CN107389611A - 一种基于窄线宽微腔和宽频光源的低成本生化传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于窄线宽微腔和宽频光源的低成本生化传感器，包括宽带光源、双直波导耦合的微环腔，其中，所述双直波导耦合的微环腔包括第一直波导、第二直波导、微环谐振腔，在 SOI上依次通过曝光和刻蚀制备出所述微环谐振腔及波导；所述微环谐振腔分别与第一直波导和第二直波导耦合连接；所述宽带光源输入所述双直波导耦合的微环腔，通过对所述双直波导耦合的微环腔的输出信号强度变化的监测即可实现传感。本发明可以有效地提高测量的通量，大大降低了造价，满足了便携式的要求；本发明利用宽带光源对输出光功率进行直接检测，有效提高了传感器的灵敏度。

Description

一种基于窄线宽微腔和宽频光源的低成本生化传感器
技术领域
本发明属于光传感器技术领域，具体涉及一种基于窄线宽微腔和宽频光源的生化传感器。
背景技术
考虑到微纳制备技术的进步和临床实际需要，未来将会对传感器的集成化和成本控制提出更高的要求。现阶段高精检测技术很大程度上依赖于大型设备和尖端科研设备，例如光学传感中使用的科研级光谱仪和窄线宽可调谐激光器，以及样品前处理的大型设备等。这些设备体积庞大，操作困难，价格昂贵，限制了高精度传感器的商用化。这些限制使得这类高精尖的设备无法在真正需要的偏远和农村地区应用，同时这些技术上的缺陷也限制了未来“互联网+医学”的发展。
基于平面光波导的传感器有利于实现片上阵列结构，适合集成化。这类传感器常用表面等离子共振(SPR)技术，MZI(Mach-Zehnder Interferometer)光波导和布拉格光栅等结构，这些非谐振型的结构需要光传播足够长的距离以积累可供探测的信息变化量，需要较大的器件尺寸和较多的探测物质。而对于光学谐振腔而言，光在其圆形结构中发生谐振，光场循环往复相干增强，并且相当于大幅延长其传播路径。因此基于光学谐振腔的传感元件可以满足体积更小的要求，同时节约待测生化试剂的用量。
目前国内外研究的光学微腔的主要形式有微球、微盘、微环和微芯环腔等。以微盘、微球和微环等光学微腔结构为基础的硅基生化传感器以其快速高效，高特异性和高灵敏度等优势，已成为近年来传感研发的热点。微球谐振腔的体积一般相对比较大，可以达到较高的Q值，约为109。基于微球结构的传感系统应用光纤耦合，耦合效率依赖于对微球和光纤位置的精确控制，不适于复杂条件下的实时连续监测，并且微球的制作过程较为复杂，对工艺要求较高。微盘和微环谐振腔可在片上通过波导耦合，具有较高的Q值，且其尺寸较小，制作工艺简单。然而，当前此类传感器多使用超窄线宽可调谐激光器，造价较高，且使用过程中需要配合大量的科研设备和专业的操作人员才能实现，并不适合真正的商业推广价值。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，以传统微环谐振腔生化传感器为基础，本发明提出了一种基于窄线宽微腔和宽频光源的低成本生化传感器，具有较小的探测极限，同时，可以大幅降低产品的成本，仅需要外部电源就可以工作，满足了便携式的要求。
本发明具体通过如下技术方案实现：
一种基于窄线宽微腔和宽频光源的低成本生化传感器，包括宽带光源、双直波导耦合的微环腔，所述双直波导耦合的微环腔包括第一直波导、第二直波导、微环谐振腔，在SOI上依次通过曝光和刻蚀制备出所述微环谐振腔及波导；所述微环谐振腔分别与第一直波导和第二直波导耦合连接；所述宽带光源输入所述双直波导耦合的微环腔，通过对所述双直波导耦合的微环腔的输出信号强度变化的监测即可实现传感。
进一步地，所述宽频光源为LD。
进一步地，采用光电探测器将所述输出信号转化为电信号。
进一步地，利用游标效应的放大，提高所述传感器的折射率测量灵敏度。
进一步地，采用光子晶体纳米腔替代所示微环谐振腔。
本发明的有益效果是：1)基于SOI的片上结构尺寸较小，结构简单，工艺成熟，有利于制备片上阵列并与片上探测器等实现高度集成，可以有效地提高测量的通量。2)以宽带光源作为价格昂贵的可调谐激光器的替代，大大降低了造价。本发明的传感器仅需要外部电源就可以工作，满足了便携式的要求；3)利用宽带光源对输出光功率进行直接检测，有效提高了传感器的灵敏度。通过游标效应的放大，该传感器的折射率测量灵敏度可大幅提高。除此之外，还可以使用光子晶体纳米腔替代硅基微腔，进一步提高探测的灵敏度。
附图说明
