CN104048943B - 传感解调一体化的集成波导光学生化传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感解调一体化的集成波导光学生化传感器。该光学生化传感器包括传感单元、解调单元和电路部分。激光光源、第一直光波导、第一光波导微环、第二直光波导和传感池构成传感单元；第二直光波导、第二光波导微环、倒L形光波导、第一光电探测器和第二光电探测器构成解调单元。该发明利用传感单元光波导微环的高Q值特性实现待测生化样品溶液的高灵敏传感功能；利用解调单元光波导微环两个输出端口光谱的互补特性构建功率比值与波长对应函数，实现传感单元输出光波波长的实时快速解调。将传感单元、解调单元和电路部分集成到同一平台上，实现传感解调一体化和光学生化传感器的微型化和片上传感系统，具有稳定性高、操作便捷的优点。

Description

传感解调一体化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，具体涉及一种传感解调一体化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、能耗低等优势呈现出广阔的应用前景。基于波导微环、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。研究工作主要集中在传感单元的设计与传感功能的验证，对于解调主要是利用实验室的测试系统进行演示，尚未满足实际应用中光学生化传感器的微型化和低成本要求。

在先技术[1](Gun-DukKim,Geun-SikSon,Hak-SoonLee,Ki-DoKim,Sang-ShinLee.―Integratedphotonicglucosebiosensorusingaverticallycoupledmicroringresonatorinpolymers‖OpticsCommunications,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-YeonChoandDevaK.Borah.―Chip-scalehybridopticalsensingsystemsusingdigitalsignalprocessing,‖OpticsExpress,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。

在先技术[3](KyowonKimandThomasE.Murphy.―PoroussiliconintegratedMach-Zehnderinterferometerwaveguideforbiologicalandchemicalsensing,‖2013,Vol.21,No.17,pp.19488-19497)中，以两个Y分支光波导构成马赫-曾德干涉结构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

本发明针对上述集成波导光学生化传感器存在的结构尺寸大、解调算法复杂、成本高等技术问题，提出一种传感解调一体化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传感单元、解调单元和电路部分。

所述传感单元在集成波导光学生化传感器前部，包括激光光源，第一直光波导，第一光波导微环，第二直光波导，传感池；第一直光波导与第一光波导微环构成第一耦合区；第一光波导微环与第二直光波导构成第二耦合区；

所述解调单元在集成波导光学生化传感器中部，包括第二直光波导，第二光波导微环，倒L形光波导，第一光电探测器，第二光电探测器；第二直光波导与第二光波导微环构成第三耦合区；第二光波导微环与倒L形光波导构成第四耦合区；第二直光波导和倒L形光波导垂直相交，分别构成解调单元的两个光学输出端口；

所述电路部分在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，数据采集与处理单元；

所述第一光波导微环的自由光谱范围为FRS₁，第二光波导微环的自由光谱范围为FSR₂，满足FRS₂≥2FRS₁关系。

所述激光光源谱宽W_L，满足W_L≤FRS₁关系。

所述一种传感解调一体化的集成波导光学生化传感器的传感解调方法，其特征在于该方法具有如下步骤：

a.激光光源输出谱宽为W_L的光波进入第一直光波导，经第一耦合区耦合进入第一光波导微环，光波在第一光波导微环中往返传输，与传感池中的待测生化样品溶液发生相互作用，满足谐振条件的光波从第二耦合区耦合输出至第二直光波导。谐振光波与第一光波导微环的周长L₁满足如下关系

mλ_R1＝n_effL₁(1)

其中n_eff为待测生化样品溶液覆盖波导的有效折射率，m为谐振级数。

b.传感池中的待测生化样品溶液的浓度不同，其折射率不同，待测生化样品溶液覆盖波导的有效折射率n_eff不同，使得波导微环的谐振波长不同，即从第二耦合区耦合输出至第二直光波导的不同波长代表待测生化样品溶液的不同浓度，实现对待测生化样品溶液的传感检测功能。

c.从第二耦合区耦合输出至第二直光波导中光波的一部分在第三耦合区耦合进入第二光波导微环，然后经第四耦合区耦合输出进入倒L形光波导，并传输至第一光电探测器进行光电转换输出光电流。

d.从第二耦合区耦合输出至第二直光波导中光波的另一部分经第三耦合区继续传输，经第二直光波导的光输出端口达到第二光电探测器进行光电转换输出光电流。

e.第一光电探测器和第二光电探测器输出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P₁和P₂，P₁和P₂满足以下公式

$P_1\∝\frac{{\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\κ}}_2{\mathrm{\γ}}^{3/4}}{1+(1-{\mathrm{\κ}}_1)(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}---\left(2\right)$

$P_2\∝\frac{\mathrm{\κ}(1-{\mathrm{\κ}}_2)+(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\mathrm{\κ}}{1+(1-{\mathrm{\κ}}_1)(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}---\left(3\right)$

