一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，包括一條輸入直波導(dǎo)、第一右半圓環(huán)波導(dǎo)、第一直波導(dǎo)、第一左半圓環(huán)波導(dǎo)、第二直波導(dǎo)、第二右半圓環(huán)波導(dǎo)、第三直波導(dǎo)、第二左半圓環(huán)波導(dǎo)以及一條輸出直波導(dǎo)，所述輸入直波導(dǎo)、第一直波導(dǎo)、第二直波導(dǎo)、第三直波導(dǎo)以及輸出直波導(dǎo)相互平行。本實用新型通過采用一條螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的雙跑道型諧振腔，由于游標(biāo)效應(yīng)，使得二者的傳輸譜疊加，獲得具有寬自由光譜范圍和高靈敏度的諧振峰，通過測量這種具有高靈敏度的諧振峰的漂移，從而測得波導(dǎo)內(nèi)模式有效折射率的變化，進(jìn)一步獲得被測物質(zhì)折射率和濃度的信息。
【專利說明】一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光生化傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)生化傳感器已經(jīng)應(yīng)用于生化傳感器的諸多領(lǐng)域，成為當(dāng)今光學(xué)傳感器件的重要組成部分，并且被廣泛應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域。如何縮小光學(xué)生化傳感器件的結(jié)構(gòu)尺寸，實現(xiàn)大的探測范圍和高的傳感靈敏度是實現(xiàn)光學(xué)傳感器件小型化、實用化的關(guān)鍵技術(shù)問題。光學(xué)生化傳感器是一種把待測生化物質(zhì)所表達(dá)的信號轉(zhuǎn)換為電信號的物理或化學(xué)換能器，用現(xiàn)代微電子和自動化儀表技術(shù)進(jìn)行信號的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生化傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。生化傳感器通常是對氣體、液體、生物大分子等微流體進(jìn)行檢測，其原理在于待測樣本中生物化學(xué)分子會引起光學(xué)生化傳感器中光波傳輸性質(zhì)的改變，其表現(xiàn)為光學(xué)生化傳感器的倏逝場發(fā)生變化，也即將樣本中的生物化學(xué)分子濃度信號轉(zhuǎn)換為光信號變化，通過測量光場的變化量就可以知道待測物質(zhì)的信息。目前光學(xué)生化傳感器的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有馬赫曾德爾干涉型、光柵、以及法布里-珀羅(FP)腔、環(huán)形腔、表面等離子體共振等結(jié)構(gòu)。對基于光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)，如FP腔，環(huán)形腔等的光學(xué)生化傳感器而言，諧振效應(yīng)的引入可使光信號在光學(xué)諧振腔內(nèi)不斷諧振和放大，因此等效于光學(xué)生化傳感器探測長度的增力口，更能引起相位或強(qiáng)度等光信號變化到可探測的量值，進(jìn)而實現(xiàn)在小尺寸光學(xué)生化傳感器上達(dá)到較好的傳感性能，另外小尺寸的光學(xué)生化傳感器也便于光學(xué)生化傳感器系統(tǒng)的小型化與微型化，將有效地降低系統(tǒng)成本。
[0003]但是基于現(xiàn)有的單一螺旋結(jié)構(gòu)和微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，其自由光譜范圍小，可探測的動態(tài)范圍小，器件制作的難度大且難以實現(xiàn)器件小型化和便攜化，不利于對各種生物、化學(xué)成分進(jìn)行簡便操作。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的是為了克服現(xiàn)有單一螺旋結(jié)構(gòu)和微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)自由光譜范圍小、難以實現(xiàn)小型化輕便化的缺點而提供一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器。
