CN104034717A - 一种基于拉曼光谱的光波导传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拉曼光谱的光波导传感器。包括输入波导、螺旋形传感波导、滤波器、连接波导和输出波导，螺旋形传感波导上包层上开有检测窗口，螺旋形传感波导输入端经输入波导与波长可调谐激光器连接，螺旋形传感波导输出端经连接波导与滤波器一侧连接，滤波器另一侧经输出波导与光功率计连接。本发明可对单一或者混合的气体液体样本进行定性分析，利用平面光波导作为拉曼光谱激发和收集的介质，同时通过与滤波器的集成，可以实现小型化、低成本且无需标签的传感器。

Description

一种基于拉曼光谱的光波导传感器

技术领域

本发明为一种光波导传感器，涉及到一种基于拉曼光谱的光波导传感器。

背景技术

光传感技术作为信息科学的一个重要领域，在环境监测，医药的研发，食品的安全等等领域有着十分重要的应用。光波导传感器具备高灵敏度，可抗电磁干扰，便于集成，可实时监测等优势，得到了快速的发展和广泛的应用。

光波导传感器件的基本原理是光波导中传播的光有部分以倏逝波的形式在光波导包层传输，当被测物与光纤或平面波导芯层接触，就会与倏逝波相互作用，从而改变波导中所传输光的特性，通过检测波导中传输光的变化即可获取到检测样本的信息。

拉曼光谱技术可以对样品进行快速、简单、可重复而且无损伤的定性定量分析，因而应用广泛。其原理可以描述为：当一束单色光照射气体或液体样本时会发生散射，散射光中除了与入射光频率相同的瑞利散射光以外，还有分布于入射光频率两侧的有频移的部分，这部分光就是拉曼散射光。由于拉曼光谱与样本的分子的结构、分子的振动和转动能级相关，所以分析拉曼光谱就可以确定样本的种类。

传统的平面光波导传感器都是基于倏逝场与被测样本相互作用，从而引起波导模式折射率产生变化，进而波导传输光的特性发生改变，因此它们都是基于折射率的传感器。这些的光传感器有个共同的难题，都需要进行复杂的表面功能化才能实现其特异性，即不能对被测样本进行定性分析，而基于拉曼光谱分析的传感器就可以有效解决这个问题。但是由于拉曼散射光非常微弱(约占总散射光的10^-8)，要检测到拉曼光谱，就必须将很强的瑞利散射光滤除，因此传统的拉曼光谱仪都有复杂的滤波器(大多采用多级光栅)进行滤波，因此设备体积庞大，价格昂贵。传统拉曼光谱检测设备主要工作在532nm，633nm，785nm，还有1064nm波长，但是Carl Brouillette et al，“Raman spectroscopyusing1550nm Laser excitation”,APPLIED SPECTROSCOPY,Vol.65,No.5,2011，实验证明了用1550nm的激光作为光源，利用检测拉曼光谱的方法检测有机物样本。同时，Shiyun Lin,et al“Surface-Enhanced Raman Scattering withTrapped by a Photonic Crystal Cavity”Nano Lett.2013,13,559-563,在其中用实验证明了Ag纳米颗粒在1550nm波段对拉曼散射的增强效果，这使得拉曼光谱的检测变得更加容易。近些年工作在1550nm通信波段的平面光波导器件研究取得了许多成果，工艺也非常成熟，因此利用平面光波导实现拉曼信号的产生和收集，同时与滤波器的集成可以制作出高性能，便携的拉曼传感器。

发明内容

鉴于背景技术中的问题，本发明目的在于提供一种基于拉曼光谱的光波导传感器，使用光波导与被检测样本相互作用实现激发和收集拉曼散射光，并利用集成的滤波器进行滤波，极大的简化了拉曼光谱获取的复杂度和成本。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

本发明包括输入波导、螺旋形传感波导、滤波器、连接波导和输出波导，波导上包层上开有检测窗口，螺旋形传感波导装在检测窗口处，螺旋形传感波导输入端经输入波导与波长可调谐激光器连接，螺旋形传感波导输出端经连接波导与滤波器一侧连接，滤波器另一侧经输出波导与光功率计连接。

