專利名稱：基于光強探測的集成光波導微腔傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光傳感領域，尤其涉及一種基于光強探測的集成光波導微腔生化傳感器。
背景技術：
生物和化學傳感器已廣泛應用于航天、航空、國防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領域中。光學傳感器是傳感技術的重要組成部分，其基本原理是被測物質(zhì)與光場相互作用，從而使光場的某些參量(如波長、相位、偏振、光強等)發(fā)生變化。
集成光波導傳感器具有抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境(如高溫、核輻射等)、選擇性好、靈敏度高、響應快、便于集成等優(yōu)點，在臨床醫(yī)學、生物工程、食品工業(yè)、環(huán)境污染等領域展現(xiàn)出十分廣闊的應用前景。集成光波導傳感器通常采用干涉或者諧振等原理。采用諧振原理的集成光波導傳感器具有靈敏度高，能耗低，易于集成等優(yōu)點而被廣泛地研究。基于諧振原理的集成光波導傳感器，為了獲得高的靈敏度和低的探測極限，通常要求微腔的Q很高(-106)。這使得傳感器的制備對工藝的要求很苛刻?；谥C振原理的集成光波導傳感器通常還需要高靈敏度的光譜儀或者穩(wěn)定性高、帶寬窄的激光光源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，其是具有高靈敏度、集成度高的光學微腔生化傳感器，具有降低了光傳感系統(tǒng)的成本、靈敏度很高、探測極限小和降低了工藝要求的優(yōu)點。為達到上述目的，本發(fā)明提供一種基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，包括—第一 3dB光分束器,包括一輸入波導、一第一輸出波導和一第二輸出波導；—第二 3dB光分束器,包括一光輸入波導、一第一光輸出波導和一第二光輸出波導，所述第二 3dB光分束器的光輸入波導與第一 3dB光分束器的第二輸出波導連接；—傳感微腔，其一側與第二 3dB光分束器的第一光輸出波導稱合；一樣品槽，其用于容置傳感微腔；—2X1光合束器,包括一第一輸入光波導、一第二輸入光波導和一輸出光波導，所述2XI光合束器的第一輸入光波導與傳感微腔的另一側耦合；—參考微腔，其一側與第二 3dB光分束器的第二光輸出波導稱合,另一側與2X1光合束器的第二輸入光波導稱合；所述2X1光合束器的輸出光波導的輸出光強與第一 3dB光分束器的第一輸出波導的輸出光強的比值作為最終的傳感信號。從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I.本發(fā)明設計簡單、制備方便、與標準的CMOS工藝兼容、易于集成。2.本發(fā)明不需要光譜儀、激光器等昂貴設備，從而極大的降低了光傳感系統(tǒng)的成本。3.本發(fā)明的靈敏度很高，探測極限小。4.本發(fā)明對微腔Q因子等因素的要求很低，降低了工藝要求。5.本發(fā)明的傳感特性對光源的強度、3dB帶寬等因素不敏感，降低了光源的要求。


為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中
圖I是光學微腔生化傳感器的結構示意圖；圖2是光譜圖，其中
圖2 (a)是入射光源的光譜圖；圖2 (b)是第一 3dB光分束器的第一輸出波導輸出光束的光譜圖；圖2 (C)是當被測物質(zhì)為純凈的去離子水(折射率為I. 33)時，2X I光合束器的輸出光波導輸出光束的光譜圖；圖3是當樣品槽內(nèi)折射率變化為10_2，2X1光合束器的輸出光波導輸出光束的光譜圖。圖4是參考微腔下載光束在λ = I. 55 μ m附近的歸一化光譜分布圖。
