專利名稱：基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
生物和化學(xué)傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國(guó)防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中。光學(xué)傳感器是傳感技術(shù)的重要組成部分，其基本原理是被測(cè)物質(zhì)與光場(chǎng)相互作用，從而使光場(chǎng)的某些參量(如波長(zhǎng)、相位、偏振、光強(qiáng)等)發(fā)生變化。集成光波導(dǎo)傳感器具有抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境(如高溫、核輻射等)、選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)快、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)、生物工程、食品工業(yè)、環(huán)境污染等領(lǐng)域展現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景。集成光波導(dǎo)傳感器通常采用干涉或者諧振等原理。采用諧振原 理的集成光波導(dǎo)傳感器具有靈敏度高，能耗低，易于集成等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地研究?；谥C振原理的集成光波導(dǎo)傳感器，為了獲得高的靈敏度和低的探測(cè)極限，通常要求微腔的Q很高(-106)。這使得傳感器的制備對(duì)工藝的要求很苛刻。基于諧振原理的集成光波導(dǎo)傳感器通常還需要高靈敏度的光譜儀或者穩(wěn)定性高、帶寬窄的激光光源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏度、集成度高的傳感系統(tǒng)，具有降低了光傳感系統(tǒng)的成本、靈敏度很高、探測(cè)極限小和降低了工藝要求的優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，包括一光源；—第一 3dB光分束器,其輸入端與光源連接,用于光的分束；—第一光功率計(jì)，其輸入端與第一 3dB光分束器的第一輸出端連接；—傳感芯片，其輸入端與第一 3dB光分束器的第二輸出端連接；—第二光功率計(jì)，其輸入端與傳感芯片的輸出端連接；一處理器，其輸入端與第一光功率計(jì)和第二光功率計(jì)的輸出端連接，用于對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I.本發(fā)明設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制備方便、與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝兼容、易于集成。2.本發(fā)明不需要光譜儀、激光器等昂貴設(shè)備，從而極大的降低了光傳感系統(tǒng)的成本。3.本發(fā)明的靈敏度很高，探測(cè)極限小。4.本發(fā)明對(duì)微腔Q因子等因素的要求很低，降低了工藝要求。5.本發(fā)明的傳感特性對(duì)光源的強(qiáng)度、3dB帶寬等因素不敏感，降低了光源的要求。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中圖I是結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖I (a)是基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖1(b)是傳感芯片的結(jié)構(gòu)示意 圖2是光譜圖，其中
圖2 (a)是入射光源的光譜圖；圖2 (b)是進(jìn)入第一光功率計(jì)的光束的光譜圖；圖2(c)是當(dāng)被測(cè)物質(zhì)為純凈的去離子水(折射率為I. 33)時(shí)，進(jìn)入第二光功率計(jì)的光束的光譜圖；圖3是當(dāng)樣品槽內(nèi)折射率變化為10_2，進(jìn)入第二光功率計(jì)的光束的光譜圖；圖4是參考微腔下載光束在λ = I. 55 μ m附近的歸一化光譜分布圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖I所示，本發(fā)明提供一種基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，包括一光源 I ;—第一 3dB光分束器2,其輸入端與光源I連接,用于光的分束；—第一光功率計(jì)3,其輸入端與第一 3dB光分束器2的第一輸出端21連接；—傳感芯片4,其輸入端與第一 3dB光分束器2的第二輸出端22連接；—第二光功率計(jì)5,其輸入端與傳感芯片4的輸出端連接；—處理器6,其輸入端與第一光功率計(jì)3和第二光功率計(jì)5的輸出端連接,用于對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析。第一 3dB光分束器2的輸入端通過(guò)光纖與光源I相連接，第一 3dB光分束器2的第一輸出端21通過(guò)光纖與第一光功率計(jì)3相連接,第一 3dB光分束器2的第二輸出端22通過(guò)光纖與傳感芯片4的輸入端相連接。傳感芯片4的輸出端通過(guò)光纖與第二光功率計(jì)5相連接，第二光功率計(jì)5和第一光功率計(jì)3記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入處理器6后，進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)的處理分析。其中第一 3dB光分束器2是光纖3dB光分束器或光波導(dǎo)3dB光分束器。其中一傳感芯片4包括一第二 3dB光分束器10、一 2X1光合束器40、一傳感微腔20、一參考微腔30和一樣品槽50。