二者比值满足

$R=\frac{P_1}{P_2}\∝\∝\frac{{\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\κ}}_2{\mathrm{\γ}}^{3/4}}{(1-{\mathrm{\κ}}_1)(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}---\left(4\right)$

其中κ₁和κ₂分别为第三耦合区和第四耦合区的交叉强度耦合系数，γ为第二光波导微环的光波传输强度损耗因子，为第一光波导微环经第二耦合区输出的光波在第二光波导微环中的传输相位。

传感解调单元两输出端口的功率—波长响应谱具有互补特性，即P₁和P₂的光谱响应的峰值波长与谷值波长重合，二者的功率比值R在0～FSR₂/2范围内与光波长具有一一对应的关系。利用该对应关系，获得无待测生化样品的纯液体条件下从第二耦合区耦合输出至第二直光波导的光波波长以及有待测生化样品的溶液条件下从第二耦合区耦合输出至第二直光波导的光波波长二者的差值为进而获得待测生化样品溶液的浓度信息。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的传感解调一体化的集成波导光学生化传感器具有以下突出的有益效果：

(1)本发明中传感单元第一光波导微环具有高Q值，待测生化样品溶液浓度的微小变化通过第二直光波导输出光波的波长变化值反映出来，具有高灵敏检测特性。

(2)本发明中解调单元两输出端口的功率—波长响应谱具有互补特性，两端口功率比值与光波长值在0～FSR₂/2范围内具有一一对应的关系。利用该对应关系，直接获得传感单元输出光波的波长值，实现传感波长的实时快速解调。

(3)本发明中传感单元和解调单元的光波传输通道均为集成光波导，结构紧凑，采用光电混合集成工艺将传感单元、解调单元和电路部分集成到同一平台上，极大减小光学生化传感器系统的体积、降低系统复杂性，满足光学生化传感器的微型化和低成本要求。

附图说明

图1本发明传感解调一体化的集成波导光学生化传感器结构示意图。

图2传感单元的传感功能示意图。

图3解调单元的输出光谱互补性示意图。

图4传感单元输出光波波长与解调单元输出光功率比值的关系曲线。

图中：1集成波导光学生化传感器；2激光光源；3第一直光波导；4第一耦合区；5第一光波导微环；6第二耦合区；7第二直光波导；8第三耦合区；9第二光波导微环；10第四耦合区；11倒L形光波导；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传感池。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图对本发明进行详细本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明传感解调一体化的集成波导光学生化传感器包括光波导、传感池、激光光源、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；激光光源、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集成在同一基底上，构成传感解调一体化的集成化光学生化传感器。

激光光源输出一定谱宽的光波经第一直光波导进入传感单元，图2给出了传感单元的传感功能示意图。光波进入第一直光波导，经第一耦合区耦合进入第一光波导微环，光波在第一光波导微环中往返传输，与传感池中的待测生化样品溶液发生相互作用，满足谐振条件的光波从第二耦合区耦合输出至第二直光波导。谐振光波与第一光波导微环的周长L₁满足如下关系

mλ_R1＝n_effL₁(1)

其中n_eff为待测生化样品溶液覆盖波导的有效折射率，m为谐振级数。

传感池中的待测生化样品溶液的浓度不同，其折射率不同，待测生化样品溶液覆盖波导的有效折射率n_eff不同，使得波导微环的谐振波长不同。无待测生化样品的纯液体条件下从第二耦合区耦合输出至第二直光波导的光波波长为有待测生化样品的溶液条件下从第二耦合区耦合输出至第二直光波导的光波波长为二者的差值反映出待测生化样品的浓度值。

从第二耦合区输出至第二直光波导中光波进入解调单元，图3给出了解调单元两输出端口光波响应曲线，两输出端口的功率—波长响应谱具有互补特性，即P₁和P₂的光谱响应的峰值波长与谷值波长重合，其波长值为P₁和P₂满足以下公式

$P_1\∝\frac{{\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\κ}}_2{\mathrm{\γ}}^{3/4}}{1+(1-{\mathrm{\κ}}_1)(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}---\left(2\right)$

$P_2\∝\frac{\mathrm{\κ}(1-{\mathrm{\κ}}_2)+(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\mathrm{\κ}}{1+(1-{\mathrm{\κ}}_1)(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}---\left(3\right)$

二者比值满足

$R=\frac{P_1}{P_2}\∝\∝\frac{{\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\κ}}_2{\mathrm{\γ}}^{3/4}}{(1-{\mathrm{\κ}}_1)(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}---\left(4\right)$

其中κ₁和κ₂分别为第三耦合区和第四耦合区的交叉强度耦合系数，γ为第二光波导微环的光波传输强度损耗因子，为第一光波导微环经第二耦合区输出的光波在第二光波导微环中的传输相位。两输出端口的功率比值R在0～FSR₂/2范围内与光波长具有一一对应的关系，根据该对应关系获得由传感单元中第二耦合区输出至第二直光波导的光波波长值。

