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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023086069
(43)【公開日】2023-06-21
(54)【発明の名称】光学構造体
(51)【国際特許分類】
G02B 6/124 20060101AFI20230614BHJP
G02B 6/32 20060101ALI20230614BHJP
【ＦＩ】
G02B6/124
G02B6/32
【審査請求】有
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022050834
(22)【出願日】2022-03-25
(31)【優先権主張番号】17/547,025
(32)【優先日】2021-12-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】507296388
【氏名又は名称】采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司
【氏名又は名称原語表記】ＶｉｓＥｒａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１２，Ｄｕｓｉｎｇ Ｒｄ．１， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ，Ｈｓｉｎ－Ｃｈｕ Ｃｉｔｙ，Ｔａｉｗａｎ
(74)【代理人】
【識別番号】100120857
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100116872
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 和子
(72)【発明者】
【氏名】謝 馨儀
(72)【発明者】
【氏名】謝 錦全
【テーマコード（参考）】
2H137
2H147
【Ｆターム（参考）】
2H137AA14
2H137BA34
2H137BC02
2H137BC16
2H137BC25
2H137BC27
2H137CD45
2H137FA05
2H147AA02
2H147BC13
2H147BG04
2H147CA08
2H147CA18
2H147EA02A
2H147EA12C
2H147EA13B
2H147EA13C
2H147EA14C
2H147EA15C
2H147EA16B
(57)【要約】 （修正有）
【課題】光学構造体に関する。特に、光学構造体は、バイオセンサに適用する。バイオセンサ応用における蛍光標識生体分子の発光効率を改善するために、グレーティング導波路のグレーティング結合効率の問題を解決する必要がある。
【解決手段】光学構造体１００は、グレーティングカプラ１３０及びマイクロレンズ１５０を含む。グレーティングカプラは、レーザ光１６０を受光するように構成される。マイクロレンズは、グレーティングカプラの上方にあり、金属シールド１７０は、マイクロレンズを覆い、レーザ光がグレーティングカプラの有効結合領域Ｒｅｆｆに入ることを可能にする開口１７２を有する。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】光学構造体１００は、グレーティングカプラ１３０及びマイクロレンズ１５０を含む。グレーティングカプラは、レーザ光１６０を受光するように構成される。マイクロレンズは、グレーティングカプラの上方にあり、金属シールド１７０は、マイクロレンズを覆い、レーザ光がグレーティングカプラの有効結合領域Ｒｅｆｆに入ることを可能にする開口１７２を有する。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を受光するように構成されるグレーティングカプラと、
前記グレーティングカプラの上方にあるマイクロレンズと、を含み、金属シールドは、前記マイクロレンズを覆い、前記レーザ光が前記グレーティングカプラの有効結合領域に入ることを可能にする開口を有する、光学構造体。
前記グレーティングカプラの上方にあるマイクロレンズと、を含み、金属シールドは、前記マイクロレンズを覆い、前記レーザ光が前記グレーティングカプラの有効結合領域に入ることを可能にする開口を有する、光学構造体。
【請求項2】
前記金属シールドの前記開口は、前記レーザ光の一部を前記マイクロレンズに入らせるように構成され、－５０°～５０°の範囲にある角度を有し、
前記金属シールドは、前記マイクロレンズと前記グレーティングカプラとの間に配置される、請求項１に記載の光学構造体。
前記金属シールドは、前記マイクロレンズと前記グレーティングカプラとの間に配置される、請求項１に記載の光学構造体。
【請求項3】
前記レーザ光は、オフセット角度を有し、前記レーザ光の照射領域は、前記グレーティングカプラの前記有効結合領域より大きく、
前記オフセット角度は、－２０°～２０°の範囲にある、請求項１～２のいずれか１項に記載の光学構造体。
前記オフセット角度は、－２０°～２０°の範囲にある、請求項１～２のいずれか１項に記載の光学構造体。
【請求項4】
前記グレーティングカプラに隣接するコア層と、
前記コア層によって覆われ、サファイヤ又はガラスを含み、１．４５～２．０の範囲にある屈折率を有する基板と、
前記コア層を覆う上部クラッド層であって、シリコン酸化物又はポリマーを含み、前記コア層の屈折率は、前記上部クラッド層の屈折率より大きい、上部クラッド層と、を更に含み、
前記上部クラッド層は、前記屈折率が１．６未満であり、誘電率が可視光波長で０．００００１未満である、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学構造体。
前記コア層によって覆われ、サファイヤ又はガラスを含み、１．４５～２．０の範囲にある屈折率を有する基板と、
前記コア層を覆う上部クラッド層であって、シリコン酸化物又はポリマーを含み、前記コア層の屈折率は、前記上部クラッド層の屈折率より大きい、上部クラッド層と、を更に含み、
前記上部クラッド層は、前記屈折率が１．６未満であり、誘電率が可視光波長で０．００００１未満である、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学構造体。
【請求項5】
前記基板と前記コア層との間にある下部クラッド層を更に含み、前記下部クラッド層は、１．６未満の屈折率及び可視光波長で０．００００１未満の誘電率を有し、前記基板は、シリコン及びＣＭＯＳを含む、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項6】
前記グレーティングカプラは、前記コア層に埋設され、上方からみて直線状であり、前記マイクロレンズの断面形状は、半円筒状であり、前記コア層は、平面導波路を含む、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項7】
前記グレーティングカプラは、前記コア層に埋設され、上方からみて湾曲した形状を有し、前記コア層は、複数のチャネル導波路を含む、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項8】
前記グレーティングカプラは、前記コア層に埋設され、前記基板に面する面と、前記面に隣接する側壁とを有し、前記光学構造体は、前記グレーティングカプラの前記面及び前記側壁に配置される金属反射体を更に含む、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項9】
前記グレーティングカプラは、前記マイクロレンズに面する前記コア層の面に配置され、前記コア層の一部は、前記グレーティングカプラと前記基板との間にあり、
