CN113933244A - 一种双环耦合结构的生化传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种双环耦合结构的生化传感器，涉及光生化传感领域，包括2段波导、1个环形谐振腔和1个椭圆形谐振腔；波导与谐振腔均为以硅为基底，二氧化硅包裹氮化硅结构。该结构中由于波导与环形谐振腔的耦合以及环形谐振腔和椭圆形谐振腔的耦合，使得由波导输入的光波经由环形谐振腔被限制在椭圆形谐振腔内，增强了光与物质之间的相互作用，同时由两段波导代替一段波导，波导与环形谐振腔耦合效率提高，另外将椭圆形谐振腔内部区域用于检测外界溶液浓度变化，减小波导以及环形谐振腔由于溶液浓度变化导致出射波导光波变化，增加线性测量范围。
Description
技术领域
本申请涉及一种生化检测装置，特别涉及一种光学谐振腔生化传感器。
背景技术
光学生化传感器以光学信号为载体,是将待测生化物质所表达的信号转换为电信号的具有高选择性和高灵敏度的检测器件。通常可应用于气体、液体和生物大分子等物质的检测，待测样本浓度的变化导致谐振腔包层折射率变化，使得光波模式有效折射率发生变化，光波在谐振腔中的传输性质变化，通过测量出射端口光强变化可得出待测物质信息。
光学传感方法有散射干涉测量、光热显微镜、纳米纤维传感器以及微腔传感。光学微腔传感具有超高的品质因子、微小模式体积、灵敏度高、腔内模式数量少等优点。光学微腔传感器根据对光场的不同限制机理，可分为法布里-珀罗型微腔、光子晶体微腔和回音壁式微腔。光信号在微腔内发生谐振，等效为传感器探测长度增加，使得光信号强度或相位变化增加，传感器性能增强。同其他类型微腔生化传感器相比，回音壁模式微腔具有尺寸小、芯片制备方便、线宽窄的优点。
专利CN 203385650 U公布了外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片,该芯片增强了光与物质相互作用,检测灵敏度更高,在相同传感条件下,光学生化传感器的微型化与片上传感系统更强。但是该芯片采用狭缝型光波导结构与外凸型齿状光栅,结构复杂且加工困难。
专利CN 101915963 A公布了一种多重嵌入式微型谐振腔滤波器,该滤波器采用波导谐振腔的滤波效应,减小器件尺寸,使得自由频谱范围增大,器件成本低且适用于大批量生产。但是其透过率最大值小于0.8,波导谐振腔耦合效率较低。
专利CN 104020137 A公布了一种相位增敏型集成波导光学生化传感器,利用波导相位增敏减小传感器尺寸,采用光功率比值解调方法,降低输出光功率比值影响,快速获得待测生化样品的浓度等信息。但是该生化传感器检测范围小,且光功率比值与溶液折射率变化呈非线性,不利于精确测量。
基于现有的环形微腔生化传感器结构，其灵敏度低，波导与谐振腔的耦合效率低，线性范围小，线性度差，器件制作的难度大且难以实现器件小型化和便携化,不利于对各种生物、化学成分进行简便操作。
发明内容
本发明的目的是为了解决生化物质检测问题，在光学谐振腔生化传感器的基础之上，针对现有器件制作难度大、耦合效率低、检测线性度差等问题，提出一款微型双耦合结构的生化传感器。
为了实现上述目的本发明的技术方案是:一种双耦合结构生化传感器,包括基板(1)以及设置于基板(1)上方的第一波导(2)、第二波导(3)、环形谐振腔(4)和椭圆形谐振腔(5),该基板(1)的材料为硅,第一波导(2)、第二波导(3)、环形谐振腔(4)与椭圆形谐振腔(5)位于同一平面,其宽度相同且均为二氧化硅包裹氮化硅结构。所述第一波导(2)、第二波导(3)与环形谐振腔(4)耦合连接,环形谐振腔(4)与椭圆形谐振腔(5)耦合连接,且均位于同一平面上。
优选的，所述环形谐振腔(4)为环形波导,椭圆形谐振腔(5)为椭圆形波导,第一波导(2)和第二波导(3)与环形谐振腔(4)构成第一耦合器,环形谐振腔(4)与椭圆形谐振腔(5)构成第二耦合器。
优选的,所述第一波导(2)与第二波导(3)宽度结构均相同，且垂直中心线为同一直线。第一波导(2)、第二波导(3)与环形谐振腔(4)水平距离小于0.2倍耦合距离（入射波波长）。
优选的,所述环形谐振腔(4)与椭圆形谐振腔(5)中心位于同一点。
优选的,所述环形谐振腔(4)上下两侧距离椭圆形谐振腔(5)的垂直距离的范围为0.025至0.04倍入射波波长。
优选的,所述椭圆形谐振腔的内部为待测溶液，基板(1)上侧除波导与谐振腔外均为折射率相同且固定的介质。
本发明具有的有益效果是:本发明运用两段波导代替传统一段波导,提高谐振腔吸收率;增加椭圆形谐振腔,使第一波导的磁场能量大部分进入椭圆形谐振腔，而第二波导与环形谐振腔磁场强度弱，将椭圆形谐振腔磁场用于测量,减少第二波导与环形谐振腔对测量结果的影响;采用双耦合结构,波导输入的光波经由环形谐振腔被限制在椭圆形谐振腔内，增强了光与物质。
附图说明
图1是本发明的一种双耦合结构的生化传感器的俯视图。
图2是本发明的一种双耦合结构的生化传感器的主视图。
图3是本发明实施例双耦合结构的生化传感器光波输入时传感器内部磁场变化图形。
图4是本发明实施例双耦合结构的生化传感器在不同折射率变化量情况出射端口磁场强度变化曲线图。
