技术领域
[0001] 本
发明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。
背景技术
[0002] 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WO 2012/111001 A2的本
发明人的
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。
[0003] 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Optimized guided mode resonant structure as thermooptic sensor and liquid crystal tunable filter，《中国光学快报》7(8)，667，(2009)中，本发明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。
[0004] 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，并且这是本发明将要解决的问题之一。
[0005] 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。
[0006] 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：
[0007]
[0008] 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：
[0009]
[0010] 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。
[0011] 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，并且它最近被本发明人最近用于I.Abululhalim的Anisotropic layers in waveguides for tuning and tunable filtering，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。
[0012] 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，在本发明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。
[0013] 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。在本发明中，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，本发明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。
发明内容
[0014] 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)铺展在周期性结构的顶部上的等离子体
纳米粒子层；(c)针对易受分析物材料影响的顶部表面材料的情况的保护层；(d)功能化层，其充当与功能化层
接触的分析物中的生物或化学实体的粘合层；(e)准单色线性偏振光束，其在入射平面中一维发散；(f)从传感器层出现的光束投射到其上的屏幕；(g)至少一个平行检测器阵列；(h)平行检测器阵列之前的输出偏振器；以及(i)处理器。
[0015] 上述光学装置的周期性结构包括：(i)沉积在衬底上的厚光栅结构，其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；(ii)衬底上的导电薄膜的顶部上的薄介电光栅；(iii)沉积在棱镜或衬底上的层的分层周期性堆叠，该衬底是在每个晶胞内的层之间具有较大的折射率对比的棱镜的部分，并且折射率最高的层是面向棱镜的第一个层；以及(iv)周期性堆叠，其由沉积在棱镜或者是棱镜的一部分的衬底上的
电介质/金属/电介质的至少一个周期组成，其中电介质层的厚度在150到700nm的范围内，并且金属层的厚度在30到70nm的范围内。
[0016] 一个实施例的光学装置具有：(1)粗光栅线的界面与邻近材料之间的菲涅
耳(Fresnel)反射高于10％；(2)当由具有高达50％的孔隙率的致密或多孔金属制成时，粗光栅线的厚度大于50nm，并且当由电介质或
半导体材料制成时，粗光栅线的厚度大于100nm；(3)细介电光栅线的厚度乘以其有效折射率小于波长；(4)粗光栅线之间的空间优选地留空，使得它们被分析物材料填充；(5)细光栅线之间的空间优选地部分填充与衬底材料具有几乎相同折射率的材料，从而使得将要用作基准的谐振与主谐振相比对分析物没那么灵敏；(6)分层周期性堆叠内的每个层的厚度在棱镜与分析物之间的临界角处是四分之一波长；(7)一维发散的光束主要在入射平面中发散；并且(8)准单色
