專利名稱：集成透明襯底及衍射光學(xué)組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及集成光學(xué)電路，尤其涉及基于安裝在透明光學(xué)襯底的基于衍射光學(xué)組件的集成光學(xué)電路。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出，通過在透明襯底上安裝反射平面光學(xué)組件，并通過來自透明襯底的鏡表面的內(nèi)部反射耦合所述組件，能夠構(gòu)造集成光學(xué)電路。所述平面光學(xué)組件能夠以所希望的方式直射、聚焦或者相反衍射入射光學(xué)信號。此方法允許以類似于電子集成電路的平面方式構(gòu)造并互連復(fù)雜的光學(xué)裝置。
由于固有的反射損失和構(gòu)造有效耦合內(nèi)部光學(xué)信號的平面組件的困難，此方法的成功應(yīng)用受到了限制。通常通過將金屬薄膜應(yīng)用于透明襯底來構(gòu)造所述襯底的鏡表面，但是已知薄膜材料具有幾個百分點的損失，而且如果多個反射必要時，所述信號的強度按指數(shù)規(guī)律損失。而且，如果平面光學(xué)組件和所述襯底表面沒有緊密接觸，則伴隨光學(xué)信號在所述襯底的進出，存在大量的損失。
衍射光學(xué)組件(DOE)由于能夠和所述表面集成，理想地適合于反射平面光學(xué)組件，但是，它們也有若干缺點。比較典型地是它們要求金屬涂層以便以反射方式運行，而這將會導(dǎo)致光學(xué)信號的損失。如果在所述DOE中的衍射物體的大小遠大于在所述襯底中的光束長，則它們將所述光衍射為不是想要模式的模態(tài)(mode)，這能夠?qū)е滦实膿p失，并引起諸如串?dāng)_的不希望誤差。通過使用優(yōu)先以想要方向衍射光線來定形所述物體的發(fā)光光柵圖案，多少能夠簡化這種問題。典型地，通過利用成型蝕刻工具制造的鋸齒發(fā)光衍射光柵是一個例子。盡管如此，發(fā)光光柵的三維特性使得它們難于在光學(xué)襯底表面制造，無論如何，以不希望的模式和方向進行光的衍射也仍然是問題。
如果衍射物體的大小接近光束波長，則能夠通過適當(dāng)選擇入射角和衍射物體的大小，減小或者消除所述不希望的模式或者方向。通常把這樣一種裝置稱作為全息光學(xué)組件(HOE)，它是DOE的子集。如果通過形成反射表面深度圖案的方法構(gòu)造這些裝置，則由于所述衍射表面的不同深度使得所述衍射光改變相移，所以將它們稱作為表面凸紋(relief)或者相位全息圖。通過調(diào)整所述圖案的深度，能夠在直射光信號的想要方向上或者模式上調(diào)整這些相移使得光進行結(jié)構(gòu)干涉。如果用反射金屬膜涂在折射物體的所述圖案上，則由于在這樣一種裝置中被吸收的光能很小，所以損失只有幾個百分點這么低。然而，實際上，用表現(xiàn)出高效率并能夠有效制造的方法在襯底的所述表面構(gòu)造這樣一種裝置是困難的。電子光束能夠直接將這些尺寸的圖案寫到襯底上，但是這是非常慢且昂貴的工藝，并且不適于生成為相位型全息圖所要求的表面凸紋。使用壓紋(embossing)在透明塑料上再現(xiàn)表面型全息圖(例如，信用卡安全全息圖)，而這些材料的容差和穩(wěn)定性對于大多數(shù)應(yīng)用并不適合。
另一方面，通過將攝影感光乳劑對干涉激光圖案感光，同樣也能夠產(chǎn)生大量全息圖。衍射物體的圖案在所述感光乳劑內(nèi)產(chǎn)生。用此方法構(gòu)造的HOE效率能夠很高，但是它們極其難于生產(chǎn)并且會受環(huán)境的影響而退化。
顯然，根據(jù)上述問題，需要有一種在能夠用相對擔(dān)負得起的成本批量生產(chǎn)且在具有高光效率的透明襯底表面形成基于衍射光組件的光集成電路的方法。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，提供了具有光學(xué)襯底的集成光裝置，其中以全內(nèi)反射的方式，入射光信號以從所述襯底的頂表面反射的初始傳播方向在所述襯底中傳播。所述集成光學(xué)裝置同樣也有具有多個由光學(xué)透明材料組成的空間隔離元件的衍射光學(xué)組件，并且這些空間隔離元件安裝在所述襯底頂表面之上，以使所述入射光信號在所述襯底中沿著希望的傳播方向反射。
根據(jù)更進一步的實施例，提供了供光學(xué)透明襯底使用并具有多個由第二光學(xué)透明材料組成且放置在所述襯底的頂表面的元件的衍射光柵。所述元件以一個間隔距離分開，且具有元件的寬度。選擇所述間隔距離和所述元件寬度之和，以使在所述襯底中從所述頂表面以全內(nèi)反射方式按入射傳播方向行進并在所述衍射光柵入射的光信號，被反射為以與入射傳播方向成θp角度的反射傳播方向在所述襯底中傳播并在所述襯底中以全內(nèi)反射方式傳播的第一階衍射。所反射的傳播方向定義了有關(guān)傳播入射方向的角度，并且所述反射光信號以全內(nèi)反射的方式在所述襯底中傳播。
