本實(shí)用新型屬于光學(xué)傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器。

背景技術(shù)：

光學(xué)生化傳感技術(shù)在重大疾病檢測(cè)、新型藥物創(chuàng)制、環(huán)境安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器基于光學(xué)波導(dǎo)微結(jié)構(gòu)感知單元，利用待測(cè)物質(zhì)與光波相互作用，從而使光波的某些物理參量，如波長(zhǎng)、強(qiáng)度、相位、偏振等，發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)這些物理參量的測(cè)量來(lái)獲得待測(cè)物質(zhì)的濃度、類(lèi)別等信息，具有所需樣品量少、體積小、能耗低等優(yōu)勢(shì)，因而受到極大關(guān)注?；诓▽?dǎo)光柵、波導(dǎo)楊氏干涉結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)微環(huán)等結(jié)構(gòu)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器相繼報(bào)道。

在先技術(shù)[1](M.Mendez-Astudillo,H.Takahisa,H.Okayama and H.Nakajima.“Optical refractive index biosensor using evanescently coupled lateral Bragg gratings on silicon-on-insulator,”Japanese Journal of Applied Physics,2016,Vol.55,No.8S3,pp.08RE09)中，采用側(cè)邊刻蝕的布拉格波導(dǎo)光柵為傳感單元，利用波導(dǎo)光柵的布拉格波長(zhǎng)隨上包層折射率改變的漂移特性來(lái)進(jìn)行傳感檢測(cè)。雖然該傳感器結(jié)構(gòu)較為緊湊，但是其傳感靈敏度較低。

在先技術(shù)[2](D.Hradetzky,C.Mueller and H.Reinecke.“Interferometric label-free biomolecular detection system,”Journal of Optics A:Pure and Applied Optics,2006,Vol.8,No.7,pp.S360–S364)中，采用波導(dǎo)耦合光柵和雙直波導(dǎo)構(gòu)成楊氏干涉結(jié)構(gòu)作為傳感單元，利用楊氏干涉條紋的變化來(lái)獲知待測(cè)樣品折射率的改變量。該傳感器系統(tǒng)采用體光學(xué)器件來(lái)分光，分別經(jīng)波導(dǎo)耦合光柵耦合進(jìn)入、出雙直波導(dǎo)，需要精確的對(duì)準(zhǔn)，因此系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

在先技術(shù)[3](S.-Y.Cho and D.K.Borah.“Chip-scale hybrid optical sensing systems using digital signal processing,”O(jiān)ptics Express,2009,Vol.17,No.1,pp.150-155)中，采用集成波導(dǎo)微環(huán)作為傳感單元，基于寬帶光源、陣列波導(dǎo)光柵和陣列式光電探測(cè)器構(gòu)成傳感解調(diào)系統(tǒng)。雖然波導(dǎo)微環(huán)具有較高的品質(zhì)因子，但是陣列波導(dǎo)光柵有限的光譜分辨能力限制了傳感器的性能，并且增加了系統(tǒng)的難度和復(fù)雜性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)上述集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器存在傳感靈敏度低、體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案：

一種基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器，該集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器包括梯形波導(dǎo)1、多模波導(dǎo)1、梯形波導(dǎo)2、梯形波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)1、S型彎曲波導(dǎo)2、直波導(dǎo)1、直波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)5、多模波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)6，梯形波導(dǎo)1和多模波導(dǎo)1連接，梯形波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)1、直波導(dǎo)1、S型彎曲波導(dǎo)3和梯形波導(dǎo)4依次連接，梯形波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)2、直波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)4和梯形波導(dǎo)5依次連接，梯形波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)3分別與多模波導(dǎo)1連接，梯形波導(dǎo)4和梯形波導(dǎo)5分別與多模波導(dǎo)2連接，多模波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)6連接，上述波導(dǎo)均為矩形波導(dǎo)，整體連接為環(huán)形。

