專利名稱：包括波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利說明書涉及光學(xué)器件。更具體而言，本專利說明書涉及光學(xué)器件，其包括用
于提供諸如對入射光學(xué)信號進(jìn)行濾波和調(diào)制入射光學(xué)信號的能力的波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
用于比如通過濾波和調(diào)制來改變電磁輻射傳播的器件代表許多技術(shù)努力的基本 構(gòu)件。濾波一般是指基于電磁輻射的頻率對電磁輻射進(jìn)行選擇性的處理、比如選擇性的透 射或反射。調(diào)制一般是指根據(jù)時變控制信號或調(diào)制信號來在時間方面改變電磁波或信號的 性質(zhì)，比如幅度、頻率、相位等等。光學(xué)濾波和光學(xué)調(diào)制分別是指對光學(xué)頻率(其可以包括 紅外、可見光、以及紫外頻率)處的電磁輻射進(jìn)行濾波和調(diào)制。 對于某些電光應(yīng)用或者全光學(xué)應(yīng)用而言，有時需要光學(xué)濾波器表現(xiàn)出非常窄的中 心位于特定頻率附近的反射帶，而同時還在包括鄰近頻率的其它頻率處表現(xiàn)出平的、低損 耗的透射帶。舉例來說，可能存在如下目標(biāo)從半導(dǎo)體激光源的輸出束中分離出特定的模 (mode)，并且該?？赡軆H僅與鄰近模分開低達(dá)lnm或更少(即分開對應(yīng)于lnm或更少的自 由空間波長差的頻差)。如果應(yīng)用需要多個這樣的光學(xué)濾波器被放置得彼此光學(xué)串聯(lián)，則平 的、低損耗的透射帶可能尤為重要。 關(guān)于光學(xué)調(diào)制，特定光學(xué)調(diào)制器對于特定應(yīng)用的可行性或合意性可能常常不僅取 決于該光學(xué)調(diào)制器以何種程度調(diào)制目標(biāo)光學(xué)頻率范圍，而且還取決于該光學(xué)調(diào)制器以何種 程度不調(diào)制(或者以其他方式擾動)非目標(biāo)頻率。因此，例如所期望的可能是光學(xué)調(diào)制器 響應(yīng)于調(diào)制控制信號而對第一光學(xué)頻率fi提供有效的開關(guān)(0N-0FF)調(diào)制，同時允許鄰近 光學(xué)頻率f。和f2在未被擾動的情況下穿過并且具有極小衰減或沒有衰減以及與該調(diào)制控 制信號沒有時間方面的關(guān)系。 更普遍地，實(shí)施光學(xué)濾波器和光學(xué)調(diào)制器中的至少一個時常常發(fā)生與如下項(xiàng)目之 一或多個有關(guān)的實(shí)際問題調(diào)制速度、頻率選擇性、操作的頻譜范圍、噪聲特性、器件成本、 散熱、器件尺寸、器件可調(diào)節(jié)性、以及器件功耗。鑒于本公開，其它問題的發(fā)生對于本領(lǐng)域的 技術(shù)人員而言將是顯而易見的。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實(shí)施例中，提供一種包括水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件，所述水平波導(dǎo)光 柵結(jié)構(gòu)具有至少一個波導(dǎo)層和至少一個亞波長周期性光柵層。該光學(xué)器件還包括上包覆層 和下包覆層，所述上包覆層和下包覆層與該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的相應(yīng)上表面和下表面直接鄰接 并且具有比所述波導(dǎo)層中最低折射率波導(dǎo)層低的折射率，其中入射輻射穿過所述上包覆層 和下包覆層之一朝著該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)傳播。該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)被配置為對處于峰值反射頻率 的入射輻射進(jìn)行峰值反射。所述波導(dǎo)層的累積厚度小于處于峰值反射頻率的入射輻射的自 由空間波長除以所述波導(dǎo)層的平均折射率的結(jié)果的十分之一。 還提供有一種包括使光學(xué)裝置定位在入射電磁輻射的路徑中的方法，該光學(xué)裝置包括水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，所述水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)具有至少一個波導(dǎo)層和至少一個亞波長周期性光柵層。