前記グレーティングカプラの材料は、前記コア層の材料とは異なり、
前記グレーティングカプラは、テーパ状の厚さを有する、請求項４に記載の光学構造体。
前記グレーティングカプラの材料は、前記コア層の材料とは異なり、
前記グレーティングカプラは、テーパ状の厚さを有する、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項10】
前記グレーティングカプラは、前記基板に面する前記コア層の面に配置され、前記コア層の一部は、前記マイクロレンズと前記グレーティングカプラとの間にあり、
前記光学構造体は、前記基板に面する前記グレーティングカプラの面に配置される金属反射体を更に含む、請求項４に記載の光学構造体。
前記光学構造体は、前記基板に面する前記グレーティングカプラの面に配置される金属反射体を更に含む、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項11】
前記グレーティングカプラは、段階グレーティング構造であり、前記段階グレーティング構造は、第１の垂直側壁と、第２の垂直側壁と、前記第１の垂直側壁及び前記第２の垂直側壁に隣接する水平面とを含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載の光学構造体。
【請求項12】
前記グレーティングカプラは、ブレーズドグレーティング構造であり、前記ブレーズドグレーティング構造は、前記ブレーズドグレーティング構造の頂部から前記ブレーズドグレーティング構造の底部へ延びる斜めの側壁を含み、前記ブレーズドグレーティング構造の幅は、前記ブレーズドグレーティング構造の頂部から前記ブレーズドグレーティング構造の底部へ徐々に増加する、請求項１～１０のいずれか１項に記載の光学構造体。
【請求項13】
前記グレーティングカプラは、傾斜グレーティング構造であり、前記傾斜グレーティング構造は、第１の斜めの側壁と、第２の斜めの側壁と、前記第１の斜めの側壁及び前記第２の斜めの側壁に隣接する頂面とを含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載の光学構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光学構造体に関する。特に、光学構造体は、バイオセンサに適用することができる。
【背景技術】
【0002】
グレーティング導波路は、バイオセンサ、拡張現実（ＡＲ）、仮想現実（ＶＲ）及び電気通信に広く適用されている。バイオセンサの分野において、グレーティング結合効率は、蛍光標識生体分子（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ－ｌａｂｅｌｅｄ ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）の発光効率に影響を及ぼす。幾つかの要因、例えば、外光とグレーティング構造とのアライメント（位置関係、位置合わせ）、グレーティング導波路構造における光学要素の材料特性、及びグレーティングカプラの幾何学的構造は、グレーティング結合効率に影響を及ぼす。
【0003】
導波路コア上のエバネッセント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｃｅ）波領域内の蛍光標識生体分子を均一及び局在励起するための、導波路層を伝搬する光は、グレーティングナノ構造を介して、光学構造体に入る外光を結合することにより生成することができる。しかしながら、レーザビームからグレーティング導波路への結合効率が比較的低いと、蛍光タグの低い発光効率を引き起こし、これは、（ｘｙｚ軸のオフセットと入射角を含む）アライメント要求が厳しく、レーザビームの直径に比べてグレーティングカプラの有効結合幅が比較的小さいためである。したがって、バイオセンサ応用における蛍光標識生体分子の発光効率を改善するために、グレーティング導波路のグレーティング結合効率の問題を解決する必要がある。
【発明の概要】
【0004】
本開示の一態様は、光学構造体を提供する。光学構造体は、グレーティング（ｇｒａｔｉｎｇ、回折格子）カプラ及びマイクロレンズを含む。グレーティングカプラは、レーザ光を受光するように構成される。マイクロレンズは、グレーティングカプラの上方にあり、金属シールドは、マイクロレンズを覆い、レーザ光がグレーティングカプラの有効結合領域に入る（入射する）ことを可能にする開口を有する。
【0005】
本開示の幾つかの実施形態において、金属シールドの開口は、レーザ光の一部をマイクロレンズに入らせるように構成され、－５０°～５０°の範囲にある角度を有する。
【0006】
本開示の幾つかの実施形態において、レーザ光は、光学システムの位置ずれ（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）によるオフセット角度を有し、レーザ光の照射領域は、グレーティングカプラの有効結合領域より大きい。
【0007】
本開示の幾つかの実施形態において、オフセット角度は、－２０°～２０°の範囲にある。
【0008】
本開示の幾つかの実施形態において、金属シールドは、マイクロレンズとグレーティングカプラとの間に配置される。
【0009】
本開示の幾つかの実施形態において、光学構造体は、コア層、基板及び上部クラッド層を更に含む。コア層は、グレーティングカプラに隣接する。基板は、コア層によって覆われる。上部クラッド層は、コア層を覆う。
【0010】
本開示の幾つかの実施形態において、基板は、サファイヤ又はガラスを含み、１．４５～２．０の範囲にある屈折率を有する。
【0011】
本開示の幾つかの実施形態において、基板は、シリコン又はＣＭＯＳを含む。
【0012】
本開示の幾つかの実施形態において、光学構造体は、基板とコア層との間にある下部クラッド層を更に含み、下部クラッド層は、１．６未満の屈折率及び可視光波長で０．００００１未満の誘電率を有する。
【0013】
本開示の幾つかの実施形態において、上部クラッド層は、シリコン酸化物又はポリマーを含み、コア層の屈折率は、上部クラッド層の屈折率より大きい。
【0014】
本開示の幾つかの実施形態において、上部クラッド層は、屈折率が１．６未満であり、誘電率が可視光波長で０．００００１未満である。
【0015】
本開示の幾つかの実施形態において、グレーティングカプラは、コア層に埋設される。
【0016】
本開示の幾つかの実施形態において、グレーティングカプラは、上方からみて直線状であり、マイクロレンズの断面形状は、半円筒状であり、コア層は、平面導波路を含む。
【0017】
本開示の幾つかの実施形態において、グレーティングカプラは、上方からみて、湾曲した（ｃｕｒｖｅｄ）形状を有し、コア層は、複数のチャネル導波路を含む。
【0018】
本開示の幾つかの実施形態において、グレーティングカプラは、基板に面する面と、該面に隣接する側壁とを有し、光学構造体は、グレーティングカプラの面及び側壁に配置される金属反射体を更に含む。
【0019】
本開示の幾つかの実施形態において、グレーティングカプラは、マイクロレンズに面するコア層の面に配置され、コア層の一部は、グレーティングカプラと基板との間にあり、グレーティングカプラの材料は、コア層の材料とは異なる。
【0020】
本開示の幾つかの実施形態において、グレーティングカプラは、テーパ状の厚さを有する。
【0021】
本開示の幾つかの実施形態において、グレーティングカプラは、基板に面するコア層の面に配置され、コア層の一部は、マイクロレンズとグレーティングカプラとの間にある。
【0022】
本開示の幾つかの実施形態において、光学構造体は、基板に面するグレーティングカプラの面に配置される金属反射体を更に含む。
【0023】