[0005]本實用新型解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，包括一條輸入直波導(dǎo)、第一右半圓環(huán)波導(dǎo)、第一直波導(dǎo)、第一左半圓環(huán)波導(dǎo)、第二直波導(dǎo)、第二右半圓環(huán)波導(dǎo)、第三直波導(dǎo)、第二左半圓環(huán)波導(dǎo)以及一條輸出直波導(dǎo)，所述輸入直波導(dǎo)、第一直波導(dǎo)、第二直波導(dǎo)、第三直波導(dǎo)以及輸出直波導(dǎo)相互平行；所述第一右半圓環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出輸入直波導(dǎo)的第二端和第一直波導(dǎo)的第二端，所述第一左半圓環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第一直波導(dǎo)的第一端和第二直波導(dǎo)的第一端，所述第二右半圓環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第二直波導(dǎo)的第二端和第三直波導(dǎo)的第二端，所述第二左半圓環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第三直波導(dǎo)的第一端和輸出直波導(dǎo)的第一端，所述輸入直波導(dǎo)的第一端作為輸入端，所述輸出直波導(dǎo)的第二端作為輸出端；
[0006]所述第一直波導(dǎo)和第三直波導(dǎo)構(gòu)成第一方向f禹合器,所述第二直波導(dǎo)和輸出直波導(dǎo)構(gòu)成第二方向I禹合器，所述第一左半圓環(huán)波導(dǎo)、第一方向I禹合器、第二方向I禹合器以及第二右半圓環(huán)波導(dǎo)構(gòu)成內(nèi)環(huán)跑道型形諧振腔，所述第二右半圓環(huán)波導(dǎo)、第一方向耦合器、第二方向耦合器以及第二左半圓環(huán)波導(dǎo)構(gòu)成外環(huán)跑道型形諧振腔。
[0007]進(jìn)一步的，所述第一右半圓環(huán)波導(dǎo)的半徑為R1，第一左半圓環(huán)波導(dǎo)的半徑為R2，第二右半圓環(huán)波導(dǎo)的半徑為R3，第二左半圓環(huán)波導(dǎo)的半徑為R4，所述Rl < R2 < R3 < R4。
[0008]進(jìn)一步的，所述第一直波導(dǎo)的長度為Lcl，第二直波導(dǎo)的長度為Lc2，第三直波導(dǎo)的長度為Lc3，輸出直波導(dǎo)的長度為Lc4，所述Lcl < Lc2 < Lc3 < Lc4。
[0009]進(jìn)一步的，所述波導(dǎo)為無源脊形波導(dǎo)或條形波導(dǎo)。
[0010]本實用新型的有益效果:本實用新型一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器通過采用一條螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的雙跑道型諧振腔，由于游標(biāo)效應(yīng)，使得二者的傳輸譜疊加，獲得具有寬自由光譜范圍和高靈敏度的諧振峰，通過測量這種具有高靈敏度的諧振峰的漂移，從而測得波導(dǎo)內(nèi)模式有效折射率的變化，進(jìn)一步獲得被測物質(zhì)折射率和濃度的信息；另外，由于采用了波導(dǎo)的螺旋結(jié)構(gòu)，使得可以在達(dá)到相同傳感性能的條件下，大大減小光學(xué)生化傳感器的體積，有利于實現(xiàn)生化傳感器的微型化與片上傳感系統(tǒng)，因此，本實用新型與其他的生化傳感芯片相比，具有制作工藝標(biāo)準(zhǔn)化、價格低、體積小、便于集成化、傳感性能優(yōu)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本實用新型實施例的一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是本實用新型【背景技術(shù)】中單一耦合跑道型結(jié)構(gòu)的傳輸譜示意圖；
[0013]圖3是本實用新型實施例的一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的傳輸譜示意圖；
[0014]圖4是在不同NaCl溶液濃度下本實用新型實施例一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器對不同波長光波的響應(yīng)曲線圖；
[0015]其中:10_輸入直波導(dǎo)、11-第一右半圓環(huán)波導(dǎo)、12-第一直波導(dǎo)、13-第一左半圓環(huán)波導(dǎo)、14-第二直波導(dǎo)、15-第二右半圓環(huán)波導(dǎo)、16-第三直波導(dǎo)、17-第二左半圓環(huán)波導(dǎo)、18-輸出直波導(dǎo)、20-第一方向I禹合器、21-第二方向I禹合器、13-20-15-21內(nèi)環(huán)跑道型形諧振腔、15-20-17-21外環(huán)跑道型形諧振腔。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本實用新型作進(jìn)一步的闡述。
