专利名称：光子晶体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光子晶体传感器。
背景技术：
基于光学测量的薄膜传感器通常用于测量给定区域上的平均薄膜厚度。用于测量薄膜厚度的两种常用的光学方法基于椭偏法和表面等离子体共振。其他的光学方法基于使用了两个波导支路的干涉法。非光学薄膜传感器的一个例子是石英谐振器，其中膜厚是通过对机械谐振的改变进行测量来确定的。测量薄膜厚度的应用场合包括制造过程监视和运动的抗原-抗体实验，其中沉积或吸收的速率很重要。对于通常的光学传感器设备，良好的灵敏度是通过以高精度测量入射或反射光的角度而实现的。通常，表面等离子体共振(SPR)中精密的角度测量需要较大测量区域或者样品与检测器之间有较大距离，或者两者都需要。为了测量非常薄的膜，通常必须在垂直方向上对光场进行紧密的限制，其中所述垂直方向对应于膜的厚度方向。
发明内容
根据本发明，光子晶体传感器可以通过引入晶格缺陷而由二维或三维光子晶体晶格制成。光子晶体传感器可以用于测量薄膜厚度，测量面积可以小于1μm2。光子晶体传感器通常镀有厚度待测的共形薄膜。在由二维光子晶体晶格制成的光子晶体传感器中，光场通常被限制在小于约600nm的半径中，以便减小待测薄膜厚度改变之外的因素引起的灵敏度随折射率的变化。由二维光子晶体制成的光子晶体传感器可以布置成阵列以便可以对大量样品进行快速探询。
图1示出了根据本发明的一个实施例。
图2A示出对于TM偏振态，透射率/反射率随入射角的变化。
图2B示出对于TE偏振态，透射率/反射率随入射角的变化。
图2C示出对于根据本发明的一个实施例，波长改变随折射率的变化。
图2D示出对于根据本发明的一个实施例，归一化透射谱随波长的变化。
图2E示出对于根据本发明的一个实施例，工作波长的改变Δλ随膜厚度的变化。
图2F示出对于根据本发明的一个实施例，工作波长/折射率的改变随时间的变化。
图2G示出根据本发明的一个实施例中的抖动系统。
图2H示出根据本发明的一个实施例中的同步扫描系统。
图2I示出根据本发明的一个实施例中的宽带多元件非可调谐光源系统。
图2J示出根据本发明的一个实施例中的基于斜率的峰值检测系统。
图3A示出根据本发明的一个实施例。
图3B示出根据本发明的一个实施例。
图3C示出根据本发明的一个实施例。
图3D示出根据本发明的一个实施例。
图3E示出根据本发明的一个实施例。
图4A-图4B示出根据本发明的一个实施例。
图5A示出根据本发明的一个实施例。
图5B示出根据本发明的一个实施例的简化视图。
图5C示出对于图5所示一个实施例，透射率随频率的变化以及从光子晶体结构平面的顶部泄漏出的光信号。
图6A示出根据本发明的一个实施例。
图6B示出根据本发明的衍射超晶胞的一个实施例。
图7示出根据本发明使用材料堆叠的一个实施例。
图8A-图8c示出用于制造根据本发明的一个实施例的步骤。
具体实施例方式
光子晶体结构使光场可以被紧密限制在小于约1μm3的体积中。光子晶体结构是介电常数具有周期性图样的材料，它可以产生一段称为光子带隙的禁止频率或波长范围。能量落在带隙中的光子不能经过该材料传播。可以通过在光子晶体的晶格结构中引入缺陷来在二维或三维光子晶体的晶格中制成光子晶体传感器。本专利申请中所用的术语“光子晶体传感器”定义为用光子晶体将光场或光局限在某个体积中的光学传感器，所述体积的平均介质磁化率比周围材料的要小。这样的体积是例如二维光子晶体传感器中的缺陷孔(见图1)。本申请中定义的光子晶体与光学微腔传感器(例如，参见美国专利No.6,661,938的第3列，第26-38行)有区别。对于光学微腔传感器，灵敏度增加需要Q因子增加。如下文所解释的，对于光子晶体传感器情况不是这样的。
根据本发明的二维光子晶体晶格可以通过将相同半径的若干孔刻蚀到高折射率材料的板中来构成，所述板由例如Si或InP制成，其中缺陷是孔，该孔的半径不同于其余的孔。可以通过在高折射率板的上方和下方使用低折射率的包层来提供第三个方向上的光学限制，所述包层通常是例如SiO2的氧化物膜或者空气。为了产生宽的光子带隙，孔的半径通常在从0.2a到0.4a的范围内，其中a为晶格常数。通常具有六方对称性的晶格结构产生的带隙最大。
根据本发明，三维光子晶体晶格可以由具有高折射率的介质杆层构成。则光学限制是通过所有三个方向上的光子带隙提供的。
在根据本发明的一个实施例中，参考图1，光子晶体传感器100可以用二维光子晶体晶格结构110构成。可以通过在厚度约为260nm(0.59a)的Si板材料的三角形晶格上刻蚀直径约为255nm(0.58a)的孔115而构成带隙在约1300nm到1600nm之间的光子晶体晶格结构110，所述三角形晶格的晶格常数约为440nm。将缺陷孔118的直径从约255nm(0.58a)减少到约176nm(0.40a)即得到光子晶体传感器100。
