CN103487405B - 一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器，包括一条输入直波导、第一右半圆环波导、第一直波导、第一左半圆环波导、第二直波导、第二右半圆环波导、第三直波导、第二左半圆环波导以及一条输出直波导，所述输入直波导、第一直波导、第二直波导、第三直波导以及输出直波导相互平行。本发明通过采用一条螺旋波导结构构成的双跑道型谐振腔，由于游标效应，使得二者的传输谱叠加，获得具有宽自由光谱范围和高灵敏度的谐振峰，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

一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器

技术领域

本发明属于光生化传感技术领域，具体涉及一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器的设计。

背景技术

光学生化传感器已经应用于生化传感器的诸多领域，成为当今光学传感器件的重要组成部分，并且被广泛应用于民用和军事领域。如何缩小光学生化传感器件的结构尺寸，实现大的探测范围和高的传感灵敏度是实现光学传感器件小型化、实用化的关键技术问题。光学生化传感器是一种把待测生化物质所表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器，用现代微电子和自动化仪表技术进行信号的再加工，构成各种可以使用的生化传感器分析装置、仪器和系统。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，其原理在于待测样本中生物化学分子会引起光学生化传感器中光波传输性质的改变，其表现为光学生化传感器的倏逝场发生变化，也即将样本中的生物化学分子浓度信号转换为光信号变化，通过测量光场的变化量就可以知道待测物质的信息。目前光学生化传感器的光波导结构有马赫曾德尔干涉型、光栅、以及法布里-珀罗（FP）腔、环形腔、表面等离子体共振等结构。对基于光学谐振腔结构，如FP腔，环形腔等的光学生化传感器而言，谐振效应的引入可使光信号在光学谐振腔内不断谐振和放大，因此等效于光学生化传感器探测长度的增加，更能引起相位或强度等光信号变化到可探测的量值，进而实现在小尺寸光学生化传感器上达到较好的传感性能，另外小尺寸的光学生化传感器也便于光学生化传感器系统的小型化与微型化，将有效地降低系统成本。

但是基于现有的单一螺旋结构和微环谐振腔结构，其自由光谱范围小，可探测的动态范围小，器件制作的难度大且难以实现器件小型化和便携化，不利于对各种生物、化学成分进行简便操作。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有单一螺旋结构和微环谐振腔结构自由光谱范围小、难以实现小型化轻便化的缺点而提供一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器，包括一条输入直波导、第一右半圆环波导、第一直波导、第一左半圆环波导、第二直波导、第二右半圆环波导、第三直波导、第二左半圆环波导以及一条输出直波导，所述输入直波导、第一直波导、第二直波导、第三直波导以及输出直波导相互平行；所述第一右半圆环波导的两端分别延伸出输入直波导的第二端和第一直波导的第二端，所述第一左半圆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，所述第二右半圆环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二端，所述第二左半圆环波导的两端分别延伸出第三直波导的第一端和输出直波导的第一端，所述输入直波导的第一端作为输入端，所述输出直波导的第二端作为输出端；

所述第一直波导和第三直波导构成第一方向耦合器，所述第二直波导和输出直波导构成第二方向耦合器，所述第一左半圆环波导、第一方向耦合器、第二方向耦合器以及第二右半圆环波导构成内环跑道型形谐振腔，所述第二右半圆环波导、第一方向耦合器、第二方向耦合器以及第二左半圆环波导构成外环跑道型形谐振腔。

进一步的，所述第一右半圆环波导的半径为R1，第一左半圆环波导的半径为R2，第二右半圆环波导的半径为R3，第二左半圆环波导的半径为R4，所述R1＜R2＜R3＜R4。

