CN101142474B - 用于询问谐振波导光栅传感器的单模光纤光读取器系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文描述了一种具有单模(SM)光纤发射/接收系统的光读取器系统，它使用一个或多个SM光纤询问生物传感器而并不使用多模(MM)光纤询问该生物传感器。SM光纤发射/接收系统的使用有效地减小了角灵敏度，减小了不想要的系统反射，提高整体的角容限，并且提高了谐振峰值反射率和谐振峰值宽度。本文描述了SM光纤发射/接收系统的两个具体实施方式，其中包括：(1)双重光纤瞄准仪发射/接收系统；以及(2)以正入射询问生物传感器的单个光纤发射/接收系统。

Description

用于询问谐振波导光栅传感器的单模光纤光读取器系统和方法

有关申请的交叉参照 

本申请要求2005年2月14日提交的序列号为11/058,155且题为“SingleMode(SM)Fiber Optical Reader System And Method For Interrogating ResonantWaveguide-Grating Sensor(s)”的美国申请的优先权，该申请引用在此作为参考。 

技术领域

本发明涉及一种单模(SM)光纤光读取器系统和方法，用于询问谐振波导光栅(RWG)传感器，从而在不受寄生反射所引发的诸多问题的影响的情况下监控该RWG传感器顶部的生物学事件，同时保留了很宽的角容限(angulartolerance)且对角度变化的灵敏度达到最小。 

背景技术

光读取器系统的制造商总在尝试设计一种新的改进的光读取器系统，它能用于询问生物传感器(例如，RWG传感器、表面细胞质基因组谐振(SPR)生物传感器)以确定该生物传感器顶面上是否发生了生物分子结合事件(例如，配体与分析物的生物学结合)。本发明的主题便是一种这样的新型改进的光读取器系统。 

发明内容

本发明包括一种具有单模(SM)光纤发射/接收系统的光读取器系统，它使用一个或多个SM光纤询问生物传感器而并不使用多模(MM)光纤询问该生物传感器。SM光纤发射/接收系统的使用有效地减小了角灵敏度，减小了不想要的系统反射，并且提高了谐振峰值反射率和谐振峰值宽度。本文描述了SM光纤发射/接收系统的两个具体实施方式，其中包括：(1)双重光纤瞄准仪发射/接收系统；以及(2)以正入射询问生物传感器的单个光纤发射/接收系统。 

本发明公开了一种光读取器系统，包括：光源；光检测器；以及发射接收系统，它使用至少一个单模光纤来询问生物传感器，而不使用任何多模光纤来询问生物传感器，其中所述发射接收系统是单个光纤发射接收系统，它以正入射的方式询问生物传感器，其中所述单个光纤发射接收系统包括向所述生物传感器发射光束的单模光纤并且所述单模光纤还接收从所述生物传感器反射的光束。上述单个光纤发射接收系统可包括圆偏振片，它拒绝在生物传感器的询问期间所产生的菲涅耳反射和寄生反射。上述生物传感器可以是谐振波导光栅传感器。上述单个光纤发射接收系统可以包括：所述单模光纤；以及透镜，其中所述单模光纤与所述光源和所述光检测器交互作用，其中所述单模光纤与所述透镜物理分离，并且所述透镜与所述生物传感器物理分离，其中所述单模光纤射出由所述光源产生的光束以使得所射出的光束在以正入射与所述生物传 感器交互作用之前被所述透镜聚焦，其中所述生物传感器反射光束以使得所反射的光束经所述透镜和所述单模光纤通过，并且被所述光检测器接收。上述单个光纤发射接收系统可以包括：所述单模光纤；透镜；以及光隔离器，其中所述单模光纤与所述光源和所述光检测器交互作用，其中所述单模光纤与所述透镜物理分离，并且所述透镜与所述光隔离器物理分离，其中所述单模光纤射出由所述光源产生的光束以使得所射出的光束在以正入射与所述生物传感器交互作用之前被所述透镜聚焦并且被所述光隔离器偏振，其中所述生物传感器反射光束以使得所反射的光束经所述光隔离器、所述透镜和所述单模光纤通过，并且被所述光检测器接收，并且其中所述生物传感器与所述发射接收系统物理分离。 

本发明还公开了一种用于询问生物传感器的方法，所述方法包括下列步骤：使用发射接收系统，该系统使用嵌入其中的至少一个单模光纤来询问生物传感器，而不使用任何多模光纤来询问生物传感器，其中所述发射接收系统是单个光纤发射接收系统，它以正入射的方式询问生物传感器，其中所述单个光纤发射接收系统包括向所述生物传感器发射光束的单模光纤并且所述单模光纤还接收从所述生物传感器反射的光束。在所述发射接收系统中使用至少一个单模光纤消除了若在所述发射接收系统中使用一个或多个多模光纤则会存在的不想要的多个空间模式。与若在所述发射接收系统中使用一个或多个多模光纤的情况相比，就波长变化而言，在所述发射接收系统中使用至少一个单模光纤使得所述发射接收系统对生物传感器的角偏差的灵敏度更小。与若在所述发射接收系统中使用一个或多个多模光纤的情况相比，在所述发射接收系统中使用至少一个单模光纤使得与生物传感器相关联的谐振波长更稳定。上述单个光纤发射接收系统通过以正入射的方式询问生物传感器使得有效地使其对生物传感器的角偏差的灵敏度达到最小并且使谐振峰值宽度达到最小，同时使角容限达到最大并且使谐振反射效率达到最大。 

