专利名称：基于光强探测的高灵敏度传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光传感领域，尤其涉及一种基于光强探测的高灵敏度传感系统。
背景技术：
生物和化学传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。光学传感器是传感技术的重要组成部分，其基本原理是被测物质与光场相互作用，从而使光场的某些参量(如波长、相位、偏振、光强等)发生变化。集成光波导传感器具有抗电磁干扰、耐恶劣环境(如高温、核辐射等)、选择性好、灵敏度高、响应快、便于集成等优点，在临床医学、生物工程、食品工业、环境污染等领域展现出十分广阔的应用前景。集成光波导传感器通常采用干涉或者谐振等原理。采用谐振原 理的集成光波导传感器具有灵敏度高，能耗低，易于集成等优点而被广泛地研究。基于谐振原理的集成光波导传感器，为了获得高的灵敏度和低的探测极限，通常要求微腔的Q很高(-106)。这使得传感器的制备对工艺的要求很苛刻。基于谐振原理的集成光波导传感器通常还需要高灵敏度的光谱仪或者稳定性高、带宽窄的激光光源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高灵敏度、集成度高的传感系统，具有降低了光传感系统的成本、灵敏度很高、探测极限小和降低了工艺要求的优点。为达到上述目的，本发明提供了一种基于光强探测的高灵敏度传感系统，包括一光源；—第一 3dB光分束器,其输入端与光源连接,用于光的分束；—第一光功率计，其输入端与第一 3dB光分束器的第一输出端连接；—传感芯片，其输入端与第一 3dB光分束器的第二输出端连接；—第二光功率计，其输入端与传感芯片的输出端连接；一处理器，其输入端与第一光功率计和第二光功率计的输出端连接，用于对数据的处理、分析。从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果I.本发明设计简单、制备方便、与标准的CMOS工艺兼容、易于集成。2.本发明不需要光谱仪、激光器等昂贵设备，从而极大的降低了光传感系统的成本。3.本发明的灵敏度很高，探测极限小。4.本发明对微腔Q因子等因素的要求很低，降低了工艺要求。5.本发明的传感特性对光源的强度、3dB带宽等因素不敏感，降低了光源的要求。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中图I是结构示意图，其中图I (a)是基于光强探测的高灵敏度传感系统的结构示意图；图1(b)是传感芯片的结构示意 图2是光谱图，其中
图2 (a)是入射光源的光谱图；图2 (b)是进入第一光功率计的光束的光谱图；图2(c)是当被测物质为纯净的去离子水(折射率为I. 33)时，进入第二光功率计的光束的光谱图；图3是当样品槽内折射率变化为10_2，进入第二光功率计的光束的光谱图；图4是参考微腔下载光束在λ = I. 55 μ m附近的归一化光谱分布图。
具体实施例方式请参阅图I所示，本发明提供一种基于光强探测的高灵敏度传感系统，包括一光源 I ;—第一 3dB光分束器2,其输入端与光源I连接,用于光的分束；—第一光功率计3,其输入端与第一 3dB光分束器2的第一输出端21连接；—传感芯片4,其输入端与第一 3dB光分束器2的第二输出端22连接；—第二光功率计5,其输入端与传感芯片4的输出端连接；—处理器6,其输入端与第一光功率计3和第二光功率计5的输出端连接,用于对数据的处理、分析。第一 3dB光分束器2的输入端通过光纤与光源I相连接，第一 3dB光分束器2的第一输出端21通过光纤与第一光功率计3相连接,第一 3dB光分束器2的第二输出端22通过光纤与传感芯片4的输入端相连接。传感芯片4的输出端通过光纤与第二光功率计5相连接，第二光功率计5和第一光功率计3记录的数据导入处理器6后，进行传感数据的处理分析。其中第一 3dB光分束器2是光纤3dB光分束器或光波导3dB光分束器。其中一传感芯片4包括一第二 3dB光分束器10、一 2X1光合束器40、一传感微腔20、一参考微腔30和一样品槽50。