所述的梯形波導(dǎo)1、梯形波導(dǎo)2、梯形波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)1、S型彎曲波導(dǎo)2、直波導(dǎo)1、直波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)5和梯形波導(dǎo)6均為單模波導(dǎo)。

所述的S型彎曲波導(dǎo)1、S型彎曲波導(dǎo)2、直波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)3和S型彎曲波導(dǎo)4的寬度相同；

所述的S型彎曲波導(dǎo)1和S型彎曲波導(dǎo)2的長(zhǎng)度不同；

所述的S型彎曲波導(dǎo)3和S型彎曲波導(dǎo)4的長(zhǎng)度不同；

所述的直波導(dǎo)1和直波導(dǎo)2的長(zhǎng)度相同，寬度不同。

所述的梯形波導(dǎo)1、多模波導(dǎo)1、梯形波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)3構(gòu)成光分路結(jié)構(gòu)；

所述的梯形波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)5、多模波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)6構(gòu)成光合路結(jié)構(gòu)；所述的梯形波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)1、直波導(dǎo)1、S型彎曲波導(dǎo)3和梯形波導(dǎo)4構(gòu)成上支路；梯形波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)2、直波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)4與梯形波導(dǎo)5構(gòu)成下支路。光波在上支路與下支路中傳播產(chǎn)生相位差，該相位差與光波波長(zhǎng)是非線性關(guān)系。當(dāng)該相位差發(fā)生改變時(shí)，引起輸出干涉光波功率譜的急劇分裂，光譜中干涉極值的波長(zhǎng)發(fā)生分離，傳感器具有極高的傳感靈敏度。

一種用基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器的方法，按照以下步驟進(jìn)行傳感檢測(cè)：

具有一定光譜寬度的光波經(jīng)梯形波導(dǎo)1進(jìn)入多模波導(dǎo)1，分成兩路分別由梯形波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)3輸出，進(jìn)入上支路和下支路；光波在上支路與下支路中傳播，倏逝波與波導(dǎo)上包層的待測(cè)溶液發(fā)生相互作用；

因上支路與下支路的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，包括S型彎曲波導(dǎo)1和S型彎曲波導(dǎo)2的長(zhǎng)度不同、直波導(dǎo)1和直波導(dǎo)2的寬度不同、S型彎曲波導(dǎo)3和S型彎曲波導(dǎo)4的長(zhǎng)度不同，光波在上支路與下支路中傳播產(chǎn)生相位差表示為

其中為上支路與下支路中直波導(dǎo)的相位差，為上支路與下支路中S型彎曲波導(dǎo)的相位差

其中L_arm為直波導(dǎo)1和直波導(dǎo)2的長(zhǎng)度，n_eff1(λ)為直波導(dǎo)1的有效折射率，n_eff2(λ)為直波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)1、S型彎曲波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)3和S型彎曲波導(dǎo)4的有效折射率，ΔL_s為上支路中S型彎曲波導(dǎo)1和S型彎曲波導(dǎo)3的總長(zhǎng)度與下支路中S型彎曲波導(dǎo)2和S型彎曲波導(dǎo)4的總長(zhǎng)度的差值；

上支路與下支路中的光波分別經(jīng)梯形波導(dǎo)4和梯形波導(dǎo)5進(jìn)入多模波導(dǎo)2，合路后經(jīng)梯形波導(dǎo)6輸出；上支路與下支路的光波在合路過(guò)程中發(fā)生干涉，經(jīng)梯形波導(dǎo)6(14)輸出的干涉光波的功率表示為

其中P_in為進(jìn)入梯形波導(dǎo)1的光波功率；

當(dāng)上包層折射率發(fā)生變化即待測(cè)溶液的濃度發(fā)生改變時(shí)，波導(dǎo)的有效折射率n_eff1(λ)和n_eff2(λ)發(fā)生改變，從而引起光波在上支路與下支路中傳播產(chǎn)生的相位差發(fā)生改變。因光波在上支路與下支路中傳播產(chǎn)生的相位差與光波波長(zhǎng)是非線性的關(guān)系，所以會(huì)引起輸出干涉光波功率譜的急劇分裂，即光譜中干涉極值的波長(zhǎng)發(fā)生分離，通過(guò)檢測(cè)干涉極值波長(zhǎng)的改變量，獲知上包層折射率的改變量，進(jìn)而得到待測(cè)溶液的濃度。

