基于串联lpwg的生化传感器的分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于集成光学领域、生物光子学领域W及光谱分析领域，具体设及长周期 波导光栅的模式禪合与传输特性，W及生化传感机理中定性与定量分析模型与方法。
【背景技术】
[0002] 目前，对于国内外研制的生化传感器，无论是基于电化学原理、微流控技术还是基 于光学原理进行检测的生化传感器，通常在器件与被测物质的接触面淀积生化敏感膜，根 据通过敏感膜对特定物质的吸附或与其发生物理化学变化来完成被测物质的选择与区分， 而且需要体积较大的棱镜与光环形器。该种设计方案，不但增加了器件的设计复杂性，还会 增加传感器的尺寸与成本，而且每一种敏感膜通常仅能对一种相应物质进行定性，敏感膜 会随着使用时间及使用频率的增加出现选择性变差，并产生交叉敏感性，该样会降低传感 器的灵敏度及检测效率，造成定性不准确。
[0003] 精确的折射率巧I)传感对于科学研究和工业应用来说非常重要。因为基本所有 的生物和化学物质的定量检测都可W通过检测其折射率来实现，所W，对于生化传感来说 准确解析被测物质的折射率是一个先决条件。通常被检测物质需要通过水作为溶剂并作 为载体被送入检测区域，如果所选检测光源波段包含水的吸收信息，则不能完成定量或是 会对定量结果产生较大影响。该样的话就只能选择特定波段的检测光源，该就限制了检测 范围。特别是在中远红外波段，基本所有物质（包含生化气体、液体）的基频吸收信息都 在中远红外波段，物质的吸收系数要比在近红外波段大1?2个数量级，会大大提高检测灵 敏度，然而在中远红外波段，水的吸收很强，该种挑战性问题的出现给生化检测带来极大困 扰。可见，在生化传感器的研究过程中含水物质对生化传感中定量问题的不利影响进行深 入研究将是非常必要的。
【发明内容】
[0004] 本发明为解决的上述技术问题，提出一种基于串联LPWG的生化传感器的分析方 法。
[0005] 本发明采用的技术方案是；基于串联LPWG的生化传感器的分析方法，所述传感 器包括巧层与被测包层，巧层在与被测包层相接触的一侧向被测包层方向延伸出LPWGi和 LPWG2,所述方法具体包括W下步骤：
[0006] S1 ;入射光经巧层第一端进入，部分光经LPWGi禪合进入被测包层，部分光沿巧层 传输；
[0007] S2 ;沿被测包层传输的部分光经LPWG2禪合进入巧层；
[000引 S3 ;由步骤S2得到的部分光与步骤S1的巧层中同向传播的部分光干设输出，得到 输出谱，计算分析输出谱中谐振波长的偏移量及其中物质的吸收光谱信息。
[0009] 进一步地，步骤S1中，能够经LPWGi禪合进入被测包层的部分光为W谐振波长为 中屯、的一定带宽范围的光。
[0010] 更进一步地，所述巧层为矩形波导，所述被测包层为矩形波导。
[0011] 进一步地，其特征在于，所述步骤S1具体为：入射光从波导第一端进入，经过长度 为Li的LPWG 1后，忍层模与被测包层模的输出振幅分别为A。。(Li)与Ad (Li)，
[0012]
【主权项】
1. 基于串联LPWG的生化传感器的分析方法，其特征在于，所述传感器包括巧层与被测 包层，巧层在与被测包层相接触的一侧向被测包层方向延伸出第一长周期波导光栅LPWGi 和第二长周期波导光栅LPWG,，所述方法具体包括W下步骤： 51 ;入射光经巧层第一端进入，部分光经第一长周期波导光栅LPWGi禪合进入被测包 层，部分光沿巧层传输； 52 ;沿被测包层传输的部分光经第二长周期波导光栅LPWG2禪合进入巧层； 53 ;由步骤S2得到的部分光与步骤S1的巧层中同向传播的部分光干设输出，得到输出 谱，计算分析输出谱中谐振波长的偏移量及其中物质的吸收光谱信息。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，能够经第一长周期波导光栅 LPWGi禪合进入被测包层的部分光为W谐振波长为中屯、的一定带宽范围的光。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述巧层为矩形波导，所述被测包层为矩 形波导。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：入射光从波导第一 端进入，经过长度为Li的第一长周期波导光栅LPWG1后，巧层模与被测包层模的输出振幅分 另IJ为 Ac"(Li)与 Aci(Li)，
