CN102077124A - 衍射光栅耦合器、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，包括具有第一表面(102，202，302，402)和与所述第一表面(102，202，302，402)相对的第二表面(103，203，303，403)的光波导(101，201，301，401)，所述光波导(101，201，301，401)具有在所述第一表面和第二表面之一上的光栅(110，210，310，410)。它还包括沉积在所述光波导(101，201，301，401)上并连接到所述光波导(101，201，301，401)的弹性聚合物膜(120，220，320，420)，所述弹性聚合物膜(120，220，320，420)部分地围绕所述光波导(101，201，301，401)并使所述光波导(101，201，301，401)的所述两个表面之一敞开，所述衍射光栅耦合器(100，200，300，400)因而可被安装在样本(230，330，430)上并通过将所述弹性聚合物膜(120，220，320，420)连接到样本(230，330，430)而被暂时粘附到所述样本(230，330，430)。

Description

衍射光栅耦合器、系统和方法
技术领域
本发明涉及光学器件，尤其是涉及衍射光栅耦合器。
现有技术
光学光栅频繁地用于波导模的平面外(out-of-plane)激发。耦合光于是可用于各种目的，例如沿着波导传送电磁能或用于通过所谓的m-线方法特征化薄膜。波导模的激发根据包括衍射结构和波导结构的系统的参数出现在非常特定的入射角处。
利用可安装的棱镜耦合器对嵌入波导中或安装在其上的衍射光栅执行波导模的平面外激发的不同方法已经由例如R.Ulrich等人在“利用棱镜耦合器对薄膜参数进行测量(Measurement of Thin Film Parameters with a Prism Coupler)”(Appl.Opt.12，2901-2908(1973)或S.Monneret等人在“m-线技术：棱镜耦合测量和对均匀波导的精确度的讨论(m-lines technique：prism coupling measurements and discussion of accuracy forhomogeneous waveguides)”(J.Opt.A2，188-195(2000))中公开。
棱镜耦合器尽管有其可靠性和效率，但具有几个缺点：棱镜的折射率必须高于激发模的有效传播指数。由于这个因素，不允许将棱镜用于将光耦合到由具有高折射率的材料制成的波导中。此外，棱镜体积大。一个棱镜可用于依次与很多芯片协作，但对于批量制造，将几个棱镜集成在小尺寸的每个芯片上是不实际的。
衍射光栅耦合器(DGC)的一般长度不超过100μm，这提供了将很多DGC集成在几平方毫米的小面积内的能力。波导模在浅(具有几十纳米的深度)光栅上的激发出现在非常窄范围的入射角内。激发角可响应波导或覆层的折射率的10-2变化而改变大于10-1度。这个特性有效地用在传感器中并可应用于波导特征化。可以如同在用于棱镜耦合的m-线方法中那样，执行对波导的复折射率和厚度的确定。
高质量的衍射光栅耦合器的主要问题是其制造的复杂性，例如高精度、亚微米分辨率光刻术、每个光栅的特征化、将具有亚微米周期的波纹与光波线路制造在同一样本上的技术兼容性。这些问题提高了成本并使制造具有嵌入式光栅的波导变得复杂化。在每个样本上的制造波纹-特别是仅对于特征化-是非常昂贵和艰巨的。此外，一旦被制造，光栅就不能从波导移除。另外，衍射光栅通常拥有低耦合效率，除非应用复杂的波纹形状或多层结构，这对于嵌入波导中的光栅是难以实现的。R.Orobtchouk等人在“在亚微米硅绝缘体波导中的高效率光耦合(High-efficiency light coupling in asub-micrometric silicon-on-insulator waveguide)”(Appl.Opt.39，5773-5777(2000))、S.Ura等人在“效率加强的三阶光栅耦合器(Efficiency enhanced third order grating coupler)”(Appl.Opt.38，3003-3007(1999))以及N.Destouches等人在“在共振光栅的-1阶中所测量的99％的效率(99％ efficiency measured in the-1st order of a resonant grating)”(Opt.Express 13，3230-3235(2005))中报导了一些尝试。
另一方面，PDMS-粘弹性弹性硅广泛用于软光刻并已应用于光学器件的制造，包括可伸长的衍射光栅，如A.N.Simonov等人在“基于粘弹性可伸长的光栅的光扫描仪(Light scanner based on a viscoelastic stretchable grating)”(Opt.Lett.30，949-951(2005))中所报导。
纯弹性体光栅最近由Kocabas等人在″使用弹性光栅耦合器的高折射率测量(High-refractive-index measurement with an elastomeric grating coupler)″(Opt.Lett.30，3150-3152，(2005))中报导，其中公开了在表面上具有光栅结构的弹性印记。这样的光栅避免了嵌入在集成光路(IOC)中的耦合器的制造。其制造方法如下：液态聚二甲基硅氧烷(PDMS)被灌注到由主光栅组成的模板上，该主光栅通过干涉光刻术制备在硅晶片上。将抛光的晶片放置在顶表面上。在使液态PDMS固化之后，从硅表面剥去弹性光栅印记。所报导的技术用于测量绝缘体上硅(SOI)平面波导的高折射率，并允许弹性印记被移除而不损坏波导的表面。