所述的波长可调谐激光器、输入波导、螺旋形传感波导、滤波器、连接波导、输出波导和光功率计均位于同一基底上。

所述的输入波导、螺旋形传感波导、滤波器、连接波导和输出波导均位于同一基底上，波长可调谐激光器为外接的波长可调谐激光器，光功率计为外接的光功率计。

所述的滤波器为环形谐振腔、微盘结构或者分布式布拉格光栅结构。

所述的环形谐振腔为单个微环组成或者多个微环级联组成的谐振腔结构。

所述的输入波导、螺旋形传感波导、连接波导、输出波导和滤波器均为平面光波导或者光子晶体波导。

所述的波长可调谐激光器与输入波导之间、输出波导和光功率计之间均通过端面直接耦合方式，或者通过焊接方式实现单片集成。

所述的波长可调谐激光器为集成的半导体波长可调谐激光器。

所述的光功率计为集成的光探测器。

所述的螺旋形传感波导芯层表面有用于增强拉曼信号的金属颗粒。

本发明的有益效果是：

通过利用平面光波导的倏逝场和被检测样本发生相互作用，激发同时收集拉曼散射光谱，可以实现基于平面光波导的拉曼光谱传感器，同时利用基于平面光波导的滤波器进行滤波，实现拉曼传感器的单片集成。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例2的结构示意图。

图3是输入波导、连接波导及输出波导的横截面图。

图4是传感波导的横截面图。

图5是波导截面纵向光强分布图。

图6是输入激发光与拉曼散射光的光谱示意图。

图7是微环滤波器的传输谱。

图8是通过波长扫描得到的拉曼光谱与滤波器叠加的传输谱。

图9是不同的微环滤波器的Q值对应的拉曼光谱分辨率。

图中：1、波长可调谐激光器，2、输入波导，3、输出波导，4、光功率计，5、波导下包层，6、波导上包层，7、待测样本、8、芯层，9、连接波导，10、螺旋形传感波导，20、环形谐振腔滤波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明包括输入波导2、螺旋形传感波导10、滤波器20、连接波导9和输出波导3，波导上包层6上开有检测窗口，螺旋形传感波导10装在检测窗口处，螺旋形传感波导10输入端经输入波导2与波长可调谐激光器1连接，螺旋形传感波导10输出端经连接波导9与滤波器20一侧连接，滤波器20另一侧经输出波导3与光功率计4连接。

如图1所示，波长可调谐激光器1、输入波导2、螺旋形传感波导10、滤波器20、连接波导9、输出波导3和光功率计4均位于同一基底上。

如图2所示，输入波导2、螺旋形传感波导10、滤波器20、连接波导9和输出波导3均位于同一基底上，波长可调谐激光器1为外接的波长可调谐激光器，光功率计4为外接的光功率计。

滤波器20为环形谐振腔、微盘结构或者分布式布拉格光栅结构。

环形谐振腔为单个微环组成或者多个微环级联组成的谐振腔结构。

输入波导2、螺旋形传感波导10、连接波导、输出波导3和滤波器20均为平面光波导或者光子晶体波导。

波长可调谐激光器1与输入波导2之间、输出波导3和光功率计4之间均通过端面直接耦合方式，或者通过焊接方式实现单片集成。

波长可调谐激光器1为集成的半导体波长可调谐激光器。

光功率计为集成的光探测器。

螺旋形传感波导10芯层8表面有用于增强拉曼信号的金属颗粒。

实施例1：

如图1所示，本发明包括波长可调谐激光器1、输入波导2、螺旋形传感波导10、连接波导9、滤波器20、输出波导3和光功率计4，上述的波长可调谐激光器1、输入波导2、螺旋形传感波导10、滤波器20、连接波导9、输出波导3和光功率计4均位于同一基底上，位于波导下包层5和波导上包层6之间。

滤波器20采用单个微环结构的环形谐振腔，光功率计4采用集成的光探测器，波长可调谐激光器1为集成的半导体波长可调谐激光器。输入波导2、螺旋形传感波导10、连接波导9、输出波导3和滤波器20均采用平面光波导。

螺旋形传感波导10的波导上包层6被去除，从而波导芯层8与检测样本7接触进而实现检测，螺旋形传感波导10输入端经输入波导2与集成的半导体波长可调谐激光器连接，螺旋形传感波导10输出端经连接波导9与环形谐振腔一侧连接，环形谐振腔另一侧经输出波导3与集成的光探测器连接。

波长可调谐激光器为集成的半导体波长可调谐激光器；光功率计4为集成的光探测器；螺旋形传感波导10芯层8表面有用于增强拉曼信号的金属颗粒。

其中，螺旋形传感波导10的芯层8与待测样本7接触，用于激发和收集待测样本的拉曼散射信号；环形谐振腔的传输谱中包涵一系列谐振峰，被用来抑制强的激发光，从而便于检测微弱的拉曼信号。

实施例2：

如图2所示，本发明输入波导2、螺旋形传感波导10、连接波导9、滤波器20和输出波导3，上述的输入波导2、螺旋形传感波导10、滤波器20、连接波导9和输出波导3均位于同一基底上，位于波导下包层5和波导上包层6之间。