具體實施例方式請參閱圖I所示，本發(fā)明提供一種光學微腔傳感器，包括—第一 3dB光分束器I、一第二 3dB光分束器2和2X I光合束器5 ；一傳感微腔3和一參考微腔6 ；一樣品槽4，該樣品槽4用于容置傳感微腔3。第一 3dB光分束器I的輸入波導11與光源相連，第一 3dB光分束器I的第二輸出波導13與第二 3dB光分束器2的光輸入波導21相連。第二 3dB光分束器2的第一光輸出波導22與傳感微腔3的一側相耦合，該傳感微腔3的另一側與2X1光合束器5的第一輸入光波導51稱合；第二 3dB光分束器2的第二光輸出波導23與參考微腔6的一側相f禹合，該參考微腔6的另一側與2X1光合束器5的第二輸入光波導52稱合。2X1光合束器5的輸出光波導53的輸出光強與第一 3dB光分束器I的第一輸出波導12的輸出光強的比值作為最終的傳感信號。其中第一 3dB光分束器I、第二 3dB光分束器2和2X I光合束器5可以是Y型、多模干涉(MMI)型或者定向耦合型。其中傳感微腔3和參考微腔6是微環(huán)、微盤、微球或光子晶體微腔。其中傳感微腔3與第二 3dB光分束器2的第一光輸出波導22的耦合、傳感微腔與2X1光合束器5的第一輸入光波導51的稱合是基于倏逝波稱合,其稱合方式為橫向稱合或者垂直耦合。其中參考微腔6與第二 3dB光分束器2的第二光輸出波導23的耦合、參考微腔與2X1光合束器5的第二輸入光波導52的稱合是基于倏逝波稱合,其稱合方式為橫向稱合或者垂直耦合。
其中用于制作該微腔傳感器的材料是SOI、有機物或者硅基二氧化硅。入射光由第一 3dB光分束器I的輸入波導11輸入，經(jīng)分束后分別進入第一 3dB光分束器I的第一輸出波導12和第一 3dB光分束器的第二輸出波導13。其中,進入第一 3dB光分束器I的第一輸出波導12的光作為參考光束輸出；進入第一 3dB光分束器I的第二輸出波導13的光經(jīng)第二 3dB光分束器2分束后分別與傳感微腔3和參考微腔6相耦合。耦合進入傳感微腔3和參考微腔6的光分別稱合進入2X1光合束器5的第一輸入光波導51和2 X I光合束器5的第二輸入光波導52，兩束光經(jīng)2 X I光合束器5干涉后由2 X I光合束器5的輸出光波導53輸出。 由2X1光合束器5的輸出光波導53輸出的探測光束的光強，與第一 3dB光分束器I的第一輸出波導12輸出的參考光束的光強的比值作為最終的傳感信號。入射光由第一 3dB光分束器I的輸入波導11輸入,經(jīng)分束后分別進入第一 3dB光分束器I的第一輸出波導12和第一 3dB光分束器I的第二輸出波導13。則,第一 3dB光分束器I的第一輸出波導12處的電場Er和第一 3dB光分束器I的第二輸出波導13處的電場Etl2分別為Er = E01 == 二^其中，Etl為入射光的電場強度。第一 3dB光分束器I的第二輸出波導13處的電場E02經(jīng)過第二 3dB光分束器2分束后,第二 3dB光分束器2的第一光輸出波導22處的電場E11和第二 3dB光分束器2的第二光輸出波導23處的電場E12分別為E11 == ^E12 == ^第二 3dB光分束器2的第一光輸出波導22處的電場E11和第二 3dB光分束器2的第二光輸出波導23處的電場E12分別經(jīng)過傳感微腔3和參考微腔6后,2X I光合束器5的第一輸入光波導51處的電場E21和2X I光合束器5的第二輸入光波導52處的電場E22分別為
Π tufAIT I j
I - · ·I
ΓΩΩ4. Τ7 — Eο ' (Aj-Θ ■) ； 2
h2i—7一卜抑聲■⑴T1J
Κλ :τ~* .
