CN203465195U

CN203465195U - 双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器

Info

Publication number: CN203465195U
Application number: CN201320588199.5U
Authority: CN
Inventors: 王卓然; 袁国慧; 姚佳; 何涛; 王军
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2023-09-23

Abstract

本实用新型公开了一种双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器，包括一个平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构和一条反馈波导回路，所述平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构包括：一条输入直波导、一条输出直波导、一个嵌套了马赫曾德尔结构MZI的微环谐振腔。本实用新型通过采用一个平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构、一条反馈波导回路、一个输入光栅垂直耦合器和一个输出光栅垂直耦合器，基于游标效应，使得非平衡马赫曾德尔结构和双通平行信道微环谐振腔的传输谱相叠加，获得具有更高灵敏度、更宽可探测动态范围和更大性噪比的传感特性谱图。

Description

双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器

技术领域

本实用新型属于光生化传感技术领域，具体涉及一种双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器的设计。

背景技术

随着光子学技术的日趋成熟以及它在生物和化学领域应用的不断扩展，光学生化传感器的应用范围已经覆盖了生化传感器的诸多领域，成为当今生化传感器件的重要组成部分。生化传感器不仅广泛应用于传统的医学领域，而且还在环境监测、农作物保护、国土安全等方面有着广泛的应用。光学生化传感器是一种以某种生物化学成分为敏感基元，以光学信号为载体，对目标检测物具有高选择性和高灵敏度的检测器件。生化传感器通常是对气体、液体、生物大分子等微流体进行检测，待分析的样本至少覆盖整个波导器件的上方区域，待分析样本浓度的变化或免疫反应的发生都将改变波导包层的折射率，该变化被光波的倏逝场分量所感应，从而引起光波模式有效折射率的改变，并使得光在环中的传输性质发生变化。通过测量光场的变化量就可以知道待测物质的信息。

基于消逝波传感的光学生化传感器近年来被广泛应用于生物分子检测、水体中重金属成分分析以及空气污染监测等领域。目前较常用的光波导型的生化传感器主要有基于表面等离子体型（SPR）、环形谐振腔型（MRR）、马赫曾德尔干涉仪型(MZI)以及光栅型（Grating），它们各自存在自己的优势和不足。微环谐振腔由于具有尺寸小、集成度高、谐振增强等特点，是生物传感器常选用的结构之一。特别是近年来，随着游标效应的深入研究，基于游标效应的双环级联微环谐振腔已实现了超高灵敏度的光学传感。马赫曾德尔干涉结构由于其自由光谱范围（FSR）大的特点同样也得到了广泛的应用。基于游标效应可以同时利用微环谐振腔和MZI各自的优势实现超紧凑、高灵敏度、大自由光谱范围的光学生化传感器。但在目前常见的结构中，通道利用率低，结构不够紧凑，微环谐振腔的谐振效应还未得到充分利用。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有生化传感器通道效率低、结构不紧凑的缺点而提供一种双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器，包括一个平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构和一条反馈波导回路，所述平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构包括：一条输入直波导、一条输出直波导、一个嵌套了马赫曾德尔结构MZI的微环谐振腔，所述嵌套了MZI的微环谐振腔包括：第一直波导、第一左半圆反馈环波导、第一右半圆反馈环波导、第二直波导、环形波导以及第三直波导，所述反馈波导回路包括：第二左半圆反馈环波导、第八直波导、第二右半圆反馈环波导，所述第二直波导和第三直波导共线，所述输入直波导、输出直波导、第一直波导、第八直波导平行与第二直波导和第三直波导平行；输入直波导依次包括第一输入端、第四直波导、第二输入端；输出直波导依次包括第一输出端、第五直波导、第六直波导、第七直波导以及第二输出端；

所述第一左半圆反馈环波导的两端分别延伸出第一直波导的第一端和第二直波导的第一端，第一右半圆反馈环波导的两端分别延伸出第一直波导的第二端和第三直波导的第二端，环形波导的两端分别延伸出第二直波导的第二端和第三直波导的第一端；第二左半圆反馈环波导的两端分别延伸出第八直波导的第一端和输出直波导的第一输出端的第一端；第二右半圆反馈环波导的两端分别延伸出第八直波导的第二端和输入直波导的第二输入端的第二端；