图1是本发明的传感器的双直波导耦合的微环腔结构示意图；
图2是利用谐振波长漂移的检测原理示意图；
图3是微环生物传感器的工作原理示意图；
图4(a)是利用宽带光源检测的原理示意图；
图4(b)是附图4(a)中虚线区域数据点的放大示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明采用SOI(Silicon-on-insulator)并依次通过曝光和刻蚀制备出片上微环谐振腔及波导。典型的双直波导耦合的微环腔由两根直波导和一根弯曲波导组成，结构如附图1所示。
一定波长范围的光由A端(Input端)入射，传输至第一直波导与微环组成的第一耦合区时，部分光耦合进入微环腔，剩下的部分由B端(Through端)输出。进入微环中传播的光通过第二直波导与微环组成的第二耦合区时，部分光耦合进第二直波导，余下的部分仍在微环中传播。当在环中传输的光满足微环的谐振条件mλ＝neffl时，发生谐振从而得到相干增强，从C端(Drop端)得到的输出功率也会增大。其中，λ为光的波长，l为环的周长，neff为微环的模式有效折射率，m为正整数。不满足谐振条件的光在Through端输出。
谐振峰半高宽ΔλFWHM定义为以谐振波长为中心、强度为最大值一半所对应的两个波长的差值，如附图2所示。品质因子Q定义为谐振波长λm与以该谐振波长为中心对应的半高宽ΔλFWHM之比：
品质因子反应了输出光谱的锐利程度。Q值越大对应的谐振峰谱线越尖锐，表示微环谐振腔的光谱选择性越好。微环传感器主要利用倏逝波场效应，由直波导耦合进微环的光在微环中传输发生谐振，微环表面倏逝场增强。当待测物为均质介质时，例如蔗糖和氯化钠溶液等，由于浓度不同的溶液折射率不同，因此微环谐振腔的有效折射率也不同。根据谐振条件公式，有效折射率变化引起输出端谐振波长漂移。由此可以利用谐振波长的漂移量确定待测溶液的浓度。基于抗原-抗体的生物传感系统，则是通过表面处理的方法利用物理或化学吸附的方式在谐振腔表面形成受体分子(抗体)生物敏感膜。当混有待测目标分子(抗原)的溶液流经传感系统时，根据免疫反应抗原抗体结合，受体分子抓取目标分子形成抗原抗体复合物。倏逝场探测到微环表面发生变化，有效折射率改变，输出信号中谐振波长出现漂移，这一过程如附图3所示。受体分子与目标分子的结合具有高度特异性，因此可以利用这一特性检测待测溶液的生物组分及含量。
直接测量谐振波长的漂移量是常用的检测手段。这种方法对于传感器谐振腔的Q值要求相对不高，能够满足对输出光谱谐振波长变化的分辨即可。但这种方法需要对一定范围的波长进行扫描，耗费时间，并且受到探测器分辨极限的限制，当波长漂移量小于探测器分辨率时则无法获得待测信息。
另一种常见方法是固定一处探测波长，测量同一位置在不同条件下的功率变化。根据附图2，在输光谱波长移动量较小时，某一波长处的输出功率可以出现大幅变化。这一方法测量时间短，并且对于Q值较高的传感器，输出谱线较锋利，容易获得较小的探测极限。但此方法对测量系统的综合稳定性要求很高，因为环境中不必要的微小扰动因素都有可能明显影响到输出光功率，造成测量结果偏差。这两种方法均需要使用到可调谐激光器扫描一定范围波长，不仅造价高昂不适用于商品化，同时也受限于体积，不易于便携。
本发明采用以LD为例的宽带光源作为可调谐激光器的替代。由宽带光源发出的光谱线较宽，经波导与微环中传播及耦合，根据谐振条件，一段超窄线宽的输出信号被滤出，并由传感器末端的光电探测器接收转化为电信号。
与可调谐激光器发出的波长可连续改变的窄线宽输出光不同，LD等宽带光源输出光谱线较宽，可覆盖微环谐振腔光谱中对应同一模式的多个谐振峰。随着传感环境改变，微环有效折射率增大，根据谐振条件及上述波长漂移测量方法的分析，谐振波长红移。由于光源宽光谱的特点，经微环滤出的输出窄带光功率明显变化。从附图4(a)中可以看出，如固定谐振峰位于宽带光源光谱中央，则随着微环腔滤出的谐振波长红移，输出功率明显减小。附图4(b)是附图4(a)中虚线区域数据点的放大示意图，从附图4(b)中可以看出，根据光谱特性，即使谐振波长漂移量很小，在光源光谱中心附近的输出光功率也能体现出明显变化，实现了对待检测信号的放大。与前述两种测量方法相比较，利用宽带光源作为替代的方法能够有效提高生物传感器的探测灵敏度，仅通过对输出信号强度变化的监测即可完成传感，极大地减小了传感器的制备成本。现有的宽带光源相关技术成熟，具有较高的稳定性和可靠性，有利于实现传感器的集成化和便携化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于窄线宽微腔和宽频光源的低成本生化传感器，其特征在于：所述生化传感器包括宽带光源、双直波导耦合的微环腔，其中，所述双直波导耦合的微环腔包括第一直波导、第二直波导、微环谐振腔，在SOI上依次通过曝光和刻蚀制备出所述微环谐振腔及波导；所述微环谐振腔分别与第一直波导和第二直波导耦合连接；所述宽带光源输入所述双直波导耦合的微环腔，通过对所述双直波导耦合的微环腔的输出信号强度变化的监测即可实现传感。
