專利名稱：光學(xué)微腔生化傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光傳感領(lǐng)域，尤其涉及一種高靈敏度的光學(xué)微腔生化傳感器。
背景技術(shù)：
化學(xué)和生物傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國(guó)防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中。光學(xué)傳感器是傳感技術(shù)的重要組成部分，其基本原理是被測(cè)物質(zhì)與光場(chǎng)相互作用，從而使光場(chǎng)的某些參量(如波長(zhǎng)、相位、光強(qiáng)、偏振等)發(fā)生變化。集成光波導(dǎo)傳感器具有抗電磁干擾、耐惡劣環(huán)境(如高溫、核輻射等)、靈敏度高、 選擇性好、響應(yīng)快、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)、生物工程、食品工業(yè)、環(huán)境污染等領(lǐng)域展現(xiàn)出十分廣闊的應(yīng)用前景。集成光波導(dǎo)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(dǎo)傳感器具有靈敏度高，能耗低，易于集成等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地研究?；谥C振原理的集成光波導(dǎo)傳感器，為了獲得高的靈敏度和低的探測(cè)極限，通常要求微腔的Q很高( IO6)。這使得傳感器的制備對(duì)工藝的要求很苛刻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏度的光學(xué)微腔生化傳感器，具有易于集成、降低了光傳感系統(tǒng)的成本、靈敏度很高、探測(cè)極限小和降低了工藝要求的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供一種光學(xué)微腔傳感器，包括一第一 3dB光分束器和一第二 3dB光分束器；一傳感微腔，該傳感微腔的一側(cè)與第一 3dB光分束器的端口 1耦合，該傳感微腔的另一側(cè)與第二 3dB光分束器的端口 1耦合；一參考微腔，該參考微腔的一側(cè)與第一 3dB光分束器的端口 2耦合，該參考微腔的另一側(cè)與第二 3dB光分束器的端口 2耦合；一樣品槽，該樣品槽用于容置傳感微腔；一參考槽，該參考槽用于容置參考微腔；其中傳感微腔與參考微腔的自由頻譜寬不同，入射光由第一 3dB光分束器輸入， 經(jīng)分束后分別與傳感微腔和參考微腔相耦合；耦合進(jìn)入傳感微腔和參考微腔的光分別耦合進(jìn)入第二 3dB光分束器的端口 1和端口 2，兩束光經(jīng)第二 3dB光分束器干涉后作為傳感信號(hào)輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)微腔生化傳感器，其中傳感微腔是微環(huán)、微盤、微球或光子晶體微腔。其中參考微腔是微環(huán)、微盤、微球或光子晶體微腔。其中傳感微腔與第一 3dB光分束器端口 1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。其中傳感微腔與第二 3dB光分束器端口 1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。
其中參考微腔與第一 3dB光分束器端口 2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。其中參考微腔與第二 3dB光分束器端口 2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。其中用于制作該光學(xué)微腔生化的材料是S0I、有機(jī)物或者硅基二氧化硅。本發(fā)明的有益效果是1.本發(fā)明設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制備方便、與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝兼容、易于集成。2.本發(fā)明對(duì)光譜儀分辨率的要求很低，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(cè)極限小。4.