专利名称：采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器的制作方法
采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器技术领域：
本发明涉及各种基于光微谐振传感的多通道复用技术领域，尤其是 光微流体传感的波分复用，属于光生物和化学传感技术。背景技术：
基于微谐振光学技术的无标记生物传感器直接测量分子相互作用，能实现生物分子相互作用的实时观察，由于无需待测分析物具有荧光、特征吸收或散射带 等特殊性质，测量对象范围大大扩展，可探测毒素、蛋白质、DNA，甚至整个细胞行为，从而为 医学诊断、药品研制、食物监测、环境监测等领域提供了有力的分析工具。光微谐振腔利用全反射将光完全约束在微腔内，形成驻波而产生回音壁谐振模 (Whisper Gallery Mode, WGM)，由于是全反射，泄漏损耗非常小，因而能以很小的尺寸获得 很高的Q值，Q值可高达101(1。当附在微腔表面的待测物浓度变化引起折射率变化时，谐振 腔的有效折射率将产生变化，从而引起谐振波长漂移。通过检测波长漂移，即可检测出待测 物浓度变化。球形，环形和柱形是光微谐振腔的常见几何形状。但由于缺乏对多通道复用的研究，目前微谐振腔光学传感器仍无法实现大通量测 量。在微谐振腔生物光学传感器复用方面的探索，目前已有技术只适用于同时检测不同待 测物的情况。在通信领域，则有研究人员通过使微腔阵列中的每个微腔尺寸不同来实现WGM 谐振谱线的分离，然而这一方法并不适用于检测，因为将使制作和操作变得很复杂，导致检 测一致性变差或不稳定。在生物和化学传感检测发展中，实现标准的96井或384井的大通 量测量是生物光学传感器能够真正应用和发挥其优势的前提，设计新型的多通道光微流体 测量方案就很关键。
发明内容本发明的目的是解决上述微谐振传感复用技术的不足，提供一种采 用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器。本发明提供的采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器，包括光栅辅助耦合器阵列通道通道内的光栅辅助耦合器阵列由一组成对设置的光栅 辅助耦合器构成，每对光栅辅助耦合器包括一个上载光栅辅助耦合器和一个下载光栅辅助 耦合器，两个光栅辅助耦合器的特征波长相同，都对应于光微流体谐振腔的谐振梳状谱系 列中的其中一条谱线，但不同对光栅辅助耦合器之间的特征波长不同；波导信号公共通道位于光栅辅助耦合器阵列通道下方，用于输入探测光和收集 携带谐振信息的信号光；波导传感耦合通道位于光栅辅助耦合器阵列通道上方，将具有特定波长的探测 光从光栅辅助耦合器阵列通道耦合入光微流体微谐振腔中，从而激发光微谐振腔中的逆时 针谐振模，以及将带有谐振信息的信号光从光栅辅助耦合器阵列通道耦合下载进入波导公 共通道；光微流体谐振腔阵列设置在波导传感耦合通道的上方，并与光栅辅助耦合器阵 列中的成对设置的光栅辅助耦合器一一对应；该阵列中每一个光微流体谐振腔放置在一对 特征波长相同的光栅辅助耦合器中间位置的上方，满足谐振条件的波长在光微流体谐振腔 内发生谐振，同时通过选择对应的光栅波长，使得光微流体谐振腔内的逆时针谐振模的波 长与光栅波长匹配；
光谱分析装置提供探测光，并对波导信号公共通道中传出的信号光进行分析，可 完成高灵敏度多通道的光微流体谐振同时检测；可以采用宽带光源和可调谐滤波器扫描探 测组合的形式，也可以是可调谐激光器和探测器组合形式。所述的光栅辅助耦合器阵列通道、波导信号公共通道和波导传感耦合通道可以并 排放置在一起构成一个传感复用通道。也可以用一个写入光纤光栅的耦合器实现。
所述的光微流体谐振腔阵列中的光微流体谐振腔是微球、微环、微盘或微管形式。所述的光栅辅助耦合器可以是平面波导光栅结构，或是光纤光栅结构。其中，所述的光栅辅助耦合器中的光栅可由折射率调制光栅和损耗/增益调制光 栅组合而成，组合光栅简化的理论传输矩阵为
