谐振周期性结构以及使用它们作为滤光器和传感器的方法技术

本发明专利技术涉及基于表面波的光学装置的领域，具体地涉及可调谐光学滤光器、光学生物传感器和空间光调制器。公开了一种光学传感器和可调谐滤光器，其基于沉积在衬底上的高对比度的周期性结构并且使用针对低检测限值的紧凑的读取方法，所述方法使用一维发散的准单色光束和相机。

Resonant periodic structures and methods of using them as filters and sensors

The invention relates to the field of optical devices based on surface waves, in particular to tunable optical filters, optical biosensors and spatial light modulators. An optical sensor and a tunable filter are disclosed, which are based on a periodic structure of high contrast on a substrate and use a compact reading method for low detection limits. The method uses a one-dimensional divergent quasi monochromatic beam and a camera.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】谐振周期性结构以及使用它们作为滤光器和传感器的方法
本专利技术涉及基于表面波的光学装置的领域，具体地讲，涉及可调谐光学滤光器、光学生物传感器和空间光调制器。
技术介绍
周期性结构表现出对于光学感测和可调谐滤光以及其他光子应用而言非常有前景的各种光学现象。众所周知的周期性结构中的一种使用一维、二维或三维光栅。这种结构的一个很好的实例是金属光栅结构，它可以激发对邻近表面的分析物材料的折射率敏感的表面等离振子谐振，并且因此可以用于生物感测或可调谐滤光(图1a)。公开为WO2012/111001A2的本专利技术人的专利申请之一是基于此类超薄金属光栅(＜60nm)，此类超薄金属光栅允许激发两个SP波，其中一个用作基准，如图1b所示。通过使用GMR的高衍射效率和窄线宽的特性，可以实现在激光器、光通信和光电子领域中广泛使用的高反射镜、滤光器和偏振装置。此外，正在实现GMR在生物学、传感器和医药中的应用。在毫米波区域、微波区域、近红外区域和可见光区域中也已经报道了验证反射滤光器的理论预测的高谐振效率的实验结果。在I.Abdulhalim的Optimizedguidedmoderesonantstructureasthermoopticsensorandliquidcrystaltunablefilter，《中国光学快报》7(8)，667，(2009)中，本专利技术人已经证实使用光栅顶部上的向列液晶层在具有2nm带宽的光电信窗口的C波段上实现最优化调谐。用于获得GMR传感器的高灵敏度(＞100nm/RIU，RIU代表折射率单位)的方法与结构参数的紧密公差相关联。GMR传感器的设计显示出对于波导层的光栅厚度、间距、线宽和平坦度以及所涉及的层的折射率的灵敏度。用于波导层的最常用材料之一是Si3N4，因为它具有较高折射率和稳定性。然而，波导层中0.1％的折射率变化引起明显的退相位，这加宽谐振并且显著降低反射峰高度。由于热诱导应力，这种变化对于利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统制备的Si3N4薄膜是典型的。开发这种层的沉积过程的能力对于基于GMR的可调谐元件的性能是至关重要的。因此，期望避免对波导层的需要并因此放宽制造过程中的公差，并且这是本专利技术将要解决的问题之一。既用作传感器又用作滤光器的GMR存在若干引人注目的特性：(i)平面几何形状；(ii)由标准介电材料制成；(iii)可以以晶片尺度、利用Si制造技术在批量生产中制造并且用于多感测功能性；(iv)可以在垂直入射下操作；(v)表现出较大的灵敏度，至少与平面波导(WG)传感器的灵敏度相当；以及(vi)可以在光谱模式和角模式下操作。图2示出了准直光束在GMR装置的光谱或角操作模式下的使用。在光谱模式下，使用包含相对宽的光谱范围的准直光束，并使用光谱仪来分析光谱。可替代地，可调谐的源可以用来连续扫描波长和单个像素检测器。在图2中，示出了通常优选的垂直入射光谱操作模式，特别是在需要使用GMR结构阵列的多感测时。