如果孔115和缺陷孔118填充有折射率约为1.00的空气，则工作波长约为1350nm。本专利申请所用的“工作波长”或“工作频率”定义为光场或光受到局限处的波长或频率。如果光子晶体传感器100涂敷有通常折射率约为1.5、厚度约为10nm的共形薄膜，则孔115与缺陷孔118内部的平均折射率通常会增大，而将工作波长偏移到约1360nm。大多数感兴趣的常用薄膜是共形的。对于水基溶液分析，确保光子晶体传感器100的表面亲水可以促进这种共形。对于蛋白分析，可以使用聚电解质薄膜沉积技术来制备连续的聚-右旋-赖氨酸(poly-d-lysine)共形涂层，它可以使蛋白质更好地结合到表面。但是，只要膜材料进入孔115和缺陷孔118，则薄膜不一定要共形。通常，工作波长的偏移取决于孔115的半径和缺陷孔118的半径。可以用软件包来预测工作波长，所述软件包例如MITPhotonic Bands(MPB)包，它可以从Massachusetts Institute of Technology获得。注意所有的孔115和缺陷孔118的深度都与板材料的厚度相符，在这个例子中约为260nm。
根据本发明的实施例，长约0.75mm的两个传统脊形波导175用于将光耦合进出光子晶体传感器100，所述波导175沿这样的方向安装到光子晶体的晶格结构110，所述方向垂直于光子晶体的晶格结构110中波导传播通常所用的方向。传统脊形波导175从约2μm的宽度削尖到约1.4a的宽度即约0.6μm以与模式分布相匹配，如图1所示。传统脊形波导175的外端面通常是抗反射的，涂敷有成对的TiO2和SiO2层，以抑止法布里-珀罗谐振。使用波导锥形连接器(waveguide taper)将光学模式扩展到低折射率(通常约为1.5)波导中可以避免使用抗反射镀膜，所述低折射率波导在空气界面处没有高反射率。光子晶体晶格结构110上两个特别的方向是最近的相邻方向(ΓK)和次近的相邻方向(ΓM)。光子晶体传感器100在传统脊形波导175之间沿ΓM方向通常具有6个光子晶体层，沿垂直的ΓK方向通常具有11到12个层。根据本发明的一个实施例，光沿着ΓM方向耦合进光子晶体传感器100，因为沿着ΓM方向的耦合效率通常比ΓK方向至少高4倍。耦合效率的差异是因为这类双极模式中有限尺寸效应所致的面内泄漏主要沿着ΓM方向。
透射谱通常是用可调谐窄带光源测量的，该光源用自由空间光学器件或者波导光学器件耦合到光子晶体晶格结构110。例如，可以用诸如显微物镜将可调谐的TE偏振激光束聚焦到传统脊形波导175中。传统脊形波导175具有数值孔径(NA)或者与之相关的接收角。只要来自显微物镜的会聚激光束的NA小于传统脊形波导175的NA，即可将光耦合到传统脊形波导175中。传统脊形波导175的NA与波导纤芯折射率n1和波导包层折射率n2之间的差有关NA＝(n12-n22)1/2。与波导包层的折射率相比，波导纤芯的折射率越大，则NA或接收角越大。
例如，如果n1～3.4且n2～1.5，则接收角实际上是90度，并需要考虑反射率/透射率随入射角的变化。图2A示出的曲线图280中，曲线281示出对于TM偏振波，反射率随入射角的变化，而曲线282示出对于TM偏振波，透射率随入射角的变化。图2B示出的曲线图285中，曲线287示出对于TE偏振波，反射率随入射角的变化，而曲线286示出对于TE偏振波，透射率随入射角的变化。所有波的偏振态都可以表示为TE偏振态和TM偏振态的线性组合。对于光子晶体传感器100，只有TE偏振波有光子带隙。
也可以用由宽带光源照明的分光计或单色仪来测量透射谱。从传统脊形波导175透射出的功率通常用校准的InGaAs检测器或其他合适的光检测器(未示出)来测量。可以用红外照相机作为诊断装置来监视透射光的模式分布以确保只有来自波导模式的信号进入光检测器。当窄带光源的光波长与光子晶体传感器100的工作波长匹配时，经过光子晶体传感器100透射的光功率最大。可以用曲线拟合使确定光子晶体传感器100的工作频率或波长的灵敏度提高。