[0017]如圖1所示為本實用新型實施例的一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的結(jié)構(gòu)不意圖，包括一條輸入直波導(dǎo)10、第一右半圓環(huán)波導(dǎo)11、第一直波導(dǎo)12、第一左半圓環(huán)波導(dǎo)13、第二直波導(dǎo)14、第二右半圓環(huán)波導(dǎo)15、第三直波導(dǎo)16、第二左半圓環(huán)波導(dǎo)17以及一條輸出直波導(dǎo)18，所述輸入直波導(dǎo)10、第一直波導(dǎo)12、第二直波導(dǎo)14、第三直波導(dǎo)16以及輸出直波導(dǎo)18相互平行；所述第一右半圓環(huán)波導(dǎo)11的兩端分別延伸出輸入直波導(dǎo)10的第二端和第一直波導(dǎo)12的第二端,所述第一左半圓環(huán)波導(dǎo)13的兩端分別延伸出第一直波導(dǎo)12的第一端和第二直波導(dǎo)14的第一端，所述第二右半圓環(huán)波導(dǎo)15的兩端分別延伸出第二直波導(dǎo)14的第二端和第三直波導(dǎo)16的第二端，所述第二左半圓環(huán)波導(dǎo)17的兩端分別延伸出第三直波導(dǎo)16的第一端和輸出直波導(dǎo)18的第一端,所述輸入直波導(dǎo)10的第一端作為輸入端，所述輸出直波導(dǎo)18的第二端作為輸出端；
[0018]所述第一直波導(dǎo)12和第三直波導(dǎo)16構(gòu)成第一方向稱合器20,所述第二直波導(dǎo)14和輸出直波導(dǎo)18構(gòu)成第二方向f禹合器21,所述第一左半圓環(huán)波導(dǎo)13、第一方向f禹合器20、第二方向耦合器21以及第二右半圓環(huán)波導(dǎo)15構(gòu)成內(nèi)環(huán)跑道型形諧振腔，所述第二右半圓環(huán)波導(dǎo)15、第一方向f禹合器20、第二方向f禹合器21以及第二左半圓環(huán)波導(dǎo)17構(gòu)成外環(huán)跑道型形諧振腔。
[0019]其中，所述第一右半圓環(huán)波導(dǎo)11的半徑為Rl，第一左半圓環(huán)波導(dǎo)13的半徑為R2，第二右半圓環(huán)波導(dǎo)15的半徑為R3，第二左半圓環(huán)波導(dǎo)17的半徑為R4，所述Rl < R2 < R3< R4。所述第一直波導(dǎo)12的長度為Lcl，第二直波導(dǎo)14的長度為Lc2，第三直波導(dǎo)16的長度為Lc3，輸出直波導(dǎo)18的長度為Lc4，所述Lcl < Lc2 < Lc3 < Lc4。
[002 0]本實用新型一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，通過將兩個獨立的耦合間距和耦合長度聯(lián)系起來，實現(xiàn)對耦合系數(shù)的靈活控制，給復(fù)雜微腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更多的自由性，螺旋型傳感器能有效增加傳感器腔長，從而提高器件的品質(zhì)因子，并且易實現(xiàn)微型化；基于耦合微環(huán)結(jié)構(gòu)的螺旋跑道型干涉儀在增加光與物質(zhì)相互作用的區(qū)域的同時也增強(qiáng)了腔的諧振效應(yīng)，在實現(xiàn)大的探測范圍和高的靈敏度方面具有很大的優(yōu)勢。
[0021]為了本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解并且實施本實用新型技術(shù)方案，將結(jié)合具體的工作過程對一種跑道型干涉結(jié)構(gòu)的螺旋光學(xué)生化傳感器作詳細(xì)說明:
[0022]外部入射的光通過輸入直波導(dǎo)10注入到整個器件中，經(jīng)過第一方向耦合器20，通過消逝場耦合，部分光功率耦合進(jìn)入外環(huán)跑道型諧振腔，另一部分的光繼續(xù)在內(nèi)環(huán)跑道型諧振腔中傳輸，這兩支同頻率、不同初始相位的光在分別經(jīng)過內(nèi)環(huán)跑道型諧振腔和外環(huán)跑道型諧振腔后，由于所經(jīng)歷的光程不同，因而產(chǎn)生了干涉效應(yīng)，滿足干涉相長條件的光波得到了增強(qiáng)，不滿足干涉條件的光波受到抑制。在經(jīng)過第二方向耦合器21時，通過消逝場耦合，部分光功率耦合進(jìn)入輸出直波導(dǎo)18輸出，另一部分則繼續(xù)在諧振腔中傳輸，參與反饋，經(jīng)歷這樣一個或若干個完整的周期達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后在整個環(huán)形諧振腔中產(chǎn)生諧振效應(yīng)。
[0023]馬赫曾德爾干涉儀的輸出譜是正弦函數(shù)的平方形式，它將形成一套干涉條紋，對
馬赫曾德爾干涉儀，當(dāng)其兩臂的光程差滿足》.δ^ = 0? + |).α，其中，對于本實用新型中實
