CN115128735A - 光学传感器芯片和光学传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学传感器芯片和光学传感系统，本发明的光学传感器芯片，包括底包层、堆叠在底包层上的顶包层和光波导核心，光波导核心设置于顶包层和底包层之间，顶包层设有用于容纳待测样本的中空部，部分光波导核心通过中空部暴露，光波导核心包括第一偏振旋转器和第一偏振分离器，第一偏振分离器包括一个输入端口和两个输出端口、用于输出偏振光，第一偏振旋转器设有第一端部和第二端部，第一偏振旋转器的第二端部与第一偏振分离器的输入端口相连通，且第一偏振旋转器的尺寸从第一端部到第二端部逐渐变大。本发明的光学传感器芯片可根据需要进行不同大小的设计，无需设置较大体积，便于使用，且无需使用可调谐激光器，成本低。

Description

光学传感器芯片和光学传感系统
技术领域
本发明涉及光学传感技术领域，尤其涉及一种光学传感器芯片和光学传感系统。
背景技术
光学传感器及仪器是依据光学原理进行测量的，光学传感器主要有：光学图像传感器、光学测量传感器、光学鼠标传感器、反射型光学传感器、光学生物传感器等。
光学生物传感技术主要包括表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance、SPR)技术和集成硅光子学技术。SPR方法使用一个系统，包括一个激光器、一个连接到金表面的棱镜和一个探测器。在SPR中，将测试蛋白质固定在金表面，添加未标记的查询蛋白质，并测量探针与固定蛋白质结合引起的光反射角度变化，以实时表征分析物的存在。SPR系统相对较大，常用于实验室实验或大型设备。在集成硅光子生物传感器中，通常通过对生物传感器和含有分析物(如抗体和病毒)的液体进行结合，分析物与生物传感器相互作用，导致折射率的变化来进行检测。
现有硅光子学生物传感器的体系结构根据其物理转导原理可分为几种类型。第一种类型基于干涉仪结构，例如马赫-曾德尔干涉仪。第二类是基于谐振器结构的，包括环形谐振器、微腔、光子晶体、布拉格光栅等。对于具有这两种结构的硅光子生物传感器，通过波长偏移测量来检测折射率变化。具体而言，通过扫描可调谐激光器进行重复光谱测量，然后对这些光谱进行曲线拟合，以提取峰值并跟踪该峰值在时间上的变化。由此，可以获得有关分析物与波导表面结合的信息。
例如，一种传感系统由带有环形谐振器的硅光子学芯片和外置可调谐激光器组成，通过测量光谱来探测生物分子与环形谐振器的相互作用。可调谐激光器的需求增加了硅光子学生物传感解决方案的成本，也使得系统体积庞大。这些传感器的灵敏度可定义为光谱位移除以顶部包层指数变化。检测极限可以定义为我们能够测量的最小折射率变化，这要求可调谐激光器具有高调谐分辨率和精度。调谐分辨率越高，可调谐激光器的成本就会越高、不便于商用和大规模普及。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光学传感器芯片和光学传感系统，用以摆脱对可调谐激光器的依赖，改善传感系统体积庞大、不便于使用、且成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种光学传感器芯片，包括底包层、堆叠在所述底包层上的顶包层和光波导核心；所述光波导核心设置于所述顶包层和所述底包层之间，所述顶包层设有用于容纳待测样本的中空部，部分所述光波导核心通过所述中空部暴露；所述光波导核心包括第一偏振旋转器和第一偏振分离器；所述第一偏振分离器包括一个输入端口和两个输出端口；所述两个输出端口包括直通端口和耦合端口；所述直通端口和所述耦合端口均用于输出偏振光；所述第一偏振旋转器与所述第一偏振分离器共线设置，所述第一偏振旋转器设有第一端部和第二端部，所述第一偏振旋转器的第二端部与所述第一偏振分离器的输入端口相连通，且所述第一偏振旋转器的尺寸沿所述第一端部到所述第二端部的方向逐渐变大。
本发明的光学传感器芯片的有益效果在于：通过所述光波导核心设置于所述顶包层和所述底包层之间，并在所述顶包层设置中空部，使得能够在所述光学传感器芯片放置待测样本，且使得所述待测样本与所述光波导核心接触能够相互作用，向所述光波导核心的第一端部输入光，通过所述光波导核心引导光子的运动，且所述光波导核心的尺寸从第一端部到第二端部逐渐变大，并在所述待测样本和包层的折射率差异的作用下使得所述光波导核心的所述第一偏振旋转器内的光子产生偏振旋转，并通过所述第一偏振旋转器的第二端部与所述第一偏振分离器的输入端口耦合，将偏振旋转后的光子输入至所述第一偏振分离器，并通过所述第一偏振分离器的所述两个输出端口输出光子，所述两个输出端口包括直通端口和耦合端口，偏振光包括横磁场TM偏振光和横电场TE偏振光，大部分横磁场TM偏振光通过所述直通端口输出，小部分横电场TE偏振光通过所述直通端口输出，且大部分横电场TE偏振光通过所述耦合端口输出，小部分横磁场TM偏振光通过所述耦合端口输出，根据所述直通端口和所述耦合端口输出的横电场TE偏振光和横磁场TM偏振光的强弱程度的不同进而能够检测所述待测样本的特性，便于进行结果分析。由此可见，本发明的光学传感器芯片的工作原理是基于光偏振的旋转和分离，不同于现有的基于干涉器结构和谐振器结构的光子传感器，无需使用可调谐激光器，成本低，且本申请的光学传感器芯片可根据需要进行不同大小的设计，无需设置较大体积，且可以设计成尺寸很小的芯片，便于使用。