根据参考图2G的本发明的一个实施例，在抖动系统233中，窄带光源260光耦合到光子晶体传感器100。可以通过从信号发生器269施加缓变正弦信号并使光频率或波长缓慢改变(有时称为“抖动”)来对窄带光源260的光频率进行调制。窄带光源260通常选择为半导体激光器，所述半导体激光器可以通过对注入电流施加小的调制来进行调制。当窄带光源260的光频率或波长接近工作波长或频率的中心频率或波长时，响应于缓变光频率或波长的来自光检测器261的电压也受到调制。来自光检测器261的电压幅值与缓变光频率或波长离工作频率或波长的远近有关。通常，可以用例如锁定放大器263的器件产生通向窄带光源260和处理器265的误差信号。由于当窄带光源260的光频率位于光子晶体传感器100的工作频率或波长处时光检测器261上抖动信号的幅值最小，所以误差信号可以用反馈环锁定工作频率的峰值。因此可以在处理器265中确定光子晶体传感器100的工作频率或波长。
根据参考图2H的本发明的一个实施例，同步扫描系统234可以用于确定工作频率或波长。通过测量来自光检测器261的随时间变化的光电流并同步到时变可调谐窄带光源245例如可调谐激光器，可以将工作频率或波长作为时间延迟δ进行编码。例如，如果对耦合到光子晶体传感器100的可调谐窄带光源245进行均匀的调谐，在约20毫秒内从1490nm到1510nm进行扫描，并在扫描开始时由时钟246向峰值捕获电路268发送脉冲，则确定产生峰值电流的时间即可确定工作频率或波长。例如，如果峰值电流是在表示波长扫描开始的脉冲发送到峰值捕获电路268之后10毫秒产生的，则工作波长位于1500nm处。
根据参考图2I的本发明的一个实施例，以比较低的成本，可以使用宽带多元件非可调谐光源系统235，该系统使用比较普通的非可调谐光源例如发光二极管(LED)。例如可以使用三个LED 241、242、243，它们各具有约40nm的半高全宽(FWHM)谱宽度，中心分别位于不同的波长1480nm、1500nm和1520nm。各个LED 241、242、243是由时钟246依次开启的，并光耦合到光子晶体传感器100。光检测器261依次测量来自每个LED 241、242、243的透射功率。光检测器261产生的电流由LED的功率分布与光子晶体100的透射率曲线的卷积决定。使用三个LED241、242、243消除了当工作波长或频率与光源的峰值频率不匹配时存在的波长或频率的不确定性，并增大了系统的动态范围。光源的频率跨度越大，可以处理的工作频率就越多，这使膜厚范围可以更宽，宽至缺陷孔118的尺寸。如果LED的FWHM约为40nm，传感器谱线分布的FWHM约为2nm，则可以获得足够的分辨力。
根据参考图2J的本发明的一个实施例，使用了基于斜率的峰值检测系统236，该系统236使用光耦合到光子晶体传感器100的可调谐窄带光源247，其中在频率f0处可调谐窄带光源247的频率或波长在两个光波长之间切换。两个光波长之间的差由可调谐窄带光源247中的电子器件保持恒定，可调谐窄带光源247以“抖动”模式工作。光检测器261测量两个不同波长处透射的相对功率，来自中心位于f0处的带通滤波器249的误差信号对较低的频率或波长进行调谐，使得对于两个波长，来自光检测器261的电流相等。因此，工作波长位于较低和较高波长之间的中点。
用注射器将标定的商用硅酮流体滴施加到光子晶体传感器100的表面，通常在光子晶体传感器100的表面上产生厚度在几百微米量级、覆盖面积约5mm2的膜。由于光子晶体传感器100表面上硅酮流体的体积比感测用体积大几个数量级，所以可以用硅酮流体取代空气作为无限的均匀背景。在施加具有不同折射率的下一滴硅酮流体之前，将光子晶体传感器100在丙酮和异丙醇中清洗，然后干燥。
图2C中的曲线图200示出对于根据图1所示的本发明的实施例，工作波长随孔115和孔118中的周围折射率n的改变Δλ＝λ(n)-λ(空气)。对测量数据201和计算得到的数据202都进行二次拟合203。计算得到的数据202与测量数据201密切相符，表明硅酮流体完全填充了孔115和118。
图2D示出用5个不同的折射率分别获得的归一化透射谱271、272、273、274、275，所述5个不同的折射率从约n＝1.446到n＝1.454，增量为Δn＝0.002。对于Δn＝0.002的折射率增加，图2D中的工作波长增加了约0.4nm。透射率数据经过了数值平滑处理以消除由传统脊形波导175端面的残余反射引起的法布里-珀罗振荡。工作的峰值波长是通过将数据拟合为洛仑兹形而确定的。透射谱271、272、273、274、275是通过将商用硅酮流体滴连续地施加到光子晶体传感器100的表面而获得的。所用的商用硅酮流体的标定折射率精度为Δn＝±0.0002，折射率增量为Δn＝0.002。
