CN102066997A - 用于制造光波导的方法、光波导和传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于制造光波导的方法，其中波导结构包括沉积在第一层(210)上的ZnS-SiO2波导层(220)，其中第一层的第一折射率小于波导层的折射率。本发明还提供了一种传感器装置，其包括平面光波导、光源、传感器、用于将分析物施加到平面波导的顶部上的应用单元和连接到传感器的处理器。

Description

用于制造光波导的方法、光波导和传感器装置
技术领域
本发明的实施例涉及用于制造光波导的方法。本发明的其他实施例分别涉及光波导和传感器装置。
背景技术
波导是用于引导光(即，用于限制光可以传播的空间区域)的空间不均匀性结构。其可以用于例如长距离传送光(例如，在通信系统中)、在集成光学芯片上引导光线(硅光子学)、在相当长的距离保持高光强(例如，在波导激光器和倍频器中)、剥落最高阶横模、消逝场中被引导的光与材料的相互作用(例如，在某些波导传感器中)、或者分裂和组合波束。通常，波导包含与周围介质相比折射率增大的区域。但是，通过使用例如在金属界面处的反射也能够引导。
有很多种不同的制造波导的技术。一些示例包括结合例如离子交换或热融合的使用半导体、水晶和玻璃材料的平板印刷技术、由预成型的拉伸光纤拉伸成进一步减小尺寸的波导以制造光纤、产生纳米线、用聚焦的脉冲激光束在透明介质中写波导、利用用于制造平面波导的激光诱导击穿、外延和抛光方法。不同的制造技术之间的交换会很复杂。这可能涉及诸如制造的成本、适应性和再现性，实现的传播损耗，可能的负面效应(例如，通过加热或未扩散的材料)，最佳模式大小和与其他波导耦合的对称性之类的方面。
平面波导是具有平面几何形状的波导。其通常以某些衬底上的或者可能嵌入两个衬底层之间的具有增大的折射率的薄透明膜或层的形式来制造。
发明内容
因此，仍然需要提供可靠的方法以生产具有低吸收损失的光波导的另外的材料体系。
通过分别根据权利要求1、12和18的方法、光波导结构和传感器装置解决了该目标。
在从属权利要求中限定了其他实施例。
参考附图和确定的说明，本发明的其他细节将变得显而易见。
附图说明
图1示出了本发明的一个实施例的主要步骤；
图2示出了根据本发明另一实施例的光波导的截面图；
图3示出了根据本发明另一实施例的光波导的截面图；
图4示出了光波导的另一实施例的截面图；
图5示意性示出了根据本发明的另一实施例的传感器装置；
图6示出了光波导的另一实施例的截面图；
图7示出了光波导的另一实施例的截面图；
图8a示出了描绘了ZnS-SiO2波导的实施例的折射率的波长相关性的是视图；和
图8b示出了描绘了ZnS-SiO2波导的实施例的吸收系数的波长相关性的是视图。
具体实施方式
在下面的详细说明中，参考作为说明的一部分的附图，示出了通过举例说明可以实现本发明的具体实施方式。为此，根据所描述的图的方向使用方向术语，例如“顶”、“底”、“前”、“后”、“前面”、“后面”等。因为本发明的实施例的构件可以位于多个不同的方向，所以使用方向术语用于说明而决非加以限制。能够理解，可以使用其他实施例，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下进行结构或逻辑改变。因此，下面的详细说明不被视为限制意义，通过所附的权利要求来限定本发明的范围。
在下文中，描述本发明的实施例。值得注意，下面所有所描述的实施例可以以任意方式结合，即，没有限制这些所描述的实施例不能相互结合。
在图1中，在步骤S100，提供了具有第一折射率的第一层。
在步骤S102中，波导结构沉积在第一层上，该波导结构包括由硫化锌(ZnS)-氧化硅(SiO2)构成的波导层，第一层的折射率低于波导层的折射率。材料硫化锌-氧化硅ZnS-SiO2也可以被称为(ZnS)100-x-(SiO2)，其中x表示氧化硅的重量百分比。
使用上述方法，获得了图2中横截面中所示的光波导200。波导结构205包括波导层220。在所示的实施例中，波导结构205中没有其他层。但是，如参考下面的另一实施例所说明的，波导结构205可以包括其他层。在第一层210的折射率低于波导层220的折射率的情况下，如果波导层220的吸收系数低，耦合到波导层220中的光将保持在波导层220中，并且可以在没有显著损失的情况下被引导。