本開示の幾つかの実施形態において、グレーティングカプラは、段階（ｓｔｅｐ）グレーティング構造、ブレーズドグレーティング構造又は傾斜（ｓｌａｎｔｅｄ）グレーティング構造である。
【0024】
本開示の幾つかの実施形態において、段階グレーティング構造は、第１の垂直側壁と、第２の垂直側壁と、第１の垂直側壁及び第２の垂直側壁に隣接する水平面とを含む。
【0025】
本開示の幾つかの実施形態において、ブレーズドグレーティング構造（ｂｌａｚｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）は、ブレーズドグレーティング構造の頂部からブレーズドグレーティング構造の底部へ延びる斜めの側壁を含み、ブレーズドグレーティング構造の幅は、ブレーズドグレーティング構造の頂部からブレーズドグレーティング構造の底部へ徐々に増加する。
【0026】
本開示の幾つかの実施形態において、傾斜グレーティング構造は、第１の斜めの側壁と、第２の斜めの側壁と、第１の斜めの側壁及び第２の斜めの側壁に隣接する頂面とを含む。
【0027】
本開示の態様は、添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明から最もよく理解される。様々な特徴は、当業界の標準的技法に従って、原寸大には描かれていないことに注意すべきである。実際、説明を明確にするために、様々な特徴の寸法は、任意に拡大又は縮小されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1A】本開示の幾つかの実施形態による光学構造体の断面図である。
【図2】本開示の幾つかの実施形態による光学構造体の断面図である。
【図3】本開示の幾つかの実施形態による光学構造体の断面図である。
【図4】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図5】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図6】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図7】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図8】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図9A】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図10A】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図11A】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図12】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図13】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図14】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図15】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図16】本開示の代替の実施形態による光学構造体の断面図である。
【図22A】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。
【図22B】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。
【図22C】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。
【図22D】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。
【図22E】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。
【図22F】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。
【図23A】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。
【図23B】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。
【図24A】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。
【図24B】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。
【図25A】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。
【図25B】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。
【図26A】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。
【図26B】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下の開示は、提供される主題の異なる特徴を実施するための、多くの異なる実施形態又は例を提供するものである。以下、本開示を簡略化するために、部品及び配置の特定の例を説明する。もちろん、これらは、例に過ぎず、限定することを意図するものではない。例えば、以下の説明における第２の特徴の上方又は上の第１の特徴の形成（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｉｒｓｔ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｖｅｒ ｏｒ ｏｎ ａ ｓｅｃｏｎｄ ｆｅａｔｕｒｅ）は、第１の特徴と第２の特徴とが直接接触して形成される実施形態を含んでもよく、また、第１の特徴と第２の特徴とが直接接触しないように、追加の特徴が第１の特徴と第２の特徴との間に形成され得る実施形態を含んでもよい。更に、本開示は、様々な例において符号及び／又は文字を繰り返してもよい。この繰り返しは、簡略化と明瞭化を目的としており、それ自体では、説明した様々な実施形態及び／又は構成の間の関係を示すものではない。全ての要素／部品の数は、例示のためのものに過ぎず、本開示を限定することを意図するものではないことを理解されたい。
【0030】
本明細書では、第１、第２などの用語を使用して様々な要素を説明するが、これらの要素は、これらの用語によって限定されないことを理解されたい。これらの用語は、１つの要素を別の要素から区別するためにのみ使用される。例えば、実施形態の範囲を逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用されるように、用語「及び／又は」は、関連するリストされた項目のうちの１つ又は複数の任意及び全ての組合せを含む。
【0031】
更に、「下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」等のような空間的に相対的な用語は、１つの要素又は特徴と図示される他の要素（複数の要素）又は特徴（複数の特徴）との関連性を容易に説明するために本明細書で使用されてもよい。空間的に相対的な用語は、図に示される向きに加えて、使用又は動作における装置の他の向きを包含するものとして意図されている。装置は、他の方向（９０°回転するか又は他の向き）に配向されてもよく、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子は、同様にそれに応じて解釈されてもよい。
