一種相位增敏型集成波導光學生化傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種相位增敏型集成波導光學生化傳感器，屬于光傳感【技術(shù)領(lǐng)域】。該集成波導光學生化傳感器包括光路部分、傳感支路和電路部分。波導微環(huán)與第二直光波導構(gòu)成第一傳感支路，二者處于過耦合狀態(tài)，波導微環(huán)為該支路提供相位增敏功能，通過對第二光波導定向耦合器的兩輸出端口光功率探測和比值計算進行傳感解調(diào)。本發(fā)明通過波導微環(huán)實現(xiàn)相位增敏，減小傳感器尺寸；傳感池覆蓋兩路光傳輸波導通道，降低了傳感器制備工藝的復雜性；采用光功率比值解調(diào)方法快速獲得待測生化樣品的濃度等信息，不受激光器輸出光功率起伏的影響；基于光電集成工藝把各部分集成到同一平臺上，實現(xiàn)光學生化傳感器的微型化和片上傳感系統(tǒng)，穩(wěn)定性高、操作便捷的優(yōu)點。
【專利說明】一種相位增敏型集成波導光學生化傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種相位增敏型集成波導光學生化傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光學生化傳感器在生物工程、醫(yī)療檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其基本原理是待測物質(zhì)與光波相互作用，從而使光波的某些物理參量，如波長、強度、相位、偏振等，發(fā)生變化，通過對這些物理參量的測量來獲得待測物質(zhì)的濃度、類別等信息。
[0003]集成波導光學生化傳感器以其靈敏度高、所需樣品量少、體積小、能耗低等優(yōu)勢呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。馬赫一曾德干涉結(jié)構(gòu)集成波導光學生化傳感器，因其傳感原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、集成度較高等優(yōu)勢，相關(guān)研究受到極大關(guān)注。
[0004]在先技術(shù)[I](吳遠大，姜婷，安俊明，李建光，王玥，王紅杰，胡雄偉.“Si02基Mach-Zehnder型傳感芯片的制備與敏感性研究”，光電子.激光，2011，Vol.22，N0.2，pp.159-162)中，以兩個Y分支光波導構(gòu)成一進一出的馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)SiO2光波導傳感器，通過二次光刻+濕法刻蝕技術(shù)在一個干涉臂上獲得長度為2cm敏感窗口。采用分布反饋激光器和光電探測器構(gòu)成傳感檢測裝置，通過對傳感器輸出光功率的檢測解調(diào)來獲得鹽溶液的濃度。該傳感器因采用直波導為傳感臂，所需敏感窗口長度較長，從而使得整個器件尺寸較大；傳感檢測系統(tǒng)的光功率變化隨待測溶液的濃度呈正弦函數(shù)關(guān)系，解調(diào)分辨率較低；另外，檢測結(jié)果易受到激光器輸出功率起伏的影響。
[0005]在先技術(shù)[2](Kyowon Kim and Thomas E.Murphy.“Porous silicon integratedMach-Zehnder interferometer waveguide for biological and chemical sensing,，，2013,Vol.21, N0.17，pp.19488-19497)中，以兩個Y分支光波導構(gòu)成一進一出的馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)光波導傳感器，采用多孔硅為光傳輸波導增強了光波與待測物質(zhì)的相互作用。為了實現(xiàn)傳感檢測功能，需要采用旋涂+反應(yīng)離子刻蝕工藝對傳感臂和參考臂進行不同的處理，參考臂波導覆蓋聚合物保護層，傳感臂露出多孔硅波導以構(gòu)成敏感窗口。采用激光外差干涉解調(diào)方法實現(xiàn)對異丙醇的傳感檢測。該傳感器制作工藝較為復雜；傳感解調(diào)系統(tǒng)除了激光器和光電探測器外，還需要數(shù)字信號發(fā)生器、鎖相放大器等設(shè)備，傳感解調(diào)系統(tǒng)復雜、成本聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對上述馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)集成波導光學生化傳感器存在的結(jié)構(gòu)尺寸大、敏感窗口制備工藝復雜、傳感解調(diào)分辨率低、系統(tǒng)成本高等技術(shù)問題，提出一種相位增敏型集成波導光學生化傳感器。該集成波導光學生化傳感器包括光路部分、傳感支路和電路部分。所述光路部分在集成波導光學生化傳感器前部，包括激光器，第一直光波導，第一光波導定向I禹合器，第二直光波導，第三直波導，波導微環(huán)，第二光波導定向I禹合器，第四直光波導和第五直光波導，第一光電探測器和第二光電探測器；所述電路部分在集成波導光學生化傳感器后部，包括激光器，第一連接電路、第二連接電路，數(shù)據(jù)采集與處理單元。