如图8b中所示，用于波导层的ZnS-SiO2材料体系对于在可见光区和邻近红外区中的波长表现出低吸收系数。
ZnS-SiO2是两种成分的混合物，即，作为小晶粒的硫化锌和非晶氧化硅。该材料体系的折射率取决于ZnS或SiO2分别的量。如果存在更多的SiO2，则折射率较低。在可见光区中，纯ZnS的折射率是约2.3，对于50％ZnS和50％SiO2的材料体系近似线性降低到1.85。
第一层210可以是衬底，从而例如提供双层系统。衬底可以由都具有低于ZnS-SiO2的折射率的折射率的玻璃或聚合物制成。衬底可以由一种材料实现，但是衬底也可以包括多个不同的层，其中最上层(即，与波导结构205接触的层)具有小于波导层的折射率的折射率。
第一层也可以是硅基材料，例如，氧氮化硅(SiON)、SiCON或SiCO2等。
在图3中，光波导300示出由在第一层210顶部上沉积波导层220或波导结构205之前在另一衬底310上沉积第一层210而形成。在该实施例中，第一层210用作波导层220或波导结构205与另一衬底310之间的中间层。可以用作另一衬底310的一些材料(例如，一些诸如聚碳酸酯(PC)之类的聚合物)对于所用的波长可以具有大吸收系数。对于设置在另一衬底310和波导层220或波导结构205之间的额外的中间层210，通过适当选择第一层210的厚度t可以调整波导层220或波导结构205内的吸收损失。第一层对于波导层220或波导结构205内的光的所用波长应当具有低吸收系数。能够用于第一层210的材料是SiO2，其具有低吸收系数，并且易于沉积在由玻璃、硅或聚合物制成的衬底上。
衬底310可以由半导体材料或玻璃或聚合物(塑料)制成。
因为例如对于SiO2量低于约30％，ZnS-SiO2的折射率可以是大于2.0，所以第一层210的第一折射率可以在1.3和2之间选择，或者1.4到1.8之间，或者1.4到1.6之间。在每种情况下，都满足第一层210的折射率小于ZnS-SiO2波导层的折射率的条件。
通过成本低且速度快的诸如溅射工艺之类的物理气相沉积工艺，可以在第一层210的顶部上沉积波导层或波导结构。对于溅射，可以实现大于2nm/s的沉积率，这大于其他类似的波导材料(例如，Ta2O5和TiO2)的沉积率。ZnS-SiO2基波导结构或波导层的衰减与由蒸发工艺沉积的Ta2O5和TiO2层相当。
在溅射工艺中，可以使用由ZnS或ZnS-SiO2构成的靶材。使用4.5kW的典型功率和ZnS试样的商品化溅射系统，在120mm的衬底直径和约13nm/s的沉积率下，可实现±2.5％的波导层的厚度均匀性。如果使用更小的衬底，能够得到更好的均匀性值。使用溅射工艺可以实现±0.11％的折射率均匀性。
还能够通过非常高成本的离子电镀工艺或者通过化学气相沉积工艺或等离子增强化学气相沉积工艺沉积波导层或波导结构。
波导层220中ZnS的含量可以在10％到95％之间，或者50％到90％之间，或者70％到90％之间。具有小于100％的硫化锌含量的材料体系不易碎，并因此易于操作。
在图4中，示出了光波导400的另一实施例，其包括位于波导层220或波导结构205的顶部上的具有第二折射率的第二材料的覆层410，其中第二折射率小于波导层220的折射率。覆层410确保波导层220或波导结构205沉积在都具有小于波导层的折射率的折射率的两层(即，第一层210和第二层410)之间。此外，覆层410可以用于防止波导层220或波导结构205例如由拉伸或冲击而物理破坏。例如，覆层也可以用于防止诸如腐蚀等化学效应，或者用作用于另一层的助粘剂，或者用于降低表面粗糙度。覆层410可以由一层或多个次级层组成。覆层410的厚度不限。
图2、3和4中示出了作为平面波导结构的光波导200、300和400，其在一个方向(即在层相互堆叠在顶部的方向上)引导光。光只能在波导层或波导结构中传播。
但是，也能够使用由ZnS-SiO2构成的波导结构，其进一步构造为例如脊型波导，脊型波导还能够在例如大致垂直于在平面波导中引导光的方向的其他方向引导光。
在图5中，示出了传感器装置500，其包括光波导300，光波导300包括衬底310、第一层210和波导层220或波导结构205，其中第一层210的折射率小于波导层220的折射率。波导层220由具有大于2.0的折射率的ZnS-SiO2制成。传感器装置还包括光源510、传感器540和/或另一传感器540A和/或540B、和处理器550，处理器550连接到传感器540或多个传感器540、540A、540B。在波导层220或波导结构205的顶部上施加分析物530。
