CN201897570U - 一种光波导谐振腔型传感设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光波导谐振腔型传感设备，由传感芯片和外围检测设备构成，所述传感芯片的衬底基片上制作有一输入光波导、一个或多个光波导环形谐振腔、一个或多个耦合区、一个或多个传感区、一个输出光波导和一作为光谱展开区的平面波导光栅，所述输入光波导与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述输出光波导与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述平面波导光栅与所述光波导环形谐振腔通过输出光波导相连接，所述光波导环形谐振腔表面全部或部分暴露在传感区里，传感区一端连接有进样口、另一端连接有出样口。本实用新型无需荧光标记，灵敏度高，结构紧凑，外围检测设备无需光谱分析装置，成本低。

Description

一种光波导谐振腔型传感设备

技术领域

本实用新型涉及一种传感设备，具体的涉及一种光波导谐振腔型传感设备。

背景技术

在面对新的疾病和疾病变异的同时，传统重大疾病仍在给我国的医疗卫生部门带来重大压力。要保障人民群众健康，做好预防和治疗的工作，迫切需要在分子水平上潜在的对人类健康产生影响的生物物质进行快速、准确的检测。基于光波导倏逝波传感的原理传感器，利用全反射传播产生的倏逝波来感知外界的折射率变化。当待测样品通过传感区域时，传感区折射率会发生变化，导致芯层有效折射率发射变化，利用干涉、谐振等原理可将有效折射率变化转换到输出光谱曲线变化上，通过光谱分析测量出输出光谱变化，即可推算待测物的浓度。

环形谐振腔结构在环形光波导内建立谐振模式，显著提升环形波导外的倏逝场强度，从而增强对外界折射率变化的感知能力。其等效探测长度L_eff≈LQ，这里L为传感区长度，Q为谐振腔品质因子，因此高Q值的光波导谐振腔可显著增加光与物质的等效作用长度和作用时间，提升传感灵敏度。基于光波导环形谐振腔的传感器无需标记，结构简单，集成度高，可实现功能多，与微流控技术完全兼容。但要探测周围折射率变化，需要在外围检测设备中采用专门的光谱分析装置，从而导致检测设备体积大，结构复杂，价格昂贵，波段针对性不高。

实用新型内容

为了克服现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供了一种光波导谐振腔型传感设备，该传感设备无需专门的光谱分析装置或是窄线宽的可调光源，价格低廉，可对生物物质实现准确的测量。

为了解决上述技术问题，实现上述目的，本实用新型通过如下技术方案实现：

一种光波导谐振腔型传感设备，由传感芯片和外围检测设备构成，所述传感芯片的衬底基片上制作有一输入光波导、一个或多个光波导环形谐振腔、一个或多个耦合区、一个或多个传感区、一个输出光波导和一作为光谱展开区的平面波导光栅，所述输入光波导与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述输出光波导与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述平面波导光栅与所述光波导环形谐振腔通过输出光波导相连接，所述光波导环形谐振腔表面全部或部分暴露在传感区里，传感区一端连接有进样口、另一端连接有出样口。

优选的，所述输入光波导与所述光波导环形谐振腔之间的耦合区，与输出光波导与所述光波导环形谐振腔之间的耦合区为同一个耦合区，即所述光波导环形谐振腔、所述耦合区和所述传感区都为同一个。

优选的，所述光波导环形谐振腔包括第一光波导环形谐振腔和第二光波导环形谐振腔，所述耦合区包括第一耦合区和第二耦合区，所述传感区包括第一传感区和第二传感区，所述进样口包括第一进样口和第二进样口，所述出样口包括第一出样口和第二出样口，所述第一进样口和第一出样口分别连接所述第一传感区，所述第二进样口和第二出样口分别连接所述第二传感区；所述第一光波导环形谐振腔与所述第一耦合区相连接，所述第二光波导环形谐振腔与所述第二耦合区相互连接，所述输入光波导与所述第一光波导环形谐振腔通过第一耦合区相连接，所述输出光波导与所述第二光波导环形谐振腔通过第二耦合区相连接，所述第一耦合区和第二耦合区通过一传输光波导连接。

进一步的，所述外围检测设备包括依次设置在所述传感芯片输入端的宽带光源模块、输入光耦合模块和依次设置在所述传感芯片输出端的输出光耦合模块、光电探测组件和数据处理电路。

进一步的，所述光电探测组件由一光电探测器和一可带动所述光电探测器在像面内移动的步进电机，所述光电探测器和所述步进电机之间通过一传动装置连接。

进一步的，所述光电探测器之前光信号进入的位置上有一用于调节光斑透过尺寸的光阑。

优选的，所述光电探测组件为一线阵红外光电探测器。

本实用新型的设备通过对输出的谐振光谱分析以获得折射率变化，并推算出相应的变化待测物含量。下面具体说明本实用新型的检测原理。

光经由输入光波导进入耦合区，一部分光功率将耦合进环形或碟形谐振腔，如果光在谐振腔内绕行一周后相位相同，会叠加增强，形成谐振。其谐振波长由式(1)给出。

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{res}}=\frac{n_{\mathrm{eff}}{L}_u}{m}---\left(1\right)$