进一步的，所述第一直波导的长度为Lc1，第二直波导的长度为Lc2，第三直波导的长度为Lc3，输出直波导的长度为Lc4，所述Lc1＜Lc2＜Lc3＜Lc4。

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：本发明一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器通过采用一条螺旋波导结构构成的双跑道型谐振腔，由于游标效应，使得二者的传输谱叠加，获得具有宽自由光谱范围和高灵敏度的谐振峰，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；另外，由于采用了波导的螺旋结构，使得可以在达到相同传感性能的条件下，大大减小光学生化传感器的体积，有利于实现生化传感器的微型化与片上传感系统，因此，本发明与其他的生化传感芯片相比，具有制作工艺标准化、价格低、体积小、便于集成化、传感性能优。

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于螺旋跑道型干涉结构的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耦合跑道型结构的传输谱示意图；

图3是本发明实施例的一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器的传输谱示意图；

图4是在不同NaCl溶液浓度下本发明实施例一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器对不同波长光波的响应曲线图；

其中：10-输入直波导、11-第一右半圆环波导、12-第一直波导、13-第一左半圆环波导、14-第二直波导、15-第二右半圆环波导、16-第三直波导、17-第二左半圆环波导、18-输出直波导、20-第一方向耦合器、21-第二方向耦合器、13-20-15-21内环跑道型形谐振腔、15-20-17-21外环跑道型形谐振腔。

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一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器的结构示意图，包括一条输入直波导10、第一右半圆环波导11、第一直波导12、第一左半圆环波导13、第二直波导14、第二右半圆环波导15、第三直波导16、第二左半圆环波导17以及一条输出直波导18，所述输入直波导10、第一直波导12、第二直波导14、第三直波导16以及输出直波导18相互平行；所述第一右半圆环波导11的两端分别延伸出输入直波导10的第二端和第一直波导12的第二端，所述第一左半圆环波导13的两端分别延伸出第一直波导12的第一端和第二直波导14的第一端，所述第二右半圆环波导15的两端分别延伸出第二直波导14的第二端和第三直波导16的第二端，所述第二左半圆环波导17的两端分别延伸出第三直波导16的第一端和输出直波导18的第一端，所述输入直波导10的第一端作为输入端，所述输出直波导18的第二端作为输出端；

所述第一直波导12和第三直波导16构成第一方向耦合器20，所述第二直波导14和输出直波导18构成第二方向耦合器21，所述第一左半圆环波导13、第一方向耦合器20、第二方向耦合器21以及第二右半圆环波导15构成内环跑道型形谐振腔，所述第二右半圆环波导15、第一方向耦合器20、第二方向耦合器21以及第二左半圆环波导17构成外环跑道型形谐振腔。

其中，所述第一右半圆环波导11的半径为R1，第一左半圆环波导13的半径为R2，第二右半圆环波导15的半径为R3，第二左半圆环波导17的半径为R4，所述R1＜R2＜R3＜R4。所述第一直波导12的长度为Lc1，第二直波导14的长度为Lc2，第三直波导16的长度为Lc3，输出直波导18的长度为Lc4，所述Lc1＜Lc2＜Lc3＜Lc4。

本发明一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器，通过将两个独立的耦合间距和耦合长度联系起来，实现对耦合系数的灵活控制，给复杂微腔的结构设计提供了更多的自由性，螺旋型传感器能有效增加传感器腔长，从而提高器件的品质因子，并且易实现微型化；基于耦合微环结构的螺旋跑道型干涉仪在增加光与物质相互作用的区域的同时也增强了腔的谐振效应，在实现大的探测范围和高的灵敏度方面具有很大的优势。

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跑道型干涉结构的螺旋光学生化传感器作详细说明：

外部入射的光通过输入直波导10注入到整个器件中，经过第一方向耦合器20，通过消逝场耦合，部分光功率耦合进入外环跑道型谐振腔，另一部分的光继续在内环跑道型谐振腔中传输，这两支同频率、不同初始相位的光在分别经过内环跑道型谐振腔和外环跑道型谐振腔后，由于所经历的光程不同，因而产生了干涉效应，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。在经过第二方向耦合器21时，通过消逝场耦合，部分光功率耦合进入输出直波导18输出，另一部分则继续在谐振腔中传输，参与反馈，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中产生谐振效应。

