[发明专利]拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器

说明书

技术领域

本发明属于光生化传感技术领域，具体涉及一种拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器的设计。

背景技术

随着光子学技术的日趋成熟以及它在生物和化学领域应用的不断扩展，光学生化传感器的应用范围已经覆盖了生化传感器的诸多领域，成为当今生化传感器件的重要组成部分。生化传感器不仅广泛应用于传统的医学领域，而且还在环境监测、农作物保护、国土安全等方面有着广泛的应用。光学生化传感器是一种以某种生物化学成分为敏感基元，以光学信号为载体，对目标检测物具有高选择性和高灵敏度的检测器件。生化传感器通常是对气体、液体、生物大分子等微流体进行检测，待分析的样本至少覆盖整个波导器件的上方区域，待分析样本浓度的变化或免疫反应的发生都将改变波导包层的折射率，该变化被光波的倏逝场分量所感应，从而引起光波模式有效折射率的改变，并使得光在环中的传输性质发生变化。通过测量光场的变化量就可以知道待测物质的信息。光学传感器主要分为光纤型和集成波导型两大类。与光纤型传感器相比，基于倏逝波的集成光波导型光学传感器使得器件在结构尺寸上大大缩小，特别是对于高对比度折射率材料的光波导。

近年来，许多研究者提出了基于集成光波导型的各种传感结构用以实现大的探测范围和高的传感灵敏度传感。其中，马赫曾德尔干涉仪和微环谐振腔是其中两种常用的结构。马赫曾德尔干涉仪型（MZI）的生化传感器由于其传感机理简单，自由光谱范围（FSR）大，因此是光学生化传感器件常选用的结构，但传统的MZI结构必须通过增加MZI两臂的长度，以增大光与物质相互作用的距离来实现大的探测范围和高的传感灵敏度，这样器件尺寸就无法做到小型化，也就更难实现亚微米,乃至纳米量级的光学生化传感器件。而且制作时需要对MZI的其中一臂，即传感臂，固定微流体通道或修饰生物大分子，而对参考臂不做处理，这样不仅大大增加了器件制作的难度而且也难以实现器件小型化和便携化。单一的微环谐振腔结构虽然可以有效的增加腔长，使结构更为紧凑，但这种结构的自由光谱范围较小，一般仅有几十纳米，故可实现的探测范围也就较小。因此基于以上两种单一的方式都较难实现大测量范围和高灵敏度的光学生化传感器件。

相对而言，采用整个器件都覆盖有外界待检测环境物质的方式，取代传统的仅对MZI的一个臂进行修饰，可以有效的缩小器件尺寸、降低器件制作的复杂度，但这种方式对于传统的平衡型MZI是无法用于检测的，因为采用整个器件覆盖待分析物质的这种方式，两干涉臂感知的相位变化相等，相位差恒为零，因此无法用于探测。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的光学生化传感器采用单臂检测其制作工艺难、器件尺寸大的缺点而提供一种拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：拱形环结构的马赫曾德尔干涉型光学生化传感器，包括一个输入输出直波导、一个环形谐振腔，所述环形谐振腔包括：第一直波导、左半圆反馈环波导、右半圆反馈环波导、第二直波导、环形波导以及第三直波导，所述第二直波导和第三直波导共线，所述输入输出直波导、第一直波导与第二直波导和第三直波导平行，左半圆反馈环波导的两端分别延伸出第一直波导的第一端和第二直波导的第一端，右半圆反馈环波导的两端分别延伸出第一直波导的第二端和第三直波导的第二端，环形波导的两端分别延伸出第二直波导的第二端和第三直波导的第一端；

输入输出直波导依次包括输入端、第四直波导、第五直波导、第六直波导以及输出端；所述第二直波导与第四直波导构成第一方向耦合器，所述第三直波导与第六直波导构成第二方向耦合器，所述环形波导与第五直波导构成马赫曾德尔干涉仪结构，所述环形波导作为马赫曾德尔干涉仪结构的弯曲臂，所述第五直波导作为马赫曾德尔干涉仪结构的直臂。

进一步的，所述环形波导包括第一左圆环、第二半圆环、第一右圆环，第一左圆环的两端分别延伸出第二直波导的第二端和第二半圆环的第一端，第一右圆环的两端分别延伸出第二半圆环的第二端和第三直波导的第一端，所述第一左圆环、第一右圆环的内径与第二半圆环的内径相切，且第一左圆环、第二半圆环、第一右圆环之间的连接处呈平滑连接。

进一步的，所述第一左圆环和第一右圆环的内径为R2，第二半圆环的内径为R3，所述R2和R3相等。

进一步的，所述左半圆反馈环和右半圆反馈环的半径为R1，所述R1大于R2、R3。

进一步的，所述输入输出直波导与所述环形波导之间的耦合通过第一方向耦合器和第二方向耦合器实现。

进一步的，所述波导为无源脊形波导或条形波导。