雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，包括一個平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)和一條反饋波導(dǎo)回路，所述平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)包括：一條輸入直波導(dǎo)、一條輸出直波導(dǎo)、一個嵌套了馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)MZI的微環(huán)諧振腔。本發(fā)明通過采用一個平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)、一條反饋波導(dǎo)回路、一個輸入光柵垂直耦合器和一個輸出光柵垂直耦合器，基于游標(biāo)效應(yīng)，使得非平衡馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)和雙通平行信道微環(huán)諧振腔的傳輸譜相疊加，獲得具有更高靈敏度、更寬可探測動態(tài)范圍和更大性噪比的傳感特性譜圖。
【專利說明】雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光生化傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光子學(xué)技術(shù)的日趨成熟以及它在生物和化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴展，光學(xué)生化傳感器的應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了生化傳感器的諸多領(lǐng)域，成為當(dāng)今生化傳感器件的重要組成部分。生化傳感器不僅廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，而且還在環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)作物保護、國土安全等方面有著廣泛的應(yīng)用。光學(xué)生化傳感器是一種以某種生物化學(xué)成分為敏感基元，以光學(xué)信號為載體，對目標(biāo)檢測物具有高選擇性和高靈敏度的檢測器件。生化傳感器通常是對氣體、液體、生物大分子等微流體進行檢測，待分析的樣本至少覆蓋整個波導(dǎo)器件的上方區(qū)域，待分析樣本濃度的變化或免疫反應(yīng)的發(fā)生都將改變波導(dǎo)包層的折射率，該變化被光波的倏逝場分量所感應(yīng)，從而引起光波模式有效折射率的改變，并使得光在環(huán)中的傳輸性質(zhì)發(fā)生變化。通過測量光場的變化量就可以知道待測物質(zhì)的信息。
[0003]基于消逝波傳感的光學(xué)生化傳感器近年來被廣泛應(yīng)用于生物分子檢測、水體中重金屬成分分析以及空氣污染監(jiān)測等領(lǐng)域。目前較常用的光波導(dǎo)型的生化傳感器主要有基于表面等離子體型(SPR)、環(huán)形諧振腔型(MRR)、馬赫曾德爾干涉儀型(MZI)以及光柵型(Grating),它們各自存在自己的優(yōu)勢和不足。微環(huán)諧振腔由于具有尺寸小、集成度高、諧振增強等特點，是生物傳感器常選用的結(jié)構(gòu)之一。特別是近年來，隨著游標(biāo)效應(yīng)的深入研究，基于游標(biāo)效應(yīng)的雙環(huán)級聯(lián)微環(huán)諧振腔已實現(xiàn)了超高靈敏度的光學(xué)傳感。馬赫曾德爾干涉結(jié)構(gòu)由于其自由光譜范圍(FSR)大的特點同樣也得到了廣泛的應(yīng)用?；谟螛?biāo)效應(yīng)可以同時利用微環(huán)諧振腔和MZI各自的優(yōu)勢實現(xiàn)超緊湊、高靈敏度、大自由光譜范圍的光學(xué)生化傳感器。但在目前常見的結(jié)構(gòu)中，通道利用率低，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，微環(huán)諧振腔的諧振效應(yīng)還未得到充分利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有生化傳感器通道效率低、結(jié)構(gòu)不緊湊的缺點而提供一種雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，包括一個平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)和一條反饋波導(dǎo)回路，所述平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)包括:一條輸入直波導(dǎo)、一條輸出直波導(dǎo)、一個嵌套了馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)MZI的微環(huán)諧振腔，所述嵌套了 MZI的微環(huán)諧振腔包括:第一直波導(dǎo)、第一左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)、第一右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)、第二直波導(dǎo)、環(huán)形波導(dǎo)以及第三直波導(dǎo)，所述反饋波導(dǎo)回路包括:第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)、第八直波導(dǎo)、第二右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)，所述第二直波導(dǎo)和第三直波導(dǎo)共線，所述輸入直波導(dǎo)、輸出直波導(dǎo)、第一直波導(dǎo)、第八直波導(dǎo)平行與第二直波導(dǎo)和第三直波導(dǎo)平行；輸入直波導(dǎo)依次包括第一輸入端、第四直波導(dǎo)、第二輸入端；輸出直波導(dǎo)依次包括第一輸出端、第五直波導(dǎo)、第六直波導(dǎo)、第七直波導(dǎo)以及第二輸出端；
[0006]所述第一左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第一直波導(dǎo)的第一端和第二直波導(dǎo)的第一端，第一右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第一直波導(dǎo)的第二端和第三直波導(dǎo)的第二端，環(huán)形波導(dǎo)的兩端分別延伸出第二直波導(dǎo)的第二端和第三直波導(dǎo)的第一端；第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第八直波導(dǎo)的第一端和輸出直波導(dǎo)的第一輸出端的第一端；第二右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第八直波導(dǎo)的第二端和輸入直波導(dǎo)的第二輸入端的第二端；
[0007]所述第一直波導(dǎo)與第四直波導(dǎo)構(gòu)成第一方向I禹合器，所述第二直波導(dǎo)與第五直波導(dǎo)構(gòu)成第二方向I禹合器，所述第三直波導(dǎo)與第七直波導(dǎo)構(gòu)成第三方向I禹合器，所述環(huán)形波導(dǎo)與第六直波導(dǎo)構(gòu)成馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形波導(dǎo)作為馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的彎曲臂，所述第六直波導(dǎo)作為馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的直臂。
[0008]進一步的，還包括一個輸入光柵垂直稱合器和一個輸出光柵垂直稱合器，所述輸入光柵垂直I禹合器的末端延伸出輸入直波導(dǎo)的第一輸入端，輸出直波導(dǎo)的第二輸出端延伸出輸出光柵垂直I禹合器的始端。
[0009]進一步的，所述環(huán)形波導(dǎo)包括第一 1/4左圓環(huán)、第二半圓環(huán)、第一 1/4右圓環(huán)，第一
1/4左圓環(huán)的兩端分別延伸出第二直波導(dǎo)的第二端和第二半圓環(huán)的第一端，第一 1/4右圓環(huán)的兩
端分別延伸出第二半圓環(huán)的第二端和第三直波導(dǎo)的第一端，所述第一 1/4左圓環(huán)、第一1/4右
圓環(huán)的內(nèi)徑與第二半圓環(huán)的內(nèi)徑相切，且第一1/4左圓環(huán)、第二半圓環(huán)、第一1/4右圓環(huán)之間的
連接處呈平滑連接。
[0010]進一步的，所述第一1/4左圓環(huán)和第一1/4右圓環(huán)的內(nèi)徑為R2，第二半圓環(huán)的內(nèi)徑為R3，所述R2和R3相等。
[0011]更進一步的，所述第一左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)和第一右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的半徑為R1，所述Rl大于R2、R3。
[0012]更進一步的，所述第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的半徑為R4，所述R4大于R1。
[0013]更進一步的，所述第二右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的半徑為R5，所述R5小于R4。
[0014]進一步的，所述輸入直波導(dǎo)、輸出直波導(dǎo)與所述環(huán)形波導(dǎo)之間的耦合通過第一方向率耦合器、第二方向耦合器和第三方向耦合器實現(xiàn)。
[0015]進一步的，所述波導(dǎo)為無源脊形波導(dǎo)或條形波導(dǎo)。
