新型集成光路結構光譜儀及其集成光路組件的製備方法
2023-09-24 00:52:25 4
專利名稱：新型集成光路結構光譜儀及其集成光路組件的製備方法
技術領域：
本發明屬於光電子技術領域，涉及一種對集成光路結構光譜儀及其集成光路組件製備方法的改進。
常規光譜儀採用光學平臺式結構，並多採用光柵掃描方法獲得光譜曲線，光譜儀的系統部件多、結構複雜、體積龐大、價格昂貴，不利於移動使用。隨著科技的不斷發展，人們一直在為光譜儀的小型化、集成化不斷做出新的嘗試，例如，1990年，Don S.Goldman等人報導了一種光柵一光波導結構光譜儀(Don S.Goldman,et al.Applied Optics,1990,29(31),4583-4589.)參見圖1；1996年，Dietmar Sander等人報導了一種新型光柵一光波導結構光譜儀(Dietmar Sander,et al.Applied Optics,1996,35(21),4096-4101.)參見圖2，其特點是在平板光波導輸出端面製備階梯光柵；上述光譜儀均屬於集成光路結構光譜儀，在光譜測量中起關鍵作用的集成光路組件由輸入輸出光柵和平板光波導集成為一體所構成。光柵一光波導型光譜儀中的集成光路組件製備工藝簡述如下(參見圖1)首先在玻璃(或其它光學材料)襯底表面製備輸入輸出耦合光柵，然後在襯底和光柵表面沉積高折射率光波導層。已有技術在集成光路組件製備方法方面存在如下問題①由於高精度(光柵周期小於1μm)、特殊形狀(如階梯形、鋸齒形、直方形等)的閃耀光柵的製備工藝要求非常苛刻，很難製備出理想的光柵結構，因此很難獲得較高的耦合效率和較強的色散能力。②由於製備光柵的工藝設備十分昂貴，製備工藝也難於掌握，這類光柵光譜儀的製備成本和造價必然極高，並且不易批量生產，因此難於實用化。
本發明的目的是解決已有技術中由於高精度、特殊形狀的閃耀光柵難於製備，帶來耦合效率低和色散能力弱的問題；解決由於製備光柵的工藝設備十分昂貴，且製備工藝難於掌握，帶來光譜儀造價過高、難於實用化等問題；解決常規工藝無法將稜鏡耦合器製備于波導下表面(即襯底一側)的問題。本發明將提供一種微型化、集成光路結構的光譜儀及其集成光路組件的製備方法。
本發明光譜儀詳細內容見圖3、4它包括光源1、聚焦透鏡2、3、光譜信號處理系統4、集成光路組件包含矽基片5、樣品窗口6、光波導薄膜7、稜鏡8、9和光波導襯底10，矽基片5與光波導薄膜7的上表面固定接觸，在矽基片5中部開有樣品窗口6，其中裝有待測樣品，稜鏡8、9底面與光波導薄膜7的下表面固定接觸，光波導襯底10的上表面與光波導薄膜7的下表面固定接觸，光波導襯底10的兩端分別與稜鏡8、9的側面固定接觸。
由光源1發出的光經過聚焦透鏡2聚焦，由稜鏡8耦合進入光波導薄膜7，並以導模模式傳播，在傳播過程中，與待測樣品相互作用，產生特徵光譜，然後由稜鏡9耦合輸出並由聚焦透鏡3聚焦於光譜信號處理系統4中的光探測器的感光面上，形成色散光譜，最後由光譜信號處理系統4給出光譜圖。
本發明的集成光路組件製備工藝方法如下(1)對雙面拋光矽基片5進行高溫溼氧氧化，生長二氧化矽掩膜；(2)用正性光刻膠在二氧化矽掩膜表面光刻出樣品窗口圖形；(3)用化學腐蝕劑將暴露於表面的二氧化矽掩膜腐蝕掉，保留的二氧化矽掩膜做為樣品窗口的掩膜；(4)去掉光刻膠並將矽基片5倒置；(5)在矽基片5上表面採用射頻磁控反應濺射方法沉積五氧化二鉭或氮氧矽光波導薄膜7；(6)用光學膠將輸入稜鏡8、輸出稜鏡9粘接於光波導薄膜7上表面；(7)在稜鏡8、9之間注入環氧樹脂膠，經過固化形成光波導襯底10；(8)用矽腐蝕液在矽基片5上腐蝕出樣品窗口6；(9)將集成光路組件倒置既完成光譜儀集成光路組件的製備。
本發明優點或積極效果本發明的核心是採用用稜鏡做為輸入輸出耦合器和色散元件來取代光柵，本發明採用的集成光路組件的製備方法製備方法將稜鏡製備于波導薄膜下表面，解決了已有製備工藝無法將稜鏡製備于波導薄膜下表面，用稜鏡一光波導結構取代光柵一光波導結構，解決了已有技術中由於高精度、特殊形狀的閃耀光柵難於製備，帶來耦合效率低和色散能力弱的問題；解決了由於製備光柵的工藝設備十分昂貴，且製備工藝難於掌握，帶來光譜儀造價過高、難於實用化等問題；解決了光柵易受環境變化(如熱脹冷縮等)的影響，因而限制光譜儀應用範圍的問題；解決了光柵一級光譜與二級光譜重疊引起雜散光幹擾，導致光譜解析度降低的問題；本發明在小型化、集成化、便攜性和高靈敏度等方面優於常規的大型光譜儀，在光波導輸入輸出耦合效率、集成光路組件製備工藝及成本、對工作環境的適應能力和長期工作穩定性等方面優於光柵一光波導型光譜儀。
圖1已有光柵-光波導結構光譜儀示意圖。
圖2已有光柵-光波導結構光譜儀示意圖。
圖3本發明光譜儀結構正剖面示意圖。
圖4本發明矽基片樣品窗口俯視示意圖。
本發明實施例光源1採用半導體雷射器；聚焦透鏡2、3可由高色散率玻璃製成；光譜信號處理系統4包括透鏡、CCD探測器、A/D轉換電路、數據採集編輯、計算機；在本發明涉及的集成光路組件中包含部件矽基片5、樣品窗口6、光波導薄膜7、稜鏡8、9、光波導襯底10，矽基片5可採用單晶矽片；樣品窗口6製備在矽基片5的本體上，用於盛放含有各種化學物質或生化物質的待測樣品液體；光波導薄膜7可以是氮氧矽或五氧化二鉭薄膜；稜鏡8、9可由高色散率玻璃製成；光波導襯底10可由環氧樹脂製成。
在集成光路組件製備工藝過程中，矽基片選用單晶矽並定向切割，正性光刻膠可選用AZ1350J進口光刻膠，二氧化矽掩膜的製備在高溫氧化爐中進行，氧化過程中通入溼氧氣體，五氧化二鉭或氮氧矽光波導層採用射頻磁控反應濺射方法製備，濺射過程中通入氮氣或氧氣做為反應氣體，矽以及二氧化矽腐蝕液可在半導體手冊中查得，光波導襯底可選用半導體封裝工藝中所用的光學透明環氧樹脂。
權利要求
1.一種新型集成光路結構光譜儀及其集成光路組件的製備方法，它包括光源1、聚焦透鏡2、3、光譜信號處理系統4，其特徵在於集成光路組件包含矽基片5、樣品窗口6、光波導薄膜7、稜鏡8、9和光波導襯底10，矽基片5與光波導薄膜7的上表面固定接觸，在矽基片5中部開有樣品窗口6，稜鏡8、9底面與光波導薄膜7的下表面固定接觸，光波導襯底10的上表面與光波導薄膜7的下表面固定接觸、光波導襯底10的兩端分別與稜鏡8、9的側面固定接觸。
2.根據權利要求1所述的集成光路組件的製備方法，其特徵在於製備工藝方法步驟如下(1)對雙面拋光矽基片5進行高溫溼氧氧化，生長二氧化矽掩膜；(2)用正性光刻膠在二氧化矽掩膜表面光刻出樣品窗口圖形；(3)用化學腐蝕劑將暴露於表面的二氧化矽掩膜腐蝕掉，保留的二氧化矽掩膜做為樣品窗口的掩膜；(4)去掉光刻膠並將矽基片5倒置；(5)在矽基片5上表面採用射頻磁控反應濺射方法沉積五氧化二鉭或氮氧矽光波導薄膜；(6)用光學膠將輸入稜鏡8、輸出稜鏡9粘接於光波導薄膜上表面；(7)在稜鏡8、9之間注入環氧樹脂膠，經過固化形成光波導襯底10；(8)用矽腐蝕液在矽基片5上腐蝕出樣品窗口6；(9)將組件倒置既完成光譜儀集成光路組件的製備。
全文摘要
本發明屬於新型集成光路結構光譜儀及其集成光路組件的製備方法。本發明由光源、透鏡、信號處理、矽基片、樣品窗口、光波導薄膜、稜鏡和光波導襯底組成,本發明採用的製備方法將稜鏡製備於光波導薄膜下表面,用稜鏡－光波導結構取代光柵－光波導結構,提高了耦合效率和色散能力;造價低、應用範圍大;雜散光幹擾少,光譜解析度高;本發明是一種小型化、集成化、便於攜帶和高靈敏度的光譜儀。
文檔編號G01N21/47GK1315656SQ0010512
公開日2001年10月3日 申請日期2000年3月29日 優先權日2000年3月29日
發明者高福斌, 張平, 刑汝冰, 金鋒 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所