專利名稱：衍射光柵耦合器、系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)器件，尤其是涉及衍射光柵耦合器。 現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)光柵頻繁地用于波導(dǎo)模的平面外(out-of-plane)激發(fā)。耦合光于是可用于 各種目的，例如沿著波導(dǎo)傳送電磁能或用于通過(guò)所謂的m-線方法特征化薄膜。波導(dǎo)模的激 發(fā)根據(jù)包括衍射結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的參數(shù)出現(xiàn)在非常特定的入射角處。利用可安裝的棱鏡耦合器對(duì)嵌入波導(dǎo)中或安裝在其上的衍射光柵執(zhí)行波導(dǎo)模的 平面外激發(fā)的不同方法已經(jīng)由例如R. Ulrich等人在“利用棱鏡耦合器對(duì)薄膜參數(shù)進(jìn)行測(cè) 量(Measurement of Thin Film Parameters with a Prism Coupler)，，(Appl. Opt. 12， 2901-2908(1973)或S. Mormeret等人在“m_線技術(shù)棱鏡耦合測(cè)量和對(duì)均勻波導(dǎo)的精 石角度的討論(m-lines technique :prism coupling measurements and discussion of accuracy forhomogeneous waveguides)，，(J. Opt. A2，188-195 (2000))中公幵。棱鏡耦合器盡管有其可靠性和效率，但具有幾個(gè)缺點(diǎn)棱鏡的折射率必須高于激 發(fā)模的有效傳播指數(shù)。由于這個(gè)因素，不允許將棱鏡用于將光耦合到由具有高折射率的材 料制成的波導(dǎo)中。此外，棱鏡體積大。一個(gè)棱鏡可用于依次與很多芯片協(xié)作，但對(duì)于批量制 造，將幾個(gè)棱鏡集成在小尺寸的每個(gè)芯片上是不實(shí)際的。衍射光柵耦合器(DGC)的一般長(zhǎng)度不超過(guò)100 μ m,這提供了將很多DGC集成在幾 平方毫米的小面積內(nèi)的能力。波導(dǎo)模在淺(具有幾十納米的深度)光柵上的激發(fā)出現(xiàn)在非 常窄范圍的入射角內(nèi)。激發(fā)角可響應(yīng)波導(dǎo)或覆層的折射率的10_2變化而改變大于10—1度。 這個(gè)特性有效地用在傳感器中并可應(yīng)用于波導(dǎo)特征化?？梢匀缤谟糜诶忡R耦合的Π1-線 方法中那樣，執(zhí)行對(duì)波導(dǎo)的復(fù)折射率和厚度的確定。高質(zhì)量的衍射光柵耦合器的主要問(wèn)題是其制造的復(fù)雜性，例如高精度、亞微米分 辨率光刻術(shù)、每個(gè)光柵的特征化、將具有亞微米周期的波紋與光波線路制造在同一樣本上 的技術(shù)兼容性。這些問(wèn)題提高了成本并使制造具有嵌入式光柵的波導(dǎo)變得復(fù)雜化。在每 個(gè)樣本上的制造波紋-特別是僅對(duì)于特征化-是非常昂貴和艱巨的。此外，一旦被制造， 光柵就不能從波導(dǎo)移除。另外，衍射光柵通常擁有低耦合效率，除非應(yīng)用復(fù)雜的波紋形狀 或多層結(jié)構(gòu)，這對(duì)于嵌入波導(dǎo)中的光柵是難以實(shí)現(xiàn)的。R. Orobtchouk等人在“在亞微米硅 β ' Φ^-^Φ^1 ^ ! ^ (High-efficiency light coupling in asub-micrometric silicon-on-insulator waveguide) ” (Appl. Opt. 39，5773-5777 (2000))、S. Ura 等人在“效 率加強(qiáng)的三階光柵耦合器(Efficiency enhanced third order grating coupler) ”(Appl. Opt. 38，3003-3007 (1999))以及N. Destouches等人在“在共振光柵的_1階中所測(cè) 量的 99 % 的效率(99 % efficiency measured in the-lst order of a resonant grating) " (Opt. Express 13,3230-3235(2005))中報(bào)導(dǎo)了一些嘗試。另一方面，PDMS-粘彈性彈性硅廣泛用于軟光刻并已應(yīng)用于光學(xué)器件的制造， 包括可伸長(zhǎng)的衍射光柵，如A. N. Simonov等人在“基于粘彈性可伸長(zhǎng)的光柵的光掃描儀(Light scanner based on a viscoelastic stretchable grating)” (Opt. Lett. 30, 949-951(2005))中所報(bào)導(dǎo)。純彈性體光柵最近由Kocabas等人在"使用彈性光柵耦合器的高折射率測(cè)量 (High-refractive-index measurement with an elastomeric grating coupler) “ (Opt. Lett. 30,3150-3152, (2005))中報(bào)導(dǎo)，其中公開了在表面上具有光柵結(jié)構(gòu)的彈性印記。這 樣的光柵避免了嵌入在集成光路(IOC)中的耦合器的制造。