t ■ · — ~ !E _ Eο 欠(- ~_) ■■ ζ
2 α) Τ-:其中A1和k2分別是微腔與第二 3dB分束器2和2X I光合束器5的耦合因子。、和τ2分別是微腔與第二 3dB分束器2和2X1光合束器5的傳輸因子。式中，As和\分別為光在傳感微腔3和參考微腔6內(nèi)的傳輸損耗。在波長λ處,2Χ I光合束器5的輸出光波導53處的光強Is ( λ )為IsO) = (E21+E22) * ((Ε21+Ε22)*)若入射光的光譜分布為fo( λ ),則2X1光合束器5的輸出光波導53和第一 3dB光分束器I的第一輸出波導12處的總輸出光強分別為Is =^Jc(A) * Is (λ)]αλ
權利要求
1.一種基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，包括 一第一 3dB光分束器,包括一輸入波導、一第一輸出波導和一第二輸出波導； 一第二 3dB光分束器,包括一光輸入波導、一第一光輸出波導和一第二光輸出波導，所述第二 3dB光分束器的光輸入波導與第一 3dB光分束器的第二輸出波導連接； 一傳感微腔，其一側與第二 3dB光分束器的第一光輸出波導稱合； 一樣品槽，其用于容置傳感微腔； —2X1光合束器,包括一第一輸入光波導、一第二輸入光波導和一輸出光波導，所述 2X1光合束器的第一輸入光波導與傳感微腔的另一側耦合； 一參考微腔，其一側與第二 3dB光分束器的第二光輸出波導稱合,另一側與2X1光合束器的第二輸入光波導稱合； 所述2X I光合束器的輸出光波導的輸出光強與第一 3dB光分束器的第一輸出波導的輸出光強的比值作為最終的傳感信號。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，其中第一3dB光分束器、第二 3dB光分束器和2X1光合束器是Y分支型、多模干涉型或者定向耦合型。
3.根據(jù)權利要求I所述的基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，其中傳感微腔和參考微腔是微環(huán)、微盤、微球或光子晶體微腔。
4.根據(jù)權利要求I所述的基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，其中傳感微腔與第二 3dB光分束器的第一光輸出波導的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式為橫向耦合或者垂直耦合。
5.根據(jù)權利要求I所述的基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，其中傳感微腔與2X1光合束器的第一輸入光波導的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式為橫向耦合或者垂直耦合。
6.根據(jù)權利要求I所述的基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，其中參考微腔與第二 3dB光分束器的第二光輸出波導的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式為橫向耦合或者垂直耦合。
7.根據(jù)權利要求I所述的基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，其中參考微腔與2X1光合束器的第二輸入光波導的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式為橫向耦合或者垂直耦合。
8.根據(jù)權利要求1-7任一項所述的基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，其中用于制作該微腔傳感器的材料是SOI、有機物或者硅基二氧化硅。
9.根據(jù)權利要求1-7任一項所述的基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，其中所述的連接是光波導連接。
10.根據(jù)權利要求I所述的基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，其中該參考微腔與傳感微腔的自由頻譜寬度不同。
全文摘要
一種基于光強探測的集成光波導微腔傳感器，包括一第一3dB光分束器，一第二3dB光分束器，所述第二3dB光分束器的光輸入波導與第一3dB光分束器的第二輸出波導連接；一傳感微腔，其一側與第二3dB光分束器的第一光輸出波導耦合；一樣品槽，其用于容置傳感微腔；一2×1光合束器，包括一第一輸入光波導、一第二輸入光波導和一輸出光波導，所述2×1光合束器的第一輸入光波導與傳感微腔的另一側耦合；一參考微腔，其一側與第二3dB光分束器的第二光輸出波導耦合，另一側與2×1光合束器的第二輸入光波導耦合；所述2×1光合束器的輸出光波導的輸出光強與第一3dB光分束器的第一輸出波導的輸出光強的比值作為最終的傳感信號。
文檔編號G01N21/41GK102636456SQ20121005257
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權日2012年3月2日
發(fā)明者吳遠大, 安俊明, 張家順, 張曉光, 李建光, 王玥, 王紅杰, 胡雄偉 申請人:中國科學院半導體研究所