一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器制造技术

一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器，包括特定波长范围的宽带光源、传感微环、传感区域、传感微环的直通输出端、传感微环的下载输出端、马赫增德尔干涉仪MZI、MZI的第一个输出端、MZI的第二个输出端、与MZI的第一个输出端相连的探测器A和与MZI第二个输出端相连的探测器B，所述的特定波长范围的宽带光源由普通宽带光源和所需波长范围的波长滤波器组合而成，所述的特定波长范围的宽带光源与传感微环的输入端相连接，所述的传感微环的下载输出端与MZI的输入端相连接，MZI的两个输出端分别与探测器A和探测器B相连接。本实用新型专利技术具有温度不敏感和低检测成本的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器
本技术涉及光波导生物传感检测领域，尤其是一种温度不敏感的具有低检测成本的光波导生物传感器。
技术介绍
基于环形谐振器(ringresonator)的光波导传感器，由于具有高灵敏度、免标签检测、实时监测、样品消耗低、不受电磁干扰等优点，已经在化学和生物样品分析中扮演着非常重要的角色。特别是利用高折射率差平台(例如，silicon-on-insulator(SOI)platform,绝缘体上的硅平台)实现的超小尺寸微环，由于其工艺与传统CMOS工艺完全兼容，并有望在同一个芯片上实现与半导体光源、探测器和微流控制单元等器件的混合集成，最终实现一个小型化、便携式的多功能传感检测仪。然而，由于硅材料具有较大的热光系数(1.86×10-4/K)，使得基于硅材料的传感微环对环境温度的变化很敏感，其谐振波长的漂移可以达到50pm/℃。所以在传感检测过程中，如果环境温度出现微小变化这都会对传感微环检测结果(微环的谐振波长变化量)的精确度产生重要影响。为了消除环境温度变化对传感微环检测结果的影响，一种常用的方法就是使用一个温度控制器(N.A.Yebo,etal,“On-chiparrayedwaveguidegratinginterrogatedsilicon-on-insulatormicroringresonator-basedgassensor,”IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.23,no.20,pp.1505–1507,2011)，它可以保证环境温度始终在一个恒定的温度，但是该方法增大了传感微环检测系统的尺寸、成本和复杂度等，不利于大规模片上集成。另一种方法是借助额外的器件(D.-X.Xu,etal,“Real-timecancellationoftemperatureinducedresonanceshiftsinSOIwirewaveguideringresonatorlabel-freebiosensorarrays,”Opt.Express,vol.18,no.22,pp.22867–22879,2010)，比如使用一个参考环来实时监控环境温度变化，然后利用参考环的结果从传感微环的检测信号中消除温度影响，该方法需要额外的数据处理。另外，对传感微环的测试主要是通过监测其谐振波长的变化来推算微环中检测物的情况。由于微环的谐振峰比较尖锐，即Q值较高，这就使得对峰值波长位置的确定常常需要借助外围高精度的可调谐激光器或者是高精度的光谱仪，大大增大了微环传感器的检测成本，不利于其在便携式传感器中的应用。为了解决该问题，片上光谱仪被用来监测微环的波长变化情况，比如J.Zou等人(J.Zou,Z.Le,andJ.-J.He,“Temepratureself-compensatedopticalwaveguidebiosensorbasedoncascadeofringresonatorandarrayedwaveguidegratingspectrometer,”J.LightwaveTechnol.,34(21),pp.4856-4863,2016)和N.A.Yebo等人(N.A.Yebo,etal,“On-chiparrayedwaveguidegratinginterrogatedsilicon-on-insulatormicroringresonator-basedgassensor,”IEEEPhoton.Technol.Lett.,vol.23,no.20,pp.1505–1507,2011)提出的利用片上级联的阵列波导光栅光谱仪来实现对传感微环谐振波长变化的测量。在该方案中由于需要高分辨率的阵列波导光栅，造成这样的阵列波导光栅尺寸较大，在现阶段工艺还不完全成熟的情况下该器件性能不大理想，对微环谐振波长测试的精确到也会相应下降。
技术实现思路