本發(fā)明對(duì)微腔Q因子、臨界耦合條件等因素的依賴小，降低了工藝要求。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中圖1是高靈敏度光學(xué)微腔生化傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是當(dāng)樣品槽和參考槽中的物質(zhì)折射率相同時(shí)，參考光束、傳感光束和最終輸出光束的頻譜響應(yīng)圖。其中，(a)為參考光束，(b)為傳感光束，(c)為最終輸出光束。圖3是當(dāng)樣品槽和參考槽中的物質(zhì)折射率差為10_4時(shí)，參考光束、傳感光束和最終輸出光束的頻譜響應(yīng)圖。其中，(a)為參考光束，(b)為傳感光束，(c)為最終輸出光束。圖4是當(dāng)傳感器的微腔損耗很大(A = 0. 95，A為光在傳感器一周的光損耗)、Q因子很低( 8 X IO3)、且不在臨界耦合條件下、傳感微腔內(nèi)折射率變化為10_4時(shí)，參考光束和最終輸出光束的頻譜響應(yīng)圖。其中，(a)為參考光束，(b)為1.552 μ m波長(zhǎng)附近的參考光束，(c)為最終輸出光束。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種光學(xué)微腔傳感器，包括
一第一 3dB光分束器1和一第二 3dB光分束器4 ；一傳感微腔2，該傳感微腔2的一側(cè)與第一 3dB光分束器1的端口 1耦合，該傳感微腔2的另一側(cè)與第二 3dB光分束器4的端口 1耦合。所述傳感微腔2是微環(huán)、微盤、微球或光子晶體微腔。一參考微腔3，該參考微腔3的一側(cè)與第一 3dB光分束器1的端口 2耦合，該參考微腔3的另一側(cè)與第二 3dB光分束器4的端口 2耦合。所述參考微腔3是微環(huán)、微盤、微球或光子晶體微腔。一樣品槽5，該樣品槽5用于容置傳感微腔2 ；一參考槽6，該參考槽6用于容置參考微腔3 ；其中傳感微腔2與第一 3dB光分束器1端口 1的耦合、傳感微腔2與第二 3dB光分束器4端口 1的耦合、參考微腔3與第一 3dB光分束器1端口 2的耦合以及參考微腔3 與第二 3dB光分束器4端口 2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華禹合。
其中傳感微腔2與參考微腔3的自由頻譜寬不同，入射光由第一 3dB光分束器1 輸入，經(jīng)分束后分別與傳感微腔2和參考微腔3相耦合；耦合進(jìn)入傳感微腔2和參考微腔3 的光分別耦合進(jìn)入第二 3dB光分束器4的端口 1和端口 2，兩束光經(jīng)第二 3dB光分束器4干涉后作為傳感信號(hào)輸出。其中用于制作該光學(xué)微腔生化的材料是S0I、有機(jī)物或者硅基二氧化硅。實(shí)施例1 參照?qǐng)D1，本發(fā)明是一種基于3dB光分束器和光學(xué)微環(huán)耦合的高靈敏度傳感器，包括一第一 3dB光分束器1、一第二 3dB光分束器4、一個(gè)傳感微環(huán)2、一個(gè)參考微環(huán)3、一個(gè)樣品槽5和一個(gè)參考槽6。其中傳感微環(huán)2位于樣品槽5中，參考微環(huán)3位于參考槽6中。入射光由第一 3dB光分束器1輸入，經(jīng)分束后分別與傳感微環(huán)2、參考微環(huán)3相耦合；耦合進(jìn)入傳感微環(huán)2、參考微環(huán)3的光分別與第二 3dB光分束器4兩側(cè)的直波導(dǎo)相耦合，經(jīng)干涉后作為傳感信號(hào)輸出。以SOI材料為例，波導(dǎo)截面尺寸為220nmX500nm，參考微環(huán)3的半徑為 60 μ m,傳感微環(huán)2的半徑為59. 52 μ m。參照?qǐng)D2，當(dāng)不存在被測(cè)物質(zhì)時(shí)，由于參考微腔與傳感微腔的結(jié)構(gòu)略有差別，故參考微腔與傳感微腔的自由光譜區(qū)不相等。當(dāng)參考光束的某一諧振波長(zhǎng)與傳感光束的某一諧振波長(zhǎng)相等時(shí)，稱此波長(zhǎng)為參考微腔3與傳感微腔2的公共諧振波長(zhǎng)。由圖可見，當(dāng)不存在被測(cè)物質(zhì)時(shí)，參考微腔與傳感微腔的公共諧振波長(zhǎng)為1. 5521 μ m。
此時(shí)，我們可得參考微腔3與傳感微腔2的諧振條件和自由光譜寬為
2;rR 傳 = 傳
FSRtt=-
4傳
械傳X
FSIU =