該光學(xué)裝置還包括上包覆層和下包覆層，所述上包覆層和下包覆層與該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的相應(yīng)上表面和下表面直接鄰接并且具有比所述波導(dǎo)層中最低折射率波導(dǎo)層低的折射率。入射輻射以大致向下的方向穿過該上包覆層朝著所述波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)傳播。該方法還包括接收從該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)被向上反射穿過該上包覆層的輻射和向下傳播穿過該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)和下包覆層的輻射之一。該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)被配置為對處于峰值反射頻率的入射輻射進(jìn)行峰值向上反射。所述波導(dǎo)層的累積厚度小于處于峰值反射頻率的入射輻射的自由空間波長除以所述波導(dǎo)層的平均折射率的結(jié)果的十分之一。 還提供有一種裝置，包括光源，其提供源光束；以及水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，其包括至少一個波導(dǎo)層和至少一個亞波長周期性光柵層。該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)具有分別由所述波導(dǎo)層和亞波長周期性光柵層中的最上的層和最下的層來限定的上表面和下表面，并且該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)被設(shè)置在該光源之下。所述上包覆層和下包覆層分別從該上表面向上延伸以及從該下表面向下延伸，并且具有比所述波導(dǎo)層中最低折射率波導(dǎo)層低的折射率，并且該上包覆層被設(shè)置在該光源之下。該裝置還包括光學(xué)接收機(jī)，其被定位為接收從該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)被向上反射穿過該上包覆層的輻射和向下傳播穿過該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)和下包覆層的輻射之一。該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)被配置為對處于峰值反射頻率的源光束進(jìn)行峰值反射。所述波導(dǎo)層的累積厚度小于處于峰值反射頻率的源光束的自由空間波長除以所述波導(dǎo)層的平均折射率的結(jié)果的十分之一。


圖1A示出了根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)器件的透視圖； 圖1B示出了圖1A的光學(xué)器件的透射輻射功率與入射輻射功率之比的頻譜圖。
圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)器件的側(cè)視 圖3示出了根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)器件的側(cè)視 圖4示出了根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)器件的側(cè)視 圖5示出了根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)器件的側(cè)視圖； 圖6示出了對于不同控制束狀態(tài)圖5光學(xué)器件的透射輻射功率與入射輻射功率之比的頻譜圖；以及 圖7示出了根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)器件的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1A示出了根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)器件100的透視圖。光學(xué)器件100包括水平取向的波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(WGS)102，波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(WGS) 102包括波導(dǎo)層104和具有周期性圖案(pattern)的缺陷107的亞波長周期性光柵層106。如圖1A所示，波導(dǎo)層104具有厚度Twe，并且亞波長周期性光柵層106具有厚度T^光學(xué)器件100還包括直接處于WGS 102之上的上包覆層108以及直接處于WGS 102之下的下包覆層110。 入射輻射(IN)在其去往WGS 102的途中以大致向下的方向從源(未示出)穿過上包覆層108傳播。