一种基于光谱分裂的集成波导光学生化传感器及方法与流程

本发明属于光学传感技术领域，具体涉及一种基于光谱分裂的集成波导光学生化传感器及方法。

背景技术：

光学生化传感技术在重大疾病检测、新型药物创制、环境安全监测等领域具有广阔的应用前景。集成波导光学生化传感器基于光学波导微结构感知单元，利用待测物质与光波相互作用，从而使光波的某些物理参量，如波长、强度、相位、偏振等，发生变化，通过对这些物理参量的测量来获得待测物质的浓度、类别等信息，具有所需样品量少、体积小、能耗低等优势，因而受到极大关注。基于波导光栅、波导杨氏干涉结构、波导微环等结构的集成波导光学生化传感器相继报道。

在先技术[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，采用侧边刻蚀的布拉格波导光栅为传感单元，利用波导光栅的布拉格波长随上包层折射率改变的漂移特性来进行传感检测。虽然该传感器结构较为紧凑，但是其传感灵敏度较低。

在先技术[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，采用波导耦合光栅和双直波导构成杨氏干涉结构作为传感单元，利用杨氏干涉条纹的变化来获知待测样品折射率的改变量。该传感器系统采用体光学器件来分光，分别经波导耦合光栅耦合进入、出双直波导，需要精确的对准，因此系统体积庞大、结构复杂。

在先技术[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，采用集成波导微环作为传感单元，基于宽带光源、阵列波导光栅和阵列式光电探测器构成传感解调系统。虽然波导微环具有较高的品质因子，但是阵列波导光栅有限的光谱分辨能力限制了传感器的性能，并且增加了系统的难度和复杂性。

技术实现要素：

本发明针对上述集成波导光学生化传感器存在传感灵敏度低、体积庞大、系统复杂等问题。

本发明的技术方案：

一种基于光谱分裂的集成波导光学生化传感器，该集成波导光学生化传感器包括梯形波导1、多模波导1、梯形波导2、梯形波导3、S型弯曲波导1、S型弯曲波导2、直波导1、直波导2、S型弯曲波导3、S型弯曲波导4、梯形波导4、梯形波导5、多模波导2和梯形波导6，梯形波导1和多模波导1连接，梯形波导2、S型弯曲波导1、直波导1、S型弯曲波导3和梯形波导4依次连接，梯形波导3、S型弯曲波导2、直波导2、S型弯曲波导4和梯形波导5依次连接，梯形波导2和梯形波导3分别与多模波导1连接，梯形波导4和梯形波导5分别与多模波导2连接，多模波导2和梯形波导6连接，上述波导均为矩形波导，整体连接为环形。

所述的梯形波导1、梯形波导2、梯形波导3、S型弯曲波导1、S型弯曲波导2、直波导1、直波导2、S型弯曲波导3、S型弯曲波导4、梯形波导4、梯形波导5和梯形波导6均为单模波导。

所述的S型弯曲波导1、S型弯曲波导2、直波导2、S型弯曲波导3和S型弯曲波导4的宽度相同；

所述的S型弯曲波导1和S型弯曲波导2的长度不同；

所述的S型弯曲波导3和S型弯曲波导4的长度不同；

所述的直波导1和直波导2的长度相同，宽度不同。

所述的梯形波导1、多模波导1、梯形波导2和梯形波导3构成光分路结构；

所述的梯形波导4、梯形波导5、多模波导2和梯形波导6构成光合路结构；所述的梯形波导2、S型弯曲波导1、直波导1、S型弯曲波导3和梯形波导4构成上支路；梯形波导3、S型弯曲波导2、直波导2、S型弯曲波导4与梯形波导5构成下支路。光波在上支路与下支路中传播产生相位差，该相位差与光波波长是非线性关系。当该相位差发生改变时，引起输出干涉光波功率谱的急剧分裂，光谱中干涉极值的波长发生分离，传感器具有极高的传感灵敏度。

一种用基于光谱分裂的集成波导光学生化传感器的方法，按照以下步骤进行传感检测：

具有一定光谱宽度的光波经梯形波导1进入多模波导1，分成两路分别由梯形波导2和梯形波导3输出，进入上支路和下支路；光波在上支路与下支路中传播，倏逝波与波导上包层的待测溶液发生相互作用；

因上支路与下支路的波导结构不同，包括S型弯曲波导1和S型弯曲波导2的长度不同、直波导1和直波导2的宽度不同、S型弯曲波导3和S型弯曲波导4的长度不同，光波在上支路与下支路中传播产生相位差表示为

其中为上支路与下支路中直波导的相位差，为上支路与下支路中S型弯曲波导的相位差

其中L_arm为直波导1和直波导2的长度，n_eff1(λ)为直波导1的有效折射率，n_eff2(λ)为直波导2、S型弯曲波导1、S型弯曲波导2、S型弯曲波导3和S型弯曲波导4的有效折射率，ΔL_s为上支路中S型弯曲波导1和S型弯曲波导3的总长度与下支路中S型弯曲波导2和S型弯曲波导4的总长度的差值；

上支路与下支路中的光波分别经梯形波导4和梯形波导5进入多模波导2，合路后经梯形波导6输出；上支路与下支路的光波在合路过程中发生干涉，经梯形波导6(14)输出的干涉光波的功率表示为

其中P_in为进入梯形波导1的光波功率；

当上包层折射率发生变化即待测溶液的浓度发生改变时，波导的有效折射率n_eff1(λ)和n_eff2(λ)发生改变，从而引起光波在上支路与下支路中传播产生的相位差发生改变。因光波在上支路与下支路中传播产生的相位差与光波波长是非线性的关系，所以会引起输出干涉光波功率谱的急剧分裂，即光谱中干涉极值的波长发生分离，通过检测干涉极值波长的改变量，获知上包层折射率的改变量，进而得到待测溶液的浓度。

本发明的有益效果：

(1)本发明集成波导光学生化传感器中光波在上支路与下支路中传播产生的相位差与光波波长是非线性的关系，上包层折射率的改变会引起输出干涉光波功率谱的急剧分裂，具有极高的传感灵敏度。

(2)本发明集成波导光学生化传感器采用梯形波导、S型弯曲波导、直波导、多模波导连接构成传感单元，结构简单、制备方便、成本低。

(3)本发明集成波导光学生化传感器采用宽谱光源和光谱仪构成传感解调系统，系统结构简单、成本低、易实现。

附图说明

图1本发明基于光谱分裂的集成波导光学生化传感器结构示意图；

图2本发明实施例基于光谱分裂的集成波导光学生化传感器系统；

图3由梯形波导和多模波导构成的光分路结构图；

图4光波在图3所示光分路结构中传播的仿真结果；

图5传感器中直波导1和直波导2的横截面结构图；

图6不同折射率的待测溶液条件下传感器两支路中光波传播的相位差；

图7不同折射率的待测溶液条件下传感器输出光谱；

图8待测溶液折射率改变量与干涉极值波长分离量的对应关系；

图中：1梯形波导1；2多模波导1；3梯形波导2；4梯形波导3；5S型弯曲波导1；6S型弯曲波导2；7直波导1；8直波导2；9S型弯曲波导3；10S型弯曲波导4；11梯形波导4；12梯形波导5；13多模波导2；14梯形波导6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明基于光谱分裂的集成波导光学生化传感器。该传感器包括：梯形波导1、多模波导1、梯形波导2、梯形波导3、S型弯曲波导1、S型弯曲波导2、直波导1、直波导2、S型弯曲波导3、S型弯曲波导4、梯形波导4、梯形波导5、多模波导2和梯形波导6，上述波导均为矩形波导，依次连接。

所述梯形波导1、梯形波导2、梯形波导3、S型弯曲波导1、S型弯曲波导2、直波导1、直波导2、S型弯曲波导3、S型弯曲波导4、梯形波导4、梯形波导5和梯形波导6均为单模波导；

所述S型弯曲波导1、S型弯曲波导2、直波导2、S型弯曲波导3和S型弯曲波导4的宽度相同；

所述S型弯曲波导1和S型弯曲波导2的长度不同；

所述S型弯曲波导3和S型弯曲波导4的长度不同；

所述直波导1和直波导2的长度相同，宽度不同；

所述梯形波导1、多模波导1、梯形波导2和梯形波导3构成光分路结构；

所述梯形波导4、梯形波导5、多模波导2和梯形波导6构成光合路结构；

所述梯形波导2、S型弯曲波导1、直波导1、S型弯曲波导3和梯形波导4构成上支路；所述梯形波导3、S型弯曲波导2、直波导2、S型弯曲波导4与梯形波导5构成下支路。光波在上支路与下支路中传播产生相位差该相位差与光波波长是非线性关系，表示为

其中为上支路与下支路中直波导的相位差，为上支路与下支路中S型弯曲波导的相位差

其中L_arm为直波导1和直波导2的长度，n_eff1(λ)为直波导1(7)的有效折射率，n_eff2(λ)为直波导2(8)、S型波导1、S型波导2、S型波导3和S型波导4的有效折射率，ΔL_s为上支路中S型波导1和S型波导3的总长度与下支路中S型波导2和S型波导4的总长度的差值。

上支路与下支路中的光波分别经梯形波导4和梯形波导5进入多模波导2，合路后经梯形波导6输出。上支路与下支路的光波在合路过程中发生干涉，经梯形波导6输出的干涉光波的功率表示为

其中P_in为进入梯形波导1的光波功率。

实施例。

图2是本发明实施例基于光谱分裂的集成波导光学生化传感器系统。宽谱光源发出一定光谱宽度的光波经梯形波导1进入多模波导1，分成两路由梯形波导2和梯形波导3分别输出，图3是梯形波导1、多模波导1、梯形波导2和梯形波导3构成光分路结构图，其中：W₂＝1μm，L_{taper_M}＝62μm，W_taper＝2.2μm，D＝4.6μm，W_M＝9μm，L_M＝74μm。图4是光波在该光分路结构中传播的仿真结果。光波从梯形波导2和梯形波导3分别进入上支路与下支路中传播。

待测溶液由微流控通道流经上支路与下支路。图5是传感器中直波导1和直波导2的横截面结构图。直波导1的芯层宽带W₁＝1.4μm，直波导2的芯层宽度W₂＝1μm，直波导1和直波导2的芯层高度H＝1.2μm。光波在上支路与下支路中传播，倏逝波与波导上包层的待测溶液发生相互作用。图6是不同折射率n_c的待测溶液流经上支路与下支路的条件下，光波在上支路与下支路中传播产生相位差。由图6可以看出相位差与光波波长是非线性的关系。图7是上支路与下支路中的光波经由梯形波导4、梯形波导5和多模波导2构成的光合路结构后输出至光谱分析仪测量得到的光谱图。可以看出，因相位差与光波波长的非线性关系，当待测溶液的折射率发生改变时，输出光谱发生急剧分裂，干涉极小值的波长发生分离。图8给出了待测溶液折射率改变量与干涉极值波长分离量的对应关系曲线。根据图8，通过检测干涉极值波长的改变量，获知上包层折射率的改变量Δn_c，进而得到待测溶液的浓度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明阐述的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以同等替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之列。