基于两端口微腔激光器空间干涉的光学生物传感器

摘要

一种基于两端口微腔激光器空间干涉的光学生物传感器，包括：一微腔激光器，该微腔激光器为室温电注入激光器，输出的激光具有较高的边模抑制比，具有好的单模特性；一第一输出端口和第二输出端口，该第一输出端口和第二输出端口直接连接在微腔激光器上；一容器，位于微腔激光器上，该容器有一上盖；一个透明薄片，位于容器内的下部，该透明薄片与第一输出端口和第二输出端口的位置对准，该透明薄片对激光器出射光无吸收；一CCD摄像机，位于容器的上盖上，该CCD摄像机用来观测干涉条纹。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种基于两端口微 腔激光器空间干涉的光学生物传感器。

背景技术

光学生物传感器作为一种新型光电子器件，具有尺寸小、不受电磁场 干扰和具有遥感特性等优点，被广泛应用于分子生物学、环境安全检测、 医学诊断和卫生保健方面，引起人们研究的极大兴趣。光学生物传感器大 致可分为两类：基于荧光检测的光学生物传感器和非标记检测的光学生物 传感器。由于基于荧光检测的光学生物传感器需要繁琐的处理过程，并且 会影响到所探测的对象；而基于非标记检测的光学生物传感器具有易于实 现，不影响所探测的对象，可量化探测对象特性等优点，成为现在人们研 究的热点。

目前，基于干涉原理制作非标记检测的光学生物传感器主要有马赫曾 德尔干涉法(B.Sepulveda，J.Sanchez del Rio，M.Moreno，F.J.Blanco， K.Mayora，C.Dominguez，and L.M.Lechuga，“Optical biosensor  Microsystems based on the integration of highly sensitive  mach-zehnder interferometer devices，”J.Opt.A：Pure Appl.Opt.， vol.8，pp.S561-S566，2006.)和杨氏双缝干涉法(D.Hradetzky，C. Mueller，and H.Reinecke，“Interferometric label-free biomolecular  detection system，”J.Opt.A：Pure Appl.Opt.，vol.8，pp.S360-S364， 2006.)。从最早提出基于干涉原理制作非标记检测的光学生物传感器以 来，研究的方向一直朝着简单化、实用化和集成化方向发展，但是迄今为 止仍要引入外加光源才能实现光学生物传感器的探测功能，限制了光学生 物传感器向集成化和实用化方向的发展。光学生物传感器不需要外加光源 实现探测功能已经成为现在极需解决的问题。本发明基于已经制作出来的 单模双端口微腔激光器(J.D.Lin；Y.Z.Huang；Q.F.Yao；X.M.Lv； Y.D.Yang；J.L.Xiao；Y.Du，″InAlGaAs/InP cylinder microlaser  connected with two waveguides，″Electronics Letters，vol.47，pp. 929-930，Aug 42011.)，把两个端口输出光的空间相干应用到光学生物 传感器上，提出了一个可解决以上问题的方案。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种基于两端口微腔激光器空间干涉的 光学生物传感器，其利用两端口单模微腔激光器的空间相干，实现传感器 对生物学中抗体的探测，以解决光学生物传感器需要外加光源而不利于应 用集成的问题。

为达到上述目的，本发明提供一种基于两端口微腔激光器空间干涉的 光学生物传感器，包括：

一微腔激光器，该微腔激光器为室温电注入激光器，输出的激光具有 较高的边模抑制比，具有好的单模特性；

一第一输出端口和第二输出端口，该第一输出端口和第二输出端口直 接连接在微腔激光器上；

一容器，位于微腔激光器上，该容器有一上盖；

一个透明薄片，位于容器内的下部，该透明薄片与第一输出端口和第 二输出端口的位置对准，该透明薄片对激光器出射光无吸收；

一CCD摄像机，位于容器的上盖上，该CCD摄像机用来观测干涉条纹。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的这种基于两端口微腔激光器空间干涉的光学生物传 感器，实现了微腔激光器两个端口输出光的空间相干。

2.本发明提供的这种基于两端口微腔激光器空间干涉的光学生物传 感器，解决了光学生物传感器探测需要外加光源这一问题。

3.本发明提供的这种基于两端口微腔激光器空间干涉的光学生物传 感器，由于其利用室温电注入微腔激光器两端口输出相干作为传感器探测 原理，有利于以后光学生物传感器的广泛应用和光学集成。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的样品槽的结构正向示意图；

图3为本发明的微腔激光器的结构示意图；

图4为本发明的微腔激光器两端口的功率-电流曲线。

图5为本发明的微腔激光器在注入电流55毫安下的两个端口光谱图；

图6为本发明的微腔激光器在注入电流55毫安下的空间干涉远场分 布图。

图7为本发明的模拟计算相位差Δβ＝0和π/2的空间干涉远场分布图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种基于两端口微腔激光器空间干涉的 光学生物传感器，包括：

一微腔激光器1，该微腔激光器1为室温电注入激光器，在室温 (18-25℃)下可以实现连续电流注入激射。激光器类型可以是固体激光器、 液体激光器、气体激光器和半导体激光器，其中半导体激光器的衬底可以 是硅、镓砷、铟磷和蓝宝石衬底，有源层可以双异质结，量子阱和量子点 结构。激光器的谐振腔可以是法布里-珀罗腔、光子晶体腔和回音壁类型 腔，其中回音壁类型腔的形状可以是圆形、耦合双圆形、椭圆形、螺旋形、 三角形、正方形和六边形。图4是铟磷衬底的两端口量子阱圆形微腔激光 器功率-电流曲线。两个输出端口的功率-电流曲线表明器件实现了室温连 续电注入激射。

该微腔激光器1具有较好的单模特性，输出的激光具有高的边模抑制 比。所述微腔激光器1输出激光波长覆盖可见光波段和近红外波段，发光 波长为400到2500纳米；图5是微腔激光器在注入电流55毫安时测量得 到的两个端口的光谱图。两个输出端口的光谱图表明，对于1572.6纳米 的发光波长，a输入端口的边模抑制比达到26dB，而b输入端口的边模抑 制比为18dB，满足空间干涉的要求。

一第一输出端口2和第二输出端口3，该第一输出端口2和第二输出 端口3直接连接在微腔激光器1上，如图3所示。所述第一输出端口2和 第二输出端口3的波导材料可以是二氧化硅、III-V族化合物二元系、三 元系和四元系材料、铌酸锂和钽酸锂、有机聚合物和硅锗半导体材料。第 一输出端口2和第二输出端口3的端口宽度为0.2到50微米；第一输出 端口2和第二输出端口3之间的距离为0.1到5000微米，该距离与空间 干涉的条纹间距相关。第一输出端口2和第二输出端口3与器件中心的连 线之间的夹角为0到180°。

图6是第一输出端口2和第二输出端口3之间的距离为20微米，第 一输出端口2和第二输出端口3与器件中心的连线之间的夹角为45°，微 腔激光器1在55毫安的注入电流下的空间相干远场分布。

由于干涉的光强分布可写为：I(x)＝1+cos(2πnd/(λf)x-δ)

x为条纹横向位置，n为有效折射率，f为两个端口之间的距离，d为 干涉条纹离激光器端口的垂直距离，λ为激光波长，δ为位相差。这次测 量的微腔激光器两个端口之间的距离为20微米，干涉条纹离激光器端口 的垂直距离为10厘米，取1.5微米的相干波长，计算得到的相干条纹空 间周期为7.5毫米。由远场干涉图周期振荡的条纹，计算得到的相干条纹 空间周期为8.5毫米。这两种方法得出来的相干条纹空间周期结果很吻合， 表明微腔激光器1实现了室温空间干涉。同时，通过红外CCD摄像机可以 实时观测到的空间相干远场分布图。

一容器4，位于微腔激光器1上，该容器4有一上盖41，该上盖41 可以打开和关闭，使容器放置不同的样品；

一个透明薄片5，位于容器4内的下部，该透明薄片5与第一输出端 口2和第二输出端口3的位置对准，该透明薄片5对激光器出射光无吸收， 该透明薄片5上刻有多个样品槽51，每个样品槽51中的一侧可以放有抗 原来检测抗体，或者生物酶来检测基质，或者核酸适体来检测蛋白质；如 图2所示，当第一输出端口2和第二输出端口3与器件中心的连线之间的 夹角为0°时，输出的高斯分布光场可表示为：

$E_1=E_{10}\exp (-\frac{{\phi }^2}{{\phi }_{10}^2})\exp \left[i(\mathrm{\omega t}-k_1·r_1+{\beta }_1)\right]---\left(1\right)$

$E_2=E_{20}\exp (-\frac{{\phi }^2}{{\phi }_{20}^2})\exp \left[i(\mathrm{\omega t}-k_2·r_2+{\beta }_2)\right]---\left(2\right)$

其中E₁₀和E₂₀分别为第一输出端口2和第二输出端口3的场强峰值， φ为旋转的角度，φ₁₀和φ₂₀为第一输出端口2和第二输出端口3高斯分布的 角度半宽，k₁和k₂为第一输出端口2和第二输出端口3的光波矢量，r₁和r₂为第一输出端口2和第二输出端口3到探测器的位矢，β₁和β₂为 第一输出端口2和第二输出端口3的输出光场的初始相位。考虑干涉光的 时间相干性γ，以及旋转半径远小于器件到探测器的距离，空间干涉的光 场强度分布可以表示为：

I＝|E₁|²+|E₂|²+2|E₁||E₂|γcos(2πd sinφ/λ-Δβ)(3)

其中d为第一输出端口2和第二输出端口3之间的距离，Δβ为第一 输出端口2和第二输出端口3的输出光场的初始相位差，λ为空间干涉光 波长。

取E₁₀＝1.0，E₂₀＝1.0，φ₁₀＝30°，φ₂₀＝30°，d＝20μm，λ＝1.55μm，γ＝0.3， 计算不同相位差Δβ＝0和π/2，如图7所示。当所探测的抗体出现在第一 输出端口2到探测器之间的路径，就会使为第一输出端口2和第二输出端 口3的输出光场的相位差Δβ发生改变，由图7所计算出来的结果表明， 相位差Δβ改变会直接引起空间干涉条纹的变化，从而通过观测空间干涉 条纹的变化来实现传感器的探测。

一CCD摄像机6，位于容器4的上盖41上，该CCD摄像机6用来观测 干涉条纹，该CCD摄像机6与容器4的距离为1到1000毫米。作为传感 器实用的方案是，把样品装载在薄片样品槽上，然后将抗原(或者生物酶， 或者核酸适体)，通过微加工的方法放在样品槽的一侧，并且保证液体的 表面为一平面。再装入容器中，通过光学显微镜或CCD摄像仪观察，调节 三维微调架使得微腔激光器的两个端口对准装有抗原的凹槽，其中一个端 口对准抗原(或者生物酶，或者核酸适体)。如果气体或液体中含有要检测 的抗体(或者基质，或者蛋白质)，就会被抗原(或者生物酶，或者核酸适 体)吸附住，就会改变对准装有抗原(或者生物酶，或者核酸适体)的端口 光程，影响到两个端口的相位差，从而反映在干涉条纹的变化上。通过CCD 探测器进行实时观察干涉条纹的变化情况，结合快速傅立叶变换进行换 算，可以对微小的抗体(或者基质，或者蛋白质)进行实时的探测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。