专利名称：基于光强探测的集成光波导微腔传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光传感领域，尤其涉及一种基于光强探测的集成光波导微腔生化传感器。
背景技术：
生物和化学传感器已广泛应用于航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中。光学传感器是传感技术的重要组成部分，其基本原理是被测物质与光场相互作用，从而使光场的某些参量(如波长、相位、偏振、光强等)发生变化。
集成光波导传感器具有抗电磁干扰、耐恶劣环境(如高温、核辐射等)、选择性好、灵敏度高、响应快、便于集成等优点，在临床医学、生物工程、食品工业、环境污染等领域展现出十分广阔的应用前景。集成光波导传感器通常采用干涉或者谐振等原理。采用谐振原理的集成光波导传感器具有灵敏度高，能耗低，易于集成等优点而被广泛地研究。基于谐振原理的集成光波导传感器，为了获得高的灵敏度和低的探测极限，通常要求微腔的Q很高(-106)。这使得传感器的制备对工艺的要求很苛刻。基于谐振原理的集成光波导传感器通常还需要高灵敏度的光谱仪或者稳定性高、带宽窄的激光光源。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其是具有高灵敏度、集成度高的光学微腔生化传感器，具有降低了光传感系统的成本、灵敏度很高、探测极限小和降低了工艺要求的优点。为达到上述目的，本发明提供一种基于光强探测的集成光波导微腔传感器，包括—第一 3dB光分束器,包括一输入波导、一第一输出波导和一第二输出波导；—第二 3dB光分束器,包括一光输入波导、一第一光输出波导和一第二光输出波导，所述第二 3dB光分束器的光输入波导与第一 3dB光分束器的第二输出波导连接；—传感微腔，其一侧与第二 3dB光分束器的第一光输出波导稱合；一样品槽，其用于容置传感微腔；—2X1光合束器,包括一第一输入光波导、一第二输入光波导和一输出光波导，所述2XI光合束器的第一输入光波导与传感微腔的另一侧耦合；—参考微腔，其一侧与第二 3dB光分束器的第二光输出波导稱合,另一侧与2X1光合束器的第二输入光波导稱合；所述2X1光合束器的输出光波导的输出光强与第一 3dB光分束器的第一输出波导的输出光强的比值作为最终的传感信号。从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果I.本发明设计简单、制备方便、与标准的CMOS工艺兼容、易于集成。2.本发明不需要光谱仪、激光器等昂贵设备，从而极大的降低了光传感系统的成本。3.本发明的灵敏度很高，探测极限小。4.本发明对微腔Q因子等因素的要求很低，降低了工艺要求。5.本发明的传感特性对光源的强度、3dB带宽等因素不敏感，降低了光源的要求。


为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中
图I是光学微腔生化传感器的结构示意图；图2是光谱图，其中
图2 (a)是入射光源的光谱图；图2 (b)是第一 3dB光分束器的第一输出波导输出光束的光谱图；图2 (C)是当被测物质为纯净的去离子水(折射率为I. 33)时，2X I光合束器的输出光波导输出光束的光谱图；图3是当样品槽内折射率变化为10_2，2X1光合束器的输出光波导输出光束的光谱图。图4是参考微腔下载光束在λ = I. 55 μ m附近的归一化光谱分布图。
具体实施例方式请参阅图I所示，本发明提供一种光学微腔传感器，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 ；一传感微腔3和一参考微腔6 ；一样品槽4，该样品槽4用于容置传感微腔3。第一 3dB光分束器I的输入波导11与光源相连，第一 3dB光分束器I的第二输出波导13与第二 3dB光分束器2的光输入波导21相连。第二 3dB光分束器2的第一光输出波导22与传感微腔3的一侧相耦合，该传感微腔3的另一侧与2X1光合束器5的第一输入光波导51稱合；第二 3dB光分束器2的第二光输出波导23与参考微腔6的一侧相f禹合，该参考微腔6的另一侧与2X1光合束器5的第二输入光波导52稱合。2X1光合束器5的输出光波导53的输出光强与第一 3dB光分束器I的第一输出波导12的输出光强的比值作为最终的传感信号。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。其中传感微腔3和参考微腔6是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。其中传感微腔3与第二 3dB光分束器2的第一光输出波导22的耦合、传感微腔与2X1光合束器5的第一输入光波导51的稱合是基于倏逝波稱合,其稱合方式为横向稱合或者垂直耦合。其中参考微腔6与第二 3dB光分束器2的第二光输出波导23的耦合、参考微腔与2X1光合束器5的第二输入光波导52的稱合是基于倏逝波稱合,其稱合方式为横向稱合或者垂直耦合。
