CN204028397U - 一种基于水平狭缝光波导的微盘谐振腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于水平狭缝光波导的微盘谐振腔，属于集成型光传感领域，包括一个圆形微盘，所述微盘沿轴向方向由半导体薄膜甲与半导体薄膜乙交替层叠组成，所述半导体薄膜甲位于外层，所述半导体薄膜甲与半导体薄膜乙同心设置，所述半导体薄膜乙被从边缘处向内腐蚀进去一部分，形成由多层悬空薄膜构成的微盘谐振腔。本实用新型提供的微盘谐振腔由低传输损耗的狭缝波导组成，既具有将光限制在低折射率材料中的特性，也具有较高的品质因子，可用来制作高灵敏度的生物或化学传感器。

Description

一种基于水平狭缝光波导的微盘谐振腔

技术领域

本实用新型属于集成型光传感领域，特别是涉及一种基于水平狭缝光波导的微盘谐振腔。

背景技术

在21世纪，生物传感器技术在国民经济中的临床诊断、工业控制、食品和药物分析(包括生物药物研究开发)、环境保护以及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景。有机构分析表明，生物传感器的全球市场价值在近几年将飞速发展，达到与光通信市场相当。与电学或微机械式传感器相比，光学生物传感器在检测方式、检测精度、响应时间、稳定性等方面具有很大的优势。其中，集成型光学传感器，以及相应芯片实验室（lab-on-a-chip），尤其受到研究者和投资家们的关注。特别是采用微型光学谐振结构的高度集成传感器，它们具有价格便宜、所需被测样品体积小、能方便的与其它功能器件集成等特点。

狭缝波导是一种近几年提出的新型波导结构（如图1所示），它通常由两个高折射率矩形1，以及其中的一个狭缝2组成。由于电场的不连续性，该种波导的可以将大部分光场限制在狭缝中，如图2所示。而该狭缝2与外界上包层3相连通，因此如果外界材料性质（如：折射率）发生变化，将对光场产生比普通波导更显著的影响。由图1中的单狭缝波导衍生而来的多狭缝波导（如图3所示）能够进一步提高光场在狭缝中的比例。结合单或者多狭缝波导和微型光学谐振腔，理论上可以实现灵敏度更高的生物或化学传感器。

但是，由于图1或图3中的传统狭缝波导通常采用光刻和干法刻蚀制成，狭缝的两个侧壁比较粗糙，而狭缝处又正是光场峰值位置所在，造成传输损耗较大，并且由其构成的光学谐振腔品质因子也较低。因此，基于该结构的传感器灵敏度相对于传统光波导结构来说没有显著提高。上述问题，亟待解决。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于水平狭缝光波导的微盘谐振腔。该方法利用湿法腐蚀的高选择比，来制作具有光滑表面的水平狭缝光波导，以保持该种波导可以将光限制在低折射率材料中的特性，同时解决传统狭缝光波导的高传输损耗问题，并进一步结合中央柱支撑形式的微盘结构，可构成具有高品质因子的光学谐振腔，该器件有助于实现高灵敏度生物或化学集成传感器。

一种基于水平狭缝光波导的微盘谐振腔，包括一个圆形微盘，所述微盘沿轴向方向由半导体薄膜甲与半导体薄膜乙交替层叠组成，所述半导体薄膜甲位于外层，所述半导体薄膜甲与半导体薄膜乙同心设置，所述半导体薄膜乙被从边缘处向内腐蚀进去一部分，形成由多层半导体薄膜甲悬空构成的微盘谐振腔。

为了获得更好的技术效果，进一步的技术改进在于，所述半导体薄膜甲与所述半导体薄膜乙的直径均为1μm~100μm。

为了获得更好的技术效果，进一步的技术改进在于，所述半导体薄膜甲与半导体薄膜乙的厚度均为10nm~1μm，所述半导体薄膜乙沿径向被腐蚀的宽度为10nm~1μm。

基于水平狭缝光波导的微盘谐振腔的制作方法，包括以下步骤：a）将由In, Al, Ga, As, P元素按照不同成分比例组成的化合物半导体薄膜甲与半导体薄膜乙交替叠放，通过传统外延、沉积或者键合方法使所述薄膜甲与所述薄膜乙交替生长；b)通过使用光刻和干法刻蚀工艺将所述半导体薄膜甲与所述半导体薄膜乙制作成圆形微盘；c)选择合适的化学腐蚀液，利用湿法腐蚀工艺，从所述圆形微盘的边缘处向内对所述半导体薄膜甲或所述半导体薄膜乙进行腐蚀，形成一种通过中心柱状结构支撑的，边缘处由多层悬空薄膜组成的微盘谐振腔。