附图标记说明：(1)基板;(2)第一波导;(3)第二波导;(4)环形谐振腔;(5)椭圆形谐振腔(6)氮化硅芯层;(7)硅基底和(8)二氧化硅包层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。
如图1和图2所示,本实施例的双耦合结构的生化传感器,包括基板(1)以及设置于基板(1)上方的第一波导(2)、第二波导(3)、环形谐振腔(4)和椭圆形谐振腔(5),该基板(1)的材料为硅,第一波导(2)、第二波导(3)、环形谐振腔(4)与椭圆形谐振腔(5)位于同一平面,其宽度相同且均为二氧化硅包裹氮化硅结构。
在本实施例中第一波导(2)与第二波导(3)宽度结构均相同，且垂直中心线为同一直线。第一波导(2)、第二波导(3)与环形谐振腔(4)水平距离小于耦合距离。第一波导(2)、第二波导(3)与环形谐振腔(4)水平距离小于0.2倍耦合距离（入射波波长）。所述环形谐振腔(4)上下两侧距离椭圆形谐振腔(5)的垂直距离的范围为0.025至0.04倍入射波波长。椭圆形谐振腔的内部为待测溶液，基板(1)上侧除波导与谐振腔外均为折射率相同且固定的介质。需要说明，所述第一耦合器与第二耦合器谐振条件属于本领域技术人员的常规技术手段，在此不再赘述。
为了本领域技术人员能够理解并且实施本发明技术方案,将结合具体的工作过程对上述双环光学谐振腔结构的生化传感器作详细说明。
光波从左下方处进入第二波导(3)进行传播,经过第二波导(3)、第一波导(2)与环形谐振腔(4)耦合区域时与右侧环形谐振腔(4)进行耦合,使得光线一部分穿过介质区域沿第一波导(2)进行传播,另一部分耦合到环形谐振腔(4)中进行传播,进入环形谐振腔(4)的光波一部分沿谐振腔传播,另一部分经过上方区域耦合到椭圆形谐振腔(5)内,此时第二波导(3)磁场能量大部分耦合进椭圆形谐振腔(5)形成稳定的环形磁场。此时,由于第二环形谐振腔(5)内待测物质浓度的变化导致物质折射率发生变化,使得出射端口光波强度发生变化。
本实例中,波导包层宽度1um,波导芯层宽度0.75um,环形谐振腔外圆半径12.6um,椭圆形谐振腔长轴11.5um,短轴7.5um,波导与环形谐振腔最小距离0.059um,采用波长为1.55um的光波,固定介质折射率1.3,待测介质折射率范围 1.42-1.54。
图3是本发明实施例双耦合的生化传感器经由仿真软件得到的光波输入时传感器内部磁场变化图形。如图3所示,此时光波从左下方入射端口进入第二波导(3)进行传输,磁场能量集中于椭圆形谐振腔(5)内且椭圆谐振腔处于临界耦合状态,第一波导(2)与环形谐振腔(4)内磁场强度微弱,将第一波导(2)与第二波导(3)对比,输出端口磁场强度远弱于输入端口,此时满足耦合器谐振条件且环形谐振腔(4)具有高吸收率。
图4是本发明实施例双耦合结构的生化传感器在不同折射率变化量情况出射端口磁场强度变化曲线图。通过对所示曲线的分析,发现当待测物质折射率为1.42至1.54时，第一波导（2）出射端口磁场强度变化为大致线性，传感器具有良好的线性度。可将其应用于探测物质浓度变化。
本实施例中椭圆形谐振腔(5)将光极大的限制在该区域内，从而有效增强了光和物质之间的相互作用，另外椭圆形谐振腔(5)能够使光在谐振腔中来回震荡,增加光与物质相互作用的强度和有效长度，使检测灵敏度更高。
以上所述仅为本发明的具体实施方式,本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内,可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权力要求书的保护范围来限定。
Claims (7)
1.一种双耦合结构的生化传感器，包括基板(1)以及设置于基板(1)上方的第一波导(2)、第二波导(3)、环形谐振腔(4)和椭圆形谐振腔(5), 所述第一波导(2)为上方矩形波导;所述第二波导(3)为下方矩形波导;所述环形谐振腔(4)中心位于两段波导垂直平分线上;所述椭圆形谐振腔(5)位于环形谐振腔(4)内。
2.如权利要求1所述的一种双环光学谐振腔结构的生化传感器,其特征在于:椭圆形谐振腔的内部为待测溶液，基板(1)上侧除波导与谐振腔外均为折射率相同且固定的介质。
3.如权利要求1所述的一种双耦合结构的生化传感器,其特征在于:环形谐振腔(4)为环形波导,椭圆形谐振腔(5)为椭圆形波导,第一波导(2)、第二波导(3)与环形谐振腔(4)构成第一耦合器,环形谐振腔(4)与椭圆形谐振腔(5)构成第二耦合器。
4.如权利要求1所述的一种双耦合结构的生化传感器,其特征在于:第一波导(2)与第二波导(3)宽度结构均相同,且垂直中心线为同一直线，
第一波导(2)、第二波导(3)与环形谐振腔(4)水平距离小于0.2倍耦合距离（入射波波长）。
5.如权利要求1所述的一种双环光学谐振腔结构的生化传感器,其特征在于:环形谐振腔(4)与椭圆形谐振腔(5)中心位于同一点且上下两侧最小距离均小于光波波长。
6.如权利要求1所述的一种双环光学谐振腔结构的生化传感器,其特征在于:环形谐振腔(4)上下两侧距离椭圆形谐振腔(5)的垂直距离的范围为0.025至0.04倍入射波波长。
7.如权利要求1所述的一种双环光学谐振腔结构的生化传感器,其特征在于:该基板(1)的材料为硅,第一波导(2)、第二波导(3)、环形谐振腔(4)与椭圆形谐振腔(5)位于同一平面,其宽度相同且均为二氧化硅包裹氮化硅结构。