在角模式下，固定波长的准直光束的入射角被改变，并且反射峰值波长移位；这个特性可以用来调谐作为滤光器或传感器的装置的波长范围。此外，可以在单一波长下将它作为传感器操作，并且检测发生谐振的入射角。示出所反射的谐振峰形状，以便大致被描述为洛伦兹(Lorentzian)。峰的角形状可以大致被写成：其中在这里，κa表示耦合常数并且Γ是损耗参数。需注意，此处的γsup是具有折射率nsup的光栅(上覆层)上方的介质中的入射角，而如果光从这个介质上的空气入射，那么就空气中的入射角γa而言，根据斯涅尔(Snell)定律，表达nsupsin/sup＝sinγ空气应该用sinγ空气替换。峰位置由以下等式确定：nsupsinγsup-峰＝neff-mλ/Λ,而最大值一半处的宽度为Δγsup＝(180/π)(λΓ/(πcos(γsup-峰)))。光谱形状可以大致写成：其中，峰值波长由下式确定：λ峰值＝(neff-nsupsinγsup)Λ/m，而光谱宽度由下式给出：Δλ＝(λ峰值ΛΓ/π)。需注意，当κa＝κw＝Γ时，R＝1。用于GMR结构的设计的基本参数可以由上面提到的等式来确定，特别是峰值位置、形状和宽度。然而，有效折射率应由类似于三层波导问题的模式色散关系来确定。由于光栅层比波长薄得多，所以它通常被忽略，并且在充分逼近中获得这种方法中的结果。可替代地，可以使用更严格的电磁计算，诸如使用本征函数方法、严格耦合波近似(RCWA)、傅立叶方法或散射矩阵方法。这些方法可以给出谐振光谱，包括吸收、峰宽的精确值以及其对光栅参数的依赖性。可商购获得的软件包可以容易地执行这些计算，诸如GSOLVER。较不繁重的方法使用特征矩阵方法，其中光栅层在有效介质近似下被均化成单轴薄膜。4×4矩阵方法可以处理各向异性层，并且它最近被本专利技术人最近用于I.Abululhalim的Anisotropiclayersinwaveguidesfortuningandtunablefiltering，SPIE会议记录6135，179-188(2006)，以显示出通过这种方式计算的有效模折射率与严格的方法非常一致。为了使峰值反射率最大化，光栅周期应当被选择成小于波长，以便仅支持零阶，并且一阶衍射存在于波导中(m＝1)。高次模的存在将降低衍射效率，并且将部分能量转移到高阶。损耗是吸收、由于尤其是在相互作用区域较大的波导层中的缺陷而引起的散射以及由于入射光束的不完美准直造成的结果。作为传感器，WG折射率和厚度应被选择为使得渐逝场在分析物区域中扩展更多。为了减少谐振区域外部的背景反射，应当注意层的设计，并且可能在层之间包括抗反射涂层(ARC)。由于涉及到繁重的数值计算，采用严格的方法并不是容易的任务，因此可以用薄膜设计软件或使用特征矩阵方法来完成优化，其中光栅膜被均化成均匀的单轴膜。可以随后用严格的计算来完成结构参数的微调。由于现有技术中的波导层通常由高折射率材料制成，并且在其顶部上，光栅通常具有大约100nm的高度，大部分的渐逝场在波导和光栅层中，因此模有效折射率neff大部分由这两层来确定。因此，谐振位置(以角或波长计)对于上覆层折射率(RI)变化的灵敏度相对较低。因此，在本专利技术中解决的另一个问题是通过使用没有波导的单层光栅并且使光栅线之间的空间留空以便分析物材料可以穿透空间区域来避免这个问题；从而增加灵敏度和可调谐性。替代方案是使用多孔波导层，以便分析物渗透到孔隙中；从而提高作为传感器的灵敏度或者作为滤光器的可调谐性。在所有先前的工作中，薄金属或薄介电光栅与波导层结合使用。在本专利技术中，使用没有波导层的亚波长厚光栅。当光栅厚度足够大时，那么反射或透射光谱变得富含峰和谷。这是由于从顶部和底部边界以及从光栅脊的侧壁反射的波之间存在干涉效应。当需要单峰操作时，可以使两个峰之间的距离足够大，这对于宽动态范围的可调谐滤光也是重要的。因此，本专利技术解决的又一问题是如何通过在入射平面上用准单色一维发散光束照射表面并使用相机检测输出图案来读取用于感测应用的信号。
技术实现思路
本申请描述了用作用于确定分析物中的生物或化学实体的的折射率或者存在和量的可调谐光谱滤光器或传感器的光学装置的实施例。这种光学装置包括：(a)周期性结构；(b)铺展在周期性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测和定量样品中的目标(生物)化学化合物(分析物)并测量其折射率的光学装置，所述装置包括：a)激发光源，所述激发光源发射用于照射周期性结构的线性偏振光束(在下文中称为“输入光束”)，b)周期性结构，所述周期性结构用于感测所述样品中的所述目标(生物)化学化合物(分析物)并且进行滤光，所述周期性结构包括：‑以下光栅层中的任何一个：A.