其中，m是正整数，n_eff是有效折射率，L_u是环形谐振腔的周长。

发生谐振的光波长将在谐振腔内聚集大量能量，使得光在谐振腔内绕行时的损耗增大，如果使耦合区的耦合比例满足一定的关系，甚至可以使输出光波导的光功率为零。这意味着此结构的谐振腔可以在谐振频率处引入一个强吸收点。

在溶液中通入待测物质后，会通过管道引入传感区中的光波导表面，导致周围的折射率发生改变，若周围折射率的改变量为Δn_M，那么由于倏逝场的作用，谐振腔光波导的有效折射率将会发生改变。有效折射率与周围折射率变化的关系如下：

$\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}=\frac{{\left(\mathrm{\Δ}{n}_M\right)}^2}{{\mathrm{\η}}_{0}P}\underset{M}{\∫\∫}{\left|\stackrel{\→}{E}(x,y)\right|}^2\mathrm{dxdy}---\left(2\right)$

其中，Δn_eff有效折射率的变化，Δn_M是发生免疫反应的后的折射率变化，η₀是自由空间的特性阻抗，E是电场矢量，P是整个截面的总功率，M是发生折射率发生变化的区域。

根据公式(2)可知，光波导表面发生的折射率变化将引起整个光波导的有效折射率变化，根据公式(1)，这又将引起谐振频率的移动，因此，输出光谱的吸收点也将随之移动。其移动量Δλ_res与有效折射率的变化Δn_eff的关系为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{res}}=\frac{\mathrm{\Δ}{n}_{\mathrm{eff}}{L}_u}{m}---\left(3\right)$

由于波导表面的折射率变化Δn_M与反应物质浓度的关系可由(4)式给出：

Δn_M＝σρV                (4)

其中，V是加入的含待测物质的溶液体积，ρ是待测物质浓度，σ是能发生的免疫反应产生的折射率变化系数。因此，根据式(1)-(4)，可以获得谐振波长移动与待测物质的含量的关系。

再根据平面波导光栅(AWG)输出光谱的间距与波长、光栅结构的关系，可以获得所需的阵列波导光栅级数以及光栅区尺寸。

与现有技术相比本实用新型的光波导谐振腔型传感设备结构简单，基于结构紧凑的环形光波导谐振腔结构，利用平面波导光栅实现对光谱的展开，并利用光电探测器扫描像面图像以获取光谱变化信息。设备的成本低，应用范围广，具有很好的应用前景。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的光波导谐振腔型传感设备的传感芯片的结构示意图。

图2是本实用新型的光波导谐振腔型传感设备的结构框架示意图。

图3是本实用新型的光波导谐振腔型传感设备的光电探测组件的结构示意图。

图4是本实用新型的光波导谐振腔型传感设备在只有一个环形谐振腔时，通入待测物溶液前后的输出光谱曲线。

图中标号说明：1、传感芯片，11、输入光波导，121、第一耦合区，122、第二耦合区，13、输出光波导，141、第一光波导环形谐振腔，142、第二光波导环形谐振腔，151、第一传感区，152、第二传感区，161、第一进样口，162、第二进样口，171、第一出样口，172、第二出样口，18、平面波导光栅，19、传输光波导，21、宽带光源模块，23、输入耦合模块，24、输出耦合模块，25、光电探测组件，251、光阑，252、光电探测器，253、传动装置，254、步进电机，26、数据处理电路。

具体实施方式

参见图1、图2所示，一种光波导谐振腔型传感设备，由传感芯片1和外围检测设备2构成，所述传感芯片1的衬底基片上制作有一输入光波导11、一个或多个光波导环形谐振腔、一个或多个耦合区、一个或多个传感区、一个输出光波导13和一作为光谱展开区的平面波导光栅18，所述输入光波导11与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述输出光波导13与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述平面波导光栅18与所述光波导环形谐振腔通过输出光波导13相连接，所述光波导环形谐振腔表面全部或部分暴露在传感区里，传感区一端连接有进样口、另一端连接有出样口。

所述光波导环形谐振腔包括第一光波导环形谐振腔141和第二光波导环形谐振腔142，所述耦合区包括第一耦合区121和第二耦合区122，所述传感区包括第一传感区151和第二传感区152，所述进样口包括第一进样口161和第二进样口162，所述出样口包括第一出样口171和第二出样口172，所述第一进样口161和第一出样口171分别连接所述第一传感区151，所述第二进样口162和第二出样口172分别连接所述第二传感区152；所述第一光波导环形谐振腔141与所述第一耦合区121相连接，所述第二光波导环形谐振腔142与所述第二耦合区122相互连接，所述输入光波导11与所述第一光波导环形谐振腔141通过第一耦合区121相连接，所述输出光波导13与所述第二光波导环形谐振腔142通过第二耦合区122相连接，所述第一耦合区121和第二耦合区122通过一传输光波导19连接。

