[发明专利]基于光功率比值解调的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，具体涉及一种基于光功率比值解调的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、能耗低等优势受到极大关注，基于波导微环、波导光栅、波导马赫—曾德干涉仪等结构的集成波导光学生化传感器相继报道，快速、高效的传感解调方法是集成波导光学生化传感器可实用化的关键。

在先技术[1](Gun-Duk Kim,Geun-Sik Son,Hak-Soon Lee,Ki-Do Kim,Sang-Shin Lee.“Integrated photonic glucose biosensor using a vertically coupled microring resonator in polymers”Optics Communications,2008,281,pp.4644–4647.)中，采用垂直耦合聚合物集成波导微环作为传感单元实现了对葡萄糖溶液浓度的检测，该传感器采用可调谐激光器为光源，光电探测器为功率接收装置，扫描可调谐激光器输出波长，记录葡萄糖溶液不同浓度条件下波导微环输出的光谱，通过对谐振波长漂移量的检测解调来获得葡萄糖溶液的浓度。该传感检测系统需要可调谐激光器为光源，成本高、系统结构复杂。

在先技术[2](Sang-Yeon Cho and Deva K.Borah.“Chip-scale hybrid optical sensing systems using digital signal processing,”Optics Express,2009,Vol.17,No.1,pp.150-155)中，采用宽带光源、阵列波导光栅(AWG)和阵列式光电探测器(PD)构成波导微环传感器的传感解调系统。AWG具有解复用功能，不同波长的光波在AWG的不同端口输出，通过探测各个端口的光波功率值并进行采样拟合，来检测微环传感器输出波长值的改变量，进而获得待测样品浓度。该传感解调装置虽然避免了先前技术[1]中的波长扫描，并且采用了集成光波导AWG以减小波导芯片尺寸，但是需要阵列式(多个)光电探测器对AWG多个输出端口的光波进行光电转换，然后再进行多路信号取样拟合处理，增加了传感检测装置的体积和数据处理的复杂性。此外，宽带光源功率谱的不平坦以及功率的起伏都将对传感检测结果产生影响。

在先技术[3](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，Vo l.22，No.2,pp.159-162)中，以两个Y分支光波导构成马赫-曾德型SiO₂光波导传感器，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，此检测结果易受到激光器输出功率起伏的影响。

在先技术[4](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分支光波导构成马赫-曾德型多孔硅光波导传感器，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

本发明针对上述技术问题，提出一种基于光功率比值解调的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、传感支路光波导、参考支路光波导、第二光波导定向耦合器、第二直光波导和第三直光波导、第一光电探测器、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，包括第一连接电路、第二连接电路和数据采集与处理单元。