【0032】
バイオセンサの分野において、蛍光標識生体分子の発光効率は、グレーティング結合効率による影響を受ける。単波長又は多波長（複数の波長）の外光がバイナリ（２段階）グレーティングカプラ（ＧＣ）を介して光学構造体に入る場合、正確な入射角（約＋／－１°）で有効結合領域（グレーティングカプラの内縁近くの約１０～２０μｍ）に露光された光エネルギーのみが導波路に結合することができる。したがって、通常、光学構造体のグレーティング結合効率は低い。グレーティング結合効率は、例えば、外光とグレーティング構造とのアライメント、レーザ光のビーム直径、グレーティング導波路構造における光学要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）の材料特性、グレーティングカプラの幾何学的構造などに起因する。
【0033】
本開示の光学構造体は、大型のコリメートレーザビームを、有効結合領域に露光する集光された集束光に変換するためのマイクロレンズ構造を組み合わせる。本開示は、様々なグレーティング構造を提供する。これらは、例えば、蛍光標識生体分子を励起するために単波長又は多波長をグレーティング導波路に結合する可能性を可能にする、より大きな結合角度公差及び高いグレーティング結合効率の特徴を有する、ｎ段階（ｎ＞＝３）、ブレーズド又は傾斜グレーティングの構造である。具体的には、単波長のみがグレーティング導波路に結合される場合、励起して蛍光信号を送ることができる蛍光体の種類が少なくなる可能性がある。これに対して、多波長がグレーティング導波路に結合される場合、励起して蛍光信号を送ることができる蛍光体の種類が多くなる可能性がある。しかしながら、本開示は、単波長又は多波長を結合することに限定されない。また、本開示は、光学構造体における、ｘｙｚ軸及び入射角を含む大きなアライメント公差を提供することにより、バイオ検出のための光学構造体の全体的な結合効率を向上させることができる。
【0034】
図１Ａは、本開示の幾つかの実施形態による光学構造体１００の断面図である。光学構造体１００は、基板１１０、コア層１２０及びグレーティングカプラ１３０を含む。基板１１０は、コア層１２０によって覆われる。幾つかの実施形態では、基板１１０は、透明であり、サファイヤ又はガラスを含む。基板１１０は、透明である場合、１．４５～１．７の範囲にある、例えば１．５又は１．６の屈折率を有する。コア層１２０は、基板１１０を覆う。幾つかの実施形態では、コア層１２０の屈折率は、基板１１０の屈折率より相対的に高い。幾つかの実施形態では、コア層１２０は、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４又は他の適切な材料を含む。グレーティングカプラ１３０は、コア層１２０に隣接し、レーザ光１６０を受光するように構成される。例えば、グレーティングカプラ１３０は、コア層１２０に埋設される。幾つかの実施形態では、コア層１２０の厚さは、約０．０５～０．５μｍ、より具体的には、０．０８～０．２５μｍである。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１３０の材料は、コア層１２０の材料と同じである。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１３０の材料は、コア層１２０の材料とは異なる。
【0035】
図１Ｂを参照されたい。図１Ｂは、図１Ａにおけるグレーティングカプラ１３０の拡大図を示す。グレーティングカプラ１３０は、複数の凸部及び複数の凹部を有する。グレーティングカプラ１３０の凸部は、凸部の頂面１３２から凹部の底面１３４までの高さｈを有する。グレーティングカプラ１３０は、隣接する２つの凸部の間にグレーティング周期ｐを有する。グレーティングカプラ１３０は、頂面１３２と、側壁１３６と、底面１３４と、側壁１３８とを含む連続面を有し、連続面は、光学構造体１００の基板１１０から反対の方向（離れる方向）に面する。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１３０は、段階グレーティング構造、ブレーズドグレーティング構造又は傾斜グレーティング構造を含む。図１Ｂに示されるグレーティングカプラ１３０は、概略図に過ぎず、グレーティングカプラ１３０の詳細な構造は、以下の図２２Ａ～図２２Ｆに記載されることを理解されたい。
【0036】
図１Ａを再度参照されたい。光学構造体１００は、上部クラッド層１４０、マイクロレンズ１５０、レーザ光１６０及び金属シールド１７０を含む。上部クラッド層１４０は、コア層１２０を覆う。具体的には、上部クラッド層１４０は、コア層１２０の面及びグレーティングカプラ１３０の面に沿って延びて覆う。幾つかの実施形態では、上部クラッド層１４０は、シリコン酸化物又はポリマーを含み、コア層１２０の屈折率は、上部クラッド層１４０の屈折率より大きい。幾つかの実施形態では、上部クラッド層１４０の屈折率は、１．６未満、例えば、１．１、１．２、１．３、１．４又は１．５である。幾つかの実施形態では、上部クラッド層１４０の誘電率は、可視光波長で０．００００１未満、例えば、０．０００００８、０．０００００５又は０．０００００３である。マイクロレンズ１５０は、上部クラッド層１４０の上方にあり、グレーティングカプラ１３０に入る単波長又は多波長のレーザ光１６０の入射角を変更するように構成される。図１Ａでは、マイクロレンズ１５０を指す３つの矢印は、レーザ光１６０の進行方向を示す。具体的には、レーザ光１６０がマイクロレンズ１５０に入る場合、レーザ光１６０の進行方向が変更される。幾つかの実施形態では、マイクロレンズ１５０の直径Ｄは、０．０５～５０ｍｍの範囲にあり、例えば、０．２、０．５、１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０又は４５ｍｍである。幾つかの実施形態では、マイクロレンズ１５０の屈折率は、上部クラッド層１４０の屈折率と同じ又は類似する。レーザ光１６０は、外光である。幾つかの実施形態では、レーザ光１６０のレーザビームは、０．１ｍｍ～１０ｍｍの範囲にある、例えば、０．２、０．５、１、２、４、６又は８ｍｍの直径を有する。金属シールド１７０は、マイクロレンズ１５０を覆う。金属シールド１７０は、レーザ光１６０の一部をマイクロレンズ１５０に入らせるように構成される開口１７２を有する。金属シールド１７０の開口１７２は、レーザ光１６０がグレーティングカプラ１３０の有効結合領域Ｒｅｆｆに入ることを可能にする。言い換えれば、有効ビームＥＢは、マイクロレンズ１５０に入る。有効ビームＥＢの直径は、レーザ光１６０のレーザビームの直径より小さい。
【0037】
図２は、本開示の幾つかの実施形態による光学構造体２００の断面図である。図２における光学構造体２００は、図１Ａにおける光学構造体１００に比べて下部クラッド層２１０を更に含む。下部クラッド層２１０は、基板１１０とコア層１２０との間にある。幾つかの実施形態では、下部クラッド層２１０は、シリコン酸化物又はポリマーを含み、コア層１２０の屈折率は、下部クラッド層２１０の屈折率より大きい。幾つかの実施形態では、下部クラッド層２１０の屈折率は、１．６未満、例えば、１．１、１．２、１．３、１．４又は１．５である。幾つかの実施形態では、下部クラッド層２１０は、可視光波長で０．００００１未満、例えば、０．０００００８、０．０００００５又は０．０００００３の誘電率を有する。幾つかの実施形態では、マイクロレンズ１５０の屈折率は、下部クラッド層２１０の屈折率と同じ又は類似する。幾つかの実施形態では、基板１１０は、不透明であり、シリコンウェハ又はＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）を含む。幾つかの実施形態では、基板１１０は、透明であり、１．４５～２．０の範囲にある、例えば１．５、１．６、１．７、１．８又は１．９の屈折率を有する。基板１１０が不透明又は透明で、１．７より大きい屈折率を有する場合、下部クラッド層２１０は、基板１１０とコア層１２０との間に配置される。
