CN104020137B - 一种相位增敏型集成波导光学生化传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位增敏型集成波导光学生化传感器，属于光传感技术领域。该集成波导光学生化传感器包括光路部分、传感支路和电路部分。波导微环与第二直光波导构成第一传感支路，二者处于过耦合状态，波导微环为该支路提供相位增敏功能，通过对第二光波导定向耦合器的两输出端口光功率探测和比值计算进行传感解调。本发明通过波导微环实现相位增敏，减小传感器尺寸；传感池覆盖两路光传输波导通道，降低了传感器制备工艺的复杂性；采用光功率比值解调方法快速获得待测生化样品的浓度等信息，不受激光器输出光功率起伏的影响；基于光电集成工艺把各部分集成到同一平台上，实现光学生化传感器的微型化和片上传感系统，稳定性高、操作便捷的优点。

Description

一种相位增敏型集成波导光学生化传感器

技术领域

本发明属于光传感技术领域，具体涉及一种相位增敏型集成波导光学生化传感器。

背景技术

光学生化传感器在生物工程、医疗检测、环境监测等领域具有广阔的应用前景。其基本原理是待测物质与光波相互作用，从而使光波的某些物理参量，如波长、强度、相位、偏振等，发生变化，通过对这些物理参量的测量来获得待测物质的浓度、类别等信息。

集成波导光学生化传感器以其灵敏度高、所需样品量少、体积小、能耗低等优势呈现出广阔的应用前景。马赫—曾德干涉结构集成波导光学生化传感器，因其传感原理清晰、结构简单、集成度较高等优势，相关研究受到极大关注。

在先技术[1](吴远大,姜婷,安俊明,李建光,王玥,王红杰,胡雄伟.“SiO₂基Mach-Zehnder型传感芯片的制备与敏感性研究”，光电子·激光，2011，Vol.22，No.2,pp.159-162)中，以两个Y分支光波导构成一进一出的马赫-曾德干涉结构SiO₂光波导传感器，通过二次光刻+湿法刻蚀技术在一个干涉臂上获得长度为2cm敏感窗口。采用分布反馈激光器和光电探测器构成传感检测装置，通过对传感器输出光功率的检测解调来获得盐溶液的浓度。该传感器因采用直波导为传感臂，所需敏感窗口长度较长，从而使得整个器件尺寸较大；传感检测系统的光功率变化随待测溶液的浓度呈正弦函数关系，解调分辨率较低；另外，检测结果易受到激光器输出功率起伏的影响。

在先技术[2](Kyowon Kim and Thomas E.Murphy.“Porous silicon integratedMach-Zehnder interferometer waveguide for biological and chemical sensing,”2013,Vol.21,No.17,pp.19488-19497)中，以两个Y分支光波导构成一进一出的马赫-曾德干涉结构光波导传感器，采用多孔硅为光传输波导增强了光波与待测物质的相互作用。为了实现传感检测功能，需要采用旋涂+反应离子刻蚀工艺对传感臂和参考臂进行不同的处理，参考臂波导覆盖聚合物保护层，传感臂露出多孔硅波导以构成敏感窗口。采用激光外差干涉解调方法实现对异丙醇的传感检测。该传感器制作工艺较为复杂；传感解调系统除了激光器和光电探测器外，还需要数字信号发生器、锁相放大器等设备，传感解调系统复杂、成本高。

发明内容

本发明针对上述马赫-曾德干涉结构集成波导光学生化传感器存在的结构尺寸大、敏感窗口制备工艺复杂、传感解调分辨率低、系统成本高等技术问题，提出一种相位增敏型集成波导光学生化传感器。该集成波导光学生化传感器包括光路部分、传感支路和电路部分。所述光路部分在集成波导光学生化传感器前部，包括激光器，第一直光波导，第一光波导定向耦合器，第二直光波导，第三直波导，波导微环，第二光波导定向耦合器，第四直光波导和第五直光波导，第一光电探测器和第二光电探测器；所述电路部分在集成波导光学生化传感器后部，包括激光器，第一连接电路、第二连接电路，数据采集与处理单元。

所述传感支路包括第一传感支路和第二传感支路；第二直光波导与波导微环构成第一传感支路，两者之间处于过耦合状态，波导微环为第一传感支路提供相位增敏功能；第三直光波导为第二传感支路；第二直波导与第三直波导的长度相同；传感池覆盖第一传感支路和第二传感支路。

