CN204330588U - 基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器，包括宽带光源、环形器、探测器、光学谐振腔和反射型偏振转换器；环形器的第一端口与宽带光源连接，第二端口与光学谐振腔输入端连接，第三端口与探测器连接；光学谐振腔的输出端与反射型偏振转换器相连接；光学谐振腔内有特异性吸附功能的生物表面膜。本实用新型利用由于被测液体中的待检测成分被生物表面膜吸附后，引起两种偏振态的光在光学谐振腔内的有效折射率变化不同，导致两种偏振态的谐振峰移动不同，从而产生游标效应，放大了传感器透射谱包络的移动，并将其转换为输出功率的变化，降低了传感器的制作成本的同时，大大消除了温度敏感性。

Description

基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光学生物传感器，尤其涉及一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器。

背景技术

光学传感器是生物医学诊断，环境监测和食品安全等领域非常有前景的检测工具。光学传感器有很多优点：抗电磁干扰性强，无标记检测和易于制备光电子集成芯片。基于绝缘硅（SOI）倏逝波传感器，以其高灵敏度，集成度高和与CMOS工艺兼容等特点，备受国内外研究者的关注。满足谐振条件的光波将被耦合到光学谐振腔内，光波以倏逝波的形式在被测液体内指数衰减。当被测液体发生变化时，光学谐振腔的谐振条件也随之发生变化，通过测量谐振波长移动或者在谐振波长附近固定波长的光能量变化得到被测物质的变化。如何能够提高传感器灵敏度是科研工作者一直关注的问题。高Q值的光学谐振腔虽然能够提高光学生物传感器的灵敏度，但是需要高分辨率的光谱仪或者窄线宽的可调谐激光器，这都增大了光学生物传感器的成本。

利用双谐振腔级联产生游标效应的光学传感器，无需高分辨率的光谱仪或者窄线宽的激光器，可以在提高传感器灵敏度的同时，大大降低传感器的成本。此种传感器灵敏度被放大的倍率与两个光学谐振腔（传感腔和参考腔）自由光谱范围（FSR）之差成反比，所以构造相等的两个光学谐振腔可以获得最大的灵敏度。然而因为传感腔上包层是被测液体，参考腔上包层是固定的低折射率材料，加上光刻和刻蚀等制作工艺的误差，在实际应用中难以制备具有完全相同FSR的两个光学谐振腔，最终灵敏度大大受到影响；此外，因为传感环与参考环的上包层材料不同，热膨胀系数不同，因此很难消除温度对传感器特性的影响。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器，使用光学谐振腔和反射型偏振转换器相结合，利用两种偏振态下光学谐振腔有效折射率变化的不同，形成游标效应，将光谱检测信息转变为透射总输出功率的变化，从而大大降低光学传感器的制作成本；同时，参考光学谐振腔和传感光学谐振腔为同一个谐振腔，解决了两个具有相同FSR的光学谐振腔制作困难的问题，还可以大大消除温度对传感器的影响。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器，包括宽带光源、环形器、探测器、光学谐振腔和反射型偏振转换器；所述环形器的第一端口与宽带光源连接；所述环形器的第二端口与光学谐振腔的输入端连接；所述环形器的第三端口与探测器连接；所述光学谐振腔的输出端与反射型偏振转换器相连接；所述光学谐振腔内波导芯层表面有特异性吸附功能的生物表面膜；所述光学谐振腔的生物表面膜与被测液体接触；所述反射型偏振转换器包括偏振转换器和反射镜。

进一步地，所述光学谐振腔为法布里泊罗腔、或者环形谐振腔。

进一步地，所述光学谐振腔采用平面集成光波导，或者分立光学元件，或者光纤构成。

本实用新型具有的有益效果是：本实用新型使用输入光源为宽带光源，降低传感器成本；光学谐振腔可采用集成光波导器件，使传感器体积更小，更加便携，易于实现高通量、多参数测量；利用仿生分子修饰技术，在光学谐振腔内修饰有特异性吸附功能的生物表面膜使传感器具有特异性检测功能；利用两种偏振态光的有效折射率随被测物质改变时变化不同，仅用单个光学谐振腔就可以形成游标效应，提高传感器集成度的同时，降低了使用成本；不存在参考谐振腔和传感谐振腔上包层材料热膨胀系数不同，而导致的温度敏感特性；通过调整生物分子修饰膜厚度，非常方便地实现TE和TM模式下两个谐振腔的有效折射率相同，从而显著提高传感器的灵敏度。