施例中有AL=L1-L^.(Lc3-Lc2) + 3i.(R4-R2), L1^L2分別為兩諧振腔外環(huán)和內(nèi)環(huán)的周長，Lc3、Lc2分別為第三直波導(dǎo)和第二直波導(dǎo)的長度，R2、R4分別為第一左半環(huán)和第二左半環(huán)的半徑，選擇適當(dāng)?shù)母缮姹坶L度，使得Λ L滿足存在這樣一系列整數(shù)干涉級次m，對應(yīng)一系列相應(yīng)的干涉相長的波長值λ。單一馬赫曾德爾干涉儀輸出的正弦平方譜的周期取決于干涉臂的長度差A(yù)L，從以上公式可以看出，2.(Lc3-Lc2) + ji.(R4-R2)越大，其周期越小，也就是單一馬赫曾德爾干涉儀的FSR越小，可以理解為馬赫曾德爾干涉儀的光程差越大，其FSR越小，因此在滿足環(huán)的彎曲損耗的條件下，宜選擇較小尺寸的圓環(huán)作為MZI的彎曲臂以實現(xiàn)大的自由光譜范圍。[0024]環(huán)形諧振腔的輸出譜為等間距的梳狀譜，環(huán)形腔的周長C滿足以下諧振條件，η.C=m.λ，由于環(huán)的諧振作用，只有當(dāng)環(huán)形諧振腔的光程等于光波長的整數(shù)倍時，某些波長的光才能得到增強(qiáng)而耦合輸出。由于雙跑道型諧振腔的游標(biāo)效應(yīng)，只有當(dāng)某些特定波長的光波同時滿足二者的諧振條件時，二者的諧振峰在那些波長處重疊。如圖2所示為單一耦合跑道型結(jié)構(gòu)的傳輸譜示意圖，當(dāng)內(nèi)環(huán)跑道型諧振腔諧振波長與外環(huán)跑道型諧振腔諧振波長重合時，該波長處諧振得到加強(qiáng)，且重合越完整，諧振越劇烈，如圖3所示為本實用新型實施例的一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的傳輸譜示意圖，而其它相鄰的諧振峰由于不重疊而強(qiáng)度減弱，受到抑制。整個器件均與外界待監(jiān)測環(huán)境物質(zhì)相接觸，當(dāng)外界環(huán)境物質(zhì)改變時，波導(dǎo)上包層感受到外界折射率的變化(△!!)，改變了光能量在光波導(dǎo)中的分布，從而引起波導(dǎo)內(nèi)模式有效折射率的變化(△&?)。最終改變光經(jīng)過該光波導(dǎo)的
相位，其相位改變量為
【權(quán)利要求】
1.一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，包括一條輸入直波導(dǎo)、第一右半圓環(huán)波導(dǎo)、第一直波導(dǎo)、第一左半圓環(huán)波導(dǎo)、第二直波導(dǎo)、第二右半圓環(huán)波導(dǎo)、第三直波導(dǎo)、第二左半圓環(huán)波導(dǎo)以及一條輸出直波導(dǎo)，所述輸入直波導(dǎo)、第一直波導(dǎo)、第二直波導(dǎo)、第三直波導(dǎo)以及輸出直波導(dǎo)相互平行；所述第一右半圓環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出輸入直波導(dǎo)的第二端和第一直波導(dǎo)的第二端，所述第一左半圓環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第一直波導(dǎo)的第一端和第二直波導(dǎo)的第一端，所述第二右半圓環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第二直波導(dǎo)的第二端和第三直波導(dǎo)的第二端，所述第二左半圓環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第三直波導(dǎo)的第一端和輸出直波導(dǎo)的第一端，所述輸入直波導(dǎo)的第一端作為輸入端，所述輸出直波導(dǎo)的第二端作為輸出端； 所述第一直波導(dǎo)和第三直波導(dǎo)構(gòu)成第一方向I禹合器，所述第二直波導(dǎo)和輸出直波導(dǎo)構(gòu)成第二方向I禹合器，所述第一左半圓環(huán)波導(dǎo)、第一方向I禹合器、第二方向I禹合器以及第二右半圓環(huán)波導(dǎo)構(gòu)成內(nèi)環(huán)跑道型諧振腔，所述第二右半圓環(huán)波導(dǎo)、第一方向耦合器、第二方向耦合器以及第二左半圓環(huán)波導(dǎo)構(gòu)成外環(huán)跑道型諧振腔。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，所述第一右半圓環(huán)波導(dǎo)的半徑為R1，第一左半圓環(huán)波導(dǎo)的半徑為R2，第二右半圓環(huán)波導(dǎo)的半徑為R3，第二左半圓環(huán)波導(dǎo)的半徑為R4，所述Rl < R2 < R3 < R4。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，所述第一直波導(dǎo)的長度為Lcl,第二直波導(dǎo)的長度為Lc2,第三直波導(dǎo)的長度為Lc3,輸出直波導(dǎo)的長度為Lc4，所述Lcl < Lc2 < Lc3 < Lc4。
4.如權(quán)利要求1至3任一項所述的一種基于螺旋跑道型干涉結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，所述波導(dǎo)為無源脊形波導(dǎo)或條形波導(dǎo)。
【文檔編號】G01N21/45GK203465194SQ201320587889
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】王卓然, 袁國慧, 王軍, 姚佳 申請人:電子科技大學(xué)