图2E中的曲线图250示出了对于根据本发明的实施例，工作波长随膜厚的改变Δλ。曲线图250示出了使用示例性材料的工作波长改变，该示例性材料具有与蛋白质和抗体相似的折射率(折射率n在从约1.4到1.5的范围内)。带电聚合物的逐层静电组装是用聚醚酰亚胺(PEI)、聚4-苯乙烯磺酸钠(PSS)和聚(d-赖氨酸氢溴酸盐)(PLS-HBR)进行的。通常每个薄膜层厚度处于2-3nm范围内。PEI和PLS-HBR上的有效电荷是正的，而PSS上的有效电荷是负的。PEI作为表面制备化学品通常表现良好，因为它易于附着到SiO2表面。PSS和PLS-HBR是沉积为平滑、均匀单层的弱电解质。
光子晶体传感器100可以用于测量薄膜的厚度，其中膜厚小于孔118的半径。在填充缺陷孔118和孔115之后，工作波长或频率将不会改变，因为光场或光被限制在光子晶体传感器100的平面内。如果在孔115之前填充缺陷孔118，则仍然会产生工作波长或频率的改变。在通常的操作中，缺陷孔118没有被完全填充。
光子晶体传感器100还可以用于进行时间分辨原位感测。例如，将5％甘油的去离子水溶液滴施加到光子晶体传感器100表面，所述滴具有上述硅酮流体液滴量级的体积。然后加热光子晶体传感器100使去离子水蒸发。图2F的曲线图299示出了工作波长随时间的变化，其中右侧的纵坐标示出用图2A的二次拟合所获得的对应折射率n。随着去离子水的蒸发，对应于折射率从约n＝1.338到n＝1.451的变化，工作波长从约1480.82nm改变到约1501.45nm。起始和最终的折射率分别对应于甘油与去离子水混合物中甘油占5％和85％的情况。甘油与去离子水的混合物在约900秒后达到稳定状态。
光子晶体传感器100的噪声来源包括温度改变。例如，水的折射率取决于水的温度。对于约20℃到约50℃范围内的温度，在约1500nm处，水的折射率对温度的关系是dn/dT≈3·10-4。因此，温度改变1℃引起约3·10-4的折射率变化，光子晶体传感器100的工作频率或波长的变化约为0.06nm。
可以构成图1中光子晶体传感器的不同灵敏度的变体。图3A-图3E示出了图1所示光子晶体传感器100的变体。光子晶体传感器300、301、302、303、304分别使用高折射率板320、321、322、323、324，所述板具有对应例如Si或GaAs的材料的约3.4的折射率n以及约0.6a的厚度，其中a为晶格常数。板320、321、322、323、324各自置于低折射率材料上方，所述低折射率材料具有对应例如SiO2的材料的约为1.4的折射率。分别对应于板320、321、322、323、324的5层孔315、316、317、318、319沿传播方向设置并用于光子晶体传感器300、301、302、303、304。宽度为1.4a的传统脊形波导375用于将光从光子晶体传感器300、301、302、303、304耦合进、出。孔315、316、317、318、319分别作在高折射率板320、321、322、323、324中，位于晶格常数为a的三角形晶格上。孔315、316、317、318、319采用空气填充或用折射率约为1.4的低折射率材料填充。高折射率板320、321、322、323、324上方的区域或者是空气，或者是折射率约为1.4的低折射率材料。光子晶体传感300、301、302、303、304的工作频率变化Δv除以空气中的工作频率vair提供了光子晶体传感300、301、302、303、304灵敏度的量度。Δv/vair越大，具体的光子晶体传感器的灵敏度就越高，得到的传感器就越好。
图3A示出光子晶体传感300，根据本发明的一种实施例，其中孔315半径约为0.29a，或者根据本发明的另一实施例，其中孔半径约为0.36a，其中a为晶格间距。当孔315的半径约为0.29a时，孔355的半径约为0.17a，当孔315的半径约为0.36a时，孔355的半径约为0.21a。对于光子晶体传感器300，当孔315的半径约为0.29a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.044，当孔315的半径约为0.36a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.065。
图3B示出光子晶体传感器301，根据本发明的一种实施例，其中孔316半径约为0.29a，或者根据本发明的另一实施例，其中316的半径约为0.36a。孔356和中间层的孔391在传播方向上拉长了约0.125a，得到了椭圆形孔391，所述椭圆形孔391的长轴约为0.705a或0.845a，分别对应于半径约为0.29a或0.36a的孔316。当孔316的半径约为0.29a时，椭圆形孔356的长轴约为0.465a，当孔316的半径约为0.36a时，长轴约为0.545a。对于光子晶体传感器301，当孔316的半径约为0.29a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.038，当孔316的半径约为0.36a时，得到的Δv/vair＝0.056。