其制造方法如下液態(tài)聚二甲 基硅氧烷(PDMQ被灌注到由主光柵組成的模板上，該主光柵通過(guò)干涉光刻術(shù)制備在硅晶 片上。將拋光的晶片放置在頂表面上。在使液態(tài)PDMS固化之后，從硅表面剝?nèi)椥怨鈻庞?記。所報(bào)導(dǎo)的技術(shù)用于測(cè)量絕緣體上硅(SOI)平面波導(dǎo)的高折射率，并允許彈性印記被移 除而不損壞波導(dǎo)的表面。然而，該方法具有聚合物的彈性所固有的缺點(diǎn)，如Y. Xia等人在“軟光刻術(shù) (SoftLithography) ” (Angew Chem. Int. Ed. 37,550-575(1998)中報(bào)導(dǎo)的波紋的周期可能 由于幾個(gè)因素(例如熱收縮、橫向塌陷和其它因素)而變形。作為結(jié)果，光柵必須足夠厚以 避免波紋的塌陷。另一缺點(diǎn)是彈性體的折射率是固定的和低的。因此，如果光柵被設(shè)計(jì)成 用于波導(dǎo)內(nèi)或外的光耦合，將出現(xiàn)耦合器的相對(duì)長(zhǎng)的激發(fā)長(zhǎng)度，特別是對(duì)模的高的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖利用一種衍射光柵耦合器來(lái)解決上面提到的問(wèn)題，該衍射光柵耦合器 具有由硬光學(xué)材料制造的波導(dǎo)，具有光柵和軟聚合物部分(該部分旨在將該波導(dǎo)連接或安 裝到待測(cè)量或特征化的襯底或樣本)。因此，根據(jù)本發(fā)明，彈性體僅用于安裝目的。本發(fā)明 的器件和方法確保IOC與被分開制造的衍射光柵耦合器的良好和可再現(xiàn)的接觸。波導(dǎo)和光 柵可被特別設(shè)計(jì)、批量制造、固定在軟聚合物膜(例如，聚二甲基硅氧烷)上、被仔細(xì)地特征 化并接著被安裝到待特征化的襯底或樣本上。本發(fā)明的一個(gè)方面涉及衍射光柵耦合器，其包括具有第一表面和與所述第一表面 相對(duì)的第二表面的光波導(dǎo)，所述光波導(dǎo)具有在所述表面之一上的光柵。它還包括沉積在所 述光波導(dǎo)上并連接到所述光波導(dǎo)的軟聚合物膜，所述軟聚合物膜部分地圍繞所述光波導(dǎo)并 使所述光波導(dǎo)的所述兩個(gè)表面之一敞開，衍射光柵耦合器因而可被安裝在樣本上并通過(guò)將 所述軟聚合物膜連接到樣本而被暫時(shí)粘附到所述樣本。軟聚合物膜優(yōu)選地由聚(二甲基硅氧烷)制成。優(yōu)選地，當(dāng)衍射光柵耦合器安裝在所述樣本上時(shí)，在所述衍射光柵耦合器和所述 樣本之間沒(méi)有氣隙。優(yōu)選地，所述光柵包括多個(gè)脊，所述脊能夠根據(jù)光的入射角來(lái)控制。所述脊優(yōu)選地 具有直線形狀。光柵優(yōu)選地以下列項(xiàng)為特征所述脊的折射率、所述脊之間的間隙的折射率、其厚 度、所述脊的輪廓及其周期。光柵優(yōu)選地設(shè)計(jì)成使得其周期滿足用于至少一個(gè)TE傳播模和 一個(gè)TM傳播模的激發(fā)的相位匹配條件。在特定的實(shí)施例中，光波導(dǎo)包括至少一層。該光波導(dǎo)可為平面波導(dǎo)。該光波導(dǎo)可 由至少一種硬光學(xué)材料制成。該光波導(dǎo)優(yōu)選地以其折射率和其厚度為特征。光柵優(yōu)選地被蝕刻到光波導(dǎo)。光柵優(yōu)選地由與制造所述光柵被蝕刻到的波導(dǎo)的層的材料不同的材料制成。在本發(fā)明的另一方面中，提供了用于特征化樣本的系統(tǒng)。它包括與前面提到的相 似的衍射光柵耦合器，利用所述衍射光柵耦合器的軟聚合物膜被安裝到所述衍射光柵耦合 器的樣本，以及用于照亮所述衍射光柵耦合器的光源，其中所述衍射光柵耦合器被配置成 將來(lái)自所述光源的光耦合到所述樣本，因而在被包括在所述衍射光柵耦合器內(nèi)的波導(dǎo)中激 發(fā)至少一個(gè)波導(dǎo)模。優(yōu)選地，樣本是塊體材料或沉積在襯底上的薄膜材料或沉積在襯底上的薄膜疊層。本發(fā)明還提供了已經(jīng)提到的衍射光柵耦合器的用途，用于測(cè)量樣本的折射率，其 中所述樣本是塊體材料或沉積在襯底上的薄膜材料或沉積在襯底上的薄膜疊層。本發(fā)明還涉及特征化樣本的方法，其包括下列步驟通過(guò)使衍射光柵耦合器的軟 聚合物膜壓住樣本來(lái)將所述衍射光柵耦合器安裝到所述樣本上；通過(guò)使用從激光器發(fā)射的 光束照亮所述衍射光柵耦合器來(lái)在被包括在所述衍射光柵耦合器內(nèi)的波導(dǎo)中激發(fā)至少一 個(gè)波導(dǎo)模；使所述被發(fā)射的光束的入射角掃到所述衍射光柵耦合器上；記錄波導(dǎo)模的激發(fā) 角；使用建模技術(shù)計(jì)算樣本的某些參數(shù)。優(yōu)選地，所述樣本是塊體材料或沉積在襯底上的薄 膜材料或沉積在襯底上的薄膜疊層。所提出的發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將在接下來(lái)的描述中變得明顯。附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明為了完成本說(shuō)明書并為了提供對(duì)本發(fā)明的更好的理解，提供了一組附圖。所述附 圖形成說(shuō)明書的整體部分并示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其不應(yīng)被解釋為限制本發(fā)明的范 圍，而僅僅作為本發(fā)明可如何被體現(xiàn)的例子。附圖包括下面的圖

