[发明专利]传感解调一体化的集成波导光学生化传感器

权利要求书

1.一种传感解调一体化的集成波导光学生化传感器，其特征在于：

该集成波导光学生化传感器(1)包括传感单元、解调单元和电路部分；

传感单元在集成波导光学生化传感器(1)前部，包括激光光源(2)，第一直光波导(3)，第一光波导微环(5)，第二直光波导(7)，传感池(17)；第一直光波导(3)与第一光波导微环(5)构成第一耦合区(4)；第一光波导微环(5)与第二直光波导(7)构成第二耦合区(6)；

解调单元在集成波导光学生化传感器(1)中部，包括第二直光波导(7)，第二光波导微环(9)，倒L形光波导(11)，第一光电探测器(12)，第二光电探测器(13)；第二直光波导(7)与第二光波导微环(9)构成第三耦合区(8)；第二光波导微环(9)与倒L形光波导(11)构成第四耦合区(10)；第二直光波导(7)和倒L形光波导(11)垂直相交，分别构成解调单元的两个光学输出端口；

电路部分在在集成波导光学生化传感器(1)后部，包括第一连接电路(14)，第二连接电路(15)，数据采集与处理单元(16)；

第一光波导微环(5)的自由光谱范围为FRS₁，第二光波导微环(9)的自由光谱范围为FSR₂，满足FRS₂≥2FRS₁关系；

激光光源(2)谱宽W_L，满足W_L≤FRS₁关系。

2.一种传感解调一体化的集成波导光学生化传感器的传感解调方法，其特征在于该方法具有如下步骤：

a.激光光源(2)输出谱宽为W_L的光波进入第一直光波导(3)，经第一耦合区(4)耦合进入第一光波导微环(5)，光波在第一光波导微环(5)中往返传输，与传感池(17)中的待测生化样品溶液发生相互作用，满足谐振条件的光波从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)。谐振光波与第一光波导微环(5)的周长L₁满足如下关系

mλ_R1＝n_effL₁   (¹)

其中n_eff为待测生化样品溶液覆盖波导的有效折射率，m为谐振级数；

b.传感池(17)中的待测生化样品溶液的浓度不同，其折射率不同，待测生化样品溶液覆盖波导的有效折射率n_eff不同，使得波导微环的谐振波长不同，即从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)的不同波长代表待测生化样品溶液的不同浓度，实现对待测生化样品溶液的传感检测功能；

c.从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)中光波的一部分在第三耦合区(8)耦合进入第二光波导微环(9)，然后经第四耦合区(10)耦合输出进入倒L形光波导(11)，并传输至第一光电探测器(12)进行光电转换输出光电流；

d.从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)中光波的另一部分经第三耦合区(8)继续传输，经第二直光波导(7)的光输出端口达到第二光电探测器(13)进行光电转换输出光电流；

e.第一光电探测器(12)和第二光电探测器(13)输出的光电流分别经第一连接电路(14)和第二连接电路(15)进入数据采集与处理单元(16)转换为光功率值P₁和P₂，P₁和P₂满足以下公式

P1∝κ1κ2γ3/41+(1-κ1)(1-κ2)γ-21-κ11-κ2γcos(φ)---(2)]]>

P2∝κ(1-κ2)+(1-κ2)γ-21-κ11-κ2γcos(φ)κ1+(1-κ1)(1-κ2)γ-21-κ11-κ2γcos(φ)---(3)]]>

二者比值满足

R=P1P2∝κ1κ2γ3/4(1-κ1)(1-κ2)γ-21-κ11-κ2γcos(φ)---(4)]]>

其中κ₁和κ₂分别为第三耦合区(8)和第四耦合区(10)的交叉强度耦合系数，γ为第二光波导微环(9)的光波传输强度损耗因子，为第一光波导微环(5)经第二耦合区(6)输出的光波在第二光波导微环(9)中的传输相位；

传感解调单元两输出端口的功率—波长响应谱具有互补特性，即P₁和P₂的光谱响应的峰值波长与谷值波长重合，二者的功率比值R在0～FSR₂/2范围内与光波长具有一一对应的关系。利用该对应关系，获得无待测生化样品的纯液体条件下从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)的光波波长以及有待测生化样品的溶液条件下从第二耦合区(6)耦合输出至第二直光波导(7)的光波波长二者的差值为进而根据公式(1)获得待测生化样品溶液的浓度信息。