【0038】
図１Ａを再度参照されたい。マイクロレンズ１５０からグレーティングカプラ１３０までを示す２つの点線は、光領域１６４を形成する。光領域１６４は、レーザ光１６０がグレーティングカプラ１３０に結合されることを可能にする領域である。それぞれの点線の長さは、レンズ焦点距離Ｆを有し、２つの点線は、角度θ及び焦点Ｐを形成する。幾つかの実施形態では、角度θは、０°～５０°の範囲にあり、例えば、５、１０、２０、３０又は４０°である。図１Ａにおける光学構造体１００の焦点Ｐは、グレーティングカプラ１３０にある。レーザ光１６０がマイクロレンズ１５０及び上部クラッド層１４０を介してグレーティングカプラ１３０に結合された後、レーザ光１６０は、コア層１２０を伝搬することにより、コア層１２０の上方にある蛍光標識生体分子が発光する。グレーティングカプラ１３０は、約２０μｍ未満の有効結合領域Ｒｅｆｆを有する。有効結合領域Ｒｅｆｆは、レーザ光１６０がコア層１２０に結合及び伝搬できる領域である。言い換えれば、光領域１６４が有効結合領域Ｒｅｆｆに集束及び露光され、かつ入射角がグレーティングカプラ１３０の有効結合角度にあると、レーザ光１６０は、コア層１２０に結合及び伝搬される。しかしながら、光領域１６４が有効結合領域Ｒｅｆｆの外にあるか又はグレーティングカプラ１３０の有効結合角度の範囲の外にあると、レーザ光１６０は、コア層１２０に結合及び伝搬されない。
【0039】
図３を参照されたい。図３は、本開示の幾つかの実施形態による光学構造体３００の断面図である。グレーティングカプラ１３０は、コア層１２０に隣接し、光学システムの位置ずれによるオフセット角度を有するレーザ光１６０ａを受光するように構成される。レーザ光１６０ａの照射領域は、グレーティングカプラ１３０の有効結合領域Ｒｅｆｆより大きい。図１Ａにおける光学構造体１００に比べて、図３における光学構造体３００のレーザ光１６０ａの入射角がオフセット角度Δθでオフセットすることにより、新しい光領域１６４ａが形成される。光領域１６４ａは、新しいレンズ焦点距離Ｆ’、新しい焦点Ｐ’及び新しい角度θ’を形成する。図３における光学構造体３００の焦点Ｐ’は、グレーティングカプラ１３０の外にある。図３におけるグレーティングカプラ１３０の面に露光される光領域１６４ａは、図１Ａにおけるグレーティングカプラ１３０の面に露光される光領域１６４より大きい。図３におけるレンズ焦点距離Ｆ’は、図１Ａにおけるレンズ焦点距離Ｆより大きい。図３における角度θ’は、図１Ａにおける角度θより小さい。幾つかの実施形態では、オフセット角度Δθは、±２°、±５°、±１０°又は±２０°である。マイクロレンズ１５０は、上部クラッド層１４０の上方にあり、レーザ光１６０ａがマイクロレンズ１５０に入る場合、マイクロレンズ１５０は、グレーティングカプラ１３０の有効結合領域Ｒｅｆｆにレーザ光１６０ａを集束するように構成される。レーザ光１６０ａがオフセットされることにもかかわらず、光領域１６４ａは、グレーティングカプラ１３０の有効結合領域Ｒｅｆｆを覆い、新しい角度θ’は、角度θより小さい。これは、レーザビーム１６０ａのオフセットΔθによる新しい入射角がグレーティングカプラ１３０の設計された有効結合角度より小さいことを意味する。したがって、レーザ光１６０ａは、依然としてコア層１２０に結合及び伝搬することができる。本開示の光学構造体は、光学構造体における大きなアライメント公差を提供することにより、バイオ検出のための光学構造体の全体的な結合効率を向上させることができる。以下の光学構造体が説明を明確にするために示されるが、レーザ光１６０のオフセットもそこに含まれるべきであることに留意されたい。
【0040】
図３は、図１Ａにおける基板１１０を含んでもよく、更に、図２における下部クラッド層２１０を含んでもよいことを理解されたい。同様に、以下の図４～図７及び図１２～図１５は、図１Ａにおける基板１１０を含んでもよく、更に、図２における下部クラッド層２１０を含んでもよい。
【0041】
【0042】
図１Ａ、図４及び図５を同時に参照されたい。光学構造体１００ａ、１００ｂと光学構造体１００との間の違いは、開口１７２のサイズである。図４に示されるように、光学構造体１００ａの金属シールド１７０ａの開口１７２ａは、光学構造体１００の金属シールド１７０の開口１７２より大きい。光学構造体１００ａのより大きい有効ビームＥＢａは、光学構造体１００のより大きい有効ビームＥＢよりも、大きい。光学構造体１００ａの光領域１６４ａは、光学構造体１００の光領域１６４より大きく、光領域１６４ａの角度は、－θ～θの範囲にある。光領域１６４ａが有効結合領域Ｒｅｆｆに集束及び露光され、かつ入射角がグレーティングカプラ１３０の有効結合角度にあるため、レーザ光１６０（図１Ａを参照）は、コア層１２０に結合及び伝搬される。したがって、グレーティング結合効率は向上する。図５に示されるように、光学構造体１００ｂの金属シールド１７０ｂの開口１７２ｂは、マイクロレンズ１５０の左側にある。光学構造体１００ｂの光領域１６４ｂは、角度－θを形成する。光領域１６４ｂが有効結合領域Ｒｅｆｆに集束及び露光され、かつ入射角がグレーティングカプラ１３０の有効結合角度にあるため、レーザ光１６０は、コア層１２０に結合及び伝搬される。幾つかの実施形態では、角度θは、グレーティングカプラの有効結合角度に応じて、０～５０°の範囲にある。
【0043】
図１Ａ及び図６を参照されたい。光学構造体１００ｃと光学構造体１００との間の違いは、金属シールド１７０の位置である。図６に示されるように、金属シールド１７０ｃは、マイクロレンズ１５０の下にある。言い換えれば、金属シールド１７０ｃは、マイクロレンズ１５０とグレーティングカプラ１３０との間に配置される。具体的には、金属シールド１７０ｃは、マイクロレンズ１５０と上部クラッド層１４０との間にある。金属シールド１７０ｃは、レーザ光１６０の一部をグレーティングカプラ１３０に入らせるように構成される開口１７２ｃを有する。光領域１６４ｃが有効結合領域Ｒｅｆｆに集束及び露光され、かつ入射角がグレーティングカプラ１３０の有効結合角度にあるため、レーザ光１６０は、コア層１２０に結合及び伝搬される。
【0044】
図１Ａ及び図７を参照されたい。光学構造体１００ｄと光学構造体１００との違いは、上部クラッド層１４０とエアギャップ７１０との配置である。図７に示されるように、光学構造体１００における上部クラッド層１４０は、エアギャップ７１０によって置き換えられる。幾つかの実施形態では、エアギャップ７１０の厚さは、１０μｍ～１０ｍｍの範囲にあり、例えば、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ又は５ｍｍである。
【0045】
図８、図９Ａ、図１０Ａ及び図１１Ａは、本開示の代替の実施形態による光学構造体８００、８００ａ、８００ｂ、８００ｃの断面図である。図１Ａ、図８、図９Ａ、図１０Ａ及び図１１Ａの主な違いは、グレーティングカプラ１３０の位置であることに留意されたい。図１Ａに示されるように、グレーティングカプラ１３０は、コア層１２０に埋設される。
【0046】
図８を参照されたい。光学構造体８００において、グレーティングカプラ１３０は、マイクロレンズ１５０に面するコア層１２０の面１２２にあり、コア層１２０の一部は、グレーティングカプラ１３０と基板１１０との間にある。具体的には、グレーティングカプラ１３０は、マイクロレンズ１５０より低く、コア層１２０より高く、かつ上部クラッド層１４０に埋設される。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１３０の材料は、コア層１２０の材料と同じである。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１３０の材料は、コア層１２０の材料とは異なる。図８におけるグレーティングカプラ１３０の拡大図は、図１Ｂを参照してもよい。