其中用于制作该微腔传感器的材料是SOI、有机物或者硅基二氧化硅。入射光由第一 3dB光分束器I的输入波导11输入，经分束后分别进入第一 3dB光分束器I的第一输出波导12和第一 3dB光分束器的第二输出波导13。其中,进入第一 3dB光分束器I的第一输出波导12的光作为参考光束输出；进入第一 3dB光分束器I的第二输出波导13的光经第二 3dB光分束器2分束后分别与传感微腔3和参考微腔6相耦合。耦合进入传感微腔3和参考微腔6的光分别稱合进入2X1光合束器5的第一输入光波导51和2 X I光合束器5的第二输入光波导52，两束光经2 X I光合束器5干涉后由2 X I光合束器5的输出光波导53输出。 由2X1光合束器5的输出光波导53输出的探测光束的光强，与第一 3dB光分束器I的第一输出波导12输出的参考光束的光强的比值作为最终的传感信号。入射光由第一 3dB光分束器I的输入波导11输入,经分束后分别进入第一 3dB光分束器I的第一输出波导12和第一 3dB光分束器I的第二输出波导13。则,第一 3dB光分束器I的第一输出波导12处的电场Er和第一 3dB光分束器I的第二输出波导13处的电场Etl2分别为Er = E01 == 二^其中，Etl为入射光的电场强度。第一 3dB光分束器I的第二输出波导13处的电场E02经过第二 3dB光分束器2分束后,第二 3dB光分束器2的第一光输出波导22处的电场E11和第二 3dB光分束器2的第二光输出波导23处的电场E12分别为E11 == ^E12 == ^第二 3dB光分束器2的第一光输出波导22处的电场E11和第二 3dB光分束器2的第二光输出波导23处的电场E12分别经过传感微腔3和参考微腔6后,2X I光合束器5的第一输入光波导51处的电场E21和2X I光合束器5的第二输入光波导52处的电场E22分别为
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权利要求
1.一种基于光强探测的集成光波导微腔传感器，包括 一第一 3dB光分束器,包括一输入波导、一第一输出波导和一第二输出波导； 一第二 3dB光分束器,包括一光输入波导、一第一光输出波导和一第二光输出波导，所述第二 3dB光分束器的光输入波导与第一 3dB光分束器的第二输出波导连接； 一传感微腔，其一侧与第二 3dB光分束器的第一光输出波导稱合； 一样品槽，其用于容置传感微腔； —2X1光合束器,包括一第一输入光波导、一第二输入光波导和一输出光波导，所述 2X1光合束器的第一输入光波导与传感微腔的另一侧耦合； 一参考微腔，其一侧与第二 3dB光分束器的第二光输出波导稱合,另一侧与2X1光合束器的第二输入光波导稱合； 所述2X I光合束器的输出光波导的输出光强与第一 3dB光分束器的第一输出波导的输出光强的比值作为最终的传感信号。
2.根据权利要求I所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，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.根据权利要求I所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中传感微腔和参考微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
4.根据权利要求I所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中传感微腔与第二 3dB光分束器的第一光输出波导的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
5.根据权利要求I所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中传感微腔与2X1光合束器的第一输入光波导的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
6.根据权利要求I所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中参考微腔与第二 3dB光分束器的第二光输出波导的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
7.根据权利要求I所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中参考微腔与2X1光合束器的第二输入光波导的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
8.根据权利要求1-7任一项所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中用于制作该微腔传感器的材料是SOI、有机物或者硅基二氧化硅。
9.根据权利要求1-7任一项所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中所述的连接是光波导连接。
10.根据权利要求I所述的基于光强探测的集成光波导微腔传感器，其中该参考微腔与传感微腔的自由频谱宽度不同。
全文摘要
一种基于光强探测的集成光波导微腔传感器，包括一第一3dB光分束器，一第二3dB光分束器，所述第二3dB光分束器的光输入波导与第一3dB光分束器的第二输出波导连接；一传感微腔，其一侧与第二3dB光分束器的第一光输出波导耦合；一样品槽，其用于容置传感微腔；一2×1光合束器，包括一第一输入光波导、一第二输入光波导和一输出光波导，所述2×1光合束器的第一输入光波导与传感微腔的另一侧耦合；一参考微腔，其一侧与第二3dB光分束器的第二光输出波导耦合，另一侧与2×1光合束器的第二输入光波导耦合；所述2×1光合束器的输出光波导的输出光强与第一3dB光分束器的第一输出波导的输出光强的比值作为最终的传感信号。
文档编号G01N21/41GK102636456SQ20121005257
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者吴远大, 安俊明, 张家顺, 张晓光, 李建光, 王玥, 王红杰, 胡雄伟 申请人:中国科学院半导体研究所