导模共振设备制造技术

一种导模共振设备，包括：‑基板，‑波导，‑与所述波导关联的光栅结构，所述光栅结构布置到所述基板的入射表面，所述入射表面意在接收由至少一个光源提供的入射光束，所述入射光束具有相对于所述波导的法线限定的入射角，所述光栅结构包括至少一个基本结构，所述至少一个基本结构包括至少第一类型光栅结构和至少第二类型光栅结构，‑其中：‑所述波导布置为将光从第一类型光栅结构传递到第二类型光栅结构，并且还将光从第二类型光栅结构传递到第一类型光栅结构，‑所述第一类型光栅结构布置为出射耦合第一光束，‑所述第二类型光栅结构布置为出射耦合第二光束，‑所述第一光束具有与所述第二光束不同的光谱分布。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光学器件领域，更具体地涉及包含光波导的设备。更具体地说，本专利技术涉及导模共振设备及其在光学传感器、光学滤波器和安全设备中的应用。
技术介绍
薄膜光学领域是光学技术中的重要领域。多种多样的滤波器和光学设备产生并用于许多行业和广泛的应用。这些薄膜光学结构、组装件和设备中的大多数由沉积有精确控制的厚度和材料参数的均匀层构成，通常它们在低压大气中实现，从而需要尖端技术。使用这样的多层滤波器的设备的示例包括但不限于：防反射滤波器、低通滤波器和高通滤波器、相位板、平板分束器、偏振滤光器、微反射镜。在这些设备中的数个设备中，薄膜光学结构可布置为使得它们的组合扩大了这些设备的潜在应用。与这些薄膜光学设备关联的重大缺点在于：通常需要大量的层以获得显著的光学效应。不例外的是，堆叠层的要求的数量大于50。这些光学设备主要通过设备的不同堆叠层的界面之间的多重反射来起作用。控制这样的设备的光学性能的技术的复杂度可能相当高并因此昂贵。此外，与多个堆叠层关联的粘附和稳定问题可能成为问题。在光学堆叠内部的散射效应和不需要的反射是目前存在的问题，尤其是在将要获得特定的光学效应，例如在其中任何杂散光可能是限制因素的高品质滤波器、干涉量度法或大功率激光应用中产生该特定的光学效应的情况下。光栅也已经广泛用作分散和过滤光束的设备。已经提出光栅和波导的组合来制作具有独特的性能的光学结构和设备，例如具有非常窄的带宽的滤波器。更具体地，由于共振波导光栅允许产生不能通过传统的光学元件实现的、特别
令人感兴趣的光学效应，所以已在共振波导光栅领域进行了相当量的开发工作。共振波导光栅还称为导模共振滤波器，由亚波长的光栅和薄膜波导的组合构成。这样的结构具有多层构造，且基本布置包括基板、薄的介电层或半导体波导层，以及可能还包括其中形成光栅的额外的层。当入射光通过光栅衍射并与波导的模式匹配时，发生所谓的共振。由于大多数光谱不耦合到波导中，所以在反射和透射中观察到强的光谱改变。在光栅开发的早期阶段已经发现这样的共振的存在(R.W.Wood，Phil.杂志，第4卷，第396-402页，1902)。这些共振属于光栅结构中的一种类型的异常衍射现象，意味着可在外部观察到的衍射级关于物理参数例如入射波的角度和/或波长的快速变化。在光栅制造的早期阶段，不能解释反射的突变。Hessel和Oliner(应用光学，第4卷，第1275-1297页，1965)指出基本上存在两种类型的光栅异常。一种称为瑞利型，它是典型的Wood异常，另一种称为共振型。瑞利型异常归因于传递到消散波的更高衍射级的能量。衍射光栅中的共振异常在本专利申请的上下文中是特别令人感兴趣的，其归因于外部入射波到由结构支持的表面导波的耦合过程。这样的光栅异常可根据结构的类型分成两种类型，且可通过使用傅立叶-瑞利近似获得精确的结果。该方法不能应用于深的光栅槽的情况。数个作者研究来自弱的波纹波导的反射。深的光栅槽的收敛性问题可通过使用严格的仿真方法例如傅立叶-莫代尔方法(FMM)或严格耦合波分析(RCWA)来缓和。通过这些新的数学工具，过去十年已经提出和开发了很多设备。导模共振结构的一个主要应用是在反射和透射时具有非常窄的光谱线宽的滤波器的设计。带宽可以设计为非常窄，大约0.1nm，且可通过参数例如光栅深度、占空比以及波导层的厚度来调整。Magnusson提出了波长选择性反射滤波器并研究了它们的线形(R.Magnusson和S.S.Wang：“用于光学滤波器的新原理(New principle for optical filters)”，Appl.Phys.Lett.，第61卷，第1022-1024页，1992)。此外，共振光栅波导结构的系统分析已经由Rosenblatt和Sharon公布：-D.Rosenblatt等人：“共振光栅波导结构(Resonating grating waveguidestructures)”IEEE J.Quantum Electron.，第33卷，编号11，第2038-2059页，1997；-A.Sharon等人：“用于可见光和近红外辐射的共振光栅波导结构(Resonating grating-wavegudie structures for visible and near-infraredradiation)”，J.Opt.Soc.Am.，第14卷，编号11，第2985-2993页，1997。