[0016]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器通過采用一個平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)、一條反饋波導(dǎo)回路、一個輸入光柵垂直耦合器和一個輸出光柵垂直耦合器，基于游標(biāo)效應(yīng)，使得非平衡馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)和雙通平行信道微環(huán)諧振腔的傳輸譜相疊加，獲得具有更高靈敏度、更寬可探測動態(tài)范圍和更大性噪比的傳感特性譜圖；并且采用輸入光柵垂直耦合器、輸出光柵垂直耦合器結(jié)合反饋波導(dǎo)回路，將輸出直波導(dǎo)的第一輸出端通過反饋波導(dǎo)回路再次引入到平行信道微環(huán)諧振腔的輸入直波導(dǎo)的第二輸入端，光二次注入到整個器件中，由輸出直波導(dǎo)的第二輸出端輸出；將輸入端口和輸出端口分開，充分利用了平行信道微環(huán)諧振腔的四個端口，不僅增加了光與物質(zhì)相互作用的有效長度，而且使得輸入端口光源的強度噪聲對最后輸出端口的影響較小，同時也屏蔽了光輸在入直波導(dǎo)兩端面來回震蕩所導(dǎo)致的F-P效應(yīng)對最終輸出光的影響，故而有效減小整個傳感器的背景噪聲；同時，其也將傳感器的最佳工作點移至是輸出功率最大值附近，因此信號功率較強，相應(yīng)的信號噪聲比(SNR)更大，更有利于探測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實施例的雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為輸入光柵垂直耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為光柵垂直耦合器結(jié)構(gòu)的剖面圖；
[0020]其中:1-2-3-平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)，1-輸入直波導(dǎo)、2-輸出直波導(dǎo)、3-嵌套了 MZI結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振腔、4-反饋波導(dǎo)回路、30-第一左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)、31-第一
直波導(dǎo)、32-第一右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)、33第二直波導(dǎo)、34-環(huán)形波導(dǎo)、340-第一 j左圓環(huán)、
341-第二半圓環(huán)、342-第一 J右圓環(huán)、35-第三直波導(dǎo)、10-第一輸入端、11_第四直波導(dǎo)、
12-第二輸入端、20-第一輸出端、21-第五直波導(dǎo)、22-第六直波導(dǎo)、23-第七直波導(dǎo)、24-第二輸出端、40-第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)、41-第八直波導(dǎo)、42-第二右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)、5-馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)、60-第一方向I禹合器、61-第二方向I禹合器、63-第二方向I禹合器、70-輸入光柵垂直稱合器、71-輸出光柵垂直稱合器。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體的實施例對本發(fā)明作進一步的闡述。
[0022]如圖1所示為本發(fā)明實施例的雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括一個平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)1-2-3和一個反饋波導(dǎo)回路4，所述平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)1-2-3包括:一個輸入直波導(dǎo)1、一個輸出直波導(dǎo)2、一個嵌套了馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)MZI結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振腔3，所述微環(huán)諧振腔包括:第一直波導(dǎo)31、第一左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)30、第一右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)32、第二直波導(dǎo)33、環(huán)形波導(dǎo)34以及第三直波導(dǎo)35，所述反饋波導(dǎo)回路4包括:第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)40、第八直波導(dǎo)41、第二右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)42 ;所述第二直波導(dǎo)33和第三直波導(dǎo)35共線，所述輸入直波導(dǎo)