通过衍射光栅560将来自光源510的光555耦合到波导层220或波导结构205中，并被引导通过波导层220或波导结构205。在分析物530与波导层220或波导结构205的表面接触的区域中，一部分光555作为所谓的分析物530中的消逝场。
可以提供第二衍射光栅570，以耦合输出光555，并用传感器540检测耦合输出的光，产生转送到处理器550的辅助信号。辅助信号取决于分析物的特性(例如，其浓度)，因此，可以使用辅助信号来确定上述特性。可选的，从分析物耦合输出的光可以由另外的传感器540A、540B直接接收。
用于将光550耦合到波导层220或波导结构205中的其他实施例可以包括用于耦合光的棱镜或侧边耦合方案。
在本说明书的内容中，术语分析物应当理解为待分析的物质本身或者包括待分析的物质的系统。在一步或多步分析中实现检测，在一步或多步分析过程中使波导层220或波导结构205的表面接触一种或多种溶液。所使用的一种溶液可以包括可检测的。如果荧光物质被吸收在波导区域上，则分析物也可以没有荧光成分。分析物还可以包括诸如pH缓冲剂、盐、酸、碱、表面活性剂、粘性作用添加剂或染料等成分。
分析物可以是生物介质，例如，蛋黄、体液或其组分，特别是血液、血清、血浆或尿液。分析物也可以是地表水、来自天然或合成培养基(例如，土壤或植物各部分)的溶液或提取物、来自生物过程的溶液或合成溶液。可以在未稀释或添加溶剂的情况下使用分析物。
可以在不同的位置检测光，例如，可以直接检测从荧光物质发射的光或散射光，或者可以检测在波导层或波导结构的边缘处从波导层或波导结构发射的光等。
对于荧光化合物，可以使用具有330nm到1000nm的波长范围的荧光的功能性荧光染料(例如，包括罗丹明、荧光素衍生物等的染料)。
使用都可以由相同波长的光所激励但是具有不同的发射波长的不同荧光染料是有利的。
可以是分析物在静止时接触波导结构205或者连续通过波导结构，这都能够使流通开启或关闭。
通过光电二极管、光电池、光电倍增器、CCD照相机和诸如CCD行货CCD阵列的检测器阵列，可以检测瞬时受激发光或散射光或光强损失。可以通过诸如反射镜、棱镜、透镜、菲涅尔透镜和渐变折射率透镜之类的光学元件将光投射到上述光电二极管、光电池、光电倍增器、CCD照相机和诸如CCD行货CCD阵列的检测器阵列，以检测光。
在图6中，示出了光波导600的另一实施例。如上所述，波导结构205除了波导层220之外可以包括一个或多个层。在本实施例中，在波导层220和第一层210之间形成中间层610。该中间层610可以增强波导结构205与第一层210的粘性，或者可以提高诸如粗糙度之类的表面特性。中间层610可以由一层或多个次级层组成。
在图7中，示出了光波导700的另一实施例。在该实施例中，波导结构205在波导层220的顶部上包括另一层710。另一层710例如可以用于适应于诸如表面张力、表面粗糙度之类的表面特性，提高耐磨性，或者防止波导层220受到图5的传感器装置中用作分析物530的化学品的作用。另一层710可以是光透射材料，其在所使用的波长区域中具有低吸收系数。例如，可以使用具有约2.1的折射率的Ta2O5(五氧化二钽)薄层作为另一层710。该波导结构205的光学特性与单一ZnS-SiO2基波导层220的光学特性相当，但是耐化学性提高了。其他可能用于另一层710的材料体系可以包括但不限于TiO2(二氧化钛)、Si3N4(氮化硅)或SiO2(二氧化硅)。另一层710可以由一层或多个次级层组成。
另一层710的厚度取决于所需的功能，但是在大部分情况下，厚度应当尽量小，从而不会妨碍波导的功能。例如，为了提高ZnS-SiO2基波导层220的耐化学性，根据所使用的化学反应，10nm的Ta2O5层作为另一层710就足够了。因此，另一层710的厚度可以从1到100nm之间选择，优选在2到20nm之间。
用于另一层710的材料也可以用于中间层610。除了波导层220之外，波导结构还能够包括中间层610和另一层710。
在图8a中，示出了输出光的波长与折射率的相关性的测量关系。这些值是在具有60nm的波导层厚度和80∶20(wt％)的ZnS与SiO2比例的试样上测量得到的。该示图示出了折射率从350nm的波长处的n＝2.4降低到950nm的波长处的折射率n＝2。