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的衍射光柵耦合器的橫截面。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵耦合器的示例性實(shí)施例的橫截面視圖。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵耦合器的示例性實(shí)施例的橫截面視圖。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵耦合器的示例性實(shí)施例的橫截面視圖。圖如到證示出基于圖2的實(shí)驗(yàn)。圖6a到6d示出基于圖3的實(shí)驗(yàn)。圖7a到7f示出制造本發(fā)明的衍射光柵耦合器的例子。圖8示出用于探針特征化的設(shè)置的例子。圖9a到9c示出光柵探針的透射率與TE偏振的入射角的關(guān)系曲線(9a)，由通過(guò)探 針透射的光產(chǎn)生的斑點(diǎn)的圖像(％)和在實(shí)驗(yàn)中使用的結(jié)構(gòu)的橫截面視圖(9c)。圖IOa-IOc示出波導(dǎo)探針激發(fā)的實(shí)驗(yàn)以及在諧振和失諧時(shí)通過(guò)探針透射的光所 產(chǎn)生的斑點(diǎn)的圖像。圖IOd-IOg示出將圖IOa的耦合器安裝在玻璃襯底上的過(guò)程。示出了探針粘貼到 玻璃表面的進(jìn)程。圖11示出聚合物膜的例子。圖12示出使用所提出的混合DGC-PDMS系統(tǒng)將平面外光耦合到肋形波導(dǎo)中的示范。圖13示出在探針安裝及未安裝在氮化硅波導(dǎo)上的情況下對(duì)氮化硅波導(dǎo)建立的電場(chǎng)的模分布。 具體實(shí)施例在本發(fā)明的上下文中，必須考慮下面的定義軟聚合物一種非晶態(tài)聚合物，在其轉(zhuǎn)變溫度之上，其機(jī)械特性類似于橡膠的機(jī)械 特性。換句話說(shuō)，軟聚合物在其轉(zhuǎn)變溫度之上具有彈性的特性。因?yàn)檫@個(gè)特性，相當(dāng)大的鏈 段運(yùn)動(dòng)是可能的。因此，軟聚合物可用作暫時(shí)粘合劑。硬光學(xué)材料在其玻璃轉(zhuǎn)變溫度之下允許光的無(wú)損傳播的材料。硬光學(xué)材料的非 限制性的例子是氧化硅、氮化硅、氧化鈦、氧化鉭和玻璃。塊體材料該材料具有比可潛在地通過(guò)其傳播的光的波長(zhǎng)高得多的厚度。當(dāng)光通 過(guò)塊體材料傳播時(shí)沒(méi)有觀察到干涉現(xiàn)象。TE(橫電)模在傳播方向上沒(méi)有電場(chǎng)的模。TM(橫磁)模在傳播方向上沒(méi)有磁場(chǎng)的模。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)可按如下方式執(zhí)行圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的衍射光柵耦合器100的橫截面。它包括具有衍射 光柵110的光波導(dǎo)101。波導(dǎo)101可為單層波導(dǎo)或多層波導(dǎo)(由疊層形成)。光柵110可被嵌入或固定到波導(dǎo)101。光柵110的結(jié)構(gòu)是沿著波導(dǎo)101的表面的 一部分或沿著整個(gè)表面的平行脊?fàn)顦?gòu)造112。脊112可被稱為“齒”，而脊112之間的空間 111可被稱為“間隙” 111。光柵110利用多個(gè)脊或齒112被限定，其中每個(gè)脊或齒由各自的間隙111分開。光 柵齒112由折射率與光柵間隙111的折射率不同的材料制成。光柵110可在兩個(gè)波導(dǎo)表面 102、103的任一個(gè)上實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，光波導(dǎo)101是平面波導(dǎo)。波導(dǎo)101由之前定義的硬光學(xué)材料制成。衍射光柵耦合器100還包括聚合物膜120，波導(dǎo)101和光柵110連接到聚合物膜 120。波導(dǎo)101、光柵110和聚合物膜120形成“探針波導(dǎo)”或“探針”。聚合物膜120是軟 聚合物膜。軟聚合物的非限制性的例子是聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)、SU8光致抗蝕劑和 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。優(yōu)選地，軟聚合物膜由聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)制成。因此， 由硬光學(xué)材料制成的波導(dǎo)101被永久地固定在軟聚合物膜120上。沉積在波導(dǎo)101上并連接到波導(dǎo)101的聚合物膜120部分地圍繞波導(dǎo)101。如可 在圖1中觀察到的，聚合物膜120不完全圍繞波導(dǎo)101，而是保持其表面敞開和自由。探針(波導(dǎo)101加上光柵110加上聚合物膜120)具有下列參數(shù)波導(dǎo)101的厚 度、波導(dǎo)101的折射率、光柵波紋深度、光柵110的周期和占空比、制成脊或齒112的材料的 折射率以及聚合物膜的折射率。