专利名称：光学微腔生化传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光传感领域，尤其涉及一种高灵敏度的光学微腔生化传感器。
背景技术：
化学和生物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、光强、偏振等)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)、灵敏度高、 选择性好、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( IO6)。这使得传感器的制备对工艺的要求很苛刻。

发明内容
本发明的目的在于提供一种高灵敏度的光学微腔生化传感器，具有易于集成、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。本发明提供一种光学微腔传感器，包括一第一 3dB光分束器和一第二 3dB光分束器；一传感微腔，该传感微腔的一侧与第一 3dB光分束器的端口 1耦合，该传感微腔的另一侧与第二 3dB光分束器的端口 1耦合；一参考微腔，该参考微腔的一侧与第一 3dB光分束器的端口 2耦合，该参考微腔的另一侧与第二 3dB光分束器的端口 2耦合；一样品槽，该样品槽用于容置传感微腔；一参考槽，该参考槽用于容置参考微腔；其中传感微腔与参考微腔的自由频谱宽不同，入射光由第一 3dB光分束器输入， 经分束后分别与传感微腔和参考微腔相耦合；耦合进入传感微腔和参考微腔的光分别耦合进入第二 3dB光分束器的端口 1和端口 2，两束光经第二 3dB光分束器干涉后作为传感信号输出。2.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中传感微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。其中参考微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。其中传感微腔与第一 3dB光分束器端口 1的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。其中传感微腔与第二 3dB光分束器端口 1的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
其中参考微腔与第一 3dB光分束器端口 2的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。其中参考微腔与第二 3dB光分束器端口 2的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。其中用于制作该光学微腔生化的材料是S0I、有机物或者硅基二氧化硅。本发明的有益效果是1.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.本发明对光谱仪分辨率的要求很低，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、临界耦合条件等因素的依赖小，降低了工艺要求。


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1是高灵敏度光学微腔生化传感器的结构示意图。图2是当样品槽和参考槽中的物质折射率相同时，参考光束、传感光束和最终输出光束的频谱响应图。其中，(a)为参考光束，(b)为传感光束，(c)为最终输出光束。图3是当样品槽和参考槽中的物质折射率差为10_4时，参考光束、传感光束和最终输出光束的频谱响应图。其中，(a)为参考光束，(b)为传感光束，(c)为最终输出光束。图4是当传感器的微腔损耗很大(A = 0. 95，A为光在传感器一周的光损耗)、Q因子很低( 8 X IO3)、且不在临界耦合条件下、传感微腔内折射率变化为10_4时，参考光束和最终输出光束的频谱响应图。其中，(a)为参考光束，(b)为1.552 μ m波长附近的参考光束，(c)为最终输出光束。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明提供一种光学微腔传感器，包括
一第一 3dB光分束器1和一第二 3dB光分束器4 ；一传感微腔2，该传感微腔2的一侧与第一 3dB光分束器1的端口 1耦合，该传感微腔2的另一侧与第二 3dB光分束器4的端口 1耦合。所述传感微腔2是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。一参考微腔3，该参考微腔3的一侧与第一 3dB光分束器1的端口 2耦合，该参考微腔3的另一侧与第二 3dB光分束器4的端口 2耦合。所述参考微腔3是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。一样品槽5，该样品槽5用于容置传感微腔2 ；一参考槽6，该参考槽6用于容置参考微腔3 ；其中传感微腔2与第一 3dB光分束器1端口 1的耦合、传感微腔2与第二 3dB光分束器4端口 1的耦合、参考微腔3与第一 3dB光分束器1端口 2的耦合以及参考微腔3 与第二 3dB光分束器4端口 2的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直華禹合。
