CN110780382A - 光学结构及其制作方法、光源系统、以及检测装置 - Google Patents

光学结构及其制作方法、光源系统、以及检测装置 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种光学结构及其制作方法、光源系统、以及检测装置，简化了光谱测试的基础结构及其制作方法。所述光学结构包括：用于传导光的光波导，所述光波导包括入光面和出光面；布置在所述光波导的出光面处的分色器件，所述分色器件配置为将来自所述光波导的光分离成多个单色光束；以及布置在所述分色器件的出光面处的多个单色光输出通道，所述多个单色光输出通道配置为输出来自所述分色器件的多个单色光束。

Description

光学结构及其制作方法、光源系统、以及检测装置
技术领域
本公开涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种光学结构及其制作方法、光源系统、以及检测装置。
背景技术
利用微流体对特定波长光的反射、透射、或吸收，可以实现物质标定或者定量分析。但是，现有光谱仪设备通常体积过大，只能在实验室中应用。因此，希望提供微型化的光谱仪、增加光谱仪的光谱范围、降低光谱仪的成本，从而增加光谱仪的使用范围。
发明内容
本公开提供了一种光学结构及其制作方法、光源系统、以及检测装置，简化了光谱测试的基础结构及其制作方法。
根据本公开的一个方面，提供了一种光学结构。所述光学结构包括：用于传导光的光波导，所述光波导包括入光面和出光面；布置在所述光波导的出光面处的分色器件，所述分色器件配置为将来自所述光波导的光分离成多个单色光束；以及布置在所述分色器件的出光面处的多个单色光输出通道，所述多个单色光输出通道配置为输出来自所述分色器件的多个单色光束。
可选地，在一些实施例中，所述光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道布置在同一层中。
可选地，在一些实施例中，每个单色光输出通道是子光波导。
可选地，在一些实施例中，所述光学结构还包括：设置在光波导上表面的上包层和/或设置在光波导下表面的下包层；所述上包层的折射率和所述下包层的折射率低于所述光波导的折射率。
可选地，在一些实施例中，所述光学结构包括设置在光波导下表面的下包层；所述下包层是基板；所述光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道布置在所述基板上。
可选地，在一些实施例中，所述光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道的材料相同。
可选地，在一些实施例中，所述分色器件是反射式闪耀光栅；所述反射式闪耀光栅的光栅面面对所述光波导的出光面。
可选地，在一些实施例中，所述光学结构还包括：布置在所述光栅面的外侧的反射层。
可选地，在一些实施例中，所述光波导的入光面设置有用于输入光的斜面或透射式光栅。
可选地，在一些实施例中，每个单色光输出通道的出光面设置有用于输出单色光束的网点或提取光栅。
根据本公开的另一方面，提供了一种光源系统。所述光源系统包括如以上任一实施例所述的光学结构以及光源；所述光源的出光面朝向所述光波导的入光面。
根据本公开的又一方面，提供了一种检测装置。所述检测装置包括如以上任一实施例所述的光学结构和与所述光学结构相对设置的检测结构；其中所述检测结构包括微流体通道和多个光传感单元；所述多个单色光输出通道布置在所述微流体通道的一侧；所述多个光传感单元布置在所述微流体通道的与所述多个单色光输出通道相反的一侧；每个光传感单元的光接收面面对一个单色光输出通道的出光面。
可选地，在一些实施例中，所述检测结构进一步包括第二基板，所述多个光传感单元和所述微流体通道布置在所述第二基板上。
可选地，在一些实施例中，所述光波导、分色器件、多个单色光输出通道、微流体通道、以及多个光传感单元布置在同一基板上。
根据本公开的另一方面，提供了一种光学结构的制作方法。所述方法包括：形成用于传导光的光波导，所述光波导包括入光面和出光面；在所述光波导的出光面处形成分色器件，所述分色器件配置为将来自所述光波导的光分离成多个单色光束；以及在所述分色器件的出光面处形成多个单色光输出通道，所述多个单色光输出通道配置为输出来自所述分色器件的多个单色光束；其中，所述光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道布置在同一层中。
可选地，在一些实施例中，所述方法还包括：形成上包层和/或下包层；所述上包层设置在所述光波导层的上表面，所述下包层设置在所述光波导层的下表面，所述上包层的折射率和所述下包层的折射率小于所述光波导的折射率。