波導(dǎo)101的厚度優(yōu)選地范圍在50和5000納米之間。波導(dǎo) 101的折射率優(yōu)選地范圍在1. 1和4. 1 RIU (折射率單位)之間。光柵波紋深度優(yōu)選地范圍 在50和5000納米之間。光柵110的周期優(yōu)選地范圍在200和1000納米之間。光柵110的 占空比優(yōu)選地范圍在0. 2和0. 8之間。制成脊或齒112的材料的折射率優(yōu)選地范圍在1. 1 和4. 1 RIU之間。聚合物膜120的折射率優(yōu)選地范圍在1. 1和2. 1 RIU之間。衍射光柵耦合器100被設(shè)計(jì)成利用聚合物膜120可安裝到襯底或樣本上，聚合物 膜120被設(shè)計(jì)成將衍射光柵耦合器100連接到該襯底或樣本。為了安裝它，探針(具有光柵110的波導(dǎo)101加上軟聚合物膜120)可通過(guò)其具有敞開的(或自由的)光學(xué)探針(未 被聚合物膜120覆蓋)的側(cè)面或表面被壓在任何襯底或樣本上。因此，被壓在襯底或樣本 (利用軟聚合物膜120)上的探針波導(dǎo)可被連接到該襯底或樣本，使得沒(méi)有氣隙在波導(dǎo)探針 和襯底或樣本之間形成。波導(dǎo)探針(具有光柵110的波導(dǎo)101加上軟聚合物膜120)可在 需要時(shí)從襯底或樣本被釋放。因此，當(dāng)這個(gè)混合結(jié)構(gòu)(由硬材料和軟聚合物膜制成的探針)被放置在任何集成 光路(IOC)上時(shí)，軟聚合物(例如，PDMQ的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性確保沒(méi)有氣隙在衍射光柵耦合 器和IOC之間形成，即使襯底是非平面的(也就是說(shuō)，PDMS粘貼到表面)。這個(gè)條件確保所 提出的系統(tǒng)可以正確動(dòng)作。軟聚合物(例如，PDMS)的彈性允許它從復(fù)雜和易碎的結(jié)構(gòu)被 釋放，這允許耦合器被移除，例如從波導(dǎo)被移除，并在需要時(shí)被重新安裝。因此，實(shí)現(xiàn)了用于再次使用并重新安裝光柵的靈活和高度可靠的方法，其可用于 將光精確地射入IOC中并用于確定給定層的光學(xué)特性。圖2示出連接到襯底MO的衍射光柵耦合器200的示例性實(shí)施例的橫截面視圖， 樣本230位于襯底240上。實(shí)驗(yàn)的目的是特征化所述樣本(例如，波導(dǎo)層)230或?qū)⒐怦詈?到該層230 (在這種情況下，樣本是單層波導(dǎo))。假定由于具有包括軟聚合物220的結(jié)構(gòu)，在 探針和樣本(或波導(dǎo))230表面之間沒(méi)有氣隙。以某個(gè)角Θ入射到光柵210上的光部分地 耦合到沉積在襯底240上的樣本(波導(dǎo)230)中，并沿著其傳播。波導(dǎo)230的參數(shù)(厚度和 折射率)連同探針的參數(shù)(厚度、折射率和光柵周期)一起，限定允許沿著由波導(dǎo)230和探 針(具有光柵210的波導(dǎo)201加上軟聚合物膜220)所形成的結(jié)構(gòu)傳播的傳播模的激發(fā)角 Θ。因?yàn)樘结樀膮?shù)被假定是已知的，接著知道了激發(fā)角，波導(dǎo)230的參數(shù)可使用對(duì)本領(lǐng)域 技術(shù)人員明顯的常規(guī)方法來(lái)找到。例如使用角度掃描并探測(cè)在其輸出處離開波導(dǎo)230的光 的能量的最大值可找到那些激發(fā)角Θ。被放置在折射率與該探針的折射率相當(dāng)?shù)膯文２▽?dǎo)230上的探針形成厚度大于 波導(dǎo)230的厚度的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，可激發(fā)兩個(gè)模，并可通過(guò)解相應(yīng)的色散方程的系統(tǒng)，而 找到波導(dǎo)的折射率和厚度。圖3公開了連接到塊體材料樣本或?qū)?30的衍射光柵耦合器300的另一示例性實(shí) 施例的橫截面視圖。形成層300的塊體材料的折射率限定了波導(dǎo)探針傳播模的激發(fā)角Θ， 在該配置中所述傳播?？梢栽谟商结樅蛪K體樣本330所形成的結(jié)構(gòu)中傳播。知道激發(fā)角 后，可使用對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的常規(guī)方法來(lái)找到塊體材料330的參數(shù)(即，復(fù)折射率)。 例如使用角度掃描并探測(cè)從探針和塊體樣本330所形成的結(jié)構(gòu)反射的光的異常行為可找 到那些激發(fā)角Θ。這個(gè)特定例子的目的是為了測(cè)量塊體材料330的折射率或如果塊體材料 330的折射率是已知的則是為了校準(zhǔn)探針。由于將軟聚合物和基于硬光學(xué)材料的光柵進(jìn)行組合，耦合器可用于特征化低于該 探針的折射率的塊體材料的折射率。