2.根据权利要求1所述的生化传感器，其特征在于：所述宽频光源为LD。
3.根据权利要求1所述的生化传感器，其特征在于：采用光电探测器将所述输出信号转化为电信号。
4.根据权利要求1所述的生化传感器，其特征在于：利用游标效应的放大，提高所述传感器的折射率测量灵敏度。
5.根据权利要求1所述的生化传感器，其特征在于：采用光子晶体纳米腔替代所示微环谐振腔。
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108646350A (zh) * 2018-03-30 2018-10-12 中国科学技术大学 机械振子微腔耦合体和使用它的光学环形器
CN109489834A (zh) * 2018-11-30 2019-03-19 北京科易达知识产权服务有限公司 一种红外有机传感器
CN109813681A (zh) * 2019-01-09 2019-05-28 东南大学 一种基于嵌套型微环谐振器的液体折射率传感器
CN110068893A (zh) * 2018-01-23 2019-07-30 天津大学 一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构
CN111638196A (zh) * 2020-05-19 2020-09-08 太原理工大学 一种测量荧光物质微位移的纳流通道-谐振腔耦合结构
CN113203506A (zh) * 2020-02-03 2021-08-03 天津大学 一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构
CN113218547A (zh) * 2020-02-06 2021-08-06 天津大学 一种用于双传感的高q穿孔柔性微环谐振腔的结构
CN113686367A (zh) * 2021-03-17 2021-11-23 广东工业大学 基于光纤耦合诱导透明的传感结构、制作工艺和传感装置
CN114034649A (zh) * 2021-10-21 2022-02-11 之江实验室 一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器
CN114188818A (zh) * 2021-11-09 2022-03-15 暨南大学 一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环、波长锁定系统及方法
CN114754870A (zh) * 2022-06-13 2022-07-15 南京航空航天大学 用于计算式光谱测量的宽谱整形器件及计算式光谱仪

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1769870A (zh) * 2005-10-31 2006-05-10 重庆工学院 分布式光纤模式耦合生化传感器、光纤链路及传感系统
CN102175610A (zh) * 2010-12-29 2011-09-07 北京邮电大学 一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法
CN103411924A (zh) * 2013-07-31 2013-11-27 电子科技大学 基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传感芯片
CN103575698A (zh) * 2013-07-31 2014-02-12 电子科技大学 微环谐振腔内嵌fp腔的光学生化传感芯片
CN104990871A (zh) * 2015-06-16 2015-10-21 电子科技大学 一种光栅微环互调结构的光波导生化传感器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1769870A (zh) * 2005-10-31 2006-05-10 重庆工学院 分布式光纤模式耦合生化传感器、光纤链路及传感系统
CN102175610A (zh) * 2010-12-29 2011-09-07 北京邮电大学 一种可实现并行感知的光子晶体生化传感器阵列实现方法
CN103411924A (zh) * 2013-07-31 2013-11-27 电子科技大学 基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传感芯片
CN103575698A (zh) * 2013-07-31 2014-02-12 电子科技大学 微环谐振腔内嵌fp腔的光学生化传感芯片
CN104990871A (zh) * 2015-06-16 2015-10-21 电子科技大学 一种光栅微环互调结构的光波导生化传感器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
向星烨: ""基于硅基微环的化学生物传感器的设计与优化"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
金磊: ""基于SOI的级联双环谐振腔光波导传感器研究"", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110068893A (zh) * 2018-01-23 2019-07-30 天津大学 一种含局部中间折射率包层的双直波导微环结构
CN108646350B (zh) * 2018-03-30 2019-10-25 中国科学技术大学 机械振子微腔耦合体和使用它的光学环形器
CN108646350A (zh) * 2018-03-30 2018-10-12 中国科学技术大学 机械振子微腔耦合体和使用它的光学环形器
CN109489834A (zh) * 2018-11-30 2019-03-19 北京科易达知识产权服务有限公司 一种红外有机传感器
CN109813681A (zh) * 2019-01-09 2019-05-28 东南大学 一种基于嵌套型微环谐振器的液体折射率传感器
CN113203506B (zh) * 2020-02-03 2022-03-29 天津大学 一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构
CN113203506A (zh) * 2020-02-03 2021-08-03 天津大学 一种可实现折射率与压力的双传感应用的微盘型光学谐振腔结构
CN113218547B (zh) * 2020-02-06 2022-06-10 天津大学 一种用于双传感的高q穿孔柔性微环谐振腔的结构
CN113218547A (zh) * 2020-02-06 2021-08-06 天津大学 一种用于双传感的高q穿孔柔性微环谐振腔的结构
CN111638196A (zh) * 2020-05-19 2020-09-08 太原理工大学 一种测量荧光物质微位移的纳流通道-谐振腔耦合结构
CN113686367A (zh) * 2021-03-17 2021-11-23 广东工业大学 基于光纤耦合诱导透明的传感结构、制作工艺和传感装置
CN113686367B (zh) * 2021-03-17 2023-12-29 广东工业大学 基于光纤耦合诱导透明的传感结构、制作工艺和传感装置
CN114034649A (zh) * 2021-10-21 2022-02-11 之江实验室 一种基于狭缝波导结构的光学生化传感器
CN114188818A (zh) * 2021-11-09 2022-03-15 暨南大学 一种集成光敏电阻和热敏电阻的微环、波长锁定系统及方法
CN114754870A (zh) * 2022-06-13 2022-07-15 南京航空航天大学 用于计算式光谱测量的宽谱整形器件及计算式光谱仪
CN114754870B (zh) * 2022-06-13 2022-08-26 南京航空航天大学 用于计算式光谱测量的宽谱整形器件及计算式光谱仪

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