本發(fā)明涉及一種光學(xué)生物傳感器，尤其涉及一種基于垂直耦合的雙環(huán)級聯(lián)光學(xué)傳感器。

背景技術(shù)：

光學(xué)傳感器在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、生物制藥和醫(yī)療健康等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。光學(xué)傳感器具有不受電磁干擾、高靈敏度以及可以直接探測生物分子反應(yīng)的優(yōu)點。隨著光學(xué)傳感器向高集成度、高靈敏度和小型化的方向發(fā)展，集成光波導(dǎo)傳感器越來越得到人們的重視。

集成光學(xué)傳感器大多是基于倏逝波傳感，被測物質(zhì)與波導(dǎo)表面的倏逝波相互作用，從而改變光的傳感信號。光波的主要能量集中在波導(dǎo)芯層的導(dǎo)模中，因此通過倏逝波傳感的方法，存在被測物質(zhì)對光信號調(diào)制有限的問題。利用光波導(dǎo)的導(dǎo)模進行傳感(如狹縫型波導(dǎo))，雖然增大了被測物質(zhì)與光場的相互作用，但是同時也增加了傳感器的傳輸損耗，進而影響傳感器的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于垂直耦合的雙環(huán)級聯(lián)光學(xué)傳感器，兩個環(huán)通過被測液體在垂直方向上相互耦合。光場在兩個環(huán)形諧振腔之間來回耦合，部分在波導(dǎo)中傳播，部分在被測液體中傳播，大大增強了被測液體對光場的調(diào)制，同時又減少光的傳輸損耗。當(dāng)被測液體的折射率發(fā)生改變時，兩個環(huán)的耦合系數(shù)發(fā)生改變，從而影響了兩個環(huán)的諧振條件，進而改變了輸出光強度。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種基于垂直耦合的雙環(huán)級聯(lián)光學(xué)傳感器，包括激光器、第一個形環(huán)諧振腔、第二個環(huán)形諧振腔、探測器；第一個形環(huán)諧振腔的輸入波導(dǎo)的輸入端與激光器連接，輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)在水平方向與第一個環(huán)形諧振腔相耦合，輸出波導(dǎo)的輸出端與探測器相耦合；所述第一個環(huán)形諧振腔和所述第二個環(huán)形諧振腔的結(jié)構(gòu)相同，在垂直方向上完全對準(zhǔn)，且通過被測液體在垂直方向上相互耦合。

進一步地，所述第一個環(huán)形諧振腔和第二個環(huán)形諧振腔采用平面集成光波導(dǎo)或者光纖構(gòu)成。

進一步地，所述第一個環(huán)形諧振腔和第二個環(huán)形諧振腔的垂直距離為100nm‐1μm。

本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明使被測液體在諧振腔的耦合區(qū)域內(nèi)，大大增加了被測液體與光場的相互作用，使傳感器更加靈敏。使用單波長激光器作為輸入光源，功率計作為探測器，無需測量光譜信息的可調(diào)諧光源或者高分辨率光譜儀，大大降低傳感器成本。

附圖說明

圖1為一種基于垂直耦合的雙環(huán)級聯(lián)光學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為兩個環(huán)形諧振腔垂直方向的截面示意圖；

圖3為兩個環(huán)的耦合系數(shù)隨被測液體折射率的變化曲線；

圖4為被測液體折射率變化δn時，傳感器的輸出光譜變化示意圖；

圖5為傳感器輸出歸一化功率隨被測液體折射率的變化曲線；

圖中，激光器1、第一個形環(huán)諧振腔2、第二個環(huán)形諧振腔3、探測器4、輸入波導(dǎo)5、輸出波導(dǎo)6、被測液體7。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

實施例

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種基于垂直耦合的雙環(huán)級聯(lián)光學(xué)傳感器，包括激光器1、第一個形環(huán)諧振腔2、第二個環(huán)形諧振腔3、探測器4、輸入波導(dǎo)5和輸出波導(dǎo)6；所述第一個形環(huán)諧振腔2的輸入波導(dǎo)5的輸入端與激光器1連接；所述輸入波導(dǎo)5和輸出波導(dǎo)6在水平方向與第一個環(huán)形諧振腔2相耦合；所述輸出波導(dǎo)6的輸出端與探測器4相耦合；所述第一個環(huán)形諧振腔2和第二個環(huán)形諧振腔3的結(jié)構(gòu)相同，在垂直方向上完全對準(zhǔn)，且通過被測液體7在垂直方向上相互耦合。

如圖2所示，第一個環(huán)形諧振腔2和第二個環(huán)形諧振腔3通過被測液體7相互耦合。

激光器1發(fā)出的光通過輸入波導(dǎo)5在水平方向上耦合到第一個環(huán)形諧振腔2；光在第一個環(huán)形諧振腔傳輸?shù)倪^程中與第二個環(huán)形諧振腔3通過被測液體7在垂直方向上相互耦合；最終光在水平方向上耦合到輸出波導(dǎo)6，并進入探測器4。

所述激光器1的波長λ＝1.504μm，偏振態(tài)為tm模式。本實例中傳感器的波導(dǎo)芯層材料為si，其折射率均為nc＝3.4；被測液體7的初始折射率ns＝1.33；第一個環(huán)形諧振腔2和第二個環(huán)形諧振腔3的光學(xué)長度均為l＝1.550mm；忽略全部損耗。所有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)均為高a＝220nm，寬b＝500nm，第一個環(huán)形諧振腔2與第二個環(huán)形諧振腔3的間距為d＝500nm。根據(jù)耦合模理論，則兩個環(huán)形諧振腔之間單位長度上的耦合系數(shù)k表示為：

其中，t的表達式為：

由以上八個方程，可求解出k。圖3為兩個環(huán)的耦合系數(shù)隨被測液體折射率的變化曲線。由圖可見，被測液體折射率的變化與耦合系數(shù)的變化近似保持線性關(guān)系。

假設(shè)輸入波導(dǎo)5和輸出波導(dǎo)6與第一個環(huán)形諧振腔2的耦合系數(shù)κ²＝0.005，忽略耦合損耗，則雙環(huán)級聯(lián)光學(xué)傳感器的輸出透射譜線to可表示為：

由公式(9)可得到雙環(huán)級聯(lián)光學(xué)傳感器的輸出透射譜線，如圖4所示。當(dāng)折射率變化0.001時，傳感器的透射譜線to的諧振峰移動了約0.3nm。說明此傳感器也可工作在波長探測模式，波長探測的靈敏度在300nm/riu。但是需要用可調(diào)光源和探測器，或者寬帶光源和光譜分析儀測試光譜信息。

為了降低傳感器系統(tǒng)的成本，可使傳感器工作在功率探測模式。比如固定入射光波長為1.504μm，圖5給出了傳感器的透射率隨被測液體折射率的變化曲線。從圖中可知，此傳感器最大靈敏度為5616db/riu。如果最小可測得的功率變化為0.01db，可探測的最小有效折射率變化為1.8×10^‐6。