图3C示出光子晶体传感器302，根据本发明的一种实施例，其中孔317半径约为0.29a，或者根据本发明的另一实施例，其中孔317的半径约为0.36a。孔357和中间层的孔392在传播方向上拉长了约0.125a，得到了椭圆形孔392，椭圆形孔392的长轴约为0.705a和0.845a，分别对应于半径约为0.29a或0.36a的孔317。当孔317的半径约为0.29a时，椭圆形孔357的长轴约为0.525a，当孔317的半径约为0.36a时，长轴约为0.625a。对于光子晶体传感器302，当孔317的半径约为0.29a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.044，当孔317的半径约为0.36a时，得到的Δv/vair＝0.063。
图3D示出光子晶体传感器304，根据本发明的一种实施例，其中孔319半径约为0.29a，或者根据本发明的另一实施例，其中孔319的半径约为0.36a。圆形孔359的半径约为0.57a。对于光子晶体传感器304，当孔319的半径约为0.29a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.045，当孔319的半径约为0.36a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.073。
图3E示出光子晶体传感器303，根据本发明的一种实施例，其中孔318半径约为0.29a，或者根据本发明的另一实施例，其中孔318的半径约为0.36a。椭圆形孔358的短轴约为0.66a，长轴约为1.48a。对于光子晶体传感器303，当孔318的半径约为0.29a时，得到的灵敏度的量度Δv/vair＝0.051，当孔318的半径约为0.36a时，得到的Δv/vair＝0.077。因此，光子晶体303对折射率变化具有最高的灵敏度，但光子晶体301和302具有更高的Q因子，因为它们对高折射率材料中的光场有更大的局限作用。这种更大的局限作用降低了灵敏度。
孔315、316、317、318、319的半径约为0.36a的情况与半径约为0.29a的情况相比，光子晶体传感器300-304的透射率较低，这是由于传统脊形波导375与高折射率板320、321、322、323、324之间的耦合降低了。例如，孔318的半径约为0.29a时，光子晶体传感器303的透射率约为0.31，相比之下，孔318的半径约为0.36a时，透射率约为0.11。当孔315、316、317、318、319的半径约为0.36a时，与半径约为0.29a时相比，高折射率板320、321、322、323的平均介电常数更小。因此，高折射率板320、321、322、323、324与传统脊形波导375之间的折射率不连续性增大，导致耦合降低。通过如上所述将传统波导375制成锥形可以使耦合提高。通过在高折射率板320、321、322、323、324的上方和下方设置金属层以增大光学限制可以增强灵敏度。可以使用例如金、银或铝的金属，因为它们的吸收更小。金属层的厚度通常在晶格常数a的量级或更小。详细内容参见通过引用而结合于此的美国专利公开No.20020159126A1。因为金属层的效果是在垂直于二维光子晶体板的方向对光进行限制，所以可以使用除了Si以外的材料，例如Al2O3、GaN、SiN或SiO2。这增加了光子晶体传感器(例如光子晶体传感器303)的灵敏度。但是，金属的光学吸收(特别是在可见光波长和近红外波长处)通常会使这类光子晶体传感器的透射率和Q因子降低。
图4A-图4B分别以侧视图和俯视图示出根据本发明的三维光子晶体传感器400。光子晶体传感器400具有21个层。因为光子晶体传感器400是三维的，对于光的任意入射角都会出现缺陷区域435引起的透射峰。因此，在工作波长处，可以用例如传统脊形波导452和453分别将光从一侧耦合进光子晶体传感器400并在相反侧耦合出来。如果要将光垂直于三维光子晶体晶格401的层进行耦合，则通常使用光纤波导。三维光子晶体传感器400提供了比光子晶体传感器300、301、302、303、304更好的灵敏度，但是通常更难制造。在根据本发明的一个实施例中，三维光子晶体传感器400由多层折射率约为3.6的介质杆450构成以形成三维光子晶体晶格401，通常是Si、GaAs或InP。介质杆450具有例如约0.22c乘以0.25c的截面尺寸，其中c为沿堆叠方向一个单位晶胞的厚度，它等于四个介质杆450的厚度。介质杆450在每层内彼此分开约0.6875a。通过从杆451的中部除去约0.625a来产生缺陷区域435。光子晶体传感器400灵敏度的量度Δv/vair＝0.112。