1、輸出直波導(dǎo)2、第一直波導(dǎo)31、第八直波導(dǎo)41與第二直波導(dǎo)33和第三直波35導(dǎo)平行；輸入直波導(dǎo)I依次包括第一輸入端10、第四直波導(dǎo)11、第二輸入端12 ;輸出直波導(dǎo)2依次包括第一輸出端20、第五直波導(dǎo)21、第六直波導(dǎo)22、第七直波導(dǎo)23以及第二輸出端24 ；
[0023]所述第一左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)30的兩端分別延伸出第一直波導(dǎo)31的第一端和第二直波導(dǎo)33的第一端，第一右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)32的兩端分別延伸出第一直波導(dǎo)31的第二端和第三直波導(dǎo)35的第二端，環(huán)形波導(dǎo)34的兩端分別延伸出第二直波導(dǎo)33的第二端和第三直波導(dǎo)35的第一端；第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)40的兩端分別延伸出第八直波導(dǎo)41的第一端和輸出直波導(dǎo)2的第一輸出端20的第一端；第二右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)42的兩端分別延伸出第八直波導(dǎo)41的第二端和輸入直波導(dǎo)I的第二輸入端12的第二端；
[0024]所述第一直波導(dǎo)31與第四直波導(dǎo)11構(gòu)成第一方向I禹合器60,所述第二直波導(dǎo)33與第五直波導(dǎo)21構(gòu)成第二方向稱合器61,所述第三直波導(dǎo)35與第七直波導(dǎo)23構(gòu)成第三方向耦合器62，所述環(huán)形波導(dǎo)34與第六直波導(dǎo)22構(gòu)成馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)5，所述環(huán)形波導(dǎo)34作為馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)5的彎曲臂，所述第六直波導(dǎo)22作為馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)5的直臂。
[0025]其中，在本申請方案中，所述輸入直波導(dǎo)1、輸出直波導(dǎo)2、反饋波導(dǎo)回路4均為一個一體化的整體器件，為了描述方便，在這里輸入直波導(dǎo)I被人為地定義為第一輸入端10、第四直波導(dǎo)11、第二輸入端12 ;輸出直波導(dǎo)2被人為地定義為第一輸出端20、第五直波導(dǎo)21、第六直波導(dǎo)22、第七直波導(dǎo)23以及第二輸出端24 ;反饋波導(dǎo)回路4被人為地定義為第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)40、第八直波導(dǎo)41、第三右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)42 ;同樣的，所述嵌套了MZI結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振腔3也是作為一個一體化的整體器件。
[0026]在本發(fā)明申請方案中，還包括一個輸入光柵垂直I禹合器70和一個輸出光柵垂直耦合器71，如圖2所示為光柵垂直耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3所示為光柵垂直耦合器的剖面圖，所述輸入光柵垂直I禹合器70的末端延伸出輸入直波導(dǎo)I的第一輸入端10,輸出直波導(dǎo)2的第二輸出端24延伸出輸出光柵垂直I禹合器71的始端。米用集成輸入、輸出光柵垂直耦合器的優(yōu)點在于，相比其它耦合方式，光柵耦合器具有耦合效率高、制備封裝成本低、無需芯片端面拋光、可以在任何地方實現(xiàn)信號輸入輸出等優(yōu)點，它是目前納米光波導(dǎo)最具潛力的耦合方法，而且它可以與傳感芯片做出單片集成，結(jié)構(gòu)緊湊。
[0027]所述嵌套了 MZI結(jié)構(gòu)的平行信道微環(huán)諧振腔3作為整個傳感器件的主體部分，在傳感器工作時，待分析物濃度的變化將改變波導(dǎo)包層的折射率，從而引起光波模式有效折射率的改變，并使光在環(huán)中的傳輸性質(zhì)發(fā)生變化，該變化將引起總的響應(yīng)頻譜峰值位置的漂移。通過監(jiān)測某一模式下峰值 位置的漂移可以建立頻移響應(yīng)曲線，進而得到待測物的相關(guān)信息。所述雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器引入了一條反饋波導(dǎo)回路，將第一輸出端通過反饋波導(dǎo)回路再次引入到平行信道微環(huán)諧振腔的輸入直波導(dǎo)的第二輸入端，光二次注入到整個器件中，由輸出直波導(dǎo)的第二輸出端輸出。它將輸入端口和輸出端口分開，充分利用了平行信道微環(huán)諧振腔的四個端口，不僅增加了光與物質(zhì)相互作用的有效長度，而且使得輸入端口光源的強度噪聲對最后輸出端口的影響較小，同時也屏蔽了光輸在入直波導(dǎo)兩端面來回震蕩所導(dǎo)致的F-P效應(yīng)對最終輸出光的影響，故而有效減小整個傳感器的背景噪聲。同時，其也將傳感器的最佳工作點移至是輸出功率最大值附近，因此信號功率較強，相應(yīng)的信號噪聲比(SNR)更大，更有利于探測。
