度远远大于lOOOnm的条形波导)具有相近的波长漂 移量，减小了平板波导的溫度相关性引起的检测误差，同时该宽度下阵列波导具有较大的 制作容差。
[0037] 确定好传感微环4和阵列波导光栅11的波导尺寸后，我们就需要确定阵列波导光 栅11在中屯、输入端1〇6输入时各输出通道对应的中屯、响应波长λ_?_Ι〇,在设计中，我们设计 阵列波导光栅具有16个输出通道且通道间距为0.8nm，同时所设计的传感微环4的自由光谱 范围应大于设计的阵列波导光栅11的通道间距和通道个数的乘积(0.8X 16=12.8nm)，阵 列波导光栅11的输出通道序数为1~16,每一个通道对应的中屯、响应波长为1544.4nm~ 1556.4nm，步长为0.8nm，然而在实际制作的忍片中，我们需要利用关于6(输入端1〇)对称的 8 (输入端1-1)和9 (输入端Ii)来推算出6输入时对应的各输出通道的中屯、响应波长λ_?_Ι〇。 在设计好各输出通道对应的中屯、输出波长后，我们需要设计6的展宽区域7的末端宽度16， 假设设计的阵列波导光栅的输出阵列波导12与19连接的入口宽度14为0.8μπι，相邻输出通 道中屯、间距为1.5μπι，为使6输入时的输入场21能被10/3个相邻输出通道接收，选择7的末端 宽度16为1.5Χ 10/3 = 5 皿。
[003引接下来，我们考虑传感微环4中的溶液折射率从1.325变化到1.345且步长为 0.005，同时外界溫度分别为0°C，室溫25°C，50°C，80°C时，传感微环4的直通输出端3计算出 的波长漂移量和对探测器阵列20中检测到的功率值利用重屯、算法推算出的波长漂移量。图 9给出了室溫25°C时，当水溶液的折射率为1.325时，传感微环的中屯、谐振波长为1550nm的 光经过阵列波导的中屯、输入端6进入阵列波导光栅11中传输后在阵列波导光栅的各输出通 道12中得到的功率分布示意图，可W看出整个功率在输出通道中的分布关于通道8对称，且 通道8的功率最大，而AWG中通道8的设计中屯、波长为1550nm，图10给出了外界溫度为50°C 时，在阵列波导光栅的各输出通道12中检测到的传感微环在环境溫度变化引起的谐振中屯、 波长变化后得到的各通道输出功率分布图，从该图看出该功率分布仍然关于通道8(中屯、响 应波长为1550nm)呈对称分布，并且通道8中功率最大，由此证明了所设计忍片的无热化特 性，即阵列波导光栅的各输出通道中检测到的功率分布不随外界环境溫度的变化而变化。 图11给出了 25°C时，传感区域包层为折射率为1.335的水溶液时阵列波导光栅的各输出通 道中检测到的功率分布示意图，从该图看出由于传感区域包层折射率的变化引起的传感微 环谐振中屯、波长的变化引起了阵列波导光栅的各输出通道中检测到的功率分布变化，相比 于图9，图11的最大功率值出现在通道10且功率分布没有对称性。图12给出了50°C时，在该 水溶液中，阵列波导光栅的各输出通道中检测到的功率分布示意图，可W看出图11和图12 具有相同的功率分布，再一次证明了所设计忍片的溫度不敏感特性。根据阵列波导光栅中 标定的各通道中屯、响应波长1544.4皿~1556.4皿(间隔0.8皿)和各通道中检测到的功率分 布大小，我们得到了外界环境溫度分别为0°C、25°C、5(TC和80°C时，传感区域在不同折射率 的水溶液中时利用传感微环的直通输出端3得到的波长漂移量W及利用重屯、算法得到的阵 列波导光栅中检测到的波长漂移量，如图13所示，其中，线条表示利用传感微环的直通输出 端3计算出的波长漂移，离散点表示利用重屯、法根据阵列波导光栅各输出通道中的检测结 果推算出的波长漂移，从该图可W看出，传感微环的谐振中屯、响应波长的漂移与外界环境 