可选地，在一些实施例中，所述形成下包层的步骤包括：提供基板；所述形成光波导、分色器件以及多个单色光输出通道的步骤包括：在所述基板上形成第一材料层，对所述第一材料层进行一次图案化工艺以形成所述光波导、分色器件以及多个单色光输出通道。
可选地，在一些实施例中，在所述光波导的出光面处形成分色器件的步骤包括：利用纳米压印工艺形成反射式闪耀光栅，所述反射式闪耀光栅的光栅面面对所述光波导的出光面。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本公开实施例的光学结构的俯视图；
图2为如图1所示的光学结构沿A-A′线的剖视图；
图3为根据本公开另一实施例的光学结构的俯视图；
图4为根据本公开实施例的单色光输出通道的局部结构示意图；
图5为根据本公开另一实施例的指纹识别装置的剖视图；
图6为根据本公开实施例的检测装置的剖视图；
图7为图6所示实施例中的检测结构的俯视图；
图8为根据本公开另一实施例的检测结构的俯视图；
图9a-9c为根据本公开实施例的光学结构的制作方法的各步骤的结构示意图；以及
图10a-10g为根据本公开另一实施例的光学结构的制作方法的各步骤的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
根据本公开的一个方面，提供了一种光学结构。如图1和图2所示，所述光学结构100包括：用于传导光(如图1中的箭头10所示)的光波导101，所述光波导包括入光面1011和出光面1012；布置在所述光波导101的出光面1012处的分色器件102，所述分色器件102配置为将来自所述光波导101的光分离成多个单色光束；以及布置在所述分色器件的出光面处的多个单色光输出通道103，所述多个单色光输出通道103配置为输出来自所述分色器件102的多个单色光束；其中，所述光波导101、分色器件102、以及多个单色光输出通道103布置在同一层中。
在本公开的实施例中，光学结构包括布置在同一层中的光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道，简化了光谱测试的基础结构及其制作方法。本公开实施例所述的光学结构可以应用于物理、化学、生物、医学、农学等领域，用于物质分析或者分子分析。
在本公开的上下文中，两个或多个物体“布置在同一层中”指的是该两个或多个物体设置在同一表面上或位于同一层中。在本公开的一些实施例中，两个或多个物体“布置在同一层中”也指示该两个或多个物体由同一层材料(例如但不限于，经由图案化工艺)来形成。
因此，在一些实施例中，如图2和图6所示，所述光波导101、分色器件102、以及多个单色光输出通道103布置在同一层中。可替换地，所述光波导101、分色器件102、以及多个单色光输出通道103位于同一表面上或位于同一层中。可替换地，所述光波导101、分色器件102、以及多个单色光输出通道103由同一层材料形成。
可选地，在一些实施例中，如图1-6和图8所示，每个单色光输出通道是子光波导。
可选地，在一些实施例中，如图2所示，所述光学结构100还包括：设置在光波导101上表面的上包层104和/或设置在光波导101下表面的下包层105；所述上包层104的折射率和所述下包层105的折射率低于所述光波导101的折射率。
根据全内反射的原理，通过布置上包层和/或下包层，进入光波导的光能够被更有效地限制在光波导中。由此，提高了光利用率。此外，所述上包层和下包层还能充当保护层，避免所述光波导的损坏。
可选地，在一些实施例中，如图1和图2所示，所述光学结构100包括设置在光波导101下表面的下包层105；所述下包层105是基板；所述光波导101、分色器件102、以及多个单色光输出通道103布置在所述基板上。
利用上述布置，可以使用例如图案化工艺，将布置在基板上的材料层图案化，从而获得光波导、分色器件和多个单色光输出通道。由此，进一步简化了光谱测试的基础结构及其制作方法。
可选地，在一些实施例中，所述光波导101、分色器件102、以及多个单色光输出通道103的材料相同。
在一些实施例中，所述光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道是利用同一种材料形成的。例如，可以在玻璃基板或SiO2基板上使用氮化硅(SiNx)来制作光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道。具体地，可以在玻璃基板上形成一层氮化硅，然后利用图案化工艺将该层氮化硅图案化，从而获得如图1所示的光波导101、分色器件102、以及多个单色光输出通道103。由于玻璃的折射率约为1.52，氮化硅的折射率约为1.9，因此光束能够被有效地限制在光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道中。由此，进一步简化了光谱测试的基础结构及其制作方法。