根據(jù)另一個實施例，提供了入射光信號路由選擇的方法。所述方法包括在光學(xué)襯底中以全內(nèi)反射方式從所述襯底的頂表面發(fā)送所述入射光的步驟。在所述方法的另一個步驟中為了接收部分入射光信號在所述襯底的所述頂表面之上放置多個被分隔隔離的條帶。所述條帶被這樣放置，以使所述多個條帶構(gòu)成將所述入射光反射為以定義與入射傳播方向成一個角度的反射傳播方向在所述襯底中傳播并在所述襯底中以全內(nèi)反射方式傳播的第一階衍射的衍射光柵。
根據(jù)另一個實施例，提供了使得光信號以全內(nèi)反射的方式在所述襯底行進且具有由光學(xué)透明材料組成的襯底的集成光學(xué)裝置。所述集成光學(xué)裝置同樣也具有由在所述襯底的頂表面之上放置以使在所述襯底內(nèi)以希望的傳播方向反射所述光學(xué)信號的第一組多個分隔間隔的元件組成的第一衍射光學(xué)組件。而且，所述集成光學(xué)裝置具有由第二組多個分隔間隔的元件組成的、且在所述襯底的頂表面之上放置以便從所述第一衍射光學(xué)組件接收所反射信號，以及為了輸出在所述襯底傳播的反射光信號而放置的第二衍射光學(xué)組件。


圖1是依據(jù)一實施例的全息圖光學(xué)組件的剖視圖。
圖2是圖1的反射光束的方向的全息圖光學(xué)組件透視圖。
圖3是用于示范性HOE的角度θP對有關(guān)波長的光柵周期的圖。
圖4是用于示范性HOE的HOE條帶厚度對HOE效率的圖。
圖5是圖1中的作為多路分離器使用以將輸入信號分離為各種組分波長的全息圖光學(xué)組件的側(cè)視圖。
圖6是以全內(nèi)反射的方式用于將光學(xué)信號耦合到一襯底以在其中傳播的示范性結(jié)構(gòu)的例圖。
圖7是將光耦合到該襯底以用于全內(nèi)反射的的另一方式的側(cè)視圖。
圖8是將其中形成HOE的條帶放置在所述光學(xué)襯底之上的另一個HOE剖視圖。
具體實施例方式
目前所披露的實施例通過提供嵌入定位于能夠用標(biāo)準(zhǔn)MEMS材料和制造技術(shù)制造的透明襯底上的衍射光學(xué)組件的光學(xué)裝置解決了如上所述的問題。利用所披露的技術(shù)，能夠形成包括反射入射光的衍射組件在內(nèi)的大量光學(xué)組件。下面的優(yōu)選實施例以形成可以和光學(xué)襯底一起使用的虛鏡的HOE形式，解釋了衍射光學(xué)組件。沒有一個實施例要求提供反射涂層。然而，可以使用非HOE衍射光學(xué)組件。
代替反射涂層，下文的HOE和襯底適于光以全內(nèi)反射的方式在光學(xué)襯底內(nèi)行進。全內(nèi)反射(TIR)是損耗非常低的光學(xué)現(xiàn)象，導(dǎo)致在所披露的裝置中高效率運行。在HOE中的衍射物體通過全內(nèi)反射自身優(yōu)先地衍射光以便減少損耗。而且，設(shè)計所描述的HOE以便僅僅允許一種衍射模式存在，這進一步減少了損耗。最好以相位全息圖的方式構(gòu)造所述HOE，這樣抑制了反射m＝0的模式，從而允許總的效率接近100％。HOE和所述光學(xué)襯底共同作用以反射在其中行進的入射光，以使反射光在TIR方式下同樣也在所述襯底中傳播，這使得以高的裝置效率光學(xué)地連接許多HOE。
盡管一般性的描述了如上所述的這些衍射光學(xué)組件，但將會了解到本描述更寬范圍地規(guī)定了構(gòu)造光學(xué)裝置的系統(tǒng)并且可以構(gòu)造的光學(xué)裝置有很多。事實上，本描述給出了一系列集成襯底和衍射光學(xué)組件，或者裝置。這些集成的光學(xué)組件能夠形成諸如反射器、校準(zhǔn)儀、衍射光柵、光束分離器以及可變衰減器之類的許多光學(xué)裝置。所述集成襯底和衍射光學(xué)組件同樣也起會聚透鏡和發(fā)散透鏡的作用。正如下面的描述所表明的那樣，所述描述提供了重現(xiàn)具有許多功用的全息案的方法。
圖1示出了HOE 100的剖視圖和在所述優(yōu)選實施例中從光學(xué)上講是透光的光學(xué)襯底材料。更具體地講，在諸如用作波分復(fù)用(WDM)的紅外光長距離通信的C波段的紅外區(qū)域，所述襯底102從光學(xué)上講應(yīng)該是透光的。此波段包括了從1528nm至1621nm納米的波長，而在其他的光通信波段運行同樣也是可以予見的。所述襯底102可以由諸如藍寶石或者石英或者其他適合于在TIR方式下傳播光信號且用作下面將詳細說明的光刻工藝的etch-stop的襯底材料的各種材料組成。
入射光束104以全內(nèi)反射的方式穿透所述襯底102，正如所已知的那樣，這出現(xiàn)在所述襯底102的外表面邊緣的入射臨界角之上。在所述優(yōu)選實施例中，所述襯底102有一個置于空氣中的頂表面106。所述襯底的折射指數(shù)和空氣的折射指數(shù)定義了在所述襯底中的全內(nèi)反射的臨界角。