附图说明

结合附图参照下文的详细描述，可以更完整地理解本发明，其中： 

图1是示出了根据本发明的一种具有SM光纤发射/接收系统的光读取器系统的图； 

图2是用于指出来自RWG传感器的光学谐振的图； 

图3是SM发射/SM接收光纤系统以及MM发射/SM接收光纤系统的接收功率-入射角的图； 

图4是用完全SM光纤路经观测到的离开镜子的超辐射二极管(SLD)反射的光谱图以及当用MM聚集光纤时所观测到的光谱图； 

图5是示出了当与MM发射/SM接收光纤系统相比时SM发射/SM接收光纤系统的谐振波长-时间的函数关系图； 

图6是示出了对于MM发射/SM接收光纤系统而言谐振波长-入射角的图； 

图7是示出了对于SM发射/SM接收光纤系统而言谐振波长-入射角的图，这是用八个接近正入射的瞄准仪测量的； 

图8是示出了根据本发明一实施方式的询问RWG传感器的双重光纤瞄准仪发射/接收系统的基本组件的方框图； 

图9是示出了当使用双重光纤瞄准仪发射/接收系统时“后退”和不“后退”两种情况下来自RWG传感器的反射光谱图； 

图10是示出了在使用双重光纤瞄准仪发射/接收系统时谐振强度与瞄准仪后退的函数关系图； 

图11是示出了在使用双重光纤瞄准仪发射/接收系统时菲涅耳反射振幅和峰值功率的比值与瞄准仪后退的函数关系图； 

图12是示出了在使用双重光纤瞄准仪发射/接收系统时谐振半高全宽与瞄准仪后退的函数关系图； 

图13是示出了根据本发明一实施方式以正入射询问RWG传感器的单个光纤发射/接收系统的基本组件的图； 

图14是示出了对于RWG传感器而言作为入射角和波长的函数的谐振强度的计算结果的二维图； 

图15是示出了在使用单个光纤发射/接收系统时正入射照明和偏离正入射照明这两种情况下峰值谐振反射率与光束直径的函数关系图； 

图16是示出了在使用单个光纤发射/接收系统时正入射照明和偏离正入射照明这两种情况下谐振峰值半高全宽(FWHM)与光束直径的函数关系图； 

图17是示出了根据本发明另一实施方式的单个光纤瞄准仪发射/接收系统的基本组件的方框图，该系统与图13相似但还包括一圆偏振片(隔离器)； 

图18是示出了在单个光纤发射/接收系统中有圆偏振片(隔离器)以及没有圆偏振片这两种情况下以正入射对其进行询问的RWG传感器的反射光谱图； 

图19-28是指出各种实验结果的图，进行这些实验是为了确定单个光纤发射/接收系统的某些应用性和特征。 

具体实施方式

参照图1，示出了一种光读取器系统100(询问系统100)，它可以询问一个或多个RWG传感器102(示出了一个)以监控该RWG传感器102顶部之上的生物学事件。光读取器系统100包括光源104(比如SLD、激光器)、发射/接收系统106以及光检测器108(比如光电二极管、摄谱仪、CCD照相机)。根据本发明，发射/接收系统106使用SM光纤110(加上其它光学器件)询问RWG传感器102，而并不使用任何多模(MM)光纤询问RWG传感器102。在简单描述RWG传感器102的结构和功能之后，会详细描述在发射/接收系统106内只使用SM光纤110的诸多优点以及SM光纤发射/接收系统106的两个典型的实施方式。 

如图1所示，RWG生物传感器102包括一层很薄的(～100nm)材料层112，材料层112沉积在衍射光栅114的表面上，它们共同构成波导116。衍射光栅114通常通过压纹、全息术、或其它方法而形成于基板材料118中。或者，衍射光栅114可以形成于材料112自身之内。分子120或大量的流体(覆盖介质)可以沉积在RWG传感器102的顶面之上，这改变了RWG传感器102的顶面122处的折射率。通过用光束124来探测衍射光栅114，便可以检测到传感器102顶面122上的折射率变化(约百万分之一)。RWG传感器102的顶面122 也可以涂有生物化学化合物(未示出)，这些化合物只允许表面粘附特定的互补分子120，从而使RWG传感器102能够高度灵敏且高度专用。可以询问这种RWG传感器102，以检测该顶面122上的各种化学化合物或生物分子结合事件(比如药品到蛋白质的结合)。例如，在微型板中可以使用RWG传感器102的阵列，该微型板能够成为高吞吐量的药品或化学制品筛选系统。关于RWG生物传感器102的结构和功能的更详细描述，请参照下列文献： 

·题为“Optical Sensor for Selective Detection of Substances and/or for theDetection of Refractive Index Changes in Gaseous，Liquid，Solid and Porous Samples”的美国专利4,815,843。 