所述第一直波导与第四直波导构成第一方向耦合器，所述第二直波导与第五直波导构成第二方向耦合器，所述第三直波导与第七直波导构成第三方向耦合器，所述环形波导与第六直波导构成马赫曾德尔干涉仪结构，所述环形波导作为马赫曾德尔干涉仪结构的弯曲臂，所述第六直波导作为马赫曾德尔干涉仪结构的直臂。

进一步的，还包括一个输入光栅垂直耦合器和一个输出光栅垂直耦合器，所述输入光栅垂直耦合器的末端延伸出输入直波导的第一输入端，输出直波导的第二输出端延伸出输出光栅垂直耦合器的始端。

进一步的，所述环形波导包括第一

左圆环、第二半圆环、第一

右圆环，第一

左圆环的两端分别延伸出第二直波导的第二端和第二半圆环的第一端，第一右圆环的两端分别延伸出第二半圆环的第二端和第三直波导的第一端，所述第一

左圆环、第一

右圆环的内径与第二半圆环的内径相切，且第一左圆环、第二半圆环、第一

右圆环之间的连接处呈平滑连接。

进一步的，所述第一

左圆环和第一右圆环的内径为R2，第二半圆环的内径为R3，所述R2和R3相等。

更进一步的，所述第一左半圆反馈环波导和第一右半圆反馈环波导的半径为R1，所述R1大于R2、R3。

更进一步的，所述第二左半圆反馈环波导的半径为R4，所述R4大于R1。

更进一步的，所述第二右半圆反馈环波导的半径为R5，所述R5小于R4。

进一步的，所述输入直波导、输出直波导与所述环形波导之间的耦合通过第一方向耦合器、第二方向耦合器和第三方向耦合器实现。

进一步的，所述波导为无源脊形波导或条形波导。

本实用新型的有益效果：本实用新型双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器通过采用一个平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构、一条反馈波导回路、一个输入光栅垂直耦合器和一个输出光栅垂直耦合器，基于游标效应，使得非平衡马赫曾德尔结构和双通平行信道微环谐振腔的传输谱相叠加，获得具有更高灵敏度、更宽可探测动态范围和更大性噪比的传感特性谱图；并且采用输入光栅垂直耦合器、输出光栅垂直耦合器结合反馈波导回路，将输出直波导的第一输出端通过反馈波导回路再次引入到平行信道微环谐振腔的输入直波导的第二输入端，光二次注入到整个器件中，由输出直波导的第二输出端输出；将输入端口和输出端口分开，充分利用了平行信道微环谐振腔的四个端口，不仅增加了光与物质相互作用的有效长度，而且使得输入端口光源的强度噪声对最后输出端口的影响较小，同时也屏蔽了光输在入直波导两端面来回震荡所导致的F-P效应对最终输出光的影响，故而有效减小整个传感器的背景噪声；同时，其也将传感器的最佳工作点移至是输出功率最大值附近，因此信号功率较强，相应的信号噪声比（SNR）更大，更有利于探测。

附图说明

图1为本实用新型实施例的双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器的结构示意图；

图2为输入光栅垂直耦合器的结构示意图；

图3为光栅垂直耦合器结构的剖面图；

其中：1-2-3-平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构，1-输入直波导、2-输出直波导、3-嵌套了MZI结构的微环谐振腔、4-反馈波导回路、30-第一左半圆反馈环波导、31-第一直波导、32-第一右半圆反馈环波导、33第二直波导、34-环形波导、340-第一

左圆环、341-第二半圆环、342-第一

右圆环、35-第三直波导、10-第一输入端、11-第四直波导、12-第二输入端、20-第一输出端、21-第五直波导、22-第六直波导、23-第七直波导、24-第二输出端、40-第二左半圆反馈环波导、41-第八直波导、42-第二右半圆反馈环波导、5-马赫曾德尔干涉仪结构、60-第一方向耦合器、61-第二方向耦合器、63-第二方向耦合器、70-输入光栅垂直耦合器、71-输出光栅垂直耦合器。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步的阐述。

