ОПТИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОД С НАНОКАНАЛОМ И ОПТОФЛЮИДНЫЙ ДАТЧИК С ТАКИМ ОПТИЧЕСКИМ ВОЛНОВОДОМ Российский патент 2018 года по МПК G02B6/122 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к оптическому волноводу, содержащему наноканал, и к оптофлюидному датчику, использующему такой оптический волновод. Такой датчик может применяться, например, для химического, биологического, биохимического или физического анализа текучей среды, в частности, в агрессивной окружающей среде. Миниатюризация датчиков для анализа текучей среды позволяет уменьшить количество текучей среды для возможного использования. Это является важным, в частности, в том случае, если текучая среда является радиоактивной. Используемые образцы текучей среды в этом случае имеют уменьшенное воздействие радиоактивности и уменьшенное время реакции. Это также имеет значительное влияние в том случае, когда текучая среда берется из процедур, производящих очень ограниченные объемы, например таких как хроматографические фракции или процедур выделения жидкость из жидкости. Эти оптофлюидные датчики используют абсорбционную спектрометрию. Измерение спектра абсорбции широко используется в любых научных областях в диапазоне от промышленных до исследовательских.

Абсорбционная спектрометрия основывается на способности химических компонентов поглощать свет на некоторых длинах волн. Это описывается законом Бугера - Ламберта - Бера, который выражается следующей формулой: P=P₀ехр(-ГαL), в которой:

- P₀ - мощность света на входе оптического волновода,

- P - мощность света, передаваемого в оптический волновод,

- α - коэффициент поглощения анализируемой текучей среды, α=εc, где ε - коэффициент молярного поглощения анализируемой текучей среды, а «c» - концентрация анализируемой текучей среды,

- Г - коэффициент взаимодействия света с текучей средой, а

- L - длина взаимодействия между светом и текучей средой.

Следует отметить, что оптический волновод, содержащий наноканал, также может использоваться в области телекоммуникаций. В этом случае канал будет заполняться текучей средой, позволяющей направляемому оптическому сигналу модулироваться, и/или фильтроваться, и/или усиливаться.

Уровень техники

Интегрированные оптические датчики для анализа текучей среды быстро развивались в последние годы. В действительности они имеют множество преимуществ: они нечувствительны к электромагнитным помехам, они универсальны и имеют хорошую точность, механическую и термическую стабильность. Они используют оптические волноводы, поперечные размеры которых находятся в диапазоне от нескольких сотен нанометров до нескольких микрометров. Взаимодействие между светом и текучей средой, подвергаемой анализу, выполняется на глубине от нескольких десятых до нескольких сотых нанометров. Оптические волноводы с вертикальными прорезями известны, например, из трех документов [1], [2], [3], ссылки на которые можно найти в конце описания. Оптический волновод включает в себя подложку 1 основания, пересекаемую сердцевиной 2, которая принимает форму двух параллельных рельсов 2.1 и 2.2, граничащих с расположенной между ними прорезью 3, предназначенной для вмещения текучей среды 4. Фиг. 1 может рассматриваться в качестве примера. Сердцевина 2 обычно выполнена из материала с высоким коэффициентом преломления, таким как нитрид кремния, при этом сама подложка 1 основания обычно выполнена из кремния. Прорезь 3 имеет поперечное сечение, ориентированное таким образом, что малая сторона по существу параллельна главной поверхности подложки 1 основания, а большая сторона по существу перпендикулярна главной поверхности подложки 1 основания. Одно из преимуществ этой структуры состоит в том, что большая часть компонентов квази-ТЕ света, направляемых в волновод, располагается в текучей среде, в результате чего увеличивается взаимодействие между подвергаемой анализу текучей средой с одной стороны и направляемым в волновод светом с другой стороны. Однако, одним из недостатков этой структуры является то, что свет должен иметь длину волны больше, чем 1.1 нанометр, если подложка является кремниевой, для того чтобы она была прозрачной.

В US 7609932 прорезь поворачивалась, при этом малая сторона поперечного сечения в этом случае была по существу перпендикулярна подложке основания. Прорезь заполняется материалом, который прозрачен для используемых длин волн и располагается между двумя слоями, образующими сердцевину оптического волновода. Этот прозрачный материал имеет более низкий коэффициент преломления, по сравнению с двумя слоями, образующими сердцевину оптического волновода. Эта конфигурация не подходит для анализа текучей среды. В другой конфигурации прорезь является незаполненной, по меньшей мере локально, текучей средой, которую можно было вводить. В этом случае уменьшаются потери и квазиэлектрический компонент света, направляемый в оптический волновод, ограничивается в текучей среде. Но соответствующий производственный способ не позволяет получить оптический волновод с большой длиной, т.е. несколько десятых сантиметра или даже несколько метров, поскольку трудно удалять материал из прорези без повреждения центрального слоя, который пересекает прорезь.

Но для того чтобы была возможность анализировать с приемлемой чувствительностью текучие среды, имеющие низкие молярные коэффициенты поглощения при уменьшенных концентрациях основываясь на законе Бугера - Ламберта - Бера, должна быть доступна большая длина взаимодействия между светом и текучей средой и таким образом достаточно длинный оптический волновод.

В настоящее время оптические волноводы этого типа производятся с помощью технологий осаждения слоев материала и травления этих слоев, причем эти технологии являются традиционными.