实际上，位于光子晶体传感器400的缺陷区域435中的感测用体积是由光刻限定的。由于光场或光局限在缺陷区域435中，所以重要的是使得被分析物只能填充在缺陷周围的空间。用例如SiO2取代空气可以简化操作和制造而同时维持光子晶体传感器400的性能，参见通过引用而结合于此的Fleming，J.G.和Lin，S.Y.在Journal of Lightwave Technology，v17(11)，p.1956-1962，1999的文章。在光子晶体传感器400的三维层完成之后，将光刻胶中的开口对准光子晶体传感器400的缺陷区域435。用氢氟酸刻蚀或对SiO2进行刻蚀的其他选择性刻蚀可以除去感测用体积中的SiO2。这样可以控制被分析物流入光子晶体400中界限明确的小体积中，所需的被分析物更少。
根据本发明的实施例，二维光子晶体传感器可以如图5A所示的光子晶体结构500来布置，以便可以处理图5B所示的多个缺陷孔。缺陷孔515可以将光耦合出光子晶体波导520。在缺陷孔515的工作波长处，由于将光耦合出光子晶体波导520，所以沿光子晶体波导520的透射率下降，针对光子晶体结构500平面的顶部出来的功率产生峰值。改变缺陷孔515的尺寸和/或形状可以改变工作波长。可以如图5B的概念性视图中所示沿光子晶体波导550的长度方向设置一系列缺陷孔525、535、545。随着可调谐光源(未示出)扫过一个波段，对于从光子晶体波导575的平面泄漏出的信号，在缺陷孔525、535、545的不同的工作波长处产生信号峰581、582、583。信号峰581、582、583(参见图5B)通常是用设在缺陷孔525、535、545上方的光检测器(未示出)分别测量的。微透镜(未示出)通常用于将信号聚焦到每个光检测器上。
例如，对于图5A，根据本发明的一个实施例，光子晶体结构500的孔560半径约为0.29a，在设于SiO2衬底上的硅板561中深度为0.6a，其中a为晶格常数。孔560中的一行由短轴约为0.66a、长轴约为1.48a的椭圆形孔562取代。缺陷孔515的半径约为0.41a。图5C示出沿着光子晶体波导520透射率随频率的变化以及从光子晶体结构500平面的顶部泄漏出的光学信号的曲线图599。在缺陷孔515的工作频率0.254c/a处，其中c为真空中的光速，590线表明沿光子晶体波导520的透射率有大约8dB的下降，591线指出了从平面泄漏出的功率峰值。大约8％的泄漏进入了下方的SiO2衬底，大约7％的泄漏向上离开平面进入了空气。
对于图5B，缺陷孔525、535、545的次序通常排列为使与光子晶体波导520耦合更强的缺陷孔设在光子晶体波导520的下方更远处，该处的透射信号较弱。这是因为输出效率取决于平面内的质量因子与垂直于平面的质量因子的比值。当该比值为1时输出效率最大。质量因子取决于缺陷孔525、535、545的形状和尺寸、缺陷孔525、535、545与光子晶体波导520之间的间隔、光子晶体板562的厚度以及光子晶体板562和衬底(图5B中未示出)的折射率。因为光子晶体波导550有损耗，所以缺陷孔525、535、545中输出效率较低的缺陷孔设在靠近光子晶体波导550的输入处，缺陷孔525、535、545中输出效率较高的缺陷孔设在靠近光子晶体波导550的末端处。关于输出效率的详细内容可以在M.Imada等人在Journal of Lightwave Technology，20，873，2002的文章中找到，该文章通过引用而结合于此。
如图6A的简化形式所示，根据本发明的一个实施例，可以在传感器芯片600上布置光子晶体传感器610的阵列。波导615的阵列可以设在传感器芯片600的边缘，每个光子晶体传感器610对应于一个波导615。波导615阵列的间距通常约为4μm。根据本发明的高NA聚焦透镜的焦距通常为1mm，聚焦透镜的孔径通常为0.5mm。实际上限定阵列中可处理的波导615数目的因素是，对于固定的输入功率，在维持进入波导615的透射率足够(参见图2A和2b)的同时可以获得多大的入射角。
