CN108318453B - 一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器 - Google Patents

一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器 Download PDF

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Abstract

一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器，包括特定波长范围的宽带光源、传感微环、传感区域、传感微环的直通输出端、传感微环的下载输出端、马赫增德尔干涉仪MZI、MZI的第一个输出端、MZI的第二个输出端、与MZI的第一个输出端相连的探测器A和与MZI第二个输出端相连的探测器B，所述的特定波长范围的宽带光源由普通宽带光源和所需波长范围的波长滤波器组合而成，所述的特定波长范围的宽带光源与传感微环的输入端相连接，所述的传感微环的下载输出端与MZI的输入端相连接，MZI的两个输出端分别与探测器A和探测器B相连接。本发明具有温度不敏感和低检测成本的特点。

Description

一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器
技术领域
本发明涉及光波导生物传感检测领域，尤其是一种温度不敏感的具有低检测成本的光波导生物传感器。
背景技术
基于环形谐振器(ring resonator)的光波导传感器，由于具有高灵敏度、免标签检测、实时监测、样品消耗低、不受电磁干扰等优点，已经在化学和生物样品分析中扮演着非常重要的角色。特别是利用高折射率差平台(例如，silicon-on-insulator(SOI)platform,绝缘体上的硅平台)实现的超小尺寸微环，由于其工艺与传统CMOS工艺完全兼容，并有望在同一个芯片上实现与半导体光源、探测器和微流控制单元等器件的混合集成，最终实现一个小型化、便携式的多功能传感检测仪。
然而，由于硅材料具有较大的热光系数(1.86×10-4/K)，使得基于硅材料的传感微环对环境温度的变化很敏感，其谐振波长的漂移可以达到50pm/℃。所以在传感检测过程中，如果环境温度出现微小变化这都会对传感微环检测结果(微环的谐振波长变化量)的精确度产生重要影响。为了消除环境温度变化对传感微环检测结果的影响，一种常用的方法就是使用一个温度控制器(N.A.Yebo,et al,“On-chip arrayed waveguide gratinginterrogated silicon-on-insulator microring resonator-based gas sensor,”IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.23,no.20,pp.1505–1507,2011)，它可以保证环境温度始终在一个恒定的温度，但是该方法增大了传感微环检测系统的尺寸、成本和复杂度等，不利于大规模片上集成。另一种方法是借助额外的器件(D.-X.Xu,et al,“Real-time cancellationof temperature induced resonance shifts in SOI wire waveguide ring resonatorlabel-free biosensor arrays,”Opt.Express,vol.18,no.22,pp.22867–22879,2010)，比如使用一个参考环来实时监控环境温度变化，然后利用参考环的结果从传感微环的检测信号中消除温度影响，该方法需要额外的数据处理。