为了解决传统传感微环在检测中遇到的温度敏感和高昂贵检测成本问题，以满足其在便携式低成本的传感检测应用中的需求，本技术提供了一种基于传感微环和马赫增德尔干涉仪级联的光波导传感器，它具有温度不敏感和低检测成本的特点。本技术的目的是通过如下技术方案实现的：一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器，包括特定波长范围的宽带光源、传感微环、传感区域、传感微环的直通输出端、传感微环的下载输出端、马赫增德尔干涉仪MZI、MZI的第一个输出端、MZI的第二个输出端、与MZI的第一个输出端相连的探测器A和与MZI第二个输出端相连的探测器B，所述的特定波长范围的宽带光源由普通宽带光源和所需波长范围的波长滤波器组合而成，所述的特定波长范围的宽带光源与传感微环的输入端相连接，所述的传感微环的下载输出端与MZI的输入端相连接，MZI的两个输出端分别与探测器A和探测器B相连接。进一步，所述MZI的上臂波导由两种宽度w0和w1组成，w0和w1之间通过无损的锥形波导连接；MZI的下臂波导由两种宽度w0和w2组成，w0和w2之间通过无损的锥形波导连接；MZI上下臂宽度为w0的波导之间长度差为ΔL，上下臂中宽度为w1和w2的波导长度为La，且La和ΔL满足关系式La＝x×ΔL，其中x为温度相关性调节因子；波导宽度w0、w1和w2以及x的确定要满足MZI随环境温度变化的波长漂移量和传感微环的谐振波长在检测物中随环境温度变化的波长漂移量相同，即二者具有相同的温度相关性。再进一步，所述传感微环和MZI的波导结构为条形或者脊型，且传感微环的传感区域和具有保护上包层的MZI处于相同的检测样品中，即检测样品覆盖了传感区域和MZI，当传感微环和MZI具有相同的温度相关性时，传感微环的波导宽度ws和MZI的波导宽度参数w0、w1和w2以及x之间满足如下关系式其中λ0为设计中选定的传感微环的初始谐振波长,和分别是宽度为ws时传感微环波导的有效折射率和群折射率，和分别是MZI中的波导在宽度为wi时对应的有效折射率和群折射率。更进一步，所述的传感微环谐振波长为λs，探测器A中获得的功率值IA(λs)和探测器B中获得的功率值IB(λs)，定义检测函数当λs在以包含λ0在内的MZI的半个自由光谱范围的波长范围内变化时,MZI的输出方向耦合器的交叉耦合系数km的选取满足使R(λs)在该波长范围内和λs之间具有最大的线性关系范围。本技术在进行传感检测物分析时，假设初始时刻t＝0时对应传感微环的谐振波长为λ0，检测函数值为R(λ0)，在时刻t时对应传感微环的谐振波长为λt，检测函数值为R(λt)，R(λ0)和R(λt)都始终位于R(λs)的线性关系范围内。同时在确定的交叉耦合系数km下，R(λs)的线性关系范围大小可以通过调整MZI的自由光谱范围大小来改变。在进行传感检测物分析时，利用R(λs)和λs之间的线性关系斜率值，通过t时刻和t＝0时刻的检测函数值变化ΔR(ΔR＝R(λt)-R(λ0))推算出传感微环中谐振波长值变化Δλ，再根据检测分析物的浓度变化和传感微环谐振波长变化Δλ之间的关系推算出实际检测物的变化情况。本技术的有益效果主要表现在：1、降低对传感微环的检测成本；2、解决传感微环检测中遇到的温度敏感问题；3、实现微环在小型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器，其特征在于，所述光波导生物传感器包括特定波长范围的宽带光源、传感微环、传感区域、传感微环的直通输出端、传感微环的下载输出端、马赫增德尔干涉仪MZI、MZI的第一个输出端、MZI的第二个输出端、与MZI的第一个输出端相连的探测器A和与MZI第二个输出端相连的探测器B，所述的特定波长范围的宽带光源由普通宽带光源和所需波长范围的波长滤波器组合而成，所述的特定波长范围的宽带光源与传感微环的输入端相连接，所述的传感微环的下载输出端与MZI的输入端相连接，MZI的两个输出端分别与探测器A和探测器B相连接。

【技术特征摘要】
1.一种低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器，其特征在于，所述光波导生物传感器包括特定波长范围的宽带光源、传感微环、传感区域、传感微环的直通输出端、传感微环的下载输出端、马赫增德尔干涉仪MZI、MZI的第一个输出端、MZI的第二个输出端、与MZI的第一个输出端相连的探测器A和与MZI第二个输出端相连的探测器B，所述的特定波长范围的宽带光源由普通宽带光源和所需波长范围的波长滤波器组合而成，所述的特定波长范围的宽带光源与传感微环的输入端相连接，所述的传感微环的下载输出端与MZI的输入端相连接，MZI的两个输出端分别与探测器A和探测器B相连接。2.如权利要求1所述的低检测成本和温度不敏感的光波导生物传感器，其特征在于，所述MZI的上臂波导由两种宽度w0和w1组成，w0和w1之间通过无损的锥形波导连接；MZI的下臂波导由两种宽度w0和w2组成，w0和w2之间通过无损的锥形波导连接；MZI上下臂宽度为w0的波导之间长度差为ΔL，上下臂中宽度为w1和w2的波导长度为La，且La和ΔL满足关系式La＝x×ΔL，其中x为温度相关性调节因子；波导宽度w0、w1和w2以及x的确定要满足MZI随环境温...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹俊，王昌辉，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33