所述第一直光波导为光波输入端口，第四直光波导和第五直光波导分别为两个光波输出端口；第四直光波导和第五直光波导长度相同。

所述激光器为单波长激光器。

所述相位增敏型集成波导光学生化传感器的传感测量方法，其特征在于具有如下步骤：

a.激光器输出单波长光波经第一直光波导进入第一光波导定向耦合器分成两路，分别进入第一传感支路和第二传感支路；第一传感支路中光波经第二直光波导耦合进入波导微环，光波在微环波导中传播，相位变化受到增敏作用，然后耦合输出至第二光波导定向耦合器的输入端口；第二传感支路中光波经第三直光波导输出至第二光波导定向耦合器的另一输入端口；

b.第一传感支路和第二传感支路输出的光波经第二光波导定向耦合器耦合分束后进入第四直光波导和第五直光波导。

c.第四直光波导和第五直光波导输出的光波分别进入第一光电探测器和第二光电探测器进行光电转换，得到的光电流分别经第一连接电路和第二连接电路进入数据采集与处理单元转换为光功率值；

d.由第一连接电路进入数据采集与处理单元的光电流转换的光功率值P₁和由第二连接电路进入数据采集与处理单元的光电流转换的光功率值P₂的比值满足

$R=\frac{P_2}{P_1}=\frac{{\left(\right|H|+1)}^2{\cos }^2(\mathrm{\Φ}/2)+{\left(\right|H|-1)}^2{\sin }^2(\mathrm{\Φ}/2)}{{\left(\right|H|-1)}^2{\cos }^2(\mathrm{\Φ}/2)+{\left(\right|H|+1)}^2{\sin }^2(\mathrm{\Φ}/2)}---\left(1\right)$

其中|H|为波导微环的幅度响应函数，Φ为波导微环的响应相位，分别满足以下公式

$\left|H\right|={\left[\frac{1-\mathrm{\κ}+\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}{1+(1-\mathrm{\κ})\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}\right]}^{1/2}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{\π}-\mathrm{\φ}-\arctan \left[\frac{\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{\sqrt{\mathrm{\γ}}-\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}\right]-\arctan \left[\frac{\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{1-\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\φ}\right)}\right]---\left(3\right)$

其中κ为第二直光波导与微环的强度耦合系数，γ为微环的光波传输强度损耗因子，φ＝2πNL/λ为光波在微环中的传输相位，L为导微环的周长，λ为激光器输出光波的波长，N为传感池覆盖波导的有效折射率。

待测生化样品溶液的浓度不同，其折射率相比于没有待测样品的纯液体的折射率差值Δn_c不同，使得波导的有效折射率N不同，波导微环的相位响应Φ则不同，进而引起第四直光波导和第五直光波导输出光功率的比值R不同。利用两路光功率的比值R，计算得到待测样品溶液的折射率变化量Δn_c，进而获得待测生化样品的浓度等信息。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的相位增敏型集成波导光学生化传感器具有以下突出的有益效果：

(1)本发明中的波导微环具有相位增敏功能，待测生化样品溶液折射率差值Δn_c的微小变化，使得输出光功率的比值R获得较大的变化，使得该传感器具有高的检测灵敏度；采用高折射率差的波导材料制备微环，具有极小的弯曲半径，因此传感器的结构尺寸大大降低。

(2)本发明中光波传输为一进二出结构，激光器输出功率的起伏对两输出端口的影响一致，利用双端口输出光功率的比值来获得待测样品溶液浓度，消除了激光器输出光功率起伏对测量结果的影响。

(3)本发明中马赫-曾德干涉结构中的两支路波导均被传感池覆盖，即两支路波导的结构相同，采用波导制备工艺一次性制备出来，避免了两支路波导需要不同工艺进行处理的复杂过程，降低了器件制备成本。

(4)本发明只需一个单波长激光器和两个光电探测器构成传感检测系统，通过双端口输出光功率的比值获得待测样品溶液浓度，数据处理简便。通过光电混合集成技术把传输光波导与激光器、光电探测及数据处理单元集成到同一平台上，极大减小光学生化传感器系统的体积、降低系统复杂性，有利于实现光学生化传感器的微型化和片上传感系统。

附图说明

图1本发明相位增敏型集成波导光学生化传感器结构示意图。

图2传感池覆盖的第一传感支路和第二传感支路光波导横截面结构示意图。

图3波导微环输出的相位响应曲线。

图4第四直光波导和第五直光波导输出光波功率的比值响应曲线。

图5输出光功率比值随待测溶液折射率变化的关系曲线。

图中：1集成波导光学生化传感器；2激光器；3第一直光波导；4第一光波导定向耦合器；5第二直光波导；6第三直光波导；7波导微环；8传感池；9第二光波导定向耦合器；10第四直光波导；11第五直光波导；12第一光电探测器；13第二光电探测器；14第一连接电路；15第二连接电路；16数据采集与处理单元；17第一传感支路；18第二传感支路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明相位增敏型集成波导光学生化传感器包括光波导、传感池、激光器、光电探测器、连接电路和数据采集与处理电路，光波导可以是聚合物、二氧化硅、硅、氮化硅或半导体等光波导材料构成；激光器、光电探测器、连接电路和数据采集与处理电路采用光电混合集成工艺与光波导回路集成在同一基底上，构成集成化光学生化传感器。