【0047】
図９Ａを参照されたい。光学構造体８００ａにおいて、グレーティングカプラ１３０は、基板１１０に面するコア層１２０の面１２４に配置され、コア層１２０の一部は、マイクロレンズ１５０とグレーティングカプラ１３０との間にある。具体的には、グレーティングカプラ１３０は、基板１１０に埋設される。図９Ｂを参照されたい。図９Ｂは、図９Ａにおけるグレーティングカプラ１３０の拡大図を示す。グレーティングカプラ１３０の連続面（頂面１３２、側壁１３６、底面１３４及び側壁１３８）は、基板１１０に面する。
【0048】
図１０Ａを参照されたい。光学構造体８００ｂは、光学構造体８００ａに比べて金属反射体１０１０を更に含む。図１０Ｂを参照されたい。図１０Ｂは、図１０Ａにおけるグレーティングカプラ１３０の拡大図を示す。金属反射体１０１０は、基板１１０に面するグレーティングカプラ１３０の面（頂面１３２、側壁１３６、底面１３４及び側壁１３８）に配置される。
【0049】
図１１Ａを参照されたい。光学構造体８００ｃは、光学構造体１００に比べて金属反射体１０１０を更に含む。具体的には、グレーティングカプラ１３０及び金属反射体１０１０は、コア層１２０に埋設される。図１１Ｂを参照されたい。図１１Ｂは、図１１Ａにおけるグレーティングカプラ１３０の拡大図を示す。グレーティングカプラ１３０は、基板１１０に面する面（頂面１３２、側壁１３６、底面１３４及び側壁１３８）と、当該面に隣接する側壁１３９とを有する。金属反射体１０１０は、グレーティングカプラ１３０の面（頂面１３２、側壁１３６、底面１３４及び側壁１３８）及び側壁１３９に配置される。
【0050】
図１２、図１３、図１４及び図１５は、本開示の代替の実施形態による光学構造体１２００、１２００ａ、１２００ｂ、１２００ｃの断面図である。図８、図９Ａ、図１０Ａ及び図１１Ａと図１２、図１３、図１４及び図１５との主な違いは、上部クラッド層１４０とエアギャップ７１０との配置であることに留意されたい。具体的には、図８、図９Ａ、図１０Ａ及び図１１Ａにおける上部クラッド層１４０は、図１２、図１３、図１４及び図１５におけるエアギャップ７１０によって置き換えられる。同じ又は類似の特徴を示すために本明細書で符号を繰り返し、上記説明は、以下に説明される実施形態にも同様に適用され、その詳細を繰り返して説明しない。
【0051】
図１６を参照されたい。図１６は、本開示の代替の実施形態による光学構造体１６００の断面図である。具体的には、図１６における光学構造体１６００が図５における光学構造体１００ｂと類似するが、光学構造体１６００は、コア層１２０及びグレーティングカプラ１３０の下にある基板１１０を更に含む。
【0052】
図１７Ａは、図１６における光学構造体１６００の金属シールド１７０ｂの上面図である。図１７Ｂは、図１６における光学構造体１６００の基板１１０、コア層１２０及びグレーティングカプラ１３０の上面図である。図１７Ｃは、図１７ＢにおけるＡ－Ａ’線に沿う基板１１０、コア層１２０及びグレーティングカプラ１３０の断面図である。図１７Ａに示されるように、金属シールド１７０ｂは、直線状である。図１６に示されるように、マイクロレンズ１５０の断面形状は、半円筒状である。図１７Ｂに示されるように、コア層１２０は、平面導波路を含む。
【0053】
図１８Ａは、図１６における光学構造体１６００の金属シールド１７０ｂの上面図である。図１８Ｂは、図１６における光学構造体１６００の基板１１０、コア層１２０及びグレーティングカプラ１３０の上面図である。図１８Ｃは、図１８ＢにおけるＢ－Ｂ’線に沿う基板１１０、コア層１２０及びグレーティングカプラ１３０の断面図である。図１８Ａに示されるように、グレーティングカプラ１３０は、湾曲した形状を有する。図１８Ｂに示されるように、コア層１２０は、複数のチャネル導波路を含む。
【0054】
図１９及び図２０は、図１６における光学構造体１６００の基板１１０、コア層１２０及びグレーティングカプラ１３０の上面図である。図２１Ａ、図２１Ｂ、図２１Ｃ及び図２１Ｄは、Ｃ－Ｃ’線に沿う図１９の断面図である。同様に、図２１Ａ、図２１Ｂ、図２１Ｃ及び図２１Ｄはまた、Ｄ－Ｄ’線に沿う図２０の断面図である。
【0055】
図２１Ａ及び図２１Ｂにおけるグレーティングカプラ１３０のそれぞれは、複数の凹部を有する。図２１Ｃ及び図２１Ｄにおけるグレーティングカプラ１３０のそれぞれは、複数の凸部を有する。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１３０の材料は、コア層１２０の材料とは異なる。図２１Ａ、図２１Ｂ、図２１Ｃ及び図２１Ｄにおいて、レーザ光１６０は、グレーティングカプラ１３０に結合されて、コア層１２０を伝搬する。幾つかの実施形態では、図２１Ａ又は図２１Ｃに示されるように、グレーティングカプラ１３０は、テーパ状の厚さを有する。
【0056】
図２２Ａ～図２２Ｆを参照されたい。図２２Ａ～図２２Ｆは、本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラ１３０（図１Ｂを参照）の様々なグレーティング構造の断面図である。グレーティングカプラ１３０は、段階グレーティング構造１３０ａ、ブレーズドグレーティング構造１３０ｂ及び傾斜グレーティング構造１３０ｃ～１３０ｆのうちの少なくとも１つを含む。図１Ｂにおけるグレーティングカプラ１３０の拡大図を再度参照されたい。グレーティングカプラ１３０は、グレーティング周期ｐ及び高さｈを有する。図２２Ａ～図２２Ｆにおけるグレーティング構造１３０ａ～１３０ｆは、図１Ｂのグレーティングカプラ１３０において選択的に使用することができる。更に、図２２Ａ～図２２Ｆにおけるグレーティング構造１３０ａ～１３０ｆは、レーザ光１６０又はレーザ光１６０ａの伝搬方向（右側又は左側など）に応じて、鏡面対称構造であり得る。例えば、段階グレーティング構造１３０ａの第１の垂直側壁２２１は、右側に面してもよく、ブレーズドグレーティング構造１３０ｂの斜めの側壁２２４は、右側に面してもよく、或いは傾斜グレーティング構造１３０ｃ～１３０ｆの第１の斜めの側壁２２５は、右側に面してもよい。
【0057】
図２２Ａは、グレーティングカプラ１３０の段階グレーティング構造１３０ａを示す。幾つかの実施形態では、段階グレーティング構造１３０ａは、ｎ個の段階を有し、ｎは、３～１６の範囲にある。例えば、ｎは４、６、８、１０、１２又は１４である。具体的には、図２２Ａは、３段階グレーティング構造を示す。段階グレーティング構造１３０ａは、第１の垂直側壁２２１、第２の垂直側壁２２２及び水平面２２３を含む。水平面２２３は、第１の垂直側壁２２１及び第２の垂直側壁２２２に隣接する。幾つかの実施形態では、段階グレーティング構造１３０ａの頂部幅Ｗｔは８０ｎｍであり、段階グレーティング構造１３０ａの底部幅Ｗｂは３００ｎｍであり、段階グレーティング構造１３０ａの高さｈは４００ｎｍであり、段階グレーティング構造１３０ａの第１の垂直側壁２２１は２００ｎｍの高さを有し、段階グレーティング構造１３０ａの第２の垂直側壁２２２は２００ｎｍの高さを有し、段階グレーティング構造１３０ａの水平面２２３は２２０ｎｍの幅を有する。
【0058】
図２２Ｂは、グレーティングカプラ１３０のブレーズドグレーティング構造１３０ｂを示す。ブレーズドグレーティング構造１３０ｂは、斜めの側壁２２４を含む。斜めの側壁２２４は、ブレーズドグレーティング構造１３０ｂの頂部からブレーズドグレーティング構造１３０ｂの底部へ延び、ブレーズドグレーティング構造１３０ｂの幅は、ブレーズドグレーティング構造の頂部からブレーズドグレーティング構造１３０ｂの底部へ徐々に増加する。幾つかの実施形態では、ブレーズドグレーティング構造１３０ｂの底部幅Ｗｂは４００ｎｍであり、ブレーズドグレーティング構造１３０ｂの高さｈは４００ｎｍである。