在一种可行的实施例中，所述光波导核心还包括第二偏振旋转器和第二偏振分离器；所述第二偏振分离器、所述第二偏振旋转器均与所述第一偏振旋转器共线设置，且所述第二偏振旋转器设置于所述第二偏振分离器与所述第一偏振旋转器之间，所述第二偏振分离器包括两个输入端口和一个输出端口；所述两个输入端口包括直通输入端口和耦合输入端口；所述第二偏振分离器的输出端口与所述第二偏振旋转器的输入端口相连通，所述第二偏振旋转器的输出端口与所述第一偏振旋转器的输入端口相连通；所述第二偏振分离器的耦合输入端口，用于将输入的横电场TE偏振光传输至所述第二偏振旋转器，所述第二偏振旋转器用于将所述横电场TE偏振光转换为横磁场TM偏振光，所述第二偏振分离器的输出端口，用于向所述第一偏振旋转器输入横磁场TM偏振光。其有益效果在于：由于第一偏振旋转器的输入端口只能接收横磁场TM偏振光的输入，而现有的通常使用的光源通常输出横电场TE偏振光，通过设置所述第二偏振分离器，并设置两个输入端口和一个输出端口，且所述第二偏振分离器的输出端口与所述第一偏振旋转器的输入端口相连通，使得可以通过所述第二偏振分离器的耦合输入端口输入横电场TE偏振光，通过所述第二偏振分离器将输入的横电场TE偏振光转换为横磁场TM偏振光，之后再输入至所述第一偏振旋转器内，便于实际使用。在一种可行的实施例中，所述第一偏振旋转器的结构形状为锥形或楔形。其有益效果在于：这样设置能够使得光子在所述第一偏振旋转器内并在所述待测样本和包层的折射差异的作用下发生偏振旋转。
在一种可行的实施例中，所述光波导核心在空间上呈螺旋状设置或呈折叠状设置。其有益效果在于：这样设置可以使得结构更加紧凑，也可以增强光波与分析物之间的局部相互作用。
在一种可行的实施例中，第一偏振分离器包括定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、Y形分离器、多模干涉仪、光子晶体、光栅和棱镜中的任意一种，第二偏振分离器包括定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、Y形分离器、多模干涉仪、光子晶体、光栅和棱镜中的任意一种。其有益效果在于：将所述第一偏振分离器和所述第二偏振分离器设置为定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、Y形分离器、多模干涉仪、光子晶体、光栅和棱镜中的任意一种，便于灵活使用。
在一种可行的实施例中，所述光波导核心包括硅、氮化硅、二氧化硅、氧化铝、铌酸锂和Ⅲ-Ⅴ材料中的至少一种制成。其有益效果在于：这样使得所述底包层和所述顶包层可以通过多种材料制成，降低制造难度。
在一种可行的实施例中，所述光波导核心由亚波长结构制成。其有益效果在于：这样设置能够进一步改善局部传感，增加光与分析物之间的相互作用。
在一种可行的实施例中，所述光波导核心设置为若干个，且各个所述光波导核心均设置于所述顶包层和所述底包层之间。其有益效果在于：设置若干所述光波导核心，这样可以通过所述若干光波导核心同时进行不同的检测。
在一种可行的实施例中，所述光学传感器芯片应用于生物传感、气体传感、温度传感、湿度传感、气味传感、化学传感、水质监测和温室监测中的至少一种。其有益效果在于：基于不同待测样本会产生不同的特性，结合包层的设置，会产生各种不同的折射率，能够得到各种各样的检测结果，以至于使得本申请的光学传感器芯片能够进行生物、气体、温度、湿度、化学、气味、水质、温室等检测。
本发明还提供了一种光学传感系统，包括光源、第一光电探测器、第二光电探测器、电源、控制器、显示器、流控器和上述任意一种可行的实施例中所述的光学传感器芯片，所述光源，用于向所述光学传感器芯片的一端输入光，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器设置于所述光学传感器芯片的另一端，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器用于检测所述光学传感器芯片的两个输出端口输出的光电信号，所述显示器分别与所述第一光电探测器和所述第二光电探测器电连接，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器将所述光电信号输送至所述显示器，所述显示器接收所述光电信号并显示，所述流控器设有输出接口和输入接口，所述输出接口和所述输入接口均与所述光波导核心的所述中空部连通，所述流控器用于输送所述待测生物样本，且所述流控器用于通过所述输出接口将所述待测生物样本输送至所述中空部，并用于通过所述输出接口将所述中空部的待测生物样本回收，所述控制器分别与所述光源、所述第一光电探测器、所述第二光电探测器和所述流控器电连接，所述控制器用于分别控制所述光源、所述第一光电探测器、所述第二光电探测器和所述流控器的启闭。
本发明的光学传感系统的有益效果在于：通过所述光源向所述光学传感器芯片输入光线或光子，通过所述第一光电探测器和所述第二光电探测器检测所述生物传感器输出的TE偏振光和TM偏振光，并通过所述显示器9进行观察，同时设置流控器，通过输入接口和输出接口与所述中空处连通，可以在流控器中加入不同待测生物样本，在所述控制器的控制下可以不间断的进行检测，效率高，检测结构直观，便于使用。
在一种可行的实施例中，所述光源、所述第一光电探测器或第二光电探测器中的至少一个集成设置于所述光学传感器芯片。其有益效果在于：将所述光源、所述第一光电探测器或第二光电探测器中的至少一个集成设置于所述光学传感器芯片上，能够减小传感器系统整体体积，降低封装成本，降低光源、第一光电探测器或第二光电探测器因安装产生的误差对结构造成的影响。
