一種基于光譜分裂的集成波導光學生化傳感器及方法與流程
本發明屬于光學傳感技術領域，具體涉及一種基于光譜分裂的集成波導光學生化傳感器及方法。
背景技術：
光學生化傳感技術在重大疾病檢測、新型藥物創制、環境安全監測等領域具有廣闊的應用前景。集成波導光學生化傳感器基于光學波導微結構感知單元，利用待測物質與光波相互作用，從而使光波的某些物理參量，如波長、強度、相位、偏振等，發生變化，通過對這些物理參量的測量來獲得待測物質的濃度、類別等信息，具有所需樣品量少、體積小、能耗低等優勢，因而受到極大關注。基于波導光柵、波導楊氏干涉結構、波導微環等結構的集成波導光學生化傳感器相繼報道。
在先技術[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，采用側邊刻蝕的布拉格波導光柵為傳感單元，利用波導光柵的布拉格波長隨上包層折射率改變的漂移特性來進行傳感檢測。雖然該傳感器結構較為緊湊，但是其傳感靈敏度較低。
在先技術[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，采用波導耦合光柵和雙直波導構成楊氏干涉結構作為傳感單元，利用楊氏干涉條紋的變化來獲知待測樣品折射率的改變量。該傳感器系統采用體光學器件來分光，分別經波導耦合光柵耦合進入、出雙直波導，需要精確的對準，因此系統體積龐大、結構復雜。
在先技術[3](S.-Y.Cho and D.K.Borah.“Chip-scale hybrid optical sensing systems using digital signal processing,”Optics Express,2009,Vol.17,No.1,pp.150-155)中，采用集成波導微環作為傳感單元，基于寬帶光源、陣列波導光柵和陣列式光電探測器構成傳感解調系統。雖然波導微環具有較高的品質因子，但是陣列波導光柵有限的光譜分辨能力限制了傳感器的性能，并且增加了系統的難度和復雜性。
技術實現要素：
本發明針對上述集成波導光學生化傳感器存在傳感靈敏度低、體積龐大、系統復雜等問題。
本發明的技術方案：
一種基于光譜分裂的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梯形波導1、多模波導1、梯形波導2、梯形波導3、S型彎曲波導1、S型彎曲波導2、直波導1、直波導2、S型彎曲波導3、S型彎曲波導4、梯形波導4、梯形波導5、多模波導2和梯形波導6，梯形波導1和多模波導1連接，梯形波導2、S型彎曲波導1、直波導1、S型彎曲波導3和梯形波導4依次連接，梯形波導3、S型彎曲波導2、直波導2、S型彎曲波導4和梯形波導5依次連接，梯形波導2和梯形波導3分別與多模波導1連接，梯形波導4和梯形波導5分別與多模波導2連接，多模波導2和梯形波導6連接，上述波導均為矩形波導，整體連接為環形。
所述的梯形波導1、梯形波導2、梯形波導3、S型彎曲波導1、S型彎曲波導2、直波導1、直波導2、S型彎曲波導3、S型彎曲波導4、梯形波導4、梯形波導5和梯形波導6均為單模波導。
所述的S型彎曲波導1、S型彎曲波導2、直波導2、S型彎曲波導3和S型彎曲波導4的寬度相同；
所述的S型彎曲波導1和S型彎曲波導2的長度不同；
所述的S型彎曲波導3和S型彎曲波導4的長度不同；
所述的直波導1和直波導2的長度相同，寬度不同。
所述的梯形波導1、多模波導1、梯形波導2和梯形波導3構成光分路結構；
所述的梯形波導4、梯形波導5、多模波導2和梯形波導6構成光合路結構；所述的梯形波導2、S型彎曲波導1、直波導1、S型彎曲波導3和梯形波導4構成上支路；梯形波導3、S型彎曲波導2、直波導2、S型彎曲波導4與梯形波導5構成下支路。光波在上支路與下支路中傳播產生相位差，該相位差與光波波長是非線性關系。當該相位差發生改變時，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發生分離，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光學生化傳感器的方法，按照以下步驟進行傳感檢測：
具有一定光譜寬度的光波經梯形波導1進入多模波導1，分成兩路分別由梯形波導2和梯形波導3輸出，進入上支路和下支路；光波在上支路與下支路中傳播，倏逝波與波導上包層的待測溶液發生相互作用；
因上支路與下支路的波導結構不同，包括S型彎曲波導1和S型彎曲波導2的長度不同、直波導1和直波導2的寬度不同、S型彎曲波導3和S型彎曲波導4的長度不同，光波在上支路與下支路中傳播產生相位差表示為
其中為上支路與下支路中直波導的相位差，為上支路與下支路中S型彎曲波導的相位差
其中Larm為直波導1和直波導2的長度，neff1(λ)為直波導1的有效折射率，neff2(λ)為直波導2、S型彎曲波導1、S型彎曲波導2、S型彎曲波導3和S型彎曲波導4的有效折射率，ΔLs為上支路中S型彎曲波導1和S型彎曲波導3的總長度與下支路中S型彎曲波導2和S型彎曲波導4的總長度的差值；
上支路與下支路中的光波分別經梯形波導4和梯形波導5進入多模波導2，合路后經梯形波導6輸出；上支路與下支路的光波在合路過程中發生干涉，經梯形波導6(14)輸出的干涉光波的功率表示為
其中Pin為進入梯形波導1的光波功率；
當上包層折射率發生變化即待測溶液的濃度發生改變時，波導的有效折射率neff1(λ)和neff2(λ)發生改變，從而引起光波在上支路與下支路中傳播產生的相位差發生改變。因光波在上支路與下支路中傳播產生的相位差與光波波長是非線性的關系，所以會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發生分離，通過檢測干涉極值波長的改變量，獲知上包層折射率的改變量，進而得到待測溶液的濃度。