【0059】
図２２Ｃ～図２２Ｆは、グレーティングカプラ１３０の傾斜グレーティング構造１３０ｃ～１３０ｆを示す。傾斜グレーティング構造１３０ｃ～１３０ｆのそれぞれは、第１の斜めの側壁２２５、第２の斜めの側壁２２６及び頂面２２７を含む。頂面２２７は、第１の斜めの側壁２２５及び第２の斜めの側壁２２６に隣接する。傾斜グレーティング構造１３０ｃ～１３０ｆの第１の斜めの側壁２２５のそれぞれは、第１の傾きを有し、傾斜グレーティング構造１３０ｃ～１３０ｆの第２の斜めの側壁２２６のそれぞれは、第２の傾きを有する。幾つかの実施形態では、第１の傾きは第２の傾きと同じである。幾つかの実施形態では、第１の傾きは第２の傾きより小さい。
【0060】
幾つかの実施形態では、図２２Ｃに示されるように、底部幅Ｗｂは１８０ｎｍであり、頂部幅Ｗｔは１８０ｎｍであり、高さｈは４００ｎｍである。幾つかの実施形態では、図２２Ｄに示されるように、底部幅Ｗｂは２２８ｎｍであり、頂部幅Ｗｔは１３６ｎｍであり、高さｈは４００ｎｍである。幾つかの実施形態では、図２２Ｅに示されるように、底部幅Ｗｂは２６０ｎｍであり、頂部幅Ｗｔは１００ｎｍであり、高さｈは４００ｎｍである。幾つかの実施形態では、図２２Ｆに示されるように、底部幅Ｗｂは２８０ｎｍであり、頂部幅Ｗｔは８０ｎｍであり、高さｈは４００ｎｍである。
【0061】
図２３Ａ、図２３Ｂ、図２４Ａ、図２４Ｂ、図２５Ａ、図２５Ｂ、図２６Ａ及び図２６Ｂは、本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光ＧＬの入射角強度チャートである。具体的には、段階グレーティング構造１３０ａ、ブレーズドグレーティング構造１３０ｂ及び傾斜グレーティング構造１３０ｃ～１３０ｆは、シミュレーションで使用される。より具体的には、グレーティング周期ｐは４００ｎｍであり、高さｈは４００ｎｍである（図１Ｂを参照されたい）。シミュレーション結果は、グレーティングカプラ１３０の屈折率が異なる場合及び上部クラッド層１４０の屈折率が異なる場合における、異なるグレーティングカプラ１３０の強度と緑色光ＧＬの入射角との間の関係を示す。本明細書の「強度」は、グレーティングカプラ１３０の結合効率を表し、本明細書の「入射角」は、グレーティングカプラ１３０の面の法線方向に対する角度を表すことを理解されたい。更に、本明細書の「半値全幅（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ（ＦＷＨＭ））」は、グレーティングカプラの有効結合角度として理解することができる。厳密結合波解析（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＲＣＷＡ））方法が使用される。
【0062】
図２３Ａ及び図２３Ｂを参照されたい。図２３Ａ及び図２３Ｂのシミュレーション結果では、グレーティングカプラ１３０の屈折率は１．９であり、上部クラッド層１４０の屈折率は１である。言い換えれば、上部クラッド層１４０は、エアギャップ７１０である（図７を参照）。図２３Ａにおいて、段階グレーティング構造１３０ａ、ブレーズドグレーティング構造１３０ｂ及び傾斜グレーティング構造１３０ｃは、入射角が約２０°未満である場合に高い強度を有する。図２３Ｂにおいて、傾斜グレーティング構造１３０ｃ、傾斜グレーティング構造１３０ｄ、傾斜グレーティング構造１３０ｅ及び傾斜グレーティング構造１３０ｆは、入射角が約４０°未満である場合に高い強度を有する。
【0063】
図２４Ａ及び図２４Ｂを参照されたい。図２４Ａ及び図２４Ｂのシミュレーション結果では、グレーティングカプラ１３０の屈折率は２．３５であり、上部クラッド層１４０の屈折率は１である。言い換えれば、上部クラッド層１４０は、エアギャップ７１０である（図７を参照）。図２４Ａにおいて、段階グレーティング構造１３０ａ及びブレーズドグレーティング構造１３０ｂは、傾斜グレーティング構造１３０ｃより高い強度を有する。しかしながら、傾斜グレーティング構造１３０ｃは、入射角が約２０°未満である場合に依然として高い強度を有する。図２４Ｂにおいて、傾斜グレーティング構造１３０ｃ、傾斜グレーティング構造１３０ｄ、傾斜グレーティング構造１３０ｅ及び傾斜グレーティング構造１３０ｆは、入射角が約４０°未満である場合に高い強度を有する。傾斜グレーティング構造１３０ｆは、傾斜グレーティング構造１３０ｃより大きい有効結合角度公差を有する。
【0064】
図２５Ａ及び図２５Ｂを参照されたい。図２５Ａ及び図２５Ｂのシミュレーション結果では、グレーティングカプラ１３０の屈折率は１．９であり、上部クラッド層１４０の屈折率は１．４７である。図２５Ａにおいて、傾斜グレーティング構造１３０ｃは、段階グレーティング構造１３０ａ及びブレーズドグレーティング構造１３０ｂより高い強度を有する。図２５Ｂにおいて、傾斜グレーティング構造１３０ｃ、傾斜グレーティング構造１３０ｄ、傾斜グレーティング構造１３０ｅ及び傾斜グレーティング構造１３０ｆは、入射角が増加するにつれて同じ強度を有する。
【0065】
図２６Ａ及び図２６Ｂを参照されたい。図２６Ａ及び図２６Ｂのシミュレーション結果では、グレーティングカプラ１３０の屈折率は２．３５であり、上部クラッド層１４０の屈折率は１．４７である。図２６Ａにおいて、傾斜グレーティング構造１３０ｃは、入射角が約２０°未満である場合に段階グレーティング構造１３０ａ及びブレーズドグレーティング構造１３０ｂより高い強度を有する。図２６Ｂにおいて、傾斜グレーティング構造１３０ｃ、傾斜グレーティング構造１３０ｄ、傾斜グレーティング構造１３０ｅ及び傾斜グレーティング構造１３０ｆは、入射角が約２０°未満である場合に高い強度を有する。
【0066】
図２３Ａ～図２６Ｂが５３２ｎｍの波長を有する緑色光ＧＬのシミュレーション結果を示すが、異なる波長（例えば、４８８ｎｍ及び６３３ｎｍ）を有する他の光もシミュレートすることができる。シミュレーション結果では、段階グレーティング構造１３０ａ、ブレーズドグレーティング構造１３０ｂ及び傾斜グレーティング構造１３０ｃ～１３０ｆは、良好な結合効率を示し、ある程度大きい有効結合角度公差を有する。
【0067】
本開示の光学構造体は、大型のコリメートレーザビームを、有効結合領域に露光する集光された集束光に変換するためのマイクロレンズ構造を組み合わせる。本開示は、様々なグレーティング構造を提供する。これは、例えば、蛍光標識生体分子を励起するために大きなレーザビームからより多くのエネルギーを結合し、及び／又は多波長をグレーティング導波路に結合する可能性を可能にする、より大きな有効結合角度（半値全幅（ＦＷＨＭ））及び高いグレーティング結合効率の特徴を有する、ｎ段階（ｎ＞＝３）、ブレーズド又は傾斜グレーティングの構造である。また、本開示は、光学構造体における、ｘｙｚ軸及び入射角を含む大きなアライメント公差を提供することにより、バイオ検出のための光学構造体の全体的な結合効率を向上させることができる。
【0068】
前述は、当業者が本開示の態様をよりよく理解できるように、幾つかの実施形態の特徴を概説する。当業者であれば、本明細書で紹介した実施形態の同じ目的及び／又は同じ利点を達成するために、他のプロセス及び構造を設計又は改変するための基礎として本開示を容易に使用できることを理解すべきである。また、当業者は、そのような同等の構造が本開示の精神及び範囲から逸脱しないことと、自身が、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書において様々な変更、置換、及び改変を行うことができることとを理解すべきである。