该文献的内容引用在此作为参考。 

可用于询问RWG传感器102以检测生物分子结合事件的一种方法被称为光谱询问(spectral interrogation)。光谱询问需要用多波长或宽带光束124来照亮RWG传感器102，收集所反射的光126，并且用光谱分散设备(比如光谱仪108)分析反射光126的光谱。图2示出了来自这种RWG传感器102的反射光谱的示例。当在RWG传感器102的表面122上发生生物分子结合时，谐振波长稍稍移动，并且正是这谐振波长的移动被光谱仪108检测到了。同样使用光谱询问来询问RWG传感器102的第二配置需要使用像激光器(或Fabry-Perot滤光器等)这样的可调光学元件作为源以便对输入光束的波长进行调制，然后，由简单的检测器(比如光电二极管等)来测量由该传感器反射的功率以便检测上述谐振移动。 

众所周知，使用光纤光学器件110是一种询问RWG传感器阵列102的有效方式，因为光纤110可以用于很容易地传递、拆分和收集来自RWG传感器阵列102的光束124和126。然而，为了建立一种坚固且灵敏的利用光纤110的光学询问系统100，有一些重要的方面需要考虑到。下文详细描述这些方面，其中包括：(1)光谱的质量；(2)角灵敏度；以及(3)角容限。 

光谱质量

对于光谱询问方法而言，反射光126的光谱质量是非常重要的。理想情况下，反射光谱应该只包含谐振反射辐射，并且应该不含由传感器界面所引起的菲涅耳反射以及该光路内的其它“寄生”反射。这些无关的反射扭曲了谐振峰值形状，使得 更难准确地定位谐振峰值。这些无关的反射还可能使光学系统以非线性方式响应于谐振峰值移动。如果这些无关的反射随时间变化，则它们可能引起额外的噪声甚或很像结合事件的假的谐振峰值移动。为了解决这些问题，有人已设计出具有多个输入和输出光栅的RWG传感器。这些类型的RWG传感器在下列文献中都有描述： 

·M.Wiki、R.E.Kunz、G.Voirin、K.Tiefenthaler以及A.Bernard的“Novelintegrated optical sensor based on a grating coupler triplet，”Biosensors andBioelectronics 13(1998)1181-1185。 

·M.Wiki和R.E.Kunz的“Wavelength-interrogated optical sensor for biochemicalapplications，”Optics Letters 25，No.7，463-465(2000)。 

·K.Cottier、M.Wiki、G.Voirin、H.Gao和R.E.Kunz的“Label-free highlysensitive detection of(small)molecules by wavelength interrogation of integratedoptical chips，”Sensors and Actuators B91(2003)241-251。 

这些文献的内容引用在此作为参考。 

然而，这些类型的RWG传感器的设计都非常复杂，并且传感器本身制造起来非常困难。本发明通过使用SM光纤发射/接收系统106便可以解决上述这个问题，该系统可以产生高质量谐振光谱而无需对RWG传感器102进行复杂的设计。 

角灵敏度

关于光谱询问方法，另一点需注意的是谐振信号波长对入射角θ的依赖性。如果入射角θ改变，则谐振波长将移动。这一点可以从近似RWG谐振条件中看出来： 

$\sin \mathrm{\θ}=\mathrm{\Λ}{n}_{\mathrm{eff}}-\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}}$               (方程1) 

此处Λ是光栅114的节距，θ是入射光束124的角度，n_eff是波导116的有效折射率，并且λ是谐振波长。当作出cosθ～1(小入射角)这样的近似时，接下来可以计算出 

$\frac{\mathrm{d\λ}}{\mathrm{d\θ}}\≈-\mathrm{\Λ}$               (方程2) 

对于光栅节距Λ是500nm这一情况，这估算出8.7nm/deg或500pm/mrad。这意味着，如果总体仪器准确度目标是在0.1pm的范围中，则角度失调需要保持在微弧度的二十分之一以下。因此，在没有其它滤光效应的情况下，这种询问系统对RWG传感器102的整体角位置高度敏感。如果在化验的过程中必须从读取光学器件中移走含RWG传感器阵列102的微型板并且将其重新插入，则上述对角位置的敏感性就特别成问题。要减小角灵敏度的第二个原因是：当使用本发明时，常常通过在“样本”信号和“参考”信号之间作比较从而作出相对测量。在没有任何滤光的情况下，这意味着，“参考”光路和“样本”光路之间的角度稳定性应该保持在小于微弧度的二十分之一。下文描述了在发射/接收系统106内只使用SM光纤110是如何使该角灵敏度的大小减小若干个量级的。 

角容限

图3示出了多模(100μm纤芯)发射光纤/单模(5.5μm纤芯)接收光纤以及单模(5.5μm纤芯)发射光纤/单模(5.5μm纤芯)接收光纤的角容限的示例。此处，可以清楚地观察到单模光纤系统的更宽的角度接收角。因为RWG传感器102可能不是完全平整的，或者可能被置于询问光学器件上且处于一角度范围内，所以人们期望光纤系统具有较宽的收集角容限。这给设计者留下了两种选择以产生较宽的角容限：使用大纤芯(多模)光纤，或者使用短焦距透镜，这使得必须用小光束直径来对传感器进行询问。 