其中，A为第一长周期波导光栅LPWGi的周期，Li为第一长周期波导光栅LPWGi K. sin(.v,L) 的长度，^为第一长周期波导光栅LPWGi常数，n二1 f 1 1为第一长周期波 A Ai 导光栅LPWGi处被测包层模的幅度，K 1表示第一长周期波导光栅LPWGi的禪合系数， 二为第一长周期波导光栅LPWGi处巧层模的幅度，a2 = S<+(^)2中的Si 为与第一长周期波导光栅LPWGi有关的常数，表示转置，5为第一长周期波导光 栅LPWGi自禪合系数，
为光经过长度为Li的第一长周期波导 光栅LPWGi后的相移，为巧层模的有效折射率，为被测包层模的有效折射率，
为第一长周期波导光栅LPWGi的相位失配因子，入 表示谐振中屯、波长，4。。(0)表示巧层模初始位置的振幅，Ati(O)表示被测包层模初始位置的 振幅。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括步骤S20 ;经过长度为 d的波导，剧1模与被测包层模的输出振幅分别为4。。江1+(1)与Ad(Li+d); >
其中，d为第一长周期波导光栅LPWGi与第二长周期波导光栅LPWG2的连接波导的长度。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：经过长度为L 2的 第二长周期波导光栅LPWG2后，巧层模与被测包层模的输出振幅分别为At"(Li+d+L2)与 Aci(Li+d+L2);
其中，A为第二长周期波导光栅LPWG2的周期，L2为第二长周期波导光栅LPWG2的长度， 为第二长周期波导光栅LPWG2常数，>'2 = ^2 5描杉知为第二长周期波导光栅LPWG2 A ^2 处被测包层模的幅度，K 2表示第二长周期波导光栅LPWG 2的禪合系数，二小-r^心为第 二长周期波导光栅LPWG2处巧层模的幅度，.V;2 = +(^)2中的S2为与LPWG 2有关的常 数，
为光经过长度为L2的第二长周期波导光栅LPWG 2后相移， 游=度。-成-足2=竿(^；；->^;;?-孚)为第二长周期波导光栅1^2的相位失配因子，入 A A 表不谐振中屯、波长。
7. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：将巧层模输出与 被测包层模输出进行干设得到输出谱，计算分析输出谱中谐振波长的偏移量及其中物质 的吸收光谱信息，同时计算出巧层模输出与被测包层模的输出功率分别为T(Li+d+L2)与 Rdi+d+La),
其中，I I ? I I2表示对矩阵先做"行列式"运算，然后进行"模"的运算。
8. 根据权利要求4至7任意一项所述的方法，其特征在于，所述传感器参数由W下方法 步骤确定： 501 ;用Marcatili方法确定出针对谐振波长的入射波长范围内单模工作的矩形波导 巧层几何尺寸W及巧层的参数； 所述矩形波导巧层几何尺寸具体包括；巧层的宽度a,巧层的高度h，光栅的深度Ah ; 所述巧层模的参数具体包括：传输常数0。。，沿x、y方向的传输常数K,、Ky，并计算出在 谐振中屯、波长A下的巧层模有效折射率iV苗； 502 ;用Marcatili方法确定矩形波导被测包层的几何尺寸W及被测包层模的参数； 所述矩形波导被测包层几何尺寸具体包括：被测包层的宽度b，被测包层的高度h ; 所述被测包层模的参数具体包括；传输常数0。1，沿x、y方向的传输常数K,、Ky，并计算
出在谐振中屯、波长A下的被测包层模有效折射率 S03 ;根据巧层模的有效折射率Wg苗W及被测包层模的有效折射率W品，利用LPWG的相 位匹配条件/i = A(7VJ-iV^，确定LPWG的周期A。
【专利摘要】本发明公开一种基于串联LPWG的生化传感器的分析方法，通过利用LPWG的耦合特性，将入射光波中以谐振波长为中心的一定带宽范围的光，通过LPWG1耦合进入被测包层，经过LPWG2再将此部分光耦合进入波导芯层，与波导芯层中同向传输的基模干涉输出。当被测物质变化时，输出谱中的谐振波长会发生偏移，通过检测偏移量可计算被测物质浓度。分析输出谱中液体的吸收光谱信号，实现被测物质的定性。本发明的方法一方面解决了传统生化传感器依靠价格昂贵且检测指标单一的特定敏感膜来定性的问题；另一方面解决了含水液体定量检测中需避开水的吸收波段所带来的带宽受限问题。
【IPC分类】G01N21-31
【公开号】CN104596958
【申请号】CN201510024712
【发明人】王玲芳, 陈开鑫, 张梦若
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月19日