[发明专利]一种相位增敏型集成波导光学生化传感器

说明书

技术领域

本发明属于光传感技术领域，具体涉及一种相位增敏型集成波导光学生化传感器。

背景技术

光学生化传感器在生物工程、医疗检测、环境监测等领域具有广阔的应用前景。其基本原理是待测物质与光波相互作用，从而使光波的某些物理参量，如波长、强度、相位、偏振等，发生变化，通过对这些物理参量的测量来获得待测物质的浓度、类别等信息。

集成波导光学生化传感器以其灵敏度高、所需样品量少、体积小、能耗低等优势呈现出广阔的应用前景。马赫—曾德干涉结构集成波导光学生化传感器，因其传感原理清晰、结构简单、集成度较高等优势，相关研究受到极大关注。

在先技术[1](吴远大,姜婷,安俊明,李建光,王玥,王红杰,胡雄伟.“SiO₂基Mach-Zehnder型传感芯片的制备与敏感性研究”，光电子·激光，2011，Vol.22，No.2,pp.159-162)中，以两个Y分支光波导构成一进一出的马赫-曾德干涉结构SiO₂光波导传感器，通过二次光刻+湿法刻蚀技术在一个干涉臂上获得长度为2cm敏感窗口。采用分布反馈激光器和光电探测器构成传感检测装置，通过对传感器输出光功率的检测解调来获得盐溶液的浓度。该传感器因采用直波导为传感臂，所需敏感窗口长度较长，从而使得整个器件尺寸较大；传感检测系统的光功率变化随待测溶液的浓度呈正弦函数关系，解调分辨率较低；另外，检测结果易受到激光器输出功率起伏的影响。

在先技术[2](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，以两个Y分支光波导构成一进一出的马赫-曾德干涉结构光波导传感器，采用多孔硅为光传输波导增强了光波与待测物质的相互作用。为了实现传感检测功能，需要采用旋涂+反应离子刻蚀工艺对传感臂和参考臂进行不同的处理，参考臂波导覆盖聚合物保护层，传感臂露出多孔硅波导以构成敏感窗口。采用激光外差干涉解调方法实现对异丙醇的传感检测。该传感器制作工艺较为复杂；传感解调系统除了激光器和光电探测器外，还需要数字信号发生器、锁相放大器等设备，传感解调系统复杂、成本高。

发明内容

本发明针对上述马赫-曾德干涉结构集成波导光学生化传感器存在的结构尺寸大、敏感窗口制备工艺复杂、传感解调分辨率低、系统成本高等技术问题，提出一种相位增敏型集成波导光学生化传感器。该集成波导光学生化传感器包括光路部分、传感支路和电路部分。所述光路部分在集成波导光学生化传感器前部，包括激光器，第一直光波导，第一光波导定向耦合器，第二直光波导，第三直波导，波导微环，第二光波导定向耦合器，第四直光波导和第五直光波导，第一光电探测器和第二光电探测器；所述电路部分在集成波导光学生化传感器后部，包括激光器，第一连接电路、第二连接电路，数据采集与处理单元。

所述传感支路包括第一传感支路和第二传感支路；第二直光波导与波导微环构成第一传感支路，两者之间处于过耦合状态，波导微环为第一传感支路提供相位增敏功能；第三直光波导为第二传感支路；第二直波导与第三直波导的长度相同；传感池覆盖第一传感支路和第二传感支路。

所述第一直光波导为光波输入端口，第四直光波导和第五直光波导分别为两个光波输出端口；第四直光波导和第五直光波导长度相同。

所述激光器为单波长激光器。

所述相位增敏型集成波导光学生化传感器的传感测量方法，其特征在于具有如下步骤：

a.激光器输出单波长光波经第一直光波导进入第一光波导定向耦合器分成两路，分别进入第一传感支路和第二传感支路；第一传感支路中光波经第二直光波导耦合进入波导微环，光波在微环波导中传播，相位变化受到增敏作用，然后耦合输出至第二光波导定向耦合器的输入端口；第二传感支路中光波经第三直光波导输出至第二光波导定向耦合器的另一输入端口；

b.第一传感支路和第二传感支路输出的光波经第二光波导定向耦合器耦合分束后进入第四直光波导和第五直光波导。

c.第四直光波导和第五直光波导输出的光波分别进入第一光电探测器和第二光电探测器进行光电转换，得到的光电流分别经第一连接电路和第二连接电路进入数据采集与处理单元转换为光功率值；