本發明的有益效果：
(1)本發明集成波導光學生化傳感器中光波在上支路與下支路中傳播產生的相位差與光波波長是非線性的關系，上包層折射率的改變會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)本發明集成波導光學生化傳感器采用梯形波導、S型彎曲波導、直波導、多模波導連接構成傳感單元，結構簡單、制備方便、成本低。
(3)本發明集成波導光學生化傳感器采用寬譜光源和光譜儀構成傳感解調系統，系統結構簡單、成本低、易實現。
附圖說明
圖1本發明基于光譜分裂的集成波導光學生化傳感器結構示意圖；
圖2本發明實施例基于光譜分裂的集成波導光學生化傳感器系統；
圖3由梯形波導和多模波導構成的光分路結構圖；
圖4光波在圖3所示光分路結構中傳播的仿真結果；
圖5傳感器中直波導1和直波導2的橫截面結構圖；
圖6不同折射率的待測溶液條件下傳感器兩支路中光波傳播的相位差；
圖7不同折射率的待測溶液條件下傳感器輸出光譜；
圖8待測溶液折射率改變量與干涉極值波長分離量的對應關系；
圖中：1梯形波導1；2多模波導1；3梯形波導2；4梯形波導3；5S型彎曲波導1；6S型彎曲波導2；7直波導1；8直波導2；9S型彎曲波導3；10S型彎曲波導4；11梯形波導4；12梯形波導5；13多模波導2；14梯形波導6。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
如圖1所示，本發明基于光譜分裂的集成波導光學生化傳感器。該傳感器包括：梯形波導1、多模波導1、梯形波導2、梯形波導3、S型彎曲波導1、S型彎曲波導2、直波導1、直波導2、S型彎曲波導3、S型彎曲波導4、梯形波導4、梯形波導5、多模波導2和梯形波導6，上述波導均為矩形波導，依次連接。
所述梯形波導1、梯形波導2、梯形波導3、S型彎曲波導1、S型彎曲波導2、直波導1、直波導2、S型彎曲波導3、S型彎曲波導4、梯形波導4、梯形波導5和梯形波導6均為單模波導；
所述S型彎曲波導1、S型彎曲波導2、直波導2、S型彎曲波導3和S型彎曲波導4的寬度相同；
所述S型彎曲波導1和S型彎曲波導2的長度不同；
所述S型彎曲波導3和S型彎曲波導4的長度不同；
所述直波導1和直波導2的長度相同，寬度不同；
所述梯形波導1、多模波導1、梯形波導2和梯形波導3構成光分路結構；
所述梯形波導4、梯形波導5、多模波導2和梯形波導6構成光合路結構；
所述梯形波導2、S型彎曲波導1、直波導1、S型彎曲波導3和梯形波導4構成上支路；所述梯形波導3、S型彎曲波導2、直波導2、S型彎曲波導4與梯形波導5構成下支路。光波在上支路與下支路中傳播產生相位差該相位差與光波波長是非線性關系，表示為
其中為上支路與下支路中直波導的相位差，為上支路與下支路中S型彎曲波導的相位差
其中Larm為直波導1和直波導2的長度，neff1(λ)為直波導1(7)的有效折射率，neff2(λ)為直波導2(8)、S型波導1、S型波導2、S型波導3和S型波導4的有效折射率，ΔLs為上支路中S型波導1和S型波導3的總長度與下支路中S型波導2和S型波導4的總長度的差值。
上支路與下支路中的光波分別經梯形波導4和梯形波導5進入多模波導2，合路后經梯形波導6輸出。上支路與下支路的光波在合路過程中發生干涉，經梯形波導6輸出的干涉光波的功率表示為
其中Pin為進入梯形波導1的光波功率。
實施例。
圖2是本發明實施例基于光譜分裂的集成波導光學生化傳感器系統。寬譜光源發出一定光譜寬度的光波經梯形波導1進入多模波導1，分成兩路由梯形波導2和梯形波導3分別輸出，圖3是梯形波導1、多模波導1、梯形波導2和梯形波導3構成光分路結構圖，其中：W2＝1μm，Ltaper_M＝62μm，Wtaper＝2.2μm，D＝4.6μm，WM＝9μm，LM＝74μm。圖4是光波在該光分路結構中傳播的仿真結果。光波從梯形波導2和梯形波導3分別進入上支路與下支路中傳播。
待測溶液由微流控通道流經上支路與下支路。圖5是傳感器中直波導1和直波導2的橫截面結構圖。直波導1的芯層寬帶W1＝1.4μm，直波導2的芯層寬度W2＝1μm，直波導1和直波導2的芯層高度H＝1.2μm。光波在上支路與下支路中傳播，倏逝波與波導上包層的待測溶液發生相互作用。圖6是不同折射率nc的待測溶液流經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生相位差。由圖6可以看出相位差與光波波長是非線性的關系。圖7是上支路與下支路中的光波經由梯形波導4、梯形波導5和多模波導2構成的光合路結構后輸出至光譜分析儀測量得到的光譜圖。可以看出，因相位差與光波波長的非線性關系，當待測溶液的折射率發生改變時，輸出光譜發生急劇分裂，干涉極小值的波長發生分離。圖8給出了待測溶液折射率改變量與干涉極值波長分離量的對應關系曲線。根據圖8，通過檢測干涉極值波長的改變量，獲知上包層折射率的改變量Δnc，進而得到待測溶液的濃度。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此。任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明闡述的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以同等替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之列。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！