基于光功率比值解調(diào)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于光功率比值解調(diào)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器，屬于光傳感【技術(shù)領(lǐng)域】。該集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器包括光路部分、傳感支路和電路部分，激光器輸出的光波由第一直光波導(dǎo)進(jìn)入第一光波導(dǎo)定向耦合器分束為兩路，分別進(jìn)入傳感支路光波導(dǎo)和參考支路光波導(dǎo)，待測生化樣品的濃度不同，光波相位改變量不同，經(jīng)傳感支路光波導(dǎo)和參考支路光波導(dǎo)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)入支路第二光波導(dǎo)定向耦合器發(fā)生耦合分束，得到的光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為光電流并進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理單元轉(zhuǎn)換為光功率，通過兩路光功率的比值解調(diào)得到待測生化樣品的濃度。該發(fā)明基于光電集成技術(shù)將各部分集成到同一芯片上，減小了光學(xué)生化傳感檢測裝置的體積，穩(wěn)定性高、操作簡便的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于光功率比值解調(diào)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于光功率比值解調(diào)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)生化傳感器在生物工程、醫(yī)療檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其基本原理是待測物質(zhì)與光波相互作用，從而使光波的某些物理參量，如波長、強(qiáng)度、相位、偏振等，發(fā)生變化，通過對這些物理參量的測量來獲得待測物質(zhì)的濃度、類別等信息。
[0003]集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器以其靈敏度高、所需樣品量少、體積小、能耗低等優(yōu)勢受到極大關(guān)注，基于波導(dǎo)微環(huán)、波導(dǎo)光柵、波導(dǎo)馬赫一曾德干涉儀等結(jié)構(gòu)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器相繼報(bào)道，快速、高效的傳感解調(diào)方法是集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器可實(shí)用化的關(guān)鍵。
[0004]在先技術(shù)[I](Gun-Duk Kim, Geun-Sik Son, Hak-Soon Lee, K1-Do Kim, Sang-ShinLee.“Integrated photonic glucose b1sensor using a vertically coupled microringresonator in polymers，，Optics Communicat1ns, 2008, 281, pp.4644 - 4647.)中，米用垂直耦合聚合物集成波導(dǎo)微環(huán)作為傳感單元實(shí)現(xiàn)了對葡萄糖溶液濃度的檢測，該傳感器采用可調(diào)諧激光器為光源，光電探測器為功率接收裝置，掃描可調(diào)諧激光器輸出波長，記錄葡萄糖溶液不同濃度條件下波導(dǎo)微環(huán)輸出的光譜，通過對諧振波長漂移量的檢測解調(diào)來獲得葡萄糖溶液的濃度。該傳感檢測系統(tǒng)需要可調(diào)諧激光器為光源，成本高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0005]在先技術(shù)[2](Sang-Yeon Cho and Deva K.Borah.“Chip-scale hybrid opticalsensing systems using digital signal processing,，，Optics Express, 2009, Vol.17, N0.1, PP.150-155)中，采用寬帶光源、陣列波導(dǎo)光柵(AWG)和陣列式光電探測器(PD)構(gòu)成波導(dǎo)微環(huán)傳感器的傳感解調(diào)系統(tǒng)。AWG具有解復(fù)用功能，不同波長的光波在AWG的不同端口輸出，通過探測各個端口的光波功率值并進(jìn)行采樣擬合，來檢測微環(huán)傳感器輸出波長值的改變量，進(jìn)而獲得待測樣品濃度。該傳感解調(diào)裝置雖然避免了先前技術(shù)[I]中的波長掃描，并且采用了集成光波導(dǎo)AWG以減小波導(dǎo)芯片尺寸，但是需要陣列式(多個)光電探測器對AWG多個輸出端口的光波進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后再進(jìn)行多路信號取樣擬合處理，增加了傳感檢測裝置的體積和數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性。此外，寬帶光源功率譜的不平坦以及功率的起伏都將對傳感檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。
[0006]在先技術(shù)[3](吳遠(yuǎn)大，姜婷，安俊明，李建光，王玥，王紅杰，胡雄偉.“Si02基Mach-Zehnder型傳感芯片的制備與敏感性研究”，光電子.激光，2011，Vo 1.22，N0.2, pp.159-162)中，以兩個Y分支光波導(dǎo)構(gòu)成馬赫-曾德型S12光波導(dǎo)傳感器，采用分布反饋激光器和光電探測器構(gòu)成傳感檢測裝置，通過對傳感器輸出光功率的檢測解調(diào)來獲得鹽溶液的濃度。該傳感檢測系統(tǒng)的光功率變化隨待測溶液的濃度呈正弦函數(shù)關(guān)系，解調(diào)分辨率較低，此檢測結(jié)果易受到激光器輸出功率起伏的影響。
[0007]在先技術(shù)[4](Kyowon Kim and Thomas E.Murphy.“Porous silicon integratedMach-Zehnder interferometer waveguide for b1logical and chemical sensing,，，2013，Vol.21, N0.17，pp.19488-19497)中，以兩個Y分支光波導(dǎo)構(gòu)成馬赫-曾德型多孔硅光波導(dǎo)傳感器，采用激光外差干涉解調(diào)方法實(shí)現(xiàn)對異丙醇的傳感檢測。該傳感解調(diào)系統(tǒng)除了激光器和光電探測器外，還需要數(shù)字信號發(fā)生器、鎖相放大器等設(shè)備，傳感解調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明針對上述技術(shù)問題，提出一種基于光功率比值解調(diào)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器。該集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器包括光路部分、傳感支路和電路部分；
[0009]所述光路部分在集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器前部，包括激光器、第一直光波導(dǎo)，第一光波導(dǎo)定向I禹合器、傳感支路光波導(dǎo)、參考支路光波導(dǎo)、第二光波導(dǎo)定向I禹合器、第二直光波導(dǎo)和第三直光波導(dǎo)、第一光電探測器、第二光電探測器；
[0010]所述電路部分在集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器后部，包括第一連接電路、第二連接電路和數(shù)據(jù)采集與處理單元。
[0011]所述傳感支路光波導(dǎo)上制作有傳感池，光波導(dǎo)芯層被待測生化樣品溶液覆蓋。
[0012]所述激光器為單波長激光器。
[0013]所述一種基于光功率比值解調(diào)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器的檢測方法，其特征包括如下步驟:
[0014]a.激光器 輸出單波長光波經(jīng)第一直光波導(dǎo)進(jìn)入第一光波導(dǎo)定向I禹合器分成兩路，分別進(jìn)入傳感支路光波導(dǎo)和參考支路光波導(dǎo)；傳感支路光波導(dǎo)中的光波在傳感池中與待測生化樣品溶液發(fā)生相互作用，從而使得光波傳輸相位發(fā)生變化，待測生化樣品溶液的濃度不同，其折射率則不同，對光波相位改變量的大小不同；傳感支路光波導(dǎo)和參考支路光波導(dǎo)分別與第二光波導(dǎo)定向I禹合器的兩個輸入端相連，光波經(jīng)第二光波導(dǎo)定向I禹合器I禹合分束后分別進(jìn)入第二直光波導(dǎo)和第三直光波導(dǎo)。
[0015]b.第二直光波導(dǎo)和第三直光波導(dǎo)輸出的光波分別進(jìn)入第一光電探測器和第二光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到的光電流分別經(jīng)第一連接電路和第二連接電路進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理單元轉(zhuǎn)換為光功率值；
[0016]c.經(jīng)由第一連接電路進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理單元的光電流轉(zhuǎn)換的光功率值P1和由第二連接電路進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理單元的光電流轉(zhuǎn)換的光功率值P2分別滿足
[0017]
【權(quán)利要求】
1.一種基于光功率比值解調(diào)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器，其特征在于: 該集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器(I)包括光路部分、傳感支路和電路部分； 光路部分在集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器(I)前部，包括激光器(2)、第一直光波導(dǎo)(3)、第一光波導(dǎo)定向I禹合器(4)、傳感支路光波導(dǎo)(5)、參考支路光波導(dǎo)(6)、第二光波導(dǎo)定向率禹合器(8)、第二直光波導(dǎo)(9)和第三直光波導(dǎo)(10)、第一光電探測器(11)、第二光電探測器(12)； 電路部分在集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器(I)后部；包括第一連接電路(13)，第二連接電路(14)，數(shù)據(jù)采集與處理單元(15)； 傳感支路光波導(dǎo)(5)上制作有傳感池(7)，光波導(dǎo)芯層被待測生化樣品溶液覆蓋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光功率比值解調(diào)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器，其特征還在于具有:激光器(2)為單波長激光器。
3.一種基于光功率比值解調(diào)的集成波導(dǎo)光學(xué)生化傳感器的檢測方法，其特征包括如下步驟: a.激光器(2)輸出單波長光波經(jīng)第一直光波導(dǎo)(3)進(jìn)入第一光波導(dǎo)定向耦合器(4)分成兩路，分別進(jìn)入傳感支路光波導(dǎo)(5)和參考支路光波導(dǎo)(6);傳感支路光波導(dǎo)(5)中的光波在傳感池(7)中與待 測生化樣品溶液發(fā)生相互作用，從而使得光波傳輸相位發(fā)生變化，待測生化樣品溶液的濃度不同，其折射率則不同，對光波相位改變量的大小不同；傳感支路光波導(dǎo)(5)和參考支路光波導(dǎo)(6)分別與第二光波導(dǎo)定向I禹合器(8)的兩個輸入端相連，光波經(jīng)第二光波導(dǎo)定向I禹合器(8) I禹合分束后分別進(jìn)入第二直光波導(dǎo)(9)和第三直光波導(dǎo)(10)； b.第二直光波導(dǎo)(9)和第三直光波導(dǎo)(10)輸出的光波分別進(jìn)入第一光電探測器(11)和第二光電探測器(12)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到的光電流分別經(jīng)第一連接電路(13)和第二連接電路(14)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理單元(15)轉(zhuǎn)換為光功率值； c.由第一連接電路(13)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理單元(15)的光電流轉(zhuǎn)換的光功率值P1和由第二連接電路(14)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理單元(15)的光電流轉(zhuǎn)換的光功率值P2分別滿足
【文檔編號】G01N21/41GK104034694SQ201410253822
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月9日
【發(fā)明者】韓秀友, 趙明山 申請人:大連理工大學(xué)