然而，该方法具有聚合物的弹性所固有的缺点，如Y.Xia等人在“软光刻术(SoftLithography)”(Angew Chem.Int.Ed.37，550-575(1998)中报导的：波纹的周期可能由于几个因素(例如热收缩、横向塌陷和其它因素)而变形。作为结果，光栅必须足够厚以避免波纹的塌陷。另一缺点是弹性体的折射率是固定的和低的。因此，如果光栅被设计成用于波导内或外的光耦合，将出现耦合器的相对长的激发长度，特别是对模的高的限制。
发明内容
本发明试图利用一种衍射光栅耦合器来解决上面提到的问题，该衍射光栅耦合器具有由硬光学材料制造的波导，具有光栅和软聚合物部分(该部分旨在将该波导连接或安装到待测量或特征化的衬底或样本)。因此，根据本发明，弹性体仅用于安装目的。本发明的器件和方法确保IOC与被分开制造的衍射光栅耦合器的良好和可再现的接触。波导和光栅可被特别设计、批量制造、固定在软聚合物膜(例如，聚二甲基硅氧烷)上、被仔细地特征化并接着被安装到待特征化的衬底或样本上。
本发明的一个方面涉及衍射光栅耦合器，其包括具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面的光波导，所述光波导具有在所述表面之一上的光栅。它还包括沉积在所述光波导上并连接到所述光波导的软聚合物膜，所述软聚合物膜部分地围绕所述光波导并使所述光波导的所述两个表面之一敞开，衍射光栅耦合器因而可被安装在样本上并通过将所述软聚合物膜连接到样本而被暂时粘附到所述样本。
软聚合物膜优选地由聚(二甲基硅氧烷)制成。
优选地，当衍射光栅耦合器安装在所述样本上时，在所述衍射光栅耦合器和所述样本之间没有气隙。
优选地，所述光栅包括多个脊，所述脊能够根据光的入射角来控制。所述脊优选地具有直线形状。
光栅优选地以下列项为特征：所述脊的折射率、所述脊之间的间隙的折射率、其厚度、所述脊的轮廓及其周期。光栅优选地设计成使得其周期满足用于至少一个TE传播模和一个TM传播模的激发的相位匹配条件。
在特定的实施例中，光波导包括至少一层。该光波导可为平面波导。该光波导可由至少一种硬光学材料制成。该光波导优选地以其折射率和其厚度为特征。
光栅优选地被蚀刻到光波导。光栅优选地由与制造所述光栅被蚀刻到的波导的层的材料不同的材料制成。
在本发明的另一方面中，提供了用于特征化样本的系统。它包括：与前面提到的相似的衍射光栅耦合器，利用所述衍射光栅耦合器的软聚合物膜被安装到所述衍射光栅耦合器的样本，以及用于照亮所述衍射光栅耦合器的光源，其中所述衍射光栅耦合器被配置成将来自所述光源的光耦合到所述样本，因而在被包括在所述衍射光栅耦合器内的波导中激发至少一个波导模。
优选地，样本是块体材料或沉积在衬底上的薄膜材料或沉积在衬底上的薄膜叠层。
本发明还提供了已经提到的衍射光栅耦合器的用途，用于测量样本的折射率，其中所述样本是块体材料或沉积在衬底上的薄膜材料或沉积在衬底上的薄膜叠层。
本发明还涉及特征化样本的方法，其包括下列步骤：通过使衍射光栅耦合器的软聚合物膜压住样本来将所述衍射光栅耦合器安装到所述样本上；通过使用从激光器发射的光束照亮所述衍射光栅耦合器来在被包括在所述衍射光栅耦合器内的波导中激发至少一个波导模；使所述被发射的光束的入射角扫到所述衍射光栅耦合器上；记录波导模的激发角；使用建模技术计算样本的某些参数。优选地，所述样本是块体材料或沉积在衬底上的薄膜材料或沉积在衬底上的薄膜叠层。
所提出的发明的优点将在接下来的描述中变得明显。
附图简要说明
为了完成本说明书并为了提供对本发明的更好的理解，提供了一组附图。所述附图形成说明书的整体部分并示出本发明的优选实施例，其不应被解释为限制本发明的范围，而仅仅作为本发明可如何被体现的例子。附图包括下面的图：
图1示出根据本发明的实施例的衍射光栅耦合器的横截面。
图2示出根据本发明的衍射光栅耦合器的示例性实施例的横截面视图。
图3示出根据本发明的衍射光栅耦合器的示例性实施例的横截面视图。
图4示出根据本发明的衍射光栅耦合器的示例性实施例的横截面视图。
图5a到5h示出基于图2的实验。
图6a到6d示出基于图3的实验。
图7a到7f示出制造本发明的衍射光栅耦合器的例子。
图8示出用于探针特征化的设置的例子。
图9a到9c示出光栅探针的透射率与TE偏振的入射角的关系曲线(9a)，由通过探针透射的光产生的斑点的图像(9b)和在实验中使用的结构的横截面视图(9c)。
图10a-10c示出波导探针激发的实验以及在谐振和失谐时通过探针透射的光所产生的斑点的图像。
图10d-10g示出将图10a的耦合器安装在玻璃衬底上的过程。示出了探针粘贴到玻璃表面的进程。
图11示出聚合物膜的例子。
图12示出使用所提出的混合DGC-PDMS系统将平面外光耦合到肋形波导中的示范。
图13示出在探针安装及未安装在氮化硅波导上的情况下对氮化硅波导建立的电场的模分布。
具体实施例
在本发明的上下文中，必须考虑下面的定义：
软聚合物：一种非晶态聚合物，在其转变温度之上，其机械特性类似于橡胶的机械特性。换句话说，软聚合物在其转变温度之上具有弹性的特性。因为这个特性，相当大的链段运动是可能的。因此，软聚合物可用作暂时粘合剂。