圖1中示出了從垂直于頂表面106測量并延伸到所述襯底102的入射角θ。對于由空氣邊界包圍的藍寶石襯底102，所述臨界角大約為35°，于是θ在用于TIR傳播的這個值處，或者在這個值之上。即，能夠以在所述臨界角之上并便于HOE100運行的角度在頂表面106上入射所述光束104。然而，在所述優(yōu)選實施例中，空氣在所述頂表面106之上，為了建立所述TIR的條件，可以在所述襯底102之上放置其他材料，只要這些材料具有低于所述襯底102的折射指數(shù)。而且，當(dāng)所述襯底102的頂表面106和底表面107的TIR提出具有最低成本的最有效設(shè)計時，人們會選擇性地在頂表面106進行TIR，并使用在所述底表面107上的鏡(mirror)或者反射涂層，以反射所述光束104。類似地，在所述底表面107下面將會使用涂敷層。
所述HOE 100由單獨的衍射元件108組成，具有任意的形狀，直接放置在所述頂表面106。所述元件108可以由任意形狀的點、彎曲或者垂直的條帶或者形成進行所希望的入射光信號修正的衍射圖案的其他形狀組成。這樣的圖案的例子是形成任意曲線的衍射光柵或者鏡的圖案。如果元件108是所排列圖案中的點，則使得HOE 100起接收所述輸入104的光束分離器的作用并輸入到任意數(shù)量的輸出方向的反射部分。這樣的點會具有圓形、橢圓形、十字形或者正方形的形狀，并且由所述元件108所組成的HOE 100圖案會根據(jù)所述點之間的間隔產(chǎn)生1×2或者1×N的分離器。
在所描述的實施例中，所述元件108由透明光學(xué)材料組成。這些元件108產(chǎn)生執(zhí)行傾斜鏡功能的HOE。元件108的幾何形狀影響HOE 100的特性和操作。圖1的所述實施例示出了作為以和頂表面106直接物理接觸所形成的條帶108的元件，盡管這些條帶108也可以略微在所述頂表面106之上放置(見圖8)。
條帶108可以由單個的晶體硅、多晶硅(poly-silicon)、非晶硅、氧化鋁、藍寶石、硅亞硝酸鹽、鍺硅石(germanium silica)或者其他利用1或者0.5μm微電化學(xué)系統(tǒng)(MEMS)工藝技術(shù)同樣也可處理的透明光學(xué)材料組成。首選材料是多晶硅，因為它在希望的工作頻率是透明的，用MEMS工藝能夠容易地處理且具有高的折射指數(shù)。雖然只示范性地示出了幾個條帶108，但是在運行中，典型地存在大量的這種條帶，以確保在HOE 100的某些部分入射所述光束104。而且，以橫截面的方式示出了所述條帶108，并且實際上將會延長到所述例圖且從所述例圖延伸出去，如圖2所述。
所述條帶108具有寬度“b”并且在所述頂表面106以距離“c”隔開。光柵周期“a”等于這兩個值的和。HOE 100將入射光104反射到光束116，并且寬度“a”影響HOE 100最佳反射的光的波長。在優(yōu)選實施例中，寬度“b”等于寬度“c”，然而如果希望的話所述寬度可以不等?？梢哉{(diào)整條帶厚度和寬度，以便使反射光的密度最大化。而且存在寬度內(nèi)的變化，其中所述寬度“b”可以變化(例如，b1、b2、b3等)，并且所述寬度“c”可以變化(例如，c1、c2、c3等)。例如，HOE由不同的‘a(chǎn)’(a1、a2、a3等)值組成，這里‘a(chǎn)’連續(xù)地變化，以使a1＞a2＞a3＞等。示范性裝置將被用來減少反射信號的散射或者增加其中的散射量，這在多路分離應(yīng)用中可能是有用的。當(dāng)條帶108形成光柵圖案時，準(zhǔn)確的尺寸精度對產(chǎn)生功能裝置是不必要的。條帶108的聚集效果和它們之間的間隔將使任何具體條帶108的尺寸的不準(zhǔn)確度最小化。盡管如此，最好HOE 100使得‘a(chǎn)’具有周期性，即‘a(chǎn)’在整個HOE 100中基本上是相同的。用此方法，‘a(chǎn)’對HOE 100的運行比‘b’或者‘c’更有影響。在示范性結(jié)構(gòu)中，‘a(chǎn)’大約為1.5μm，即入射光的波長，在藍寶石襯底中對于C波段它大約為0.9μm。
用橫截面的方式示出了條帶108，并從所述例圖擴展。條帶108以每個和光104的傳播平面即例圖的平面有一精確角度的平行平面延伸。從圖2能夠看到這一點。所述條帶108在優(yōu)選實施例中是線性和平行的，但是也可以使用非線性條帶。例如，可以使用曲線條帶產(chǎn)生起聚集鏡作用的HOE。而且，將條帶108朝向垂直于θp的角對分線，如圖2所示。
在運行中，所述條帶108和所述頂表面106一起定義衍射光柵圖案或者傾斜鏡。入射光104撞擊所述圖案并被反射，如下面所述及所示。這樣，所述HOE 100起反射器件的作用。
