[發(fā)明專利]傳感解調(diào)一體化的集成波導光學生化傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410253124.0
• 申請日: 2014-06-09
• 公開（公告）號: CN104048943A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韓秀友;趙明山
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

1.一種傳感解調(diào)一體化的集成波導光學生化傳感器，其特征在于：

該集成波導光學生化傳感器(1)包括傳感單元、解調(diào)單元和電路部分；

傳感單元在集成波導光學生化傳感器(1)前部，包括激光光源(2)，第一直光波導(3)，第一光波導微環(huán)(5)，第二直光波導(7)，傳感池(17)；第一直光波導(3)與第一光波導微環(huán)(5)構(gòu)成第一耦合區(qū)(4)；第一光波導微環(huán)(5)與第二直光波導(7)構(gòu)成第二耦合區(qū)(6)；

解調(diào)單元在集成波導光學生化傳感器(1)中部，包括第二直光波導(7)，第二光波導微環(huán)(9)，倒L形光波導(11)，第一光電探測器(12)，第二光電探測器(13)；第二直光波導(7)與第二光波導微環(huán)(9)構(gòu)成第三耦合區(qū)(8)；第二光波導微環(huán)(9)與倒L形光波導(11)構(gòu)成第四耦合區(qū)(10)；第二直光波導(7)和倒L形光波導(11)垂直相交，分別構(gòu)成解調(diào)單元的兩個光學輸出端口；

電路部分在在集成波導光學生化傳感器(1)后部，包括第一連接電路(14)，第二連接電路(15)，數(shù)據(jù)采集與處理單元(16)；

第一光波導微環(huán)(5)的自由光譜范圍為FRS₁，第二光波導微環(huán)(9)的自由光譜范圍為FSR₂，滿足FRS₂≥2FRS₁關(guān)系；

激光光源(2)譜寬W_L，滿足W_L≤FRS₁關(guān)系。

2.一種傳感解調(diào)一體化的集成波導光學生化傳感器的傳感解調(diào)方法，其特征在于該方法具有如下步驟：

a.激光光源(2)輸出譜寬為W_L的光波進入第一直光波導(3)，經(jīng)第一耦合區(qū)(4)耦合進入第一光波導微環(huán)(5)，光波在第一光波導微環(huán)(5)中往返傳輸，與傳感池(17)中的待測生化樣品溶液發(fā)生相互作用，滿足諧振條件的光波從第二耦合區(qū)(6)耦合輸出至第二直光波導(7)。諧振光波與第一光波導微環(huán)(5)的周長L₁滿足如下關(guān)系

mλ_R1＝n_effL₁???(¹)

其中n_eff為待測生化樣品溶液覆蓋波導的有效折射率，m為諧振級數(shù)；

b.傳感池(17)中的待測生化樣品溶液的濃度不同，其折射率不同，待測生化樣品溶液覆蓋波導的有效折射率n_eff不同，使得波導微環(huán)的諧振波長不同，即從第二耦合區(qū)(6)耦合輸出至第二直光波導(7)的不同波長代表待測生化樣品溶液的不同濃度，實現(xiàn)對待測生化樣品溶液的傳感檢測功能；

c.從第二耦合區(qū)(6)耦合輸出至第二直光波導(7)中光波的一部分在第三耦合區(qū)(8)耦合進入第二光波導微環(huán)(9)，然后經(jīng)第四耦合區(qū)(10)耦合輸出進入倒L形光波導(11)，并傳輸至第一光電探測器(12)進行光電轉(zhuǎn)換輸出光電流；

d.從第二耦合區(qū)(6)耦合輸出至第二直光波導(7)中光波的另一部分經(jīng)第三耦合區(qū)(8)繼續(xù)傳輸，經(jīng)第二直光波導(7)的光輸出端口達到第二光電探測器(13)進行光電轉(zhuǎn)換輸出光電流；

e.第一光電探測器(12)和第二光電探測器(13)輸出的光電流分別經(jīng)第一連接電路(14)和第二連接電路(15)進入數(shù)據(jù)采集與處理單元(16)轉(zhuǎn)換為光功率值P₁和P₂，P₁和P₂滿足以下公式

P1∝κ1κ2γ3/41+(1-κ1)(1-κ2)γ-21-κ11-κ2γcos(φ)---(2)]]>

P2∝κ(1-κ2)+(1-κ2)γ-21-κ11-κ2γcos(φ)κ1+(1-κ1)(1-κ2)γ-21-κ11-κ2γcos(φ)---(3)]]>

二者比值滿足

R=P1P2∝κ1κ2γ3/4(1-κ1)(1-κ2)γ-21-κ11-κ2γcos(φ)---(4)]]>

其中κ₁和κ₂分別為第三耦合區(qū)(8)和第四耦合區(qū)(10)的交叉強度耦合系數(shù)，γ為第二光波導微環(huán)(9)的光波傳輸強度損耗因子，為第一光波導微環(huán)(5)經(jīng)第二耦合區(qū)(6)輸出的光波在第二光波導微環(huán)(9)中的傳輸相位；

傳感解調(diào)單元兩輸出端口的功率—波長響應譜具有互補特性，即P₁和P₂的光譜響應的峰值波長與谷值波長重合，二者的功率比值R在0～FSR₂/2范圍內(nèi)與光波長具有一一對應的關(guān)系。利用該對應關(guān)系，獲得無待測生化樣品的純液體條件下從第二耦合區(qū)(6)耦合輸出至第二直光波導(7)的光波波長以及有待測生化樣品的溶液條件下從第二耦合區(qū)(6)耦合輸出至第二直光波導(7)的光波波長二者的差值為進而根據(jù)公式(1)獲得待測生化樣品溶液的濃度信息。