激光器输出单波长光波(波长为λ，在波导微环谐振波长λ_r的附近)经第一直光波导进入第一光波导定向耦合器分成两路，分别进入第一传感支路和第二传感支路。图2给出了传感池覆盖的第一传感支路和第二传感支路中光波导横截面示意图。两传感支路光波导中的光波在传感池中与待测生化样品溶液发生相互作用，从而使得光波传输相位发生变化；传感池覆盖的第一传感支路中第二直光波导和第二传感支路中第三直光波导的相位改变量相同，在经第二光波导定向耦合器耦合分束时，相位差为0。因此，第一传感支路和第二传感支路中光波相位改变量的差值即为波导微环的响应相位Φ

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{\π}-\mathrm{\φ}-\arctan \left[\frac{\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{\sqrt{\mathrm{\γ}}-\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}\right]-\arctan \left[\frac{\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{1-\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\φ}\right)}\right]---\left(3\right)$

其中κ为第二直光波导与微环的强度耦合系数，γ为微环的光波传输强度损耗因子，φ＝2πNL/λ为光波在微环中的传输相位，L为导微环的周长，λ为激光器输出光波的波长，N为传感池覆盖波导的有效折射率。

图3给出第一传感支路中波导微环输出的相位响应随微环内光传输相位变化的关系曲线，在谐振波长处(对应微环内的光传输相位为φ＝2mπ)，微环输出的相位响应为π，偏离微环谐振波长处，微环输出的光波相位响应迅速偏离π。因此，微环起到相位增敏效果。

第一传感支路和第二传感支路分别与第二光波导定向耦合器的两个输入端相连，光波经第二光波导定向耦合器耦合分束后分别进入第四直光波导和第五直光波导。

第四直光波导和第五直光波导输出的光波分别进入第一光电探测器和第二光电探测器进行光电转换，得到的光电流分别经第一连接电路和第二连接电路进入数据采集与处理单元为光功率值；

由第一连接电路进入数据采集与处理单元的光电流转换的光功率值P₁和由第二连接电路进入数据采集与处理单元的光电流转换的光功率值P₂的比值满足

$R=\frac{P_2}{P_1}=\frac{{\left(\right|H|+1)}^2{\cos }^2(\mathrm{\Φ}/2)+{\left(\right|H|-1)}^2{\sin }^2(\mathrm{\Φ}/2)}{{\left(\right|H|-1)}^2{\cos }^2(\mathrm{\Φ}/2)+{\left(\right|H|+1)}^2{\sin }^2(\mathrm{\Φ}/2)}---\left(1\right)$

其中|H|为波导微环的幅度响应函数，满足以下公式

$\left|H\right|={\left[\frac{1-\mathrm{\κ}+\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}{1+(1-\mathrm{\κ})\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}\right]}^{1/2}---\left(2\right)$

待测生化样品溶液的浓度不同，其折射率相比于没有待测样品的纯液体的折射率差值Δn_c不同，使得波导的有效折射率N不同，波导微环的相位响应Φ则不同，进而引起第四直光波导和第五直光波导输出光功率的比值R不同。利用两路光功率的比值R，计算得到待测样品溶液的折射率变化量Δn_c，进而获得待测生化样品的浓度等信息。

实施例，波导微环的谐振波长为λ_r，自由光谱范围为FSR，对应的微环内光波传输的相位变化周期为2π。第二直光波导与微环的强度耦合系数κ＝0.15，波导微环的光传输强度损耗因子γ＝0.9，图4给出了在一个相位变化周期内，传感器两输出端口光功率比值R随微环内光波传输相位变化的关系曲线。功率比值在2mπ～(2m+1)π相位范围内呈单调变化趋势，存在一一对应的关系。

光波导为聚合物材料制备，光波导芯层折射率为1.52，下包层折射率为1.45，光波导芯层矩形结构，宽2.3μm，高2.1μm。激光器输出光波波长λ与微环谐振波长λ_r的差值为-0.01FSR，则该光波在微环内的传播相位为(m+0.01)2π。图5给出了待测生化样品溶液折射率改变量Δn_c在0～0.006范围内变化，所对应的传感器两输出端口光功率比值R的变化曲线。光功率比值R与待测生化样品溶液折射率改变量Δn_c存在一一对应的关系。根据实际检测的光功率比值获得唯一对应的待测生化样品溶液折射率改变量，进而获得待测生化样品的浓度等信息。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明阐述的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种相位增敏型集成波导光学生化传感器，其特征在于：