如图1所示为本实用新型实施例的双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器的结构示意图，包括一个平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构1-2-3和一个反馈波导回路4，所述平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构1-2-3包括：一个输入直波导1、一个输出直波导2、一个嵌套了马赫曾德尔结构MZI结构的微环谐振腔3，所述微环谐振腔包括：第一直波导31、第一左半圆反馈环波导30、第一右半圆反馈环波导32、第二直波导33、环形波导34以及第三直波导35，所述反馈波导回路4包括：第二左半圆反馈环波导40、第八直波导41、第二右半圆反馈环波导42；所述第二直波导33和第三直波导35共线，所述输入直波导1、输出直波导2、第一直波导31、第八直波导41与第二直波导33和第三直波35导平行；输入直波导1依次包括第一输入端10、第四直波导11、第二输入端12；输出直波导2依次包括第一输出端20、第五直波导21、第六直波导22、第七直波导23以及第二输出端24；

所述第一左半圆反馈环波导30的两端分别延伸出第一直波导31的第一端和第二直波导33的第一端，第一右半圆反馈环波导32的两端分别延伸出第一直波导31的第二端和第三直波导35的第二端，环形波导34的两端分别延伸出第二直波导33的第二端和第三直波导35的第一端；第二左半圆反馈环波导40的两端分别延伸出第八直波导41的第一端和输出直波导2的第一输出端20的第一端；第二右半圆反馈环波导42的两端分别延伸出第八直波导41的第二端和输入直波导1的第二输入端12的第二端；

所述第一直波导31与第四直波导11构成第一方向耦合器60，所述第二直波导33与第五直波导21构成第二方向耦合器61，所述第三直波导35与第七直波导23构成第三方向耦合器62，所述环形波导34与第六直波导22构成马赫曾德尔干涉仪结构5，所述环形波导34作为马赫曾德尔干涉仪结构5的弯曲臂，所述第六直波导22作为马赫曾德尔干涉仪结构5的直臂。

其中，在本申请方案中，所述输入直波导1、输出直波导2、反馈波导回路4均为一个一体化的整体器件，为了描述方便，在这里输入直波导1被人为地定义为第一输入端10、第四直波导11、第二输入端12；输出直波导2被人为地定义为第一输出端20、第五直波导21、第六直波导22、第七直波导23以及第二输出端24；反馈波导回路4被人为地定义为第二左半圆反馈环波导40、第八直波导41、第三右半圆反馈环波导42；同样的，所述嵌套了MZI结构的微环谐振腔3也是作为一个一体化的整体器件。

在本实用新型申请方案中，还包括一个输入光栅垂直耦合器70和一个输出光栅垂直耦合器71，如图2所示为光栅垂直耦合器的结构示意图，图3所示为光栅垂直耦合器的剖面图，所述输入光栅垂直耦合器70的末端延伸出输入直波导1的第一输入端10，输出直波导2的第二输出端24延伸出输出光栅垂直耦合器71的始端。采用集成输入、输出光栅垂直耦合器的优点在于，相比其它耦合方式，光栅耦合器具有耦合效率高、制备封装成本低、无需芯片端面抛光、可以在任何地方实现信号输入输出等优点，它是目前纳米光波导最具潜力的耦合方法，而且它可以与传感芯片做出单片集成，结构紧凑。

