一種基于片上集成光波導生物傳感器芯片的折射率檢測方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光波導生物傳感器，尤其是一種基于片上集成光波導生物傳感器芯片 的折射率檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，基于微環(huán)的光波導生物傳感器得到了廣泛的研究。由于環(huán)的諧振峰具有非 常大的Q值(Q = λ%/ Δ λ3(1Β，是環(huán)的諧振波長，Δ \3仙是環(huán)響應頻譜的半最大值全寬，即 3dB帶寬），從而使得環(huán)的3dB帶寬值△ λ3(1Β非常小，所以要精確探測環(huán)諧振時的中心響應波 長就需要使用高精度的可調(diào)諧激光器或者是高精度的光譜儀，這大大增加了檢測成本。 Μ. Iqbal等人（Μ. Iqbal，et al,Label-free biosensor arrays based on silicon ring resonators and high-speed optical scanning instrumentation,IEEE JSTQE,vol.16, no.3，pp.654-661,2010.)利用微環(huán)做為傳感單元并結(jié)合復雜的高精度掃面系統(tǒng)實現(xiàn)了1(T7 量級的折射率探測靈敏度以及多種生物分子的實時檢測，整個系統(tǒng)由于使用了分立元件， 結(jié)構(gòu)較為復雜，成本非常昂貴。D.-X.Xu等人(D._X.Xu，et al,Real-time cancellation of temperature induced resonance shifts in SOI wire waveguide ring resonator label-free biosensor arrays，0pt.Express，vol·18，no·22，pp·22867-22879，2010·)提 出了將參考環(huán)和傳感環(huán)一起置入微流通道中以使參考環(huán)和傳感環(huán)具有真正意義上相同的 外界環(huán)境來進行生物檢測的結(jié)構(gòu)示意，然后在利用參考環(huán)和傳感環(huán)之間的溫度變化關(guān)系將 傳感環(huán)中的溫度效應進行消除從而進一步提高最終測試數(shù)據(jù)的真實可靠性，但是該結(jié)構(gòu)中 使用了分辨率為lpm的高精度可調(diào)諧激光器，增大了檢測成本。浙江大學的何建軍研究小組 提出 了雙環(huán)級聯(lián)的傳感檢測示意（Lei Jin, et al, Optical waveguide double-ring sensor using intensity interrogation with low-cost broadband source, Optics Letters，vol. 36，no. 7，pp. 1128-1130,2011·)，它利用傳感環(huán)和參考環(huán)之間微弱的自由光 譜范圍(FSR)差異來對傳感信號進行游標放大，大大提高了傳感檢測靈敏度，同時在傳感器 的輸入端利用寬譜光源作為檢測光源大大降低了檢測成本，該結(jié)構(gòu)雖然具有簡單、靈敏度 高和成本低等優(yōu)點，但是傳感環(huán)和參考環(huán)二者之間所處的外界環(huán)境差異（比如二者的溫度 相關(guān)性等)較大，所以該結(jié)構(gòu)中的溫度噪音信號也同時被游標放大，使得我們很難從最終的 檢測信號中區(qū)分出噪音部分，對實驗結(jié)果的準確性造成了一定影響，同時光源功率的抖動 也會影響檢測結(jié)果的準確性。
[0003] 現(xiàn)有的基于微環(huán)的光波導傳感器都需要配備高精度的可調(diào)諧激光器、光譜儀或者 復雜的高精度掃描檢測系統(tǒng)，同時該微環(huán)傳感器還具有溫度相關(guān)問題，需要輔以相關(guān)的溫 度變化參照結(jié)構(gòu)來消除溫度引起的傳感信號變化，另一方面，片上集成的生物傳感器芯片 由于其小型化、低成本、性能優(yōu)良，能與電路系統(tǒng)集成并最終實現(xiàn)一個功能化的模塊，該模 塊可以廣泛應用于便攜式醫(yī)療、電子移動設備等中，因而片上集成的生物傳感芯片的研究 備受矚目。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有基于微環(huán)的光波導傳感器的檢測成本高以及微環(huán)傳感器面臨的溫 度相關(guān)問題的不足，本發(fā)明提供了一種基于片上集成光波導生物傳感器芯片的折射率檢測 方法，降低基于微環(huán)的光波導傳感器的檢測成本以及有效解決微環(huán)傳感器面臨的溫度相關(guān) 問題，并實現(xiàn)一個片上集成的芯片化傳感檢測系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] -種基于片上集成的光波導生物傳感器芯片的折射率檢測方法，該檢測方法采用 的檢測裝置包括一個集成的寬帶光源、至少一個微環(huán)的傳感區(qū)域、一個陣列波導光柵、一個 集成的探測器陣列，所述的寬帶光源和微環(huán)傳感區(qū)域的輸入端相連接，所述的陣列波導光 柵包括三條輸入陣列波導和至少三條輸出陣列波導，所述的三條輸入波導中的中間一條輸 入波導和微環(huán)傳感區(qū)域的下載端輸出波導相連接，其余兩條輸入波導關(guān)于中間輸入波導呈 對稱分布，所述的至少三條輸出波導和一個具有相同數(shù)目的探測器陣列相連接;傳感微環(huán) 在檢測物質(zhì)中隨外界環(huán)境溫度變化的波長漂移量和陣列波導光柵隨外界環(huán)境溫度變化的 波長漂移量相同，即二者具有相同的溫度相關(guān)性；
[0007] 所述折射率檢測方法采用重心檢測方法，包括如下過程：
[0008 ] 傳感微環(huán)的中心響應波長Aring所對應的光場經(jīng)過中心輸入波導I 〇進入陣列波導光 柵中傳輸，經(jīng)輸出陣列波導輸出，最后耦合進探測器陣列中，并且探測器陣列中的第#i個探 測器接收到的光功率為P〇wer_i(A ring)，利用重心算法推算出傳感微環(huán)在t時刻的中心諧振
將該波長Pring+ATC與傳感微環(huán) 的初始響應波長prlng_ATC比較就推算出傳感微環(huán)中進行物質(zhì)檢測后的波長漂移量△ λ;再根 據(jù)波長漂移量Αλ和所檢測物質(zhì)折射率之間的標定關(guān)系，就推算出實際檢測物質(zhì)的折射率。
[0009] 進一步，所述陣列波導光柵具有三根輸入波導，分別標記為1-1、Ιο和Ιι，Ιο為中心輸 入波導且與微環(huán)傳感區(qū)域的下載端輸出波導相連接，I-dPh關(guān)于Ιο對稱，輸入波導Ιο和陣列 波導光柵的第一個平板波導之間插入了一段線性錐形展寬區(qū)域，該展寬區(qū)域的末端寬度主 要取決于1〇端的輸入光場在陣列波導光柵第二個平板波導的聚焦線上再次聚焦時該光場 能量能被多少個相鄰輸出通道所接收，同時輸入波導^:和^在與陣列波導光柵第一個平板 波導的連接處的入口寬度和輸出陣列波導在與第二個平板波導的連接處的入口寬度相同。
[0010] 再進一步，所述的微環(huán)傳感區(qū)域含有Ν(Ν2 2)個微環(huán)時，各微環(huán)之間具有相同的波 導結(jié)構(gòu)參數(shù)以及不同的環(huán)周長;陣列波導光柵的輸出陣列波導被分割成獨立的Ν組，每一組 對應一個傳感微環(huán)的檢測，并分別利用重心算法推算出每一組對應的傳感微環(huán)的諧振波長 信息。
[0011] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1、實現(xiàn)無熱的傳感檢測，該芯片無需額外的溫控 設備以及溫度參考器件，降低了芯片的功耗與成本;2、它以集成的寬帶光源作為檢測光源， 利用陣列波導光柵來推測傳感微環(huán)的諧振波長，同時利用集成的探測器陣列來獲取陣列波 導光柵各輸出通道中的功率大小進而分析傳感微環(huán)中發(fā)生的信息變化，整個芯片的檢測無 需昂貴的高精度可調(diào)諧激光器或者光譜儀，大大降低了成本;3、它可以在不同的材料平臺 中實現(xiàn)，比如氮化娃(Si3N4)和娃(Si)等平臺。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明提出的一種無熱的片上集成光波導生物傳感器芯片的【具體實施方式】 結(jié)構(gòu)示意圖，其中傳感區(qū)域只有一個微環(huán)。
[0013] 圖2是本發(fā)明提出的一種無熱的片上集成光波導生物傳感器芯片的【具體實施方式】 結(jié)構(gòu)示意圖，其中傳感區(qū)域含有多個微環(huán)。
[0014] 圖3是陣列波導光柵(AWG)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖4是傳感微環(huán)在待檢測溶液或分析物作上包層時的波導橫截面示意圖。
[0016] 圖5是陣列波導光柵中陣列波導的橫截面示意圖。
[0017] 圖6是陣列波導光柵的中心輸入波導在該波導與輸入平板波導交界面上的場分布 再次聚焦于輸出平板波導聚焦線上時被耦合進陣列波導光柵的相鄰多根輸出波導中的示 意圖。
[0018] 圖7是對陣列波導光柵