其中，第二 3dB光分束器10的輸入波導(dǎo)11為傳感芯片4的輸入端；2X I光合束器40的光輸出波導(dǎo)43為傳感芯片4的輸出端；第二 3dB光分束器10和2 X I光合束器40可以是Y型、麗I型或者定向耦合型；傳感微腔20的一側(cè)與第二 3dB光分束器10的第一輸出波導(dǎo)12耦合，該傳感微腔20的另一側(cè)與2X I光合束器40的第一光輸入波導(dǎo)41稱合,其稱合方式為橫向稱合或者垂直稱合；參考微腔30的一側(cè)與第二 3dB光分束器10的第二輸出波導(dǎo)13耦合，該參考微腔30的另一側(cè)與2X I光合束器40的第二光輸入波導(dǎo)42耦合，其耦合方式為橫向耦合或者垂直耦合，該參考微腔30與上述傳感微腔20的自由頻譜寬不同；參考微腔30與傳感微腔20是微環(huán)、微盤、微球或光子晶體微腔；樣品槽50用于容置傳感微腔20。其中用于制作該傳感芯片的材料是SOI、有機(jī)物或者硅基二氧化硅。光源I發(fā)出的光經(jīng)過(guò)第一 3dB光分束器2分束后，分別進(jìn)入第一光功率計(jì)3和傳感芯片4。進(jìn)入傳感芯片4的光，由傳感芯片4處理且與被測(cè)物質(zhì)相互作用后進(jìn)入第二光功率計(jì)5。進(jìn)入第一光功率計(jì)3和第二光功率計(jì)5的光，分別經(jīng)第一光功率計(jì)3和第二光功率計(jì)5測(cè)量后得到參考信號(hào)和探測(cè)信號(hào)。參考信號(hào)和探測(cè)信號(hào)由處理器6處理得到最終的傳感信號(hào)。入射光由第二 3dB光分束器10的輸入波導(dǎo)11進(jìn)入傳感芯片4。進(jìn)入傳感芯片4的光由第二 3dB光分束器10分束后分別與 傳感微腔20和參考微腔30相耦合。耦合進(jìn)入傳感微腔20和參考微腔30的光分別耦合進(jìn)入2X1光合束器40的第一光輸入波導(dǎo)41和
2X I光合束器40的第二光輸入波導(dǎo)42，兩束光經(jīng)2 X I光合束器40干涉后由2 X I光合束器40的光輸出波導(dǎo)43輸出。光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)第一 3dB光分束器10分束后，分別進(jìn)入第一光功率計(jì)3和傳感芯片4。則，進(jìn)入第一光功率計(jì)3的光束和傳感芯片4的光束分別表示為Er = E01 == 二^其中，E0為入射光的電場(chǎng)強(qiáng)度。第二 3dB光分束器10的輸入波導(dǎo)處的電場(chǎng)Etl2經(jīng)過(guò)第二 3dB光分束器10分束后,第二 3dB光分束器10的第一輸出波導(dǎo)12處的電場(chǎng)E11和第二 3dB光分束器10的第二輸出波導(dǎo)13處的電場(chǎng)E12分別為E11 == ^E12 ==—第二 3dB光分束器10的第一輸出波導(dǎo)12處的電場(chǎng)E11和第二 3dB光分束器10的第二輸出波導(dǎo)13處的電場(chǎng)E12分別經(jīng)過(guò)傳感微腔20和參考微腔30后，2 X I光合束器40的第一光輸入波導(dǎo)41處的電場(chǎng)E21和2 X I光合束器40的第二光輸入波導(dǎo)42處的電場(chǎng)E22分別為
υ..λ:Τ-,
- · - ~ 5"P — E^ (■ ~_) ■■* 2
21 2 1-τ^τ2ΑΓΘ<>ω ⑴ Tl)
:T2 ,E — ^'0 ,, (-kik2Ase' - ) /2
Ζ 2 IAse ^0j〔λ) 丁2,丨其中A1和k2分別是微腔與第二 3dB分束器10和2X I光合束器40的耦合因子。τ :和τ2分別是微腔與第二 3dB分束器10和2X I光合束器40的傳輸因子。式中，As和
Ar分別為光在傳感微腔20和參考微腔30內(nèi)的傳輸損耗。在波長(zhǎng)λ處，2X1光合束器40的光輸出波導(dǎo)43處的光強(qiáng)Is(A)為IsO) = (E21+E22) * ((Ε21+Ε22)*)若入射光的光譜分布為& ( λ )，則進(jìn)入第一光功率計(jì)3和第二光功率計(jì)5的光強(qiáng)分別為Is =J^ccJc(A) * I, (λ)]αλIr = Jo ；fc (λ) — Ir(A)]dl = Jc If0(A) — ；Er(A) * Ε;〔λ)])αλ最終的傳感信號(hào)為S = Is/Ir下面通過(guò)一個(gè)實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提供的基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)例參照?qǐng)D1(a)，本發(fā)明是一種基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，包括一光源I、一第一 3dB光分束器2、一第一光功率計(jì)3、一第二光功率計(jì)5、一處理器6和一傳感芯片4。參照?qǐng)DI (b)，傳感芯片4包括一第二 3dB光分束器10、一 2X I光合束器40、一傳感微腔20、一參考微腔30和一樣品槽50。以SOI材料為例，波導(dǎo)截面尺寸為220nmX500nm，參考微環(huán)30的半徑為150 μ m， 傳感微環(huán)20的半徑為149. 13 μ m。參照?qǐng)D2，當(dāng)被測(cè)物質(zhì)為純凈的去離子水(折射率為I. 33)時(shí)，由于參考微腔30與傳感微腔20的結(jié)構(gòu)、有效折射率略有差別，故傳感微腔20與參考微腔30的自由光譜寬不相等。為了降低傳感系統(tǒng)的成本，選擇寬帶光源為入射光源。本發(fā)明，光源I以3dB帶寬為IOnm的LED為例。圖2 (a)是光源I的光譜圖。圖2 (b)是進(jìn)入第一光功率計(jì)3的光束的光譜圖。參照?qǐng)D2(c)為進(jìn)入第二光功率計(jì)5的光束的光譜圖，最終的傳感信號(hào)為2. 745dB。