厚光栅层，所述厚光栅层沉积在衬底上，所述光栅包括折射率之间具有较大对比的线和空间的一维或二维阵列；其中：(i)所述厚光栅层的所述线与所述空间的界面之间的菲涅耳反射高于10％；(ii)当由孔隙度高达50％的致密或多孔金属制成时，所述厚光栅层的所述线的所述厚度大于100nm，而当由电介质或半导体材料制成时，所述厚度大于50nm；并且(iii)所述厚光栅层的所述线之间的所述空间优选地是空的，使得它们被所述样品填充；B.薄介电光栅层，所述薄介电光栅层沉积在涂覆衬底的薄导电膜的顶部上；所述光栅层包括线和空间的一维或二维阵列，其中：(i)所述薄介电光栅层的所述线的厚度乘以其有效折射率小于入射光的波长；并且(ii)所述薄介电光栅层的所述线之间的所述空间优选地部分填充有与所述衬底具有相同折射率的材料，使得用作基准的所述谐振与所述主谐振相比对所述分析物不太敏感；C.电介质层的分层周期性堆叠，所述分层周期性堆叠沉积在棱镜上或衬底上，所述衬底是所述棱镜的一部分并且在每个晶胞内的所述层之间具有较大折射率对比，其中折射率最高的层是面向所述棱镜的第一个层；其中在所述分层周期性堆叠内的每个层的厚度等于在所述棱镜与所述分析物之间在临界角处的入射光的四分之一波长；或者D.周期性堆叠，所述周期性堆叠由沉积在棱镜上或衬底上的电介质/金属/电介质层的至少一个周期组成，所述衬底是所述棱镜的一部分，其中所述电介质层具有150到700nm的厚度，并且所述金属层具有30到70nm的厚度；‑等离子体纳米粒子层，所述等离子体纳米粒子层铺展在所述光栅层的顶部上；‑保护层，所述保护层用于保护所述等离子体纳米粒子层免于暴露于所述样品；以及‑粘合层，所述粘合层在所述保护层的顶部上功能化，以用于当所述样品与所述粘合层接触时，粘合来自所述样品的所述目标(生物)化学化合物或分析物；c)屏幕，在所述屏幕上将从所述周期性结构出现的所述输入光束投射到输出光束中并透射到可调谐或固定消色差波片；d)可调谐或固定消色差波片，所述可调谐或固定消色差波片用于在所述输出光束的横向电场(TE)和横向磁场(TM)偏振分量之间提供至少三个相位延迟；e)可调谐或固定输出偏振器，所述可调谐或固定输出偏振器用于分析反射离开或透射穿过所述周期性结构的所述输出光束，并且将所述输出光束透射到至少一个平行检测器阵列；f)至少一个平行检测器阵列(在下文中称为“相机”)，所述至少一个平行检测器阵列用于测量所述输出光束的光学和角参数并且将所述参数作为光学和角数据传送到处理器；g)至少一个平行检测器阵列(在下文中称为“光谱仪”)，所述至少一个平行检测器阵列用于测量所述输出光束的光学和角参数并且将所述参数作为光学和角数据传送到处理器；以及h)处理器，所述处理器用于分析所述光学数据并且以可读格式显示所述分析的光学数据；其中：(i)所述输入光束是准单色的，其中心波长对应于主要在所述入射平面中一维发散的反射或透射峰或凹中的一个，其线性偏振平面相对于所述入射平面以一定角倾斜，并且使用空间滤光器或旋转扩散器进行均匀化；或者(ii)所述输入光束是宽带的、准直的，并且其线性偏振相对于所述入射平面以一定角倾斜。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.26 US 62/209,949;2015.12.11 US 62/266,0161.一种用于检测和定量样品中的目标(生物)化学化合物(分析物)并测量其折射率的光学装置，所述装置包括：a)激发光源，所述激发光源发射用于照射周期性结构的线性偏振光束(在下文中称为“输入光束”)，b)周期性结构，所述周期性结构用于感测所述样品中的所述目标(生物)化学化合物(分析物)并且进行滤光，所述周期性结构包括：-以下光栅层中的任何一个：A.厚光栅层，所述厚光栅层沉积在衬底上，所述光栅包括折射率之间具有较大对比的线和空间的一维或二维阵列；其中：(i)所述厚光栅层的所述线与所述空间的界面之间的菲涅耳反射高于10％；(ii)当由孔隙度高达50％的致密或多孔金属制成时，所述厚光栅层的所述线的所述厚度大于100nm，而当由电介质或半导体材料制成时，所述厚度大于50nm；并且(iii)所述厚光栅层的所述线之间的所述空间优选地是空的，使得它们被所述样品填充；B.薄介电光栅层，所述薄介电光栅层沉积在涂覆衬底的薄导电膜的顶部上；所述光栅层包括线和空间的一维或二维阵列，其中：(i)所述薄介电光栅层的所述线的厚度乘以其有效折射率小于入射光的波长；并且(ii)所述薄介电光栅层的所述线之间的所述空间优选地部分填充有与所述衬底具有相同折射率的材料，使得用作基准的所述谐振与所述主谐振相比对所述分析物不太敏感；C.