其中，第二 3dB光分束器10的输入波导11为传感芯片4的输入端；2X I光合束器40的光输出波导43为传感芯片4的输出端；第二 3dB光分束器10和2 X I光合束器40可以是Y型、丽I型或者定向耦合型；传感微腔20的一侧与第二 3dB光分束器10的第一输出波导12耦合，该传感微腔20的另一侧与2X I光合束器40的第一光输入波导41稱合,其稱合方式为横向稱合或者垂直稱合；参考微腔30的一侧与第二 3dB光分束器10的第二输出波导13耦合，该参考微腔30的另一侧与2X I光合束器40的第二光输入波导42耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合，该参考微腔30与上述传感微腔20的自由频谱宽不同；参考微腔30与传感微腔20是微环、微盘、微球或光子晶体微腔；样品槽50用于容置传感微腔20。其中用于制作该传感芯片的材料是SOI、有机物或者硅基二氧化硅。光源I发出的光经过第一 3dB光分束器2分束后，分别进入第一光功率计3和传感芯片4。进入传感芯片4的光，由传感芯片4处理且与被测物质相互作用后进入第二光功率计5。进入第一光功率计3和第二光功率计5的光，分别经第一光功率计3和第二光功率计5测量后得到参考信号和探测信号。参考信号和探测信号由处理器6处理得到最终的传感信号。入射光由第二 3dB光分束器10的输入波导11进入传感芯片4。进入传感芯片4的光由第二 3dB光分束器10分束后分别与 传感微腔20和参考微腔30相耦合。耦合进入传感微腔20和参考微腔30的光分别耦合进入2X1光合束器40的第一光输入波导41和
2X I光合束器40的第二光输入波导42，两束光经2 X I光合束器40干涉后由2 X I光合束器40的光输出波导43输出。光源发出的光经过第一 3dB光分束器10分束后，分别进入第一光功率计3和传感芯片4。则，进入第一光功率计3的光束和传感芯片4的光束分别表示为Er = E01 == 二^其中，E0为入射光的电场强度。第二 3dB光分束器10的输入波导处的电场Etl2经过第二 3dB光分束器10分束后,第二 3dB光分束器10的第一输出波导12处的电场E11和第二 3dB光分束器10的第二输出波导13处的电场E12分别为E11 == ^E12 ==—第二 3dB光分束器10的第一输出波导12处的电场E11和第二 3dB光分束器10的第二输出波导13处的电场E12分别经过传感微腔20和参考微腔30后，2 X I光合束器40的第一光输入波导41处的电场E21和2 X I光合束器40的第二光输入波导42处的电场E22分别为
υ..λ:Τ-,
- · - ~ 5"P — E^ (■ ~_) ■■* 2
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Ζ 2 IAse ^0j〔λ) 丁2,丨其中A1和k2分别是微腔与第二 3dB分束器10和2X I光合束器40的耦合因子。τ :和τ2分别是微腔与第二 3dB分束器10和2X I光合束器40的传输因子。式中，As和
Ar分别为光在传感微腔20和参考微腔30内的传输损耗。在波长λ处，2X1光合束器40的光输出波导43处的光强Is(A)为IsO) = (E21+E22) * ((Ε21+Ε22)*)若入射光的光谱分布为& ( λ )，则进入第一光功率计3和第二光功率计5的光强分别为Is =J^ccJc(A) * I, (λ)]αλIr = Jo ；fc (λ) — Ir(A)]dl = Jc If0(A) — ；Er(A) * Ε;〔λ)])αλ最终的传感信号为S = Is/Ir下面通过一个实施例，对本发明提供的基于光强探测的高灵敏度传感系统作进一步的详细说明。实例参照图1(a)，本发明是一种基于光强探测的高灵敏度传感系统，包括一光源I、一第一 3dB光分束器2、一第一光功率计3、一第二光功率计5、一处理器6和一传感芯片4。参照图I (b)，传感芯片4包括一第二 3dB光分束器10、一 2X I光合束器40、一传感微腔20、一参考微腔30和一样品槽50。以SOI材料为例，波导截面尺寸为220nmX500nm，参考微环30的半径为150 μ m， 传感微环20的半径为149. 13 μ m。参照图2，当被测物质为纯净的去离子水(折射率为I. 33)时，由于参考微腔30与传感微腔20的结构、有效折射率略有差别，故传感微腔20与参考微腔30的自由光谱宽不相等。为了降低传感系统的成本，选择宽带光源为入射光源。本发明，光源I以3dB带宽为IOnm的LED为例。图2 (a)是光源I的光谱图。图2 (b)是进入第一光功率计3的光束的光谱图。参照图2(c)为进入第二光功率计5的光束的光谱图，最终的传感信号为2. 745dB。参照图3，当样品槽内折射率变化为10_2时，传感微腔20的有效折射率发生改变，引起传感光束谐振波长、相位等因素的变化。图3为进入第二光功率计5的光束的光谱图。当样品槽50内折射率变化为10-2时，最终的传感信号由2. 252dB变为4. 343dB。故本发明的灵敏度为209. ldB/RIU。若功率计的相对测量精度为O. OldB，则本发明的探测极限为 4. 782 X IO-5RIU0由于传感信号为进入第一光功率计3的光强和第二光功率计5的光强的比值,从而光源I的强度涨落对传感信号影响很小。当光源I的3dB带宽由5nm变为15nm时,本发明的灵敏度仅由207. 7dB/RIU变为210. OdB/RIU。从而，光源强度的涨落、3dB带宽等因素对本发明的传感性能影响很小。参照图4，参考微腔30下载光束在λ = 1.55μπι附近的归一化光谱分布图，可得Q因子约为3. 3Χ 103。上述结果是在传感微腔20和参考微腔30损耗很大、Q因子很低的情况下取得的，因此本发明对微腔损耗、Q因子等要求低，从而降低了对工艺的要求。以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式
而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于光强探测的高灵敏度传感系统，包括 一光源; 一第一 3dB光分束器,其输入端与光源连接,用于光的分束； 一第一光功率计，其输入端与第一 3dB光分束器的第一输出端连接； 一传感芯片，其输入端与第一 3dB光分束器的第二输出端连接； 一第二光功率计，其输入端与传感芯片的输出端连接； 一处理器，其输入端与第一光功率计和第二光功率计的输出端连接，用于对数据的处理、分析。
2.根据权利要求I所述的基于光强探测的高灵敏度传感系统，其中传感芯片包括 一第二 3dB光分束器,包括一输入波导、一第一输出波导和一第二输出波导； 一传感微腔，其一侧与第二 3dB光分束器的第一输出波导耦合； 一参考微腔，其一侧与第二 3dB光分束器的第二输出波导稱合； —2X1光合束器,包括一第一光输入波导、一第二光输入波导和一光输出波导，所述2X1光合束器的第一光输入波导与传感微腔的另一侧耦合，第二光输入波导与参考微腔的另一侧耦合； 一样品槽，用于容置传感微腔。
3.根据权利要求I所述的基于光强探测的高灵敏度传感系统，其中第一3dB光分束器是光纤3dB光分束器或光波导3dB光分束器。
4.根据权利要求2所述的基于光强探测的高灵敏度传感系统，其中第二3dB光分束器和2X I光合束器是Y分支型、多模干涉型或者定向耦合型。
5.根据权利要求2所述的基于光强探测的高灵敏度传感系统，其中传感微腔和参考微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
6.根据权利要求2所述的基于光强探测的高灵敏度传感系统，其中传感微腔与第二3dB光分束器的第一输出波导的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
7.根据权利要求2所述的基于光强探测的高灵敏度传感系统，其中传感微腔与2X1光合束器的第一光输入波导的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合ο
8.根据权利要求2所述的基于光强探测的高灵敏度传感系统，其中参考微腔与第二3dB光分束器的第二输出波导的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
9.根据权利要求2所述的基于光强探测的高灵敏度传感系统，其中参考微腔与2X1光合束器的第二光输入波导的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合 ο
10.根据权利要求1-9任一项所述的基于光强探测的高灵敏度传感系统，其中用于制作该传感芯片的材料是SOI、有机物或者硅基二氧化硅。
全文摘要
一种基于光强探测的高灵敏度传感系统，包括一光源；一第一3dB光分束器，其输入端与光源连接，用于光的分束；一第一光功率计，其输入端与第一3dB光分束器的第一输出端连接；一传感芯片，其输入端与第一3dB光分束器的第二输出端连接；一第二光功率计，其输入端与传感芯片的输出端连接；一处理器，其输入端与第一光功率计和第二光功率计的输出端连接，用于对数据的处理、分析。具有降低了光传感系统的成本、灵敏度很高、探测极限小和降低了工艺要求的优点。
文档编号G01D5/32GK102636200SQ20121005267
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者吴远大, 安俊明, 张家顺, 张晓光, 李建光, 王玥, 王红杰, 胡雄伟 申请人:中国科学院半导体研究所