其中传感微腔2与参考微腔3的自由频谱宽不同，入射光由第一 3dB光分束器1 输入，经分束后分别与传感微腔2和参考微腔3相耦合；耦合进入传感微腔2和参考微腔3 的光分别耦合进入第二 3dB光分束器4的端口 1和端口 2，两束光经第二 3dB光分束器4干涉后作为传感信号输出。其中用于制作该光学微腔生化的材料是S0I、有机物或者硅基二氧化硅。实施例1 参照图1，本发明是一种基于3dB光分束器和光学微环耦合的高灵敏度传感器，包括一第一 3dB光分束器1、一第二 3dB光分束器4、一个传感微环2、一个参考微环3、一个样品槽5和一个参考槽6。其中传感微环2位于样品槽5中，参考微环3位于参考槽6中。入射光由第一 3dB光分束器1输入，经分束后分别与传感微环2、参考微环3相耦合；耦合进入传感微环2、参考微环3的光分别与第二 3dB光分束器4两侧的直波导相耦合，经干涉后作为传感信号输出。以SOI材料为例，波导截面尺寸为220nmX500nm，参考微环3的半径为 60 μ m,传感微环2的半径为59. 52 μ m。参照图2，当不存在被测物质时，由于参考微腔与传感微腔的结构略有差别，故参考微腔与传感微腔的自由光谱区不相等。当参考光束的某一谐振波长与传感光束的某一谐振波长相等时，称此波长为参考微腔3与传感微腔2的公共谐振波长。由图可见，当不存在被测物质时，参考微腔与传感微腔的公共谐振波长为1. 5521 μ m。
此时，我们可得参考微腔3与传感微腔2的谐振条件和自由光谱宽为
2;rR 传 = 传
FSRtt=-
4传
械传X
FSIU =
_ Kb
参2她参当不存在被测物质时，本发明的公共谐振波长为
2欣传心_ 2^mnIff
Ac ——
ab其中a、b为整数。参照图3，当样品槽中存在被测物质，传感微腔内折射率变化为10_4时，传感微腔的有效折射率发生改变，引起传感光束谐振波长、相位等因素的变化。传感光束和参考光束干涉后输出，公共谐振波长发生变化。此时，我们得到传感微腔2的谐振条件
2;rR 传 = mA传(FSR传-FSR参)，公共谐振波长变化为
权利要求
1.一种光学微腔传感器，包括一第一 3dB光分束器和一第二 3dB光分束器；一传感微腔，该传感微腔的一侧与第一 3dB光分束器的端口 1耦合，该传感微腔的另一侧与第二 3dB光分束器的端口 1耦合；一参考微腔，该参考微腔的一侧与第一 3dB光分束器的端口 2耦合，该参考微腔的另一侧与第二 3dB光分束器的端口 2耦合；一样品槽，该样品槽用于容置传感微腔； 一参考槽，该参考槽用于容置参考微腔；其中传感微腔与参考微腔的自由频谱宽不同，入射光由第一 3dB光分束器输入，经分束后分别与传感微腔和参考微腔相耦合；耦合进入传感微腔和参考微腔的光分别耦合进入第二 3dB光分束器的端口 1和端口 2，两束光经第二 3dB光分束器干涉后作为传感信号输出ο
2.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中传感微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
3.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中参考微腔是微环、微盘、微球或光子晶体微腔。
4.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中传感微腔与第一3dB光分束器端口 1的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
5.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中传感微腔与第二3dB光分束器端口 1的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
6.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中参考微腔与第一3dB光分束器端口 2的耦合是基于倏逝波耦合，其耦合方式为横向耦合或者垂直耦合。
7.根据权利要求1所述的光学微腔生化传感器，其中参考微腔与第二3dB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任一项所述的光学微腔生化传感器，其中用于制作该光学微腔生化的材料是S0I、有机物或者硅基二氧化硅。
全文摘要
一种光学微腔传感器，包括一第一3dB光分束器和一第二3dB光分束器；一传感微腔，该传感微腔的一侧与第一3dB光分束器的端口1耦合，该传感微腔的另一侧与第二3dB光分束器的端口1耦合；一参考微腔，该参考微腔的一侧与第一3dB光分束器的端口2耦合，该参考微腔的另一侧与第二3dB光分束器的端口2耦合；一样品槽，该样品槽用于容置传感微腔；一参考槽，该参考槽用于容置参考微腔；其中传感微腔与参考微腔的自由频谱宽不同，入射光由第一3dB光分束器输入，经分束后分别与传感微腔和参考微腔相耦合；耦合进入传感微腔和参考微腔的光分别耦合进入第二3dB光分束器的端口1和端口2，两束光经第二3dB光分束器干涉后作为传感信号输出。
文档编号G01N21/41GK102506911SQ20111028930
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月27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