如上所述，对于光信号的总的光谱质量和稳定性而言，SM光纤110的使用都是重要的。因SM光纤110的纤芯直径很小，这使得必须使用短焦距透镜以保持角容限尽可能地高，从而仍然能够与具有显著角变形的微型板相适合。然而，短焦距透镜的使用在RWG传感器102处产生了小光束，这转而使反射效率出现了不期望的减小，还使谐振光谱宽度出现了不期望的增大。尽管在使用较小光束尺寸时无法消除这些不利的效应，但是下文所描述的SM光纤发射/接收系统106可以在明智地选用正入射SM光纤透镜的情况下提高询问系统100的总的角容限，同时使在反射效率和谐振光谱宽度等方面付出的代价达到最小。 

SM光纤发射/接收系统106

在发射/接收系统106内只使用SM光纤110的主要优点是消除了光纤路径中存在的多个空间模式。图4示出了宽带超辐射二极管(SLD)光学光源104的光谱，它是在光路中只有SM光纤以及同时有SM光纤和MM光纤这两种情况下所获得的。用混合SM/MM光纤获得的光谱上所存在的高频结构是因多路径(多个空间模式)干涉效应而导致的。光谱上的这种高频结构可能扭曲来自RWG传感器102的光学谐振的形状，并防止准确估计出其波长。对MM光纤的多模部分进行晃动或模式-扰频等操作可以减轻这些效应，但不能必然地消除它们。然而，如果发射/接收系统106中所有的光纤都是SM光纤110，则对于该系统的工作波带而言可以消除这些多模效应。图5示出了当用SM/SM光纤发射/接收系统106以及MM/SM光纤发射/接收系统进行观察时作为时间的函数的谐振波长的测量结果的比较。可以看出，对于只使用SM光纤的发射/接收系统106而言，谐振波长更稳定。 

如上所述，与透镜和大纤芯(比如多模)光纤的组合相比，透镜与小纤芯宜径(比如单模)光纤组合起来进行收集的收集角度范围减小了很多。尽管初看起来该减小的角容限似乎使SM光纤发射/接收系统106不太理想，但是进一步检查时，该减小的角度范围可以被视为实际系统的独特优点。如上文所描述的那样，RWG传感器102在相对于输入光束124倾斜时将改变谐振波长。然而，当在透镜(瞄准仪)的接收端上使用SM光纤110时，这意味着只有选定的角度带才会通过，这转而减小了谐振波长中的这些移动的效果。 

因此，当SM光纤110与透镜(瞄准仪)一起使用时，这有效地产生了一种充当“角度过滤器”的光纤/透镜系统，该系统可以发出或接收来自一非常窄角度的锥形光线124和126。近似的锥角由Δθ＝d/f给出(d＝纤芯直径，f＝透镜的焦距)，所以例如在使用Corning FlexCor780(5μm纤芯SM光纤)和f＝2mm的透镜时Δθ约等于2.5mrad。图6和7比较了SM发射/SM接收系统106以及MM发射/SM接收系统的角灵敏度。MM发射/SM接收系统具有dλ/dθ＝7.5nm/deg，这接近于上述的8.7nm/deg。事实上，如果考虑到波导的色散效应，则可以更准确地预测该观察值7.5nm/deg。然而，对于SM发射/SM接 收系统106而言，观察到波长灵敏度仅是～0.18nm/deg(10pm/mrad)。该SM角灵敏度的大小几乎比MM发射/SM接收系统小了两个量级。 

当在光发射和光检测处模拟完全一样的SM光纤110时，可能会显示出，谐振波长在原理上对RWG传感器102的任何角度失调都不敏感，因为存在这种滤光效应。事实上，只有那些光学缺陷和像差才可能产生任何残余的随角度的波长变化。如此，为了实现尽可能低的角灵敏度，SM光纤发射/接收系统106应该在考虑到下列各种参数的情况下制造： 

·光学质量：由透镜或由传感器表面变形所产生的像差应该尽可能得低。 

·干净程度：光学器件和传感器应该没有任何颗粒和灰尘。 

·发射光纤和检测光纤要完全一样这一点很重要。 

·传播到SM光纤110中的任何光线都应该被除去。 

换句话说，对于询问系统100而言，产生不太“理想的”光路的任何系统效应都将产生残余角灵敏度。即使如此，询问系统100的实际角灵敏度可以很容易地小于10pm/mRd。这种较低的随角度的波长移动可以使得在生物化学测试中去除/重新插入RWG传感器102这样的操作变得切实可行，因为小角度误差不会显著地扰乱所获得的信号。 

双重光纤发射/接收系统(第一实施方式)

参照图8，示出了根据本发明一实施方式的双重光纤瞄准仪发射/接收系统106a。如下文所述，构建成具有两个SM光纤110a和110b的双重光纤瞄准仪发射/接收系统106a是一种用于询问RWG传感器102的极有利的工具。通过控制瞄准仪902和生物传感器102之间的分离距离或“后退距离”，可有效地产生一种分离的输入光栅114a和输出光栅114b。 