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，对马赫曾德尔干涉仪，当其两臂的光程差满足其中，对于本发明中实施例中有ΔL=L₁-L₂=2·(Lc3-Lc2)+π·(R4-R2)，L₁、L₂分别为两谐振腔外环和内环的周长，Lc3、Lc2分别为第三直波导和第二直波导的长度，R2、R4分别为第一左半环和第二左半环的半径，选择适当的干涉臂长度，使得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。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，2·(Lc3-Lc2)+π·(R4-R2)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MZI的弯曲臂以实现大的自由光谱范围。

环形谐振腔的输出谱为等间距的梳状谱,环形腔的周长C满足以下谐振条件，n·C=m·λ，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，某些波长的光才能得到增强而耦合输出。由于双跑道型谐振腔的游标效应，只有当某些特定波长的光波同时满足二者的谐振条件时，二者的谐振峰在那些波长处重叠。如图2所示为单一耦合跑道型结构的传输谱示意图,当内环跑道型谐振腔谐振波长与外环跑道型谐振腔谐振波长重合时，该波长处谐振得到加强，且重合越完整，谐振越剧烈，如图3所示为本发明实施例的一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器的传输谱示意图，而其它相邻的谐振峰由于不重叠而强度减弱，受到抑制。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：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{eff}}}{N_{\mathrm{eff}}}=\frac{\mathrm{\Δn}}{n},$

其中N_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。由于双跑道型谐振腔的游标效应，在它们都获得干涉相长和谐振增强的某些特定的频率出就会出现大的谐振峰，通过测量谐振峰的漂移就可以检测出外部待测环境物质的特征。如图4所示是在不同NaCl溶液浓度下本发明实施例一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器对不同波长光波的响应曲线图，当不同浓度的NaCl溶液流过传感器时，谐振波长会发生漂移，通过测量漂移量就可检测出外部环境的变化。

上述实施例中，波导是采用微细加工的方法在SOI晶圆上刻蚀获得的。通过MZ干涉效应和谐振腔的谐振效应可得到高消光比和宽自由光谱范围的谐振峰。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例，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 (4)

1.一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器，其特征在于，包括一条输入直波导、第一右半圆环波导、第一直波导、第一左半圆环波导、第二直波导、第二右半圆环波导、第三直波导、第二左半圆环波导以及一条输出直波导，所述输入直波导、第一直波导、第二直波导、第三直波导以及输出直波导相互平行；所述第一右半圆环波导的两端分别延伸出输入直波导的第二端和第一直波导的第二端，所述第一左半圆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，所述第二右半圆环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二端，所述第二左半圆环波导的两端分别延伸出第三直波导的第一端和输出直波导的第一端，所述输入直波导的第一端作为输入端，所述输出直波导的第二端作为输出端；

所述第一直波导和第三直波导构成第一方向耦合器，所述第二直波导和输出直波导构成第二方向耦合器，所述第一左半圆环波导、第一方向耦合器、第二方向耦合器以及第二右半圆环波导构成内环跑道型形谐振腔，所述第二右半圆环波导、第一方向耦合器、第二方向耦合器以及第二左半圆环波导构成外环跑道型形谐振腔。

2.如权利要求1所述的一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器，其特征在于，所述第一右半圆环波导的半径为R1，第一左半圆环波导的半径为R2，第二右半圆环波导的半径为R3，第二左半圆环波导的半径为R4，所述R1＜R2＜R3＜R4。

3.如权利要求1所述的一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器，其特征在于，所述第一直波导的长度为Lc1，第二直波导的长度为Lc2，第三直波导的长度为Lc3，输出直波导的长度为Lc4，所述Lc1＜Lc2＜Lc3＜Lc4。

4.如权利要求1至3任一项所述的一种基于螺旋跑道型干涉结构的光学生化传感器，其特征在于，所述波导为无源脊形波导或条形波导。