实施例，解调单元中第三耦合区和第四耦合区的交叉强度耦合系数为κ₁＝κ₂＝0.8，第二光波导微环的光传输强度损耗因子γ＝0.9。图4给出了解调单元中两端口输出光功率比值R与从传感单元输出光波波长的关系曲线，在0～FSR₂/2范围内光功率比值R与光波长具有一一对应的关系。

根据测量得到的有待测生化样品溶液条件下输出光功率比值R⁽¹⁾与无待测生化样品纯液体条件下输出光功率比值R⁽⁰⁾的差值δR，获得两种条件下传感单元中第二耦合区输出至第二直光波导的光波波长差值δλ，进而得到待测生化样品溶液的浓度信息。

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 (2)

1.一种传感解调一体化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)包括传感单元、解调单元和电路部分；

传感单元在集成波导光学生化传感器(1)前部，包括激光光源(2)，第一直光波导(3)，第一光波导微环(5)，第二直光波导(7)，传感池(17)；第一直光波导(3)与第一光波导微环(5)构成第一耦合区(4)；第一光波导微环(5)与第二直光波导(7)构成第二耦合区(6)；

解调单元在集成波导光学生化传感器(1)中部，包括第二直光波导(7)，第二光波导微环(9)，倒L形光波导(11)，第一光电探测器(12)，第二光电探测器(13)；第二直光波导(7)与第二光波导微环(9)构成第三耦合区(8)；第二光波导微环(9)与倒L形光波导(11)构成第四耦合区(10)；第二直光波导(7)和倒L形光波导(11)垂直相交，分别构成解调单元的两个光学输出端口；

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)；

第一光波导微环(5)的自由光谱范围为FRS₁，第二光波导微环(9)的自由光谱范围为FSR₂，满足FRS₂≥2FRS₁关系；

激光光源(2)谱宽W_L，满足W_L≤FRS₁关系。

2.权利要求1所述的一种传感解调一体化的集成波导光学生化传感器的传感解调方法，其特征在于该方法具有如下步骤：

a.激光光源(2)输出谱宽为W_L的光波进入第一直光波导(3)，经第一耦合区(4)耦合进入第一光波导微环(5)，光波在第一光波导微环(5)中往返传输，与传感池(17)中的待测生化样品溶液发生相互作用，满足谐振条件的光波从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)；谐振光波与第一光波导微环(5)的周长L₁满足如下关系

mλ_R1＝n_effL₁(1)

其中n_eff为待测生化样品溶液覆盖波导的有效折射率，m为谐振级数；

b.传感池(17)中的待测生化样品溶液的浓度不同，其折射率不同，待测生化样品溶液覆盖波导的有效折射率n_eff不同，使得波导微环的谐振波长不同，即从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)的不同波长代表待测生化样品溶液的不同浓度，实现对待测生化样品溶液的传感检测功能；

c.从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)中光波的一部分在第三耦合区(8)耦合进入第二光波导微环(9)，然后经第四耦合区(10)耦合输出进入倒L形光波导(11)，并传输至第一光电探测器(12)进行光电转换输出光电流；

d.从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)中光波的另一部分经第三耦合区(8)继续传输，经第二直光波导(7)的光输出端口达到第二光电探测器(13)进行光电转换输出光电流；

e.第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)输出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P₁和P₂，P₁和P₂满足以下公式

$P_1\∝\frac{{\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\κ}}_2{\mathrm{\γ}}^{3/4}}{1+(1-{\mathrm{\κ}}_1)(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}cos\left(\mathrm{\φ}\right)}---\left(2\right)$

$P_2\∝\frac{(1-{\mathrm{\κ}}_1)+(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}cos\left(\mathrm{\φ}\right)}{1+(1-{\mathrm{\κ}}_1)(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}cos\left(\mathrm{\φ}\right)}---\left(3\right)$

二者比值满足

$R=\frac{P_1}{P_2}\∝\frac{{\mathrm{\κ}}_1{\mathrm{\κ}}_2{\mathrm{\γ}}^{3/4}}{(1-{\mathrm{\κ}}_1)+(1-{\mathrm{\κ}}_2)\mathrm{\γ}-2\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_1}\sqrt{1-{\mathrm{\κ}}_2}\sqrt{\mathrm{\γ}}cos\left(\mathrm{\φ}\right)}---\left(4\right)$

其中κ₁和κ₂分别为第三耦合区(8)和第四耦合区(10)的交叉强度耦合系数，γ为第二光波导微环(9)的光波传输强度损耗因子，为第一光波导微环(5)经第二耦合区(6)输出的光波在第二光波导微环(9)中的传输相位；

传感解调单元两输出端口的功率—波长响应谱具有互补特性，即P₁和P₂的光谱响应的峰值波长与谷值波长重合，二者的功率比值R在0～FSR₂/2范围内与光波长具有一一对应的关系；利用该对应关系，获得无待测生化样品的纯液体条件下从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)的光波波长以及有待测生化样品的溶液条件下从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)的光波波长二者的差值为进而根据公式(1)获得待测生化样品溶液的浓度信息。