[0007]所述傳感支路包括第一傳感支路和第二傳感支路；第二直光波導與波導微環(huán)構(gòu)成第一傳感支路，兩者之間處于過耦合狀態(tài)，波導微環(huán)為第一傳感支路提供相位增敏功能；第三直光波導為第二傳感支路；第二直波導與第三直波導的長度相同；傳感池覆蓋第一傳感支路和第二傳感支路。
[0008]所述第一直光波導為光波輸入端口，第四直光波導和第五直光波導分別為兩個光波輸出端口 ；第四直光波導和第五直光波導長度相同。
[0009]所述激光器為單波長激光器。
[0010]所述相位增敏型集成波導光學生化傳感器的傳感測量方法，其特征在于具有如下步驟:
[0011]a.激光器輸出單波長光波經(jīng)第一直光波導進入第一光波導定向I禹合器分成兩路，分別進入第一傳感支路和第二傳感支路；第一傳感支路中光波經(jīng)第二直光波導耦合進入波導微環(huán)，光波在微環(huán)波導中傳播，相位變化受到增敏作用，然后耦合輸出至第二光波導定向率禹合器的輸入端口 ；第二傳感支路中光波經(jīng)第三直光波導輸出至第二光波導定向I禹合器的另一輸入端口；
[0012]b.第一傳感支路和第二傳感支路輸出的光波經(jīng)第二光波導定向I禹合器I禹合分束后進入第四直光波導和第五直光波導。
[0013]c.第四直光波導和第五直光波導輸出的光波分別進入第一光電探測器和第二光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換，得到的光電流分別經(jīng)第一連接電路和第二連接電路進入數(shù)據(jù)采集與處理單元轉(zhuǎn)換為光功率值；
[0014]d.由第一連接電路進入數(shù)據(jù)采集與處理單元的光電流轉(zhuǎn)換的光功率值P1和由第二連接電路進入數(shù)據(jù)采集與處理單元的光電流轉(zhuǎn)換的光功率值P2的比值滿足
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種相位增敏型集成波導光學生化傳感器，其特征在于: 該集成波導光學生化傳感器(I)包括光路部分、傳感支路和電路部分； 光路部分在集成波導光學生化傳感器(I)前部，包括激光器(2)，第一直光波導(3)，第一光波導定向耦合器(4)，第二直光波導(5)，第三直光波導(6)，波導微環(huán)(7)，傳感池(8)，第二光波導定向耦合器(9)，第四直光波導(10)和第五直光波導(11)，第一光電探測器(12)和第二光電探測器(13)； 電路部分在集成波導光學生化傳感器(I)后部，包括第一連接電路(14)，第二連接電路(15)，數(shù)據(jù)采集與處理單元(16)； 傳感支路包括第一傳感支路(17)和第二傳感支路(18);第二直光波導(5)與波導微環(huán)(7)構(gòu)成第一傳感支路(17)，兩者之間處于過耦合狀態(tài)，波導微環(huán)(7)為第一傳感支路(17)提供相位增敏功能；第三直光波導(6)為第二傳感支路(18);第二直波導(5)與第三直波導(6)的長度相同；傳感池⑶覆蓋第一傳感支路(17)和第二傳感支路(18)； 第一直光波導(3)為光波輸入端口，第四直光波導(10)和第五直光波導(11)分別為兩個光波輸出端口 ；第四直光波導(10)和第五直光波導(11)長度相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相位增敏型集成波導光學生化傳感器，其特征在于具有:激光器(2)為單波長激光器。
3.一種相位增敏型集成波導光學生化傳感器的傳感檢測方法，其特征在于，具有如下步驟: a.激光器(2)輸出單波長光波經(jīng)第一直光波導(3)進入第一光波導定向耦合器(4)分成兩路，分別進入第一傳感支路(17)和第二傳感支路(18);第一傳感支路(17)中光波經(jīng)第二直光波導(5)耦合進入波導微環(huán)(7)，光波在微環(huán)波導(7)中傳播，相位改變受到增敏作用，然后耦合輸出至第二光波導定向耦合器(9)的輸入端口 ；第二傳感支路(18)中光波經(jīng)第三直光波導(6)輸出至第二光波導定向I禹合器(9)的另一輸入端口 ； b.第一傳感支路(17)和第二傳感支路(18)輸出的光波經(jīng)第二光波導定向I禹合器(9)耦合分束后進入第四直光波導(10)和第五直光波導(11)； c.第四直光波導(10)和第五直光波導(11)輸出的光波分別進入第一光電探測器(12)和第二光電探測器(13)進行光電轉(zhuǎn)換，得到的光電流分別經(jīng)第一連接電路(14)和第二連接電路(15)進入數(shù)據(jù)采集與處理單元(16)轉(zhuǎn)換為光功率值； d.由第一連接電路(14)進入數(shù)據(jù)采集與處理單元(16)的光電流轉(zhuǎn)換的光功率值P1和由第二連接電路(15)進入數(shù)據(jù)采集與處理單元(16)的光電流轉(zhuǎn)換的光功率值P2的比值滿足
【文檔編號】G01N21/41GK104020137SQ201410253205
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】韓秀友, 趙明山 申請人:大連理工大學