在所述襯底102的頂部，在條帶108之間的間隔‘c’共同形成界面層110，它是空氣-襯底界面層。當(dāng)以全內(nèi)反射的方式光束104在所述襯底102中行進時，光束104的一部分以全內(nèi)反射的方式在界面層110衍射。即，在空氣-襯底界面層110上入射光束的第一部分，并通過在所述條帶108之間的空間的反射作用進行衍射。因為這些空間大約有入射光的波長長度，將會出現(xiàn)衍射而不是平面波反射。將在HOE 100上入射的光束104的第二部分在所述條帶108下面的所述頂表面106的部分入射。這里，條帶108將從所述襯底吸收光能量，而作用就象以頂表面112和側(cè)表面為界的較低折射指數(shù)材料-在所述優(yōu)選實施例中是空氣-的低損耗波導(dǎo)共振器。因此，存在條帶108中的TIR反射以及所述襯底102中的TIR傳播。駐波實際上在所述條帶108中產(chǎn)生，而吸收光最終離開所述條帶108并重新進入所述襯底102，與從界面層110反射的光存在相移。如果所述條帶108具有比所述襯底102更高的折射指數(shù)，則由于在過渡到較低折射指數(shù)的情況下駐波同樣也受較低表面的約束，效率會進一步改善。條帶108和界面層110的作用是共同將所述光束104衍射為在所述襯底102傳播的m＝-1的模式。光束116代表此反射信號，而路徑114是如果沒有條帶108作用時在襯底1 02中光束104行進的路徑。路徑114同樣也與相消干涉已經(jīng)使輸出最小化的HOE衍射圖案的m＝0的模式相符。
圖2示出了反射光束116的傳播。傳播路徑116在以相對光束104的傳播平面角為α或者θp的平面內(nèi)行進。因此，傳播路徑116在從圖1的例圖延伸出的平面內(nèi)行進。讓反射光束116在二次傳播方向行進允許HOE 100從入射傳播光束的信號路徑中空間地分離出反射信號路徑，并且因此，建議使用HOE作為切換輸出的方法。例如，如果使得光束以TIR方式以在HOE100上入射的方向傳播，則所述光束將被切換，然而，如果使得光束沿著在HOE 100上不入射的另一條路徑傳播，則它將沿著原始傳播路徑傳播。
由HOE 100產(chǎn)生的反射角θp依賴于包括條帶周期‘a(chǎn)’、入射角θ以及光的波長λ的許多因素。顯示在θp和這些變量之間的關(guān)系的實例圖如圖3所示。圖3示出了在x軸的角度θp和在y軸上的對于各種入射角θ的‘a(chǎn)′/λ。圖3假定所述入射角θ在所述光和HOE相互作用之前和之后相同，以使在所述襯底中TIR仍被維持。正如能夠看到的那樣，對于θ＝35°，′a′/λ為1.5將導(dǎo)致θp近似為110°。類似地，對于θ＝45°，′a′/λ為1.5將導(dǎo)致θp近似為125°。所述圖同樣也顯示出，在此例子中，依據(jù)所述參數(shù)θ能夠從大約90°至大約145°范圍內(nèi)取值。所述圖同樣也顯示出有關(guān)‘a(chǎn)’的示范性范圍，盡管‘a(chǎn)’的范圍根據(jù)參數(shù)能夠從大約0.5λ延伸到4λ。圖3的所述圖同樣也示出了延伸到線F之上的禁止區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，將光反射為除僅為m＝-1的模式之外的更多的模式。
回到圖2，HOE 100的另一個明顯的特征是光路徑116在襯底102中以全內(nèi)反射行進。這是為降低反射信號的損失所希望的。通過調(diào)整光柵周期‘a(chǎn)’實現(xiàn)到全內(nèi)反射路徑的反射。
通過和襯底102的頂表面106直接接觸的布局，放置條帶108以便耦合在所述襯底102中行進的光束104的一部分。然而，本說明不限于所解釋的實施例。相反，可以將HOE整個地放置在頂表面106之上，并且仍和在所述襯底102中行進的光耦合。正如所知道的那樣，以全內(nèi)反射的方式在邊界界面反射的光產(chǎn)生延伸到邊界界面之上的漸逝場?？梢詫OE耦合到此漸逝場，即，沒有條帶和所述襯底直接物理接觸，并且仍影響在所述襯底中行進的光。被破壞的全內(nèi)反射按此原理運行。下面參照圖4描述這樣一種替代。
條帶厚度在從界面層110衍射的光和來自諧振器條帶108的光之間建立相移。在所述優(yōu)選實施例中，所有條帶108的厚度是一樣的。而且，選擇所述厚度將反射到光路徑116的入射光104數(shù)量最大化。在圖4中顯示了示出HOE效率對硅條帶厚度的曲線。在此實例圖中，所述襯底由藍寶石制作，所述入射光束是極化的TE，‘a(chǎn)’＝1.5μm，λ＝1.55μm，θ＝45°，而＝65.3°。正如顯示的那樣，存在產(chǎn)生高效率的許多條帶厚度。效率峰值出現(xiàn)在大約1.55μm，1.84μm，以及2.15μm處。然而，此圖只是代表性的示圖，也可以使用更低的厚度。例如，當(dāng)選擇條帶108的厚度以便對吸收光給予適當(dāng)相移時，具體厚度的多個諧波將會給予相同的相移，并且因此將會被使用。對于由用MEMS工藝制造的多晶硅組成的條帶的優(yōu)選厚度是0.5μm至3μm。