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図19】
【図20】
【図21A】
【図21B】
【図21C】
【図21D】
【図22A】
【図22B】
【図22C】
【図22D】
【図22E】
【図22F】
【図23A】
【図23B】
【図24A】
【図24B】
【図25A】
【図25B】
【図26A】
【図26B】
【手続補正書】
【提出日】2023-03-31
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を受光するように構成されるグレーティングカプラと、
前記グレーティングカプラの上方にあるマイクロレンズと、を含み、金属シールドは、前記マイクロレンズを覆い、前記レーザ光が前記グレーティングカプラの有効結合領域に入ることを可能にする開口を有する、光学構造体。
前記グレーティングカプラの上方にあるマイクロレンズと、を含み、金属シールドは、前記マイクロレンズを覆い、前記レーザ光が前記グレーティングカプラの有効結合領域に入ることを可能にする開口を有する、光学構造体。
【請求項2】
前記金属シールドの前記開口は、前記レーザ光の一部を前記マイクロレンズに入らせるように構成され、－５０°～５０°の範囲にある角度を有し、
前記角度は光領域により定義され、前記光領域は前記レーザ光が前記グレーティングカプラに結合されることを可能にする領域であり、
前記光領域は前記光学構造体の焦点と前記金属シールドの前記開口とにより定義され、前記焦点は前記グレーティングカプラにある、請求項１に記載の光学構造体。
前記角度は光領域により定義され、前記光領域は前記レーザ光が前記グレーティングカプラに結合されることを可能にする領域であり、
前記光領域は前記光学構造体の焦点と前記金属シールドの前記開口とにより定義され、前記焦点は前記グレーティングカプラにある、請求項１に記載の光学構造体。
【請求項3】
前記レーザ光は、オフセット角度を有し、光領域は、前記グレーティングカプラの前記有効結合領域を覆い、
前記オフセット角度は前記グレーティングカプラの面に垂直な方向と前記レーザ光の入射方向とのなす角度であり、前記光領域は前記レーザ光が前記グレーティングカプラに結合されることを可能にする領域であり、
前記光領域は前記光学構造体の焦点と前記金属シールドの前記開口とにより定義され、前記焦点は前記グレーティングカプラの外にあり、
前記オフセット角度は、－２０°～２０°の範囲にある、請求項１に記載の光学構造体。
前記オフセット角度は前記グレーティングカプラの面に垂直な方向と前記レーザ光の入射方向とのなす角度であり、前記光領域は前記レーザ光が前記グレーティングカプラに結合されることを可能にする領域であり、
前記光領域は前記光学構造体の焦点と前記金属シールドの前記開口とにより定義され、前記焦点は前記グレーティングカプラの外にあり、
前記オフセット角度は、－２０°～２０°の範囲にある、請求項１に記載の光学構造体。
【請求項4】
前記グレーティングカプラに隣接するコア層と、
前記コア層によって覆われ、サファイヤ又はガラスを含み、１．４５～２．０の範囲にある屈折率を有する基板と、
前記コア層を覆う上部クラッド層であって、シリコン酸化物又はポリマーを含み、前記コア層の屈折率は、前記上部クラッド層の屈折率より大きい、上部クラッド層と、を更に含み、
前記上部クラッド層は、前記屈折率が１．６未満であり、誘電率が可視光波長で０．００００１未満である、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学構造体。
前記コア層によって覆われ、サファイヤ又はガラスを含み、１．４５～２．０の範囲にある屈折率を有する基板と、
前記コア層を覆う上部クラッド層であって、シリコン酸化物又はポリマーを含み、前記コア層の屈折率は、前記上部クラッド層の屈折率より大きい、上部クラッド層と、を更に含み、
前記上部クラッド層は、前記屈折率が１．６未満であり、誘電率が可視光波長で０．００００１未満である、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学構造体。
【請求項5】
前記基板と前記コア層との間にある下部クラッド層を更に含み、前記下部クラッド層は、１．６未満の屈折率及び可視光波長で０．００００１未満の誘電率を有し、前記基板は、シリコン及びＣＭＯＳを含む、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項6】
前記グレーティングカプラは、前記コア層に埋設され、上方からみて直線状であり、前記マイクロレンズの断面形状は、半円状であり、前記コア層は、平面導波路を含む、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項7】
前記グレーティングカプラは、前記コア層に埋設され、上方からみて湾曲した形状を有し、前記コア層は、複数のチャネル導波路を含む、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項8】
前記グレーティングカプラは、前記コア層に埋設され、前記基板に面する面と、前記面に隣接する側壁とを有し、前記光学構造体は、前記グレーティングカプラの前記面及び前記側壁に配置される金属反射体を更に含む、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項9】
前記グレーティングカプラは、前記マイクロレンズに面する前記コア層の面に配置され、前記コア層の一部は、前記グレーティングカプラと前記基板との間にあり、
前記グレーティングカプラの材料は、前記コア層の材料とは異なり、
前記グレーティングカプラは、テーパ状の厚さを有する、請求項４に記載の光学構造体。
前記グレーティングカプラの材料は、前記コア層の材料とは異なり、
前記グレーティングカプラは、テーパ状の厚さを有する、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項10】
前記グレーティングカプラは、前記基板に面する前記コア層の面に配置され、前記コア層の一部は、前記マイクロレンズと前記グレーティングカプラとの間にあり、
前記光学構造体は、前記基板に面する前記グレーティングカプラの面に配置される金属反射体を更に含む、請求項４に記載の光学構造体。
前記光学構造体は、前記基板に面する前記グレーティングカプラの面に配置される金属反射体を更に含む、請求項４に記載の光学構造体。
【請求項11】
前記グレーティングカプラは、段階グレーティング構造であり、前記段階グレーティング構造は、第１の垂直側壁と、第２の垂直側壁と、前記第１の垂直側壁及び前記第２の垂直側壁に隣接する水平面とを含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載の光学構造体。
【請求項12】
前記グレーティングカプラは、ブレーズドグレーティング構造であり、前記ブレーズドグレーティング構造は、前記ブレーズドグレーティング構造の頂部から前記ブレーズドグレーティング構造の底部へ延びる斜めの側壁を含み、前記ブレーズドグレーティング構造の幅は、前記ブレーズドグレーティング構造の頂部から前記ブレーズドグレーティング構造の底部へ徐々に増加する、請求項１～１０のいずれか１項に記載の光学構造体。
【請求項13】
前記グレーティングカプラは、傾斜グレーティング構造であり、前記傾斜グレーティング構造は、第１の斜めの側壁と、第２の斜めの側壁と、前記第１の斜めの側壁及び前記第２の斜めの側壁に隣接する頂面とを含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載の光学構造体。