可选地，在一些实施例中，如图1所示，所述分色器件102是反射式闪耀光栅；所述反射式闪耀光栅的光栅面1021面对所述光波导的出光面1012。
利用上述布置，来自光波导的光入射到所述光栅面。所述光栅面将来自光波导的光分离为多个单色光束。如图1所示，多个不同的线型表示多个具有不同波长的单色光束。在图1所示的实施例中，所述反射式闪耀光栅的入光面和出光面是相邻的。所述反射式闪耀光栅的入光面与所述光波导101的出光面1012耦合，所述反射式闪耀光栅的出光面与所述多个单色光输出通道103的入光面耦合。上述布置形式仅仅是一个实施例，并不限定本发明。例如，可以根据实际需要来调整所述反射式闪耀光栅的入光面和出光面的位置。
可替换地，所述分色器件还可以是全息光栅。全息光栅可以对应不同的入光角度和位置进行设计和优化，获得不同参数的光栅。可替换地，所述分色器件还可以是线性渐变滤光片等元件。所述分色器件的出光面布置为使得分离的多个单色光束耦合到所述多个单色光输出通道103。
可选地，在一些实施例中，如图1和图2所示，所述光学结构100还包括：布置在所述光栅面1021的外侧的反射层106。
利用上述布置，进一步提高了反射式闪耀光栅的光利用率。可以利用例如溅射工艺在所述光栅面1021的外侧形成反射层106。所述反射层106的材料可以是铝、银等反射材料。
可选地，在一些实施例中，如图1所示，所述光波导101的入光面1011设置有用于输入光的透射式光栅107。可以使用例如纳米压印工艺来制作所述透射式光栅107，从而增加入射光的色散，进一步增强所述分色器件102的分色效果。在一些实施例中，如图3所示，所述光波导101的入光面1011设置有用于输入光的斜面。可以根据入射光的方向和光源的位置来设计所述斜面，使得入射光以希望的角度进入所述光波导101。
可选地，在一些实施例中，如图4所示，每个单色光输出通道103的出光面1031设置有用于输出单色光束的网点1032或提取光栅1033。在图4的实施例中，利用网点1032或提取光栅1033，能够从位于单色光输出通道103底部的出光面1031提取单色光束，即，提取的单色光束是朝向下包层105出射的。可替换地，还可以在每个单色光输出通道的出光面布置斜面，使得单色光束以希望的方向离开所述单色光输出通道103。
根据本公开的另一方面，提供了一种光源系统。如图5所示，所述光源系统200包括如以上任一实施例所述的光学结构。
所述光源系统可以用作微型光谱仪的光源，从而有效地减小微型光谱仪的厚度和体积。此外，可以基于玻璃基板和图案化工艺来制作所述光源系统，因此可以利用图案化工艺来制备具有期望的参数的光源系统，进一步改进光源系统的兼容性。
可选地，在一些实施例中，如图5所示，所述光源系统200还包括光源201；所述光源201的出光面朝向所述光波导101的入光面1011。
所述光源201可以是发光二极管，或者是由多个发光二极管(或激光二极管)构成的复合光源，从而为所述光学结构提供具有一定光谱范围的复色光。本领域技术人员能够理解，所述光源系统200还可以利用日光或环境光作为入射光，从而经由所述光学结构获得多个单色光束。
根据本公开的又一方面，提供了一种检测装置。如图6所示，所述检测装置300包括如以上任一实施例所述的光学结构100和与所述光学结构相对设置的检测结构150。在图6的实施例中，所述光学结构100采用的是图1和图2所示的布置方式，但本公开中的光学结构并不局限于此。如图6和图7所示，所述检测结构150包括微流体通道151和多个光传感单元152；所述多个单色光输出通道103布置在所述微流体通道151的一侧；所述多个光传感单元152布置在所述微流体通道151的与所述多个单色光输出通道103相反的一侧；每个光传感单元152的光接收面1521面对一个单色光输出通道103的出光面1031。
在一些实施例中，所述多个光传感单元152与所述多个单色光输出通道103一一对应。每个光传感单元152可以包括一个或多个光传感器。每个单色光输出通道103输出的单色光束在穿过所述微流体通道151之后，该单色光束的强度或波长将发生变化。利用与单色光输出通道103对应的光传感单元152，能够获得单色光束的变化信息，从而获得光谱测量结果。
可选地，在一些实施例中，如图6和图7所示，所述检测结构150进一步包括第二基板153，所述多个光传感单元152和所述微流体通道151布置在所述第二基板上。