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此处，A1, A2分别为波导1和2的复传递系数，取A1 = A2 = 0. 5，故 A1Vg =Vii = 0.5 为两个波导的失调系数之差；K为耦合系数，L为光栅长度，所用光 栅长度在百微米量级，耦合系数较大，如L= 100 μ m，κ =CXSTSmm1 ;u/±g = eXp(士 jJiL// Α) ； A为光栅周期，应该考虑L与Λ之间的匹配关系，一般Λ的取值在0. 2μπι 0. 5μπι 之间；S为两个光栅的相位之差。当S = 1，即可实现上载功能；而实现下载功能，可使光栅 WS = -1。在本发明装置中设置了光栅辅助耦合器阵列通道，其中的每一个上载或下载光栅 只选择一个波长全部上载或下载，入射到波导信号公共通道中的宽带探测光，在特征波长 为Xi的上载光栅处由于光栅的选择性，只有以Xi为中心的窄带探测光才能全部上载进入 波导耦合传感通道，并由消逝场耦合激发谐振波长为λ i的谐振腔的WGM谐振模，携带谐振 模波长信息的信号光再经特征波长为Xi的下载光栅，又一次进入波导信号公共通道，最后 到达光谱分析装置。这一过程中，其他波长的光则不受影响，仍然在波导信号公共通道中传 播，如中心波长为λ i+1的窄带光，只有在到达特征波长为λ i+1的光栅处，才可以被上载至 波导传感耦合通道。上载光栅辅助耦合器将选择以特定波长为中心的窄带探测光从波导信号公共通 道上载到波导传感耦合通道中，上载的窄带探测光有效地耦合激发光微流体生物传感器的
WGMllo下载光栅辅助耦合器将以特定波长为中心的携带有谐振信息的信号光从波导传 感耦合通道中下载到波导信号公共通道，并传到接收端，进入光谱分析装置。本发明的主要特点是设置了波导公共通道、光栅辅助耦合器阵列通道和波导传感 耦合通道，三者共同作用，把以特定波长为中心的窄带光耦合进入相应的光微流体微谐振 腔中，激起谐振腔中逆时针WGM谐振模，进而下载携带谐振信息的信号光回到波导公共通 道，最终进入光谱分析装置，完成传感过程。本发明提供的采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器，以宽带光源和 可调谐滤波器组合的光谱分析装置为例，其工作过程如下宽带光源的探测光入射到波导信号公共通道一侧，光栅辅助耦合器将实现波导传 感耦合通道与波导信号公共通道的非对称耦合，具体实现方式为，上载光栅辅助耦合器首 先将特定波长的光从波导信号公共通道上载耦合到波导传感耦合通道，然后光信号在波导传感耦合通道中通过消逝波耦合，激发光微流体谐振腔内的WGM模，从而携带光微流谐振 腔的谐振模波长信息，并通过下载光栅辅助耦合器将该光信号下载到波导信号公共通道， 在接收端进入光谱分析装置。当待测物浓度变化时，将引起光微流体谐振腔的有效折射率变化，进而引起谐振 波长的漂移。采用由可调谐滤波器组成的高精度光谱分析装置对波导信号公共通道出射的 信号光进行分析，即可完成高灵敏度多通道的光微流体谐振同时检测。本发明的优点和积极效果1.采用光栅辅助耦合器阵列的光微流体传感器波分复用技术和装置，能够利用若 干对具有特定谐振波长的光栅辅助耦合器，实现选择性通过相同中心波长的窄带光，从而 激发对应光微流体谐振腔的WGM模，构成多通道复用的传感系统，可用于高通量光微流体 检测系统的构建。2.采用光栅辅助耦合器阵列的复用技术可以适用于多种结构形式的光微流体谐 振腔，如光微球腔，光微环腔，光微盘腔和光微柱腔等，可以实现多种多通道光微流体传感 方案，从而适用多种应用场合。3.所提出的采用光栅辅助耦合器阵列的光微流体传感器复用技术制作容易，能够 采用已有技术实现批量生产。

图1是采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器示意图；图2是采用光栅辅助耦合器阵列的光微流体传感器波分复用的示意图；图3是采用光纤光栅的光微流体传感器示意图。图中1为宽带光源，2为波导信号公共通道，3为光栅辅助耦合器阵列通道，4为波 导传感耦合通道，5为谐振波长为Xi的光微流体谐振腔，6为特征波长为Xi的上载光栅辅 助耦合器，7为特征波长为λ i的下载光栅辅助耦合器，8为可调谐滤波器，9为写入光纤光 栅的耦合器，10为谐振波长为λ i+1的光微流体谐振腔，11为特征波长为λ i+1的上载光栅辅 助耦合器，12为特征波长为λ i+1的下载光栅辅助耦合器，其中1和8共同构成光谱分析装 置。