參照?qǐng)D3，當(dāng)樣品槽內(nèi)折射率變化為10_2時(shí)，傳感微腔20的有效折射率發(fā)生改變，引起傳感光束諧振波長(zhǎng)、相位等因素的變化。圖3為進(jìn)入第二光功率計(jì)5的光束的光譜圖。當(dāng)樣品槽50內(nèi)折射率變化為10-2時(shí)，最終的傳感信號(hào)由2. 252dB變?yōu)?. 343dB。故本發(fā)明的靈敏度為209. ldB/RIU。若功率計(jì)的相對(duì)測(cè)量精度為O. OldB，則本發(fā)明的探測(cè)極限為 4. 782 X IO-5RIU0由于傳感信號(hào)為進(jìn)入第一光功率計(jì)3的光強(qiáng)和第二光功率計(jì)5的光強(qiáng)的比值,從而光源I的強(qiáng)度漲落對(duì)傳感信號(hào)影響很小。當(dāng)光源I的3dB帶寬由5nm變?yōu)?5nm時(shí),本發(fā)明的靈敏度僅由207. 7dB/RIU變?yōu)?10. OdB/RIU。從而，光源強(qiáng)度的漲落、3dB帶寬等因素對(duì)本發(fā)明的傳感性能影響很小。參照?qǐng)D4，參考微腔30下載光束在λ = 1.55μπι附近的歸一化光譜分布圖，可得Q因子約為3. 3Χ 103。上述結(jié)果是在傳感微腔20和參考微腔30損耗很大、Q因子很低的情況下取得的，因此本發(fā)明對(duì)微腔損耗、Q因子等要求低，從而降低了對(duì)工藝的要求。以上所述的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，包括 一光源; 一第一 3dB光分束器,其輸入端與光源連接,用于光的分束； 一第一光功率計(jì)，其輸入端與第一 3dB光分束器的第一輸出端連接； 一傳感芯片，其輸入端與第一 3dB光分束器的第二輸出端連接； 一第二光功率計(jì)，其輸入端與傳感芯片的輸出端連接； 一處理器，其輸入端與第一光功率計(jì)和第二光功率計(jì)的輸出端連接，用于對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，其中傳感芯片包括 一第二 3dB光分束器,包括一輸入波導(dǎo)、一第一輸出波導(dǎo)和一第二輸出波導(dǎo)； 一傳感微腔，其一側(cè)與第二 3dB光分束器的第一輸出波導(dǎo)耦合； 一參考微腔，其一側(cè)與第二 3dB光分束器的第二輸出波導(dǎo)稱合； —2X1光合束器,包括一第一光輸入波導(dǎo)、一第二光輸入波導(dǎo)和一光輸出波導(dǎo)，所述2X1光合束器的第一光輸入波導(dǎo)與傳感微腔的另一側(cè)耦合，第二光輸入波導(dǎo)與參考微腔的另一側(cè)耦合； 一樣品槽，用于容置傳感微腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，其中第一3dB光分束器是光纖3dB光分束器或光波導(dǎo)3dB光分束器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，其中第二3dB光分束器和2X I光合束器是Y分支型、多模干涉型或者定向耦合型。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，其中傳感微腔和參考微腔是微環(huán)、微盤、微球或光子晶體微腔。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，其中傳感微腔與第二3dB光分束器的第一輸出波導(dǎo)的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式為橫向耦合或者垂直耦合。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，其中傳感微腔與2X1光合束器的第一光輸入波導(dǎo)的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式為橫向耦合或者垂直耦合ο
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，其中參考微腔與第二3dB光分束器的第二輸出波導(dǎo)的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式為橫向耦合或者垂直耦合。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，其中參考微腔與2X1光合束器的第二光輸入波導(dǎo)的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式為橫向耦合或者垂直耦合 ο
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，其中用于制作該傳感芯片的材料是SOI、有機(jī)物或者硅基二氧化硅。
全文摘要
一種基于光強(qiáng)探測(cè)的高靈敏度傳感系統(tǒng)，包括一光源；一第一3dB光分束器，其輸入端與光源連接，用于光的分束；一第一光功率計(jì)，其輸入端與第一3dB光分束器的第一輸出端連接；一傳感芯片，其輸入端與第一3dB光分束器的第二輸出端連接；一第二光功率計(jì)，其輸入端與傳感芯片的輸出端連接；一處理器，其輸入端與第一光功率計(jì)和第二光功率計(jì)的輸出端連接，用于對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析。具有降低了光傳感系統(tǒng)的成本、靈敏度很高、探測(cè)極限小和降低了工藝要求的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/32GK102636200SQ20121005267
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者吳遠(yuǎn)大, 安俊明, 張家順, 張曉光, 李建光, 王玥, 王紅杰, 胡雄偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所