本实用新型的有益效果是：1．本实用新型提供的方法可以方便的实现表面光滑的狭缝光波导，可有效解决传统狭缝波导传输损耗大的问题。

2．本实用新型提供的方法是利用低成本的湿法腐蚀来制作关键的狭缝波导，因此工艺步骤简单，设备投资低。

3．本实用新型提供的微盘谐振腔由上述低传输损耗的狭缝波导组成，既具有将光限制在低折射率材料中的特性，也具有较高的品质因子，可用来制作高灵敏度的生物或化学传感器。 

附图说明

图1 传统的单狭缝波导结构。

图2传统的单狭缝波导结构基模电场分布。

图3传统的多狭缝波导结构。

图4 本实用新型的实施例步骤a。

图5 本实用新型的实施例步骤b。

图6 本实用新型的实施例步骤c，以及基于单水平狭缝光波导的微盘谐振腔。

图7本实用新型的基于单水平狭缝光波导的微盘谐振腔的基模电场分布。

图8本实用新型的基于多水平狭缝光波导的微盘谐振腔。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1如图4所示，将由In, Al, Ga, As, P元素按照不同成分比例组成的化合物半导体薄膜甲4与半导体薄膜乙5，生长于衬底6之上，其中半导体薄膜乙5被夹在半导体薄膜甲4之间。生长方式通常采用分子束外延或者金属有机物化学沉积或者键合等工艺，半导体薄膜甲4和半导体薄膜乙5的厚度为10nm。

如图5所示，将半导体薄膜甲4和半导体薄膜乙5通过光刻和干法刻蚀等工艺制作成圆形微盘，这样的工艺保证了圆形微盘侧壁的垂直度，圆形微盘的直径为100um。

如图6所示，通过湿法腐蚀将半导体薄膜乙5从侧壁逐渐向内腐蚀，由于各种元素的比例不同，因此在对半导体薄膜甲4和半导体薄膜乙5进行湿法腐蚀时，腐蚀速率有显著的差别，也就是选择比很大，通过控制腐蚀时间，保证半导体薄膜乙5没有完全被腐蚀掉，半导体薄膜乙5沿径向被腐蚀掉的宽度为1μm。这样使得在圆盘中心留有一部分支撑，保证整个微盘结构不会坍塌。在微盘的边缘处形成由半导体薄膜甲4构成的两片悬空薄膜结构，即为水平方向的单狭缝波导。这种方法制作的狭缝界面非常光滑，可以达到原子量级，制作的波导损耗小。

如图7所示为水平方向的单狭缝波导在微盘谐振腔中的谐振模式电场分布。在微盘谐振腔的作用下，光场被限制在微盘的边缘，即由半导体薄膜甲4构成的水平单狭缝波导处，而被侧向腐蚀进去由半导体薄膜甲5与光场没有重叠，因此不会对谐振腔的光学模式的性质有任何影响。

如图8所示，半导体薄膜甲4和半导体薄膜乙5在步骤一（如图4所示）的薄膜生长时，可重复多次，形成多层交叠结构。步骤二（如图5所示）和步骤三（如图6所示）的工艺与前述类似。最终形成一个微盘谐振腔，其边缘处为半导体薄膜甲4构成的多层悬空薄膜，形成水平方向的多狭缝波导。

实施例2半导体薄膜甲4和半导体薄膜乙5的厚度为1um，圆盘的直径为1um，半导体薄膜乙5沿径向被腐蚀掉的宽度为1μm，其它技术特征同实施例1。

以上列举的仅为本实用新型的具体实施例，显然，本实用新型不限于以上的实施例。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于水平狭缝光波导的微盘谐振腔，其特征在于：包括一个圆形微盘，所述圆形微盘沿轴向方向由半导体薄膜甲（4）与半导体薄膜乙（5）交替层叠组成，所述半导体薄膜甲（4）位于外层，所述半导体薄膜甲（4）与半导体薄膜乙（5）同心设置，所述半导体薄膜乙（5）被从边缘处向内腐蚀进去一部分，形成由多层半导体薄膜甲（4）悬空构成的微盘谐振腔。

2.根据权利要求1所述的一种基于水平狭缝光波导的微盘谐振腔，其特征在于：所述半导体薄膜甲（4）与所述半导体薄膜乙（5）的直径均为1μm~100μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于水平狭缝光波导的微盘谐振腔，其特征在于：所述半导体薄膜甲（4）与半导体薄膜乙（5）的厚度均为10nm~1μm，所述半导体薄膜乙（5）沿径向被腐蚀的宽度为10nm~1μm。