CN104034694A - 基于光功率比值解调的集成波导光学生化传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于光功率比值解调的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，激光器输出的光波由第一直光波导进入第一光波导定向耦合器分束为两路，分别进入传感支路光波导和参考支路光波导，待测生化样品的浓度不同，光波相位改变量不同，经传感支路光波导和参考支路光波导传输的光波进入支路第二光波导定向耦合器发生耦合分束，得到的光信号经光电探测器转换为光电流并进入数据采集与处理单元转换为光功率，通过两路光功率的比值解调得到待测生化样品的浓度。该发明基于光电集成技术将各部分集成到同一芯片上，减小了光学生化传感检测装置的体积，稳定性高、操作简便的优点。

Description

基于光功率比值解调的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，具体涉及一种基于光功率比值解调的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、能耗低等优势受到极大关注，基于波导微环、波导光栅、波导马赫—曾德干涉仪等结构的集成波导光学生化传感器相继报道，快速、高效的传感解调方法是集成波导光学生化传感器可实用化的关键。

在先技术[1](Gun-Duk Kim,Geun-Sik Son,Hak-Soon Lee,Ki-Do Kim,Sang-Shin Lee.“Integrated photonic glucose biosensor using a vertically coupledmicroring resonator in polymers”Optics Communications,2008,281,pp.4644–4647.)中，采用垂直耦合聚合物集成波导微环作为传感单元实现了对葡萄糖溶液浓度的检测，该传感器采用可调谐激光器为光源，光电探测器为功率接收装置，扫描可调谐激光器输出波长，记录葡萄糖溶液不同浓度条件下波导微环输出的光谱，通过对谐振波长漂移量的检测解调来获得葡萄糖溶液的浓度。该传感检测系统需要可调谐激光器为光源，成本高、系统结构复杂。

在先技术[2](Sang-Yeon Cho and Deva K.Borah.“Chip-scale hybrid opticalsensing systems using digital signal processing,”Optics Express,2009,Vol.17,No.1,pp.150-155)中，采用宽带光源、阵列波导光栅(AWG)和阵列式光电探测器(PD)构成波导微环传感器的传感解调系统。AWG具有解复用功能，不同波长的光波在AWG的不同端口输出，通过探测各个端口的光波功率值并进行采样拟合，来检测微环传感器输出波长值的改变量，进而获得待测样品浓度。该传感解调装置虽然避免了先前技术[1]中的波长扫描，并且采用了集成光波导AWG以减小波导芯片尺寸，但是需要阵列式(多个)光电探测器对AWG多个输出端口的光波进行光电转换，然后再进行多路信号取样拟合处理，增加了传感检测装置的体积和数据处理的复杂性。此外，宽带光源功率谱的不平坦以及功率的起伏都将对传感检测结果产生影响。

在先技术[3](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，Vo l.22，No.2,pp.159-162)中，以两个Y分支光波导构成马赫-曾德型SiO₂光波导传感器，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，此检测结果易受到激光器输出功率起伏的影响。

在先技术[4](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分支光波导构成马赫-曾德型多孔硅光波导传感器，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

本发明针对上述技术问题，提出一种基于光功率比值解调的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、传感支路光波导、参考支路光波导、第二光波导定向耦合器、第二直光波导和第三直光波导、第一光电探测器、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，包括第一连接电路、第二连接电路和数据采集与处理单元。

所述传感支路光波导上制作有传感池，光波导芯层被待测生化样品溶液覆盖。

所述激光器为单波长激光器。

所述一种基于光功率比值解调的集成波导光学生化传感器的检测方法，其特征包括如下步骤：

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，分别进入传感支路光波导和参考支路光波导；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，待测生化样品溶液的浓度不同，其折射率则不同，对光波相位改变量的大小不同；传感支路光波导和参考支路光波导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二直光波导和第三直光波导。

b.第二直光波导和第三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；

c.经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分别满足

$P_1=P_0{A}_1{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2}\right)---\left(1\right)$

$P_2=P_0{A}_2{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2}\right)---\left(2\right)$

其中P₀为激光器输出的光功率，A₁和A₂为与光电转换效率、光传输损耗和负载电阻相关的常数，ΔΦ＝2πΔn_effL/λ，L为传感池覆盖的光波导长度，λ为激光器输出光波的波长，Δn_eff为传感池区域波导有效折射率的改变量，其由波导芯层覆盖的待测生化样品溶液的折射率变化量Δn_c确定。数据采集与处理单元对光功率P₁和P₂进行比值计算，有

$R=\frac{P_2}{P_1}={\mathrm{Cc}\tan }^2(\mathrm{\Δ\Φ}/2)---\left(3\right)$

其中C＝A₂/A₁，为常数。利用两路光功率的比值R，可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。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的基于光功率比值解调的集成波导光学生化传感器具有以下突出的有益效果：

(1)本发明采用两个光波导定向耦合器、传感支路光波导和参考支路光波导构成双端口输出光学生化传感光波传输通道，双端口输出的光功率比值与待测样品溶液浓度具有余切函数关系，获得高的传感检测分辨率。

(2)本发明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，传感器系统结构简单、成本低，数据处理简便。通过光电混合集成技术把光路部分、传感支路和电路部分集成到同一平台上，极大减小了光学生化传感器系统的体积、降低了系统复杂性。