在图6和图7所示的实施例中，光学结构100和检测结构150是层叠布置的，因此图6中所示的多个光传感单元152布置在所述微流体通道151的下方。可替换地，光学结构100和检测结构150也可以布置在基板的同一侧。例如，在一些实施例中，如图8所示，光波导101、分色器件102、多个单色光输出通道103、微流体通道151和多个光传感单元152都布置在基板108的同一侧。
此外，在图8所示的实施例中，所述光波导101、分色器件102、多个单色光输出通道103、微流体通道151和多个光传感单元152可以同一基板上，优选地布置在同一层中。例如，可以使用例如图案化工艺，在基板108的表面形成光波导101、分色器件102、多个单色光输出通道103和微流体通道151的图案，然后将多个光传感单元152布置在微流体通道151的一侧。其中，微流体通道151的图案包括两个平行的墙体和所述两个墙体之间的凹槽。在微流体通道151的内部(即，所述凹槽的表面)可以布置疏水层或亲水层，使微流体在微流体通道151内根据需要流动或者短暂滞留。例如特氟龙-AF疏水层可以使微流体尽可能不粘附在微流体通道内，增强微流体的流动性。
根据本公开的另一方面，提供了一种光学结构的制作方法。所述方法包括：形成用于传导光的光波导，所述光波导包括入光面和出光面；在所述光波导的出光面处形成分色器件，所述分色器件配置为将来自所述光波导的光分离成多个单色光束；以及在所述分色器件的出光面处形成多个单色光输出通道，所述多个单色光输出通道配置为输出来自所述分色器件的多个单色光束；其中，所述光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道布置在同一层中。
在本公开的实施例中，光学结构包括布置在同一层中的光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道，简化了光谱测试的基础结构及其制作方法。本公开实施例所述的光学结构可以应用于物理、化学、生物、医学、农学等领域，用于物质分析或者分子分析。
例如，基板可以是0.5-0.7mm厚、长宽分别为10mm*10mm的玻璃基板。因此可以借助于图案化工艺，在尺寸约为10mm*10mm的玻璃基板上实现微型光谱仪。
可选地，在一些实施例中，所述方法还包括：形成上包层和/或下包层；所述上包层设置在所述光波导层的上表面，所述下包层设置在所述光波导层的下表面，所述上包层的折射率和所述下包层的折射率小于所述光波导的折射率。
根据全内反射的原理，通过布置上包层和/或下包层，进入光波导的光能够被更有效地限制在光波导中。由此，提高了光利用率。此外，所述上包层和下包层还能充当保护层，避免所述光波导的损坏。
可选地，如图9a-9c所示，在一些实施例中，所述形成下包层的步骤包括：提供基板108(图9a)。所述形成光波导、分色器件以及多个单色光输出通道的步骤包括：在所述基板108上形成第一材料层109(图9b)，对所述第一材料层109进行一次图案化工艺以形成所述光波导101、分色器件102以及多个单色光输出通道103(图9c)。
例如，基板108是玻璃基板。第一材料层109的材料可以是氮化硅。可以在基板108的表面沉积氮化硅，在氮化硅的表面沉积用于硬掩模(hard mask)的铝层110，然后旋涂光刻胶111(如图10a所示)。
用电子束直写光刻(electron beam direct-write lithography，EBL)或者纳米压印(nanoimprint，NIP)的方式在光刻胶上压出对应于光波导101、分色器件102(例如反射式闪耀光栅)以及多个单色光输出通道103的图案。用湿法刻蚀刻出硬掩模，再用干法刻蚀(例如，inductively coupled plasma，ICP或reactive ion etching，RIE)的方法刻蚀出光波导101、分色器件102以及多个单色光输出通道103(如图10b所示)。
为了获得理想的光栅轮廓(例如，更加陡峭的侧面)，可以进一步采用数字曝光工艺对需要深刻蚀的区域(即光栅的周边区域)进行曝光，由此在光栅的周边区域形成深沟道。可以使用铝层110作为硬掩模，并在基板上形成光刻胶图案112(如图10c所示)。利用光刻工艺，在光栅的周边区域形成深沟道113。然后去除铝层110(如图10d所示)。
为了获得更高的光利用率，可以在反射式闪耀光栅的光栅面的外侧沉积一金属反射层106(如图10e所示)。所述金属反射层的材料可以是铝或银。沉积在其他区域上的金属反射层106可以利用例如光刻工艺移除(如图10f所示)。
进一步的，可以在光波导101的上表面旋涂具有较低折射率的树脂104。所述树脂104可以进一步覆盖所述光波导的入光面1011。所述树脂104还可以在所述光波导的入光面1011的位置形成斜面，从而提高光的输入效率(如图10g所示)。