可以用衍射阵列发生器640处理光子晶体传感器610的阵列以同时处理或耦合进波导615的阵列。衍射阵列发生器例如衍射阵列发生器640在例如Gmitro，A.F.和Coleman，C.L.，Optoelectronic Interconnects andPackaging，Proceeding SPIE，v.CR62，88，1996中有说明，该文章通过引用而结合于此。商用衍射阵列发生器能产生20个衍射级次，效率约为95％。衍射阵列发生器640设计为在相邻的衍射级次或子束(beamlet)之间提供预定的角度间隔。例如，如果焦距约为1mm，波导615的阵列间距为4μm，则需要的角度间隔为0.004弧度。衍射阵列发生器640通常被划分为衍射超晶胞(supercell)690。角度间隔确定了衍射超晶胞690的尺寸(参见图6B)，该尺寸由λ/sinθ确定，其中λ为光波长，θ为角度间隔。对于θ＝0.004、λ＝1500nm，衍射超晶胞690的尺寸约为375μm。衍射超晶胞690通常被划分为若干个象素695，其中每个象素695加入一段相位延迟。由每个象素695产生的相位延迟由衍射超晶胞690的表面687中的刻蚀深度d确定，该相位延迟由(n1-n2)2dπ/λ给出，其中n1为衍射超晶胞690的折射率，n2为周围介质的折射率，λ为光波长。
象素695的数目越多，可以处理的衍射级次就越多，各衍射级次上的功率均匀度就越好。设象素695的尺寸约为1μm，衍射超晶胞690的尺寸为375μm，这样可以使光衍射到约100级，每个级次的强度相等，差别在20％以内。
当波长改变时，需要考虑可调谐光源的效果。例如，假设可调谐光源的调谐范围约10nm，中心波长为1500nm，则在1500nm处，第50个衍射级以约为11.57度的角度衍射，在1510nm处，第50个衍射级以约为11.62度的角度衍射。那么，衍射级的横向位移在1500nm处约为200μm，在1510nm处约为201μm。尽管耦合效率降低了，但在可调谐光源的整个10nm调谐范围中很大部分仍然耦合进波导615。对于在存在水的情况下对粘附到光子晶体传感器610的生物分子进行检测，10nm的调谐范围通常足以覆盖光子晶体传感器610的整个动态范围。为了获得更宽的调谐范围，通常必须减小衍射级次的数目，并因此减小可处理的波导615的数目。用于衍射阵列发生器640的静态衍射元件通常由例如石英的介质材料或者例如聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯的聚合物制成。
衍射阵列发生器的替换物包括可用作动态可重构衍射阵列发生器的空间光调制器(SLM)，参见例如Kirk，A.等，Optical Communications，vol.105，302-308，1994，以及基于MEMS的动态可重构反射镜阵列，参见例如Yamamoto，T等，IEEE Photonics Technology Letters，1360-1362，2003。SLM通常可以对每个波导615按时间顺序进行单独处理。
图7示出根据本发明使用了材料堆叠700的一个实施例。高折射率芯层710由包层720和730包围，所述芯层710的折射率在从3到4的范围，例如Si或Ge单晶材料或者例如GaAs或InP的化合物半导体材料。包层720和730通常由折射率约为1.5的材料制成，例如SiO2、Al2O3或旋涂玻璃(spin on glass)。在使用Si单晶材料时，顶部和底部的包层720和730通常由折射率约为1.5的材料形成，例如SiO2或旋涂玻璃。在使用化合物半导体材料例如III-IV族元素材料时，底部包层720通常是Al2O3(折射率约为1.76)，因为用含铝化合物易于形成外延层。此后用横向氧化对铝层进行氧化。如果要将光耦合出材料堆叠200的平面，则上面的包层730通常比下面的包层720折射率更高，可以由SiO2、Si3N4或折射率小于2的其他适当材料制成。
根据本发明，用于二维光子晶体传感器的通常初始结构是绝缘体上硅(SOI)晶片、GaAs/AlxOy或InGaAsP/AlxOy材料。二维光子晶体传感器可以使用为垂直腔面发射激光器(VCSEL)开发的湿式氧化技术用例如GaAs/AlxOy或InGaAsP/AlxOy材料实现，也可以用折射率差异较小的材料例如基于InGaAsP/InP或GaAs/AlGaAs的材料实现，这需要在深度刻蚀的同时维持垂直的侧壁以减小传播损耗。
根据本发明的实施例，参考图8A，二维光子晶体传感器由SOI晶片制造，其中厚度约为1μm的SiO2层810将厚度约为260nm的Si板801与Si衬底816隔开。图8A示出了用低温等离子辅助化学气相沉积在SOI晶片810上沉积的100nm厚的SiO2硬掩模815。选择Si板816的厚度以提供较大的光子带隙，如Johnson，S.G.等，Physical Review B，vol.60，8，p.5751，1999中所述。用有效折射率法可以发现Si板816的厚度大于260nm将导致多模波导。因此用不同包层对Si板816的厚度进行调整。