所述嵌套了MZI结构的平行信道微环谐振腔3作为整个传感器件的主体部分，在传感器工作时，待分析物浓度的变化将改变波导包层的折射率，从而引起光波模式有效折射率的改变，并使光在环中的传输性质发生变化，该变化将引起总的响应频谱峰值位置的漂移。通过监测某一模式下峰值位置的漂移可以建立频移响应曲线，进而得到待测物的相关信息。所述双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器引入了一条反馈波导回路，将第一输出端通过反馈波导回路再次引入到平行信道微环谐振腔的输入直波导的第二输入端，光二次注入到整个器件中，由输出直波导的第二输出端输出。它将输入端口和输出端口分开，充分利用了平行信道微环谐振腔的四个端口，不仅增加了光与物质相互作用的有效长度，而且使得输入端口光源的强度噪声对最后输出端口的影响较小，同时也屏蔽了光输在入直波导两端面来回震荡所导致的F-P效应对最终输出光的影响，故而有效减小整个传感器的背景噪声。同时，其也将传感器的最佳工作点移至是输出功率最大值附近，因此信号功率较强，相应的信号噪声比（SNR）更大，更有利于探测。

其中，所述环形波导包括第一

左圆环340、第二半圆环341、第一

右圆环342，第一

左圆环340的两端分别延伸出第二直波导33的第二端和第二半圆环341的第一端，第一

右圆环342的两端分别延伸出第二半圆环341的第二端和第三直波导35的第一端，所述第一

左圆环340、第一

右圆环342的内径与第二半圆环341的外径相切；所述第一左圆环340和第一

右圆环342的内径为R2，第二半圆环341的外径为R3，其中所述R2和R3相等或者近似；所述第一左半圆反馈环30和第一右半圆反馈环32的半径为R1，所述R1大于R2、R3。所述第二左半圆反馈环波导的半径为R4，所述R4大于R1。所述第二右半圆反馈环波导的半径为R5，所述R5大于R1。

下面为了本领域技术人员能够理解并且实施本实用新型技术方案，将结合具体的工作过程对一种双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器作详细说明：

首先，激光器发出的光通过单模光纤经输入光栅垂直耦合器70耦合进传感器芯片的波导中，即进入输入直波导1中，并由输入直波导1的第一输入端10注入到传感芯片中，并向第二输入端12方向传播，经过第一方向耦合器60，通过倏逝波耦合，一部分光直接沿第二输入端12方向传播，经由反馈波导回路4向输出直波导2的第二输出端24方向传播，另一部分光则侧向耦合进入了嵌套了MZI结构的微环谐振腔3中，经第三方向耦合器62，通过倏逝波耦合，一部分光经过马赫曾德尔干涉部分（MZI）5的弯曲臂34向前传播，另一部分光经马赫曾德尔干涉部分（MZI）5的直臂22向前传播，在MZI部分第一次发生干涉，发生干涉后的光经过第二方向耦合器61，通过倏逝波耦合，再次进行功率分配，一部分光经反馈波导回路4引入到输入波导1的第二输入端12，再次进入嵌套了MZI结构的微环谐振腔3，同样又经历了微环谐振腔和MZI部分的干涉作用，由输出直波导2的第二输出端24输出，另一部分光则由嵌套了MZI结构的微环谐振腔3经第一方向耦合器60，通过倏逝波耦合，由输入直波导1的第二输入端12经反馈波导回路4向输出直波导2的第二输出端24方向传播并输出。经历了若干个以上过程后系统达到稳定状态。以上两部分光都是由输入直波导1的第一输入端10的光分束而来，因而频率相同，只是经过耦合器后对光的强度进行了分配，在光的传播过程中满足光的独立性原理，并且至少两次经历了嵌套了MZI结构的微环谐振腔干涉作用对光谱的筛选，它们经历的相位不同，在输出直波导2的第二输出端24形成干涉谱，最终在输出直波导的第二输出端24经由输出光栅垂直耦合器71将波导内的光通过单模光纤耦合输出。

马赫曾德尔干涉仪的输出谱是正弦函数的平方形式，它将形成一套干涉条纹，对马赫曾德尔干涉仪，当其两臂的光程差满足其中，所述n为外界环境物质的折射率,m为干涉级次，λ_MZI为入射光波长，ΔL=L₁-L₂=(π-2)·(R₂+R₃),所述L₁、L₂分别为马赫增德尔干涉仪结构的弯曲臂和直臂长度，R₂、R₃分别第一