该集成波导光学生化传感器(1)包括光路部分、传感支路和电路部分；

光路部分在集成波导光学生化传感器(1)前部，包括激光器(2)，第一直光波导(3)，第一光波导定向耦合器(4)，第二直光波导(5)，第三直光波导(6)，波导微环(7)，传感池(8)，第二光波导定向耦合器(9)，第四直光波导(10)和第五直光波导(11)，第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)；

电路部分在集成波导光学生化传感器(1)后部，包括第一连接电路(14)，第二连接电路(15)，数据采集与处理单元(16)；

传感支路包括第一传感支路(17)和第二传感支路(18)；第二直光波导(5)与波导微环(7)构成第一传感支路(17)，两者之间处于过耦合状态，波导微环(7)为第一传感支路(17)提供相位增敏功能；第三直光波导(6)为第二传感支路(18)；第二直波导(5)与第三直波导(6)的长度相同；传感池(8)覆盖第一传感支路(17)和第二传感支路(18)；

第一直光波导(3)为光波输入端口，第四直光波导(10)和第五直光波导(11)分别为两个光波输出端口；第四直光波导(10)和第五直光波导(11)长度相同。

2.根据权利要求1所述的相位增敏型集成波导光学生化传感器，其特征在于具有：激光器(2)为单波长激光器。

3.一种相位增敏型集成波导光学生化传感器的传感检测方法，其特征在于，具有如下步骤：

a.激光器(2)输出单波长光波经第一直光波导(3)进入第一光波导定向耦合器(4)分成两路，分别进入第一传感支路(17)和第二传感支路(18)；第一传感支路(17)中光波经第二直光波导(5)耦合进入波导微环(7)，光波在微环波导(7)中传播，相位改变受到增敏作用，然后耦合输出至第二光波导定向耦合器(9)的输入端口；第二传感支路(18)中光波经第三直光波导(6)输出至第二光波导定向耦合器(9)的另一输入端口；

b.第一传感支路(17)和第二传感支路(18)输出的光波经第二光波导定向耦合器(9)耦合分束后进入第四直光波导(10)和第五直光波导(11)；

c.第四直光波导(10)和第五直光波导(11)输出的光波分别进入第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)进行光电转换，得到的光电流分别经第一连接电路(14)和第二连接电路(15)进入数据采集与处理单元(16)转换为光功率值；

d.由第一连接电路(14)进入数据采集与处理单元(16)的光电流转换的光功率值P₁和由第二连接电路(15)进入数据采集与处理单元(16)的光电流转换的光功率值P₂的比值满足

$R=\frac{P_2}{P_1}=\frac{{\left(\right|H|+1)}^2{\cos }^2(\mathrm{\Φ}/2)+{\left(\right|H|-1)}^2{\sin }^2(\mathrm{\Φ}/2)}{{\left(\right|H|-1)}^2{\cos }^2(\mathrm{\Φ}/2)+{\left(\right|H|+1)}^2{\sin }^2(\mathrm{\Φ}/2)}---\left(1\right)$

其中|H|为波导微环(7)的幅度响应函数，Φ为波导微环(7)的相位响应，分别满足以下公式，

$\left|H\right|={\left[\frac{1-\mathrm{\κ}+\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}{1+(1-\mathrm{\κ})\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}\right]}^{1/2}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{\π}-\mathrm{\φ}-\arctan \left[\frac{\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{\sqrt{\mathrm{\γ}}-\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}\right]-\arctan \left[\frac{\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{1-\sqrt{1-\mathrm{\κ}}\sqrt{\mathrm{\γ}}\left(\mathrm{\φ}\right)}\right]---\left(3\right)$

其中κ为第二直光波导(5)与微环(7)的强度耦合系数，γ为微环(7)的光波传输强度损耗因子，φ＝2πNL/λ为光波在微环(7)中的传输相位，L为导微环(7)的周长，λ为激光器(2)输出光波的波长，N为传感池(8)覆盖波导的有效折射率；

待测生化样品溶液的浓度不同，其折射率相比于没有待测样品的纯液体的折射率差值Δn_c不同，使得波导的有效折射率N不同，波导微环(7)的相位响应Φ则不同，进而引起第四直光波导(10)和第五直光波导(11)输出光功率的比值R不同；利用两路光功率的比值R，计算得到待测样品溶液的折射率变化量Δn_c，进而获得待测生化样品的浓度。