[发明专利]传感解调一体化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，具体涉及一种传感解调一体化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、能耗低等优势呈现出广阔的应用前景。基于波导微环、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。研究工作主要集中在传感单元的设计与传感功能的验证，对于解调主要是利用实验室的测试系统进行演示，尚未满足实际应用中光学生化传感器的微型化和低成本要求。

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。

在先技术[3](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-曾德干涉结构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

本发明针对上述集成波导光学生化传感器存在的结构尺寸大、解调算法复杂、成本高等技术问题，提出一种传感解调一体化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传感单元、解调单元和电路部分。

所述传感单元在集成波导光学生化传感器前部，包括激光光源，第一直光波导，第一光波导微环，第二直光波导，传感池；第一直光波导与第一光波导微环构成第一耦合区；第一光波导微环与第二直光波导构成第二耦合区；

所述解调单元在集成波导光学生化传感器中部，包括第二直光波导，第二光波导微环，倒L形光波导，第一光电探测器，第二光电探测器；第二直光波导与第二光波导微环构成第三耦合区；第二光波导微环与倒L形光波导构成第四耦合区；第二直光波导和倒L形光波导垂直相交，分别构成解调单元的两个光学输出端口；

所述电路部分在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，数据采集与处理单元；

所述第一光波导微环的自由光谱范围为FRS₁，第二光波导微环的自由光谱范围为FSR₂，满足FRS₂≥2FRS₁关系。