左圆环、第一

右圆环半径和第二半圆环的半径,选择适当的干涉臂长度，使ΔL满足存在这样一系列整数干涉级次m，对应一系列相应的干涉相长的波长值λ_MZI。单一马赫曾德尔干涉仪输出的正弦平方谱的周期取决于干涉臂的长度差ΔL，从以上公式可以看出，(R₂+R₃)越大，其周期越小，也就是单一马赫曾德尔干涉仪的FSR越小，可以理解为马赫曾德尔干涉仪的光程差越大，其FSR越小，因此在满足环的弯曲损耗的条件下，宜选择较小尺寸的圆环作为马赫增德尔干涉仪结构的弯曲臂以实现大的FSR。

平行信道微环谐振腔的输出谱为等间距的梳状谱，环形腔的周长C满足以下谐振条件，n·C=m·λ_MRR，其中，所述n为外界环境物质的折射率,C为环形腔的周长，m为干涉级次，λ_MRR为入射光波长；由于环的谐振作用，只有当环形谐振腔的光程等于光波长的整数倍时，某些波长的光才能在环内得到增强。

由于游标效应，只有当某些特定波长的光波同时满足马赫增德尔干涉仪结构和环形谐振腔结构的谐振条件时，二者的谐振峰在那些波长处重叠，该波长得到加强，称为谐振波长，而其它相邻的谐振峰由于不重叠而强度减弱，受到抑制。因此，通过合理地选择嵌套了MZI结构的平行信道微环谐振腔1-2-3的尺寸和反馈波导回路4的长度，使其都满足干涉条件，得到较好的传输特性谱，选择谱图中在大的波长范围内只有一个谐振峰的情况作为传感的特征峰。

本实用新型一种双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器的具体的工作过程为：整个器件均与外界待监测环境物质相接触，当外界环境物质改变时，波导上包层感受到外界折射率的变化Δn，改变了光能量在光波导中的分布，从而引起波导内模式有效折射率的变化ΔN_eff，最终改变光经过该光波导的相位，其相位改变量为

而相位信息一般是不能直接探测得到的，需要转化为波长、振幅、偏振态来间接探测，在这里我们采用利用谐振来转化为探测波长漂移进行检测。当外界物质浓度改变时，波导内模式有效折射率的变化，表现为整个器件传输谱谐振峰的漂移，谐振波长的改变量Δλ与外界物质折射率的改变量Δn存在如下关系：Δλ/λ=ΔN_eff/N_eff=Δn/n，其中ΔN_eff为波导内模式的有效折射率，n为外界环境物质的折射率，λ为入射光波长；通过测量谐振波长的改变量Δλ即可测出外界物质折射率的改变量Δn，也就获得被测物质的折射率和浓度等信息，实现了传感检测。

在本实用新型申请方案中，所述波导均是采用微细加工的方法在SOI晶圆上刻蚀获得的。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器，其特征在于，包括一个平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构和一条反馈波导回路，所述平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构包括：一条输入直波导、一条输出直波导、一个嵌套了马赫曾德尔结构MZI的微环谐振腔，所述嵌套了MZI的微环谐振腔包括：第一直波导、第一左半圆反馈环波导、第一右半圆反馈环波导、第二直波导、环形波导以及第三直波导，所述反馈波导回路包括：第二左半圆反馈环波导、第八直波导、第二右半圆反馈环波导，所述第二直波导和第三直波导共线，所述输入直波导、输出直波导、第一直波导、第八直波导平行与第二直波导和第三直波导平行；输入直波导依次包括第一输入端、第四直波导、第二输入端；输出直波导依次包括第一输出端、第五直波导、第六直波导、第七直波导以及第二输出端；

2.如权利要求1所述的双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器，其特征在于，还包括一个输入光栅垂直耦合器和一个输出光栅垂直耦合器，所述输入光栅垂直耦合器的末端延伸出输入直波导的第一输入端，输出直波导的第二输出端延伸出输出光栅垂直耦合器的始端。

3.如权利要求1所述的双通平行信道微环嵌套马赫曾德尔结构的光学生化传感器，其特征在于，所述环形波导包括第一