本實(shí)用新型的有益效果：

(1)本實(shí)用新型集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器中光波在上支路與下支路中傳播產(chǎn)生的相位差與光波波長(zhǎng)是非線性的關(guān)系，上包層折射率的改變會(huì)引起輸出干涉光波功率譜的急劇分裂，具有極高的傳感靈敏度。

(2)本實(shí)用新型集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器采用梯形波導(dǎo)、S型彎曲波導(dǎo)、直波導(dǎo)、多模波導(dǎo)連接構(gòu)成傳感單元，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備方便、成本低。

(3)本實(shí)用新型集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器采用寬譜光源和光譜儀構(gòu)成傳感解調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1本實(shí)用新型基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2本實(shí)用新型實(shí)施例基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器系統(tǒng)；

圖3由梯形波導(dǎo)和多模波導(dǎo)構(gòu)成的光分路結(jié)構(gòu)圖；

圖4光波在圖3所示光分路結(jié)構(gòu)中傳播的仿真結(jié)果；

圖5傳感器中直波導(dǎo)1和直波導(dǎo)2的橫截面結(jié)構(gòu)圖；

圖6不同折射率的待測(cè)溶液條件下傳感器兩支路中光波傳播的相位差；

圖7不同折射率的待測(cè)溶液條件下傳感器輸出光譜；

圖8待測(cè)溶液折射率改變量與干涉極值波長(zhǎng)分離量的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

圖中：1梯形波導(dǎo)1；2多模波導(dǎo)1；3梯形波導(dǎo)2；4梯形波導(dǎo)3；5S型彎曲波導(dǎo)1；6S型彎曲波導(dǎo)2；7直波導(dǎo)1；8直波導(dǎo)2；9S型彎曲波導(dǎo)3；10S型彎曲波導(dǎo)4；11梯形波導(dǎo)4；12梯形波導(dǎo)5；13多模波導(dǎo)2；14梯形波導(dǎo)6。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本實(shí)用新型基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器。該傳感器包括：梯形波導(dǎo)1、多模波導(dǎo)1、梯形波導(dǎo)2、梯形波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)1、S型彎曲波導(dǎo)2、直波導(dǎo)1、直波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)5、多模波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)6，上述波導(dǎo)均為矩形波導(dǎo)，依次連接。

所述梯形波導(dǎo)1、梯形波導(dǎo)2、梯形波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)1、S型彎曲波導(dǎo)2、直波導(dǎo)1、直波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)5和梯形波導(dǎo)6均為單模波導(dǎo)；

所述S型彎曲波導(dǎo)1、S型彎曲波導(dǎo)2、直波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)3和S型彎曲波導(dǎo)4的寬度相同；

所述S型彎曲波導(dǎo)1和S型彎曲波導(dǎo)2的長(zhǎng)度不同；

所述S型彎曲波導(dǎo)3和S型彎曲波導(dǎo)4的長(zhǎng)度不同；

所述直波導(dǎo)1和直波導(dǎo)2的長(zhǎng)度相同，寬度不同；

所述梯形波導(dǎo)1、多模波導(dǎo)1、梯形波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)3構(gòu)成光分路結(jié)構(gòu)；

所述梯形波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)5、多模波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)6構(gòu)成光合路結(jié)構(gòu)；

所述梯形波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)1、直波導(dǎo)1、S型彎曲波導(dǎo)3和梯形波導(dǎo)4構(gòu)成上支路；所述梯形波導(dǎo)3、S型彎曲波導(dǎo)2、直波導(dǎo)2、S型彎曲波導(dǎo)4與梯形波導(dǎo)5構(gòu)成下支路。光波在上支路與下支路中傳播產(chǎn)生相位差該相位差與光波波長(zhǎng)是非線性關(guān)系，表示為