這是通過(guò)激發(fā)該探針并從激發(fā)角得到待特征化的折射 率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在圖1-3所示的任何實(shí)現(xiàn)中，光柵110、210、310可在波導(dǎo)101、201、301的上側(cè)面 或表面102、202、302上或在波導(dǎo)101、201、201的相對(duì)側(cè)面或表面103、203、303上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)光柵110、210、310在波導(dǎo)101、201、301的上側(cè)面或表面102、202、302上構(gòu)成 時(shí)，光柵脊或齒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 填充齒 112、212、312 之間的間隙 111、211、311。可選地，當(dāng)光柵110、210、310在波導(dǎo)101、201、301的下側(cè)面(在底部)或表面102、 202、302上構(gòu)成時(shí)，光柵脊或齒112、212、312的折射率必須不同于環(huán)境介質(zhì)例如空氣的折 射率(見(jiàn)圖1)。在圖1-3所示的任何實(shí)現(xiàn)中，波導(dǎo)模的激發(fā)由來(lái)自未在圖中示出的激光源的相干 激光執(zhí)行。本發(fā)明的衍射光柵耦合器100、200、300可用于波導(dǎo)探針的固有特性(例如波導(dǎo)厚 度和折射率)的特征化。形成波導(dǎo)探針的波導(dǎo)101、201、301由折射率基本上比形成軟聚合 物膜120、220、320的聚合物的折射率高的材料制成。波導(dǎo)101、201、301支持具有TE偏振 的至少一個(gè)傳播模和具有TM偏振的至少一個(gè)傳播模，以便實(shí)現(xiàn)色散方程的系統(tǒng)的解，從而 實(shí)現(xiàn)探針的特征化。形成本發(fā)明的衍射光柵耦合器100、200、300的探針也可用于在實(shí)現(xiàn)圖3的操作之 后特征化塊體材料的折射率。在本實(shí)施例中，由衍射光柵耦合器300 (具有光柵310的波導(dǎo) 301加上軟聚合物膜320)形成的結(jié)構(gòu)加上塊體材料層330支持至少一個(gè)TE模和/或一個(gè) TM偏振模。如對(duì)技術(shù)人員明顯的，這是在探針中激發(fā)傳播模并接著找出塊體材料330的折 射率所需的要求。在這種情況下，波導(dǎo)301的折射率必須高于待特征化的材料(塊體材料 330)的折射率。光柵310的周期被選擇成提供該結(jié)構(gòu)的激發(fā)。這意味著必須適當(dāng)?shù)剡x擇光 柵310的周期。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)剡x擇該周期，將沒(méi)有所觀察的波導(dǎo)探針的激發(fā)且不能確定 折射率。形成本發(fā)明的衍射光柵耦合器100、200、300的探針也可用于特征化沉積在襯底 上的薄膜或薄膜疊層。圖4示出這個(gè)實(shí)施例，其中由衍射光柵耦合器400形成的結(jié)構(gòu)(具 有光柵410的波導(dǎo)401加上軟聚合物膜420)加上薄膜或薄膜疊層430加上襯底440支持 至少一個(gè)TE傳播模和至少一個(gè)TM偏振傳播模。再次，這是在探針中激發(fā)傳播模所需要的 要求。波導(dǎo)401的折射率可高于或低于被特征化的材料(形成薄膜疊層430的材料)的折 射率和聚合物膜420的折射率。光柵410的周期被選擇成提供波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的激發(fā)。這樣的周 期必須被適當(dāng)?shù)剡x擇。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)剡x擇周期，將沒(méi)有所觀察的波導(dǎo)探針的激發(fā)，且不能 確定折射率?？蛇x地，形成衍射光柵耦合器的探針也可被設(shè)計(jì)和用于特征化光波導(dǎo)。這也在圖4 中示出，其中波導(dǎo)430被特征化。在這個(gè)實(shí)施例中，由波導(dǎo)探針形成的結(jié)構(gòu)(具有光柵410 的波導(dǎo)401加上軟聚合物膜420)加上薄膜或薄膜疊層430(待特征化的波導(dǎo))加上襯底 440支持至少一個(gè)TE傳播模和至少一個(gè)TM偏振傳播模。探針可被設(shè)計(jì)成將光耦合到光波導(dǎo)。應(yīng)注意，形成任一前面的實(shí)施例中的聚合物膜120、220、320、420的聚合物必須是 軟的，原因是，與其它類型的聚合物相反，彈性膜可容易地適應(yīng)它們需要被連接到的表面的 形狀。在這方面，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)的膜120、220、320、420的波導(dǎo)探針和由硬光 學(xué)材料制成的波導(dǎo)適合于被連接到樣本230、330、430上。因此，包括軟材料膜120、220、320、420的波導(dǎo)探針允許構(gòu)造可安裝的衍射光柵耦 合器這是由于包括在波導(dǎo)探針中的軟聚合物膜120、220、320、420的可連接和可拆卸特性。
就光柵110、210、310、410的制造而言，優(yōu)選地通過(guò)將其嵌入波導(dǎo)101、201、301、
401中來(lái)完成該制造。與光刻術(shù)結(jié)合的干或濕蝕刻可用于這個(gè)目的。接著，示出了衍射光柵耦合器100、200、300、400的使用的幾個(gè)例子圖如示出連接到波導(dǎo)的衍射光柵耦合器的實(shí)驗(yàn)，波導(dǎo)依次被沉積在緩沖層和襯 底上。該實(shí)驗(yàn)相應(yīng)于圖4的實(shí)施例，其中提供了包括沉積在襯底540上的兩個(gè)薄膜530的 結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，探針被安裝在具有折射率2. 03和厚度ISOnm的波導(dǎo)上，波導(dǎo)又被沉 積在二氧化硅緩沖層(具有2 μ m的厚度)上，二氧化硅緩沖層又位于硅襯底(具有折射率 3. 88，且其中虛部被省略)上。探針具有光柵，該光柵具有30nm的厚度、500nm的周期和0. 5 的占空比。探針的波導(dǎo)被假定為150nm厚并具有2. 03的折射率。入射角在空氣中被計(jì)算。圖恥示出來(lái)自該結(jié)構(gòu)的反射與入射角的相關(guān)性。如果激發(fā)角遠(yuǎn)離相應(yīng)于自準(zhǔn)直
條件Qbk=Sut1 f!]的角，則接近于1的異常反射率被觀察到。對(duì)于在圖fe中所示的結(jié)構(gòu)，
對(duì)于633nm的激光波長(zhǎng)，當(dāng)入射角為39. 25度時(shí)滿足自準(zhǔn)直條件。在這個(gè)范圍內(nèi)，觀察到低 反射率和Q因子。圖恥示出來(lái)自安裝在具有折射率2. 03的波導(dǎo)上的探針的反射率的擬合結(jié)果，該 波導(dǎo)被沉積在位于硅襯底(具有折射率3. 88且其虛部被省略)上的二氧化硅緩沖層(具 有2μπι的厚度)上。探針具有光柵，該光柵具有30nm的厚度、500nm的周期和0. 5的占空 比。探針的波導(dǎo)501被假定為150nm厚并具有2. 03的折射率。入射角在空氣中被計(jì)算。因此，波導(dǎo)501的厚度應(yīng)被選擇以避免復(fù)合波導(dǎo)的有效折射率# =+ 。這個(gè)條件對(duì)于兩種情況是有效的當(dāng)光柵在波導(dǎo)501’的上側(cè)上或波導(dǎo)501的相對(duì) 側(cè)上實(shí)現(xiàn)時(shí)。圖5d示出對(duì)于不同的波導(dǎo)樣本(圖5c)反射與入射角的關(guān)系曲線。這種情況 類似于在圖恥中所示的情況。在39. 25度附近，幾乎不能區(qū)別異常反射峰。曲線之間的差異 (圖恥和5d)是在這兩種情況中的光柵的接受角。在圖5d中，反射峰窄得多，這歸因于波紋 的較低折射率對(duì)比(0. 62與1.03比較)。因此，這個(gè)結(jié)構(gòu)的分辨率較好。雖然諧振反射下 降處的波導(dǎo)的厚度改變，相應(yīng)的激發(fā)角仍然在39. 25度附近。每個(gè)峰的寬度大約為0. 05度。 所以在150和200nm之間的區(qū)域中的分辨率被定義為8deg-40. ldeg/50nm/0. 05deg)_1 =1. 5nm(測(cè)量的精度被假定為0. 05度，等于在FWHM處的峰的角寬度)。在區(qū)域100-125nm 中的分辨率被定義為(39. 08deg-37. 8deg/25nm/0. OSdegr1 = Inm(測(cè)量的精度被假定為 0. 05度，等于在FWHM處的峰的角寬度)。在圖k中，對(duì)零級(jí)模和第一級(jí)模呈現(xiàn)諧振反射曲線。安裝在具有折射率2. 03的 波導(dǎo)上的探針被沉積在位于硅襯底(具有折射率3. 88，虛部被省略)上的二氧化硅緩沖層 (具有2 μ m的厚度)上。探針具有光柵，該光柵具有30nm的厚度、500nm的周期和0. 5的占 空比。探針的波導(dǎo)被假定為150nm厚并具有2. 03的折射率。入射角在空氣中被計(jì)算。實(shí) 心圓點(diǎn)代表當(dāng)波導(dǎo)樣本的折射率為2. 03時(shí)的情況，空心圓點(diǎn)代表當(dāng)波導(dǎo)樣本的折射率為 2. 00時(shí)的情況。虛線代表厚度為150nm的波導(dǎo)，點(diǎn)線代表厚度為175nm的波導(dǎo)。實(shí)線代表 具有200nm厚度的波導(dǎo)。光柵是圖5c的光柵。圖5f示出激發(fā)角與波導(dǎo)樣本的參數(shù)的關(guān)系曲線。探針安裝在波導(dǎo)上，波導(dǎo)被沉積 在位于硅襯底(具有折射率3. 88，虛部被省略)上的二氧化硅緩沖層(具有2μπι的厚度) 上。探針具有光柵，該光柵具有30nm的厚度、500nm的周期和0.5的占空比。探針的波導(dǎo)被假定為150nm厚并具有2. 03的折射率。入射角在空氣中被計(jì)算?？盏恼叫未砹慵?jí)模， 實(shí)心的正方形代表第一級(jí)模。光柵是圖5c的光柵。樣本波導(dǎo)的折射率影響這兩個(gè)模，但與第一級(jí)模Q2-27deg/RIU)比較，零級(jí)模 (32-42deg/RIU)被更強(qiáng)地影響。與零級(jí)模(0. 0觀-().033deg/nm)相比，厚度更多地影響第 一級(jí)模(0. 07-0. 093deg/nm)。重要的參數(shù)也是模之間的角差異，其在波導(dǎo)樣本的折射率增 加時(shí)增加了大約0.33deg/0.01 RIU。因此，如果角測(cè)量的精度由接受角限制，接受角實(shí)際上 在所有情況下好于0.1度，則測(cè)量的精度可被估計(jì)，在數(shù)值上對(duì)色散方程求解以獲得厚度 和折射率。擬合的結(jié)果在圖5g中示出。從圖5f得到相應(yīng)于具有折射率2.03和150nm厚 度的波導(dǎo)的波導(dǎo)模的激發(fā)的角GO. 07和17.4度)。