随着瞄准仪“后退”距离的增大，这些输入和输出光栅114a和114b的分离也增大。使用分离的输入和输出光栅114a和114b允许拒绝RWG传感器102中各种材料界面处的多次反射所引起的菲涅耳反射和“寄生”反射。幸运的是，菲涅耳和寄生反射强度的减小比谐振反射强度的减小要大许多，因为谐振模式通过波导116进行传播之后才耦合出去。这种受引导的模式衰减通常用RWG传感器的泄漏系数α来描 述其特征，此处受引导的模式的强度I作为位置x的函数由下式给出：I≈I₀e^-ax。 

图9示出了在具有瞄准仪“后退”和没有瞄准仪“后退”这两种情况下所获得的光谱。“后退”距离对谐振和菲涅耳反射强度的进步效果是图10和11所显示的测量结果。与使光纤瞄准仪902后退相关联的代价是谐振信号振幅的缓慢减小。因此，如果耦合损耗系数α被仔细考虑，则可以设计出谐振效率高且菲涅耳或寄生反射非常少的RWG传感器102。在设计RWG传感器102的过程中，应该注意到，α的值影响到最佳瞄准仪隔开距离。例如，这意味着，与具有较低α的RWG传感器102相比，对于具有较高α的RWG传感器102而言，将使瞄准仪902更靠近RWG传感器102一些。 

如果测量作为“后退”距离的函数的谐振峰值反射振幅，则可以实际测量该光栅损耗参数α。这是可行的，因为有如下事实：随着“后退”距离增大，光栅114a和114b的输入和输出区域之间的分离也增大。然后，只要输入和输出光栅114a和114b完全分离，则返回的谐振信号以与输入/输出分离距离有关的方式呈指数衰减。这样的测量有利于设计RWG传感器102，且有利于执行RWG传感器阵列的质量控制。 

使用具有“后退”的双重光纤瞄准仪发射/接收系统106a的另一个好处是：随着“后退”距离的增大，谐振宽带会减小。该宽带减小是下列事实的结果：光束在RWG内部传播了更长的距离。事实上，这正是使用连续光栅而非分立光栅的优点之一，上文所列的文献中描述的是用波导来连接分离的光栅。对于固定的信噪比而言，谐振越窄，越可能准确地确定其位置。在图12所显示的测量结果中，示出了这种谐振变窄效应的示例。 

单个光纤发射/接收系统106b(第二实施方式)

使用上文所描述的双重光纤瞄准仪发射/接收系统106a时，每个SM光纤110a和110b不可避免地偏离透镜902的光轴，使得询问是在非正入射角的情况下进行的。在这种非正入射角的情况下，可能显示出，当减小光束直径时RWG传感器102的峰值反射率迅速减小，并且与此同时，谐振的光谱宽度也增大了。这些效应都对询问系统100的性能有负面影响。较小的光斑尺寸不利于上述性能，因为询问系统100询问RWG传感器102的更小的区域，并且这样变得对 局部干扰和非均匀性更敏感。增大的谐振光谱宽度也是不利的，因为询问系统100的最终分辨率(波长方面的)随谐振宽度而增大，因此更宽的峰值导致分辨率会降低。 

另一方面，较小的光斑尺寸具有一个显著的实际优点。真实的仪器必须应对RWG传感器102所处的微型板的非平整性。所以，除非每次进行新测量都使询问系统100重新对准透镜1402(图13只示出了一个)，否则询问系统100的角容限必须高于微型板/RWG传感器102的典型角变形。角容限直接取决于衍射光栅114上的光束直径，较小的直径给出更佳的角容限。即，根据衍射的限制，询问系统100的角接受大致取决于用于询问RWG传感器102的光斑的衍射极限，如下式： 

$\mathrm{\Δ\θ}\≈\frac{\mathrm{\λ}}{d_{\mathrm{spot}}}*0.5$                 (方程3) 

其中Δθ是可收集的角度范围，λ是入射照明124的波长，d_spot是在RWG传感器102上光束124在其焦点处的直径。这导致了一种两难境地：想要使用大光斑尺寸以获得良好的谐振定义和空间平均化；但还想要使用小光斑尺寸以获得良好的角容限。 

针对该两难境地的解决方案是以正入射来询问RWG传感器102。在这种情况下，单个光纤发射/接收系统106b将使用彼此对准的单个SM光纤110以及一个透镜1402(参照图13)，使得当光束124被RWG传感器102反射时，反射光束126返回到自身并进入SM光纤110。在这种情况下，SM光纤110同时用于光注入和检测。这种配置的优点是：可以大幅减小光束124/126在RWG传感器102上的直径，并且保持很好的峰值反射率系数和谐振宽度。这是因为，接近正入射的谐振的波长依赖性实际上是角度的抛物线函数，而非方程1中所描绘的线性近似，方程1是在较大的角度下有效。图14示出了谐振反射效率的这种抛物线函数图，它涉及RWG传感器102中正向和反向传播模式的波长和角度。在本图中，上抛物线表示正向传播模式的强度。下抛物线表示反向传播波导模式的强度。关于该现象的更详细描述，请参照下列文献： 

·F.Lemarchand、A.Sentenac和H.Giovannini的“Increasing the angular toleranceof resonant grating filters with doubly periodic structures，”Opt.Lett.23，No.15，pp.1149-1151(1998). 