在一种可行的实施例中，所述光源为固定波长光源或宽带光源，所述光源为分布式反馈激光器、垂直外腔表面发射激光器、超发光二极管和发光二极管中的任意一种。所述光源的波长范围包括可见光、O波段光、C波段光和中红外光中的任意一种。其有益效果在于：这样设置便于实际使用时灵活选用光源。
在一种可行的实施例中，所述第一光电探测器、所述第二光电探测器和所述光学传感器芯片均设置为N个，N为正整数；所述光学传感系统还包括分光器；所述分光器设置于所述光源与所述光学传感器芯片之间，所述分光器用于将所述光源输入的光分成N份子光源，并将各份所述子光源分别传输至各个所述光学传感器芯片，各个所述第一光电探测器和各个所述第二光电探测器分别对应各个所述光学传感器芯片设置，各个所述第一光电探测器和各个所述第二光电探测器分别用于检测各个所述光学传感器芯片的两个输出端口输出的光电信号。其有益效果在于：通过设置所述分光器可以将来自一个光源的光分为多个通道，以便于同时进行多个测试。
附图说明
图1中的(a)为本发明一种实施例中光学传感器芯片的立体结构示意图；
图1中的(b)为本发明一种实施例中光学传感器芯片的俯视结构示意图；
图1中的(c)为本发明一种实施例中光学传感器芯片的侧视结构示意图；
图2为图1中光学传感器芯片检测不同折射率分析物时偏振旋转和偏振分离的示意图；
图3中的(a)为图1中直通端口和耦合端口处TM00和TE00模式的归一化传输功率分别作为顶部包层折射率的函数的模拟结果示意图；
图3中的(b)为图1中顶部包层折射率的函数在直通端口和耦合端口归一化传输总功率示意图；
图3中的(c)为图1中直通端口和耦合端口总传输功率比率示意图；
图4为图1中光学传感器芯片设置不同待测样本致使处于不同折射率情况下直通端口的光谱模拟结果示意图；
图5为本发明另一种实施例中光学传感器芯片的俯视结构示意图；
图6为本发明又一种实施例中光学传感器芯片的俯视结构示意图；
图7为本发明再一种实施例中光学传感器芯片的俯视结构示意图；
图8为本发明再一种实施例中第一偏振旋转器的结构示意图；
图9为本发明还一种实施例中第一偏振旋转器的结构示意图；
图10为本发明一种实施例中光学传感系统的结构框图；
图11为本发明又一种实施例中分光器与光学传感器芯片的结构示意图；
图12为本发明再一种实施例中分光器与光学传感器芯片集成的结构示意图。
图中标号：
1、底包层；
2、顶包层；
3、光波导核心；301、第一偏振旋转器；302、第二偏振旋转器；
4、第一偏振分离器；401、直通端口；402、耦合端口；
5、第二偏振分离器；501、直通输入端口；502、耦合输入端口；
6、光源；
7、第一光电探测器；
8、第二光电探测器；
9、显示器；
10、控制器；
11、流控器；
12、光学传感器芯片；
13、分光器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
针对现有技术存在的问题，本发明的实施例提供了一种光学传感器芯片。
图1中的(a)为本发明一种实施例中光学传感器芯片的立体结构示意图，图1中的(b)为本发明一种实施例中光学传感器芯片的俯视结构示意图，图1中的(c)为本发明一种实施例中光学传感器芯片的侧视结构示意图。
本发明的一些实施例中，参照图1，包括底包层1、堆叠在所述底包层1上的顶包层2和光波导核心3，所述光波导核心3设置于所述顶包层2和所述底包层1之间，所述顶包层2设有用于容纳待测样本的中空部，部分所述光波导核心3通过所述中空部暴露；所述光波导核心3包括第一偏振旋转器301和第一偏振分离器4；所述第一偏振分离器4包括一个输入端口和两个输出端口；所述两个输出端口包括直通端口401和耦合端口402；所述直通端口401和所述耦合端口402均用于输出偏振光；所述第一偏振旋转器301与所述第一偏振分离器4共线设置，所述第一偏振旋转器301设有第一端部和第二端部，所述第一偏振旋转器的第二端部与所述第一偏振分离器的输入端口相连通，且所述第一偏振旋转器301的尺寸沿所述第一端部到所述第二端部的方向逐渐变大。
本发明的一些具体实施例中，所述底包层1水平设置，所述光波导核心3左右方向水平设置于所述底包层1上侧，所述顶包层2水平设置于所述底包层1上侧，且所述顶包层2覆盖在所述光波导核心3上，所述顶包层2中间设有矩形的中空部，所述中空部的长度小于所述光波导核心3的长度，所述光波导核心3的两端位于所述顶包层2和所述底包层1之间，所述光波导核心3包括第一偏振旋转器301和第一偏振分离器4，所述第一偏振旋转器301从第一端部到第二端部逐渐变大，即所述第一偏振旋转器3的截面积从左至右逐步变大，所述光波导核心3可以由多种材料制成，包括但不限于硅和氮化硅，所述第一偏振分离器4设置于所述第一偏振旋转器301的右侧，所述第一偏振分离器4的输入端口与所述光波导核心3的右侧端耦合，使得所述第一偏振分离器4能够接收所述光波导核心3内的偏振光，所述第一偏振分离器4的两个输出端口分别为直通端口401和耦合端口402，所述直通端口401从左至右逐渐变小，所述耦合端口402设置为弧形，通常情况下所述第一偏振分离器的输出端口输出的偏振光包括横磁场TM偏振光和横电场TE偏振光，所述直通端口401能够将所述第一偏振旋转器301输出的光中的大部分横磁场TM偏振光和小部分横电场TE偏振光分离并输出，即所述直通端口401主要输出横磁场TM偏振光，所述耦合端口402能够将所述第一偏振旋转器301输出的光中的大部分横电场TE偏振光和小部分横磁场TM偏振光分离并输出，即所述耦合端口402主要输出横电场TE偏振光。TE波：在传播方向上有磁场分量但无电场分量，称为横电波，TM波：在传播方向上有电场分量而无磁场分量，称为横磁波。