硬光学材料：在其玻璃转变温度之下允许光的无损传播的材料。硬光学材料的非限制性的例子是氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化钽和玻璃。
块体材料：该材料具有比可潜在地通过其传播的光的波长高得多的厚度。当光通过块体材料传播时没有观察到干涉现象。
TE(横电)模：在传播方向上没有电场的模。
TM(横磁)模：在传播方向上没有磁场的模。
本发明的实现可按如下方式执行：
图1示出根据本发明的实施例的衍射光栅耦合器100的横截面。它包括具有衍射光栅110的光波导101。波导101可为单层波导或多层波导(由叠层形成)。
光栅110可被嵌入或固定到波导101。光栅110的结构是沿着波导101的表面的一部分或沿着整个表面的平行脊状构造112。脊112可被称为“齿”，而脊112之间的空间111可被称为“间隙”111。
光栅110利用多个脊或齿112被限定，其中每个脊或齿由各自的间隙111分开。光栅齿112由折射率与光栅间隙111的折射率不同的材料制成。光栅110可在两个波导表面102、103的任一个上实现。
优选地，光波导101是平面波导。波导101由之前定义的硬光学材料制成。
衍射光栅耦合器100还包括聚合物膜120，波导101和光栅110连接到聚合物膜120。波导101、光栅110和聚合物膜120形成“探针波导”或“探针”。聚合物膜120是软聚合物膜。软聚合物的非限制性的例子是：聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、SU8光致抗蚀剂和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。优选地，软聚合物膜由聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)制成。因此，由硬光学材料制成的波导101被永久地固定在软聚合物膜120上。
沉积在波导101上并连接到波导101的聚合物膜120部分地围绕波导101。如可在图1中观察到的，聚合物膜120不完全围绕波导101，而是保持其表面敞开和自由。
探针(波导101加上光栅110加上聚合物膜120)具有下列参数：波导101的厚度、波导101的折射率、光栅波纹深度、光栅110的周期和占空比、制成脊或齿112的材料的折射率以及聚合物膜的折射率。波导101的厚度优选地范围在50和5000纳米之间。波导101的折射率优选地范围在1.1和4.1 RIU(折射率单位)之间。光栅波纹深度优选地范围在50和5000纳米之间。光栅110的周期优选地范围在200和1000纳米之间。光栅110的占空比优选地范围在0.2和0.8之间。制成脊或齿112的材料的折射率优选地范围在1.1和4.1 RIU之间。聚合物膜120的折射率优选地范围在1.1和2.1 RIU之间。
衍射光栅耦合器100被设计成利用聚合物膜120可安装到衬底或样本上，聚合物膜120被设计成将衍射光栅耦合器100连接到该衬底或样本。为了安装它，探针(具有光栅110的波导101加上软聚合物膜120)可通过其具有敞开的(或自由的)光学探针(未被聚合物膜120覆盖)的侧面或表面被压在任何衬底或样本上。因此，被压在衬底或样本(利用软聚合物膜120)上的探针波导可被连接到该衬底或样本，使得没有气隙在波导探针和衬底或样本之间形成。波导探针(具有光栅110的波导101加上软聚合物膜120)可在需要时从衬底或样本被释放。
因此，当这个混合结构(由硬材料和软聚合物膜制成的探针)被放置在任何集成光路(IOC)上时，软聚合物(例如，PDMS)的独特的结构特性确保没有气隙在衍射光栅耦合器和IOC之间形成，即使衬底是非平面的(也就是说，PDMS粘贴到表面)。这个条件确保所提出的系统可以正确动作。软聚合物(例如，PDMS)的弹性允许它从复杂和易碎的结构被释放，这允许耦合器被移除，例如从波导被移除，并在需要时被重新安装。
因此，实现了用于再次使用并重新安装光栅的灵活和高度可靠的方法，其可用于将光精确地射入IOC中并用于确定给定层的光学特性。
图2示出连接到衬底240的衍射光栅耦合器200的示例性实施例的横截面视图，样本230位于衬底240上。实验的目的是特征化所述样本(例如，波导层)230或将光耦合到该层230(在这种情况下，样本是单层波导)。假定由于具有包括软聚合物220的结构，在探针和样本(或波导)230表面之间没有气隙。以某个角Θ入射到光栅210上的光部分地耦合到沉积在衬底240上的样本(波导230)中，并沿着其传播。波导230的参数(厚度和折射率)连同探针的参数(厚度、折射率和光栅周期)一起，限定允许沿着由波导230和探针(具有光栅210的波导201加上软聚合物膜220)所形成的结构传播的传播模的激发角Θ。因为探针的参数被假定是已知的，接着知道了激发角，波导230的参数可使用对本领域技术人员明显的常规方法来找到。例如使用角度扫描并探测在其输出处离开波导230的光的能量的最大值可找到那些激发角Θ。
被放置在折射率与该探针的折射率相当的单模波导230上的探针形成厚度大于波导230的厚度的波导结构。因此，可激发两个模，并可通过解相应的色散方程的系统，而找到波导的折射率和厚度。