具体实施方式实施例1 采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器如图1所示，宽带光源1输出的光到达光微流体传感系统左侧的波导信号公共通 道2中，而光栅辅助耦合器阵列通道3中的每一对光栅具有不同的谐振波长，能选择性地通 过特定波长的窄带光。如中心波长为Xi的窄带光，可以选择性通过特征波长为Xi的上载 光栅辅助耦合器6，上载至波导传感耦合通道4中，经消逝场耦合激发谐振中心波长为λ i 的光微流体谐振腔5的逆时针谐振模，从而在上载的光信号谱中形成下陷波谷，这样，携带 有谐振波长信息的光信号通过特征波长为λ i的下载光栅辅助耦合器7，再次进入波导信号 公共通道2中，最终到达末端的可调谐滤波器8，进行分析处理。而中心波长为λ +1的窄带 光，则只能经对应特征波长为λ +1的光栅耦合辅助器进入波导传感耦合通道，激发对应谐 振中心波长为λ +1的谐振腔内的逆时针谐振模，并下载至波导信号公共通道，最后进入可调谐滤波器8。这样就实现了多通道波分复用。实施例2 采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感方法上述多通道传感器的传感过程如下图1中的宽带光源1输出的光到达光微流体传感系统左侧的波导信号公共通道2 中，而光栅辅助耦合器阵列通道3中的每一对光栅具有不同的谐振波长，能选择性地通过 特定波长的窄带光。如特征波长为Xi的窄带光，可以选择性通过中心波长为XiW上载光 栅辅助耦合器6，上载至波导传感耦合通道4中，经消逝场耦合激发光微流谐振腔5的逆时 针谐振模，这样，携带有谐振波长信息的光信号通过特征波长为Xi的下载光栅辅助耦合器 7，再次进入波导信号公共通道2中，最终到达末端的可调谐滤波器8，进行分析处理。光微流体谐振模的激发过程为，从波导信号公共通道左侧进入的 探测光经光栅辅 助耦合器中的上载光栅进入波导传感耦合通道，通过消逝场在微谐振腔中激发起逆时针谐 振模。通过设计选择合适的对应于该微谐振腔的光栅辅助耦合器的光栅参数，如改变光栅 长度L，从IOOym变为120μπι，使得光栅中心波长与光微流体谐振腔内的逆时针谐振模的 波长匹配；而其他波长的光则在波导信号公共通道传播，到达对应波长的光栅耦合辅助器 后进入波导传感耦合通道，同样地通过消逝场在相应的微谐振腔中激发起逆时针谐振模， 这样从而克服了因光微流体传感器的微谐振腔阵列间存在的阴影效应，即解决它们之间的 谐振梳状谱线互相遮挡，而无法单独抽取出各个光微谐振腔传感器谱线的问题。当附在光微流体谐振腔表面的待测物浓度变化引起折射率变化时，谐振腔的有效 折射率将产生变化，从而引起谐振波长漂移，通过检测波长漂移，即可检测出待测物浓度变 化。采用由可调谐滤波器组成的高精度光谱分析装置对波导信号公共通道出射的信号光进 行分析，即可完成高灵敏度多通道的光微流体谐振同时检测。本发明方法中1.光谱分析装置可以采用宽带光源和可调谐滤波器扫描探测组合的形式，也可以 是可调谐激光器和探测器组合形式或其他光栅式光谱分析仪。2.光微流体谐振腔可以是微球，微环，微盘或微管形式。光栅辅助耦合器可以是各 种平面波导光栅结构，也可以是光纤光栅结构。3.可用于各种以折射率测量为基础的生物、化学多通道传感应用场合。实施例3 两通道光微流体传感复用举例两通道的复用于如图2所示，传感复用通道由波导信号公共通道2、光栅辅助耦合 器阵列通道3和波导传感耦合通道4构成，每一对光栅辅助耦合器，包括特征波长为XiW 上载光栅6和下载光栅7，以及特征波长为λ i+1的上载光栅11和下载光栅12，具有不同的 反射中心波长Xi* λ i+1，在每一对光栅辅助耦合器中心上方分别放置具有相同谐振中心 波长参数的光微流体谐振腔5和10。传感过程为波导信号公共通道2的入射光包含的中心波长为λ i和λ i+1的窄带 光，在光栅辅助耦合器阵列通道3中各自对应的光栅辅助耦合器选择性通过作用下，经波 导传感耦合通道4由消逝场耦合进入光微流体谐振腔5和10中，分别激发起谐振中心波长 为λ i和λ i+1的WGM谐振模，再次进入波导信号公共通道2，最后到达可调谐滤波器8进行 分析处理。实施例4 采用光纤光栅的多通道光微流体传感器