在图8b中，示出了输出光的波长与吸收系数k的相关性的测量关系。这些值是在具有60nm的波导层厚度和80∶20(wt％)的ZnS与SiO2比例的试样上测量得到的。该示图示出了吸收系数从350nm的波长处的10-1降低到950nm的波长处的10-5。
提供了创造性的光波导和用于制造光波导的方法，这产生了具有高沉积率的低吸收损失的光波导，因此有效地降低了所述光波导的制造成本。

Claims (18)

1.一种用于制造光波导的方法，其包括如下步骤：
提供具有第一折射率的第一层；和
在所述第一层上沉积波导结构，其中，所述波导结构包括ZnS-SiO2波导层，并且所述第一折射率小于所述波导层的折射率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在沉积所述波导结构的步骤过程中，在所述中间层上沉积所述波导层之前，在所述第一层上沉积第一中间层。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一层是由玻璃、聚合物或半导体材料制成的衬底。
4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括如下步骤：
在沉积所述波导结构的步骤之前，在衬底上沉积所述第一层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述衬底是由玻璃、聚合物或半导体材料制成的。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的方法，其中，所述第一层是由SiO2制成的。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中，通过从由物理气相沉积工艺、离子电镀工艺、蒸发工艺、化学气相沉积工艺、等离子增强化学气相沉积工艺和溅射工艺组成的集合中的一种工艺，来执行沉积所述波导结构的步骤。
8.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其中，通过溅射工艺来执行沉积所述波导结构的步骤，其中在所述溅射过程中使用ZnS靶材或ZnS-SiO2靶材。
9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的方法，其中，所述波导层中ZnS的含量在70％到90％之间。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的方法，其中，在沉积所述波导结构的步骤过程中，在所述波导层上沉积另一层。
11.根据权利要求1至10中任一权利要求所述的方法，还包括如下步骤：
在所述波导结构的顶部上沉积具有第二折射率的第二材料的覆层，其中所述第二折射率小于所述波导层的折射率。
12.一种光波导，其包括：
第一层，其具有第一折射率；和
波导结构，其位于所述第一层的顶部上，其中所述波导结构包括波导层，所述波导层包括ZnS-SiO2，所述波导层具有大于所述第一折射率的折射率。
13.根据权利要求12所述的光波导，还包括：
衬底，其中所述第一层被夹在所述衬底和所述波导结构之间，所述衬底由玻璃、聚合物或半导体材料制成。
14.根据权利要求12或13所述的光波导，其中，所述第一层由玻璃、SiO2、半导体材料或聚合物制成。
15.根据权利要求12至14中任一权利要求所述的光波导，还包括：
覆层，其具有第二折射率，其中所述波导结构被夹在所述覆层和所述第一层之间，所述第二折射率小于所述波导层的折射率。
16.根据权利要求12至15中任一权利要求所述的光波导，其中，所述波导结构包括形成于所述波导层和所述第一层之间的中间层。
17.根据权利要求12至16中任一权利要求所述的光波导，其中，所述波导结构包括形成于所述波导层的顶部上的另一层。
18.一种传感器装置，其包括：
平面光波导，其包括：
第一层，其具有第一折射率，和
平面波导结构，其位于所述第一层的顶部上，其中所述波导结构包括波导层，所述波导层包括ZnS-SiO2，并且所述波导层具有大于所述第一折射率的折射率；
光源，其配置为提供耦合到所述平面光波导中的光；
传感器，其配置为根据所述光来检测辅助信号；和
处理器，其连接到所述传感器，所述处理器配置为根据所述辅助信号来确定分析物的参数，所述分析物被施加到所述平面光波导结构的顶部上。
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