另外，对传感微环的测试主要是通过监测其谐振波长的变化来推算微环中检测物的情况。由于微环的谐振峰比较尖锐，即Q值较高，这就使得对峰值波长位置的确定常常需要借助外围高精度的可调谐激光器或者是高精度的光谱仪，大大增大了微环传感器的检测成本，不利于其在便携式传感器中的应用。为了解决该问题，片上光谱仪被用来监测微环的波长变化情况，比如J.Zou等人(J.Zou,Z.Le,and J.-J.He,“Temeprature self-compensated optical waveguide biosensor based on cascade of ring resonatorand arrayed waveguide grating spectrometer,”J.Lightwave Technol.,34(21),pp.4856-4863,2016)和N.A.Yebo等人(N.A.Yebo,et al,“On-chip arrayed waveguidegrating interrogated silicon-on-insulator microring resonator-based gassensor,”IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.23,no.20,pp.1505–1507,2011)提出的利用片上级联的阵列波导光栅光谱仪来实现对传感微环谐振波长变化的测量。在该方案中由于需要高分辨率的阵列波导光栅，造成这样的阵列波导光栅尺寸较大，在现阶段工艺还不完全成熟的情况下该器件性能不大理想，对微环谐振波长测试的精确到也会相应下降。
发明内容
为了解决传统传感微环在检测中遇到的温度敏感和高昂贵检测成本问题，以满足其在便携式低成本的传感检测应用中的需求，本发明提供了一种基于传感微环和马赫增德尔干涉仪级联的光波导传感器，它具有温度不敏感和低检测成本的特点。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器，包括特定波长范围的宽带光源、传感微环、传感区域、传感微环的直通输出端、传感微环的下载输出端、马赫增德尔干涉仪MZI、MZI的第一个输出端、MZI的第二个输出端、与MZI的第一个输出端相连的探测器A和与MZI第二个输出端相连的探测器B，所述的特定波长范围的宽带光源由普通宽带光源和所需波长范围的波长滤波器组合而成，所述的特定波长范围的宽带光源与传感微环的输入端相连接，所述的传感微环的下载输出端与MZI的输入端相连接，MZI的两个输出端分别与探测器A和探测器B相连接。
进一步，所述MZI的上臂波导由两种宽度w0和w1组成，w0和w1之间通过无损的锥形波导连接；MZI的下臂波导由两种宽度w0和w2组成，w0和w2之间通过无损的锥形波导连接；MZI上下臂宽度为w0的波导之间长度差为ΔL，上下臂中宽度为w1和w2的波导长度为La，且La和ΔL满足关系式La＝x×ΔL，其中x为温度相关性调节因子；波导宽度w0、w1和w2以及x的确定要满足MZI随环境温度变化的波长漂移量和传感微环的谐振波长在检测物中随环境温度变化的波长漂移量相同，即二者具有相同的温度相关性。
再进一步，所述传感微环和MZI的波导结构为条形或者脊型，且传感微环的传感区域和具有保护上包层的MZI处于相同的检测样品中，即检测样品覆盖了传感区域和MZI，当传感微环和MZI具有相同的温度相关性时，传感微环的波导宽度ws和MZI的波导宽度参数w0、w1和w2以及x之间满足如下关系式
其中λ0为设计中选定的传感微环的初始谐振波长,和/>分别是宽度为ws时传感微环波导的有效折射率和群折射率，/>和/>分别是MZI中的波导在宽度为wi时对应的有效折射率和群折射率。
更进一步，所述的传感微环谐振波长为λs，探测器A中获得的功率值IA(λs)和探测器B中获得的功率值IB(λs)，定义检测函数当λs在以包含λ0在内的MZI的半个自由光谱范围的波长范围内变化时,MZI的输出方向耦合器的交叉耦合系数km的选取满足使R(λs)在该波长范围内和λs之间具有最大的线性关系范围。
本发明在进行传感检测物分析时，假设初始时刻t＝0时对应传感微环的谐振波长为λ0，检测函数值为R(λ0)，在时刻t时对应传感微环的谐振波长为λt，检测函数值为R(λt)，R(λ0)和R(λt)都始终位于R(λs)的线性关系范围内。同时在确定的交叉耦合系数km下，R(λs)的线性关系范围大小可以通过调整MZI的自由光谱范围大小来改变。
在进行传感检测物分析时，利用R(λs)和λs之间的线性关系斜率值，通过t时刻和t＝0时刻的检测函数值变化ΔR(ΔR＝R(λt)-R(λ0))推算出传感微环中谐振波长值变化Δλ，再根据检测分析物的浓度变化和传感微环谐振波长变化Δλ之间的关系推算出实际检测物的变化情况。