具体装置如图3所示，采用光纤光栅的多通道光微流体传感器就是将波导信号公共通道、波导传感耦合通道及光栅辅助耦合器用一个写入光纤光栅的耦合器9实现其功 能，基本原理与采用光栅耦合辅助器的多通道光微流体传感系统类似，光进入光纤后，在写 入光纤光栅的耦合器9处，对应于光纤光栅谐振波长的窄带光被上载，并耦合激发光微流 体谐振腔5的谐振模，在经过下一个耦合器处被下载；而其他光则继续传播到对应谐振波 长的耦合器处才能被上载。
权利要求
一种采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器，其特征在于该传感器包括光栅辅助耦合器阵列通道通道内的光栅辅助耦合器阵列由一组成对设置的光栅辅助耦合器构成，每对光栅辅助耦合器包括一个上载光栅辅助耦合器和一个下载光栅辅助耦合器，两个光栅辅助耦合器的特征波长相同，都对应于光微流体谐振腔的谐振梳状谱系列中的其中一条谱线，但不同对光栅辅助耦合器之间的特征波长不同；波导信号公共通道位于光栅辅助耦合器阵列通道下方，用于输入探测光和收集携带谐振信息的信号光；波导传感耦合通道位于光栅辅助耦合器阵列通道上方，将具有特定波长的探测光从光栅辅助耦合器阵列通道耦合入光微流体微谐振腔中，从而激发光微谐振腔中的逆时针谐振模，以及将带有谐振信息的信号光从光栅辅助耦合器阵列通道耦合下载进入波导公共通道；光微流体谐振腔阵列设置在波导传感耦合通道的上方，并与光栅辅助耦合器阵列中的成对设置的光栅辅助耦合器一一对应；该阵列中每一个光微流体谐振腔放置在一对特征波长相同的光栅辅助耦合器中间位置的上方，满足谐振条件的波长在光微流体谐振腔内发生谐振，同时通过选择对应的光栅波长，使得光微流体谐振腔内的逆时针谐振模的波长与光栅波长匹配；光谱分析装置提供探测光，并对波导信号公共通道中传出的信号光进行分析，可完成高灵敏度多通道的光微流体谐振同时检测；可以采用宽带光源和可调谐滤波器扫描探测组合的形式，也可以是可调谐激光器和探测器组合形式。
2.根据权利要求1所述的采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器，其特征 在于所述的光栅辅助耦合器阵列通道、波导信号公共通道和波导传感耦合通道构成一个传 感复用通道。
3.根据权利要求1所述的采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器，其特征 在于所述的波导信号公共通道、波导传感耦合通道及光栅辅助耦合器也可以用一个写入光 纤光栅的耦合器实现，成为采用光纤光栅的多通道光微流体传感器。
4.根据权利要求1、2或3所述的采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器， 其特征在于所述的光微流体谐振腔阵列中的光微流体谐振腔是微球、微环、微盘或微管形 式。
5.根据权利要求1、2或3所述的采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器， 其特征在于所述的光栅辅助耦合器可以是平面波导光栅结构，或是光纤光栅结构。
全文摘要
采用光栅辅助耦合器阵列的多通道光微流体传感器。传感器包括光谱分析装置，波导信号公共通道，光栅辅助耦合器阵列通道，波导传感耦合通道以及光微流体谐振腔阵列。探测光通过波导信号公共通道、光栅辅助耦合器通道及波导传感耦合通道，耦合到光微流体谐振腔阵列中，再将腔内谐振模波长信息带到接收端，进入到光谱分析装置分析处理，实现传感。该装置能有效地实现多通道光微流体传感，可用于高通量光微流体检测系统的构建。通过设计光栅辅助耦合器的参数，可有效控制光栅辅助耦合器与光微流体谐振腔的相互作用，显著增加光谐振谱线响应峰值，从而提高检测灵敏度。该装置适用于多种应用场合，且制作容易，能用已有技术实现批量生产。
文档编号G01N21/55GK101832927SQ201010185458
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月28日 优先权日2010年5月28日
发明者刘琨, 刘铁根, 徐聪, 江俊峰 申请人:天津大学