[發明專利]一種相位增敏型集成波導光學生化傳感器

有效

• 申請號: 201410253205.0
• 申請日: 2014-06-09
• 公開（公告）號: CN104020137B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 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

1.一種相位增敏型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)包括光路部分、傳感支路和電路部分；

光路部分在集成波導光學生化傳感器(1)前部，包括激光器(2)，第一直光波導(3)，第一光波導定向耦合器(4)，第二直光波導(5)，第三直光波導(6)，波導微環(7)，傳感池(8)，第二光波導定向耦合器(9)，第四直光波導(10)和第五直光波導(11)，第一光電探測器(12)和第二光電探測器(13)；

電路部分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)，數據采集與處理單元(16)；

傳感支路包括第一傳感支路(17)和第二傳感支路(18)；第二直光波導(5)與波導微環(7)構成第一傳感支路(17)，兩者之間處于過耦合狀態，波導微環(7)為第一傳感支路(17)提供相位增敏功能；第三直光波導(6)為第二傳感支路(18)；第二直波導(5)與第三直波導(6)的長度相同；傳感池(8)覆蓋第一傳感支路(17)和第二傳感支路(18)；

第一直光波導(3)為光波輸入端口，第四直光波導(10)和第五直光波導(11)分別為兩個光波輸出端口；第四直光波導(10)和第五直光波導(11)長度相同。

2.根據權利要求1所述的相位增敏型集成波導光學生化傳感器，其特征在于具有：激光器(2)為單波長激光器。

3.一種相位增敏型集成波導光學生化傳感器的傳感檢測方法，其特征在于，具有如下步驟：

a.激光器(2)輸出單波長光波經第一直光波導(3)進入第一光波導定向耦合器(4)分成兩路，分別進入第一傳感支路(17)和第二傳感支路(18)；第一傳感支路(17)中光波經第二直光波導(5)耦合進入波導微環(7)，光波在微環波導(7)中傳播，相位改變受到增敏作用，然后耦合輸出至第二光波導定向耦合器(9)的輸入端口；第二傳感支路(18)中光波經第三直光波導(6)輸出至第二光波導定向耦合器(9)的另一輸入端口；

b.第一傳感支路(17)和第二傳感支路(18)輸出的光波經第二光波導定向耦合器(9)耦合分束后進入第四直光波導(10)和第五直光波導(11)；

c.第四直光波導(10)和第五直光波導(11)輸出的光波分別進入第一光電探測器(12)和第二光電探測器(13)進行光電轉換，得到的光電流分別經第一連接電路(14)和第二連接電路(15)進入數據采集與處理單元(16)轉換為光功率值；

d.由第一連接電路(14)進入數據采集與處理單元(16)的光電流轉換的光功率值P₁和由第二連接電路(15)進入數據采集與處理單元(16)的光電流轉換的光功率值P₂的比值滿足

R=P2P1=(|H|+1)2cos2(Φ/2)+(|H|-1)2sin2(Φ/2)(|H|-1)2cos2(Φ/2)+(|H|+1)2sin2(Φ/2)---(1)]]>

其中|H|為波導微環(7)的幅度響應函數，Φ為波導微環(7)的相位響應，分別滿足以下公式，

|H|=[1-κ+γ-21-κγcos(φ)1+(1-κ)γ-21-κγcos(φ)]1/2---(2)]]>

Φ=π-φ-arctan[1-κsin(φ)γ-1-κcos(φ)]-arctan[1-κγsin(φ)1-1-κγ(φ)]---(3)]]>

其中κ為第二直光波導(5)與微環(7)的強度耦合系數，γ為微環(7)的光波傳輸強度損耗因子，φ＝2πNL/λ為光波在微環(7)中的傳輸相位，L為導微環(7)的周長，λ為激光器(2)輸出光波的波長，N為傳感池(8)覆蓋波導的有效折射率；

待測生化樣品溶液的濃度不同，其折射率相比于沒有待測樣品的純液體的折射率差值Δn_c不同，使得波導的有效折射率N不同，波導微環(7)的相位響應Φ則不同，進而引起第四直光波導(10)和第五直光波導(11)輸出光功率的比值R不同；利用兩路光功率的比值R，計算得到待測樣品溶液的折射率變化量Δn_c，進而獲得待測生化樣品的濃度。