使用时向所述中空处加入待测分析物，使得所述分析物能够与所述光波导核心3的外侧壁充分接触，具体的与第一偏振旋转器301处的外侧壁充分接触，通常情况下所述顶包层2和所述底包层1由硅材料制成，在所述光波导核心3的左侧输入光，光子沿所述光波导核心3向右传播，经过所述中空处时，由于所述待分析物的流体与包层的折射率不同会破坏播传导的垂直对称性，进而带动所述中空处的光波导核心3内的光发生偏振旋转，具体的说从第一端部输入的光处于基本TM(TM00)模式，当通过所述中空处的后，输出的光完全或部分转换到TE01模式，可以作为基本TE(TE00)模式在耦合端口402输出，剩余的未完全转换的TM00则仍以基本TM模式在直通端口401输出，即发生偏振的光随着所述第一偏振旋转器301继续向右运动至所述第一偏振分离器4，所述直通端口401和所述耦合端口402分别将所述第一偏振旋转器301输出的光中的TM偏振光和TE偏振光分离出并输出，根据输出的TM偏振光和TE偏振光即可追溯所述待测分析物的材料信息或生物/化学目标浓度的信息。
值得说明的是，偏振旋转取决于中空处顶包层2、底包层1和待测样本的折射率差异，通常将顶包层2和底包层1制成材料设置为相同材料，这样偏振旋转取决于中空处待测分析物与包层的折射率差异，能够更准确的反应待测样本的生物、材料、成分、温度、状态等信息。
本申请的光学传感器芯片基于偏振旋转和分离机制，不同于原有的干涉仪和谐振器结构中测量波长位移，消除了对可调谐激光器的需求和依赖，成本低。
为使该光学传感器芯片正常运行，在第一端口输入的光的偏振设计为基本TM(TM00)，该模式的倏逝场垂直延伸至顶包层2和底包层1，当该模式沿所述光波导核心3传播至所述中空处时，该模式的倏逝场与顶包层2中的物质相互作用，当中空处充满不同浓度的生物或化学目标时，折射率不同，导致光学模式的有效折射率相应改变。
此外，所述中空部可以设置为其他任意形状，保证所述分析物能够与所述光波导核心3接触即可。
图2为图1中光学传感器芯片检测不同折射率分析物时偏振旋转和偏振分离的示意图。
当中空处具有一定折射率时，TM模式能够不同程度的转换为TE模式，折射率用nclad表示，参照图2中的(a)中模拟模式演变俯视图，在中空处充满空气的情况下，nclad＝1，光在耦合端口402处以TE00模式出射，而在直通端口401处基本没有TM光出射。参照图2中的(b)-(f)中模拟模式演变俯视图，如果水(折射率约为1.33)或任何其他具有生物或化学目标(折射率不同)加入中空处，则从TM00到TE01的旋转不完整，即耦合端口402处的一部分光以TE00模式输出，而直通端口401处的另一部分光仍以TM00模式输出，如图2所示，随着加入中空处的物质的折射率的增加，更多的光存在于直通端口401，而较少的光存在于耦合端口402。
此外，使用时，可以适当选择中空处的长度，以便顶包层2没有加入待测物时，才能从TM00模式完全旋转到TE01模式。
值得说明的是，上述图2中的(a)-(f)仅作为示例展示的nclad从1到1.5到变化范围，实际使用时根据加入的待测样本的不同会使得折射率的值可以为任意值。
图3中的(a)为图1中直通端口和耦合端口处TM00和TE00模式的归一化传输功率分别作为顶部包层折射率的函数的模拟结果示意图，图3中的(b)为图1中顶部包层折射率的函数在直通端口和耦合端口归一化传输总功率示意图，图3中的(c)为图1中直通端口和耦合端口总传输功率比率示意图，图3中标记：顶包层2折射率(Top cladding refractivendex)，传输功率(Transmission power)，直通端口401(Bar)，耦合端口402(Cross)，传输功率比率(Ratio of transmission power)，总功率即TM00和TE00模式的功率之和，传输功率的比率以dB为单位，参照图1和图3可见，当顶包层2处物质的折射率变化时，传输功率比率在大范围内变化，例如：当折射率从1-1.65时，比率从-24dB到+24dB。通过进行校准，可将测量的比率转换为加入到在光学传感器芯片中空处的测试样本的折射率，进而推断测试样本的特性。
图4为图1中光学传感器芯片设置不同待测样本致使处于不同折射率情况下直通端口的光谱模拟结果示意图。
参照图4，可以看出，通过设计优化，可以使得传感器在较宽波长范围内都能正常工作，也就是说随着光的波长(Wavelength)的变化，传输功率基本不发生变化，进而可知，本申请的光学传感器芯片可以使用的光的光谱范围广，传输功率对光的依赖性较低。
此外，参照图1和图4可以看到，峰值传输功率是90％，而不是100％。这是因为在中空处边界的空气/氧化硅界面处，包层折射率的突然变化会导致额外的光损耗。由于传感区域的顶部包层折射率不同，界面处的折射率对比度不同会导致不同的损耗。然而，这种额外的光损耗不会影响检测结果，因为传感信号是通过检测直通端口401和耦合端口402处的信号之间的损耗差获得的，而不是通过检测两个输出端口中每个端口处的绝对功率电平获得的。损耗发生在直通端口401和耦合端口402之间的功率分配之前，因此直通端口401和耦合端口402的损耗量相同。
此外，在某些情况下，某些波长范围内的水吸收可能会影响现有的光子学生物传感器的性能，但本申请的光学传感器芯片，可以通过提取直通端口401和耦合端口402信号之间的损耗差来抵消吸水引起的损耗。因此，本申请的光子学生物传感器对吸水问题具有鲁棒性。
图5为本发明另一种实施例中光学传感器芯片的俯视结构示意图。
本发明的一些实施例中，参照图5，所述光波导核心3还包括第二偏振旋转器302和第二偏振分离器5，所述第二偏振分离器5、所述第二偏振旋转器302均与所述第一偏振旋转器301共线设置，且所述第二偏振旋转器302设置于所述第二偏振分离器5与所述第一偏振旋转器301之间，所述第二偏振分离器5包括两个输入端口和一个输出端口；所述两个输入端口包括直通输入端口501和耦合输入端口502；所述第二偏振分离器5的输出端口与所述第二偏振旋转器302的输入端口相连通，所述第二偏振旋转器302的输出端口与所述第一偏振旋转器301的输入端口相连通，所述第二偏振分离器5的耦合输入端口502，用于将输入的横电场TE偏振光传输至所述第二偏振旋转器302，所述第二偏振旋转器302用于将所述横电场TE偏振光转换为横磁场TM偏振光，所述第二偏振分离器5的输出端口，用于向所述第一偏振旋转器301输入横磁场TM偏振光。
本发明的一些具体实施例中，所述第二偏振分离器5与所述第一偏振分离器4结构相同，左右对称设置，第二偏振旋转器302设置于所述第二偏振分离器5和第一偏振旋转器301之间，所述第二偏振分离器5与所述第二偏振旋转器302左侧端耦合设置，所述第二偏振旋转器302的右侧端与所述第一偏振旋转器301的左侧端耦合设置。通常情况下，要求输入光学传感器芯片的光具有TM偏振，对于大多数具有TE偏振的光无法直接使用，设置第二偏振分离器5和所述第二偏振旋转器302，能够将具有TE偏振的光从耦合输入端口502输入，在进入第一偏振旋转器301之前转换为TM偏振光，便于实际使用。
本发明的一些实施例中，参照图1，所述第一偏振旋转器301的结构形状为锥形或楔形。本发明的一些具体实施例中，所述第一偏振旋转器301的结构形状为锥形，即所述第一偏振旋转器301的截面面积从左至右依次增大。
图6为本发明又一种实施例中光学传感器芯片的俯视结构示意图。
本发明的一些实施例中，参照图1和图6，所述光波导核心3设置为若干个，且各个所述光波导核心并列设置。具体的说，所述第一偏振旋转器301和所述第一偏振分离器4均并列设置为三个。
值得说明的是，当所述第一偏振旋转器301和所述第一偏振分离器4设置为若干个时，各个所述第一偏振旋转器301和所述第一偏振分离器4的设置方向可以根据需要进行调整。
图7为本发明再一种实施例中光学传感器芯片的俯视结构示意图。
本发明的一些实施例中，参照图5和图7，所述第一偏振旋转器301、所述第一偏振分离器4、所述第二偏振旋转器302和所述第二偏振分离器5均并列设置为三个。
图8为本发明再一种实施例中第一偏振旋转器的结构示意图。
本发明的一些实施例中，参照图1和图8，所述第一偏振旋转器301在空间上呈螺旋状设置。
图9为本发明还一种实施例中第一偏振旋转器的结构示意图。
本发明的一些实施例中，参照图1和图9，述第一偏振旋转器301在空间上呈折叠状设置。
值得说明的是，无论所述第一偏振旋转器301设置为螺旋状还是折叠状，所述第一偏振旋转器301的截面面积均沿路径逐渐变大设置。
本发明的一些实施例中，参照图5，第一偏振分离器4包括定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、Y形分离器、多模干涉仪、光子晶体、光栅和棱镜中的任意一种，第二偏振分离器5包括定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、Y形分离器、多模干涉仪、光子晶体、光栅和棱镜中的任意一种。
本发明的一些实施例中，参照图1，所述光波导核心3包括硅、氮化硅、二氧化硅、氧化铝、铌酸锂或Ⅲ-Ⅴ材料中的至少一种制成。
本发明的一些实施例中，参照图1，所述光波导核心3由亚波长结构制成。
图10为本发明一种实施例中光学传感系统的结构框图。
本发明的一些实施例中，参照图1和图10，包括光源6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、电源(图中未示)、控制器10、显示器9、流控器11和上述任意一种实施例中所述的光学传感器芯片12，所述光源6，用于向所述光学传感器芯片12的一端输入光源6，所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8设置于所述光学传感器芯片12的另一端，所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8用于检测所述光学传感器芯片12的两个输出端口输出的光电信号，所述显示器9分别与所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8电连接，所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8将所述光电信号输送至所述显示器9，所述显示器9接收所述光电信号并显示，所述流控器11设有输出接口和输入接口，所述输出接口和所述输入接口均与所述光波导核心3的所述中空部连通，所述流控器11用于输送所述待测生物样本，且所述流控器11用于通过所述输出接口将所述待测生物样本输送至所述中空部，并用于通过所述输出接口将所述中空部的待测生物样本回收，所述控制器10分别与所述光源6、所述第一光电探测器7、所述第二光电探测器8和所述流控器11电连接，所述控制器10用于分别控制所述光源6、所述第一光电探测器7、所述第二光电探测器8和所述流控器11的启闭。
本发明的一些具体实施例中，所述光源6设置于所述光学传感器芯片12的左侧，且所述光源6与所述光波导核心3相对设置，通过所述光源6对所述光学传感器芯片12输入光，所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8设置于所述光学传感器芯片12的右侧，且所述第一光电探测器7对接所述直通端口401设置，所述第二光电探测器8对接所述耦合端口402设置，所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8分别检测所述第一偏振分离器4的两个输出端口输出的TM和TE光信号，同时所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8将检测的光信号传输至所述显示器9进行显示，便于观察，所述流控器11设有两个流道，一个流道的左侧端与待测分析物连通、另一端与光学传感器芯片12的中空处连通，另一个流道的左侧端与光学传感器芯片12的中空处连通、另一端延伸与外部连通，且两个流道内均设有驱动器，通过所述流控器11能够从前一个通道向所述光学传感器芯片12添加待测分析物，并通过后一个流道输出，所述控制器10分别与所述光源6、所述第一光电探测器7、所述第二光电探测器8和所述流控器11电连接，电源(图中未示)分别与所述控制器10、所述光源6、述第一光电探测器7、所述第二光电探测器8和所述流控器11电连接。
使用时通过所述控制器10控制所述光源6开启，向所述光学传感器芯片12输入光线，并通过所述控制器10控制所述流控器11开启，向所述光学传感器芯片12添加分析物，且控制所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8开启并检测输出的光信号，进而对待分析物进行追溯分析。此外，也可以通过所述流控器11分前后顺序加入不同的待分析物，收集不同分析物时的光信号，能够通过一次操作对不同的待分析物进行检测、分析。
本发明的一些实施例中，参照图1和图10，所述光源6、所述第一光电探测器7和所述第二光电探测器8中的至少一个集成设置于所述光学传感器芯片12。
本发明的一些具体实施例中，所述光源6、所述第一光电探测器7和第二光电探测器8均集成设置于所述光学传感器芯片12。
所述光源6的集成方式包括：将所述光源6直接与所述光学传感器芯片12对接耦合、将所述光源6放入所述光学传感器芯片12上创建的腔中、将所述光源6异质集成于所述光学传感器芯片12、使用光纤或光子引线键合连接所述光源6和所述光学传感器芯片12。
本发明的一些实施例中，参照图1和图10，所述光源6为固定波长光源或宽带光源，所述光源6为分布式反馈激光器、垂直外腔表面发射激光器、超发光二极管和发光二极管中的任意一种。所述光源6的波长范围包括可见光、O波段光、C波段光和中红外光中的任意一种。
本发明的一些具体实施例中，由于所述光学传感器芯片12不必要依赖窄线宽激光的精细分辨率波长扫描，因此可以将光源设置为固定波长光源或宽带光源，也可以设置为分布式反馈激光器、垂直外腔表面发射激光器、超发光二极管或发光二极管，还可以设置为波长范围为可见光、O波段光、C波段光或中红外光。这样可以显著降低光源6的成本。
值得说明的是，在实际使用时，所述光源也可以设置为可调谐光源。
图11为本发明又一种实施例中分光器与光学传感器芯片的结构示意图。
本发明的一些实施例中，参照图10和图11，所述第一光电探测器7、所述第二光电探测器8和所述光学传感器芯片12均设置为N个，N为正整数；所述光学传感系统还包括分光器13；所述分光器13设置于所述光源6与所述光学传感器芯片12之间，所述分光器12用于将所述光源6输入的光分成N份子光源，并将各份所述子光源分别传输至各个所述光学传感器芯片12，各个所述第一光电探测器7和各个所述第二光电探测器8分别对应各个所述光学传感器芯片12设置，各个所述第一光电探测器7和各个所述第二光电探测器8分别用于检测各个所述光学传感器芯片12的两个输出端口输出的光电信号。
本发明的一些具体实施例中，所述第一光电探测器7、所述第二光电探测器8和所述光学传感器芯片12均设置为八个，所述分光器13设置于所述光源6右侧，所述分光器13将所述光源6输入的光分成八份子光源，并将八份子光源分别传输至八个所述光学传感器芯片12，八个所述第一光电探测器7和八个所述第二光电探测器8分别对应八个所述光学传感器芯片12设置，并分别检测八个所述光学传感器芯片12输出光信号并传输至所述显示器9。
值得说明的是，所述第一光电探测器7、所述第二光电探测器8、所述光学传感器芯片12的数量以及所述分光器13分成的子光源的数量可以根据实际需要设置为任意值，相互对应设置即可。
图12为本发明再一种实施例中分光器与光学传感器芯片集成的结构示意图。
本发明的一些实施例中，参照图10和图12，所述分光器13和若干所述光学传感器芯片12集成设置。具体使用时，可以将分光器13、若干光学传感器芯片12以及与各个传感器芯片对应的分光通道集成一体设置，便于使用。
值得说明的是，在制作时可以将若干光学传感器和分光器直接一体成型成芯片，省去后续再进行集成的步骤。
虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (15)

1.一种光学传感器芯片，其特征在于，包括底包层、堆叠在所述底包层上的顶包层和光波导核心；
所述光波导核心设置于所述顶包层和所述底包层之间，所述顶包层设有用于容纳待测样本的中空部，部分所述光波导核心通过所述中空部暴露；
所述光波导核心包括第一偏振旋转器和第一偏振分离器；
所述第一偏振分离器包括一个输入端口和两个输出端口；所述两个输出端口包括直通端口和耦合端口；所述直通端口与所述耦合端口均用于输出偏振光；
所述第一偏振旋转器与所述第一偏振分离器共线设置，所述第一偏振旋转器设有第一端部和第二端部，所述第一偏振旋转器的第二端部与所述第一偏振分离器的输入端口相连通，且所述第一偏振旋转器的尺寸沿所述第一端部到所述第二端部的方向逐渐变大。
2.根据权利要求1所述的光学传感器芯片，其特征在于，所述光波导核心还包括第二偏振旋转器和第二偏振分离器；
所述第二偏振分离器、所述第二偏振旋转器均与所述第一偏振旋转器共线设置，且所述第二偏振旋转器设置于所述第二偏振分离器与所述第一偏振旋转器之间，所述第二偏振分离器包括两个输入端口和一个输出端口；所述两个输入端口包括直通输入端口和耦合输入端口；所述第二偏振分离器的输出端口与所述第二偏振旋转器的输入端口相连通，所述第二偏振旋转器的输出端口与所述第一偏振旋转器的输入端口相连通；
所述第二偏振分离器的耦合输入端口，用于将输入的横电场TE偏振光传输至所述第二偏振旋转器，所述第二偏振旋转器用于将所述横电场TE偏振光转换为横磁场TM偏振光，所述第二偏振旋转器的输出端口，用于向所述第一偏振旋转器输入横磁场TM偏振光。
3.根据权利要求1或2所述的光学传感器芯片，其特征在于，所述第一偏振旋转器的结构形状为锥形或楔形。
4.根据权利要求1或2所述的光学传感器芯片，其特征在于，所述光波导核心在空间上呈螺旋状设置或呈折叠状设置。
5.根据权利要求2所述的光学传感器芯片，其特征在于，第一偏振分离器包括定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、Y形分离器、多模干涉仪、光子晶体、光栅和棱镜中的任意一种，第二偏振分离器包括定向耦合器、绝热耦合器、弯曲耦合器、Y形分离器、多模干涉仪、光子晶体、光栅和棱镜中的任意一种。
6.根据权利要求1或2所述的光学传感器芯片，其特征在于，所述光波导核心包括硅、氮化硅、二氧化硅、氧化铝、铌酸锂和Ⅲ-Ⅴ材料中的至少一种制成。
7.根据权利要求1或2所述的光学传感器芯片，其特征在于，所述光波导核心由亚波长结构制成。
8.根据权利要求1或2所述的光学传感器芯片，其特征在于，所述光波导核心设置为若干个，且各个所述光波导核心均设置于所述顶包层和所述底包层之间。
9.根据权利要求1或2所述的光学传感器芯片，其特征在于，所述光学传感器芯片应用于生物传感、气体传感、温度传感、湿度传感、气味传感、化学传感、水质监测和温室监测中的至少一种。
10.一种光学传感系统，其特征在于，包括光源、第一光电探测器、第二光电探测器、电源、控制器、显示器、流控器和权利要求1至7中任意一项所述的光学传感器芯片；
所述光源，用于向所述光学传感器芯片的一端输入光源；
所述第一光电探测器和所述第二光电探测器设置于所述光学传感器芯片的另一端，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器用于检测所述光学传感器芯片的两个输出端口输出的光电信号；
所述显示器分别与所述第一光电探测器和所述第二光电探测器电连接，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器将所述光电信号输送至所述显示器，所述显示器接收所述光电信号并显示；
所述流控器设有输出接口和输入接口，所述输出接口和所述输入接口均与所述光波导核心的所述中空部连通，所述流控器用于输送所述待测生物样本，且所述流控器用于通过所述输出接口将所述待测生物样本输送至所述中空部，并用于通过所述输出接口将所述中空部的待测生物样本回收；
所述控制器分别与所述光源、所述第一光电探测器、所述第二光电探测器和所述流控器电连接，所述控制器用于分别控制所述光源、所述第一光电探测器、所述第二光电探测器和所述流控器的启闭。
11.根据权利要求10所述的光学传感系统，其特征在于，所述光源、所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中的至少一个集成设置于所述光学传感器芯片。
12.根据权利要求10所述的光学传感系统，其特征在于，所述光源为固定波长光源或宽带光源。
13.根据权利要求10所述的光学传感系统，其特征在于，所述光源为分布式反馈激光器、垂直外腔表面发射激光器、超发光二极管和发光二极管中的任意一种。
14.根据权利要求10所述的光学传感系统，其特征在于，所述光源的波长范围包括可见光、O波段光、C波段光和中红外光中的任意一种。
15.根据权利要求10至14中任意一项所述的光学传感系统，其特征在于，所述第一光电探测器、所述第二光电探测器和所述光学传感器芯片均设置为N个，N为正整数；
所述光学传感系统还包括分光器；
所述分光器设置于所述光源与所述光学传感器芯片之间，所述分光器用于将所述光源输入的光分成N份子光源，并将各份所述子光源分别传输至各个所述光学传感器芯片，各个所述第一光电探测器和各个所述第二光电探测器分别对应各个所述光学传感器芯片设置，各个所述第一光电探测器和各个所述第二光电探测器分别用于检测各个所述光学传感器芯片的两个输出端口输出的光电信号。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4950074A (en) * 1988-05-02 1990-08-21 IOT Entwicklungsgesellshaft fur Integrierte Optik-Technologie mbH Method of determining the refractive index of a substance and apparatus thereof