·F.Lemarchand、A.Sentenac、E.Cambril和H.Giovannini的“Study of theresonant behaviour of waveguide gratings：increasing the angular tolerance ofguided-mode filters，”J.Opt.A：Pure Appl.Opt.1(1999)，pp.545-551. 

·D.Jacob、S.Dunn和M.Moharam的“Normally incident resonant gratingreflection filters for efficient narrow-band spectral filtering of finite beams，”J.Opt.Soc.Am.A18，No.9，pp.2109-2120(2001). 

这些文献的内容引用在此作为参考。 

在图14中可以清楚地看到，在零度角(正入射)附近，谐振波长只随角度缓慢变化，即dλ/dθ接近零。在使用该信息和方程3时，可以获得图15-16中的图示，这些图示示出了作为光束直径的函数而计算出的峰值宽度。可以看出，显著地减小正入射时的光束直径并仍然保持谐振质量。 

然而，因为就像在双重光纤瞄准仪发射/接收系统106a中那样照明和收集区域没有分离，所以使用单个光纤发射/接收系统106b在正入射的情况下所进行的询问有下列缺点：菲涅耳和其它寄生反射将与谐振反射一起被收集起来。 

为了减小或消除这些反射，可以向单个光纤瞄准仪发射/接收系统106b添加某种形式的光隔离器1802，就像图17所示的那样。光隔离器1802可以这样来形成：在光纤透镜1402上方放置一线性偏振片1804，并且在线性偏振片1804的上方可以放置一四分之一波片1806，该波片的光轴与偏振片透射轴成45度。 

图18示出了这种增强的单个光纤发射/接收系统106b′的光谱输出。这两个附加的组件1804和1806产生了圆偏振片1802，它拒绝菲涅耳反射但允许谐振反射通过。圆偏振片1802使所有的光124/126都穿过它，然后变为圆偏振光，并且如果在反射时偏振态未改变，就像菲涅耳反射的情况那样，则该相同的圆偏振光在穿过圆偏振片1802返回时将被阻挡。 

下面提供了一些详细的讨论，描述了用于确定单个光纤发射/接收系统106b的一些功能和特征的光学模型。特别是，下面的讨论描述了当使用单个光纤发射/接收系统106b时在正入射的情况下谐振的模拟和测量。 

1.高入射角的情况下关于该模型的描述

一种用于模拟有限尺寸输入光束124的方法包括：将入射光束124分解成多个无限平面波的和；然后，对每个这样的波施加一个通过使用RCWA模拟方法计算出来的反射系数。这些方程表达如下： 

首先，分解入射波： 

Ei(r)：＝∫FFPi(k)·exp(i·k·r)dk 

FFPi(k)：＝TF(Ei(x))    (4.1) 

$k:=2\·\mathrm{\π}\·\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{\λ}}$

其中： 

指数i表示“入射”， 

FFP表示远场图形， 

TF表示傅里叶变换。 

然后，为了计算光栅114所反射的光束126的能量分布，我们将入射远场图形用作反射系数的函数，它是波长λ的函数并且还是输入波矢k沿光栅矢量的投影的函数，表达成方程4.2： 

FFPi(k，λ)：＝FFPi(k，λ)·R(kx，λ)+r·FFPi(k，λ) 

$R(\mathrm{kx},\mathrm{\λ}):=\frac{k01\·k10}{\mathrm{\α}+i\·\mathrm{\Δk}}$

$\mathrm{\Δk}:=\frac{2\·\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·(-\mathrm{neff}+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}})+k_x$ (正向模式) 

$\mathrm{\Δk}:=\frac{2\·\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·(-\mathrm{neff}+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\Λ}})-k_x$ (反向模式) 

在使用上述方程计算反射波的电场之后，通过计算该电场与SM光纤110 的电场输出的交叉积分乘积，便确定了所收集的功率总量或来自传感器的谐振的有效总反射率。 

该模型可以用于计算谐振形状，它是输入和输出光束124和126的直径的函数。为了帮助更好地解释究竟发生了什么，使用图19中的图示，其中反射率的绝对值可显示成是入射角(X轴)和波长(Y轴)的函数。在该图示中，忽略模式色散的第一近似，并且泄漏系数假定为对于反向和正向传播模式都一样。例如，该图示示出了当固定角度(在垂直线上)时，可得到与反向和正向传播模式相对应的两个对称谐振。然而，当更接近正入射时，反向和正向传播模式不再独立了并且开始干涉，使得方程4.2不再有效。 

该图示还可以用于解释当使用更小的光束直径时为什么谐振的峰值功率减小了而其宽度为什么增大了。为了解释这一点，我们使用上图中的一个臂，图20示出了这种情况。首先，考虑这样一种入射高斯光束，其直径对应于傅立叶空间中给定的角扩展Δθ。然后，光束尺寸越小，角扩展越大。当增大角扩展时，在图上可以看出这也增大了波长扩展，因为对于每个入射角而言有一定的谐振波长范围。因此：减小光束尺寸会增大谐振宽度。 