[0028]其中，所述環(huán)形波導(dǎo)包括第一 j左圓環(huán)340、第二半圓環(huán)341、第一^右圓環(huán)342，第一I左圓環(huán)340的兩端分別延伸出第二直波導(dǎo)33的第二端和第二半圓環(huán)341的第一端，第一*右圓環(huán)342的兩端分別延伸出第二半圓環(huán)341的第二端和第三直波導(dǎo)35的第一端，所述第一1/4左圓環(huán)340、第一1/4右圓環(huán)342的內(nèi)徑與第二半圓環(huán)341的外徑相切；所述第一1/4
左圓環(huán)340和第一1/4右圓環(huán)342的內(nèi)徑為R2，第二半圓環(huán)341的外徑為R3，其中所述R2和
R3相等或者近似；所述第一左半圓反饋環(huán)30和第一右半圓反饋環(huán)32的半徑為R1，所述Rl大于R2、R3。所述第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的半徑為R4，所述R4大于R1。所述第二右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的半徑為R5，所述R5大于Rl。
[0029]下面為了本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解并且實施本發(fā)明技術(shù)方案，將結(jié)合具體的工作過程對一種雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器作詳細說明:
[0030]首先，激光器發(fā)出的光通過單模光纖經(jīng)輸入光柵垂直耦合器70耦合進傳感器芯片的波導(dǎo)中，即進入輸入直波導(dǎo)I中，并由輸入直波導(dǎo)I的第一輸入端10注入到傳感芯片中，并向第二輸入端12方向傳播，經(jīng)過第一方向I禹合器60,通過倏逝波f禹合,一部分光直接沿第二輸入端12方向傳播，經(jīng)由反饋波導(dǎo)回路4向輸出直波導(dǎo)2的第二輸出端24方向傳播，另一部分光則側(cè)向耦合進入了嵌套了 MZI結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振腔3中，經(jīng)第三方向耦合器62，通過倏逝波耦合，一部分光經(jīng)過馬赫曾德爾干涉部分(MZI) 5的彎曲臂34向前傳播，另一部分光經(jīng)馬赫曾德爾干涉部分(MZI )5的直臂22向前傳播，在MZI部分第一次發(fā)生干涉，發(fā)生干涉后的光經(jīng)過第二方向耦合器61，通過倏逝波耦合，再次進行功率分配，一部分光經(jīng)反饋波導(dǎo)回路4引入到輸入波導(dǎo)I的第二輸入端12，再次進入嵌套了 MZI結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振腔3，同樣又經(jīng)歷了微環(huán)諧振腔和MZI部分的干涉作用，由輸出直波導(dǎo)2的第二輸出端24輸出，另一部分光則由嵌套了 MZI結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振腔3經(jīng)第一方向耦合器60，通過倏逝波耦合，由輸入直波導(dǎo)I的第二輸入端12經(jīng)反饋波導(dǎo)回路4向輸出直波導(dǎo)2的第二輸出端24方向傳播并輸出。經(jīng)歷了若干個以上過程后系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。以上兩部分光都是由輸入直波導(dǎo)I的第一輸入端10的光分束而來，因而頻率相同，只是經(jīng)過耦合器后對光的強度進行了分配，在光的傳播過程中滿足光的獨立性原理，并且至少兩次經(jīng)歷了嵌套了 MZI結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振腔干涉作用對光譜的篩選，它們經(jīng)歷的相位不同，在輸出直波導(dǎo)2的第二輸出端24形成干涉譜，最終在輸出直波導(dǎo)的第二輸出端24經(jīng)由輸出光柵垂直耦合器71將波導(dǎo)內(nèi)的光通過單模光纖耦合輸出。
[0031]馬赫曾德爾干涉儀的輸出譜是正弦函數(shù)的平方形式，它將形成一套干涉條紋，對
馬赫曾德爾干涉儀，當(dāng)其兩臂的光程差滿足n·ΔL=(m+1/2)·λMZI其中，所述n為外界環(huán)
境物質(zhì)的折射率，m為干涉級次，入MZI為入射光波長，A L=L1-L2= (π-2) ? (R2+R3)，所述L1、
L2分別為馬赫增德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的彎曲臂和直臂長度，R2、R3分別第一1/4左圓環(huán)、第一1/4右
