一種基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器及方法與流程

技術(shù)特征：

1.一種基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器，其特征在于，

該集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器包括梯形波導(dǎo)1(1)、多模波導(dǎo)1(2)、梯形波導(dǎo)2(3)、梯形波導(dǎo)3(4)、S型彎曲波導(dǎo)1(5)、S型彎曲波導(dǎo)2(6)、直波導(dǎo)1(7)、直波導(dǎo)2(8)、S型彎曲波導(dǎo)3(9)、S型彎曲波導(dǎo)4(10)、梯形波導(dǎo)4(11)、梯形波導(dǎo)5(12)、多模波導(dǎo)2(13)和梯形波導(dǎo)6(14)，梯形波導(dǎo)1(1)和多模波導(dǎo)1(2)連接，梯形波導(dǎo)2(3)、S型彎曲波導(dǎo)1(5)、直波導(dǎo)1(7)、S型彎曲波導(dǎo)3(9)和梯形波導(dǎo)4(11)依次連接，梯形波導(dǎo)3(4)、S型彎曲波導(dǎo)2(6)、直波導(dǎo)2(8)、S型彎曲波導(dǎo)4(10)和梯形波導(dǎo)5(12)依次連接，梯形波導(dǎo)2(3)和梯形波導(dǎo)3(4)分別與多模波導(dǎo)1(2)連接，梯形波導(dǎo)4(11)和梯形波導(dǎo)5(12)分別與多模波導(dǎo)2(13)連接，多模波導(dǎo)2(13)和梯形波導(dǎo)6(14)連接，上述波導(dǎo)均為矩形波導(dǎo)，整體連接為環(huán)形。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器，其特征在于，所述的梯形波導(dǎo)1(1)、梯形波導(dǎo)2(3)、梯形波導(dǎo)3(4)、S型彎曲波導(dǎo)1(5)、S型彎曲波導(dǎo)2(6)、直波導(dǎo)1(7)、直波導(dǎo)2(8)、S型彎曲波導(dǎo)3(9)、S型彎曲波導(dǎo)4(10)、梯形波導(dǎo)4(11)、梯形波導(dǎo)5(12)和梯形波導(dǎo)6(14)均為單模波導(dǎo)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器，其特征在于，

所述的S型彎曲波導(dǎo)1(5)、S型彎曲波導(dǎo)2(6)、直波導(dǎo)2(8)、S型彎曲波導(dǎo)3(9)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)的寬度相同；

所述的S型彎曲波導(dǎo)1(5)和S型彎曲波導(dǎo)2(6)的長(zhǎng)度不同；

所述的S型彎曲波導(dǎo)3(9)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)的長(zhǎng)度不同；

所述的直波導(dǎo)1(7)和直波導(dǎo)2(8)的長(zhǎng)度相同，寬度不同。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器，其特征在于，

所述的梯形波導(dǎo)1(1)、多模波導(dǎo)1(2)、梯形波導(dǎo)2(3)和梯形波導(dǎo)3(4)構(gòu)成光分路結(jié)構(gòu)；

所述的梯形波導(dǎo)4(11)、梯形波導(dǎo)5(12)、多模波導(dǎo)2(13)和梯形波導(dǎo)6(14)構(gòu)成光合路結(jié)構(gòu)；

所述的梯形波導(dǎo)2(3)、S型彎曲波導(dǎo)1(5)、直波導(dǎo)1(7)、S型彎曲波導(dǎo)3(9)和梯形波導(dǎo)4(11)構(gòu)成上支路；梯形波導(dǎo)3(4)、S型彎曲波導(dǎo)2(6)、直波導(dǎo)2(8)、S型彎曲波導(dǎo)4(10)與梯形波導(dǎo)5(12)構(gòu)成下支路。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器，其特征在于，

所述的梯形波導(dǎo)1(1)、多模波導(dǎo)1(2)、梯形波導(dǎo)2(3)和梯形波導(dǎo)3(4)構(gòu)成光分路結(jié)構(gòu)；