滤波器20采用单个微环谐振腔结构，输入波导2、螺旋形传感波导10、连接波导9、输出波导3和滤波器20均采用平面光波导。

螺旋形传感波导10的波导上包层6被去除，从而波导芯层8与检测样本7接触进而实现检测，螺旋形传感波导10输入端经输入波导2与外接的波长可调谐激光器连接，螺旋形传感波导10输出端经连接波导9与环形谐振腔一侧连接，环形谐振腔另一侧经输出波导3与外接的光功率计连接。

波长可调谐激光器为外接的波长可调谐激光器，以端面直接耦合的方式与输入波导2耦合；光功率计4为外接的光功率计，与输出波导3之间通过端面直接耦合的方式耦合；螺旋形传感波导10芯层8表面有用于增强拉曼信号的金属颗粒。

其中，螺旋形传感波导10的芯层8与待测样本7接触，用于激发和收集待测样本的拉曼散射信号；环形谐振腔的传输谱中包涵一系列谐振峰，被用来抑制强的激发光，从而便于检测微弱的拉曼信号。

本发明的传感波导的倏逝场与被检测样本相互作用，激发出样本的拉曼散射光，所产生的拉曼散射光部分被传感波导收集从而在波导中传输，经过环形腔滤波器之后被检测。本发明可对单一或者混合的气体液体样本进行定性分析，利用平面光波导作为拉曼光谱激发和收集的介质，同时通过与滤波器的集成，可以实现小型化，低成本的无需标签的一种新型光学传感器。

本发明的实施原理和过程如下：

图1是本发明事实方案示意图。本发明具体中，传感波导10与待测样本7接触，用于激发和收集待测样本7的拉曼散射信号，环形谐振腔20用作滤波器，用于抑制激发光，从而检测到拉曼信号光。波长可调谐激光器输出的光经由输入波导2进入，之后传输到螺旋形传感波导10，传感波导的上包层被去除，因而波导芯层8与待测样本7接触，如图4所示，波导的倏逝场与被测物相互作用，产生拉曼散射光，其中部分会被传感波导收集。

激发光以及所产生的拉曼散射光经过环形谐振腔之后，经由输出波导被光功率计接收。环形谐振腔具有频率选择特性，因而用作滤波器来滤除激发光。因此在输入端通过可调谐激光器进行波长扫描，就可以得到滤波器和拉曼光谱叠加的光谱图，从而可以获得被检测物质的拉曼光谱，进而实现对被检测物质的分析。

普通气体液体样本的拉曼散射还与许多其它因素有关，散射光强度I可以描述如下：

$I=\mathrm{AC}{(v_0-v)}^4{E}^2{\left[\frac{\∂{\left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ρ\α}}\right)}_{\mathrm{mn}}}{\∂\mathrm{\Θ}}\right]}^2\frac{v+1}{8{\mathrm{\π}}^2\mathrm{\μv}}\mathrm{\ΩT}$

其中A为表面面积，C为物质浓度，v₀为激发光的频率，v为拉曼信号光的频率，E为场强，表示共振拉曼效应，π为圆周率，μ为磁导率，Ω表示收集的立体角，T表示通量。由此可以看出样本浓度越高，拉曼散射强度越强，同时利用大的激发光功率和增强效应也可以有效的增大拉曼信号的强度。

对于平面光波导所激发的自发拉曼散射，激发光P_p(z)与前向拉曼散射光P_R(z)之间的关系可以写为以下公式：

P_P(z)＝P_P(0)e^-γz

$\frac{d{P}_R\left(z\right)}{\mathrm{dz}}=-\mathrm{\γ}{P}_R\left(z\right)+\mathrm{\α}{P}_P\left(z\right)$

其中P_P(0)为初始激发光功率，z为传输距离，γ为波导传输损耗，单位为cm^-1，α为拉曼散射系数，可以表示为：

α＝ηS

其中η为拉曼散射光耦合进入波导的耦合效率，与波导结构有关，S为拉曼散射系数，与散射截面以及样本密度有关。由此可以得到初始的激发光与拉曼散射光的关系为：

P_R＝αLe^-γLP_P(0)

其中L为波导的长度。波导的横截面如图3和图4所示，与之相应的光的模场如图5所示，可以看出上包层的能量比例很高。同时对于大折射率差的绝缘层上的硅(SOI)波导，倏逝场的能量密度非常强，可以达到采用空间光束激发的几百倍以上，因此极大地增强了拉曼散射效率。上述平面光波导中的拉曼信号如图6所示，图中拉曼信号就是样本的拉曼光谱，可以看出拉曼散射信号极其微弱，一般为激发光的10^-6～10^-8倍。