图3公开了连接到块体材料样本或层330的衍射光栅耦合器300的另一示例性实施例的横截面视图。形成层300的块体材料的折射率限定了波导探针传播模的激发角Θ，在该配置中所述传播模可以在由探针和块体样本330所形成的结构中传播。知道激发角后，可使用对本领域技术人员明显的常规方法来找到块体材料330的参数(即，复折射率)。例如使用角度扫描并探测从探针和块体样本330所形成的结构反射的光的异常行为可找到那些激发角Θ。这个特定例子的目的是为了测量块体材料330的折射率或如果块体材料330的折射率是已知的则是为了校准探针。
由于将软聚合物和基于硬光学材料的光栅进行组合，耦合器可用于特征化低于该探针的折射率的块体材料的折射率。这是通过激发该探针并从激发角得到待特征化的折射率来实现的。
在图1-3所示的任何实现中，光栅110、210、310可在波导101、201、301的上侧面或表面102、202、302上或在波导101、201、201的相对侧面或表面103、203、303上实现。
当光栅110、210、310在波导101、201、301的上侧面或表面102、202、302上构成时，光栅脊或齿112、212、312的折射率不同于聚合物膜120、220、320的折射率，聚合物膜120、220、320填充齿112、212、312之间的间隙111、211、311。
可选地，当光栅110、210、310在波导101、201、301的下侧面(在底部)或表面102、202、302上构成时，光栅脊或齿112、212、312的折射率必须不同于环境介质例如空气的折射率(见图1)。
在图1-3所示的任何实现中，波导模的激发由来自未在图中示出的激光源的相干激光执行。
本发明的衍射光栅耦合器100、200、300可用于波导探针的固有特性(例如波导厚度和折射率)的特征化。形成波导探针的波导101、201、301由折射率基本上比形成软聚合物膜120、220、320的聚合物的折射率高的材料制成。波导101、201、301支持具有TE偏振的至少一个传播模和具有TM偏振的至少一个传播模，以便实现色散方程的系统的解，从而实现探针的特征化。
形成本发明的衍射光栅耦合器100、200、300的探针也可用于在实现图3的操作之后特征化块体材料的折射率。在本实施例中，由衍射光栅耦合器300(具有光栅310的波导301加上软聚合物膜320)形成的结构加上块体材料层330支持至少一个TE模和/或一个TM偏振模。如对技术人员明显的，这是在探针中激发传播模并接着找出块体材料330的折射率所需的要求。在这种情况下，波导301的折射率必须高于待特征化的材料(块体材料330)的折射率。光栅310的周期被选择成提供该结构的激发。这意味着必须适当地选择光栅310的周期。如果没有适当地选择该周期，将没有所观察的波导探针的激发且不能确定折射率。
形成本发明的衍射光栅耦合器100、200、300的探针也可用于特征化沉积在衬底上的薄膜或薄膜叠层。图4示出这个实施例，其中由衍射光栅耦合器400形成的结构(具有光栅410的波导401加上软聚合物膜420)加上薄膜或薄膜叠层430加上衬底440支持至少一个TE传播模和至少一个TM偏振传播模。再次，这是在探针中激发传播模所需要的要求。波导401的折射率可高于或低于被特征化的材料(形成薄膜叠层430的材料)的折射率和聚合物膜420的折射率。光栅410的周期被选择成提供波导结构的激发。这样的周期必须被适当地选择。如果没有适当地选择周期，将没有所观察的波导探针的激发，且不能确定折射率。
可选地，形成衍射光栅耦合器的探针也可被设计和用于特征化光波导。这也在图4中示出，其中波导430被特征化。在这个实施例中，由波导探针形成的结构(具有光栅410的波导401加上软聚合物膜420)加上薄膜或薄膜叠层430(待特征化的波导)加上衬底440支持至少一个TE传播模和至少一个TM偏振传播模。探针可被设计成将光耦合到光波导。
应注意，形成任一前面的实施例中的聚合物膜120、220、320、420的聚合物必须是软的，原因是，与其它类型的聚合物相反，弹性膜可容易地适应它们需要被连接到的表面的形状。在这方面，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)的膜120、220、320、420的波导探针和由硬光学材料制成的波导适合于被连接到样本230、330、430上。
因此，包括软材料膜120、220、320、420的波导探针允许构造可安装的衍射光栅耦合器：这是由于包括在波导探针中的软聚合物膜120、220、320、420的可连接和可拆卸特性。
就光栅110、210、310、410的制造而言，优选地通过将其嵌入波导101、201、301、401中来完成该制造。与光刻术结合的干或湿蚀刻可用于这个目的。
接着，示出了衍射光栅耦合器100、200、300、400的使用的几个例子：
图5a示出连接到波导的衍射光栅耦合器的实验，波导依次被沉积在缓冲层和衬底上。该实验相应于图4的实施例，其中提供了包括沉积在衬底540上的两个薄膜530的结构。在这个实验中，探针被安装在具有折射率2.03和厚度180nm的波导上，波导又被沉积在二氧化硅缓冲层(具有2μm的厚度)上，二氧化硅缓冲层又位于硅衬底(具有折射率3.88，且其中虚部被省略)上。探针具有光栅，该光栅具有30nm的厚度、500nm的周期和0.5的占空比。探针的波导被假定为150nm厚并具有2.03的折射率。入射角在空气中被计算。
图5b示出来自该结构的反射与入射角的相关性。如果激发角远离相应于自准直条件
Figure BDA0000041503300000091
的角，则接近于1的异常反射率被观察到。对于在图5a中所示的结构，对于633nm的激光波长，当入射角为39.25度时满足自准直条件。在这个范围内，观察到低反射率和Q因子。
图5b示出来自安装在具有折射率2.03的波导上的探针的反射率的拟合结果，该波导被沉积在位于硅衬底(具有折射率3.88且其虚部被省略)上的二氧化硅缓冲层(具有2μm的厚度)上。探针具有光栅，该光栅具有30nm的厚度、500nm的周期和0.5的占空比。探针的波导501被假定为150nm厚并具有2.03的折射率。入射角在空气中被计算。
因此，波导501的厚度应被选择以避免复合波导的有效折射率
Figure BDA0000041503300000092
这个条件对于两种情况是有效的：当光栅在波导501’的上侧上或波导501的相对侧上实现时。图5d示出对于不同的波导样本(图5c)反射与入射角的关系曲线。这种情况类似于在图5b中所示的情况。在39.25度附近，几乎不能区别异常反射峰。曲线之间的差异(图5b和5d)是在这两种情况中的光栅的接受角。在图5d中，反射峰窄得多，这归因于波纹的较低折射率对比(0.62与1.03比较)。因此，这个结构的分辨率较好。虽然谐振反射下降处的波导的厚度改变，相应的激发角仍然在39.25度附近。每个峰的宽度大约为0.05度。所以在150和200nm之间的区域中的分辨率被定义为(41.8deg-40.1deg/50nm/0.05deg)-1＝1.5nm(测量的精度被假定为0.05度，等于在FWHM处的峰的角宽度)。在区域100-125nm中的分辨率被定义为(39.08deg-37.8deg/25nm/0.05deg)-1＝1nm(测量的精度被假定为0.05度，等于在FWHM处的峰的角宽度)。
在图5e中，对零级模和第一级模呈现谐振反射曲线。安装在具有折射率2.03的波导上的探针被沉积在位于硅衬底(具有折射率3.88，虚部被省略)上的二氧化硅缓冲层(具有2μm的厚度)上。探针具有光栅，该光栅具有30nm的厚度、500nm的周期和0.5的占空比。探针的波导被假定为150nm厚并具有2.03的折射率。入射角在空气中被计算。实心圆点代表当波导样本的折射率为2.03时的情况，空心圆点代表当波导样本的折射率为2.00时的情况。虚线代表厚度为150nm的波导，点线代表厚度为175nm的波导。实线代表具有200nm厚度的波导。光栅是图5c的光栅。
图5f示出激发角与波导样本的参数的关系曲线。探针安装在波导上，波导被沉积在位于硅衬底(具有折射率3.88，虚部被省略)上的二氧化硅缓冲层(具有2μm的厚度)上。探针具有光栅，该光栅具有30nm的厚度、500nm的周期和0.5的占空比。探针的波导被假定为150nm厚并具有2.03的折射率。入射角在空气中被计算。空的正方形代表零级模，实心的正方形代表第一级模。光栅是图5c的光栅。
样本波导的折射率影响这两个模，但与第一级模(22-27deg/RIU)比较，零级模(32-42deg/RIU)被更强地影响。与零级模(0.028-0.033deg/nm)相比，厚度更多地影响第一级模(0.07-0.093deg/nm)。重要的参数也是模之间的角差异，其在波导样本的折射率增加时增加了大约0.33deg/0.01 RIU。因此，如果角测量的精度由接受角限制，接受角实际上在所有情况下好于0.1度，则测量的精度可被估计，在数值上对色散方程求解以获得厚度和折射率。拟合的结果在图5g中示出。从图5f得到相应于具有折射率2.03和150nm厚度的波导的波导模的激发的角(40.07和17.4度)。使用变换矩阵方法来计算由实心正方形标记的点，该方法需要考虑在正和负方向上与真实值的0.1度的角偏差。
最后，图5h示出来自安装在具有250nm的厚度和1.5的折射率的被插入的波导上的探针的反射，该波导被沉积在位于硅衬底(具有折射率3.88，虚部被省略)上的二氧化硅缓冲层(具有1.75μm的厚度)上。探针具有光栅，该光栅具有30nm的厚度、500nm的周期和0.5的占空比。探针的波导被假定为厚度在100和150nm之间，并具有2.03的折射率。入射角在空气中被计算。
图6a和6b公开了基于图3的实施例的实验的横截面视图，其中衍射光栅耦合器被连接到块体材料层630、630’。
图6a和6b示出关于块体材料的折射率的特征化的两个实验。在图6a中，光栅位于没有被聚合物膜620围绕的波导一侧，而在图6b中，光栅位于被聚合物膜620’围绕的波导一侧。在图6b中灵敏度较高，因为在这种情况下，光栅的接受角较小。
图6c示出激发角对样本的折射率的灵敏度。实心正方形代表20nm的光栅、100nm的波导和图6b的光栅。空心正方形代表20nm的光栅、100nm的波导和图6a的光栅。实心三角形代表30nm的光栅、100nm的波导和图6b的光栅。空心三角形代表30nm的光栅、150nm的波导和图6b的光栅。
计算出安装在具有折射率n的块体衬底上的探针的激发角和接受角，在图6c中从其表示的灵敏度也被计算为每单位折射率变化的激发角的变化：
Sens = ΔΘ exc Δn sp
分辨率被定义为比率
Figure BDA0000041503300000112
其中Θacc是在半高宽(FWHM)处得到的光栅的接受角。图6d示出在样本的折射率的定义中的分辨率与样本的折射率的关系曲线。实心正方形代表20nm的光栅、100nm的波导和图6a的光栅。空心正方形代表20nm的光栅、100nm的波导和图3的光栅。实心三角形代表30nm的光栅、100nm的波导和图6a的光栅。空心三角形代表30nm的光栅、150nm的波导和图6a的光栅。
如果使用具有适当参数的探针，则能以好于0.0025的精度测量块体材料的折射率。为了这个目的，探针厚度应趋向于与放置在样本(块体材料)上的探针波导的截止条件相应的厚度。截止条件是一批参数(例如，折射率和厚度)，超过这些参数，波导再也不能被激发。例如，具有折射率2.0的沉积在二氧化硅衬底上的波导在其厚度低于大约70nm的情况下不能被激发(不能传播光)。
接着，描述了制造的一些例子。在图7a、7b、7c、7d和7f中，示出了所制造的器件的横截面视图。图7f示出了被制造时的器件的俯视图。耦合器的制造如下：
1μm二氧化硅层(SiO2)在硅衬底上热生长。接着，使用全息术和反应离子蚀刻的组合来制造衍射光栅。整个晶片由具有周期＝500nm、占空比＝0.5和深度＝40nm的光栅覆盖。接着一层150nm的氮化硅(Si3N4)通过LPCVD技术被沉积。然后使用光刻术和反应离子蚀刻来定义出探针(图7a)。随后，使用预制的PDMS膜覆盖晶片(图7b)。应用深反应离子蚀刻，以便在探针下形成腔(图7c)。氧化硅层被用作蚀刻阻止层。接着在SIO蚀刻溶液中实现二氧化硅的蚀刻(图7d)。稍后，使用切割机沿着在芯片上界定的切割线凹槽来切割膜(图7e)。最后，PDMS膜的切割片从晶片连同探针一起被释放，并被放置在样本上(图7f)。
此外，本发明还提供了特征化(例如，测量某些参数，例如复折射率)样本(例如沉积在衬底上的块体材料或沉积在衬底上的薄膜材料或沉积在衬底上的薄膜叠层)的一种方法，其包括步骤：通过使衍射光栅耦合器200、300、400的软膜220、320、420压住样本230、330、430来将根据已经解释的方法制造的波导探针或衍射光栅耦合器安装在样本230、330、430上；通过使用从激光器发射的光束照亮衍射光栅耦合器来在被包括在衍射光栅耦合器200、300、400内的波导201、301、401中提供至少一个波导模的激发；将所发射的光束的入射角扫到形成探针的波导的光栅上；记录波导模的激发角；使用现有建模技术计算样本的某些参数。
接着，描述了探针特征化的例子。探针被安装在初步清洁的衬底(优选地在硬材料衬底，且更优选地在BK7玻璃和PMA衬底)上。衍射光栅耦合器被称为800。对于TE和TM偏振，探针的激发从衬底执行。当来自激光器850的光使用透镜860被聚焦时，激发更有效。为了使斑点适合40μm尺寸，应用具有75mm的焦距的透镜860。需要大于1.5mm的光束直径(以及需要大于0.01的数值孔径)。图8示出实验。
可使用CCD矩阵观察激发。激发伴随有透射中的异常。在所透射的斑点的中心中的黑线相应于在角Q0处的激发。图9a-9c示出光栅探针的透射率与TE偏振的入射角的关系曲线。探针被假定有波导901，该波导具有150nm的厚度和2.03的折射率。探针的30nm光栅深度被假定有矩形凹槽，其具有0.5的占空比、500nm的周期和2.03的折射率。
在图10a的实验中，示出了激光器1050、透镜1060、衍射光栅耦合器1000和摄像机1080。图10b是失谐模，而图10c是谐振模。使用低分辨率网络摄像机来扫描图像。第二个图像上的黑线相应于图9a中的曲线上的最小值。
在照片10d、10e、10f和10g所示的安装过程之后，波导探针1000被安装在玻璃衬底上(图10a)，这些照片示出连接到玻璃的表面的探针的进程，玻璃在本实验中是BK7。照片在9分钟(图10d)、26分钟(图10e)、29分钟(图10f)和82分钟(图10g)之后被拍摄。使用光学显微镜来拍摄照片10d、10e、10f和10g。
在使用探针安装芯片之后，在氮化硅探针和衬底之间观察到气泡(不均匀的白点)。随着时间的过去，气泡被弹性膜产生的压力推走。因此，在图10g中，没有观察到气隙。
根据拟合，反射率与空气层的厚度的显著相关性被观察到从5nm开始。因为在80分钟之后没有观察到图像中的其它变化，断定气隙厚度小于5nm厚。通过光学全息术制造的波纹没有完美的质量，所以在探针上的一些不均匀性可归因于衍射光栅深度的不均匀性。一些不均匀性是由于在实验之前没有被清洁的衬底表面的质量。
在表面上形成的聚合物膜可能不是平的。这可能由将膜放置在衬底上时出现的张力产生。这可能影响测量，引起角测量中的不确定性并可能产生像棱镜一样的效应。关于图11，其中示出了不平的聚合物膜：
α2-α01＝a sin(nPDMS sin(α1-α01))
α3+α02＝a sin(nPDMS sin(α1+α02))
如果α01＝α02，则
Figure BDA0000041503300000131
通常在正和负方向上测量激发角，且得到作为这些角的和的一半的结果：
Figure BDA0000041503300000132
然而，如果α01＝α02≠0，则角：
α 2 + α 3 2 = 1 2 ( a sin ( n PDMS sin ( α 1 - α 01 ) ) + a sin ( n PDMS sin ( α 1 + α 02 ) ) )
不同于当顶表面平行于底表面时的结果。如果角α01＝α02≠0且是未知的，则当使用所提出的方法特征化不同的材料时，角测量中的不确定性可能导致显著的误差。
使用放置在PDMS膜的顶表面上的玻璃板来解决无平面性的问题。不产生完美的平行表面，但至少获得具有已知楔角的平面。
使用来自BK7玻璃棱镜-PDMS膜的界面的全内反射(TIR)来测量PDMS膜的折射率。TIR出现在相应于1.413的折射率的37.48度处(为了验证该方法，测量了空气的折射率，TIR出现在相应于1.001的折射率的-5.60度处，因而测量的精度是10-3)。