光源的中心波长对应于反射或透射峰或凹(dip)中的一个。
[0017] 各种实施例可以允许各种益处，并且可以结合各种应用使用。一个或多个实施例的细节在
附图和以下描述中进行阐述。所描述技术的其他特征、目标和优点从描述和附图以及
权利要求书中将是显而易见的。
附图说明
[0018] 通过结合附图的以下详细描述，将更全面地理解和认识公开的实施例。本文包括和描述的附图是示意性的，并且不限制本公开的范围。还应注意，在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被放大，并且因此未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不一定对应于实践本公开的实际减少。
[0019] 图1a示意性地示出了衬底上的薄金属光栅作为用于感测和可调谐滤光的周期性结构的实例。
[0020] 图1b示出了通过图1a所示的薄金属光栅的利用两个
表面等离子体谐振的增强光学透射的实例。
[0021] 图2示意性地示出了在垂直入射下作为光谱模式的生物传感器或滤光器的GMR结构及其操作设置的实例。
[0022] 图3a示意性地示出了玻璃棱镜上的分层周期性结构。
[0023] 图3b示意性地示出作为使用准直光束的光谱或角模式的折射率传感器或滤光器的光栅GMR结构的实例。
[0024] 图4a示出了来自SiO2衬底的顶部上的厚
银光栅的垂直入射的TM偏振光的计算透射光谱，所述SiO2衬底
覆盖有10nm的SiO2以用于保护和功能化。
[0025] 图4b示出了来自SiO2衬底的顶部上的厚银光栅的垂直入射的TM偏振光的计算反射光谱，所述SiO2衬底覆盖有10nm的SiO2以用于保护和功能化。
[0026] 图5示意性地示出了一个实施例的衬底上的厚光栅结构。
[0027] 图6示出了针对三种不同分析物折射率的实施例的金衬底上的Si3N4厚光栅的垂直入射(反射率)的零级衍射。
[0028] 图7示出了在不同分析物折射率下来自金衬底上的Si光栅线的交叉偏振器之间的反射率(光栅线相对于入射偏振方向以45度定向)。
[0029] 图8a示意性地示出了一个实施例的谐振厚光栅结构，其在没有任何波导层并且具有半无限分析物层的情况下在波长或角询问中表现出反射峰/透射凹，以便观察到单个峰。
[0030] 图8b示意性地示出了一个实施例的谐振厚光栅结构，其在具有有限厚度的分析物层并且使用覆盖衬底的情况下在波长或角询问中表现出反射峰/透射凹，以便可以获得不止一个峰。
[0031] 图8c示意性地示出了一个实施例的谐振厚光栅结构，其在具有用于可调谐滤光的液晶层的情况下在波长或角询问中表现出反射峰/透射凹。
[0032] 图9a示出了针对不同的
水分析物折射率的来自熔融
二氧化
硅衬底上的多孔光栅结构的计算反射率峰值对入射角(光栅参数为Λ＝660nm，W＝330nm，h＝350nm并且ng＝2.71)。
[0033] 图9b示出了针对不同的水分析物折射率的来自熔融
二氧化硅衬底上的多孔光栅结构的计算反射率对入射角(在固定入射角γsup＝45°下，光栅参数为Λ＝660nm，W＝330nm，h＝620nm并且ng＝2)。
[0034] 图10示出了针对不同的液晶折射率的来自熔融二氧化硅衬底上的厚光栅结构的计算反射率对波长，以证明具有宽调谐范围的滤光作用(在垂直入射下，光栅参数为Λ＝960nm，W＝480nm，h＝230nm并且ng＝2.71)。
[0035] 图11a示意性地示出了一个实施例的衬底配置上的薄金属膜上的薄介电光栅。
[0036] 图11b示出了当图11a的薄介电光栅由高度为175nm、周期为1000nm并且线宽为550nm的Si3N4制成时，在TM偏振光的垂直入射下的反射率对波长(薄银膜在熔融二氧化硅衬底上为47nm)。
[0037] 图11c示出了使用来自图11a的由高度为45nm、周期为502nm并且线宽为276nm的TiO2制成的薄介电光栅的785nm波长的反射率对入射角(薄银膜在熔融二氧化硅衬底上为47nm)。
[0038] 图12a示出了来自BK7棱镜上的周期性堆叠(TiO2/MgF2)N的TE反射率，其中水作为分析物。
[0039] 图12b示出了在棱镜分析物界面处的临界角与凹位置角相比较的表格，示出了差异随着N的增加而变得非常小。
[0040] 图13a示意性地示出了包括本发明的多个传感器的本发明的实施例，这些传感器被构造成公共衬底上的二维阵列，其中白色区域是感测元件并且黑色区域表示参考元件。
[0041] 图13b示意性地示出了包括本发明的多个传感器的本发明的实施例，这些传感器被构造成公共衬底上的一维阵列，其中白色区域是感测元件并且黑色区域表示参考元件。
[0042] 图14a示意性地示出了来自光栅结构的使用发散光束方法和读取方法的角模式下的周期性结构传感器(当监测到凹时观察到明亮背景上的暗线并且当监测到峰时观察到相反图案(暗背景上的亮线)。
[0043] 图14b示意性地示出了使用发散光束方法和读取方法的通过棱镜耦合而来自周期性结构的角模式下的周期性结构传感器。
[0044] 图15a展示了圆形发散光束的效果。
[0045] 图15b示出了从线光源产生的一维发散的光束。
[0046] 图16示意性地示出了用于远程感测的实施例的传感器配置，其中来自光纤的1维发散光束被偏振、穿过传感器并以透射模式传递到相机。
[0047] 图17示意性地示出了用于远程感测的实施例的传感器配置，其中来自光纤的1维发散光束被偏振、穿过棱镜到传感器并以反射模式反射到相机。
[0048] 图18示意性地示出了具有经由波导耦合到周期性结构的输入光的实施例的配置。
[0049] 图19a示意性地示出了具有作为光管单通道的透明衬底的实施例的传感器配置。
[0050] 图19b示意性地示出了具有作为光管多通道的透明衬底的实施例的传感器配置。
[0051] 图20示意性地示出了在3通道操作中具有侧面
抛光光纤的实施例的传感器配置。
[0052] 图21示意性地示出了使用倾斜光纤光栅作为将光耦合到光纤包层中的手段并且从而在分析物与沉积在光纤光栅的顶部上的周期性结构的界面处激发表面波的实施例的传感器配置。
[0053] 图22a示意性地示出了在使用反射
探头的非成像光谱模式中以及(b)在透射模式中的基于光纤的配置。
[0054] 图22b示意性地示出了在使用反射透射模式的非成像光谱模式中的基于光纤的配置。
具体实施方式
[0055] 在以下描述中，将描述本申请的各个方面。出于解释的目的，将阐述具体的配置和细节，以便提供本申请的透彻理解。然而，对于本领域技术人员还将明显的是，本申请可以在没有本文呈现的具体细节的情况下实践。此外，为了不使本申请模糊，可能会省略或简化众所周知的特征。
[0056] 在一个方面，本申请的光学装置包含：(a)周期性结构；(b)铺展在周期性结构的顶部上的等离子体纳米粒子层；(c)针对易受分析物材料影响的顶部表面材料的情况的保护层；(d)功能化层，其充当与功能化层接触的分析物中的生物或化学实体的粘合层；(e)准单色线性偏振光束，其在入射平面中一维发散；(f)从传感器层出现的光束投射到其上的屏幕；(g)至少一个平行检测器阵列；(h)平行检测器阵列之前的输出偏振器；以及(i)处理器。
[0057] 一个实施例的光学装置的周期性结构包括：(i)沉积在衬底上的厚光栅结构，其包括折射率之间具有较大对比的线和空间一维或二维阵列；(ii)衬底上的导电薄膜的顶部上的薄介电光栅；(iii)沉积在棱镜或衬底上的层的分层周期性堆叠，该衬底是在每个晶胞内的层之间具有较大的折射率对比的棱镜的部分，并且折射率最高的层是面向棱镜的第一个层；以及(iv)周期性堆叠，其由沉积在棱镜或者是棱镜的一部分的衬底上的电介质/金属/电介质的至少一个周期组成，其中电介质层的厚度在150到700nm的范围内，并且金属层的厚度在30到70nm的范围内。
[0058] 一个实施例的光学装置具有：(1)粗光栅线的界面与邻近材料之间的菲涅耳(Fresnel)反射高于10％；(2)当由具有高达50％的孔隙率的致密或多孔金属制成时，粗光栅线的厚度大于50nm，并且当由电介质或半导体材料制成时，粗光栅线的厚度大于100nm；(3)细介电光栅线的厚度乘以其有效折射率小于波长；(4)粗光栅线之间的空间优选地留空，使得它们被分析物材料填充；(5)细光栅线之间的空间优选地部分填充与衬底材料具有相同折射率的材料，从而使得将要用作基准的谐振与主谐振相比对分析物没那么灵敏；(6)分层周期性堆叠内的每个层的厚度在棱镜与分析物之间的临界角处是四分之一波长；(7)一维发散的光束主要在入射平面中发散；并且(8)准单色光源的中心波长对应于反射或透射峰或凹中的一个。
[0059] 在一个实施例中，在实施例的光学装置的界面处使用具有高菲涅耳反射的厚光栅，导致干涉效应足够强并且对相邻材料内的折射率变化敏感。厚光栅和周期性分层结构的若干实例被公开用于生物感测和可调谐滤光以及用于执行感测的方法。
[0060] 一般来讲，从SPR存在的k向量匹配条件中找到谐振波长，kx±j2π/Λ＝Re{ksp}针对垂直入射给出：
[0061]
[0062] 其中j是光栅模阶数(通常考虑j＝1)，εmr是金属
介电常数的实数部分，并且εa,s分别是分析物或衬底的介电常数。传感器的灵敏度以每折射率单位的nm(nm/RIU)来度量，其被定义为谐振波长随分析物折射率 的变化的斜率，并且可以从等式(1)推导为(针对j＝1)：
[0063]
[0064] 如图1b所示，等式(4)给出两个不同波长处的两个谐振，一个对应于分析物-金属界面处的SP波-并且另一个在金属-衬底界面处。由于衬底折射率是固定的，所以对应于这个SP波的峰或谷可以用作基准。光栅脊之间的空间应填充具有尽可能接近分析物折射率的折射率的材料。
[0065] 周期性结构中的波的另一个实例是可以由于存在周期性结构而被激发的表面波，诸如在交替层状结构上以倾斜入射角激发的布洛赫-塔姆(Bloch-Tamm)表面波，所述交替层状结构具有每个晶胞中的至少两个层，折射率为n1、n2(参见图3a)。在这种情况下激发需要经由棱镜耦合或者经由光栅耦合来完成，从而以与扩展的SPR激发类似的方式导致反射率函数出现凹。然而，在这种情况下TM和TE波是可能的，而在SPR配置中，只有TM波能够激发表面等离子体。(波长或入射角的)凹位置对与表面接触的材料的折射率敏感。本申请的另一实施例是使用发散光束方法以便使用相机实时检测该凹。
[0066] 在本申请的又一个实施例中，堆叠中的层厚度在棱镜与分析物之间的临界角处为四分之一波长。这将被示出为将全内反射(TIR)边缘转换成恰好处于临界角处的凹，从而允许更容易地监测临界角移位。此外还公开了这种传感器的品质因数(灵敏度除以半最大值处的全宽度)随着堆叠中的周期数量的增加而得到增强。
[0067] 在本申请的又一实施例中，堆叠由以下层组成：电介质/金属/电介质，例如SiO2/Ag/SiO2，其中SiO2的厚度在200到600nm范围内，并且Ag的厚度为45到50nm。在这种情况下，TE和TM导模以及TM等离子
体模式可以被激发。这些模式中的一些对分析物折射率不敏感，并且因此可以用于自我参考，而其他模式具有较大的灵敏度和较大的穿透深度。具体而言，通过调谐电介质层的折射率和厚度，可以使激发角变得接近由分析物和棱镜折射率确定的临界角，并且因此该特定模式的穿透深度变得非常大(在可见光范围波长下的几微米)。这对于细胞检测和
生物膜生长的监测特别有用。
[0068] 另一个实例使用图3d中示意性示出的导模谐振(GMR)结构。GMR结构基于在波导层的顶部上使用薄且低
对比度光栅的导模的谐振激发。GMR传感器具有平面结构，该平面结构包括亚波长周期的光栅(例如，600nm或更小以用于在可见光下操作，或者小于1100nm以用于在光学电信NIR窗口1500nm到1600nm下操作)，这取决于所使用的材料、入射角和厚度、波导层、
缓冲层、衬底以及用于抗反射涂层的其他层。对于亚波长光栅，光栅周期比入射波长更短，从而使得在垂直入射时只有零级前向和后向衍射波传播，而所有高阶波都被截止。
[0069] 一般来讲，对于用作非圆锥形安装中的亚波长光栅的光栅层，周期Λ应当满足以下不等式：
[0070]
[0071] 其中在此，nsup、nsub、γsup分别是上覆层RI、衬底RI以及上覆层中的传播角。在反射或透射中使用偏振光根据波长以固定入射角(垂直入射是最容易的)或根据入射角以固定波长监测谐振。
[0072] 光谱由反射中的峰或透射中的凹组成。谐振位置大致由以下确定：
[0073] λres＝neffΛ-nsupΛsinγsup (7)
[0074] 其中neff是取决于波导材料及其周围层的导模有效折射率。
[0075] 在光学计量领域中，厚光栅结构已经显示出对光栅参数和光栅结构周围的层的高灵敏度。这种特性被用于光学监测层厚度、临界尺寸和层叠失配，这些是控制纳米电子工业制造过程的关键参数。这个光学计量领域现在被称为光学散射测量学，其中本发明人关于这个主题具有几个专利。然而，没有关于光学计量应用的现有技术公开了用于生物传感或可调谐滤光的厚光栅结构的使用。
[0076] 在本申请中，厚光栅的光学响应显示出对嵌入在光栅结构内部和顶部上的分析物的折射率变化敏感。当光栅线的厚度和光栅材料与周围材料之间的菲涅耳反射系数足够大时，在从脊与顶部和底部界面散射的波之间会发生强烈的干涉效应。因此，光谱由几个峰和谷组成。随后可以使用光谱变化与分析物折射率变化来监测分析物折射率。可以使用峰或谷位置或者一些其他统计测量值，诸如均方误差(MSE)或相关性的变化以
跟踪折射率变化。
[0077] 在大量数据点上使用统计测量值提高了实施例的传感器的准确性和可靠性。图4示出来自厚金属光栅的TM偏振反射和透射光谱的实例，呈现出大量的峰和谷，其中对水分析物的折射率变化的灵敏度较高。参考图5，TE偏振是在垂直入射的光沿着光栅线偏振时，而TM是在它垂直于光栅线时。本申请的另一个实例涉及金衬底上的介电光栅。图6示出了针对接近水的折射率的三个不同的分析物折射率的零级TE反射率对波长。TE波无法激发SP波，并且这些峰和谷是由于Si3N4与金衬底之间菲涅耳反射系数较高而造成的干扰的结果。这是本申请的主要发现之一。
[0078] 在本申请的另一个实例中，存在圆锥形安装，其中光栅线相对于入射平面以任意方向角定向。在这种情况下，偏振混合是可能的；这意味着如果入射偏振是TM(或P)偏振，那么在反射后，它的一部分被转换成TE(或S)偏振，反之亦然。图7示出了来自相对于入射光偏振以45度定向的金衬底上的Si线的反射率的实例。在这种情况下，TE-TM意味着入射偏振沿着图5中定义的Y轴偏振，并且输出偏振器轴沿着X轴定向。这种操作模式特别令人感兴趣，因为信号源于TE与TM模式之间的
相位延迟，其随后可以由测定偏振的自参考方法来测量。
[0079] 在一个实施例中，提供隔离谐振的结构由单个亚波长光栅层构成，而在衬底的顶部上不具有波导层，其中光栅线之间的空间是空的，使得它们由
流体上覆层材料填充。结果是光栅层的有效折射率的调制平行于上覆层材料的调制，因此赋予了优越的灵敏度。光栅有效光学厚度(高度乘以有效折射率)应当足够大以支持与至少+/-1阶傅立叶模式的角度对应的光栅内的波。
[0080] 在另一个实施例中，多孔材料被用于光栅层，从而使得它们的折射率(RI)被调整为仅略高于上覆层(用于滤光的分析物或光学材料)的折射率。孔隙度还允许孔隙内的液体上覆层材料渗透，从而调节光栅的有效折射率并且进一步提高灵敏度。此类多孔结构可以通过掠射角沉积技术来产生，例如具有5％到40％孔隙度的多孔TiO2层，并且随后可以应用
光刻图案化。可替代地，诸如针对多孔Si制造的情况，它们可以通过UV光和
电流辅助的湿法蚀刻来产生。当多孔波导层与薄的多孔光栅层一起使用时，同样实现优异的灵敏度。
[0081] 图8a示意性地示出了厚光栅结构(TGS)，其中在没有波导层的情况下使用深光栅，并且利用足够低的RI(低于光栅的有效折射率)来选择衬底本身，以便渐逝模式的电磁能量不渗入衬底中。为了证明这种结构所表现出的高灵敏度，我们在图9a中示出了在入射角γsup＝45°周围的波长1578nm处的TM偏振光的计算反射率。光栅参数为：Λ＝660nm，W＝330nm，h＝350nm并且ng＝2.71，其中W、h和ng代表空间宽度、光栅高度和光栅材料折射率。反射峰对水折射率变化的灵敏度为：70度/RIU，其中RIU代表折射率单位。这种角灵敏度与棱镜耦合中基于表面等离子体谐振(SPR)的传感器的灵敏度相当，所述灵敏度通常被认为较高。为了证明增强的光谱灵敏度，考虑使用以下光栅参数的另一种优化设计：在固定入射角γsup＝45°下，Λ＝660nm，W＝330nm，h＝350nm并且ng＝2。在图9b中，结果表现出550nm/RIU的灵敏度，比使用无孔材料报告的灵敏度高几倍。
[0082] 在图8b所示的又一个实施例中，分析物层在顶部上用另一透明衬底覆盖，所述透明衬底的RI低于光栅有效折射率并且优选地低于分析物的RI。分析物层厚度可以是几微米和以上。这种配置允许以类似于腔式行为的方式获得更大数量的孤立峰/凹，从而增加了传感器的可靠性。在另外的实施例中，为了将分析物内的一些污染物朝向光栅的表面驱使的目的，将
电极沉积在透明衬底上。电极可以具有不同的形状，诸如互相交叉的电极结构，以便控制产生
电泳力所需的所施加的场分布。
[0083] 在本申请的另一方面，谐振TGS被用于构建光学滤光器并对其进行调谐，并且因此分析物层被具有可变折射率的材料替代。
覆盖层可以是任何电光、磁光或热光学材料，并且优选地是可以用较小场或
电压来调谐的液晶。可替代地，液晶可以用诸如
磁性纳米粒子的纳米粒子进行掺杂，以降低其
阈值磁场。后一种选择允许省略可以吸收一些光的透明电极。由于液晶通常需要对边界表面进行适当的处理，所以图8c所示的配置是优选的。液晶层应当足够薄(大约几微米或更小)，以便允许快速切换速度、良好的分子对准和更宽的调谐范围。为了展示具有更宽调谐范围的光学滤光作用，设计使用以下光栅参数的另一种最佳结构：在垂直入射下，Λ＝960nm，W＝480nm，h＝230nm并且ng＝2.71。所使用的上覆层的折射率具有与向列液晶E44或BL-036(可获自Merck公司)类似的典型值。图10展示了可以使用这种设计覆盖光通信窗口的L和C波段。灵敏度为750nm/RIU，因此使用双折射为0.5的高双折射液晶可预期350nm调谐范围。
[0084] 一般来讲，可以使用许多液晶相、结构和构造，诸如使用
向列相及其各种电光效应(平面、垂直排列(VA)、挠曲电、混合排列(HAN)等)、
胆甾相、
铁电体(SSFLC、DHF、ELC)、
手性近晶相、蓝相以及其他驱动方案，诸如面内切换模式或双频模式。透明电极可以被图案化以便获得期望的切换场或者用于多通道操作或空间光调制的多个像素装置。因为液晶需要对齐层，所以光栅优选地具有与形成光栅线的介电材料不同的介电材料的填充空间。另外，底部透明电极优选地位于光栅层下方，以便使电极层中的吸收最小化。将电极
定位在光栅层下方的另一个优点是减小了装置的有效电容，并且从而获得更快的调谐时间。当透明电极的吸收变得可以忽略不计时，底部电极可以被升高到光栅的顶部并且在对齐层下方以最小化所需电压。在可以使用导电和透明衬底(诸如Si或InP)的光谱的NIR范围内，衬底可以充当电极。
[0085] 在另一个实施例中，光栅结构是在衬底上的薄金属膜(＜70nm)的顶部上的薄介电光栅(光栅高度×折射率小于波长的一半)，如图11所示。在这种配置中，两个等离子体被激发，一个靠近金属衬底界面，并且另一个靠近光栅-上覆层(分析物)界面。后者对分析物折射率高度敏感，而前者不太敏感，因此它可以用作用于提高
精度并且补偿
温度波动和光学偏差的基准。这在图11b和图11c中分别在光谱模式和角模式下都得到了证明。
[0086] 在角模式下，对应于+/-傅立叶波的两个谐振显示出在零阶固定时对分析物折射率的灵敏度，然而其强度具有一些变化，所以它可以用作基准。如果我们考虑两个敏感谐振之间的差异，那么角灵敏度加倍(84度/RIU)。在又一个实施例中，这种配置中的光栅线之间的空间填充有与衬底具有相同折射率的材料。在这种情况下，自参考传感器变得对分析物折射率不太敏感，因为分析物区域中的
电磁场分布非常小。在衬底界面附近激发的等离子体是在衬底介质内部具有较大穿透深度的长距离等离子体。因此，针对这种特殊情况，上覆层由诸如MgF2等的低折射率的固体材料制成，并且衬底变成诸如
血浆等的折射率相对较高(1.46到1.48)的分析物材料。在这种情况下，由于穿透深度的增加，将可能检测到诸如细胞的大生物实体。
[0087] 现在参考图3a，该图示意性地示出了棱镜顶部上的分层周期性结构。在这种结构中，晶胞可以包含两层或更多层。在某一角或波长处，表面波被激发，诸如布洛赫(Bloch)波或塔姆(Tamm)波，从而导致随着分析物折射率的变化而偏移的反射率凹。在一个实施例中，通过使用发散光束方法来执行读取，其中反射的发散光束在明亮的背景上显示可用相机检测到的暗线。
[0088] 在另一个实施例中，通过选择对应于四分之一波长的层厚度来选择周期性结构(对于折射率nj的层j，这将是：dj＝λ/(4njcosγj)，其中γj是层j中的传播角，在临界角下由下式给出：sin(γj)＝na/nj)。我们发现TIR边缘被转换成几乎位于棱镜与分析物之间的临界角处的凹，就好像周期性堆叠不存在一样，也就是说：γc＝γp-临界＝arcsin(na/np)。如图12中的表格所示，凹位置与临界角的差值随着周期数目N的增加而减少。作为传感器的灵敏度因此与TIR传感器的灵敏度相同，并且由下式给出： 另外，图12a示
出了随着周期数增加，凹宽度变得更窄，而不影响灵敏度；从而提高了传感器的品质因数。
[0089] 在又一个实施例中，其中周期性结构在堆叠的顶部上具有薄金属膜，从而使得除了如前所述地在临界角处的反射率的凹之外，还可以激发表面等离子体、塔姆波或布洛赫波。虽然TIR凹主要对本体折射率敏感，因为在临界角处，场深深地穿透到分析物的内部；但源自金属膜的存在而产生的附加凹是由于表面波引起的，并且因此渐逝并且主要对界面附近(在穿透深度内)的薄层的折射率敏感。因此，通过同时监测两个谐振，可以区分附着在表面上的污染物和本体分析物中的污染物。
[0090] 谐振周期性堆叠的另一个实施例是使用对称结构：电介质/金属/电介质。与没有电介质层的情况相比或者在金属的顶部上具有一个电介质层的情况下，电介质厚度较小(诸如，24nm的TiO2和40到50nm厚的贵重金属)会产生灵敏度更高但谐振较窄的表面等离子体谐振。具有较厚的电介质产生具有窄带宽的额外波导和等离子体谐振，特别是使用具有低折射率的电介质(例如对于可见光范围内的波长，200到600nm的SiO2)。感兴趣的其他电介质材料包括半金属，诸如氧化铟
锡，当与金属层结合使用时，其赋予较高的光谱灵敏度。波导模式也可以出现在TE偏振而不仅仅是TM中；因此利用不同的偏振来监测不同的模式将允许提取界面上的各向异性分子取向的信息。
[0091] 一个实施例的这种传感器的一个重要操作模式是使用多个波长，从而使得取决于分析物的RI，波长可以被选择为给出反射率凹的最佳对比。一个实施例的这种传感器的另一个重要操作模式是当顶部电介质层被优化以在接近由棱镜和分析物折射率确定的临界角的角处维持导模时。在这种情况下，模式在分析物内部的穿透深度变得非常大(对于可见光范围内的波长为几微米)，因此它可以用作用于细胞检测或生物膜生长监测的传感器。激发角越接近临界角，穿透深度越大。在本发明的又一个实施例中，上述周期性结构的阵列被构建在一个衬底中，以用于多通道感测或滤光。为了使用相同的芯片检测一种以上污染物，我们建议使用包含上述周期性结构的图案化衬底来至少用于多通道感测，所述图案化衬底被分成具有几十微米宽度的矩形微通道。每个通道中的周期性结构具有略微不同的参数，并且优选地，周期是不同的，以便使它们特定的光谱与其他周围通道不同。
[0092] 通道被几十微米宽的区域隔开，其中周期性结构由热稳定材料覆盖，并且耐水(或分析物材料)，优选地出于自我参考的目的具有接近于水(或者考虑中的分析物)的热光系数，以补偿温度不稳定性和漂移，从而增加
信噪比并提高检测极限。这种具有接近于水的稳定热性质和热光系数的材料的实例可以由无机-有机混合材料制成，诸如使用甲基丙烯酰氧基丙基(MPTMS)和原
硅酸四甲基酯(TMOS)的前体的不同混合比，其中MPTMS/TMOS的典型比率＝0.5％到1.5％。在图13b中，绘制通道的一维阵列，可用于一维发散光束读取方法。
[0093] 标准检测方案使用在角询问模式下的机械扫描或者在波长询问模式下的光谱仪或可调谐光源。US 4,844,613和US 6,801,317建议使用单波长发散光束和检测器阵列来避免角扫描。然而，这仅可以应用于克雷奇曼(Kretschmann)配置中的表面等离子体谐振的情况。US 4,844,613和US 6,801,317都没有公开TE与TM模之间的相位延迟的检测或者反射光或透射光的偏振参数。除了以下标准检测模式之外，本申请还公开了使用准单色一维发散光束和相机作为具有所公开的周期性结构的优选实施例。该方法基于发散光束的使用，特别是一维(1-D)发散准单色光束，其中中心波长对应于峰或凹中的一个，这样在通过光栅结构反射或透射后，在透射中使用相机在明亮的背景上检测到至少一条暗线，或者在反射中在黑暗背景上检测到一条亮线。1-D发散光束可以例如通过以下装置产生：光纤、发光
二极管或
激光二极管，结合发散或会聚柱面透镜以及一些光束均匀化装置。
[0094] 图14a和图14b示出了发散光束成像角模式，其中使用单个波长并且使用具有角扩展的光束，例如来自激光二极管的自然扩散。使用诸如CCD相机的二维检测器阵列来检测光束的质心。反射角的任何移位都将影响光束的质心。在图14a中，示出没有棱镜的来自光栅结构的读取配置，其中可以检测反射或透射光束。在图14b中，示出了棱镜配置，其中周期性结构沉积在棱镜上。图14a和图14b仅用于说明的目的，并且可以使用本公开中提及的所有配置，包括具有反射中的凹和透射中的峰(反之亦然)以及从衬底侧的入射。
[0095] 圆形发散光束具有限制，在于入射平面未被良好地限定，因为光线存在于某个孔径张角的圆锥内，所以并非所有的光线都是TM偏振的或TE偏振的，并且因此观察到的凹的对比较低。这个问题在相位延迟测量模式的情况下变得严重。这是一维发散光束的重要优点。
[0096] 优选的光束形状是仅在入射平面中而不在
正交平面中的发散光束。这个光束被称为1-D发散光束。为了阐明这个问题，现在参考图15a和图15b，示出了1-D发散光束。
[0097] 在图15a中，绘制源自点源S的光束，并且示出了平面P中的一些光线的顶端。由虚线表示的所有光线形成一维发散光束，因为它仅在xz平面中发散，从而与z轴形成角θ。所有这些光线在xz平面中的投影(虚线)都与z轴平行。另一方面，由实线表示的光线不在xz平面中，并且它在yz平面中的投影与z轴形成方位角φ，因为它也沿着y轴略微发散。因此，当该光束入射在平坦界面上时，由虚线表示的所有光线具有共同的入射平面(xz)，而由实线表示的光线具有不同的入射平面。因此，如果由虚线表示的光线在入射平面中被偏振(TM偏振)，那么由实线表示的光线将具有TE偏振分量。
[0098] 由于良好限定的偏振状态是优选的，所以1-D发散光束赋予更好的对比度。图14b示出了由线光源产生的纯1-D发散光束。所有光线仅在xz平面内发散，并且因此对于具有在透射或反射中产生凹的沿着x的波矢分量的光束的横截面，具有高对比度的明亮背景上的暗线将出现在由相机检测到的图像中。分析物折射率的变化将导致暗线的位移。
[0099] 产生1-D发散光束的方法的实例是激光二极管(LD)，其本质上在超过正交方向(5到10度)的一个方向(20到30度发散角)上发散。LD的这种特性称为散光。因此，使用具有高散光的LD预期产生具有高对比度的图像。然而，由于与
激光束相关联的斑点噪声，这个选择不是最优选的。
[0100] 在特定实施例中，使用非相干光源和柱面透镜来在其焦平面处从准直光束中生成线。准直光束将使用柱面透镜聚焦到线上。在聚焦之后，这条线将随后在一个方向上发散，从而形成1-D发散光束。准直光束可以从圆形透镜的后焦平面处的点光源产生。准直光束可以从准直激光器获得，并且使用扩束器来扩大其半径。点源可以是激光二极管或直径高达几十微米的针孔。点源也可以是单模光纤的输出端。矩形狭缝可以用作发散光束路径中的空间滤光器，以便阻挡在xz平面中不发散的大部分光束。
[0101] 本发明的其他实施例是：
[0102] a.一种用于检测线位置的
算法，诸如使用最小二乘拟合、霍夫(Hough)变换、拉东(Radon)变换、图像之间的相关性或质心方法或加权质心方法，或者这些不同算法的任何组合。
[0103] b.输入偏振器和输出偏振器(分析器)用于在多种波长下对输入和输出偏振状态的相对取向的可能控制，以便以最高的灵敏度和可靠性测量和提取信号。
[0104] c.在这种模式下，使用椭圆偏振技术或旋光偏振技术中所使用的本领域中的公知技术，相位延迟测量也是可能的，诸如旋转偏振器技术或相位调制技术。
[0105] d.使用传感器的校准过程，借此由相机观察到的并且对应于基准凹的谐振位置被测量为接近
工作温度的温度的函数，并且当传感器在使用时，数据被存储在
数据库中以便进行温度补偿。
[0106] e.使用传感器的校准过程，借此由相机观察到的并且对应于基准凹的谐振位置被测量为在操作分析物折射率附近的不同已知材料的折射率的函数，并且当传感器在使用时，数据被存储在数据库中以便进行漂移补偿。
[0107] f.使用如图13b所述的垂直于入射平面对齐的一维通道阵列。
[0108] 在另一实施例中，将上述设置组装成紧凑单元，所述紧凑单元连接到其中封装有光纤的
电缆并且将光提供给模
块，同时在返回套筒中封装电线以用于相机和偏振器。光纤的输出端被配置成采用先前描述的方法之一来产生1-D发散光束。
[0109] 在又一个实施例中，如图16所示，来自光纤的1-D发散光束被偏振、穿过传感器并且以透射模式传送到相机。在这种情况下，分析器和偏振旋转器是坐落在相机之前的可能选项，以用于椭圆参数测定。
[0110] 在另一实施例中，如图17所示，来自光纤的1-D发散光束被偏振、穿过棱镜到达传感器并且以反射模式反射到相机。在这种特定情况下，分析器和偏振旋转器是坐落在相机之前的可能选项，以用于椭圆参数测定。棱镜不需要是玻璃棱镜，它可以简单地是空的棱镜，其被设计具有用于固持光纤、感测元件和相机的合适孔口。
[0111] 又一个实施例使用波导耦合技术，如图18所示。输入光可以是单色的，并且随后在输出端处检测角轮廓，或者输入光可以是宽带源，并且随后在光谱询问中测量输出光谱。对于多通道操作，每个通道具有它自己的光耦合和检测装置。
[0112] 在具体实施例中，如图19a所示，使用透明衬底作为光管。输入光可以是单色的，并且随后在输出端处用相机检测角轮廓、对其进行处理并与分析物的折射率变化关联。使用宽带光源，并且随后使用光谱仪在光谱询问中测量输出光谱。输入光优选地在xz平面中发散并且被TM偏振以便提高对比度并且因此提高装置的检测极限。在xz平面中的1-D发散光束可以使用前面描述的装置来实现。对于多通道操作，所有通道可以平行，并且每个通道都具有它自己的光耦合和检测装置，或者更优选地，通道被
串联安排在同一衬底上，如图19b所示，但是通过不同的结构周期来区分。在后一种情况下，仅通过光谱询问模式进行监测。
[0113] 在另一个实施例中，如图20所示，在传感器配置中使用侧面抛光光纤，其中周期性感测元件直接沉积在抛光侧上。使用宽带光源，并且随后使用光谱仪在光谱询问中测量输出光谱。对于多通道操作，所有通道被串联安排在同一根光纤上，但是通过不同的光栅周期来区分。
[0114] 在另一个实施例中，除了产生写入图案(掩模或条纹图案)的小方位角的小
修改之外，使用用于标准光纤光栅写入的相同技术将倾斜光纤光栅(TFG)写入光敏光纤的芯中。本申请的一个方面是TFG可以将光耦合到包层中。因此，如果在光纤光栅的顶部上沉积适当的周期性结构，那么它们可以激发表面波，如图1a所示。因此，在具体实施例中，周期性结构被用作与倾斜光纤光栅结合的感测元件。在图21中，绘制了反射和透射模式下的单通道配置。此处还以与图20所示的串联安排类似的方式公开了多通道操作，其中不同的光栅周期区分不同的通道。
[0115] 其他光纤配置也是可能的，诸如图22a和22b所示的那些配置，其中在非成像光谱询问模式下使用单模或多模光纤和光纤
耦合器。这些配置可能用于遥感和非常狭小的可用空间，诸如
导管内的血液分析物的感测。
[0116] 谐振光栅结构的重要特性是电磁场在表面附近增强的事实。当表面具有一些金属纳米结构时，增强特别强。因此，在厚金属结构的情况下，特别是当它由孔隙度小于50％的多孔金属制成时，预期赋予较高的增强。此类多孔结构可以通过掠射角沉积技术(GLAD)、平版印刷或蚀刻技术来制备。这种性质可以用于增强来自表面附近的分子的
荧光、拉曼(Raman)散射、红外吸收和其他表面增强光谱。因此，在另一个实施例中，通过跟随遵循谐振的位移以独立的方式或与感测并行地测量SEF、SERS、SEIRA和其他表面增强光谱。
[0117] 金属纳米粒子在具有分析物的界面上沉积是另一个优选的实施例，以便通过使用在周期性结构(光栅结构或分层周期性结构)的表面上生成的扩展表面波来激发纳米粒子的表面上的局部SPR而增强电磁场。以这种方式，可以产生多模式感测系统，其中SPR、SEF、SERS和SEIRA被组合在一个系统中。当使用不同的激发波长时，优选的光学装置将是监测谐振位移并且并行地收集反射或透射模式下的发射(SEF、SERS或SEIRA)的装置。实例包括将衬底设置在
显微镜下和/或光谱仪下，其中发射信号和图像可以从传感器表面抓取并且利用谐振位移并行地监测污染物浓度。
[0118] 虽然已经在本文中示出并描述本申请的某些特征，但是对于本领域的普通技术人员来说，许多修改、替换、改变和等同物将是显而易见的。因此，应当理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入本申请的真实精神内的所有此类修改和变化。