圓環(huán)半徑和第二半圓環(huán)的半徑，選擇適當(dāng)?shù)母缮姹坶L度，使ΔL滿足存在這樣一系列整數(shù)干涉級次m，對應(yīng)一系列相應(yīng)的干涉相長的波長值λMZI。單一馬赫曾德爾干涉儀輸出的正弦平方譜的周期取決于干涉臂的長度差ΔL，從以上公式可以看出，(R2+R3)越大，其周期越小，也就是單一馬赫曾德爾干涉儀的FSR越小，可以理解為馬赫曾德爾干涉儀的光程差越大，其FSR越小，因此在滿足環(huán)的彎曲損耗的條件下，宜選擇較小尺寸的圓環(huán)作為馬赫增德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的彎曲臂以實現(xiàn)大的FSR。
[0032]平行信道微環(huán)諧振腔的輸出譜為等間距的梳狀譜，環(huán)形腔的周長C滿足以下諧振條件，n ? C=m ? X _，其中，所述n為外界環(huán)境物質(zhì)的折射率，C為環(huán)形腔的周長，m為干涉級次，Xmek為入射光波長；由于環(huán)的諧振作用，只有當(dāng)環(huán)形諧振腔的光程等于光波長的整數(shù)倍時，某些波長的光才能在環(huán)內(nèi)得到增強。
[0033]由于游標(biāo)效應(yīng)，只有當(dāng)某些特定波長的光波同時滿足馬赫增德爾干涉儀結(jié)構(gòu)和環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)的諧振條件時，二者的諧振峰在那些波長處重疊，該波長得到加強，稱為諧振波長，而其它相鄰的諧振峰由于不重疊而強度減弱，受到抑制。因此，通過合理地選擇嵌套了 MZI結(jié)構(gòu)的平行信道微環(huán)諧振腔1-2-3的尺寸和反饋波導(dǎo)回路4的長度，使其都滿足干涉條件，得到較好的傳輸特性譜，選擇譜圖中在大的波長范圍內(nèi)只有一個諧振峰的情況作為傳感的特征峰。
[0034]本發(fā)明一種雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器的具體的工作過程為:整個器件均與外界待監(jiān)測環(huán)境物質(zhì)相接觸，當(dāng)外界環(huán)境物質(zhì)改變時，波導(dǎo)上包層感受到外界折射率的變化An，改變了光能量在光波導(dǎo)中的分布，從而引起波導(dǎo)內(nèi)模式有效折射率的變化△ Nrff，最終改變光經(jīng)過該光波導(dǎo)的相位，其相位改變量為

fJ Tl
AO = ANe^ ? —-1o而相位信息一般是不能直接探測得到的，需要轉(zhuǎn)化為波長、振幅、偏振
A
態(tài)來間接探測，在這里我們采用利用諧振來轉(zhuǎn)化為探測波長漂移進行檢測。當(dāng)外界物質(zhì)濃度改變時，波導(dǎo)內(nèi)模式有效折射率的變化，表現(xiàn)為整個器件傳輸譜諧振峰的漂移，諧振波長的改變量A A與外界物質(zhì)折 射率的改變量An存在如下關(guān)系:△ A / A=ANeff /Neff= A n / n，其中A Neff為波導(dǎo)內(nèi)模式的有效折射率，n為外界環(huán)境物質(zhì)的折射率，X為入射光波長；通過測量諧振波長的改變量A A即可測出外界物質(zhì)折射率的改變量An，也就獲得被測物質(zhì)的折射率和濃度等信息，實現(xiàn)了傳感檢測。
[0035]在本發(fā)明申請方案中，所述波導(dǎo)均是采用微細加工的方法在SOI晶圓上刻蝕獲得的。
[0036]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，包括一個平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)和一條反饋波導(dǎo)回路，所述平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)包括:一條輸入直波導(dǎo)、一條輸出直波導(dǎo)、一個嵌套了馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)MZI的微環(huán)諧振腔，所述嵌套了 MZI的微環(huán)諧振腔包括:第一直波導(dǎo)、第一左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)、第一右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)、第二直波導(dǎo)、環(huán)形波導(dǎo)以及第三直波導(dǎo)，所述反饋波導(dǎo)回路包括:第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)、第八直波導(dǎo)、第二右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)，所述第二直波導(dǎo)和第三直波導(dǎo)共線，所述輸入直波導(dǎo)、輸出直波導(dǎo)、第一直波導(dǎo)、第八直波導(dǎo)平行與第二直波導(dǎo)和第三直波導(dǎo)平行；輸入直波導(dǎo)依次包括第一輸入端、第四直波導(dǎo)、第二輸入端；輸出直波導(dǎo)依次包括第一輸出端、第五直波導(dǎo)、第六直波導(dǎo)、第七直波導(dǎo)以及第二輸出端； 