使用變換矩陣方法來(lái)計(jì)算由實(shí)心正方 形標(biāo)記的點(diǎn)，該方法需要考慮在正和負(fù)方向上與真實(shí)值的0. 1度的角偏差。最后，圖證示出來(lái)自安裝在具有250nm的厚度和1. 5的折射率的被插入的波導(dǎo)上 的探針的反射，該波導(dǎo)被沉積在位于硅襯底(具有折射率3. 88，虛部被省略)上的二氧化硅 緩沖層(具有1.75 μ m的厚度)上。探針具有光柵，該光柵具有30nm的厚度、500nm的周期 和0. 5的占空比。探針的波導(dǎo)被假定為厚度在100和150nm之間，并具有2. 03的折射率。 入射角在空氣中被計(jì)算。圖6a和6b公開了基于圖3的實(shí)施例的實(shí)驗(yàn)的橫截面視圖，其中衍射光柵耦合器 被連接到塊體材料層630、630’。圖6a和6b示出關(guān)于塊體材料的折射率的特征化的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。在圖6a中，光柵位 于沒(méi)有被聚合物膜620圍繞的波導(dǎo)一側(cè)，而在圖6b中，光柵位于被聚合物膜620’圍繞的波 導(dǎo)一側(cè)。在圖6b中靈敏度較高，因?yàn)樵谶@種情況下，光柵的接受角較小。圖6c示出激發(fā)角對(duì)樣本的折射率的靈敏度。實(shí)心正方形代表20nm的光柵、IOOnm 的波導(dǎo)和圖6b的光柵。空心正方形代表20nm的光柵、IOOnm的波導(dǎo)和圖6a的光柵。實(shí)心三 角形代表30nm的光柵、IOOnm的波導(dǎo)和圖6b的光柵?？招娜切未?0nm的光柵、150nm 的波導(dǎo)和圖6b的光柵。計(jì)算出安裝在具有折射率η的塊體襯底上的探針的激發(fā)角和接受角，在圖6c中從 其表示的靈敏度也被計(jì)算為每單位折射率變化的激發(fā)角的變化
權(quán)利要求
1.一種衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，包括具有第一表面(102，202，302，402) 和與所述第一表面(102，202，302，40幻相對(duì)的第二表面(103，203，303，40 的光波導(dǎo) (101，201，301，401)，所述光波導(dǎo)(101，201，301，401)具有在所述第一表面和所述第二表 面之一上的光柵(110,210,310,410),其特征在于，所述衍射光柵耦合器(100，200，300，400)還包括沉積在所述光波導(dǎo) (101,201,301,401)上并連接到所述光波導(dǎo)(101，201，301，401)的軟聚合物膜(120,220, 320，420)，所述軟聚合物膜(120，220，320，420)部分地圍繞所述光波導(dǎo)(101,201,301, 401)并使得所述光波導(dǎo)(101，201，301，401)的所述第一表面和所述第二表面之一敞開，因 而所述衍射光柵耦合器(100，200，300，400)因而可被安裝在樣本(230，330，430)上，并通 過(guò)將所述軟聚合物膜(120，220，320，420)連接到所述樣本(230，330，430)而被暫時(shí)粘附到 所述樣本(230,330,430)上。
2.如權(quán)利要求1所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述軟聚合物膜由 聚(二甲基硅氧烷)制成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中當(dāng)所述衍射光 柵耦合器被安裝在所述樣本(230，330，430)上時(shí)，在所述衍射光柵耦合器(100，200，300， 400)和所述樣本(230，330，430)之間沒(méi)有氣隙。
4.如任何前述權(quán)利要求所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述光柵 (110,210,310,410)包括多個(gè)脊(112，212，312，412)，所述脊(112，212，312，412)能夠根據(jù) 光的入射角來(lái)可控制。
5.如權(quán)利要求4所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述脊(112，212， 312,412)具有直線形狀。
6.如權(quán)利要求4或5所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述光柵(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)之間的間隙的折射率、其厚度、所述脊的輪廓及其周期。
7.如權(quán)利要求6所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述光柵(110，210， 310，410)被設(shè)計(jì)成使得其周期滿足用于至少一個(gè)TE傳播模和一個(gè)TM傳播模的激發(fā)的相位 匹配條件。
8.如任何前述權(quán)利要求所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述光波導(dǎo) (101,201,301,401)包括至少一層。