所述的梯形波導(dǎo)4(11)、梯形波導(dǎo)5(12)、多模波導(dǎo)2(13)和梯形波導(dǎo)6(14)構(gòu)成光合路結(jié)構(gòu)；

所述的梯形波導(dǎo)2(3)、S型彎曲波導(dǎo)1(5)、直波導(dǎo)1(7)、S型彎曲波導(dǎo)3(9)和梯形波導(dǎo)4(11)構(gòu)成上支路；梯形波導(dǎo)3(4)、S型彎曲波導(dǎo)2(6)、直波導(dǎo)2(8)、S型彎曲波導(dǎo)4(10)與梯形波導(dǎo)5(12)構(gòu)成下支路。

6.一種用權(quán)利要求1、2或5所述的基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器的方法，其特征在于，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(1)進(jìn)入多模波導(dǎo)1(2)，分成兩路分別由梯形波導(dǎo)2(3)和梯形波導(dǎo)3(4)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(5)和S型彎曲波導(dǎo)2(6)的長(zhǎng)度不同、直波導(dǎo)1(7)和直波導(dǎo)2(8)的寬度不同、S型彎曲波導(dǎo)3(9)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)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(7)和直波導(dǎo)2(8)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型彎曲波導(dǎo)1(5)、S型彎曲波導(dǎo)2(6)、S型彎曲波導(dǎo)3(9)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)的有效折射率，ΔL_s為上支路中S型彎曲波導(dǎo)1(5)和S型彎曲波導(dǎo)3(9)的總長(zhǎng)度與下支路中S型彎曲波導(dǎo)2(6)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)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(11)和梯形波導(dǎo)5(12)進(jìn)入多模波導(dǎo)2(13)，合路后經(jīng)梯形波導(dǎo)6(14)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(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。

7.一種用權(quán)利要求3所述的基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器的方法，其特征在于，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(1)進(jìn)入多模波導(dǎo)1(2)，分成兩路分別由梯形波導(dǎo)2(3)和梯形波導(dǎo)3(4)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(5)和S型彎曲波導(dǎo)2(6)的長(zhǎng)度不同、直波導(dǎo)1(7)和直波導(dǎo)2(8)的寬度不同、S型彎曲波導(dǎo)3(9)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)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(7)和直波導(dǎo)2(8)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型彎曲波導(dǎo)1(5)、S型彎曲波導(dǎo)2(6)、S型彎曲波導(dǎo)3(9)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)的有效折射率，ΔL_s為上支路中S型彎曲波導(dǎo)1(5)和S型彎曲波導(dǎo)3(9)的總長(zhǎng)度與下支路中S型彎曲波導(dǎo)2(6)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)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(11)和梯形波導(dǎo)5(12)進(jìn)入多模波導(dǎo)2(13)，合路后經(jīng)梯形波導(dǎo)6(14)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(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。

8.一種用權(quán)利要求4所述的基于光譜分裂的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器的方法，其特征在于，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(1)進(jìn)入多模波導(dǎo)1(2)，分成兩路分別由梯形波導(dǎo)2(3)和梯形波導(dǎo)3(4)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(5)和S型彎曲波導(dǎo)2(6)的長(zhǎng)度不同、直波導(dǎo)1(7)和直波導(dǎo)2(8)的寬度不同、S型彎曲波導(dǎo)3(9)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)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(7)和直波導(dǎo)2(8)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型彎曲波導(dǎo)1(5)、S型彎曲波導(dǎo)2(6)、S型彎曲波導(dǎo)3(9)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)的有效折射率，ΔL_s為上支路中S型彎曲波導(dǎo)1(5)和S型彎曲波導(dǎo)3(9)的總長(zhǎng)度與下支路中S型彎曲波導(dǎo)2(6)和S型彎曲波導(dǎo)4(10)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(11)和梯形波導(dǎo)5(12)進(jìn)入多模波導(dǎo)2(13)，合路后經(jīng)梯形波導(dǎo)6(14)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(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。