HOE 100的另外的優(yōu)點是條帶厚度允許形成基本上不依賴于入射光束極化狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。這種性能特征稱作為極化依賴損耗(polarization dependentloss)-一種由工業(yè)Telecordia標(biāo)準(zhǔn)GR 1073提出的設(shè)計要求。我們發(fā)現(xiàn)對于任何入射線性極化狀態(tài)，在90％之上的HOE效率從理論上講是可實現(xiàn)的。
為了形成所述條帶108，能夠使用在藍寶石襯底102上涂覆多晶硅或者其他材料的膜的工藝?；蛘?，能夠在藍寶石襯底102上外延地(epitaxially)生成單晶硅。在二者之一的例子中，對于在所述頂表面106上形成的多晶硅層或者單晶硅層，能夠使用標(biāo)準(zhǔn)的1μm或者0.5μm的MEMS光刻技術(shù)，以便在光刻膠(photoresist)層形成所想要的光柵圖案，并且能夠利用類似于市場上可買到的多用戶(multi-user)MEMS工藝(MUMPsTM)的標(biāo)準(zhǔn)MEMS光刻技術(shù)將所述圖案蝕刻到所述硅中。藍寶石襯底102提供了蝕刻終止點，以使能夠精確地控制條帶的高度。
能夠在各種應(yīng)用中使用HOE 100和集成襯底102，以實現(xiàn)各種光學(xué)功能。在圖5中舉出了一例，其中，HOE 100用作多路分路器。在運行中HOE取決于波長。因此，如果入射光束120包含諸如在密集的波分復(fù)用(DWD M)系統(tǒng)中含有多個頻道的光束的多于一個波長的光，則所述不同波長將以不同角度由HOE 100進行衍射。能夠應(yīng)用這種現(xiàn)象將輸入光束120的不同波長分離為不同的分量，例如如傳播路徑122a、122b和122c所示。不同傳播路徑122a-c中的每一個將會在分開的平面，其中，每一個平面相對傳播路徑104的所述平面成不同的角度。然而，傳播路徑122a-c最好都在襯底102中以基本上全內(nèi)反射的方式行進。如圖5所示的HOE 100通過僅僅將所希望的傳播路徑路由到輸出光纖同樣也被用作波長濾波器。因此，這里具有HOE 100的形式的集成襯底和衍射光學(xué)組件能夠根據(jù)波長將信號反射到不同的反射路徑。
存在許多方法來將光信號耦合到用于建立TIR傳播的襯底102。例如，足夠的方法包括切割輸入光纖、切割所述襯底的邊沿、提供在光纖和所述襯底之間的切割組件，或者這些方法的組合。圖6示出了將光耦合到襯底的示例方法。這里，光纖202經(jīng)過折射組件203被耦合到襯底102。光纖202將發(fā)散的入射光束204耦合到由具有比所述襯底102更低的折射指數(shù)的透明光學(xué)材料組成的折射組件203。折射組件203折射在襯底102中用于TIR傳播的光204。光束204照射到聚焦組件206，在此實施例中它是在頂表面106上形成的HOE，為了在所述襯底102中以TIR方式行進而校準(zhǔn)所述擴展光束204并使它反射。所述聚焦組件206能夠是任何適合的HOE結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)如上所述的HOE 100形成。形成類似于HOE 100的聚焦組件206具有使裝置更容易制造的優(yōu)點。聚焦組件206具有類似于圖1的組件108的組件208。除了從光纖202耦合光的聚焦組件206外，圖6中的結(jié)構(gòu)和圖1的相同。因此，圖6示出了能夠利用集成襯底和衍射光學(xué)組件產(chǎn)生的另一個光學(xué)裝置，具有HOE 206形成的光束校準(zhǔn)儀。
圖6同樣也表明在單個襯底上可以組合多個衍射光學(xué)組件，并因此對其集成以形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)。執(zhí)行相似或不相似的功能的許多衍射光學(xué)組件的使用為利用所披露的裝置和技術(shù)產(chǎn)生集成光學(xué)電路作充分準(zhǔn)備。在具體例子中，聚焦組件206將所校準(zhǔn)的入射光204發(fā)送到同樣也在襯底的同側(cè)形成的HOE 100。因此，雙組件結(jié)構(gòu)考慮到入射信號的耦合和反射兩種情況。在圖6中示出了反射信號路徑210(具有類似于路徑116的特性)。對于所描述的結(jié)構(gòu)的其他修改可能存在，諸如具有由起反射組件和會聚或者發(fā)散透鏡或鏡兩種作用的彎曲條帶組成的HOE 100。將多個衍射光學(xué)組件組合到一起具有使得能夠產(chǎn)生集成光學(xué)電路而且這樣的集成光學(xué)電路能夠更容易制造的優(yōu)點。可以設(shè)計反射器、光束分離器(beam splitter)、校準(zhǔn)儀、可變衰減器、衍射光柵等等。而且，例如，利用單個的光刻工藝在襯底102的相同表面形成HOE 100和聚焦組件206的能力意味著不僅制造裝置更容易，而且令人頭疼的現(xiàn)存集成光學(xué)電路裝置的對準(zhǔn)問題也隨著光刻先進工藝產(chǎn)生所希望的對準(zhǔn)而解決了。