9.如任何前述權(quán)利要求所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述光波導(dǎo) (101,201,301,401)是平面波導(dǎo)。
10.如任何前述權(quán)利要求所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述光波 導(dǎo)(101，201，301，401)由至少一種硬光學(xué)材料制成。
11.如任何前述權(quán)利要求所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述光波 導(dǎo)(101,201,301,401)以其折射率和其厚度為特征。
12.如任何前述權(quán)利要求所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述光柵 (110，210，310，410)被蝕刻到所述光波導(dǎo)(101，201，301，401)。
13.如權(quán)利要求12所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，其中所述光柵(110， 210,310,410)由與制造所述波導(dǎo)(101,201,301,401)的層的材料不同的材料制成，其中所述光柵(110，210，310，410)被蝕刻到所述波導(dǎo)(101，201，301，401)。
14.一種用于特征化樣本的系統(tǒng)，包括根據(jù)任何前述權(quán)利要求的衍射光柵耦合器000，300，400)；利用所述衍射光柵耦合器(200，300，400)的軟聚合物膜(220，320，420)被安裝到所述 衍射光柵耦合器(200，300，400)的樣本(230，330，430)、以及用于照亮所述衍射光柵耦合器(100，200，300，400)的光源，其中所述衍射光柵耦合器(200，300，400)被配置成將來(lái)自所述光源的光耦合到所述 樣本030，330，430)，從而在被包括在所述衍射光柵耦合器O00，300，400)內(nèi)的波導(dǎo)(201， 301,401)中激發(fā)至少一個(gè)波導(dǎo)模。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述樣本(230，330，430)是塊體材料或沉積在襯 底上的薄膜材料或沉積在襯底上的薄膜疊層。
16.權(quán)利要求1到13的任何一項(xiàng)所述的衍射光柵耦合器(100，200，300，400)的用途， 用于測(cè)量樣本的折射率，其中所述樣本是塊體材料或沉積在襯底上的薄膜材料或沉積在襯 底上的薄膜疊層。
17.一種特征化樣本的方法，包括下列步驟通過(guò)使所述衍射光柵耦合器000，300，400)的軟聚合物膜(220，320，420)壓住樣本 (230，330，430)來(lái)將根據(jù)權(quán)利要求1到13中的任何一項(xiàng)所述的衍射光柵耦合器(200，300， 400)安裝到所述樣本(230，330，430)上；通過(guò)使用從激光器發(fā)射的光束照亮所述衍射光柵耦合器(200，300，400)來(lái)在被包括 在所述衍射光柵耦合器O00，300，400)內(nèi)的波導(dǎo)O01，301，401)中激發(fā)至少一個(gè)波導(dǎo)模；使被發(fā)射的光束的入射角掃到所述衍射光柵耦合器(200，300，400)上；記錄所述波導(dǎo)模的激發(fā)角；使用建模技術(shù)計(jì)算所述樣本的參數(shù)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述樣本(230，330，430)是塊體材料或沉積在襯 底上的薄膜材料或沉積在襯底上的薄膜疊層。
全文摘要
本發(fā)明涉及衍射光柵耦合器(100，200，300，400)，包括具有第一表面(102，202，302，402)和與所述第一表面(102，202，302，402)相對(duì)的第二表面(103，203，303，403)的光波導(dǎo)(101，201，301，401)，所述光波導(dǎo)(101，201，301，401)具有在所述第一表面和第二表面之一上的光柵(110，210，310，410)。它還包括沉積在所述光波導(dǎo)(101，201，301，401)上并連接到所述光波導(dǎo)(101，201，301，401)的彈性聚合物膜(120，220，320，420)，所述彈性聚合物膜(120，220，320，420)部分地圍繞所述光波導(dǎo)(101，201，301，401)并使所述光波導(dǎo)(101，201，301，401)的所述兩個(gè)表面之一敞開，所述衍射光柵耦合器(100，200，300，400)因而可被安裝在樣本(230，330，430)上并通過(guò)將所述彈性聚合物膜(120，220，320，420)連接到樣本(230，330，430)而被暫時(shí)粘附到所述樣本(230，330，430)。
文檔編號(hào)G02B6/124GK102077124SQ200980124978
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2009年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者勞拉·瑪麗亞·萊丘加戈麥斯, 卡洛斯·多米格斯奧爾納, 基里爾·齊諾維夫 申請(qǐng)人:高等科研理事會(huì)