在图12中，示出了使用所提出的混合DGC-PDMS系统将平面外光耦合到肋形波导中。将来自氦氖激光器(632.8nm)的光利用平凸透镜聚焦在光栅上，并以某个入射角耦合到波导中。肋高为4nm，而波导为250nm厚。
耦合出现在由衍射光栅探针和平面波导(见图5a)形成的复合波导上。所激发的波根据复合结构的参数被限制。没有耦合器的波导的分布是不同的，且在耦合元件的端部有一些损失。损失由两个波导的电场的分布的重叠限制。为了最大化波导之间的能量传输，波导模场的分布应尽可能匹配。所以耦合器波导的厚度应被最小化。如果需要在短距离上的强耦合，则应提供折射率的强调制。因此，将光栅定位在探针的底部较好。
图13示出在探针安装及未安装在氮化硅波导上的情况下，对具有150nm的厚度的氮化硅波导(n＝2.03)建立的电场的模分布。实线表示具有光栅的100nm厚的探针，该光栅具有30nm的深度、0.5的占空比和500nm的周期。虚线表示没有探针，只有PDMS覆盖层。点线表示具有相同的光栅参数的50nm的探针。
将另一组耦合器放置在具有肋形波导阵列的小(3x7mm2)芯片上。芯片被对齐，使得几个耦合器与180nm厚且具有140nm的肋高度的波导重合。
如预期的，在光栅和波导之间没有观察到气隙，确认DGC与IOC接触。将来自氦氖激光器(632.8nm)的光使用物镜(放大率10、数值孔径0.25)利用直接聚焦耦合到波导中。
使用由具有75mm的焦距的平凸透镜聚焦的光束来执行在同一光栅上的同一波导的平面外激发。数值孔径和焦点中的斑点尺寸分别为0.33和12μm。当TE偏振的基模被激发时，获得最大耦合效率5％。虽然所获得的效率可能被认为低，它能通过耦合器的适当设计并通过聚焦光学器件的参数的优化来增强。因此，根据拟合，在实验中使用的结构的激发长度是50μm，也就是说，沿着波导的斑点尺寸应被调节到这个值。接着耦合效率被预期增加三倍。
为了确定在前面的章节中描述的波导的折射率和厚度，找到对TE和TM偏振的激发角。在TE偏振的情况下在37°40’(零级模)、23°00’(第一级模)处，以及在TM偏振光的情况下在32°10’(零级模)、17°00’(第一级模)处的第一级衍射中出现模激发。计算相应于传播常数的波导参数，得出2.044的折射率和168nm的厚度。这些参数与椭偏仪所测量的量值(折射率2.03和厚度180nm)良好吻合，这展示了用于特征化薄膜的方法的能力。
总之，本发明公开了将耦合衍射元件与PDMS相组合的新的一类混合系统。安装技术允许耦合器在集成光路上的精确定位。实验结果确认了用于特征化所使用的材料和用于将光耦合进/出IOC的所提出的配置的有效性。还需要对耦合器内部的进一步的优化。然而，该方法被证明是牢靠的、可靠的和概念上简单的，以便用在集成光学器件中。
通常，可为每个特定的任务和应用设计并制造探针。可将几个耦合器放置在单个PDMS芯片上。整个波导和光学线路可被制造并粘贴到由硬材料或轻弹性膜制成的其它衬底上。在PDMS上制成的DGC和微流控系统与IOC的组合在传感应用方面大有前景。使用硅技术制造的器件可被转移到透明衬底上，替代在玻璃衬底上的光器件的制造技术。
在本发明的上下文中，术语“左右”、“大约”、“近似”和“基本上”以及其同一类的术语(例如“约计”等)应被理解为指示在数值上非常接近于其所跟随的前述术语。也就是说，在合理限制内的离精确值的偏差应被接受，因为在本技术中的专家将理解，由于测量不精确性等，离所指示的值的这样的偏差是不可避免的。
在本文中，术语“包括(comprises)”及其衍生词(例如，“包括(comprising)”等)不应在排除的意义上被理解，也就是说，这些术语不应被解释为排除所描述和定义的内容可能包括另外的元件、步骤等的可能性。
另一方面，本发明明显不限于这里所述的特定实施例，而是还包括可能被本领域的任何技术人员考虑的在如所附权利要求中限定的本发明的一般范围内的任何变化(例如，关于材料、尺寸、部件、配置等的选择)。

Claims (18)

1.一种衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，包括具有第一表面(102，202，302，402)和与所述第一表面(102，202，302，402)相对的第二表面(103，203，303，403)的光波导(101，201，301，401)，所述光波导(101，201，301，401)具有在所述第一表面和所述第二表面之一上的光栅(110，210，310，410)，
其特征在于，所述衍射光栅耦合器(100，200，300，400)还包括沉积在所述光波导(101，201，301，401)上并连接到所述光波导(101，201，301，401)的软聚合物膜(120，220，320，420)，所述软聚合物膜(120，220，320，420)部分地围绕所述光波导(101，201，301，401)并使得所述光波导(101，201，301，401)的所述第一表面和所述第二表面之一敞开，因而所述衍射光栅耦合器(100，200，300，400)因而可被安装在样本(230，330，430)上，并通过将所述软聚合物膜(120，220，320，420)连接到所述样本(230，330，430)而被暂时粘附到所述样本(230，330，430)上。
2.如权利要求1所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述软聚合物膜由聚(二甲基硅氧烷)制成。
