[實用新型]拱形環結構的級聯式馬赫曾德爾干涉型光學生化傳感器

有效

• 申請號: 201320413397.8
• 申請日: 2013-07-12
• 公開（公告）號: CN203465193U
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 袁國慧;王卓然;姚佳
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G02B6/28
• 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

本實用新型屬于光生化傳感技術領域，具體涉及一種拱形環結構的級聯式馬赫曾德爾干涉型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。光學傳感器主要分為光纖型和集成波導型兩大類。與光纖型傳感器相比，基于倏逝波的集成光波導型光學傳感器使得器件在結構尺寸上大大縮小，特別是對于高對比度折射率材料的光波導。

近年來，許多研究者提出了基于集成光波導型的各種傳感結構用以實現大的探測范圍和高的傳感靈敏度傳感。其中，馬赫曾德爾干涉儀和微環諧振腔是其中兩種常用的結構。馬赫曾德爾干涉儀型（MZI）的生化傳感器由于其傳感機理簡單，自由光譜范圍（FSR）大，因此是光學生化傳感器件常選用的結構，但傳統的MZI結構必須通過增加MZI兩臂的長度，以增大光與物質相互作用的距離來實現大的探測范圍和高的傳感靈敏度，這樣器件尺寸就無法做到小型化，也就更難實現亞微米,乃至納米量級的光學生化傳感器件。而且制作時需要對MZI的其中一臂，即傳感臂，固定微流體通道或修飾生物大分子，而對參考臂不做處理，這樣不僅大大增加了器件制作的難度而且也難以實現器件小型化和便攜化。單一的微環諧振腔結構雖然可以有效的增加腔長，使結構更為緊湊，但這種結構的自由光譜范圍較小，一般僅有幾十納米，故可實現的探測范圍也就較小。因此基于以上兩種單一的方式都較難實現大測量范圍和高靈敏度的光學生化傳感器件。

相對而言，采用整個器件都覆蓋有外界待檢測環境物質的方式，取代傳統的僅對MZI的一個臂進行修飾，可以有效的縮小器件尺寸、降低器件制作的復雜度，但這種方式對于傳統的平衡型MZI是無法用于檢測的，因為采用整個器件覆蓋待分析物質的這種方式，兩干涉臂感知的相位變化相等，相位差恒為零，因此無法用于探測。

實用新型內容

本實用新型的目的是為了克服現有的光學生化傳感器存在的缺點而提供一種拱形環結構的級聯式馬赫曾德爾干涉型光學生化傳感器。

本實用新型解決其技術問題采用的技術方案是：拱形環結構的級聯式馬赫曾德爾干涉型光學生化傳感器，包括一個輸入輸出直波導、一個環形諧振腔，所述環形諧振腔包括：第一直波導、左半圓反饋環波導、右半圓反饋環波導、第二直波導、第一環形波導、第三直波導、第二環形波導以及第四直波導，所述第二直波導、第三直波導、第四直波導共線，所述輸入輸出直波導、第一直波導與第二直波導、第三直波導、第四直波導平行，所述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，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四直波導的第二端，第一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，第二環形波導的兩端分別延伸出第三直波導的第二端和第四直波導的第一端；所述輸入輸出直波導依次包括輸入端、第五直波導、第六直波導、第七直波導、第八直波導、第九直波導以及輸出端；

所述第二直波導與第五直波導構成第一方向耦合器，所述第三直波導與第七直波導構成第二方向耦合器，所述第四直波導與第九直波導構成第三方向耦合器，所述第一環形波導與第六直波導構成第一馬赫曾德爾干涉儀結構，所述第一環形波導作為第一馬赫曾德爾干涉儀結構的彎曲臂，所述第六直波導作為第一馬赫曾德爾干涉儀結構的直臂，所述第二環形波導與第八直波導構成第二馬赫曾德爾干涉儀結構，所述第二環形波導作為第二馬赫曾德爾干涉儀結構的彎曲臂，所述第八直波導作為第二馬赫曾德爾干涉儀結構的直臂。

進一步的，所述第一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。