圖7顯示了替代圖6的耦合方法，它不使用類似206的校準(zhǔn)組件。這里，襯底220具有切割的側(cè)表面222，它起對于進入信號的棱鏡的作用。在45°切割，則所述表面222將從在襯底220中從用于TIR的校準(zhǔn)分級指數(shù)透鏡(GRIN)226接收光信號224。所述GRIN透鏡226可以被直接耦合到折射組件或者使反射損失最小的抗反射涂層228的薄層。
圖8顯示了替代在先所述的HOE。圖1示出了和襯底實際接觸的HOE，而圖8示出了在襯底302之上放置(即，沒有實際接觸)的HOE 300，其中光304穿透所述襯底302。光束304以TIR方式在襯底302中傳播。如上所述，將光耦合到所述襯底可以實現(xiàn)在襯底302中的TIR傳播。而且，和圖1一樣，盡管最好TIR在兩個表面306、307上出現(xiàn)，但是僅僅需要用在襯底的底表面307的鏡或者反射層在襯底302的頂表面306上建立TIR。
HOE 300由位于襯底302的頂表面306之上條帶308組成。與襯底302共同起作用的所述條帶308和HOE 100的條帶108類似，差別在于在圖8中所述條帶308不必直接和所述頂表面306實際接觸，而是通過在所述頂表面306之上延伸且由TIR傳播產(chǎn)生的漸逝場和所述襯底302耦合接觸。在運行中，光束304的第一部分將從所述頂表面306衍射，而第二部分將被耦合到所述條帶308，以使來自條帶308的輸出將會和所述反射的第一部分共同作用以便形成和反射路徑310相符的m＝-1階模式。312表示未受影響的反射路徑，即所述m＝0的模式。可以認為此條件是無效的全內(nèi)反射。在所述優(yōu)選實施例中，和前面所述的HOE一樣，將會使得沿著路徑310的反射光束以與入射光束304的傳播方向成α(或者θp)角度以及在所述襯底內(nèi)以TIR的方式反射。在初始步驟中，除了在所述襯底302上將會沉積(deposit)損失(sacrificial)層或者墊片(spacer)層外，可以和HOE 100類似地形成所述HOE 300。在如上所述的沉積和光刻步驟之后，作為將漸逝場耦合距離內(nèi)的條帶308留給所述襯底的最后處理步驟，損失層將會被溶解掉或者被清除。為了支持所述條帶308，同樣也利用MEMS處理形成標(biāo)準(zhǔn)錨定部分。
在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以對本發(fā)明進行許多變化和修改。在上文討論了某些變化范圍。根據(jù)所附的權(quán)利要求，其他部分的范圍將會變得更加清楚。
權(quán)利要求
1.一種集成光學(xué)裝置，包括光學(xué)襯底，其中入射光信號以全內(nèi)反射的方式以從所述襯底頂表面初始反射的傳播方向在所述襯底里面?zhèn)鞑?；以及衍射光學(xué)組件，具有多個由光學(xué)透明材料組成并放置在所述襯底的表面之上的被分隔隔離元件組成，以使沿著希望的傳播方向在所述襯底反射入射光信號。
2.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中所述襯底由石英組成。
3.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中所述襯底由藍寶石組成。
4.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述元件是基本上平行的多個條帶。
5.如權(quán)利要求4所述的集成光學(xué)裝置，其中，多個條帶每一個均具有基本上相同的條帶寬度。
6.如權(quán)利要求4所述的集成光學(xué)裝置，其中所述多個條帶每個以基本上相等的分隔距離隔開。
7.如權(quán)利要求4所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述多個條帶每個均具有基本上相同的條帶寬度，所述多個條帶每個均以基本上相等的分隔距離隔開，并且所述分隔距離是與所述條帶寬度基本上相同的。
8.如權(quán)利要求7所述的集成光學(xué)裝置，其中所述距離和寬度之和在0.5λ和4λ之間，其中λ是所述襯底中光信號的波長。
9.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，調(diào)整所述元件的厚度以使得所述反射光信號密度最大。
10.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述元件由從組成非晶硅、晶硅以及多晶硅組成的所述組分中選擇的材料組成。