本发明的有益效果主要表现在：1、降低对传感微环的检测成本；2、解决传感微环检测中遇到的温度敏感问题；3、实现微环在小型化、便携式的传感检测中的应用；4、它可以在不同的材料平台中实现，比如氮化硅(Si3N4)和硅(Si)等平台。
附图说明
图1是本发明提出的一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器的具体实施方式结构示意图；
图2是本发明提出的光波导生物传感器结构中MZI区域的放大示意图；
图3是MZI中温度相关性调节区域的放大图；
图4是图1中AA’处的剖面图，即传感区域中传感微环波导的横截面示意图；
图5是图1中BB’处的剖面图，即MZI中的波导横截面示意图；
图6是本发明提出的光波导传感器实现温度不敏感检测的原理图；
图7是传感微环的波导在高度为250nm和水溶液作为上包层时对应不同波导宽度下，波导中的TE基模和TM基模感知溶液折射率变化的能力；
图8是波导高度为250nm时传感微环的谐振波长和MZI的光谱在不同波导宽度下的温度相关性以及后面设计中选定的波导宽度ws、w0、w1和w2；
图9是1550nm处MZI的温度相关性随x的变化关系。
图10是传感微环和具有x＝3.5时的MZI二者的温度相关相关性随波长变化的关系图；
图11是在MZI的一个自由光谱范围的波长范围内其两个输出端口的光强随波长变化的示意图；
图12(a)是在MZI的一个自由光谱范围的波长范围内其两个输出端口之间功率比的自然对数值ρ随波长变化的示意图，(b)是(a)在一个自由光谱范围内的中间波长附近的放大图；
图13是在MZI的输出方向耦合器交叉耦合系数km取时，传感微环波导的单程传输损耗系数a取不同值时对应的检测函数R(λs)随传感微环的谐振波长λs变化的关系图；
图14是传感微环波导的单程传输损耗系数a＝0.98，方向耦合器的自耦合系数r1＝r2＝0.99，当λs在以包含λ0在内的MZI的半个自由光谱范围的波长范围内变化时对应的R(λs)的变化情况，即传感微环检测前的校准曲线；
图15是本发明提出的光波导传感器分别在三个环境温度下，当MZI的温度相关性等于传感微环在待检测溶液中的温度相关性时，检测函数R随传感区域检测溶液折射率变化的关系图；
图16是本发明提出的光波导传感器分别在三个环境温度下，当MZI中不具有温度相关性调节区域，即MZI温度相关性不等于传感微环的温度相关性时，检测函数R随传感区域检测溶液折射率变化的关系图。
图中：1、特定波长范围的宽带光源，2、传感微环的输入端，3、传感微环，4、传感微环的波导宽度ws，5、传感区域，6、传感微环的直通输出端，7、传感微环的下载输出端，8、MZI，9、MZI的第一个输出端，10、MZI的第二个输出端，11、与MZI第一个输出端相连接的探测器A，12、与MZI的第二个输出端相连接的探测器B，13、MZI的上臂波导，14、宽度为w0的波导，15、MZI的下臂波导，16、MZI中的温度相关性调节区域，17、MZI的输出方向耦合器，18、波导宽度从w0变化到w1的无能量损失模斑转换器，19、宽度为w1的波导，20、宽度为w1的波导的长度为La，21、波导宽度从w0变化到w2的无能量损失模斑转换器，22、宽度为w2的波导，23、宽度为w2的波导的长度为La，24、两个模斑转换器21的对接，25、两个模斑转换器18的对接。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图16，一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器，包括特定波长范围的宽带光源1、传感微环3、传感区域5、传感微环的直通输出端6、传感微环的下载输出端7、马赫增德尔干涉仪MZI8、MZI的第一个输出端9、MZI的第二个输出端10、与MZI的第一个输出端相连的探测器A11和与MZI第二个输出端相连的探测器B12，所述的特定波长范围的宽带光源1由普通宽带光源和所需波长范围的波长滤波器组合而成，所述的特定波长范围的宽带光源1与传感微环的输入端2相连接，所述的传感微环的下载输出端7与MZI的输入端相连接，MZI的两个输出端9、10分别与探测器A11和探测器B12相连接。
MZI的上臂波导13由两种宽度w0 14和w1 19组成，w0 14和w1 19之间通过无损的锥形波导18连接；MZI的下臂波导15由两种宽度w0 14和w2 22组成，w0 14和w2 22之间通过无损的锥形波导21连接；MZI上下臂宽度为w0的波导之间长度差为ΔL，上下臂中宽度为w1和w2的波导长度为La，且La和ΔL满足关系式La＝x×ΔL，其中x为温度相关性调节因子；波导宽度w0、w1和w2以及x的确定要满足MZI随环境温度变化的波长漂移量和传感微环的谐振波长在检测物中随环境温度变化的波长漂移量相同，即二者具有相同的温度相关性。
传感微环3和MZI 8的波导结构为脊型或者条形，且传感微环3的传感区域5和具有保护上包层的MZI 8处于相同的检测样品中，即检测样品覆盖了传感区域5和MZI 8，如图4所示的传感微环3的波导横截面示意图以及图5所示的MZI 8的波导横截面示意图，当传感微环3和MZI 8具有相同的温度相关性时，传感微环3的波导宽度ws 4和MZI 8的波导宽度参数w0 14、w1 19和w2 22以及x之间满足如下关系式
其中λ0为设计中选定的传感微环的初始谐振波长,和/>分别是宽度为ws 4时传感微环波导的有效折射率和群折射率，/>和/>分别是MZI 8中的波导在宽度为wi时对应的有效折射率和群折射率。
传感微环谐振波长为λs，探测器A 11中获得的功率值IA(λs)和探测器B 12中获得的功率值IB(λs)，定义检测函数当λs在以包含λ0在内的MZI 8的半个自由光谱范围的波长范围内变化时,MZI的输出方向耦合器17的交叉耦合系数km的选取满足使R(λs)在该波长范围内和λs之间具有最大的线性关系范围。
在进行传感检测物分析时，假设初始时刻t＝0时对应传感微环3的谐振波长为λ0，检测函数值为R(λ0)，在时刻t时对应传感微环3的谐振波长为λt，检测函数值为R(λt)，R(λ0)和R(λt)都始终位于R(λs)的线性关系范围内。同时在确定的交叉耦合系数km下，R(λs)的线性关系范围大小可以通过调整MZI 8的自由光谱范围大小来改变。
在进行传感检测物分析时，利用R(λs)和λs之间的线性关系斜率值，通过t时刻和t＝0时刻的检测函数值变化ΔR(ΔR＝R(λt)-R(λ0))推算出传感微环3中谐振波长值变化Δλ，再根据检测分析物的浓度变化和传感微环谐振波长变化Δλ之间的关系推算出实际检测物的变化情况。下面我们将以一个实际的例子来对本发明作进一步阐述：
利用本发明提出的如图1所示的传感器结构，在SOI平台上实现对传感微环的片上低成本和温度不敏感探测。首先，我们对图1所示的器件结构的工作原理进行一个理论介绍。
假设传感微环的输入端2和传感微环3之间相连接的方向耦合器的自耦合系数和交叉耦合系数为(r1,k1)，且它们满足关系式r1 2+k1 2＝1，同时传感微环的下载输出端7和传感微环3之间相连接的方向耦合器的自耦合系数和交叉耦合系数为(r2,k2)，且满足关系式r2 2+k2 2＝1，则传感微环3的透射谱Td(λ)可以表示为
其中，a是传感微环的单程振幅传输系数，它包括环传输一周时的传输损耗和两个方向耦合器中引入的损耗；Lr是传感微环3的环周长，neff(ws)是传感微环波导的有效折射率。
同样地，图1中所示的MZI 8的两个输出端9和10的透射谱函数TM1(λ)和TM2(λ)可以表示为
其中km是MZI的输出方向耦合器17的交叉耦合系数，ΔL是MZI的上臂波导13和下臂波导15之间宽度为w0的波导14的长度差，x是上臂波导13和下臂波导15中宽度为w1和w2的波导长度La与ΔL之间的比值，即x＝La/ΔL；neff(w0)、neff(w1)和neff(w2)分别是宽度为w0、w1和w2的波导对应的有效折射率。
假设传感微环的谐振波长为λs，即式(1)中能量最大值处对应的波长，则图1中所示的探测器A 11和探测器B 12中获得的功率值可以表示为
其中S(λ)是特定波长范围(即λ-到λ+)的宽带光源1的输出光谱，这里应当注意的是在光源光谱范围λ-到λ+内，传感微环的下载输出端7的频谱中只有一个谐振峰出现。利用式(5)和(6)的结果的比例取对数可以定义一个传感微环谐振波长λs的检测函数R(λs)，它可以表示为
由于光源光谱S(λ)已经包含在式(5)和(6)中，故(7)中的R(λs)值与光源光谱的抖动无关。同时，式(7)的结果受MZI输出方向耦合器17的交叉耦合系数km的影响，在后面我们可以看到选择合适的km可以使R(λs)和λs之间具有较大的线性关系范围，有利于较大范围的传感检测。
对于传感微环，其谐振波长处λs的谐振方程可以表示为
neff(ws)·Lr＝mrλs (8)
其中mr是衍射级次。利用式(8)可以得到λs随环境温度变化的关系，即温度相关性，它可以表示为如下
其中ng(ws)是传感微环波导宽度为ws时在λs处的群折射率。
同样地，对于图1中的MZI 8，其透射谱可以表示为
neff(w0)·ΔL+(neff(w1)-neff(w2))·x·ΔL＝mm·λm (10)
其中mm是衍射级次。MZI光谱中λm随环境温度变化的相关性为
式中ng(w0)、ng(w1)和ng(w2)分别是MZI中波导宽度取w0、w1和w2时对应的群折射率。从式(9)和(11)可以看出传感微环谐光谱和MZI光谱的温度相关性与波导中基模的有效折射率的温度相关性有关，即同时在式(11)中，MZI光谱的温度相关性还与宽度为w1和w2波导的温度相关性差异和温度相关性调节因子x有关。
图6给出了本文明提出的对传感微环谐振波长λs实现温度不敏感检测的原理示意图。假设环境温度有一个微小变化ΔT，对应的传感微环谐振波长漂移量为ΔλTs，MZI的光谱漂移量为ΔλTm。从图6可以看出当ΔλTm>ΔλTs，探测函数值从R0变为R2；当ΔλTm<ΔλTs，探测函数值从R0变为R1；然而当ΔλTm＝ΔλTs，探测函数值保持不变。所以在本文提出的结构中要求传感微环和MZI具有相同的温度相关性，即式(9)和(11)对于同一个波长具有相同的值。假设λ0为设计中选定的传感微环的初始谐振波长，为满足该波长的温度不敏感检测，则式(9)和(11)联立后满足如下关系
其中和/>分别是宽度为ws的传感微环波导在λ0处的有效折射率和群折射率，/>和/>分别是MZI中的波导在宽度为wi时对应λ0处的有效折射率和群折射率。
接着我们以一个设计实例来进一步阐述本发明的实现。
使用材料：商用SOI晶圆，其顶层硅厚度为250nm，绝缘掩埋氧化层为3μm。除了传感微环的传感区域外，整个芯片的上包层为二氧化硅保护层，为了确保传感微环3和MZI 8具有相同的环境温度接触条件，将二者一同置于流有检测溶液的微流通道中，图4和图5给出了二者的波导横截面示意图，可以为脊型(a)或者条形(b)等，MZI 8的上包层也流有检测溶液。在这里，我们假设传感区域流经的检测溶液为纯水，波导横截面为条形即图4b和5b。图7给出了厚度为250nm的硅，上包层为水溶液，在不同波导宽度下，波导中TE基模和TM基模的有效折射率随水溶液折射率变化的关系图。从该图可以看出，TM基模感知水溶液折射率变化的能力强于TE基模，故在后面的设计中我们选择TM基模作为波导的工作偏振态。
图8给出了在硅波导厚度为250nm时，上包层分别为SiO2和纯水时，对应的MZI和传感微环的温度相关性随波导宽度变化的示意图。从该图可以看出，MZI和传感微环的温度相关性随波导宽度的增加而增大，同时对于相同的宽度，MZI的温度相关性比传感微环的温度相关性大至少10pm/℃。考虑到在实际工艺要求和传感微环波导的单模工作要求，我们选择传感微环波导的宽度ws、MZI中常规波导宽度w0和窄波导宽度w1均为450nm，同时MZI中宽波导宽度w2为800nm。图9给出给出了MZI的温度相关性随温度相关性调节因子x的变化关系，可以看出在特定的波导宽度下，通过改变x，MZI的温度相关性可以为任意值。根据本发明所述为实现温度不敏感检测，传感微环在检测溶液中的温度相关性应等于MZI的温度相关性，从图9可以看出当x＝3.5时二者在λ0＝1550nm波长处具有相等的温度相关性。图10给出了在x＝3.5时的MZI和传感微环二者的温度相关性随波长变化的示意图，从中可以看出随着波长偏离初始设计波长λ0时，二者的温度相关性差异逐渐增大，但是在一个相对小的波长范围内，比如1540～1555nm的波长范围内，二者的温度相关性差异小于0.5pm/℃。由于在实际的检测中，传感微环的波长漂移一般在很小的波长范围内，比如5nm内，故我们可以选择一个小范围并让传感微环工作在该波长范围内，这样我们可以近似认为二者在该范围内具有相同的温度相关性。
确定好MZI中的温度相关性调节因子x后，我们需要得到这样一种检测关系就是在所需的检测范围内，尽可能使检测函数值R与传感微环的谐振波长之间存在较大的线性关系范围，也即R与待检测物浓度变化之间存在较大的线性关系范围。图11给出了MZI两个输出端口在以1550nm波长为中心的一个自由光谱范围的波长范围内的透射谱函数，从中可以看出在MZI的输出方向耦合器的交叉耦合系数km取不同值时，两个输出端口对应的功率值不同，为了进一步分析这两个功率值和km之间的关系，我们参照式(7)，定义其中/>和/>由式(2)和(3)给出。图12给出了在以1550nm波长为中心的一个自由光谱范围内ρ随波长变化的示意图，图12b给出了该自由光谱范围的中心波长区域内的放大图，从中可以看出，随着km的增大，ρ随λ变化的线性关系范围先变大后减小，同时该线性范围区域的斜率一直增大。所以在对km的选取时，在线性关系范围和斜率值之间有一个折中。在这里，我们选取较大的线性关系范围，从图12b得出当/>时，ρ和λ之间在一个自由光谱范围的波长区域内具有最大的线性关系范围。然而在实际的应用中，由于水溶液的吸收，光在传感微环中传播时具有一定程度的能量损耗，该能量损耗通过振幅传输系数a<1来体现，传感微环下载端的透射峰最大值处的宽度常常用半最大值全宽来表示，即
可以看出对于无限接近1的r1和r2以及没有能量损耗的环，即a＝1，其FWHM无限趋近于0，相应的该环的峰值尖锐度就越高，该尖锐度也可以用环的Q值来表示，即谐振波长和FWHM的比值，Q＝λs/FWHM。另外，可以看出对于具有能量损耗的传感微环，在a<1时，FWHM总是大于0，即实际的传感微环谐振峰总是有一定的宽度。图13给出了在MZI的半个自由光谱范围的波长范围内，不同的振幅传输系数a，即不同的谐振峰谱宽对检测函数R(λs)的影响，图中的ρ(λ)对应于理想情况下，即FWHM＝0时的情况，取自图12中的情形。可以看出，当a变小时，即对应的环损耗变大，检测函数值R(λs)逐渐偏离理想情况下的ρ值，并且相应的线性范围区域也减小。所以在实际检测时，由于对振幅传输系数a的未知，在检测时需要首先对传感微环对应的R值进行校准。
在这里我们理论验证一下本发明提出的传感器结构的传感能力。假设传感微环具有如下参数：r1＝r2＝0.99,a＝0.98,Lr＝50μm,ws＝450nm,ng(ws)＝4.522,mr＝64，初始谐振波长为λ0＝1550nm；MZI具有如下设计参数：w0＝w1＝450nm，w2＝800，x＝3.5，FSRm＝8nm，λm＝1550nm,mm＝58.125,ΔL＝72.63μm。为便于比较，我们也设计一个在MZI中没有温度相关性调整的区域，即x＝0，其主要参数如下：λm＝1550nm,mm＝85.125,ΔL＝67.77μm,FSRm＝8nm。根据传感微环的参数，我们可以计算出其Q值约为1.1×104，该Q值利用目前成熟的CMOS工艺可以很轻松获得。图14给出了在检测前对传感微环的校准曲线，传感微环的谐振波长λs在MZI以1551nm波长为中心的半个自由光谱范围的波长范围内变化。从该曲线可以看出，R(λs)在该波长范围的很大范围内都满足线性关系，并且线性拟合的相关度等于1。
假设利用不同浓度的NaCl溶液(不同浓度对应不同折射率)作为传感分析物，同时传感微环处在三个不同的环境温度下，即常温、常温变化10度、常温变化20度时的检测结果。图15给出了本发明所采用的传感器结构得到的检测值R随检测液浓度变化的关系图，从中可以看出R随着检测液浓度的变化呈现出线性特性，并且在同一种检测液中，R的值不随环境温度的变化而改变，即对本发明提出的传感器，对传感微环的检测结果只与检测液浓度的变化有关。图16给出了在MZI中未引入温度相关性调节因子的检测结果，从中可以看出检测值R与检测液浓度变化和环境温度变化有关，这将对我们实际检测结果造成很大的误差。由此可见，本发明提出的传感器结构可以解决传感微环检测中遇到的温度敏感性问题，同时由于引入了级联MZI进行功率检测大大降低了传感微环的检测成本。

Claims (1)

1.一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器，其特征在于，所述光波导生物传感器包括特定波长范围的宽带光源、传感微环、传感区域、传感微环的直通输出端、传感微环的下载输出端、马赫增德尔干涉仪MZI、MZI的第一个输出端、MZI的第二个输出端、与MZI的第一个输出端相连的探测器A和与MZI第二个输出端相连的探测器B，所述的特定波长范围的宽带光源由普通宽带光源和所需波长范围的波长滤波器组合而成，所述的特定波长范围的宽带光源与传感微环的输入端相连接，所述的传感微环的下载输出端与MZI的输入端相连接，MZI的两个输出端分别与探测器A和探测器B相连接；
所述MZI的上臂波导由两种宽度w0和w1组成，w0和w1之间通过无损的锥形波导连接；MZI的下臂波导由两种宽度w0和w2组成，w0和w2之间通过无损的锥形波导连接；MZI上下臂宽度为w0的波导之间长度差为ΔL，上下臂中宽度为w1和w2的波导长度为La，且La和ΔL满足关系式La＝x×ΔL，其中x为温度相关性调节因子；波导宽度w0、w1和w2以及x的确定要满足MZI随环境温度变化的波长漂移量和传感微环的谐振波长在检测物中随环境温度变化的波长漂移量相同，即二者具有相同的温度相关性；
所述传感微环和MZI的波导结构为条形或者脊型，且传感微环的传感区域和具有保护上包层的MZI处于相同的检测样品中，即检测样品覆盖了传感区域和MZI，当传感微环和MZI具有相同的温度相关性时，传感微环的波导宽度ws和MZI的波导宽度参数w0、w1和w2以及x之间满足如下关系式
其中λ0为设计中选定的传感微环的初始谐振波长,和/>分别是宽度为ws时传感微环波导的有效折射率和群折射率，/>和/>分别是MZI中的波导在宽度为wi时对应的有效折射率和群折射率，i＝0,1,2；
所述的传感微环谐振波长为λs，探测器A中获得的功率值IA(λs)和探测器B中获得的功率值IB(λs)，定义检测函数当λs在以包含λ0在内的MZI的半个自由光谱范围的波长范围内变化时,MZI的输出方向耦合器的交叉耦合系数km的选取满足使R(λs)在该波长范围内和λs之间具有最大的线性关系范围。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110726689B (zh) * 2019-09-26 2022-01-11 宁波大学 一种微小型光谱吸收式光波导型中红外气体传感器及其应用
CN114608632B (zh) * 2022-04-15 2024-01-19 南京邮电大学 一种多层多波长多模式多参量微环传感器及制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105628621A (zh) * 2016-02-02 2016-06-01 浙江工业大学 一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片
CN208076394U (zh) * 2018-04-19 2018-11-09 浙江工业大学 一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105628621A (zh) * 2016-02-02 2016-06-01 浙江工业大学 一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片
CN208076394U (zh) * 2018-04-19 2018-11-09 浙江工业大学 一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Bandwidth and wavelength-tunable optical bandpass filter based on silicon microring-MZI structure;Yunhong Ding et.al;《OPTICS EXPRESS》;19(7);6462-6470 *
Compact temperature-insensitive modulator based on a silicon microring assistant Mach—Zehnder interferometer;Zhang Xue-Jian et.al;《Chin. Phys. B》;第21卷(第12期);9 pages *
High-sensitivity optical sensors based on cascaded reflective MZIs and microring resonators;H. H. ZHU et.al;《Optics Express》;第25卷(第23期);28612-28618 *

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