Раскрытие изобретения

Одной из целей настоящего изобретения является точность для обеспечения оптического волновода, содержащего канал, в частности адаптированный для анализа текучей среды с хорошей чувствительностью, даже если эти текучие среды имеют низкие концентрации и коэффициенты молярного поглощения.

Одной из целей настоящего изобретения является обеспечение оптического волновода, который имеет потери диффузии или излучения в значительно меньшей степени, чем в техники существующего уровня. Потери диффузии возникают вследствие применяемой технологии, шероховатости волновода, принимая во внимание потери излучения вследствие кривизны волновода.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечение оптического волновода, который может измеряться несколькими десятками сантиметров, или даже несколькими десятками метров, и который может иметь опорную поверхность со стороной, равной только нескольким сантиметрам.

Другой целью изобретения является обеспечение оптического волновода, который при использовании с текучими средами не создает риск блокировать текучую среду внутри канала и препятствовать ее протеканию.

Еще одной целью изобретения является обеспечение оптического волновода, который при использовании с текучими средами не создает трудности для его заполнения или освобождения.

Еще одной целью изобретения является обеспечение оптического волновода, который при использовании с текучими средами не подвергаются риску повреждения из-за давления, создаваемого текучей средой.

Чтобы достигнуть этих целей настоящее изобретение предлагает примыкание двух подложек, каждая из вмещает в себя оптическую направляющую структуру, открытую на поверхности этих подложек, и обеспечение канала в одной из двух или обеих оптических направляющих структурах.

Если более подробно, то настоящее изобретение обеспечивает оптический волновод, содержащий первую подложку, включающую в себя первую оптическую направляющую структуру, находящуюся на одном уровне с поверхностью первой подложки, вторую подложку, включающую в себя вторую оптическую направляющую структуру, находящуюся на одном уровне с поверхностью второй подложки, причем эти две подложки собираются с наложением этих поверхностей таким образом, что две оптические направляющие структуры обращены друг к другу и проходят в том же самом направлении, при этом канал устанавливается между первой и второй оптическими направляющими структурами, ориентированными вдоль вышеуказанного направления, этот канал имеет поперечное сечение, больший размер которого ориентирован по существу параллельно поверхности первой подложки и поверхности второй подложки, этот канал предназначается для вмещения текучей среды.

Этот канал может перекрывать первую оптическую направляющую структуру, вторую оптическую направляющую структуру, или и первую, и вторую оптические направляющие структуры.

Первая оптическая направляющая структура и вторая оптическая направляющая структура выбираются из сердцевины плоскостного оптического волновода или сердцевины полоскового оптического волновода.

Предпочтительно, в частности для того, чтобы улучшать поперечное удержание оптического сигнала, направляемого в волновод и уменьшения потерь мощности, вызванным возможной кривизной волновода, волновод дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один резервуар, прилегающий в поперечном направлении к каналу и имеющий постоянное соединение с ним по существу на всем протяжении длины канала.

Оптический волновод может быть прямолинейным волноводом, но чтобы можно было получить выгоду от большой длины оптического волновода с малой опорной поверхностью, предпочтительно, чтобы он принимал змеевидную форму, спиральную форму, или такую форму, которая объединяет попарно или по три эти три формы.

Альтернативно, оптический волновод может быть кольцевой резонансной структурой или резонансной структурой Фабри-Перо, заканчивающейся брэгговским отражателем или отражателями другого типа.

Предпочтительно, для того чтобы гарантировать хорошую циркуляцию текучей среды, предназначенной для циркуляции в канале, этот канал имеет гидрофильную внутреннюю поверхность.

Для этой же цели предпочтительно, чтобы резервуар имел гидрофильную внутреннюю поверхность.

Альтернативно, канал мог бы иметь гидрофобную внутреннюю поверхность. Резервуар мог бы иметь гидрофобную внутреннюю поверхность.

Предпочтительно, первая подложка и вторая подложка выполнены из стекла, поскольку стекло имеет низкую чувствительность к оптическому повреждению, и с ним легко работать. Оно имеет хорошее химическое сопротивление и позволяет совместное объединение оптических и микрожидкостных функций.

Настоящее изобретение также относится к оптическому датчику для анализа текучей среды, который включает в себя оптический волновод, соответственно характеризующийся двумя резервуарами на одной из двух сторон канала, средствами для впуска текучих сред в канал, которые присоединяются к одному из резервуаров, и средствами для выпуска текучей среды из канала, которые присоединяются к другому резервуару.

Настоящее изобретение также относится к устройству для спектрометрии, включающему в себя оптический датчик, соответственно характеризующийся, источник света, присоединенный к одному концу оптического волновода, и анализатор спектра, присоединенный к другому концу оптического волновода.

Настоящее изобретение также относится к способу изготовления оптического волновода, содержащего канал, при этом способ включает в себя следующие шаги:

- формирование в первой подложке первой оптической направляющей структуры, находящейся на одном уровне с поверхностью первой подложки, и формирование во второй подложке второй оптической направляющей структуры, находящейся на одном уровне с поверхностью второй подложки;

- формирование канала, перекрывающего первую подложку, вторую подложку, или первую и вторую подложки вместе, причем этот канал предназначается для вмещения текучей среды;

- переворачивание одной из подложек относительно первой подложки и второй подложки;

- выравнивание и сборка первой подложки и второй подложки через их поверхности, для того чтобы обе их оптические направляющие структуры накладывались обращенными одна к другой и проходили в том же самом направлении, при этом канал устанавливается между первой оптической направляющей структурой и второй оптической направляющей структурой и направлен вдоль вышеуказанного направления. Этот канал имеет больший размер поперечного сечения, ориентированный по существу параллельно поверхности первой подложки и поверхности второй подложки.

Шаг формирования канала производится перед или после шага формирования первой оптической направляющей структуры и перед или после шага формирования второй оптической направляющей структуры.

Предпочтительно обеспечивать после шагов формирования первой оптической направляющей структуры, формирования второй оптической направляющей структуры, формирования канала, и перед шагом поворачивания одной из подложек шаг формирования по меньшей мере одного резервуара, прилегающего в поперечном направлении к каналу и имеющего постоянное соединение с ним по существу на всем протяжении длины канала.

Шаг формирования первой оптической направляющей структуры и шаг формирования второй оптической направляющей структуры содержат шаги ионного обмена, ионной имплантации или диффузии, формирования фотоизображения или дополнительного разрешения локально модифицированного коэффициента преломления первой и второй подложек.

Для улучшения циркуляции текучей среды является предпочтительным дополнительно обеспечивать шаг обработки для гидрофилизации или гидрофобизации внутренней поверхности канала и/или внутренней поверхности резервуара.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более понятным после прочтения описания показательных вариантов осуществления изобретения, приведенных исключительно в качестве индикативных, но никоим образом не ограничивающих целей изобретения, со ссылками на сопроводительные чертежи, в которых:

Фиг. 1 - описан вид поперечного сечения оптического волновода с прорезью, в соответствии с существующим уровнем техники.

Фиг. 2А, 2В, 2С - поперечные сечения нескольких альтернативных оптических волноводов, объектов изобретения.

Фиг. 3А, 3В, 3С, 3D - виды сверху различных конфигураций оптического волновода, объекта изобретения.

Фиг. 4 иллюстрирует потери излучения, как функции радиуса кривизны оптических волноводов изобретения, обеспеченных или не обеспеченных резервуарами.

Фиг. 5А, 5В, 5С - виды поперечного сечения нескольких альтернативных оптических волноводов, объектов изобретения, обеспеченных по меньшей мере одним резервуаром.

Фиг. 6А1 и 6А2 - 6I1 и 6I2, 6J представляют шаги способа изготовления оптического волновода, объекта изобретения.

Фиг. 7 иллюстрирует оптический датчик для анализа текучей среды с использованием оптического волновода, в соответствии с изобретением, и спектрометр, содержащий такой оптический датчик.

Идентичные, подобные или эквивалентные части на различных фигурах, описываемых в дальнейшем, содержат одинаковые цифровые позиции, для того чтобы облегчить переход от одной фигуры к другой.

Различные части, представленные на фигурах, не обязательно начерчены в одном масштабе, чтобы сделать фигуры более разборчивыми.

Эти различные альтернативные варианты, представленные здесь, не следует рассматривать как взаимоисключающие.

Осуществление изобретения

Сначала будут описаны фиг. 2А, 2В, 2С, которые показывают поперечные сечения первых примеров оптического волновода, в соответствии с изобретением. Оптический волновод, содержащий канал, в соответствии с изобретением, включает в себя первую подложку 10 и вторую подложку 20, каждая из которых имеет так называемую главную поверхность, соответственно 11 и 21. Они соединены главными поверхностями 10, 20. Первая подложка 10 включает в себя первую оптическую направляющую структуру 12. Эта первая оптическая направляющая структура 12 находится на одном уровне с поверхностью 11 первой подложки 10 и открыта на поверхности первой подложки 10. Первая оптическая направляющая структура 12 образует сердцевину оптического волновода, а первая подложка 10 образует оболочку оптического волновода, при этом первая подложка, включающая в себя первую оптическую направляющую структуру 12, образует первый оптический волновод.

В примере, показанном на фиг. 2А и 2В, первый оптический волновод является полосковым волноводом, в примере на фиг. 2С он является планарным волноводом.

Вторая подложка 20 включает в себя вторую оптическую направляющую структуру 22. Эта вторая оптическая направляющая структура находится на одном уровне с поверхностью 21 второй подложки 20 и открывается на поверхности второй подложки 20. Вторая оптическая направляющая структура образует сердцевину оптического волновода, а вторая подложка образует оболочку оптического волновода, при этом все они образуют второй оптический волновод. Оптические волноводы являются прилегающими.

В примере, показанном на фиг. 2А и 2С, второй оптический волновод является плоскостным волноводом, в примере на фиг. 2В он является полосковым волноводом.

Первая оптическая направляющая структура и вторая оптическая направляющая структура наложены одна на другую, обращены друг к другу и проходят в одном направлении. Это направление является направлением z, представленным на фиг. 2А, 2В, 2С. Прилегающие поверхности 11, 21 подложек 10, 11 образуют границу раздела, общую для обоих волноводов.

Коэффициент преломления первой и второй структур оптического волновода более высокий, чем коэффициент подложки, в которую они встроены.

Канал 30 устанавливается между первой и второй направляющими структурами. Он может быть сформирован в первой направляющей структуре, как показано на фиг. 2С, во второй направляющей структуре, как показано на фиг. 2А, или перекрывать как первую оптическую направляющую структуру, так и вторую оптическую направляющую структуру, как показано на фиг. 2В. Канал 30 проходит в том же направлении z, как первая и вторая оптические направляющие структуры. Поперечное сечение канала 30 имеет больший размер, по существу ориентированный параллельно поверхности 11 первой подложки 10 и поверхности 21 подложки 20. Канал 30 имеет меньший размер по существу перпендикулярно этим поверхностям 11, 21.

Оптические направляющие структуры предназначены для распространения света. В варианте использования для анализа текучей среды канал 30 предназначен для вмещения текучей среды.

Также возможно, что оптический волновод, содержащий канал, являющийся объектом изобретения, является прямолинейным волноводом. Фиг. 3С, 3D, которые будут описаны в дальнейшем, показывают прямолинейные сегменты 50, 52 оптического волновода, содержащего канал.

Предпочтительно, в частности в тех вариантах использования, в которых осуществляются попытки иметь наибольшую возможную длину взаимодействия текучая среда/свет, оптический волновод, содержащий канал, изогнут в виде спирали, как показано на фиг. 3А, или змеевидно изогнут, как показано на фиг. 3В. Более часто, как показано на фиг. 3А, используется двойная спираль, при этом оптический волновод складывается как шпилька для волос и закручивается как винтовая линия. Конечно возможно комбинирование этих форм попарно или по три.

Альтернативно, оптический волновод, содержащий канал и являющийся объектом изобретения, может образовывать кольцевую резонансную структуру, как проиллюстрировано на фиг. 3С. Здесь имеется щелевой оптический волновод, сконфигурированный в виде кольца 53 и прямолинейный сегмент 52 щелевого оптического волновода, связанный с кольцом. Объединение происходит за счет проникающих волн.

Альтернативно, оптический волновод, содержащий канал, объект изобретения, может образовывать резонансную структуру Фабри-Перо, как проиллюстрировано на фиг. 3D. Сегмент оптического волновода, содержащий канал, обозначенный позицией 50, окружен на двух концах брэгговскими отражателями 51. Альтернативно могут использоваться другие типы отражателей, являющихся в большей или меньшей степени отражающими зеркалами, в зависимости от желаемого варианта применения. Эти структуры хорошо известны специалистам в данной области техники.

Хорошо известно, что когда оптический волновод искривлен, часть направляемой электромагнитной волны, которая распространяется в нем, просачивается из сердцевины, т.е. существуют потери излучения или кривизны.

В соответствии с альтернативным вариантом, позволяющим очень существенно минимизировать излучение вследствие кривизны, оптический волновод, содержащий канал, оснащен по меньшей мере одним резервуаром 40, примыкающим сбоку к каналу 30, который непрерывно связан с каналом 30, по существу на протяжении всей его длины. Можно сослаться на фиг. 5А и 5В, 5С. Фиг. 5В показывает единственный резервуар 40, а фиг. 5А, 5С показывают два резервуара, которые с боковых сторон окружают канал 30. Резервуар(ы) 40 соединяются с каналом 30 на самой малой стороне. Оптический волновод, содержащий канал, представленный на фиг. 5А, аналогичен волноводу, представленному на фиг. 2А; волновод, представленный на фиг. 5В, аналогичен волноводу, представленному на фиг. 2В; волновод, представленный на фиг. 5С, аналогичен волноводу, представленному на фиг. 2С. Использование единственного резервуара 40 имеет интерес, в частности, в том случае, если волновод имеет только единственное направление кривизны. В этом случае резервуар 40 размещается на выпуклом крае канала 30. Одна из целей резервуара 40 состоит в том, чтобы увеличивать поперечное удержание электромагнитного поля в текучей среде, чтобы избежать его утечек из-за кривизны.

На фиг. 5А, 5В, 5С представлено поперечное сечение резервуаров 40. Больший размер p_r этого поперечного сечения может быть ориентирован по существу перпендикулярно поверхности первой и второй подложек, в то время как малый размер l_r ориентирован по существу параллельно этим поверхностям. Переворачивание является возможным с одной стороны и с другой стороны, поперечное сечение резервуара может иметь два поперечных размера p_r и l_r, которые по существу равны.

Для того чтобы присутствие резервуаров 40 было результативным, конечно они должны быть достаточно близкими к первой и второй оптическим направляющим структурам 12, 22. Другой интерес в использовании резервуара(ов) 40 состоит в том, чтобы облегчать наполнение и опустошение канала 30, без создания давления, которое приводит к деформации или повреждению волновода. В частности, при наличии двух резервуаров 40, может быть гарантирован непрерывный поток текучей среды в канале 30, даже в том случае, когда канал является криволинейным, за счет впрыскивания текучей среды в один из резервуаров и за счет извлечения ее из резервуара, например, с помощью насоса другого резервуара. Альтернативно, текучая среда может впрыскиваться в оба резервуара или даже два источника текучей среды могут производить впрыскивание в каждый из резервуаров отдельным путем.

Другой целью резервуара(ов) 40 является обеспечение возможности для канала заполняться без создания внешнего давления и ограничения капиллярного давления. Еще одной целью резервуара(ов) является обеспечение возможности для канала заполняться без установки значительного гидродинамического потока всего образца текучей среды в оптической зоне соединения. Другой задачей резервуара(ов) 40 является уменьшение чувствительности волновода к проблемам закупоривания.

Когда анализ текучей среды выполняется с помощью оптического волновода, содержащего канал и являющегося задачей изобретения, первая текучая среда может переключаться на вторую текучую среду без остановки процесса измерения, при этом поток является непрерывным, первая текучая среда целиком заменяется второй текучей средой через некоторое время. Время присутствия первой текучей среды в канале зависит, среди других факторов, от расстояния между обоими резервуарами. Содержимое каждого резервуара может быть неодинаковым.

Максимальные размеры, которые может иметь поперечное сечение канала 30 и резервуаров 40 сейчас будут приведены в качестве неограничивающего примера. Эти размеры обозначаются на фиг. 5А и 5В. Большой размер d_r или ширина поперечного сечение канала 30, предпочтительно, меньше или равна 100 мкм. Это соответствует разнесению между обоими резервуарами 40. Малый размер p_nc или глубина канала 30, предпочтительно, меньше или равна 100 нм. Этот размер может падать до одного нанометра. Способ производства волновода, содержащего канал, который будет сейчас описываться, позволяет это осуществить. Это не был случай волноводов ранее упоминавшихся документов существующего уровня техники. Приведенные сейчас размеры хорошо подходят для использования при конфигурации волновода с прорезью, но для конфигурации волн исчезающего типа эти поперечные размеры могут быть больше. В действительности, интегрированная абсорбционная спектрометрия также используется с датчиками исчезающих волн.

Поперечные размеры p_r и l_r резервуаров, предпочтительно, будут больше или равны одному микрометру, чтобы сохранить одну из главных целей резервуаров, это главным образом понижение давления, создаваемого текучей средой.

На фиг. 4 представлен график, иллюстрирующий потери, связанные с кривизной (в дБ/см) как функции радиуса кривизны волновода, содержащего канал и являющегося задачей изобретения. Эти потери выражаются для волновода, содержащего канал, свободного от резервуаров, и для волновода, содержащего канал, обеспеченного двумя резервуарами. Самая темная непрерывная кривая является экспоненциальной функцией, которая проходит через большую часть пересечений, соответствующих потерям оптического волновода, не содержащего резервуары.

Эти потери были получены с помощью моделирования, используя применение программного обеспечения AFMM (Aperiodic Modal Fourier Method, апериодический модальный метод Фурье). Для этого моделирования был использован оптический волновод, содержащий канал и являющийся задачей изобретения, размеры которого, разъяснявшиеся выше, являются следующими:

Канал: d_r=30 микрометров и p_nc=100 нанометров.

Резервуары: l_r=1 микрометр и p_r=2 микрометров.

Следует отметить, что в случае оптического волновода с резервуарами должен быть получен радиус кривизны в 3 мм, который позволяет обеспечить уровень потерь меньше, чем 0,5 дБ/см, в то время как радиус кривизны не может быть ниже, чем 15 мм, чтобы достигнуть этого уровня потерь при использовании оптического волновода без резервуаров. Эти потери рассматриваются как незначительные, если они меньше или равны 0,5 дБ/см. В двойной спиральной структуре, которая иллюстрируется на фиг. 3А, критический радиус Rmin кривизны оптического волновода на его складчатой части не должен быть меньше, чем 3 мм для оптического волновода с резервуарами и меньше, чем 15 мм для оптического волновода без резервуаров. Это позволяет иметь намного большую длину взаимодействия с резервуарами для одинаковой опорной поверхности, по сравнению с тем случаем, если бы это была только единичная спираль.

Показательный способ для изготовления оптического волновода, являющегося задачей изобретения, сейчас будет описываться со ссылками на фиг. от 6А1-6А2 до 6I1-6I2 и 6J.

Во-первых, существует первая подложка 100 и вторая подложка 200, например, из стекла (фиг. 6А1 и 6А2). Стекло является привлекательным материалом в этом варианте применения, поскольку он имеет низкую чувствительность к оптическому повреждению, хорошую прочность, стабильность и универсальность, исходя из его химических обработок. Подложки 100 и 200, имеющие состояние с не очень шероховатой поверхностью, выбираются таким образом, чтобы они были совместимыми с микроэлектроникой. Альтернативно, эти подложки 100, 200 могут быть выполнены из полупроводникового материала, такого как кремний, или из полимерного пластического материала, или любого другого материала, подходящего для волноводов. Поверхность каждой из подложек покрывается маской. Маски соответственно обозначены 101, 201 (фиг. 6В1, 6В2). Маски 101, 201 могут быть из алюминия или любого другого материала, невосприимчивого к обменным ионам.

Окно 102, 202 открывается в каждой из этих масок 101, 201, как правило с помощью литографии (фиг. 6С1 и 6С2). Ограничение окна 102, 202 направлено на разграничение первой оптической направляющей структуры на первой подложке и определение границы второй оптической направляющей структуры на второй подложке.

В окне 102 по меньшей мере одной маски 101 может быть выполнен шаг травления, направленный на разъедание поверхности подложки 100, для того чтобы выполнить канал 103. Этот шаг травления (фиг. 6D1) может выполняться с помощью микромеханической обработки, влажного или сухого химического травления. Этот шаг обеспечивает канал, по меньшей мере, с этой глубиной, размеры его поверхности будут окончательными размерами или могут в дальнейшем обрабатываться повторно в том случае, если будут формироваться резервуары. Также можно обходиться без маски и канал также может быть сформирован с помощью лазерного удаления материала.

В описанном примере канал 103 прорывается только в первой подложке 100. Вторая подложка 200, соответственно, не изменялась между фиг. 6С2 и 6D2.

Этот шаг травления может быть выполнен только во второй подложке или даже в обеих подложках.

В каждой из подложек 100, 200 будет создаваться оптическая направляющая структура 104, 204, находящаяся на одном уровне с поверхностью подложек 100, 200. Это может быть выполнено с помощью ионного обмена на поверхности каждой из подложек 100, 200 (фиг. 6Е1, 6Е2). Таким образом обе подложки 100, 200 после нанесения маски могут быть погружены в ванну расплавленной соли, содержащую например катионы Ag⁺ или K⁺, или даже Ti⁺. На местах окон 102, 202 будет производиться обмен между катионами Na⁺ стекла и катионами соляной ванны. Это вызывает увеличение коэффициента преломления в открытой зоне и в результате приводит к формированию оптической направляющей структуры 104, 204, размеры поверхности которой зависят от размеров окна 102, 202, обеспечиваемого в маске 101, 201. Поперечные размеры оптических направляющих структур могут быть регулируемыми, если обеспечиваются резервуары.

Другие способы могут применяться для того, чтобы формировать оптическую направляющую структуру, например, такие как ионная имплантация или диффузия, формирование фотоизображения или любой другой способ, способный локально изменять коэффициент преломления первой и второй подложек.

Шаг формирования оптических направляющих структур и шаг формирования канала могут быть реверсированы. Канал проходит, по меньшей мере частично, в оптических направляющих структурах. В первой подложке 100 оптическая направляющая структура 104 является плоской направляющей структурой, а во второй подложке 200 оптическая направляющая структура 204 является полосковой направляющей структурой.

Последующий шаг является шагом удаления масок (фиг. 6F1, 6F2).

Если оптический волновод, содержащий канал, не имеет резервуара, то достаточно перевернуть одну из подложек, чтобы выровнять их по отношению друг к другу таким образом, что обе оптические направляющие структуры 104, 204 являются наложенными и обращенными одна к другой, а также чтобы собрать обе подложки одну к другой. Обе оптические направляющие структуры 104, 204 в этом случае проходят в одинаковом направлении. Эта сборка может быть выполнена с помощью молекулярного соединения, анодного, термического или химического соединения. Этот шаг не иллюстрируется в этой конфигурации. Фиг. 6J может рассматриваться как иллюстрация выравнивания и сборки.

Если обеспечивается один или более резервуаров, то маска 105, 205 снова накладывается на поверхность каждой из обеих подложек 100, 200 (фиг. 6G1, 6G2). Материал маски зависит от способа травления, это может быть, например, алюминий, оксид алюминия, хром, канифоль.

Они открываются с помощью литографии таким образом, чтобы формировать окна 106, 206 по периметру резервуаров. Эти резервуары в конечном итоге обеспечиваются на каждой из двух сторон канала 104, который в этих примерах будет уменьшен в поперечном направлении. Этот шаг открывания окон иллюстрируется на фиг. 6Н1, 6Н2. Резервуары также соединяются с каналом непрерывно по всей длине канала. Подложки 100, 200 вытравливаются на глубину окон 106, 206 масок 105, 205. Этот шаг травления резервуаров может быть, как и шаг травления канала, например, травлением с помощью микромеханической обработки, влажного или сухого химического травления. Может использоваться лазерное удаление материала, и в этом случае маска уже больше не является необходимой. В каждой подложке 100, 200 вытравливается только часть резервуара 107, 207 (фиг. 6I1, 6I2). Резервуары 108, 208 будут закончены только во время сборки обеих подложек 100, 200 за счет наложения двух частей резервуаров 107 и 207, обращенных друг к другу. Вытравливаемые части резервуара в первой подложке приводят к уменьшению ширины канала 104. Это также облегчает последующее выравнивание обеих подложек.

Затем маски, связанные с резервуарами, удаляются (фиг. 6I1, 6I2).

Остается только одна операция для сборки обеих подложек 100, 200, состоящая в поворачивании одной из них и выравнивании, как описывалось ранее (фиг. 6J).

Шаг обработки поверхностей этих подложек, направленный на гидрофилизацию внутренних поверхностей канала и резервуаров, может быть обеспечен в том случае, если текучая среда, которая должна анализироваться, находится в водяной фазе.

Могут предполагаться и другие виды обработки, например, гидрофобизация внутренних поверхностей канала и резервуаров, если текучая среда, которая должна анализироваться, находится в водяной фазе. Выбор свойства, которое должно придаваться этим поверхностям, зависит от используемой текучей среды.

Эти обработки не являются проблемой для специалистов в данной области техники.

Затем требуется ополаскивание подложек и их высушивание. Гидрофильная поверхность позволит текучей среде лучше распространяться и будет способствовать ее протеканию. Возможно, что этот шаг обработки требуется только для канала 104, она может производиться предварительно, например, после шага, который иллюстрируется на фиг. 6F1, 6F2, но перед шагом накладывания маски, который иллюстрируется на фиг. 6G1, 6G2.

Предпочтительно обеспечивать шаг мойки подложек непосредственно перед каждым шагом накладывания маски и перед окончательной сборкой обеих подложек.

Может быть множество подходящих способов мойки и они не являются проблемой для специалистов в данной области техники.

Далее будет описываться со ссылкой на фиг. 7 устройство для анализа текучей среды с помощью спектрометрии. Это устройство включает в себя оптический датчик 600, включающий в себя оптический волновод 600, содержащий канал 60, в соответствии с изобретением, взаимодействующий с устройством 61 впуска текучей среды и устройством 62 выпуска текучей среды. Датчик может быть датчиком исчезающей волны.

На этой фигуре оптический волновод, содержащий канал 60, располагается в виде двойной спирали. Спираль представлена на фиг., при этом предполагается, что часть верхней подложки (или вышележащий слой) была удалена. Конечно волновод мог бы иметь другую форму: например змеевидную или прямолинейную форму, в частности, если нет необходимости в высокой чувствительности.

Оптический волновод, содержащий канал 60, обеспеченный сбоку на каждой стороне канала резервуарами, соединяющимися с каналом. Резервуары здесь являются невидимыми. Один из резервуаров присоединяется к устройству 61 для впуска текучей среды. Другой резервуар присоединяется к устройству 62 для выпуска текучей среды. По меньшей мере одно из впускных средств для текучей среды и выпускных средств для текучей среды может включать в себя насос для всасывания или впрыскивания (не представлены). Эти устройства 61 для впуска текучей среды и устройства 62 для выпуска текучей среды принимают форму пузырьков. Альтернативно, они могут принимать форму, например, спринцовки. Непрерывные измерения потока текучей среды можно выполнять, не беспокоясь о блокировании текучей среды в канале или повреждения канала вследствие очень высокого давления текучей среды.

Один из концов оптического волновода, содержащего канал 60, присоединяется через оптическое волокно 63 к источнику 64 света, например такому, как лазерный диод, сверхлюминесцентный диод, лазер, супернепрерывный лазерный источник, источник белого света. При выборе источника 64 света важным является достаточная мощность для сигнала, который должен обнаруживаться на выходе из оптического волновода, содержащего канал, а также то, чтобы диапазон длины волны адаптировался к текучей среде, которая должна анализироваться. Источник белого света и супернепрерывный лазерный источник являются особенно интересными, поскольку они могут покрывать диапазон длины волны в несколько сотен нанометров.

Другой конец оптического волновода, содержащего канал 60, присоединяется через другое оптическое волокно 65 к спектральному анализатору 66. Оба оптических волокна 63 и 65 адаптируются к источнику 64 света. Они присоединяются к источнику 64 света и к оптическому волноводу, содержащему канал 60, для первого оптического волокна и к оптическому волноводу, содержащему канал 60 и спектральному анализатору 66 для другого оптического волокна с помощью соответствующих соединителей.

Источник 64 света, оптический волновод, содержащий канал 60, и спектральный анализатор 66 могут быть объединены в той же самой интегральной схеме 60.1.

Такое устройство для спектрометрии может быть использовано для того, чтобы выполнять молекулярную спектрометрию, абсорбционную спектрометрию, флуоресцентную спектрометрию или колориметрию. Оптический датчик, являющийся задачей изобретения, может обычно использоваться в химии, для анализа процессов разделения в ядерной промышленности, для анализа текучих сред, таких как отработанные масла или загрязненная вода, чтобы производить объемные титрометрические анализы, измерения водородного показателя pH. В биологии оно может быть использовано для раскручивания нитей ДНК. Могут предполагаться другие варианты применения, например, чтобы производить измерения атмосферного загрязнения.

Увеличение длины взаимодействия между текучей средой и светом за счет искривления оптического волновода, содержащего канал, позволяет увеличить чувствительность датчика без привнесения дополнительных потерь. Это может быть использовано с множеством текучих сред.

Хотя несколько вариантов осуществления изобретения были представлены и подробно описаны, должно быть понятно, что различные изменения и модификации могут обеспечиваться без выхода за пределы объема изобретения. В частности, могут использоваться другие способы и травления и наложения, уже разработанные и известные специалистам в данной области техники.

Цитированные документы

[1] «Slot-waveguide biochemical sensor», С.A. Barrios и другие, Optics Letters/ том 32, №21/1 ноября 2007 г., стр. 3080-3082.

[2] «Guiding and confining light in void nanostructure», V.R. Almeida, 1 июня 2004 г. Том 29, №11/ Optics Letters, стр. 1209-1211.

[3] «Demonstration of slot-waveguide structures on silicon nitride/silicon oxide platform», C.A. Barrios и другие, 28 мая 2007/том 15, №11/ Optics Express, стр. 6846-6856.

Группа изобретений относится к оптическим волноводам. Оптический волновод содержит первую и вторую подложки, включающие в себя первую и вторую оптические направляющие структуры, заделанные заподлицо с поверхностью первой и второй подложек. Причем эти подложки собраны вместе путем наложения одной на другую своими поверхностями таким образом, что две указанные оптические направляющие структуры обращены одна к другой и вытянуты в одном и том же направлении, при этом между первой и второй оптическими направляющими структурами образован канал, направленный вдоль указанного направления, причем больший размер канала в поперечном сечении ориентирован по существу параллельно указанным поверхностям первой и второй подложек, и указанный канал предназначен для вмещения текучей среды. Оптический датчик для анализа текучей среды содержит оптический волновод, два резервуара, соединенное с одним из резервуаров средство для впуска текучих сред в канал и соединенное с другим резервуаром средство для выпуска текучей среды из канала. Технический результат заключается в обеспечении оптического волновода с низкой потерей диффузии, минимальными размерами и повышенной надежностью. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Оптический волновод, содержащий первую подложку (10), включающую в себя первую оптическую направляющую структуру (12), заделанную заподлицо с поверхностью (11) первой подложки (10), вторую подложку (20), включающую в себя вторую оптическую направляющую структуру (22), заделанную заподлицо с поверхностью (21) второй подложки (20), причем эти две подложки (10; 20) собраны вместе путем наложения одна на другую своими поверхностями (11, 21) таким образом, что две указанные оптические направляющие структуры (12, 22) обращены одна к другой и вытянуты в одном и том же направлении (z), при этом между первой и второй оптическими направляющими структурами (12, 22) образован канал (30), направленный вдоль указанного направления (z), причем больший размер (dr) канала (30) в поперечном сечении ориентирован по существу параллельно указанной поверхности (11) первой подложки (10) и указанной поверхности (22) второй подложки (20), и указанный канал предназначен для вмещения текучей среды.

2. Оптический волновод по п. 1, в котором канал (30) перекрывает первую оптическую направляющую структуру (12), вторую оптическую направляющую структуру (12) или указанные первую и вторую оптические направляющие структуры (12, 22).

3. Оптический волновод по п. 1, в котором первая оптическая направляющая структура (12) и вторая оптическая направляющая структура (22) выбраны из следующих компонентов: сердцевина планарного оптического волновода и сердцевина полоскового оптического волновода.

4. Оптический волновод по п. 1, дополнительно содержащий по меньшей мере один резервуар (40), примыкающий сбоку к каналу (30) и непрерывно связанный с ним по существу по всей длине канала (30).

5. Оптический волновод по п. 1, характеризующийся тем, что он имеет прямолинейную форму, или змеевидную форму, или спиральную форму, или в нем скомбинированы указанные три формы попарно или по три.

6. Оптический волновод по п. 1, характеризующийся тем, что он образует кольцевую резонансную структуру или резонансную структуру Фабри-Перо, заканчивающуюся брэгговскими отражателями или отражателями (51) другого типа.

7. Оптический волновод по п. 1, в котором канал (30) имеет гидрофильную или гидрофобную внутреннюю поверхность.

8. Оптический волновод по п. 4, в котором резервуар (40) имеет гидрофильную или гидрофобную внутреннюю поверхность.

9. Оптический волновод по п. 1, в котором первая подложка (10) и вторая подложка (20) выполнены из стекла.

10. Оптический датчик для анализа текучей среды, содержащий оптический волновод (60) по п. 4, два резервуара (40), по одному с каждой стороны канала, средство (61) для впуска текучих сред в канал, причем указанное средство (61) соединено с одним из резервуаров (40), и средство (62) для выпуска текучей среды из канала, причем указанное средство (62) соединено с другим резервуаром (40).

11. Спектрометр, содержащий оптический датчик по п. 10, источник (64) света, соединённый с одним концом оптического волновода (60), и анализатор (66) спектра, соединённый с другим концом оптического волновода (60).

12. Способ изготовления оптического волновода с каналом, содержащий шаги, на которых:

- формируют в первой подложке (100) первую оптическую направляющую структуру (104) заподлицо с поверхностью указанной первой подложки и формируют во второй подложке (200) вторую оптическую направляющую структуру (204) заподлицо с поверхностью указанной второй подложки (200);

- формируют канал (103), перекрывающий первую подложку (100), или вторую подложку (200), или первую и вторую подложки (100, 200), причём указанный канал предназначен для вмещения текучей среды;

- переворачивают одну подложку (100) из указанных первой подложки и второй подложки;

- собирают вместе указанную первую подложку (100) с указанной второй подложкой (200), выравнивая их поверхности таким образом, что обе оптические направляющие структуры (104, 204) накладываются одна на другую, причем они вытянуты в одном и том же направлении, при этом указанный канал (103) образуется между первой оптической направляющей структурой (104) и второй оптической направляющей структурой (204) и канал (103) направлен вдоль указанного направления, причем в поперечном сечении больший размер канала (103) ориентирован по существу параллельно указанной поверхности первой подложки (100) и указанной поверхности второй подложки (200).

13. Способ по п. 12, в котором шаг формирования канала (103) выполняют перед или после шага формирования первой оптической направляющей структуры (104), а также перед или после шага формирования второй оптической направляющей структуры (204).

14. Способ по п. 12, в котором после шагов формирования первой оптической направляющей структуры (104), второй оптической направляющей структуры (204) и канала (103), но перед шагом переворачивания одной из подложек, выполняют шаг, на котором формируют по меньшей мере один резервуар (107, 207), прилегающий сбоку к каналу (103) и непрерывно связанный с каналом по существу по всей длине канала.

15. Способ по п. 13, в котором шаг формирования первой оптической направляющей структуры (104) и шаг формирования второй оптической направляющей структуры (204) содержат шаги, на которых выполняют ионный обмен, ионную имплантацию или диффузию, формирование фотоизображения или также локальную модификацию коэффициента преломления первой и второй подложек.

16. Способ по п. 13, который дополнительно содержит шаг обработки, на котором выполняют обработку для придания гидрофильности или гидрофобности внутренней поверхности канала.

17. Способ по п. 14, который дополнительно содержит шаг обработки, на котором выполняют обработку для придания гидрофильности или гидрофобности внутренней поверхности канала и/или внутренней поверхности резервуара.