作为第二方向耦合器31的输入端，通过倏逝波耦合，一部分光由第三直波导25的末端经反馈回路22-21-20反馈回第一方向耦合器30的始端，所述右半圆反馈环波导、第一直波导以及左半圆反馈环波导构成反馈回路22-21-20，经历这样一个或若干个完整的周期达到稳定状态后在整个环形谐振腔2中产生谐振效应，另一部分光则直接由输入输出直波导1的输出端14进行输出。

马赫曾德尔干涉仪的输出谱是正弦函数的平方形式，它将形成一套干涉条纹，如图2所示，对马赫曾德尔干涉仪，当其两臂的光程差满足其中，所述n为外界环境物质的折射率,m为干涉级次，λ_MZI为入射光波长，ΔL=L₁-L₂=(π-2)·(R₂+R₃),所述L₁、L₂分别为马赫曾德尔干涉仪结构的弯曲臂和直臂长度，R₂、R₃分别第一左圆环、第一右圆环半径和第二半圆环的半径,选择适当的干涉臂长度，使ΔL满足存在这样一系列整数干涉级次m，对应一系列相应的干涉相长的波长值λ_MZI。单一马赫曾德尔干涉仪输出的正弦平方谱的周期取决于干涉臂的长度差ΔL，从以上公式可以看出，(R₂+R₃)越大，其周期越小，也就是单一马赫曾德尔干涉仪的FSR越小，可以理解为马赫曾德尔干涉仪的光程差越大，其FSR越小，因此在满足环的弯曲损耗的条件下，宜选择较小尺寸的圆环作为马赫曾德尔干涉仪结构的弯曲臂以实现大的FSR。

环形谐振腔的输出谱为等间距的梳状谱，如图3所示，环形腔的周长C满足以下谐振条件，n·C=m·λ_MRR，其中，所述n为外界环境物质的折射率,C为环形腔的周长，m为干涉级次，λ_MRR为入射光波长；由于环的谐振作用，只有当环形谐振腔的光程等于光波长的整数倍时，某些波长的光才能在环内得到增强，而从环形谐振腔内耦合出来的光与输入输出直波导直接传输的光干涉相消，输出谱的形式为与环内谱互补的在谐振峰处下降的梳状谱的形式。由于游标效应，只有当某些特定波长的光波同时满足马赫曾德尔干涉仪结构和环形谐振腔结构的谐振条件时，二者的谐振峰在那些波长处重叠，该波长得到加强，称为谐振波长，而其它相邻的谐振峰由于不重叠而强度减弱，受到抑制。但由于马赫曾德尔干涉仪结构的干涉相长作用使得在谐振波长处出射端口光强恒为1，环形谐振腔干涉引起的谐振峰下降被马赫曾德尔干涉仪结构的干涉相长作用所掩盖，因此该谐振峰处无法用于检测，故我们在马赫曾德尔干涉仪结构的波长λ_MZI和环形谐振腔的波长λ_MRR间引入一个微小的偏移量ε，使马赫曾德尔干涉仪结构的频谱略微向右移动，这样就可以消除马赫曾德尔干涉仪结构的干涉相长作用在谐振波长处对环形谐振腔在谐振波长处谐振峰的下降的掩盖作用，得到高消光比、高Q值的可以用于检测的谐振峰，其中Q值越高，器件的灵敏度越高。

本发明一种拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器的具体的工作过程为：整个器件均与外界待监测环境物质相接触，当外界环境物质改变时，波导上包层感受到外界折射率的变化Δn，改变了光能量在光波导中的分布，从而引起波导内模式有效折射率的变化ΔN_eff，最终改变光经过该光波导的相位，其相位改变量为而相位信息一般是不能直接探测得到的，需要转化为波长、振幅、偏振态来间接探测，在这里我们采用利用谐振来转化为探测波长漂移进行检测。当外界物质浓度改变时，波导内模式有效折射率的变化，表现为整个器件传输谱谐振峰的漂移，谐振波长的改变量Δλ与外界物质折射率的改变量Δn存在如下关系：其中ΔN_eff为波导内模式的有效折射率，n为外界环境物质的折射率，λ为入射光波长；通过测量谐振波长的改变量Δλ即可测出外界物质折射率的改变量Δn，也就获得被测物质的折射率和浓度等信息，实现了传感检测，如图4所示为采用本发明实施例的一种拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器的传输谱示意图。

在本发明申请方案中，所述波导均是采用微细加工的方法在SOI晶圆上刻蚀获得的。

Claims

1.拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器，其特征在于，包括一个输入输出直波导、一个环形谐振腔，所述环形谐振腔包括：第一直波导、左半圆反馈环波导、右半圆反馈环波导、第二直波导、环形波导以及第三直波导，所述第二直波导和第三直波导共线，所述输入输出直波导、第一直波导与第二直波导和第三直波导平行，左半圆反馈环波导的两端分别延伸出第一直波导的第一端和第二直波导的第一端，右半圆反馈环波导的两端分别延伸出第一直波导的第二端和第三直波导的第二端，环形波导的两端分别延伸出第二直波导的第二端和第三直波导的第一端；

输入输出直波导依次包括输入端、第四直波导、第五直波导、第六直波导以及输出端；所述第二直波导与第四直波导构成第一方向耦合器，所述第三直波导与第六直波导构成第二方向耦合器，所述环形波导与第五直波导构成马赫曾德尔干涉仪结构，所述环形波导作为马赫曾德尔干涉仪结构的弯曲臂，所述第五直波导作为马赫曾德尔干涉仪结构的直臂；

所述波导均是采用微细加工的方法在SOI晶圆上刻蚀获得的。

2.如权利要求1所述的拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器，其特征在于，所述环形波导包括第一左圆环、第二半圆环、第一右圆环，第一左圆环的两端分别延伸出第二直波导的第二端和第二半圆环的第一端，第一右圆环的两端分别延伸出第二半圆环的第二端和第三直波导的第一端，所述第一左圆环、第一右圆环的内径与第二半圆环的内径相切，且第一左圆环、第二半圆环、第一右圆环之间的连接处呈平滑连接。

3.如权利要求2所述的拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器，其特征在于，所述第一左圆环和第一右圆环的内径为R2，第二半圆环的内径为R3，所述R2和R3相等。

4.如权利要求3所述的拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器，其特征在于，所述左半圆反馈环和右半圆反馈环的半径为R1，所述R1大于R2、R3。

5.如权利要求1至4任一项权利要求所述的拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器，其特征在于，所述输入输出直波导与所述环形波导之间的耦合通过第一方向耦合器和第二方向耦合器实现。

6.如权利要求1至4任一项权利要求所述的拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器，其特征在于，所述输入输出直波导、第一直波导、左半圆反馈环波导、右半圆反馈环波导、第二直波导、环形波导以及第三直波导为无源脊形波导或条形波导。