用电子束光刻机在一次光刻步骤中形成光子晶体晶格结构110和脊形波导175(参见图1)的图样。通常以约5nm网格的高精度模式对光子晶体晶格结构110进行限定，而通常以约50nm的较粗糙网格对脊形波导175进行限定。通过将光子晶体晶格结构110和脊形波导175都对之前的光刻步骤中产生的金属对准标记(未示出)进行定位来保持光子晶体晶格结构110与脊形波导175对准。孔118通常由垂直于脊形波导175中传播方向的2到4个晶格周期包围。通常通过使用CHF3/He/O2化学物质的反应离子刻蚀(RIE)将电子束光刻图样转移到SiO2硬掩模815中(参见图8B)。用HBr化学物质对Si板816进行刻蚀(参见图8c)以产生高度垂直和光滑的侧壁，参见Painter等，Journal of Lightwave Technology，17(11)，p.2082，1999，该文章通过引用而结合于此。为了在光子晶体晶格结构110上获得质量良好的端面，光子晶体晶格结构110的顶面由热稳定的有机介质(通常是光刻胶)保护，所述有机介质在沉积之后对光子晶体晶格结构110进行切割和抛光时易于除去。抛光通常用SYTON硅胶抛光来进行。
缺陷孔118和孔115的适当尺寸是通过将布局结构方面的考虑与电子束剂量进行均衡而获得的。在纳米尺度构件的剂量限定(dose definition)实验中，必须考虑邻近效应。剂量与SiO2和Si刻蚀处理之后的最终孔外形尺寸有关。孔115和缺陷孔118的最终外形尺寸通常小于电子束光刻所限定的构件，这表明刻蚀处理产生的侧壁通常并非是垂直的。
用于将图样转移到SiO2层815中的具体的刻蚀处理对孔115和缺陷孔118的直径有影响。根据具体的刻蚀条件，可以增加或减小孔115和缺陷孔118的直径。在刻蚀处理期间，较小的反应器压力使孔115和缺陷孔118的最终外形尺寸相对于设计外形尺寸的直径改变较小。从初始的光刻图样到光子晶体晶格结构110，通常的制造公差小于2％。保留下面的SiO2层810可以提供附加的机械支撑。
权利要求
1.一种二维光子晶体传感器装置(例如100)，包括用于输入光的波导(例如175)；以及光学耦合到所述波导(175)的光子晶体板(例如110)，所述光子晶体板(110)包括孔(例如115)的二维周期性晶格，所述孔(115)的二维周期性晶格包括晶格常数和缺陷孔(例如118)，所述光子晶体板(110)能够从所述波导(175)接收所述光，并能够在工作波长处将所述光限制在所述缺陷孔(118)中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述缺陷孔(例如359)的体积大于所述孔(319)。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述缺陷孔(例如357)的体积小于所述孔(例如317)。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光子晶体板(例如110)由硅组成。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述二维周期性晶格是三角形晶格。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述缺陷孔(358)具有基本上椭圆形的截面。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述波导(例如175)的可调谐光源。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光子晶体传感器(例如100)的工作波长由抖动系统(233)确定。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光子晶体传感器(例如100)的工作波长由同步扫描系统(234)确定。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，在所述光子晶体板(563)的平面外设有光检测器，所述光检测器能够在所述光子晶体传感器(500)的工作波长处对所述光进行检测。
全文摘要
光子晶体传感器可以通过引入缺陷而由二维和三维光子晶体制成。将光场局限在缺陷区域中提供了感知小体积被分析物的能力。
文档编号G02F1/00GK1898592SQ200580001374
公开日2007年1月17日 申请日期2005年3月4日 优先权日2004年3月11日
发明者安纳特斯·格洛特, 周启祥, 劳拉·威尔斯·米尔卡里米, 米哈伊尔·M·西加拉斯 申请人:安捷伦科技有限公司