[發明專利]傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器

有效

• 申請號: 201410253124.0
• 申請日: 2014-06-09
• 公開（公告）號: CN104048943A
• 公開（公告）日: 2014-09-17
• 發明（設計）人: 韓秀友;趙明山
• 申請（專利權）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

技術領域

本發明屬于光傳感技術領域，具體涉及一種傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器。

背景技術

光學生化傳感器在生物工程、醫療檢測、環境監測等領域具有廣闊的應用前景。其基本原理是待測物質與光波相互作用，從而使光波的某些物理參量，如波長、強度、相位、偏振等，發生變化，通過對這些物理參量的測量來獲得待測物質的濃度、類別等信息。

集成波導光學生化傳感器以其靈敏度高、所需樣品量少、體積小、能耗低等優勢呈現出廣闊的應用前景。基于波導微環、馬赫—曾德干涉儀等結構的集成波導光學生化傳感器相繼報道。研究工作主要集中在傳感單元的設計與傳感功能的驗證，對于解調主要是利用實驗室的測試系統進行演示，尚未滿足實際應用中光學生化傳感器的微型化和低成本要求。

在先技術[1](Gun-Duk?Kim,Geun-Sik?Son,Hak-Soon?Lee,Ki-Do?Kim,Sang-Shin?Lee.―Integrated?photonic?glucose?biosensor?using?a?vertically?coupled?microring?resonator?in?polymers‖Optics?Communications,2008,281,pp.4644–4647.)中，采用垂直耦合聚合物集成波導微環作為傳感單元實現了對葡萄糖溶液濃度的檢測，該傳感器采用可調諧激光器為光源，光電探測器為功率接收裝置，掃描可調諧激光器輸出波長，記錄葡萄糖溶液不同濃度條件下波導微環輸出的光譜，通過對諧振波長漂移量的檢測解調來獲得葡萄糖溶液的濃度。該傳感檢測系統需要可調諧激光器為光源，成本高、系統結構復雜。

在先技術[2](Sang-Yeon?Cho?and?Deva?K.Borah.―Chip-scale?hybrid?optical?sensing?systems?using?digital?signal?processing,‖Optics?Express,2009,Vol.17,No.1,pp.150-155)中，采用寬帶光源、陣列波導光柵(AWG)和陣列式光電探測器(PD)構成波導微環傳感器的傳感解調系統。AWG具有解復用功能，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行采樣擬合，來檢測微環傳感器輸出波長值的改變量，進而獲得待測樣品濃度。該傳感解調裝置雖然避免了先前技術[1]中的波長掃描，并且采用了集成光波導AWG以減小波導芯片尺寸，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行光電轉換，然后再進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據處理的復雜性。

在先技術[3](Kyowon?Kim?and?Thomas?E.Murphy.―Porous?silicon?integrated?Mach-Zehnder?interferometer?waveguide?for?biological?and?chemical?sensing,‖2013,Vol.21,No.17,pp.19488-19497)中，以兩個Y分支光波導構成馬赫-曾德干涉結構多孔硅光波導傳感器。采用激光外差干涉解調方法實現對異丙醇的傳感檢測。該傳感解調系統除了激光器和光電探測器外，還需要數字信號發生器、鎖相放大器等設備，傳感解調系統復雜、成本高。

發明內容

本發明針對上述集成波導光學生化傳感器存在的結構尺寸大、解調算法復雜、成本高等技術問題，提出一種傳感解調一體化的集成波導光學生化傳感器。該集成波導光學生化傳感器包括傳感單元、解調單元和電路部分。

所述傳感單元在集成波導光學生化傳感器前部，包括激光光源，第一直光波導，第一光波導微環，第二直光波導，傳感池；第一直光波導與第一光波導微環構成第一耦合區；第一光波導微環與第二直光波導構成第二耦合區；

所述解調單元在集成波導光學生化傳感器中部，包括第二直光波導，第二光波導微環，倒L形光波導，第一光電探測器，第二光電探測器；第二直光波導與第二光波導微環構成第三耦合區；第二光波導微環與倒L形光波導構成第四耦合區；第二直光波導和倒L形光波導垂直相交，分別構成解調單元的兩個光學輸出端口；

所述電路部分在在集成波導光學生化傳感器后部，包括第一連接電路，第二連接電路，數據采集與處理單元；

所述第一光波導微環的自由光譜范圍為FRS₁，第二光波導微環的自由光譜范圍為FSR₂，滿足FRS₂≥2FRS₁關系。