溫度和水溶液的折射率有关，但是无论外界溫度怎么变化，只要传感微环中检测溶液不变， 那么对阵列波导光栅的各输出通道中的功率分布利用重屯、法推算出的波长漂移量就始终 恒定，并且随着传感微环上包层溶液浓度的变化，阵列波导光栅中推算出的波长漂移大小 分布在室溫25Γ时通过传感微环的直通输出端3计算得到的波长漂移线上，运充分说明我 们设计的生物传感器忍片是溫度不敏感的，并且波长的漂移只与传感微环上包层溶液（即 分析物）的折射率变化有关，并且直接检测微环直通输出端得到的波长漂移量(室溫下）和 对阵列波导光栅利用重屯、法推算出的波长漂移量相同，运进一步说明所设计忍片检验结果 的可靠性。
[0039]此外，图2还给出了并列式传感检测的生物传感器忍片示意图，它除了传感检测区 域含有N(N含2)个不同周长的传感微环外，其他设计参数都与前面设计相同，关于各个微环 的中屯、响应波长检测，只需将阵列波导光栅的输出阵列波导12分成N(N> 2)个独立的部分， 每一部分对应于一个传感微环的检测，互不干扰，接着在对每一独立部分利用前面所述的 重屯、方法进行检测。
【主权项】
1. 一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片，其特征在于:包括一个集成的宽带 光源、至少一个微环的传感区域、一个阵列波导光栅、一个集成的探测器阵列，所述的宽带 光源和微环传感区域的输入端相连接，所述的阵列波导光栅包括三条输入阵列波导和至少 三条输出阵列波导，所述的三条输入波导中的中间一条输入波导和微环传感区域的下载端 输出波导相连接，其余两条输入波导关于中间输入波导呈对称分布，所述的至少三条输出 波导和一个具有相同数目的探测器阵列相连接;传感微环在检测物质中随外界环境温度变 化的波长漂移量和阵列波导光栅随外界环境温度变化的波长漂移量相同，即传感微环和阵 列波导光栅具有相同的温度相关性。2. 如权利要求1所述的无热的片上集成的光波导生物传感器芯片，其特征在于:所述阵 列波导光栅具有三根输入波导，分别标记为I-^Io和Ho为中心输入波导且与微环传感区 域的下载端输出波导相连接，I-dPIi关于1〇对称，输入波导1〇和阵列波导光栅的第一个平板 波导之间插入了一段线性锥形展宽区域，同时输入波导I-dPIi在与阵列波导光栅第一个平 板波导的连接处的入口宽度和输出阵列波导在与第二个平板波导的连接处的入口宽度相 同。3. 如权利要求1或2所述的无热的片上集成的光波导生物传感器芯片，其特征在于:所 述的微环传感区域含有多个微环时，各微环之间具有相同的波导结构参数以及不同的环周 长D
【专利摘要】一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片，包括一个集成的宽带光源、至少一个微环的传感区域、一个阵列波导光栅、一个集成的探测器阵列，所述的宽带光源和微环传感区域的输入端相连接，所述的阵列波导光栅包括三条输入阵列波导和至少三条输出阵列波导，所述的三条输入波导中的中间一条输入波导和微环传感区域的下载端输出波导相连接，其余两条输入波导关于中间输入波导呈对称分布，所述的至少三条输出波导和一个具有相同数目的探测器阵列相连接；传感微环在检测物质中随外界环境温度变化的波长漂移量和阵列波导光栅随外界环境温度变化的波长漂移量相同。本发明降低基于微环的光波导传感器的检测成本及有效解决微环传感器面临的温度相关问题。
【IPC分类】G01N21/17, G01N21/01
【公开号】CN105628621
【申请号】CN201610074056
【发明人】邹俊, 乐孜纯
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年2月2日