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040008942A1 (en) * | 2002-07-11 | 2004-01-15 | Lambda Crossing Ltd. | Micro-ring resonator |
| CN101303341A (zh) * | 2008-06-26 | 2008-11-12 | 上海交通大学 | 同心环光学谐振腔的生物芯片及其阵列实施器件 |
| JP2009063673A (ja) * | 2007-09-04 | 2009-03-26 | Univ Of Tokyo | 導波路共振器型光バッファ |
| JP2011232529A (ja) * | 2010-04-27 | 2011-11-17 | Fujitsu Ltd | 導波路型共振器デバイス |
| CN103308476A (zh) * | 2013-05-16 | 2013-09-18 | 成都谱视科技有限公司 | 基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传感芯片 |
| 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 |
| CN104516052A (zh) * | 2013-09-29 | 2015-04-15 | 北京邮电大学 | 一种微环谐振滤波器 |
| CN109254352A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-01-22 | 北京交通大学 | 一种快光太赫兹波导 |
| CN109254349A (zh) * | 2018-01-04 | 2019-01-22 | 广东工业大学 | 一种具有环形谐振腔的光谱调控器件 |
| CN112363272A (zh) * | 2020-09-27 | 2021-02-12 | 华东师范大学重庆研究院 | 一种可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件及其制备方法 |
-
2021
- 2021-10-25 CN CN202111242472.4A patent/CN113933244A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040008942A1 (en) * | 2002-07-11 | 2004-01-15 | Lambda Crossing Ltd. | Micro-ring resonator |
| JP2009063673A (ja) * | 2007-09-04 | 2009-03-26 | Univ Of Tokyo | 導波路共振器型光バッファ |
| CN101303341A (zh) * | 2008-06-26 | 2008-11-12 | 上海交通大学 | 同心环光学谐振腔的生物芯片及其阵列实施器件 |
| JP2011232529A (ja) * | 2010-04-27 | 2011-11-17 | Fujitsu Ltd | 導波路型共振器デバイス |
| CN103308476A (zh) * | 2013-05-16 | 2013-09-18 | 成都谱视科技有限公司 | 基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传感芯片 |
| 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 |
| CN104516052A (zh) * | 2013-09-29 | 2015-04-15 | 北京邮电大学 | 一种微环谐振滤波器 |
| CN109254349A (zh) * | 2018-01-04 | 2019-01-22 | 广东工业大学 | 一种具有环形谐振腔的光谱调控器件 |
| CN109254352A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-01-22 | 北京交通大学 | 一种快光太赫兹波导 |
| CN112363272A (zh) * | 2020-09-27 | 2021-02-12 | 华东师范大学重庆研究院 | 一种可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 《信息科技》: "基于MIM表面等离子激元耦合谐振腔的多重Fano共振研究", 《信息科技》, no. 01, 15 January 2021 (2021-01-15), pages 28 - 30 * |
| 孙蕾: "基于微结构光波导的传感技术及其应用研究", 《信息科技》, no. 10, 15 October 2018 (2018-10-15), pages 95 - 111 * |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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