CN104359836A - 一种基于光学谐振结构的高灵敏度生化传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学谐振结构的高灵敏度生化传感器，它包括第一3dB耦合器、第二3dB耦合器、第一谐振腔环，第二谐振腔环，谐振臂和参考臂；第一3dB耦合器左端作为光输入端，右端上侧连接谐振臂，下侧连接参考臂；第二3dB耦合器左端上侧连接谐振臂，下侧连接参考臂，右端作为光输出端；谐振臂4与第二谐振腔环相互耦合，第二谐振腔环与第一谐振腔相互耦合；所述第一谐振腔环的长度等于所述第二谐振腔环的长度的二倍。本发明不需要对物体内部进行标记探测，可以使得探测的精度显著提高，充分体现出高灵敏度的传感特性。

Description

一种基于光学谐振结构的高灵敏度生化传感器

技术领域

本发明涉及一种基于光学谐振结构的高灵敏度生化传感器。

背景技术

光学生化传感器的探测形式主要是基于荧光标记探测和无标记探测。前者只能在实验室内对分子进行标记，从标记到探测的整个过程需要较长的处理时间。而且实验中所用的仪器非常昂贵，体型偏大。相比而言，基于光学谐振结构的无标记探测，分子不用标记，可实时监测进行定量测量。目前，基于光学谐振结构的生化传感器，主要通过监测谐振波长的移动来实现无标记探测，但是这种生化传感器在器件制备或探测仪器上都需要较高的成本，很难广泛应用于实际测量。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种光学环型谐振结构的高灵敏度生化传感器，它是由双环谐振结构与Mach-Zehnder干涉结构耦合而成，它可以产生非对称Fano线型且伴有陡峭的斜率，利用非对称的Fano线型实现固定波长输出光强度探测感知折射率的微小变化。通过进一步优化谐振结构的参数，增强非对称型光学谐振结构的传感特性，可以作为低成本、高灵敏度的生化传感器应用。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于光学谐振结构的高灵敏度生化传感器，它包括第一3dB耦合器1、第二3dB耦合器3、第一谐振腔环6，第二谐振腔环5，谐振臂4和参考臂2；第一3dB耦合器1左端作为光输入端，右端上侧连接谐振臂4，下侧连接参考臂2；第二3dB耦合器3左端上侧连接谐振臂4，下侧连接参考臂2，右端作为光输出端；谐振臂4与第二谐振腔环5相互耦合，第二谐振腔环5与第一谐振腔环6相互耦合；

所述第一谐振腔环6的长度等于所述第二谐振腔环5的长度的二倍；

在所述第一谐振腔环6和第二谐振腔环5构成的双环谐振结构中，所述第二谐振腔环5和第一谐振腔环6之间的透射系数为0.85-0.88，所述谐振臂4和第二谐振腔环6之间的透射系数为0.34-0.36。

所述谐振臂4和所述参考臂2相位差为π/2时，其输出光谱会出现具有陡峭斜率的Fano线型。

本发明的结构是由两个微环谐振腔与Mach-Zehnder干涉结构相互耦合而成。光从输入端输入进入第一3dB耦合器1，经第一3dB耦合器1进行分光，一路光称为“谐振臂4”，另一路光称为“参考臂2”。光沿谐振臂4传输，在谐振臂4与第二谐振腔环5的耦合区域，一部分仍然沿着谐振臂4传输，另一部分光被耦合进入到第二谐振腔环5中逆时针传输。在第一谐振腔环6和第二谐振腔环5的耦合区域，光又被耦合进入到第一谐振腔环6中顺时针传输。再次传输到第一谐振腔环6和第二谐振腔环5的耦合区域时，光又被耦合到第二谐振腔环5中逆时针传输，在第二谐振腔环5和谐振臂4的耦合区域，光又被重新耦合回谐振臂4传输。经过谐振臂4和参考臂2的两路光在第二3dB耦合器3处汇合，二者发生干涉，最终通过第二3dB耦合器3的另一端作为光的输出端进行输出。

在本发明中我们提出一种光学谐振结构，它是由双环谐振结构与Mach-Zehnder干涉结构耦合而成”。在此光学谐振结构中谐振臂和参考臂的相位不同，其输出光谱会产生非对称Fano线型且伴有陡峭的斜率。当谐振结构中第一谐振腔环6的折射率发生改变时，会引起第一谐振腔环6的微小相移变化，使得从第二3dB耦合器3输出的光谱谱线发生微小移动，由于Fano线型有很陡峭的斜率，因而可以在某一特定波长或频率处对光强进行监测，测量光强初始值与光强最终值的差值变化情况。通过监测光强度的变化情况，可以反映出谐振结构内折射率变化情况，进一步推断出谐振结构受外界环境的影响程度。通过这样一种简单的反馈方式，可以实现监测光强度变化——感知折射率微小变化的传感特性。在折射率变化相同的情况下，若是Fano线型的斜率越陡，则测量得到的光强度变化越大，说明结构的探测灵敏度越高。由于陡峭斜率区域会产生强烈的色散响应。双环谐振结构色散响应的强弱能直接反映出该光学谐振结构灵敏度的高低。因而通过优化谐振结构的参数，可进一步增大Fano线型的斜率，从而提高光学谐振结构的探测灵敏度。