其中為上支路與下支路中直波導(dǎo)的相位差，為上支路與下支路中S型彎曲波導(dǎo)的相位差

其中L_arm為直波導(dǎo)1和直波導(dǎo)2的長(zhǎng)度，n_eff1(λ)為直波導(dǎo)1(7)的有效折射率，n_eff2(λ)為直波導(dǎo)2(8)、S型波導(dǎo)1、S型波導(dǎo)2、S型波導(dǎo)3和S型波導(dǎo)4的有效折射率，ΔL_s為上支路中S型波導(dǎo)1和S型波導(dǎo)3的總長(zhǎng)度與下支路中S型波導(dǎo)2和S型波導(dǎo)4的總長(zhǎng)度的差值。

上支路與下支路中的光波分別經(jīng)梯形波導(dǎo)4和梯形波導(dǎo)5進(jìn)入多模波導(dǎo)2，合路后經(jīng)梯形波導(dǎo)6輸出。上支路與下支路的光波在合路過(guò)程中發(fā)生干涉，經(jīng)梯形波導(dǎo)6輸出的干涉光波的功率表示為

其中P_in為進(jìn)入梯形波導(dǎo)1的光波功率。

實(shí)施例。

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器系統(tǒng)。寬譜光源發(fā)出一定光譜寬度的光波經(jīng)梯形波導(dǎo)1進(jìn)入多模波導(dǎo)1，分成兩路由梯形波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)3分別輸出，圖3是梯形波導(dǎo)1、多模波導(dǎo)1、梯形波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)3構(gòu)成光分路結(jié)構(gòu)圖，其中：W₂＝1μm，L_{taper_M}＝62μm，W_taper＝2.2μm，D＝4.6μm，W_M＝9μm，L_M＝74μm。圖4是光波在該光分路結(jié)構(gòu)中傳播的仿真結(jié)果。光波從梯形波導(dǎo)2和梯形波導(dǎo)3分別進(jìn)入上支路與下支路中傳播。

待測(cè)溶液由微流控通道流經(jīng)上支路與下支路。圖5是傳感器中直波導(dǎo)1和直波導(dǎo)2的橫截面結(jié)構(gòu)圖。直波導(dǎo)1的芯層寬帶W₁＝1.4μm，直波導(dǎo)2的芯層寬度W₂＝1μm，直波導(dǎo)1和直波導(dǎo)2的芯層高度H＝1.2μm。光波在上支路與下支路中傳播，倏逝波與波導(dǎo)上包層的待測(cè)溶液發(fā)生相互作用。圖6是不同折射率n_c的待測(cè)溶液流經(jīng)上支路與下支路的條件下，光波在上支路與下支路中傳播產(chǎn)生相位差。由圖6可以看出相位差與光波波長(zhǎng)是非線性的關(guān)系。圖7是上支路與下支路中的光波經(jīng)由梯形波導(dǎo)4、梯形波導(dǎo)5和多模波導(dǎo)2構(gòu)成的光合路結(jié)構(gòu)后輸出至光譜分析儀測(cè)量得到的光譜圖。可以看出，因相位差與光波波長(zhǎng)的非線性關(guān)系，當(dāng)待測(cè)溶液的折射率發(fā)生改變時(shí)，輸出光譜發(fā)生急劇分裂，干涉極小值的波長(zhǎng)發(fā)生分離。圖8給出了待測(cè)溶液折射率改變量與干涉極值波長(zhǎng)分離量的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。根據(jù)圖8，通過(guò)檢測(cè)干涉極值波長(zhǎng)的改變量，獲知上包層折射率的改變量Δn_c，進(jìn)而得到待測(cè)溶液的濃度。

以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此。任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型闡述的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及其實(shí)用新型構(gòu)思加以同等替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之列。