3.如权利要求1或2所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中当所述衍射光栅耦合器被安装在所述样本(230，330，430)上时，在所述衍射光栅耦合器(100，200，300，400)和所述样本(230，330，430)之间没有气隙。
4.如任何前述权利要求所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述光栅(110，210，310，410)包括多个脊(112，212，312，412)，所述脊(112，212，312，412)能够根据光的入射角来可控制。
5.如权利要求4所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述脊(112，212，312，412)具有直线形状。
6.如权利要求4或5所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述光栅(110，210，310，410)的特征在于：所述脊(112，212，312，412)的折射率、所述脊(112，212，312，412)之间的间隙的折射率、其厚度、所述脊的轮廓及其周期。
7.如权利要求6所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述光栅(110，210，310，410)被设计成使得其周期满足用于至少一个TE传播模和一个TM传播模的激发的相位匹配条件。
8.如任何前述权利要求所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述光波导(101，201，301，401)包括至少一层。
9.如任何前述权利要求所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述光波导(101，201，301，401)是平面波导。
10.如任何前述权利要求所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述光波导(101，201，301，401)由至少一种硬光学材料制成。
11.如任何前述权利要求所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述光波导(101，201，301，401)以其折射率和其厚度为特征。
12.如任何前述权利要求所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述光栅(110，210，310，410)被蚀刻到所述光波导(101，201，301，401)。
13.如权利要求12所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)，其中所述光栅(110，210，310，410)由与制造所述波导(101，201，301，401)的层的材料不同的材料制成，其中所述光栅(110，210，310，410)被蚀刻到所述波导(101，201，301，401)。
14.一种用于特征化样本的系统，包括：
根据任何前述权利要求的衍射光栅耦合器(200，300，400)；
利用所述衍射光栅耦合器(200，300，400)的软聚合物膜(220，320，420)被安装到所述衍射光栅耦合器(200，300，400)的样本(230，330，430)、以及
用于照亮所述衍射光栅耦合器(100，200，300，400)的光源，
其中所述衍射光栅耦合器(200，300，400)被配置成将来自所述光源的光耦合到所述样本(230，330，430)，从而在被包括在所述衍射光栅耦合器(200，300，400)内的波导(201，301，401)中激发至少一个波导模。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述样本(230，330，430)是块体材料或沉积在衬底上的薄膜材料或沉积在衬底上的薄膜叠层。
16.权利要求1到13的任何一项所述的衍射光栅耦合器(100，200，300，400)的用途，用于测量样本的折射率，其中所述样本是块体材料或沉积在衬底上的薄膜材料或沉积在衬底上的薄膜叠层。
17.一种特征化样本的方法，包括下列步骤：
通过使所述衍射光栅耦合器(200，300，400)的软聚合物膜(220，320，420)压住样本(230，330，430)来将根据权利要求1到13中的任何一项所述的衍射光栅耦合器(200，300，400)安装到所述样本(230，330，430)上；
通过使用从激光器发射的光束照亮所述衍射光栅耦合器(200，300，400)来在被包括在所述衍射光栅耦合器(200，300，400)内的波导(201，301，401)中激发至少一个波导模；
使被发射的光束的入射角扫到所述衍射光栅耦合器(200，300，400)上；
记录所述波导模的激发角；
使用建模技术计算所述样本的参数。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述样本(230，330，430)是块体材料或沉积在衬底上的薄膜材料或沉积在衬底上的薄膜叠层。
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