理论上证明这种光学谐振结构具有高灵敏度的传感特性，可用于探测微小折射率变化的结论。它能够产生带有陡峭斜率的非对称Fano线型(陡峭斜率的产生是与双环谐振结构在窄带凹陷处的强色散响应紧密相关)，谐振腔内微小折射率的变化会使谱线发生移动，在固定波长上可以探测到明显的光强变化。尤其当折射率变化在Δn＝10^-9量级时，这种光学谐振结构能够探测到光强变化约为1％，充分证明了这种结构对极微小折射率变化的超强探测能力，并且在光谱检测上仅需用相应波长的光电转换器，节省成本，使得我们所设计的光学谐振结构可以成为低成本、高效益，高灵敏度的生化传感器。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于光学谐振结构的高灵敏度生化传感器，与现有技术相比具有这样的有益效果：

理论上证明，在第一谐振腔环6折射率变化相同的情况下，若是Fano线型的斜率越陡，则测量得到的光强度变化越大，说明结构的探测灵敏度越高。由于陡峭斜率区域会产生强烈的色散响应。双环谐振结构色散响应的强弱能直接反映出整个光学谐振结构灵敏度的高低。因而通过优化谐振结构的参数，在斜率区域出现强烈的色散，可进一步增大Fano线型的陡峭斜率，在固定波长上可以探测到更明显的光强变化，从而提高光学谐振结构的灵敏度。尤其当折射率Δn变化在10^-9量级时，非对称型谐振结构能够探测到的光强度变化约为1％，充分证明了非对称型谐振结构对极微小折射率Δn的探测能力。当两个谐振腔环的周长之比发生微小改变时，探测灵敏度不受影响且结构稳定，使得非对称型光学谐振结构具有高灵敏度的传感特性。另外，在探测光谱仪器的使用上，只需用到相应波长的光电转换器即可进行测量，节省了经济成本，提高了应用的效益。从生化传感和探测领域来说，传统的生化探测都需要进行荧光标记探测，而对于本发明的基于光学谐振结构的生化传感器来说，不需要对物体内部进行标记探测，这样不仅可以减少对生物体本身的破坏和伤害，又扩大被探测物体的材料范围，还可以使得探测的精度显著提高，充分体现出高灵敏度的传感特性。而且从经济角度考虑，相比于采用荧光标记探测的方法所用到的昂贵仪器来说，采用这种光学谐振结构会降低对仪器的精度要求，会大大降低应用于生化传感探测领域的成本。因而，本发明因其高灵敏度的传感特性使得低生产成本成为可能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种基于光学谐振结构的高灵敏度生化传感器，如图1所示，它包括第一3dB耦合器1、第二3dB耦合器3、第一谐振腔环6，第二谐振腔环5，谐振臂4和参考臂2；第一3dB耦合器1左端作为光输入端，右端上侧连接谐振臂4，下侧连接参考臂2；第二3dB耦合器3左端上侧连接谐振臂4，下侧连接参考臂2，右端作为光输出端；谐振臂4与第二谐振腔环5相互耦合，第二谐振腔环5与第一谐振腔环6相互耦合；

所述第一谐振腔环6的长度等于所述第二谐振腔环5的长度的二倍；

在所述第一谐振腔环6和第二谐振腔环5构成的双环谐振结构中，所述第二谐振腔环5和第一谐振腔环6之间的透射系数为0.85-0.88，所述谐振臂4和第二谐振腔环5之间的透射系数为0.34-0.36；

所述谐振臂和所述参考臂相位差为π/2时，其输出光谱会出现具有陡峭斜率的Fano线型。

Claims (2)

1.一种基于光学谐振结构的高灵敏度生化传感器，其特征在于：它包括第一3dB耦合器1、第二3dB耦合器3、第一谐振腔环6，第二谐振腔环5，谐振臂4和参考臂2；第一3dB耦合器1左端作为光输入端，右端上侧连接谐振臂4，下侧连接参考臂2；第二3dB耦合器3左端上侧连接谐振臂4，下侧连接参考臂2，右端作为光输出端；谐振臂4与第二谐振腔环5相互耦合，第二谐振腔环5与第一谐振腔环6相互耦合；

所述第一谐振腔环6的长度等于所述第二谐振腔环5的长度的二倍；

在所述第一谐振腔环6和第二谐振腔环5构成的双环谐振结构中，所述第二谐振腔环5和第一谐振腔环6之间的透射系数为0.85-0.88，所述谐振臂4和第二谐振腔环6之间的透射系数为0.34-0.36。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学谐振结构的高灵敏度生化传感器，其特征在于：所述谐振臂4和所述参考臂2相位差为π/2时，其输出光谱会出现具有陡峭斜率的Fano线型。