另外，只考虑中心波长。如果画出水平线，则只有接近谐振角的最大值的那些入射角才被反射，其它角度都丢失了。所以，当增大角度范围时，被反射的光线的百分比减小了。因此：减小光束尺寸会减小谐振的峰值功率。 

为了示出这两条规则，图21和22图示了谐振峰值功率和谐振宽度作为入射光束124的直径的函数是如何演变的。 

如果我们现在计算在SM/SM配置中获得的耦合系数，则基于上述方程，我们获得下列结果： 

这最后一个方程示出了当传感器角度失调时，唯一发生的是谐振的振幅减小了，但谐振的形状或位置都不受影响。 

2.在正入射条件下该模型的描述

2.1严格耦合波分析(RCWA)模型的结果

因为在接近正入射时在反向和正向传播模式之间存在干涉效应，所以用于描述反射率对入射波矢k和波长的方程4.2不再有效，并且必须使用RCWA方法来计算二维反射率函数。 

图14中的图片示出了反射率是用RCWA方法所计算出的波长(垂直轴)和入射角(水平轴)的函数。可以看出，反向(下面的曲线)和正向(上面的曲线)谐振在它们更接近正入射时都开始变得完全，并且这两个曲线不在中心处交叉。可以看出，在正入射附近，正向传播模式消失了。 

2.2实验证据

为了从实验上证实反射率曲线，我们使用了在接近正入射的情况下的多模(MM)光纤发射/和单模(SM)接收系统。这允许在较宽的范围中改变传感器角度，同时仍然收集了所反射的谐振光中的相当大的一部分。图23示出了谐振作为板倾斜角的函数从-11mRd变到+11mRd的演化过程。可以看出，当接近正入射时，正向谐振的峰值功率(左边的峰值)减小了但仍然与反向谐振保持一有限量的恒定分离(右边的峰值)。该结果与RCWA模型的预测一致。接下来，我们使用图23的数据来确定各谐振峰值的位置和峰值功率，就像图24和25所示的那样。应该理解，图23和24是从图22所示数据中提取出来的谐振波长和振幅以及谐振功率。 

3.正入射的优点

使用正入射的一个优点是能使入射光束直径更小，这使询问系统100对角度失调更不敏感。往回参照部分1中所提及的峰值谐振形状对光束直径的讨论， 如果考虑到反射率是抛物线曲线，则可以看出与图26所示线性函数的情况相比因角度扩展的增大而导致的谐振放大要低许多。另一方面，如果使用一种与凸出顶部附近(正入射附近)的曲线相交的波长，则观察到对于该波长而言与那些离正入射较远而和该曲线相交的波长相比更宽的角度范围被有效地反射。因此，对于正入射附近的询问而言，所反射的谐振的振幅将很少受到输入光束角度扩展的增大所带来的影响。图15和16示出了峰值反射率和峰值FWHM对分别在正入射和高入射角这两种情况下所计算出的光束直径的演化状况。可以看出，就谐振的衍射效率和宽度而言，尤其在减小光束直径时，使用正入射配置是有优势的。 

4.在正入射条件下的实验结果

表格#1总结了当把不同透镜1402插入光路中以减小光束124的尺寸时从给定的RWG传感器中获得的诸多结果。 

表格#1

	没有透镜  高入射	没有透镜  正入射	焦点50mm  正入射	焦点25mm   正入射	单位
						光束直径	0.5	0.5	0.1	0.052	Mm
测量峰值	9.1	28.4	23	12	％反射率
						预计峰值	32	100	43	14	％反射率
测量FWHM	700	750	810	910	Pm
						预期FWHM(*)	700	525	650	720	Pm
角容限(**)	1	1	3.4	7.1	mRd

(^*)考虑到光谱仪响应而计算出的。 

(^**)与功率下降50％所对应的角容限的直径。 

尽管可以看出在预期值和测量值之间有不可忽略的差异，这可能是因光栅 的缺陷造成的，但是一般的结论是，可以在不牺牲多少反射效率或没使谐振宽度增大多少的情况下使光束直径减小了一个因子10。 

5.使用正入射小光束时的诸多考虑

通过使用正入射的聚集光束，可以认为在输入光束没有很好地校准这一方面该设计与MM配置很相似。例如，初看起来，可能预期获得相同的很大的灵敏度500pm/mRd。然而，通过使光束聚焦到RWG传感器上，我们想像到高斯光束，并且接下来我们处于最佳SM配置中。所以，如上所述，这些光学模型示出了SM发射/接收设计对角度失调(偏离正入射或处于正入射)几乎完全不敏感。 

图27示出了若干张图，其中在100微米的光束直径对板的倾斜的情况下以正入射测量谐振位置的角灵敏度。可以看出，该灵敏度大约是10pm/mRd，它在大小方面比MM配置的灵敏度低若干个量级。 