Rosenblatt和Sharon在这些论文中解释了：在共振的向前传播和向后传播之间波能的高效传递归因于入射波和衍射波之间的相对相移，从而导致向前传播的波和向后传播的波的相消干涉和相长干涉。具体地，共振波导结构的限制与镜面反射现象降低滤波器的性能的事实相关。当共振波导结构用于产生特定颜色时，这些镜面反射效应还可限制共振波导结构的性能。色调由内部反射效应和/或由于镜面反射导致的效应来限制。导模共振设备还可用作传感器中的组件。通过将诸如气体或生化层的物质应用于与共振波导接触，可检测这些物质。传感器中导模共振设备的限制在于：与所述物质相互作用的波的相互作用长度受到限制，因此获得的效应小。共振波导光栅用作传感器以检测气体的存在的示例在L.Davoine等人的文章中描述，该文章是“基于波导光栅的化学敏感层的共振吸收(Resonantabsorption of a chemically sensitive layer based on waveguide gratings)”，应用光学，第52卷，编号3，第340-349页，2013。在这样的设备中，主要缺点是沿着波导的光的固有泄漏，因此不能完全吸收共振光。另外，需要在可能的吸收增强和共振波导结构的共振带宽之间选择微妙的权衡。
技术实现思路
本专利技术的目的在于至少部分地克服如现有技术中描述的导模共振设备的限制，从而提供具有改进的可见光管理性能的导模共振设备。本专利技术的另一目的在于提高用作气体和生化传感器设备中的主要组件以及用作安全设备的、这样的导模共振设备的性能。为此，本专利技术关注基于共振波导光栅的导模共振设备，至少两个光栅布置在该共振波导光栅上，通过交换由所述至少两个光栅上的入射光束提供的光而彼此通信。通过交换光，所述至少两个光栅产生具有不同的光谱分布的至少两个出射耦合的光束。更确切地说，本专利技术的目的通过以下导模共振设备实现，该导模共振设备包括：-基板，-波导，-与所述波导关联的光栅结构，所述光栅结构布置到所述基板的入射表面，所述入射表面意在接收由至少一个光源提供的入射光束，所述入射光束具有相对于所述波导的法线限定的入射角，所述光栅结构包括至少一个基本结构，所述至少一个基本结构包括至少第一类型光栅结构和至少第二类型光栅结构，所述第一类型光栅结构和至少第二类型光栅结构具有不同的光栅周期和/或不同的光栅方向。换句话说，所述第一类型光栅结构和至少第二类型光栅结构表现出不同的有效光栅周期，如将在后面详细说明的。导模共振设备的波导布置为将光从第一类型光栅结构传递到第二类型光栅结构，且还将光从第二类型光栅结构传递到第一类型光栅结构。波导由折射率比邻近波导的与入射表面相对一侧的材料的折射率高至少0.05的材料制成。这允许多种多样的材料用于基板、波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种导模共振设备(1)，包括：‑基板(10)，限定基板平面，‑波导(30)，‑与所述波导(30)关联的光栅结构，所述光栅结构布置到所述基板(10)的入射表面(12)，所述入射表面(12)意在接收由至少一个光源提供的入射光束(40)，所述入射光束(40)具有相对于所述波导(30)的法线限定的入射角，所述光栅结构包括至少一个基本共振光栅结构，所述至少一个基本共振光栅结构包括至少第一类型光栅结构(22)和至少第二类型光栅结构(24)，其中：‑所述波导(30)布置为将光从第一类型光栅结构(22)传递到第二类型光栅结构(24)，并且还将光从第二类型光栅结构(24)传递到第一类型光栅结构(22)，‑所述波导(30)由折射率比邻近波导(30)的与入射表面(12)相对一侧的材料的折射率高至少0.05的材料制成，‑所述第一类型光栅结构(22)布置为将所述入射光束的第一部分(32)入射耦合到所述波导(30)中，‑所述第二类型光栅结构(24)布置为将所述入射光束(40)的第二部分(34)入射耦合到所述波导(30)中，‑所述第一类型光栅结构(22)布置为将所述入射光束的所述第二部分(34)的出射耦合部分从所述波导(30)耦合出来，所述出射耦合部分限定第一光束(42)，‑所述第二类型光栅结构(24)布置为将所述入射光束(40)的所述第一部分(32)的出射耦合部分从所述波导(30)耦合出来，所述出射耦合部分限定第二光束(44)，‑所述第一光束(42)和所述第二光束(44)中的每个具有相对于波导(30)的法线限定的出射耦合角，所述出射耦合角限定为使得所述第一光束和第二光束(44)相对于波导(30)的法线不对称于所述入射光束，且不平行于所述入射光束(40)，‑所述第一光束(42)具有与所述第二光束(44)不同的光谱分布，‑所述第一类型光栅结构(22)和所述第二类型光栅结构(24)具有不同的光栅周期和/或在所述基板平面中不同的光栅方向。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种导模共振设备(1)，包括：-基板(10)，限定基板平面，-波导(30)，-与所述波导(30)关联的光栅结构，所述光栅结构布置到所述基板(10)的入射表面(12)，所述入射表面(12)意在接收由至少一个光源提供的入射光束(40)，所述入射光束(40)具有相对于所述波导(30)的法线限定的入射角，所述光栅结构包括至少一个基本共振光栅结构，所述至少一个基本共振光栅结构包括至少第一类型光栅结构(22)和至少第二类型光栅结构(24)，其中：-所述波导(30)布置为将光从第一类型光栅结构(22)传递到第二类型光栅结构(24)，并且还将光从第二类型光栅结构(24)传递到第一类型光栅结构(22)，-所述波导(30)由折射率比邻近波导(30)的与入射表面(12)相对一侧的材料的折射率高至少0.05的材料制成，-所述第一类型光栅结构(22)布置为将所述入射光束的第一部分(32)入射耦合到所述波导(30)中，-所述第二类型光栅结构(24)布置为将所述入射光束(40)的第二部分(34)入射耦合到所述波导(30)中，-所述第一类型光栅结构(22)布置为将所述入射光束的所述第二部分(34)的出射耦合部分从所述波导(30)耦合出来，所述出射耦合部分限定第一光束(42)，-所述第二类型光栅结构(24)布置为将所述入射光束(40)的所述第一部分(32)的出射耦合部分从所述波导(30)耦合出来，所述出射耦合部分限定第二光束(44)，-所述第一光束(42)和所述第二光束(44)中的每个具有相对于波导(30)
\t的法线限定的出射耦合角，所述出射耦合角限定为使得所述第一光束和第二光束(44)相对于波导(30)的法线不对称于所述入射光束，且不平行于所述入射光束(40)，-所述第一光束(42)具有与所述第二光束(44)不同的光谱分布，-所述第一类型光栅结构(22)和所述第二类型光栅结构(24)具有不同的光栅周期和/或在所述基板平面中不同的光栅方向。2.根据权利要求1所述的导模共振设备(1)，其中，所述基本光栅结构包括两个第一类型光栅结构(22)。3.根据权利要求2所述的导模共振设备(1)，其中，所述第二类型光栅结构(24)布置在所述两个第一类型光栅结构(22)之间，并且其中-所述第一类型光栅结构(22)中的一个布置为将所述入射光束(40)的第一部分(32)入射耦合到所述波导(30)中，-所述第一类型光栅结构(22)中的一个布置为将所述入射光束(40)的所述第二部分(34)的出射耦合部分从所述波导(30)耦合出来，所述出射耦合部分限定第一光束(42)。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的导模共振设备(1)，其中，所述波导(30)的材料可从包括TiO2、或HfO2、或Ta2O5、或ZrO2、或AlN、或Al2O3、或ZnO、或SiO2、或硅、或Si3N4、或MgF2、或CaF2、或MgO、或它们的组合的组中选择。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的导模共振设备(1)，其中，所述光栅结构布置在面对所述入射光束(40)的基板平面上。6.根据权利要求1至5中的任一项所述的导模共振设备(1)，其中，中间层(11)布置在所述基板(10)和所述光栅结构之间。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的导模共振设备(1)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)是可见光束。8.根据权利要求1至6中的任一项所述的导模共振设备(1)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)中的至少一个是红外光束。9.根据权利要求1至6中的任一项所述的导模共振设备(1)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)中的至少一个是UV光束。10.根据权利要求1至9中的任一项所述的导模共振设备(1)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)的带宽小于250nm，优选地小于100nm，并且其中，所述带宽的中心波长相差超过10nm，优选地超过30nm，更优选地超过50nm。11.根据权利要求1至10中的任一项所述的导模共振设备(1)，其中，所述第一光束(42)和所述第二光束(44)具有与所述入射角相差超过10°的出射耦合角。12.根据权利要求1至11中的任一项所述的导模共振设备(1)，其中，所述第一光束(42)和/或所述第二光束(44)的孔径小于10°，优选地小于5°，更优选地小于2°。13.根据权利要求1或12中的任一项所述的导模共振设备(1)，包括所述基本光栅结构的阵列，所述阵列包括至少两个基本光栅结构，所述阵列的每个基本光栅结构布置为与相邻的所述基本光栅结构协作。14.根据权利要求1至13中的任一项所述的导模共振设备(1)，其中，至少第三类型光栅结构布置在所述基本光栅结构中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：劳伦·达瓦纳，纪尧姆·巴塞，
申请(专利权)人：瑞士CSEM电子显微技术研发中心，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH