光学结构的制作方法

1.本

技术实现要素：
关于一种光学结构，且特别关于一种可应用于生物感测器的光学结构。


背景技术：

2.光栅波导被广泛应用于生物感测器、扩增实境(augmented reality；ar)、虚拟实境(virtual reality；vr)和电子通讯等等。在生物感测器领域中，光栅耦合效率会影响荧光标记的生物分子的发光效率，而影响光栅耦合效率的因素有几个。举例来说，外部光与光栅结构之间的对准、光栅波导结构中光学元件的材料特性、以及光栅耦合器的几何结构。
3.可以通过经由光栅纳米结构耦合进入光学结构的外部光来产生在波导层中传播的光，其中波导层用于在波导核心上的渐逝(evanescence)波区域内对荧光标记的生物分子进行均匀和局部激发。然而，由于严格的对准要求(包括xyz轴偏移和入射角)以及光栅耦合器的有效耦合宽度(与激光束的直径相比)相对较小，使得激光束至光栅波导的耦合效率相对较低，其导致荧光标记的低发光效率。因此，为了改善荧光标记的生物分子在生物感测器应用中的发光效率，需要解决光栅波导的光栅耦合效率的问题。
发明内容
4.本发明内容的一态样是提供一种光学结构。光学结构包含光栅耦合器和微透镜。光栅耦合器配置以接收激光。微透镜位于光栅耦合器上方，其中金属屏蔽覆盖微透镜，金属屏蔽具有开口以允许激光进入光栅耦合器的有效耦合区。
5.根据本发明内容的一些实施方式，金属屏蔽的开口配置以使一部分的激光进入微透镜，开口具有-50度至50度的角度范围。
6.根据本发明内容的一些实施方式，由于光学系统的未对准(misalignment)，所以激光具有偏移角度，激光的照射区大于光栅耦合器的有效耦合区。
7.根据本发明内容的一些实施方式，偏移角度在-20度至20度的范围内。
8.根据本发明内容的一些实施方式，金属屏蔽设置于微透镜和光栅耦合器之间。
9.根据本发明内容的一些实施方式，光学结构还包含核心层、基板以及上覆层。核心层邻接光栅耦合器。基板被核心层覆盖。上覆层覆盖核心层。
10.根据本发明内容的一些实施方式，基板包含蓝宝石或玻璃，基板的折射率在1.45至2.0的范围内。
11.根据本发明内容的一些实施方式，基板包含硅或互补式金属氧化物半导体。
12.根据本发明内容的一些实施方式，光学结构还包含位于基板和核心层之间的底覆层，其中在可见光波长下的底覆层的折射率小于1.6且底覆层的介电常数小于0.00001。
13.根据本发明内容的一些实施方式，上覆层包含氧化硅或高分子，核心层的折射率大于上覆层的折射率。
14.根据本发明内容的一些实施方式，在可见光波长下的上覆层的折射率小于1.6且
上覆层的介电常数小于0.00001。
15.根据本发明内容的一些实施方式，光栅耦合器嵌埋于核心层中。
16.根据本发明内容的一些实施方式，光栅耦合器从俯视看包含直线形状，微透镜的截面形状为半圆柱形，核心层包含平面波导。
17.根据本发明内容的一些实施方式，光栅耦合器从俯视看包含弯曲的形状，核心层包含多个通道波导。
18.根据本发明内容的一些实施方式，光栅耦合器具有朝向基板的表面和邻接此表面的侧壁，光学结构还包含金属反射器，金属反射器设置于光栅耦合器的表面和侧壁上。
19.根据本发明内容的一些实施方式，光栅耦合器设置于核心层的朝向微透镜的表面上，一部分的核心层位于光栅耦合器和基板之间，其中光栅耦合器的材料不同于核心层的材料。
20.根据本发明内容的一些实施方式，光栅耦合器具有渐缩的厚度。
21.根据本发明内容的一些实施方式，光栅耦合器设置于核心层的朝向基板的表面上，核心层的一部分位于微透镜和光栅耦合器之间。
22.根据本发明内容的一些实施方式，光学结构还包含金属反射器，金属反射器设置于光栅耦合器的朝向基板的表面上。
23.根据本发明内容的一些实施方式，光栅耦合器为阶梯光栅结构、闪耀光栅结构或倾斜光栅结构。
24.根据本发明内容的一些实施方式，阶梯光栅结构包含第一垂直侧壁、第二垂直侧壁以及邻接第一垂直侧壁和第二垂直侧壁之间的水平表面。
25.根据本发明内容的一些实施方式，闪耀光栅结构包含从闪耀光栅结构的顶部至闪耀光栅结构的底部延伸的倾斜侧壁，且闪耀光栅结构的宽度从闪耀光栅结构的顶部至闪耀光栅结构的底部逐渐增加。
26.根据本发明内容的一些实施方式，倾斜光栅结构包含第一倾斜侧壁、第二倾斜侧壁以及邻接第一倾斜侧壁和第二倾斜侧壁的顶表面。
附图说明
27.当结合随附图式进行阅读时，本发明内容的态样将能被充分地理解。应注意，根据业界标准实务，各特征并非按比例绘制且仅用于图示目的。事实上，出于论述清晰的目的，可任意增加或减小各特征的尺寸。
28.图1a、图2和图3为根据本发明内容的一些实施方式的光学结构的剖面图。
29.图1b为图1a中的光栅耦合器的局部放大图。
30.图4、图5、图6和图7为根据本发明内容的一些替代实施方式的光学结构的剖面图。
31.图8、图9a、图10a和图11a为根据本发明内容的一些替代实施方式的光学结构的剖面图。
32.图9b、图10b和图11b分别为图9a、图10a和图11a中的光栅耦合器的局部放大图。
33.图12、图13、图14和图15为根据本发明内容的一些替代实施方式的光学结构的剖面图。
34.图16为根据本发明内容的一些替代实施方式的光学结构的剖面图。
35.图17a为图16中的光学结构的金属屏蔽的俯视图。
36.图17b为图16中的光学结构的基板、核心层以及光栅耦合器的俯视图。
37.图17c为沿着图17b的线a-a’的基板、核心层以及光栅耦合器的剖面图。
38.图18a为图16中的光学结构的金属屏蔽的俯视图。
39.图18b为图16中的光学结构的基板、核心层以及光栅耦合器的俯视图。
40.图18c为沿着图18b的线b-b’的基板、核心层以及光栅耦合器的剖面图。
41.图19和图20为图16中的光学结构的基板、核心层以及光栅耦合器的俯视图。
42.图21a、图21b、图21c和图21d为沿着图19的线c-c’的剖面图以及沿着图20的线d-d’的剖面图。
43.图22a、图22b、图22c、图22d、图22e和图22f为根据本发明内容的一些实施方式的光栅耦合器的各种光栅结构的剖面图。
44.图23a、图23b、图24a、图24b、图25a、图25b、图26a和图26b为根据本发明内容的一些实施方式在不同光栅结构的情况下，波长为532nm的绿光的入射角对强度作图。
45.其中，附图中符号的简单说明如下：
46.100、100a、100b、100c、100d：光学结构；110：基板；120：核心层；122、124：表面；130：光栅耦合器；130a：阶梯光栅结构；130b：闪耀光栅结构；130c、130d、130e、130f：倾斜光栅结构；132：顶表面；134：底表面；136、138、139：侧壁；140：上覆层；150：微透镜；160、160a：激光；164、164a、164b、164c：光区；170、170a、170b、170c：金属屏蔽；172、172a、172b、172c：开口；200：光学结构；210：底覆层；221、222：垂直侧壁；223：水平表面；224、225、226：倾斜侧壁；227：顶表面；300：光学结构；710：气隙；800、800a、800b、800c：光学结构；1200、1200a、1200b、1200c：光学结构；1010：金属反射器；1600：光学结构；p：光栅周期；h：高度；d：直径；eb、eba：有效光束；f、f’：透镜焦距；p、p’：焦点；t：厚度；r
eff
：有效耦合区；wt：顶部宽度；wb：底部宽度；a-a’、b-b’、c-c’、d-d’：线；θ、θ’、-θ：角度；δθ：偏移角度。
具体实施方式
47.以下发明提供许多不同实施方式或实施例，用于实现本发明内容的不同特征。以下叙述部件与布置的特定实施方式，以简化本发明内容。这些当然仅为实施例，并且不是意欲作为限制。举例而言，在随后的叙述中，第一特征在第二特征上方或在第二特征上的形成，可包括第一特征及第二特征形成为直接接触的实施方式，亦可包括有另一特征可形成在第一特征及第二特征之间，以使得第一特征及第二特征可不直接接触的实施方式。此外，本发明内容可能会在不同的实施例中重复标号或文字。重复的目的是为了简化及明确叙述，而非界定所讨论的不同实施方式及配置间的关系。应当理解，任何元件/组件的数量仅用于说明，并不意欲限制本发明内容。
48.将理解的是，尽管这里可以使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。例如，在不脱离实施方式的范畴的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
49.除此之外，空间相对用语如“下面”、“下方”、“低于”、“上面”、“上方”及其他类似的
用语，在此是为了方便描述图中的一个元件或特征和另一个元件或特征的关系。空间相对用语除了涵盖图中所描绘的方位外，该用语还涵盖装置在使用或操作时的其他方位。也就是说，当该装置的方位与图式不同(旋转90度或在其他方位)时，在本发明中所使用的空间相对用语同样可相应地进行解释。
50.在生物感测器的领域中，荧光标记的生物分子的发光效率会受到光栅耦合效率的影响。当包含单个或多个波长的外部光通过二元(2阶)光栅耦合器(grating coupler；gc)进入光学结构中时，只有以精确入射角(约 /-1度)在有效耦合区域(光栅耦合器内边缘附近约10-20μm)上曝光的光能才能耦合到波导中。因此，光学结构的光栅耦合效率通常较低。光栅耦合效率会受到以下因素影响，例如外部光与光栅结构之间的对准、激光的光束直径、光学元件在光栅波导结构中的材料特性、光栅耦合器的几何结构等等。
51.本发明内容的光学结构结合了将大且准直的激光束转换为在有效耦合区域上曝光的收敛聚焦光的微透镜结构。本发明内容提供多种光栅结构，诸如n阶(n》＝3)光栅、闪耀光栅(blazed grating)或倾斜光栅(slanted grating)，这些光栅结构具有更大的耦合角度公差(angle tolerance)以及高光栅耦合效率的特点，其允许将单个或多个波长耦合到一个光栅波导中以激发荧光标记的生物分子。详细来说，当只有单个波长耦合到一个光栅波导中时，它可能会导致可以激发并发射荧光信号的荧光团种类减少。相比之下，当多个波长耦合到一个光栅波导中时，它可能会导致更多种类的荧光团被激发并发射荧光信号。然而，本发明内容不限于耦合单个或多个波长。本发明内容也可在光学结构中提供较大的对准公差(包含xyz轴和入射角)，从而提高用于生物检测的光学结构的整体耦合效率。
52.图1a为根据本发明内容的一些实施方式光学结构100的剖面图。光学结构100包含基板110、核心层120和光栅耦合器130。基板110被核心层120覆盖。在一些实施方式中，基板110是透明基板且包含蓝宝石或玻璃。当基板110是透明基板时，基板110的折射率在1.45至1.7的范围内，诸如1.5或1.6。核心层120覆盖基板110。在一些实施方式中，核心层120的折射率相对高于基板110的折射率。在一些实施方式中，核心层120包含nb2o5、ta2o5、tio2、si3n4或其他合适的材料。光栅耦合器130邻接于核心层120且配置以接收激光160。举例来说，光栅耦合器130嵌埋于核心层120中。在一些实施方式中，核心层120的厚度为约0.05μm至0.5μm之间，或是更厚。详细来说，0.08μm至0.25μm之间。在一些实施方式中，光栅耦合器130的材料相同于核心层120的材料。在一些实施方式中，光栅耦合器130的材料不同于核心层120的材料。
53.请参考图1b。图1b绘示出图1a中的光栅耦合器130的局部放大图。光栅耦合器130具有多个凸部以及多个凹部。光栅耦合器130的凸部具有从凸部的顶表面132至凹部的底表面134的高度h。光栅耦合器130具有在两个相邻的凸部之间的光栅周期p。光栅耦合器130具有连续的表面，连续的表面包含顶表面132、侧壁136、底表面134和侧壁138，且连续的表面远离光学结构100的基板110。在一些实施方式中，光栅耦合器130包含阶梯光栅结构、闪耀光栅结构或倾斜光栅结构。应理解的是，图1b中示出的光栅耦合器130仅为示意图，光栅耦合器130的详细结构将于下文的图22a至图22f中描述。
54.请再次参考图1a。光学结构100包含上覆层140、微透镜150、激光160和金属屏蔽170。上覆层140覆盖核心层120。详细来说，上覆层140延伸且覆盖核心层120的表面以及光栅耦合器130的表面。在一些实施方式中，上覆层140包含氧化硅或高分子，核心层120的折
射率大于上覆层140的折射率。在一些实施方式中，上覆层140的折射率小于1.6，诸如1.1、1.2、1.3、1.4或1.5。在一些实施方式中，在可见光波长下的上覆层140的介电常数小于0.00001，诸如0.000008、0.000005或0.000003。微透镜150位于上覆层140和微透镜150上方，微透镜150配置以改变进入光栅耦合器130的激光160的单个或多个波长的入射角。在图1a中，指向微透镜150的三个箭头表示激光160的行进方向。详细来说，当激光160进到微透镜150中时，改变了激光160的行进方向。在一些实施方式中，微透镜150的直径d在0.05mm至50mm的范围内，诸如0.2、0.5、1、5、10、15、20、25、30、35、40或45mm。在一些实施方式中，微透镜150的折射率相同或相似于上覆层140的折射率。激光160为外部光。在一些实施方式中，激光160的激光束具有0.1mm至10mm范围内的直径，诸如0.2、0.5、1、2、4、6或8mm。金属屏蔽170覆盖微透镜150。金属屏蔽170具有开口172，开口172配置以使一部分的激光160进入微透镜150。金属屏蔽170的开口172允许激光160进入光栅耦合器130的有效耦合区r
eff
。换句话说，有效光束eb进入至微透镜150。有效光束eb的直径小于激光160的激光束的直径。
55.图2为根据本发明内容的一些实施方式的光学结构200的剖面图。相较于图1a中的光学结构100，图2中的光学结构200还包含底覆层210。底覆层210位于基板110和核心层120之间。在一些实施方式中，底覆层210包含氧化硅或高分子，核心层120的折射率大于底覆层210的折射率。在一些实施方式中，底覆层210的折射率小于1.6，诸如1.1、1.2、1.3、1.4或1.5。在一些实施方式中，在可见光波长下的底覆层210具有小于0.00001的介电常数，诸如0.000008、0.000005或0.000003。在一些实施方式中，微透镜150的折射率相同或相似于底覆层210的折射率。在一些实施方式中，基板110为不透明的基板且包含硅晶圆或互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor；cmos)。在一些实施方式中，基板110为透明的基板，且基板110具有在1.45至2.0范围内的折射率，诸如1.5、1.6、1.7、1.8或1.9。当基板110为透明或不透明的基板且折射率大于1.7时，底覆层210会设置于基板110和核心层120之间。
56.请再次参考图1a。从微透镜150至光栅耦合器130绘示的两条虚线形成光区164。光区164是允许激光160耦合到光栅耦合器130中的一个区域。每条虚线的长度具有透镜焦距f，两条虚线形成角度θ和焦点p。在一些实施方式中，角度θ介于0度至50度的范围内，诸如5、10、20、30或40度。图1a中的光学结构100的焦点p在光栅耦合器130中。在激光160通过微透镜150和上覆层140耦合到光栅耦合器130中之后，激光160会在核心层120中传递，从而使核心层120上方的荧光标记的生物分子发光。光栅耦合器130具有小于约20μm的有效耦合区r
eff
。有效耦合区r
eff
是激光160可以在核心层120中耦合并传递的一个区域。换句话说，如果光区164聚焦并暴露在有效耦合区r
eff
中，且入射角在光栅耦合器130的有效耦合角度内，则激光160会在核心层120中耦合并传递。然而，如果光区164在有效耦合区r
eff
之外或是光栅耦合器130的有效耦合角度之外，则激光160不会在核心层120中耦合并传递。
57.请参考图3。图3为根据本发明内容的一些实施方式的光学结构300的剖面图。光栅耦合器130邻接于核心层120，光栅耦合器130配置以接收因光学系统的未对准(misalignment)而具有偏移角度的激光160a。激光160a的照射区大于光栅耦合器130的有效耦合区r
eff
。相较于图1a中的光学结构100，图3中的光学结构300的激光160a的入射角偏移了偏移角度δθ，从而形成新的光区164a。光区164a形成新的透镜焦距f’、新的焦点p’和新的角度θ’。图3中的光学结构300的焦点p’在光栅耦合器130之外。暴露在图3中的光栅耦
合器130的表面上的光区164a大于暴露在图1a中的光栅耦合器130的表面上的光区164。图3中的透镜焦距f’大于图1a中的透镜焦距f。图3中的角度θ’小于图1a中的角度θ。在一些实施方式中，偏移角度δθ可为
±
2度、
±
5度、
±
10度或
±
20度。微透镜150位于上覆层140上方，其中当激光160a进到微透镜150时，微透镜150配置以聚焦激光160a于光栅耦合器130的有效耦合区r
eff
中。尽管激光160a发生偏移，光区164a仍覆盖(涵盖)光栅耦合器130的有效耦合区r
eff
，且新的角度θ’小于角度θ，这意味着由于激光束160a的偏移角度δθ而产生的新入射角小于光栅耦合器130的设计有效耦合角度。因此，激光160a仍然可以在核心层120中耦合并传递。本发明内容的光学结构可以在光学结构中提供较大的对准公差，从而提高用于生物检测的光学结构的整体耦合效率。应注意的是，为了讨论清楚起见，绘示出以下光学结构，激光160的偏移也应包括在其中。
58.应理解的是，图3可包含图1a中的基板110，且可还包含图2中的底覆层210。类似地，下方的图4至图7以及图12至图15可包含图1a中的基板110，且可还包含图2中的底覆层210。
59.图4、图5、图6和图7为根据本发明内容的一些替代实施方式的光学结构100a、100b、100c、100d的剖面图。
60.请同时参考图1a、图4和图5。光学结构100a、100b以及光学结构100之间的差异在于开口172的尺寸。如图4中所示，光学结构100a的金属屏蔽170a的开口172a大于光学结构100的金属屏蔽170的开口172。光学结构100a的有效光束eba大于光学结构100的有效光束eb。光学结构100a的光区164a大于光学结构100的光区164，且光区164a中的角度在-θ至θ的范围内。因为光区164a聚焦并暴露在有效耦合区r
eff
上且入射角在光栅耦合器130的有效耦合角度内，所以激光160(参考图1a)会在核心层120中耦合并传递。因此，光栅耦合效率会提高。如图5所示，光学结构100b的金属屏蔽170b的开口172b位于微透镜150的左侧上。光学结构100b的光区164b形成角度-θ。因为光区164b聚焦并暴露在有效耦合区r
eff
上且入射角在光栅耦合器130的有效耦合角度内，所以激光160会在核心层120中耦合并传递。在一些实施方式中，根据光栅耦合器的有效耦合角度，角度θ在0度至50度的范围内。
61.请参考图1a和图6。光学结构100c和光学结构100之间的差异在于金属屏蔽170的位置。如图6所示，金属屏蔽170c位于微透镜150下方。换句话说，金属屏蔽170c设置于微透镜150和光栅耦合器130之间。详细来说，金属屏蔽170c位于微透镜150和上覆层140之间。金属屏蔽170c具有开口172c以使一部分的激光160进入光栅耦合器130。因为光区164c聚焦并暴露在有效耦合区r
eff
上且入射角在光栅耦合器130的有效耦合角度内，所以激光160会在核心层120中耦合并传递。
62.请参考图1a和图7。光学结构100d和光学结构100之间的差异在于，上覆层140和气隙710的配置。光学结构100中的上覆层140被气隙710取代，如图7所示。在一些实施方式中，气隙710的厚度t在10μm至10mm的范围内，诸如0.05mm、0.1mm、0.5mm、1mm或5mm。
63.图8、图9a、图10a和图11a为根据本发明内容的一些替代实施方式的光学结构800、800a、800b、800c的剖面图。应注意的是，图1a、图8、图9a、图10a和图11a之间的主要差异在于光栅耦合器130的位置。如图1a所示，光栅耦合器130嵌埋于核心层120中。
64.请参考图8。在光学结构800中，光栅耦合器130位于核心层120的朝向微透镜150的表面122上，一部分的核心层120位于光栅耦合器130和基板110之间。详细来说，光栅耦合器
130低于微透镜150且高于核心层120，光栅耦合器130嵌埋于上覆层140中。在一些实施方式中，光栅耦合器130的材料相同于核心层120的材料。在一些实施方式中，光栅耦合器130的材料不同于核心层120的材料。图8中的光栅耦合器130的局部放大图可参考图1b。
65.请参考图9a。在光学结构800a中，光栅耦合器130设置于核心层120的朝向基板110的表面124上，一部分的核心层120位于微透镜150和光栅耦合器130之间。详细来说，光栅耦合器130嵌埋于基板110中。请参考图9b，图9b绘示出图9a中的光栅耦合器130的局部放大图。光栅耦合器130的连续表面(顶表面132、侧壁136、底表面134和侧壁138)朝向基板110。
66.请参考图10a。相较于光学结构800a，光学结构800b还包含金属反射器1010。请参考图10b，图10b绘示出图10a中的光栅耦合器130的局部放大图。金属反射器1010设置于光栅耦合器130的朝向基板110的表面(顶表面132、侧壁136、底表面134和侧壁138)上。
67.请参考图11a。相较于光学结构100，光学结构800c还包含金属反射器1010。详细来说，光栅耦合器130和金属反射器1010嵌埋于核心层120中。请参考图11b，图11b绘示出图11a中的光栅耦合器130的局部放大图。光栅耦合器130具有朝向基板110的表面(顶表面132、侧壁136、底表面134和侧壁138)以及邻接此表面的侧壁139。金属反射器1010设置于表面(顶表面132、侧壁136、底表面134和侧壁138)以及光栅耦合器130的侧壁139上。
68.图12、图13、图14和图15为根据本发明内容的一些替代实施方式的光学结构1200、1200a、1200b、1200c的剖面图。应注意的是，图8、图9a、图10a、图11a以及图12、图13、图14、图15的主要差异在于，上覆层140和气隙710的配置。详细来说，图8、图9a、图10a和图11a中的上覆层140被图12、图13、图14和图15中的气隙710取代。此处重复的元件符号用以表示相同或相似的特征，并且上述描述同样适用于以下描述的实施方式，并且其细节不再重复描述。
69.请参考图16。图16为根据本发明内容的一些替代实施方式的光学结构1600的剖面图。详细来说，图16中的光学结构1600相似于图5中的光学结构100b，但光学结构1600还包含在核心层120和光栅耦合器130下方的基板110。
70.图17a为图16中的光学结构1600的金属屏蔽170b的俯视图。图17b为图16中的光学结构1600的基板110、核心层120和光栅耦合器130的俯视图。图17c为沿着图17b的线a-a’的基板110、核心层120和光栅耦合器130的剖面图。如图17a中所示，金属屏蔽170b具有直线形状。如图16所示，微透镜150的截面形状为半圆柱形。如图17b所示，核心层120包含平面波导。
71.图18a为图16中的光学结构1600的金属屏蔽170b的俯视图。图18b为图16中的光学结构1600的基板110、核心层120和光栅耦合器130的俯视图。图18c为沿着图18b的线b-b’的基板110、核心层120和光栅耦合器130的剖面图。如图18a所示，光栅耦合器130包含弯曲的形状。如图18b所示，核心层120包含多个通道波导。
72.图19和图20为图16中的光学结构1600的基板110、核心层120和光栅耦合器130的俯视图。图21a、图21b、图21c和图21d为沿着图19的线c-c’的剖面图。类似地，图21a、图21b、图21c和图21d沿着图20的线d-d’的剖面图。
73.图21a和图21b中的每个光栅耦合器130具有多个凹槽。图21c和图21d中的每个光栅耦合器130具有多个凸部。在一些实施方式中，光栅耦合器130的材料不同于核心层120的材料。在图21a、图21b、图21c和图21d中，激光160(参考图1a)会耦合至光栅耦合器130中，然
后在核心层120中传递。在一些实施方式中，光栅耦合器130具有渐缩的厚度，如图21a或图21c所示。
74.请参考图22a至图22f。图22a至图22f为根据本发明内容的一些实施方式的光栅耦合器130(参考图1b)的各种光栅结构的剖面图。光栅耦合器130包含阶梯光栅结构(step grating structure)130a、闪耀光栅结构(blazed grating structure)130b和倾斜光栅结构(slanted grating structure)130c-130f中的至少一者。请再次参考图1b中的光栅耦合器130的局部放大图。光栅耦合器130具有光栅周期p和高度h。图22a至图22f中的光栅结构可选择性地用于图1b中的光栅耦合器130。此外，根据激光160(参考图1a)或激光160a(参考图3)传递方向(诸如传向右侧或左侧)，图22a至图22f中的光栅结构可为镜面对称结构。举例来说，阶梯光栅结构130a的第一垂直侧壁221可朝向右侧、闪耀光栅结构130b的倾斜侧壁224可朝向右侧、或倾斜光栅结构130c-130f的第一倾斜侧壁225可朝向右侧。
75.图22a绘示出光栅耦合器130的阶梯光栅结构130a。在一些实施方式中，阶梯光栅结构130a具有n阶，其中n在3至16的范围内。举例来说，n为4、6、8、10、12或14。详细来说，图22a绘示出3阶的梯光栅结构。阶梯光栅结构130a包含第一垂直侧壁221、第二垂直侧壁222和水平表面223。水平表面223邻接第一垂直侧壁221和第二垂直侧壁222。在一些实施方式中，阶梯光栅结构130a的顶部宽度wt为80nm、阶梯光栅结构130a的底部宽度wb为300nm、阶梯光栅结构130a的高度h为400nm、阶梯光栅结构130a的第一垂直侧壁221具有200nm的高度、阶梯光栅结构130a的第二垂直侧壁222具有200nm的高度，阶梯光栅结构130a的水平表面223具有220nm的宽度。
76.图22b绘示出光栅耦合器130的闪耀光栅结构130b。闪耀光栅结构130b包含倾斜侧壁224。倾斜侧壁224从闪耀光栅结构130b的顶部延伸至闪耀光栅结构130b的底部，闪耀光栅结构130b的宽度从闪耀光栅结构130b的顶部至闪耀光栅结构130b的底部逐渐增加。在一些实施方式中，闪耀光栅结构130b的底部宽度wb为400nm且闪耀光栅结构130b的高度h为400nm。
77.图22c至图22f绘示出光栅耦合器130的倾斜光栅结构130c-130f。倾斜光栅结构130c-130f中的每一者都包含第一倾斜侧壁225、第二倾斜侧壁226和顶表面227。顶表面227邻接第一倾斜侧壁225和第二倾斜侧壁226。倾斜光栅结构130c-130f中的每个第一倾斜侧壁225具有第一斜度，倾斜光栅结构130c-130f中的每个第二倾斜侧壁226具有第二斜度。在一些实施方式中，第一斜度相同于第二斜度。在一些实施方式中，第一斜度小于斜度第二斜度。
78.在一些实施方式中，底部宽度wb为180nm、顶部宽度wt为180nm，高度h为400nm，如图22c所示。在一些实施方式中，底部宽度wb为228nm、顶部宽度wt为136nm，高度h为400nm，如图22d所示。在一些实施方式中，底部宽度wb为260nm、顶部宽度wt为100nm，高度h为400nm，如图22e所示。在一些实施方式中，底部宽度wb为280nm、顶部宽度wt为80nm，高度h为400nm，如图22f所示。