可能因减小光束直径而引发的潜在问题是：测量结果变得对传感器中的局部缺陷更敏感。图28示出了谐振波长的变化与传感器的横向移动的函数关系图。可以看出，各处都有高达2pm/μm的光谱移动，并且甚至有一些局部缺陷产生了高达8pm/μm的光谱移动。同样，另一注意点是，如果在传感器上生物化学结合的量有很大的不均匀性，则小光束可能使该系统对这些空间变化更敏感，从而增大了结合信号中的量值变化(或方差的系数，即CV)。然而，在传感器自身的制造过程中、在加到传感器上的表面化学反应中以及在用于将生物化学物质引入到传感器上的流体处理过程中都可以使用明智的实践做法来减轻这些问题。另外，光束的扫描以及传感器表面上的数据的空间集成都可以用于减小小光斑询问的空间灵敏度。例如，参照题为“Spatially Scanned OpticalReader System and Method for Using Same”的序列号为11/027,547的美国专利申请。该文献的内容引用在此作为参考。 

根据上文，本领域的技术人员很容易理解，本文所描述的是一种SM光纤发射/接收系统106，该系统使用一个或多个SM光纤110来询问生物传感器102，而不使用任何MM光纤来询问生物传感器102。SM光纤发射/接收系统106的使用有效地减小了角灵敏度，减小了不想要的系统反射，提高了总的角容限， 并且提高了谐振峰值反射率和谐振峰值宽度。此外，本文描述了SM光纤发射/接收系统106的两个具体实施方式，其中包括(1)双重光纤瞄准仪发射/接收系统106a；以及(2)以正入射的方式询问生物传感器102的单个光纤发射/接收系统106b。 

尽管在附图和具体实施方式中已示出了本发明的若干种实施方式，但是应该理解，本发明不限于所揭示的这些实施方式，本发明能够在不背离权利要求书所阐明和限定的精神的情况下作出大量的重新安排、修改和替换。 

Claims (10)

1.一种光读取器系统，包括：

光源；

光检测器；以及

发射接收系统，它使用至少一个单模光纤来询问生物传感器，而不使用任何多模光纤来询问生物传感器，其中所述发射接收系统是单个光纤发射接收系统，它以正入射的方式询问生物传感器，其中所述单个光纤发射接收系统包括向所述生物传感器发射光束的单模光纤并且所述单模光纤还接收从所述生物传感器反射的光束。

2.如权利要求1所述的光读取器系统，其特征在于，所述单个光纤发射接收系统包括圆偏振片，它拒绝在生物传感器的询问期间所产生的菲涅耳反射和寄生反射。

3.如权利要求1所述的光读取器系统，其特征在于，所述生物传感器是谐振波导光栅传感器。

4.如权利要求1所述的光读取器系统，其特征在于，所述单个光纤发射接收系统包括：

所述单模光纤；以及

透镜，其中所述单模光纤与所述光源和所述光检测器交互作用，其中所述单模光纤与所述透镜物理分离，并且所述透镜与所述生物传感器物理分离，其中所述单模光纤射出由所述光源产生的光束以使得所射出的光束在以正入射与所述生物传感器交互作用之前被所述透镜聚焦，其中所述生物传感器反射光束以使得所反射的光束经所述透镜和所述单模光纤通过，并且被所述光检测器接收。

5.如权利要求1所述的光读取器系统，其特征在于，所述单个光纤发射接收系统包括：

所述单模光纤；

透镜；以及

光隔离器，其中所述单模光纤与所述光源和所述光检测器交互作用，其中所述单模光纤与所述透镜物理分离，并且所述透镜与所述光隔离器物理分离，其中所述单模光纤射出由所述光源产生的光束以使得所射出的光束在以正入射与所述生物传感器交互作用之前被所述透镜聚焦并且被所述光隔离器偏振，其中所述生物传感器反射光束以使得所反射的光束经所述光隔离器、所述透镜和所述单模光纤通过，并且被所述光检测器接收，并且其中所述生物传感器与所述发射接收系统物理分离。

6.一种用于询问生物传感器的方法，所述方法包括下列步骤：

使用发射接收系统，该系统使用嵌入其中的至少一个单模光纤来询问生物传感器，而不使用任何多模光纤来询问生物传感器，其中所述发射接收系统是单个光纤发射接收系统，它以正入射的方式询问生物传感器，其中所述单个光纤发射接收系统包括向所述生物传感器发射光束的单模光纤并且所述单模光纤还接收从所述生物传感器反射的光束。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述发射接收系统中使用至少一个单模光纤消除了若在所述发射接收系统中使用一个或多个多模光纤则会存在的不想要的多个空间模式。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，与若在所述发射接收系统中使用一个或多个多模光纤的情况相比，就波长变化而言，在所述发射接收系统中使用至少一个单模光纤使得所述发射接收系统对生物传感器的角偏差的灵敏度更小。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，与若在所述发射接收系统中使用一个或多个多模光纤的情况相比，在所述发射接收系统中使用至少一个单模光纤使得与生物传感器相关联的谐振波长更稳定。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述单个光纤发射接收系统通过以正入射的方式询问生物传感器使得有效地使其对生物传感器的角偏差的灵敏度达到最小并且使谐振峰值宽度达到最小，同时使角容限达到最大并且使谐振反射效率达到最大。

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