参见图2所示，所述外围检测设备2包括依次设置在所述传感芯片1输入端的宽带光源模块21、输入光耦合模块23和依次设置在所述传感芯片1输出端的输出光耦合模块24、光电探测组件25和数据处理电路26。

优选的，所述光电探测组件25为一线阵红外光电探测器。

进一步的，参见图3所示，所述光电探测组件25由一光电探测器252和一可带动所述光电探测器252在像面内移动的步进电机254，所述光电探测器252和所述步进电机254之间通过一传动装置253连接。

进一步的，所述光电探测器252之前光信号进入的位置上有一用于调节光斑透过尺寸的光阑251。通过以上技术的运用，本实用新型的具体检测过程如下：

步骤1.先将由第一进样口161和第二进样口162通入缓冲液。

步骤2.开启宽带光源模块21，将激光由输入耦合模块22耦合进输入光波导11。

步骤3.调整合适的光阑251尺寸，待传感区中已稳定存在缓冲液后，利用步进电机254带动光电探测器252，对由输出耦合模块24成像的光谱信号进行扫描，记录下此时的光谱信号。

步骤4.将待测物质通过第一进样口161或第二进样口162通入。

步骤5.利用步进电机254带动光电探测器252，不停地对由输出耦合模块24成像的光谱信号进行扫描，记录下此时的光谱信号。

步骤6.通过对光谱信号变化的分析，可以计算出待测物质的浓度，及实时发生的变化。

如图4所示，为本实用新型的光波导谐振腔型传感设备在只有一个环形谐振腔时，通入待测物溶液前后的输出光谱曲线。

上述实施例只是为了说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡是根据本实用新型内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光波导谐振腔型传感设备，由传感芯片(1)和外围检测设备(2)构成，其特征在于：所述传感芯片(1)的衬底基片上制作有一输入光波导(11)、一个或多个光波导环形谐振腔、一个或多个耦合区、一个或多个传感区、一个输出光波导(13)和一作为光谱展开区的平面波导光栅(18)，所述输入光波导(11)与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述输出光波导(13)与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述平面波导光栅(18)与所述光波导环形谐振腔通过输出光波导(13)相连接，所述光波导环形谐振腔表面全部或部分暴露在传感区里，传感区一端连接有进样口、另一端连接有出样口。

2.根据权利要求1所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于：所述输入光波导(11)与所述光波导环形谐振腔之间的耦合区，与输出光波导(13)与所述光波导环形谐振腔之间的耦合区为同一个耦合区，即所述光波导环形谐振腔、所述耦合区和所述传感区都为同一个。

3.根据权利要求1所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于：所述光波导环形谐振腔包括第一光波导环形谐振腔(141)和第二光波导环形谐振腔(142)，所述耦合区包括第一耦合区(121)和第二耦合区(122)，所述传感区包括第一传感区(151)和第二传感区(152)，所述进样口包括第一进样口(161)和第二进样口(162)，所述出样口包括第一出样口(171)和第二出样口(172)，所述第一进样口(161)和第一出样口(171)分别连接所述第一传感区(151)，所述第二进样口(162)和第二出样口(172)分别连接所述第二传感区(152)；所述第一光波导环形谐振腔(141)与所述第一耦合区(121)相连接，所述第二光波导环形谐振腔(142)与所述第二耦合区(122)相互连接，所述输入光波导(11)与所述第一光波导环形谐振腔(141)通过第一耦合区(121)相连接，所述输出光波导(13)与所述第二光波导环形谐振腔(142)通过第二耦合区(122)相连接，所述第一耦合区(121)和第二耦合区(122)通过一传输光波导(19)连接。

4.根据权利要求1或2或3所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于：所述外围检测设备(2)包括依次设置在所述传感芯片(1)输入端的宽带光源模块(21)、输入光耦合模块(23)和依次设置在所述传感芯片(1)输出端的输出光耦合模块(24)、光电探测组件(25)和数据处理电路(26)。

5.根据权利要求4所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于：所述光电探测组件(25)由一光电探测器(252)和一可带动所述光电探测器(252)在像面内移动的步进电机(254)，所述光电探测器(252)和所述步进电机(254)之间通过一传动装置(253)连接。

6.根据权利要求5所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于：所述光电探测器(252)之前光信号进入的位置上有一用于调节光斑透过尺寸的光阑(251)。

7.根据权利要求4所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于：所述光电探测器组件(25)为一线阵红外光电探测器。

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