可选地，在一些实施例中，在所述光波导的出光面处形成分色器件的步骤包括：利用纳米压印工艺形成反射式闪耀光栅，所述反射式闪耀光栅的光栅面面对所述光波导的出光面。
利用纳米压印工艺，能够减少了成本，并提高分色器件的精度和性能。
根据本公开的实施例提供的光学结构及其制作方法、光源系统、以及检测装置，光学结构包括布置在同一层中的光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道，简化了光谱测试的基础结构及其制作方法。本公开实施例所述的光学结构可以应用于物理、化学、生物、医学、农学等领域，用于物质分析或者分子分析。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种光学结构，包括：
用于传导光的光波导，所述光波导包括入光面和出光面；
布置在所述光波导的出光面处的分色器件，所述分色器件配置为将来自所述光波导的光分离成多个单色光束；以及
布置在所述分色器件的出光面处的多个单色光输出通道，所述多个单色光输出通道配置为输出来自所述分色器件的多个单色光束。
2.如权利要求1所述的光学结构，其中，所述光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道布置在同一层中。
3.如权利要求1所述的光学结构，其中，每个单色光输出通道是子光波导。
4.如权利要求1所述的光学结构，还包括：设置在光波导上表面的上包层和/或设置在光波导下表面的下包层；所述上包层的折射率和所述下包层的折射率低于所述光波导的折射率。
5.如权利要求4所述的光学结构，其中，所述光学结构包括设置在光波导下表面的下包层；所述下包层是基板；所述光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道布置在所述基板上。
6.如权利要求1-5任一项所述的光学结构，其中，所述光波导、分色器件、以及多个单色光输出通道的材料相同。
7.如权利要求1-5任一项所述的光学结构，其中，所述分色器件是反射式闪耀光栅；所述反射式闪耀光栅的光栅面面对所述光波导的出光面。
8.如权利要求7所述的光学结构，还包括：布置在所述光栅面的外侧的反射层。
9.如权利要求1-5任一项所述的光学结构，其中，所述光波导的入光面设置有用于输入光的斜面或透射式光栅。
10.如权利要求1-5任一项所述的光学结构，其中，每个单色光输出通道的出光面设置有用于输出单色光束的网点或提取光栅。
11.一种光源系统，包括如权利要求1-10任一项所述的光学结构以及光源；其中，所述光源的出光面朝向所述光波导的入光面。
12.一种检测装置，包括如权利要求1-10任一项所述的光学结构和与所述光学结构相对设置的检测结构；其中所述检测结构包括微流体通道和多个光传感单元；所述多个单色光输出通道布置在所述微流体通道的一侧；所述多个光传感单元布置在所述微流体通道的与所述多个单色光输出通道相反的一侧；每个光传感单元的光接收面面对一个单色光输出通道的出光面。
13.根据权利要求12所述的检测装置，其中，所述检测结构进一步包括第二基板，所述多个光传感单元和所述微流体通道布置在所述第二基板上。
14.根据权利要求12所述的检测装置，其中，所述光波导、分色器件、多个单色光输出通道、微流体通道、以及多个光传感单元布置在同一基板上。
15.一种光学结构的制作方法，包括：
形成用于传导光的光波导，所述光波导包括入光面和出光面；
在所述光波导的出光面处形成分色器件，所述分色器件配置为将来自所述光波导的光分离成多个单色光束；以及
在所述分色器件的出光面处形成多个单色光输出通道，所述多个单色光输出通道配置为输出来自所述分色器件的多个单色光束。
16.如权利要求15所述的方法，还包括：形成上包层和/或下包层；所述上包层设置在所述光波导层的上表面，所述下包层设置在所述光波导层的下表面，所述上包层的折射率和所述下包层的折射率小于所述光波导的折射率。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述形成下包层的步骤包括：提供基板；
所述形成光波导、分色器件以及多个单色光输出通道的步骤包括：在所述基板上形成第一材料层，对所述第一材料层进行一次图案化工艺以形成所述光波导、分色器件以及多个单色光输出通道。
18.如权利要求15所述的方法，其中，在所述光波导的出光面处形成分色器件的步骤包括：
利用纳米压印工艺形成反射式闪耀光栅，所述反射式闪耀光栅的光栅面面对所述光波导的出光面。
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