附图说明

图1本发明基于光功率比值解调的集成波导光学生化传感器结构示意图。

图2传感池中光波导横截面示意图。

图3非传感池中波导横截面示意图。

图4经第二直光波导和第三直光波导输出的归一化光波功率随待测样品溶液折射率变化的关系曲线。

图5是输出光功率比值随待测样品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传感支路光波导；6参考支路光波导；7传感池；8第二光波导定向耦合器；9第二直光波导；10第三直光波导；11第一光电探测器；12第二光电探测器；13第一连接电路；14第二连接电路；15数据采集与处理单元。

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，本发明光功率比值解调的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片上，构成集成化光学生化传感器。

激光器输出单波长光波(功率为P₀，波长为λ)经第一直光波导进入第一光波导定向耦合器分成两路，分别进入传感支路光波导和参考支路光波导；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，待测生化样品溶液的浓度不同，其折射率则不同，对光波相位改变量的大小不同，待测样品溶液的折射率相对于无待测生化样品的纯液体的折射率的差值为Δn_c，传感池覆盖区域光波导长度为L，引起的相位改变量为ΔΦ＝2πΔn_effL/λ，Δn_eff为光波导有效折射率的改变量；传感支路光波导和参考支路光波导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二直光波导和第三直光波导。

第二直光波导和第三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；

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分别满足

$P_1=P_0{A}_1{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2}\right)---\left(1\right)$

$P_2=P_0{A}_2{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2}\right)---\left(2\right)$

其中A₁和A₂为与光电转换效率、光传输损耗和负载电阻相关的常数。数据采集与处理单元对光功率P₁和P₂进行比值计算，有

$R=\frac{P_2}{P_1}={\mathrm{Cc}\tan }^2(\mathrm{\Δ\Φ}/2)---\left(3\right)$

其中C＝A₂/A₁，为常数。利用两路光功率的比值R，可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。

本发明中光波导可以是聚合物、二氧化硅、硅、氮化硅和半导体等光波导。

实施例，采用聚合物光波导。

光源为分布反馈半导体激光器，波长为λ＝1550nm。聚合物光波导芯层折射率为1.52，聚合物包层折射率为1.45，光波导芯层矩形结构，宽2.3μm，高2.1μm，传感池区域光波导长度为L＝264μm。第一光波导定向耦合器为3dB耦合器，第二光波导定向耦合器为3dB耦合器。

图2给出了传感池覆盖区域光波导的横截面结构示意图，光波导芯层被待测生化样品溶液覆盖。图3给出了非传感池区域光波导的横截面结构示意图，光波导芯层被与下包层材料相同的材料覆盖。

图4给出了由第二直光波导和第三直光波导输出光波的归一化光功率值P₁和P₂随待测生化样品溶液折射率改变量变化的关系曲线，P₁和P₂随待测生化样品溶液折射率改变量分别满足正弦函数平方和余弦函数平方的变化关系。

图5给出了第二直光波导和第三直光波导输出光功率的比值P₂/P₁随待测生化样品溶液折射率改变量变化的关系曲线。光功率比值P₂/P₁随待测生化样品溶液折射率改变量满足余切函数平方的变化趋势，并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。

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)

1.一种基于光功率比值解调的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)、传感支路光波导(5)、参考支路光波导(6)、第二光波导定向耦合器(8)、第二直光波导(9)和第三直光波导(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)；

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(13)，第二连接电路(14)，数据采集与处理单元(15)；

传感支路光波导(5)上制作有传感池(7)，光波导芯层被待测生化样品溶液覆盖。

2.根据权利要求1所述的基于光功率比值解调的集成波导光学生化传感器，其特征还在于具有：激光器(2)为单波长激光器。

3.一种基于光功率比值解调的集成波导光学生化传感器的检测方法，其特征包括如下步骤：

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，分别进入传感支路光波导(5)和参考支路光波导(6)；传感支路光波导(5)中的光波在传感池(7)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，待测生化样品溶液的浓度不同，其折射率则不同，对光波相位改变量的大小不同；传感支路光波导(5)和参考支路光波导(6)分别与第二光波导定向耦合器(8)的两个输入端相连，光波经第二光波导定向耦合器(8)耦合分束后分别进入第二直光波导(9)和第三直光波导(10)；

b.第二直光波导(9)和第三直光波导(10)输出的光波分别进入第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)进行光电转换，得到的光电流分别经第一连接电路(13)和第二连接电路(14)进入数据采集与处理单元(15)转换为光功率值；

c.由第一连接电路(13)进入数据采集与处理单元(15)的光电流转换的光功率值P₁和由第二连接电路(14)进入数据采集与处理单元(15)的光电流转换的光功率值P₂分别满足

$P_1=P_0{A}_1{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2}\right)---\left(1\right)$

$P_2=P_0{A}_2{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{2}\right)---\left(2\right)$

其中P₀为激光器输出的光功率，A₁和A₂为与光电转换效率、光传输损耗和负载电阻相关的常数，ΔΦ＝2πΔn_effL/λ，L为传感池(7)覆盖的光波导长度，λ为激光器输出光波的波长，Δn_eff为传感池(7)区域波导有效折射率的改变量，其由波导芯层覆盖的待测生化样品溶液的折射率变化量Δn_c确定；数据采集与处理单元(15)对光功率P₁和P₂进行比值计算，有

$R=\frac{P_2}{P_1}={\mathrm{Cc}\tan }^2(\mathrm{\Δ\Φ}/2)---\left(3\right)$

其中C＝A₂/A₁，为常数；利用两路光功率的比值R，可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信息。