电介质层的分层周期性堆叠，所述分层周期性堆叠沉积在棱镜上或衬底上，所述衬底是所述棱镜的一部分并且在每个晶胞内的所述层之间具有较大折射率对比，其中折射率最高的层是面向所述棱镜的第一个层；其中在所述分层周期性堆叠内的每个层的厚度等于在所述棱镜与所述分析物之间在临界角处的入射光的四分之一波长；或者D.周期性堆叠，所述周期性堆叠由沉积在棱镜上或衬底上的电介质/金属/电介质层的至少一个周期组成，所述衬底是所述棱镜的一部分，其中所述电介质层具有150到700nm的厚度，并且所述金属层具有30到70nm的厚度；-等离子体纳米粒子层，所述等离子体纳米粒子层铺展在所述光栅层的顶部上；-保护层，所述保护层用于保护所述等离子体纳米粒子层免于暴露于所述样品；以及-粘合层，所述粘合层在所述保护层的顶部上功能化，以用于当所述样品与所述粘合层接触时，粘合来自所述样品的所述目标(生物)化学化合物或分析物；c)屏幕，在所述屏幕上将从所述周期性结构出现的所述输入光束投射到输出光束中并透射到可调谐或固定消色差波片；d)可调谐或固定消色差波片，所述可调谐或固定消色差波片用于在所述输出光束的横向电场(TE)和横向磁场(TM)偏振分量之间提供至少三个相位延迟；e)可调谐或固定输出偏振器，所述可调谐或固定输出偏振器用于分析反射离开或透射穿过所述周期性结构的所述输出光束，并且将所述输出光束透射到至少一个平行检测器阵列；f)至少一个平行检测器阵列(在下文中称为“相机”)，所述至少一个平行检测器阵列用于测量所述输出光束的光学和角参数并且将所述参数作为光学和角数据传送到处理器；g)至少一个平行检测器阵列(在下文中称为“光谱仪”)，所述至少一个平行检测器阵列用于测量所述输出光束的光学和角参数并且将所述参数作为光学和角数据传送到处理器；以及h)处理器，所述处理器用于分析所述光学数据并且以可读格式显示所述分析的光学数据；其中：(i)所述输入光束是准单色的，其中心波长对应于主要在所述入射平面中一维发散的反射或透射峰或凹中的一个，其线性偏振平面相对于所述入射平面以一定角倾斜，并且使用空间滤光器或旋转扩散器进行均匀化；或者(ii)所述输入光束是宽带的、准直的，并且其线性偏振相对于所述入射平面以一定角倾斜。2.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述光学装置是可调谐光谱滤光器。3.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述光学装置是传感器。4.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述输出偏振器是可调谐的。5.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述输出偏振器进一步与波片组合，以用于相位延迟移位，并且因此调整所述输出光束的偏振方向。6.根据权利要求5所述的光学装置，其中存在三个平行检测器，并且在每个平行检测器之前，存在一个所述输出偏振器，所述输出偏振器是固定的并且与不同波片组合，以便提供表示由每个波片引入的所述相位延迟的不同信号。7.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述衬底具有比所述光栅层中的所述光学模式的所述有效折射率小的折射率。8.根据权利要求1所述的光学装置，其还包括电介质间隔件，所述电介质间隔件保持透明玻璃板平行于所述保护层，其中所述透明玻璃板与所述保护层之间具有厚度小于400微米的间隙，所述间隙形成通道，所述流体样本可以通过所述通道被容纳或流动。9.根据权利要求8所述的光学装置，其还包括以下各项中的至少一项：(a)抗反射涂层，所述抗反射涂层覆盖所述透明玻璃板；以及(b)透明电极，所述透明电极涂覆在所述透明玻璃板的面向所述样品的侧面上，由此允许在包含所述周期性结构的所述衬底与所述透明玻璃板之间施加电场。10.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述薄介电光栅层具有小于四分之一波长的厚度，并且它与下方的波导层组合，使得在一定的波长或入射角下实现导模谐振。11.根据权利要求10所述的光学装置，其中所述薄介电光栅与至少一个金属层组合。12.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述分层周期性结构还包括添加在整个堆叠的顶部上的金属层，以用于除了临界角谐振之外提供表面等离子体谐振。13.一种由根据权利要求1所述的多个光学装置组成的阵列，其中：(i)所述阵列中的每个光学装置被构...

【专利技术属性】
技术研发人员：易卜拉辛·阿卜杜勒哈利姆，
申请(专利权)人：光子系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL