[發明專利]雙通平行信道微環嵌套馬赫曾德爾結構的光學生化傳感器

有效

• 申請號: 201310445677.1
• 申請日: 2013-09-23
• 公開（公告）號: CN103499556A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 王卓然;袁國慧;姚佳;何濤;王軍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 周永宏

技術領域

本發明屬于光生化傳感技術領域，具體涉及一種雙通平行信道微環嵌套馬赫曾德爾結構的光學生化傳感器的設計。

背景技術

隨著光子學技術的日趨成熟以及它在生物和化學領域應用的不斷擴展，光學生化傳感器的應用范圍已經覆蓋了生化傳感器的諸多領域，成為當今生化傳感器件的重要組成部分。生化傳感器不僅廣泛應用于傳統的醫學領域，而且還在環境監測、農作物保護、國土安全等方面有著廣泛的應用。光學生化傳感器是一種以某種生物化學成分為敏感基元，以光學信號為載體，對目標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器件的上方區域，待分析樣本濃度的變化或免疫反應的發生都將改變波導包層的折射率，該變化被光波的倏逝場分量所感應，從而引起光波模式有效折射率的改變，并使得光在環中的傳輸性質發生變化。通過測量光場的變化量就可以知道待測物質的信息。

基于消逝波傳感的光學生化傳感器近年來被廣泛應用于生物分子檢測、水體中重金屬成分分析以及空氣污染監測等領域。目前較常用的光波導型的生化傳感器主要有基于表面等離子體型（SPR）、環形諧振腔型（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勢和不足。微環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構之一。特別是近年來，隨著游標效應的深入研究，基于游標效應的雙環級聯微環諧振腔已實現了超高靈敏度的光學傳感。馬赫曾德爾干涉結構由于其自由光譜范圍（FSR）大的特點同樣也得到了廣泛的應用。基于游標效應可以同時利用微環諧振腔和MZI各自的優勢實現超緊湊、高靈敏度、大自由光譜范圍的光學生化傳感器。但在目前常見的結構中，通道利用率低，結構不夠緊湊，微環諧振腔的諧振效應還未得到充分利用。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有生化傳感器通道效率低、結構不緊湊的缺點而提供一種雙通平行信道微環嵌套馬赫曾德爾結構的光學生化傳感器。

本發明解決其技術問題采用的技術方案是：雙通平行信道微環嵌套馬赫曾德爾結構的光學生化傳感器，包括一個平行信道微環嵌套馬赫曾德爾結構和一條反饋波導回路，所述平行信道微環嵌套馬赫曾德爾結構包括：一條輸入直波導、一條輸出直波導、一個嵌套了馬赫曾德爾結構MZI的微環諧振腔，所述嵌套了MZI的微環諧振腔包括：第一直波導、第一左半圓反饋環波導、第一右半圓反饋環波導、第二直波導、環形波導以及第三直波導，所述反饋波導回路包括：第二左半圓反饋環波導、第八直波導、第二右半圓反饋環波導，所述第二直波導和第三直波導共線，所述輸入直波導、輸出直波導、第一直波導、第八直波導平行與第二直波導和第三直波導平行；輸入直波導依次包括第一輸入端、第四直波導、第二輸入端；輸出直波導依次包括第一輸出端、第五直波導、第六直波導、第七直波導以及第二輸出端；

所述第一左半圓反饋環波導的兩端分別延伸出第一直波導的第一端和第二直波導的第一端，第一右半圓反饋環波導的兩端分別延伸出第一直波導的第二端和第三直波導的第二端，環形波導的兩端分別延伸出第二直波導的第二端和第三直波導的第一端；第二左半圓反饋環波導的兩端分別延伸出第八直波導的第一端和輸出直波導的第一輸出端的第一端；第二右半圓反饋環波導的兩端分別延伸出第八直波導的第二端和輸入直波導的第二輸入端的第二端；

所述第一直波導與第四直波導構成第一方向耦合器，所述第二直波導與第五直波導構成第二方向耦合器，所述第三直波導與第七直波導構成第三方向耦合器，所述環形波導與第六直波導構成馬赫曾德爾干涉儀結構，所述環形波導作為馬赫曾德爾干涉儀結構的彎曲臂，所述第六直波導作為馬赫曾德爾干涉儀結構的直臂。

進一步的，還包括一個輸入光柵垂直耦合器和一個輸出光柵垂直耦合器，所述輸入光柵垂直耦合器的末端延伸出輸入直波導的第一輸入端，輸出直波導的第二輸出端延伸出輸出光柵垂直耦合器的始端。

進一步的，所述環形波導包括第一左圓環、第二半圓環、第一右圓環，第一左圓環的兩端分別延伸出第二直波導的第二端和第二半圓環的第一端，第一右圓環的兩端分別延伸出第二半圓環的第二端和第三直波導的第一端，所述第一左圓環、第一右圓環的內徑與第二半圓環的內徑相切，且第一左圓環、第二半圓環、第一右圓環之間的連接處呈平滑連接。

進一步的，所述第一左圓環和第一右圓環的內徑為R2，第二半圓環的內徑為R3，所述R2和R3相等。