11.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述元件由從組成氧化鋁、藍寶石、氮化硅以及多晶硅和多鍺的合金組成的所述組分中選擇的材料組成。
12.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述元件以實際接觸所述襯底的頂表面的方式放置。
13.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述元件放置在和所述襯底的頂表面耦合接觸的漸逝場內(nèi)。
14.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述衍射光學(xué)組件產(chǎn)生以和初始傳播方向成一個角度的所希望的傳播方向在所述襯底內(nèi)行進的第一階衍射模式。
15.如權(quán)利要求14所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述第一階衍射模式以全內(nèi)反射的方式在所述襯底行進。
16.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述入射光信號是發(fā)散的光束，并且還包括適于接收所述入射光信號的校準(zhǔn)組件，放置所述校準(zhǔn)組件以使在所述襯底中對來自所述校準(zhǔn)組件的入射光信號校準(zhǔn)，以及以全內(nèi)反射的方式在所述襯底中行進。
17.如權(quán)利要求16所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述校準(zhǔn)組件包括在所述襯底的所述頂表面安裝的全息組件。
18.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述光束通過GRIN透鏡被耦合到所述襯底。
19.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述組件基本上是平行的線性組件。
20.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，在所述襯底的所述頂表面上通過以圖案形式沉積硅材料形成所述組件。
21.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述組件和所述襯底以相同材料組成。
22.如權(quán)利要求21所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述材料是藍寶石。
23.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述組件具有比所述襯底更高的折射指數(shù)。
24.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中，所述衍射光學(xué)組件以全內(nèi)反射的方式工作。
25.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，包括多個入射光信號，每個具有不同的波長，并且其中，所述衍射光學(xué)組件將每個信道反射為不同的第一階衍射模，以使每個反射光信號在所述襯底中都以和初始傳播方向成一角度的多個二次傳播方向中的一個方向行進，以使每個反射信道以全內(nèi)反射的方式在所述襯底內(nèi)行進。
26.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中所述組件每個具有選擇使所述反射光信號密度最大的寬度。
27.如權(quán)利要求1所述的集成光學(xué)裝置，其中所述組件由多個條帶組成，每個條帶具有一寬度和一相關(guān)聯(lián)的間隔，其中所述寬度和所述間隔在所述條帶之中變化。
28.如權(quán)利要求27所述的集成光學(xué)裝置，其中所述寬度和所述間隔以連續(xù)方式變化。
29.一種供透明光學(xué)材料襯底使用的衍射光柵，所述衍射光柵包括多個由在所述襯底的所述頂表面上放置的透明光學(xué)材料組成的元件，所述元件以一分隔距離分開并具有元件寬度，由此選擇分隔距離和所述元件寬度之和a，以使在所述襯底中從所述頂表面以全內(nèi)反射方式按入射傳播方向行進并在所述衍射光柵入射的光信號，被反射為以與入射傳播方向成θp角度的反射傳播方向在所述襯底中傳播并在所述襯底中以全內(nèi)反射方式傳播的第一階衍射。
30.如權(quán)利要求29所述的衍射光柵，其中所述的和a是在0.5λ和4λ之間，其中λ是所述襯底中光信號的所述波長。
31.如權(quán)利要求30所述的衍射光柵，其中，λ在0.25μm微米和10μm微米之間。