附图说明

图1为一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器示意图；

图2为光学生物传感器中光学谐振腔的端面示意图；

图3为宽带光源的输出光谱曲线示意图；

图4为TE和TM模式下波导有效折射率随生物表面膜厚度变化曲线示意图；

图5为被测物质发生吸附前后传感器总输出光谱示意图；

图6为探测器接收到光功率和生物表面膜厚度变化关系示意图；

图中，宽带光源1、环形器2、探测器3、光学谐振腔4、反射型偏振转换器5、环形器2的第一端口21、环形器2的第二端口22、光学谐振腔4的输入端41、环形器2的第三端口23、光学谐振腔4的输出端42、偏振转换器51、反射镜52、光学谐振腔4内波导芯层81、生物表面膜6、被测液体7、波导芯层的下包层82。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例

如图1所示，本实用新型一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的光学生物传感器，包括宽带光源1、环形器2、探测器3、光学谐振腔4和反射型偏振转换器5；环形器2的第一端口21与宽带光源1连接；所述环形器2的第二端口22与光学谐振腔4的输入端41连接；所述环形器2的第三端口23与探测器3连接；所述光学谐振腔4的输出端42与反射型偏振转换器5相连接；所述反射型偏振转换器5包括偏振转换器51和反射镜52。

如图2所示，所述光学谐振腔4内波导芯层81表面有特异性吸附功能的生物表面膜6；所述光学谐振腔的生物表面膜6与被测液体7接触；波导芯层的下包层82为低折射率材料。

宽带光源1发出的光通过环形器2的第一个端口21，从环形器2的第二个端口22进入光学谐振腔4，一种偏振模式的光与生物表面膜6作用后，被反射型偏振转换器5反射后再次进入光学谐振腔4，另外一种偏振模式的光与生物表面膜6再次作用，最后从环形器2的第三个端口23输出到探测器3中。

如图3所示，所述宽带光源1的输出光谱，中心波长在1555nm附近。本实例中选择平面集成光波导中的环形谐振腔作为传感器的光学谐振腔。设计选择SOI（silicon-on-insulator）材料，波导芯层81高度250nm，宽度240m，芯层折射率3.48，下包层82折射率1.444，生物表面膜6的折射率1.52，待测液体的折射率1.33，环形谐振腔的半径为13μm。偏振转换器51采用磁光晶体材料制作而成。TE和TM模式分别表示电场的振动方向平行和垂直于生物表面膜6与波导芯层81的交界面。

如图4所示，运用仿生分子修饰技术调节生物表面膜6的厚度，当厚度在27nm时（初始状态），TE和TM具有相同的有效折射率。两个偏振模式下的光学谐振腔透射谱重合，因为探测器3接收到的光功率是对整个出射光谱曲线的积分，故此时达到最大的光功率值，出射光谱曲线如图5中实线所示；当被测液体7中的待测物质被生物表面膜6吸附后，生物表面膜6的厚度增加，对于TE模式的有效折射率变化缓慢，对于TM模式的有效折射率变化非常大，导致TE和TM的有效折射率有差异，两个偏振模式下的光学谐振腔出射光谱曲线不重合，此时探测器3接收到的光功率降低，出射光谱曲线如图5中虚线所示。所以可以通过测量整个光谱内的总光功率变化探测生物表面膜厚度的变化，从而得知被测液体7中待测物质成分的含量，如图6所示。此实例中最高灵敏度达0.5dB/nm, 如果最小可测得的功率变化为0.01dB，生物表面膜探测的最小变化厚度为2.0×10^-2nm。

上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制。在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器，其特征在于，包括宽带光源（1）、环形器（2）、探测器（3）、光学谐振腔（4）和反射型偏振转换器（5）；所述环形器（2）的第一端口（21）与宽带光源（1）连接；所述环形器（2）的第二端口（22）与光学谐振腔（4）的输入端（41）连接；所述环形器（2）的第三端口（23）与探测器（3）连接；所述光学谐振腔（4）的输出端（42）与反射型偏振转换器（5）相连接；所述光学谐振腔（4）内波导芯层（81）表面具有特异性吸附功能的生物表面膜（6）；所述光学谐振腔的生物表面膜（6）与被测液体（7）接触；所述反射型偏振转换器（5）包括偏振转换器（51）和反射镜（52）。

2.根据权利要求1所述一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器，其特征在于，所述光学谐振腔（4）为法布里泊罗腔或者环形谐振腔。

3.根据权利要求1所述一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器，其特征在于，所述光学谐振腔（4）采用平面集成光波导，或者分立光学元件，或者光纤构成。