US20050089261A1 (en) * 2003-10-28 2005-04-28 Takaaki Shimazaki Optical waveguide sensor and measuring apparatus using said optical waveguide sensor, and measuring method using a sensor
CN104950391A (zh) * 2015-07-02 2015-09-30 龙岩学院 一种基于光栅辅助型耦合器的模式分束转换器
CN105866885A (zh) * 2015-01-21 2016-08-17 江苏尚飞光电科技有限公司 偏振分束旋转器
CN106104335A (zh) * 2014-03-05 2016-11-09 日本电信电话株式会社 偏振旋转回路
KR20170139825A (ko) * 2016-06-10 2017-12-20 오민철 광 간섭계의 구조와 이를 이용하는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서와 이를 위한 신호처리방법
CN112305671A (zh) * 2019-07-25 2021-02-02 上海新微技术研发中心有限公司 基于狭缝波导的锥形偏振分束器及制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2156970B (en) * 1984-01-06 1987-09-16 Plessey Co Plc Optical detection of specific molecules
US5120131A (en) * 1988-02-14 1992-06-09 Walter Lukosz Method and apparatus for selecting detection of changes in samples by integrated optical interference
CN102192785B (zh) * 2010-03-17 2013-05-01 中国科学院电子学研究所 基于液体折射率调制的集成光波导傅里叶变换光谱仪
US20140133796A1 (en) * 2012-11-14 2014-05-15 Po Dong Apparatus For Providing Polarization Rotation
US9977187B2 (en) * 2014-05-22 2018-05-22 Sifotonics Technologies Co., Ltd. Polarization rotator-splitter/combiner based on silicon rib-type waveguides
CN105204113B (zh) * 2015-10-29 2018-05-15 中国科学院半导体研究所 一种硅基可调偏振旋转器件
WO2018075744A2 (en) * 2016-10-19 2018-04-26 General Electric Company Apparatus and method for evanescent waveguide sensing
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 (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4950074A (en) * 1988-05-02 1990-08-21 IOT Entwicklungsgesellshaft fur Integrierte Optik-Technologie mbH Method of determining the refractive index of a substance and apparatus thereof
US20050089261A1 (en) * 2003-10-28 2005-04-28 Takaaki Shimazaki Optical waveguide sensor and measuring apparatus using said optical waveguide sensor, and measuring method using a sensor
CN106104335A (zh) * 2014-03-05 2016-11-09 日本电信电话株式会社 偏振旋转回路
CN105866885A (zh) * 2015-01-21 2016-08-17 江苏尚飞光电科技有限公司 偏振分束旋转器
CN104950391A (zh) * 2015-07-02 2015-09-30 龙岩学院 一种基于光栅辅助型耦合器的模式分束转换器
KR20170139825A (ko) * 2016-06-10 2017-12-20 오민철 광 간섭계의 구조와 이를 이용하는 다중모드 간섭 광도파로 소자 기반 광센서와 이를 위한 신호처리방법
CN112305671A (zh) * 2019-07-25 2021-02-02 上海新微技术研发中心有限公司 基于狭缝波导的锥形偏振分束器及制备方法

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