[發明專利]一種基于垂直耦合的雙環級聯光學傳感器

在審

• 申請號: 201710633147.8
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107247036A
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 李明宇;胡海洋;楊建
• 申請（專利權）人: 蘇州聯訊儀器有限公司
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 劉靜,邱啟旺

技術領域

本發明涉及一種光學生物傳感器，尤其涉及一種基于垂直耦合的雙環級聯光學傳感器。

背景技術

光學傳感器在食品安全、環境監測、生物制藥和醫療健康等領域有著廣泛的應用。光學傳感器具有不受電磁干擾、高靈敏度以及可以直接探測生物分子反應的優點。隨著光學傳感器向高集成度、高靈敏度和小型化的方向發展，集成光波導傳感器越來越得到人們的重視。

集成光學傳感器大多是基于倏逝波傳感，被測物質與波導表面的倏逝波相互作用，從而改變光的傳感信號。光波的主要能量集中在波導芯層的導模中，因此通過倏逝波傳感的方法，存在被測物質對光信號調制有限的問題。利用光波導的導模進行傳感(如狹縫型波導)，雖然增大了被測物質與光場的相互作用，但是同時也增加了傳感器的傳輸損耗，進而影響傳感器的性能。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于垂直耦合的雙環級聯光學傳感器，兩個環通過被測液體在垂直方向上相互耦合。光場在兩個環形諧振腔之間來回耦合，部分在波導中傳播，部分在被測液體中傳播，大大增強了被測液體對光場的調制，同時又減少光的傳輸損耗。當被測液體的折射率發生改變時，兩個環的耦合系數發生改變，從而影響了兩個環的諧振條件，進而改變了輸出光強度。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于垂直耦合的雙環級聯光學傳感器，包括激光器、第一個形環諧振腔、第二個環形諧振腔、探測器；第一個形環諧振腔的輸入波導的輸入端與激光器連接，輸入波導和輸出波導在水平方向與第一個環形諧振腔相耦合，輸出波導的輸出端與探測器相耦合；所述第一個環形諧振腔和所述第二個環形諧振腔的結構相同，在垂直方向上完全對準，且通過被測液體在垂直方向上相互耦合。

進一步地，所述第一個環形諧振腔和第二個環形諧振腔采用平面集成光波導或者光纖構成。

進一步地，所述第一個環形諧振腔和第二個環形諧振腔的垂直距離為100nm‐1μm。

本發明具有的有益效果是：本發明使被測液體在諧振腔的耦合區域內，大大增加了被測液體與光場的相互作用，使傳感器更加靈敏。使用單波長激光器作為輸入光源，功率計作為探測器，無需測量光譜信息的可調諧光源或者高分辨率光譜儀，大大降低傳感器成本。

附圖說明

圖1為一種基于垂直耦合的雙環級聯光學傳感器結構示意圖；

圖2為兩個環形諧振腔垂直方向的截面示意圖；

圖3為兩個環的耦合系數隨被測液體折射率的變化曲線；

圖4為被測液體折射率變化δn時，傳感器的輸出光譜變化示意圖；

圖5為傳感器輸出歸一化功率隨被測液體折射率的變化曲線；

圖中，激光器1、第一個形環諧振腔2、第二個環形諧振腔3、探測器4、輸入波導5、輸出波導6、被測液體7。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。

實施例

如圖1所示，本發明提供的一種基于垂直耦合的雙環級聯光學傳感器，包括激光器1、第一個形環諧振腔2、第二個環形諧振腔3、探測器4、輸入波導5和輸出波導6；所述第一個形環諧振腔2的輸入波導5的輸入端與激光器1連接；所述輸入波導5和輸出波導6在水平方向與第一個環形諧振腔2相耦合；所述輸出波導6的輸出端與探測器4相耦合；所述第一個環形諧振腔2和第二個環形諧振腔3的結構相同，在垂直方向上完全對準，且通過被測液體7在垂直方向上相互耦合。

如圖2所示，第一個環形諧振腔2和第二個環形諧振腔3通過被測液體7相互耦合。

激光器1發出的光通過輸入波導5在水平方向上耦合到第一個環形諧振腔2；光在第一個環形諧振腔傳輸的過程中與第二個環形諧振腔3通過被測液體7在垂直方向上相互耦合；最終光在水平方向上耦合到輸出波導6，并進入探測器4。

所述激光器1的波長λ＝1.504μm，偏振態為TM模式。本實例中傳感器的波導芯層材料為Si，其折射率均為n_c＝3.4；被測液體7的初始折射率n_s＝1.33；第一個環形諧振腔2和第二個環形諧振腔3的光學長度均為L＝1.550mm；忽略全部損耗。所有波導結構均為高a＝220nm，寬b＝500nm，第一個環形諧振腔2與第二個環形諧振腔3的間距為d＝500nm。根據耦合模理論，則兩個環形諧振腔之間單位長度上的耦合系數K表示為：

其中，T的表達式為：