_ Kb
參2她參當(dāng)不存在被測(cè)物質(zhì)時(shí)，本發(fā)明的公共諧振波長(zhǎng)為
2欣傳心_ 2^mnIff
Ac ——
ab其中a、b為整數(shù)。參照?qǐng)D3，當(dāng)樣品槽中存在被測(cè)物質(zhì)，傳感微腔內(nèi)折射率變化為10_4時(shí)，傳感微腔的有效折射率發(fā)生改變，引起傳感光束諧振波長(zhǎng)、相位等因素的變化。傳感光束和參考光束干涉后輸出，公共諧振波長(zhǎng)發(fā)生變化。此時(shí)，我們得到傳感微腔2的諧振條件
2;rR 傳 = mA傳(FSR傳-FSR參)，公共諧振波長(zhǎng)變化為
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)微腔傳感器，包括一第一 3dB光分束器和一第二 3dB光分束器；一傳感微腔，該傳感微腔的一側(cè)與第一 3dB光分束器的端口 1耦合，該傳感微腔的另一側(cè)與第二 3dB光分束器的端口 1耦合；一參考微腔，該參考微腔的一側(cè)與第一 3dB光分束器的端口 2耦合，該參考微腔的另一側(cè)與第二 3dB光分束器的端口 2耦合；一樣品槽，該樣品槽用于容置傳感微腔； 一參考槽，該參考槽用于容置參考微腔；其中傳感微腔與參考微腔的自由頻譜寬不同，入射光由第一 3dB光分束器輸入，經(jīng)分束后分別與傳感微腔和參考微腔相耦合；耦合進(jìn)入傳感微腔和參考微腔的光分別耦合進(jìn)入第二 3dB光分束器的端口 1和端口 2，兩束光經(jīng)第二 3dB光分束器干涉后作為傳感信號(hào)輸出ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)微腔生化傳感器，其中傳感微腔是微環(huán)、微盤、微球或光子晶體微腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)微腔生化傳感器，其中參考微腔是微環(huán)、微盤、微球或光子晶體微腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)微腔生化傳感器，其中傳感微腔與第一3dB光分束器端口 1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(quán)利要求1所述的光學(xué)微腔生化傳感器，其中傳感微腔與第二3dB光分束器端口 1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(quán)利要求1所述的光學(xué)微腔生化傳感器，其中參考微腔與第一3dB光分束器端口 2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(quán)利要求1所述的光學(xué)微腔生化傳感器，其中參考微腔與第二3dB光分束器端口 2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(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的光學(xué)微腔生化傳感器，其中用于制作該光學(xué)微腔生化的材料是S0I、有機(jī)物或者硅基二氧化硅。
全文摘要
一種光學(xué)微腔傳感器，包括一第一3dB光分束器和一第二3dB光分束器；一傳感微腔，該傳感微腔的一側(cè)與第一3dB光分束器的端口1耦合，該傳感微腔的另一側(cè)與第二3dB光分束器的端口1耦合；一參考微腔，該參考微腔的一側(cè)與第一3dB光分束器的端口2耦合，該參考微腔的另一側(cè)與第二3dB光分束器的端口2耦合；一樣品槽，該樣品槽用于容置傳感微腔；一參考槽，該參考槽用于容置參考微腔；其中傳感微腔與參考微腔的自由頻譜寬不同，入射光由第一3dB光分束器輸入，經(jīng)分束后分別與傳感微腔和參考微腔相耦合；耦合進(jìn)入傳感微腔和參考微腔的光分別耦合進(jìn)入第二3dB光分束器的端口1和端口2，兩束光經(jīng)第二3dB光分束器干涉后作為傳感信號(hào)輸出。
文檔編號(hào)G01N21/41GK102506911SQ20111028930
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者吳遠(yuǎn)大, 安俊明, 張家順, 張曉光, 李建光, 王玥, 王紅杰, 胡雄偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所