79.图23a、图23b、图24a、图24b、图25a、图25b、图26a和图26b为根据本发明内容的一些实施方式在不同光栅结构的情况下，波长为532nm的绿光的入射角对强度作图。详细来说，在模拟中使用阶梯光栅结构130a、闪耀光栅结构130b以及倾斜光栅结构130c-130f。更详细来说，光栅周期p为400nm且高度h为400nm(请参考图1b)。模拟结果示出在光栅耦合器
130的不同折射率以及上覆层140的不同折射率的情况下，不同的光栅耦合器130与绿光的入射角之间的关系。应理解的是，这里的使用的“强度(intensity)”表示光栅耦合器130的耦合效率，“入射角”表示相对于光栅耦合器130表面的法线方向的角度。此外，“半波高全宽度(full width at half maximum；fwhm)”可理解为光栅耦合器的有效耦合角度。在一些实施方式中，使用了严格耦合波分析(rigorous coupled wave analysis；rcwa)方法。
80.请参考图23a和图23b。在图23a和图23b的模拟结果中，光栅耦合器130的折射率为1.9，上覆层140的折射率为1。换句话说，上覆层140为气隙710(参考图7)。在图23a中，当入射角小于约20度时，阶梯光栅结构130a、闪耀光栅结构130b和倾斜光栅结构130c具有高强度。在图23b中，当入射角小于约40度时，倾斜光栅结构130c、倾斜光栅结构130d、倾斜光栅结构130e和倾斜光栅结构130f具有高强度。
81.请参考图24a和图24b。在图24a和图24b的模拟结果中，光栅耦合器130的折射率为2.35，上覆层140的折射率1。换句话说，上覆层140为气隙710(参考图7)。在图24a中，阶梯光栅结构130a和闪耀光栅结构130b的强度大于倾斜光栅结构130c的强度。然而，当入射角小于约20度时，倾斜光栅结构130c仍具有高强度。在图24b中，当入射角小于约40度时，倾斜光栅结构130c、倾斜光栅结构130d、倾斜光栅结构130e和倾斜光栅结构130f具有高强度。倾斜光栅结构130f的有效耦合角度公差大于倾斜光栅结构130c的有效耦合角度公差。
82.请参考图25a和图25b。在图25a和图25b的模拟结果中，光栅耦合器130的折射率为1.9，上覆层140的折射率为1.47。在图25a中，倾斜光栅结构130c的强度大于阶梯光栅结构130a和闪耀光栅结构130b的强度。在图25b中，随着入射角的增加，倾斜光栅结构130c、倾斜光栅结构130d、倾斜光栅结构130e和倾斜光栅结构130f具有相似的强度。
83.请参考图26a和图26b。在图26a和图26b的模拟结果中，光栅耦合器130的折射率为2.35，上覆层140的折射率为1.47。在图26a中，当入射角小于约20度时，倾斜光栅结构130c的强度大于阶梯光栅结构130a和闪耀光栅结构130b的强度。在图26b中，当入射角小于约20度时，倾斜光栅结构130c、倾斜光栅结构130d、倾斜光栅结构130e和倾斜光栅结构130f具有高强度。
84.尽管图23a至图26b示出波长为532nm的绿光的模拟结果，也可以模拟其他不同波长(例如，488nm和633nm)的光。在模拟结果中，阶梯光栅结构130a、闪耀光栅结构130b、倾斜光栅结构130c-130f在一定程度上表现出良好的耦合效率且具有大的有效耦合角度公差。
85.本发明内容的光学结构结合了用于将大且准直的激光束转换为在有效耦合区域上曝光的收敛聚焦光的微透镜结构。本发明内容提供多种光栅结构，诸如n阶(n》＝3)、闪耀或倾斜光栅，这些光栅结构具有更大的有效耦合角度(半波高全宽度(fwhm))以及高耦合效率的特点，其允许从大的激光束耦合更多能量和/或耦合多个波长到一个光栅波导中以激发荧光标记的生物分子的可能性。本发明内容也可在光学结构中提供大的对准公差(包含xyz轴和入射角)，从而提高用于生物检测的光学结构的整体耦合效率。
86.以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本技术的权利要求书所界定的范围为准。