前言

光纤传感器允许远距离被动和远程感测，不受电磁干扰，并且可以是生物兼容的，对大多数化学危害和高温是惰性的。大多数常见的光纤传感器，包括光纤布拉格光栅和分布式光纤传感器，仅对应变、变形和温度敏感，而对其他参数的感测需要暴露光纤芯，并导致复杂的制造方法和精细的结构。相比之下，光纤尖端传感器直接允许感测周围介质的属性，如折射率。通过适当的功能化，这也使得能够选择性地感测目标生物分子或气体。由于感测面积等于光纤芯的横截面，它们提供了高空间分辨率并具有极其紧凑的尺寸。这些特性使它们对生物传感和医疗应用具有吸引力。虽然已经展示了各种不同的光纤尖端传感器它们进一步发展的主要挑战是在光纤尖端制造具有微米级图案的光学结构。虽然在光纤刻面上直接构图对于普通的晶片加工设备来说是困难的，但是提供了关于光学结构的不同材料和几何形状的最大灵活性。然而，将光学结构转移到光纤尖端仍然是最大的挑战。

研究内容

埃因霍温理工大学的研究人员介绍了一种简单可控的光纤尖端平面光学结构的制造和转移方法。光学结构通过标准半导体制造方法制造，随后将结构转移到光纤刻面，这仅需要可移动的平台和显微镜照相机。这种转移可以通过在传感器周围定义一个悬浮膜，并从顶部或通过衬底中预定的孔用光纤接近它来实现。利用优化的支撑结构，当纤维被推到结构上时，粘附力保持膜和纤维面接触，破坏支撑。在传输过程中，通过用显微镜观察透过纤芯的可见光，可以轻松监控和优化与纤芯的对准。

实验方法

选择磷化铟作为膜材料，但是期望该方法可以容易地应用于任何结构/刻蚀层的组合，特别是硅/二氧化硅。该结构制作在250纳米厚的InP膜上，通过300纳米厚的刻蚀晶格匹配InGaAs层与[100] InP衬底分开。这两层都是通过金属有机气相外延生长的。在第一个工艺步骤中，使用SiN层作为硬掩模，用电子束光刻(EBL)限定PhC和支撑结构，然后用电感耦合等离子体反应离子刻蚀(ICP-RIE)将其转移到InP膜上。用缓冲的氢氟酸溶液(BHF)去除氮化硅掩模，以避免图案化氮化硅层中的应变。然后，另一个400纳米厚的SiN层沉积在清洁的顶面上，作为进一步湿法蚀刻步骤的保护层。SiN层作为硬掩模沉积在晶片的背面，并用大的矩形开口，与前侧的PhC结构对齐。在这些开口内，用盐酸∶磷酸(体积比3.5∶1)湿法腐蚀磷化铟衬底，直到铟镓砷停止腐蚀层。用BHF去除氮化硅层，然后用H2O2∶H2SO4选择性蚀刻铟镓砷层。最后得到一个矩形悬浮InP膜，包括具有用于转移到光纤刻面上的可释放支撑的光学结构。

制造和转移方法的可视化。

悬浮磷化铟薄膜中的PhC结构的扫描电镜图像，从背面透过基板中的矩形开口观察。

根据格莱斯顿-戴尔方程(黑点)和线性拟合(红线)确定的拟合共振波长与溶液折射率的关系。

不同温度下空气中的反射光谱。

结论

科研人员描述了一种在半导体膜中制造光子结构的简单制造和转移方法，并演示了它们作为光纤尖端温度和折射率传感器的应用。该技术还允许实现具有不同光学(例如，等离子体)结构甚至功能化表面(例如，具有生物受体)的光纤尖端传感器。由于其简单性，依赖于成熟的晶圆级制造技术，该方法可以适用于不同的材料，如硅或砷化镓。此外，转移过程适合于工业水平的自动化和应用。此外，位于多芯光纤上的多个光子晶体或位于不同光纤上的器件可以使用波分复用来同时询问。通过分别定制每个传感器的光学特性和/或功能化，可以同时感测几个物理参数或分子，还允许温度波动的自参考和补偿。

https://doi.org/10.1063/5.0021701。