所述第一左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第一直波導(dǎo)的第一端和第二直波導(dǎo)的第一端，第一右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第一直波導(dǎo)的第二端和第三直波導(dǎo)的第二端，環(huán)形波導(dǎo)的兩端分別延伸出第二直波導(dǎo)的第二端和第三直波導(dǎo)的第一端；第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第八直波導(dǎo)的第一端和輸出直波導(dǎo)的第一輸出端的第一端；第二右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的兩端分別延伸出第八直波導(dǎo)的第二端和輸入直波導(dǎo)的第二輸入端的第二端； 所述第一直波導(dǎo)與第四直波導(dǎo)構(gòu)成第一方向I禹合器，所述第二直波導(dǎo)與第五直波導(dǎo)構(gòu)成第二方向I禹合器，所述第三直波導(dǎo)與第七直波導(dǎo)構(gòu)成第三方向I禹合器，所述環(huán)形波導(dǎo)與第六直波導(dǎo)構(gòu)成馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)，所述環(huán)形波導(dǎo)作為馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的彎曲臂，所述第六直波導(dǎo)作為馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的直臂。
2.如權(quán)利要求1所述的雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，還包括一個輸入光柵垂直稱合器和一個輸出光柵垂直稱合器，所述輸入光柵垂直率禹合器的末端延伸出輸入直波導(dǎo)的第一輸入端，輸出直波導(dǎo)的第二輸出端延伸出輸出光柵垂直耦合器的始端。
3.如權(quán)利要求1所述的雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，所述環(huán)形波導(dǎo)包括第一` j左圓環(huán)、第二半圓環(huán)、第一 4右圓環(huán)，第一 左圓環(huán)的 444兩端分別延伸出第二直波導(dǎo)的第二端和第二半圓環(huán)的第一端，第一 j右圓環(huán)的兩端分別延伸出第二半圓環(huán)的第二端和第三直波導(dǎo)的第一端，所述第一 I左圓環(huán)、第一 j右圓環(huán)的內(nèi)徑與第二半圓環(huán)的內(nèi)徑相切，且第一 I左圓環(huán)、第二半圓環(huán)、第一 I右圓環(huán)之間的連接處呈平滑連接。
4.如權(quán)利要求3所述的雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，所述第一I左圓環(huán)和第一f右圓環(huán)的內(nèi)徑為R2，第二半圓環(huán)的內(nèi)徑為R3，所述
44R2和R3相等。
5.如權(quán)利要求4所述的雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，所述第一左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)和第一右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的半徑為R1，所述Rl大于R2、R3。
6.如權(quán)利要求5所述的雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，所述第二左半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的半徑為R4，所述R4大于Rl。
7.如權(quán)利要求6所述的雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，所述第二右半圓反饋環(huán)波導(dǎo)的半徑為R5，所述R5小于R4。
8.如權(quán)利要求1至7任一項權(quán)利要求所述的雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于，所述輸入直波導(dǎo)、輸出直波導(dǎo)與所述環(huán)形波導(dǎo)之間的耦合通過第一方向I禹合器、第二方向I禹合器和第三方向I禹合器實現(xiàn)。
9.如權(quán)利要求1至7任一項權(quán)利要求所述的雙通平行信道微環(huán)嵌套馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的光學(xué)生化傳感器，其特征在于， 所述波導(dǎo)為無源脊形波導(dǎo)或條形波導(dǎo)。
【文檔編號】G01N21/45GK103499556SQ201310445677
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】王卓然, 袁國慧, 姚佳, 何濤, 王軍 申請人:電子科技大學(xué)