[发明专利]基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学生物传感器，尤其涉及一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器。

背景技术

光学传感器是生物医学诊断，环境监测和食品安全等领域非常有前景的检测工具。光学传感器有很多优点：抗电磁干扰性强，无标记检测和易于制备光电子集成芯片。基于绝缘硅（SOI）倏逝波传感器，以其高灵敏度，集成度高和与CMOS工艺兼容等特点，备受国内外研究者的关注。满足谐振条件的光波将被耦合到光学谐振腔内，光波以倏逝波的形式在被测液体内指数衰减。当被测液体发生变化时，光学谐振腔的谐振条件也随之发生变化，通过测量谐振波长移动或者在谐振波长附近固定波长的光能量变化得到被测物质的变化。如何能够提高传感器灵敏度是科研工作者一直关注的问题。高Q值的光学谐振腔虽然能够提高光学生物传感器的灵敏度，但是需要高分辨率的光谱仪或者窄线宽的可调谐激光器，这都增大了光学生物传感器的成本。

利用双谐振腔级联产生游标效应的光学传感器，无需高分辨率的光谱仪或者窄线宽的激光器，可以在提高传感器灵敏度的同时，大大降低传感器的成本。此种传感器灵敏度被放大的倍率与两个光学谐振腔（传感腔和参考腔）自由光谱范围（FSR）之差成反比，所以构造相等的两个光学谐振腔可以获得最大的灵敏度。然而因为传感腔上包层是被测液体，参考腔上包层是固定的低折射率材料，加上光刻和刻蚀等制作工艺的误差，在实际应用中难以制备具有完全相同FSR的两个光学谐振腔，最终灵敏度大大受到影响；此外，因为传感环与参考环的上包层材料不同，热膨胀系数不同，因此很难消除温度对传感器特性的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器，使用光学谐振腔和反射型偏振转换器相结合，利用两种偏振态下光学谐振腔有效折射率变化的不同，形成游标效应，将光谱检测信息转变为透射总输出功率的变化，从而大大降低光学传感器的制作成本；同时，参考光学谐振腔和传感光学谐振腔为同一个谐振腔，解决了两个具有相同FSR的光学谐振腔制作困难的问题，还可以大大消除温度对传感器的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器，包括宽带光源、环形器、探测器、光学谐振腔和反射型偏振转换器；所述环形器的第一端口与宽带光源连接；所述环形器的第二端口与光学谐振腔的输入端连接；所述环形器的第三端口与探测器连接；所述光学谐振腔的输出端与反射型偏振转换器相连接；所述光学谐振腔内波导芯层表面有特异性吸附功能的生物表面膜；所述光学谐振腔的生物表面膜与被测液体接触；所述反射型偏振转换器包括偏振转换器和反射镜。

进一步地，通过调节生物表面膜的厚度，实现所述光学谐振腔对于TE和TM模式两种偏振光的有效折射率相同，使得所述光学谐振腔对于TE模式的所有谐振频率与对于TM模式的所有谐振频率重合。

进一步地，所述光学谐振腔内生物表面膜对被测液体中待测物质的特异性吸附，引起所述光学谐振腔的TM模式有效折射率变化剧烈，但TE模式有效折射率变化缓慢，使得所述光学谐振腔对于TE模式的一个谐振频率与对于TM模式的一个谐振频率重合时，其他相邻的谐振峰不完全重合，从而产生游标效应。

进一步地，所述光学谐振腔具有周期滤波特性，如法布里泊罗腔、或者环形谐振腔。

进一步地，所述光学谐振腔可采用平面集成光波导，或者分立光学元件，或者光纤构成。

本发明具有的有益效果是：本发明使用输入光源为宽带光源，降低传感器成本；光学谐振腔可采用集成光波导器件，使传感器体积更小，更加便携，易于实现高通量、多参数测量；利用仿生分子修饰技术，在光学谐振腔内修饰有特异性吸附功能的生物表面膜使传感器具有特异性检测功能；利用两种偏振态光的有效折射率随被测物质改变时变化不同，仅用单个光学谐振腔就可以形成游标效应，提高传感器集成度的同时，降低了使用成本；不存在参考谐振腔和传感谐振腔上包层材料热膨胀系数不同，而导致的温度敏感特性；通过调整生物分子修饰膜厚度，非常方便地实现TE和TM模式下两个谐振腔的有效折射率相同，从而显著提高传感器的灵敏度。

附图说明

图1为一种基于光学谐振腔与反射型偏振转换器级联的生物传感器示意图；

图2为光学生物传感器中光学谐振腔的端面示意图；

图3为宽带光源的输出光谱曲线示意图；

图4为TE和TM模式下波导有效折射率随生物表面膜厚度变化曲线示意图；

图5为被测物质发生吸附前后传感器总输出光谱示意图；