此外，可以利用表面增强(SERS)技术进一步提高拉曼散射强度，在传感波导表面制作特殊的金属纳米颗粒(主要包括银纳米颗粒或者金纳米颗粒)，由于金属颗粒表面能够激发表面等离子体共振(SPR)，使得金属表面的电场强度大大提高，因此靠近金属表面的分子受到了更强的电场激发因此产生了强的拉曼散射，这种增强因子实验证明可以高达10⁴～10⁶。由于普通拉曼散射非常微弱，因此传统的光谱仪都需要复杂的机构来检测抑制激发光以及其它噪声从而检测到微弱的拉曼信号，因此采用这种增强技术可以极大地降低拉曼光谱获取的成本。

环形谐振腔耦合输出端透射系数T为：

$T=\frac{k_1{k}_2\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{j\β\πR}}}{1-t_1{t}_2\mathrm{\α}{e}^{-\mathrm{j\β}2\mathrm{\πR}}}$

式中，t₁和k₁分别为环形谐振腔与连接波导之间的自耦合系数和交叉耦合系数，t₂和k₂分别为环形谐振腔与输出波导之间的自耦合系数和交叉耦合系数，α表示环的损耗，β为传播常数，π为圆周率，R为环形谐振腔的半径。环形谐振腔具备频率的选择性，环形谐振腔的耦合输出端传输谱如图7所示，由图中可以看出，耦合输出端传输谱中最大最小值之间有几十万倍的差异，通过调谐输入光的波长，使得在某些波长下，输入光为非谐振波长而被抑制获得最小输出，拉曼散射光为谐振波长实现最大输出，由此通过波长的扫描就得到拉曼光谱与微环滤波器的传输谱叠加的光谱图(如图8所示)，从而可以得到拉曼光谱，进而可以分析被测样本。拉曼光谱的分辨率与滤波器的Q值的关系如图9所示，由于微环滤波器可以做到极高的Q值，因而此方案可以达到极高的拉曼光谱分辨率。

所述的波长可调谐激光器，光功率计，传感波导和滤波器集成在同一衬底上，从而降低耦合损耗，可以降低器件的成本，此外也可以利用外置的波长可调谐光源和光功率计，通过端面耦合方式或者光栅耦合器实现耦合。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种基于拉曼光谱的光波导传感器，其特征在于：包括输入波导(2)、螺旋形传感波导(10)、滤波器(20)、连接波导(9)和输出波导(3)，波导上包层(6)上开有检测窗口，螺旋形传感波导(10)装在检测窗口处，螺旋形传感波导(10)输入端经输入波导(2)与波长可调谐激光器(1)连接，螺旋形传感波导(10)输出端经连接波导(9)与滤波器(20)一侧连接，滤波器(20)另一侧经输出波导(3)与光功率计(4)连接。

2. 根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的光波导传感器，其特征在于：所述的波长可调谐激光器(1)、输入波导(2)、螺旋形传感波导(10)、滤波器(20)、连接波导(9)、输出波导(3)和光功率计(4)均位于同一基底上。

3. 根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的光波导传感器，其特征在于：所述的输入波导(2)、螺旋形传感波导(10)、滤波器(20)、连接波导(9)和输出波导(3)均位于同一基底上，波长可调谐激光器(1)为外接的波长可调谐激光器，光功率计(4)为外接的光功率计。

4. 根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的光波导传感器，其特征在于：所述的滤波器(20)为环形谐振腔、微盘结构或者分布式布拉格光栅结构。

5. 根据权利要求4所述的一种基于拉曼光谱的光波导传感器，其特征在于：所述的环形谐振腔为单个微环组成或者多个微环级联组成的谐振腔结构。

6. 根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的光波导传感器，其特征在于：所述的输入波导(2)、螺旋形传感波导(10)、连接波导、输出波导(3)和滤波器(20)均为平面光波导或者光子晶体波导。

7. 根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的光波导传感器，其特征在于：所述的波长可调谐激光器(1)与输入波导(2)之间、输出波导(3)和光功率计(4)之间均通过端面直接耦合方式，或者通过焊接方式实现单片集成。

8. 根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的光波导传感器，其特征在于：所述的波长可调谐激光器(1)为集成的半导体波长可调谐激光器。

9. 根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的光波导传感器，其特征在于：所述的光功率计为集成的光探测器。

10. 根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的光波导传感器，其特征在于：所述的螺旋形传感波导(10)芯层(8)表面有用于增强拉曼信号的金属颗粒。