32.如權(quán)利要求29所述的衍射光柵，其中，所述光信號以大于臨界角的θ角度在所述衍射光柵入射，根據(jù)垂直于延伸到所述襯底的所述襯底的頂表面并來測量θ，以及其中選擇所述和以使θp大于90°而小于180°。
33.如權(quán)利要求29所述的衍射光柵，其中所述分隔距離基本上和所述元件寬度相同。
34.如權(quán)利要求29所述的衍射光柵，其中所述元件由從組成非晶硅、晶硅以及多晶硅組成的所述組分中選擇的材料組成，并且其中所述襯底由藍寶石組成。
35.如權(quán)利要求29所述的衍射光柵，其中所述元件具有比所述襯底的折射指數(shù)更高的折射指數(shù)。
36.一種路由入射光信號的方法，包括步驟在光學(xué)襯底中以全內(nèi)反射方式從所述襯底的頂表面發(fā)送所述入射光；以及為了接收部分入射光信號在所述襯底的所述頂表面之上放置多個被分隔隔離的條帶，以使所述多個條帶構(gòu)成將所述入射光反射為以定義與入射傳播方向成一個角度的反射傳播方向在所述襯底中傳播并在所述襯底中以全內(nèi)反射方式傳播的第一階衍射的衍射光柵。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中放置多個被分隔間隔的條帶的所述步驟還包括步驟在所述襯底的所述頂表面沉積光學(xué)材料薄膜；在所述薄膜上涂抹掩膜；使所述薄膜和所述掩膜進行光刻曝光處理，以在所述薄膜中形成圖案，所述圖案對應(yīng)所述條帶；以及選擇性地蝕刻所述薄膜的部分地方以形成所述條帶。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述光學(xué)材料是多晶硅材料。
39.如權(quán)利要求36所述的方法，其中在所述頂表面上放置多個條帶的所述步驟形成直接和所述頂表面接觸的所述條帶。
40.如權(quán)利要求36所述的方法，其中放置所述多個條帶的所述步驟還包括步驟在所述襯底的頂表面上生成晶硅薄膜；在所述薄膜上涂抹掩膜；使所述薄膜和所述掩膜進行光刻曝光處理，以在所述薄膜中形成圖案，所述圖案對應(yīng)所述條帶；以及選擇性地蝕刻所述薄膜的部分地方以形成所述條帶。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中在所述頂表面上放置多個條帶的所述步驟形成直接和所述頂表面接觸的所述條帶。
42.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述放置多個分隔分布條帶的所述步驟還包括所述步驟在所述襯底的所述頂表面沉積損失層；在所述損失層上沉積光學(xué)材料薄膜；在所述薄膜上涂抹掩膜；對所述薄膜和所述掩膜進行光刻曝光處理，以在所述薄膜中形成圖案，所述圖案對應(yīng)所述條帶；選擇性地蝕刻所述薄膜的部分地方以形成所述條帶；以及清除所述損失層以使在延伸到所述頂表面上的耦合區(qū)域的漸逝場內(nèi)在所述襯底的所述頂表面形成所述條帶。
43.一種集成光學(xué)裝置，包括襯底，由透明光學(xué)材料組成并具有在所述襯底以全內(nèi)反射的方式行進的光信號；第一衍射光學(xué)組件，由在所述襯底的頂表面放置的分隔間隔的第一組元件組成，以使所述光信號在所述襯底以希望的傳播方向反射；第二衍射光學(xué)組件，由第二組分隔間隔的元件組成并放置在所述襯底的頂表面，以從所述第一衍射光學(xué)組件接收所述反射光信號，并被安置以輸出用于在所述襯底傳播所述反射光信號。
44.如權(quán)利要求43所述的集成光學(xué)裝置，其中所述第一衍射光學(xué)組件是校準(zhǔn)組件。
45.如權(quán)利要求43所述的集成光學(xué)裝置，其中所述希望的傳播方向是平行于所述光信號的入射傳播方向。
46.如權(quán)利要求43所述的集成光學(xué)裝置，其中從所述第二衍射光學(xué)組件輸出的光信號沿著具有和希望的傳播方向成一角度的第一階衍射模式在所述襯底傳播，所述輸出光信號同樣也在所述襯底以全內(nèi)反射的方式傳播。
全文摘要
示出了在襯底上形成的衍射光學(xué)組件(DOE)。一個實施例中所述DOE的特征在于在所述襯底的頂表面每個都單獨產(chǎn)生多個元件。所述元件可以通過將多晶硅材料沉積在所述襯底或者通過在所述襯底形成硅晶體并進行蝕刻步驟而形成?？梢允褂盟鯠OE反射在所述襯底中以全內(nèi)反射的方式行進的入射光?？梢詫⑿纬伤鯠OE的所述條帶的所述寬度、兩者之間間隔和所述條帶的高度設(shè)計得便于在所述襯底中以和所述入射光成銳角的傳播方向反射所述入射光。
文檔編號G02B6/42GK1549938SQ02816812
公開日2004年11月24日 申請日期2002年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月13日
發(fā)明者羅杰·L·弗里克, 查爾斯·R·威爾科克斯, R 威爾科克斯, 羅杰 L 弗里克 申請人:柔斯芒特公司