根據(jù)輻射頻率和光學(xué)裝置100的其它方面(在此將進(jìn)一步說明)，該輻射可以被向上反射以產(chǎn)生反射的輻射(REFL)和/或可以繼續(xù)向下傳播以產(chǎn)生透射的輻射(TRANS)。能夠理解，術(shù)語"水平"和"垂直"以及相關(guān)的術(shù)語(比如"向上"和"向下")在此被用于提供可容易理解的參照系以清楚說明實(shí)施例，并且并不打算表達(dá)相對于重力或其它外部參照系的絕對取向。 如在此所使用的那樣，"缺陷"是指材料層的影響輻射的性質(zhì)(比如其折射率)的局部變化，其中可以以多種公知方式中的任一種引起所述變化，所述方式包括將不同材料局部地插入到層中；從層中局部地除去材料；以及進(jìn)行改變材料性質(zhì)的局部處理。通過層中缺陷的空間圖案來形成光柵。在圖1A的例子中，亞波長周期性光柵層106由島狀缺陷107組成，其中島狀缺陷107被插入到與用在上包覆層108中的材料為同類型材料的層中，島狀缺陷107限定了二維光柵圖案。在其它實(shí)施例中，所述缺陷可以是線性的以形成一維光柵圖案。 如圖1A所示，上包覆層108具有折射率n。，波導(dǎo)層104具有折射率l，下包覆層IIO具有折射率112，并且缺陷107具有折射率n4。根據(jù)作為導(dǎo)模共振(GMR)濾波器(可替換地被稱為亞波長共振光柵(SRG)濾波器)的功能，波導(dǎo)層104的折射率^應(yīng)當(dāng)大于上包覆層108的折射率n。和下包覆層110的折射率112二者。缺陷107的折射率l可以大于、等于或小于波導(dǎo)層104的折射率n"只要其不同于亞波長共振光柵層106中的包圍材料的折射率。 可選地，亞波長周期性光柵層106可以與波導(dǎo)層104—體化，也就是說，波導(dǎo)層104
可以本身含有折射率不同的材料的圖案，其中所述圖案形成亞波長共振光柵。當(dāng)然，對于亞波長共振光柵層106確實(shí)同波導(dǎo)層104分離的實(shí)施例(如圖1A的例子)而言，亞波長共振光柵層106的本體(bulk)應(yīng)當(dāng)具有比波導(dǎo)層104的折射率低的折射率。這是因?yàn)椴▽?dǎo)層104需要具有比鄰近非波導(dǎo)層高的折射率，否則橫向模將被這些鄰近層捕獲，在這種情況下，所述鄰近層將成為波導(dǎo)層而層104將不再是波導(dǎo)層。 在許多其它例子之中，可能適于波導(dǎo)層104的材料包括但不限于折射率較高的材料、比如Si(n = 3.42)、 InP(n = 3. 1)、GaAs(n = 3. 3)、以及SiN/Si3N( n =2.2)。其它例子包括但不限于IV族材料(例如Si、Ge、SiC) 、III-V族材料(例如GaN、GaP、InP、InAs、 A1N)和II-VI族材料(例如ZnO、 CdS)、以及下面關(guān)于圖5至7的實(shí)施例所描述的非線性材料中的任意材料。在許多其它例子之中，可能適于上/下包覆層108/110的材料包括但不限于折射率較低的材料、比如空氣、真空、水(1.35)、SiO(n = 1.44)、聚二甲基硅氧烷(PDMS， n = 1.4)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA， n = 1.49)、以及石英玻璃(n = 1. 44)。
以亞波長共振光柵層106所實(shí)現(xiàn)的光柵結(jié)構(gòu)可以包括多種已知用于促進(jìn)GMR濾波器功能的周期性圖案中的任意圖案，其中這樣的周期性圖案通常具有在至少一個維度上的小于入射輻射IN的波長的空間周期A 。當(dāng)這樣圖案化時，由于入射輻射IN與沿著波導(dǎo)層104被引導(dǎo)的橫向輻射模之間的耦合過程，光學(xué)器件100反射峰值反射頻率周圍的窄頻帶中的零階衍射平面波。峰值反射頻率的特定值、反射帶的寬度、以及其它頻譜特性取決于各個層厚度和折射率、以及所使用的缺陷材料和光柵圖案。峰值反射頻率的值也可以隨著入射輻射撞擊到WGS 102上的角度的正弦而變化。 GMR濾波器的旁帶或帶外行為通常是指其在反射帶之外的透射率特性。在此，一個或多個實(shí)施例旨在獲得一種GMR濾波器，其具有非常高和平(低損耗且無失真)的針對帶外輻射頻率的透射特性。根據(jù)實(shí)施例，波導(dǎo)層104的厚度T小于處于峰值反射頻率的入
6射輻射的自由空間波長除以其折射率的結(jié)果的十分之一。舉數(shù)值例子來說，如果波導(dǎo)層包含SiN/Si3N( n = 2. 2)，并且入射輻射具有1530nm的自由空間波長，則波導(dǎo)層104的厚度Twe應(yīng)當(dāng)小于大約70nm。根據(jù)另一實(shí)施例，波導(dǎo)層104的厚度Twe小于處于峰值反射頻率的入射輻射的自由空間波長除以其折射率的結(jié)果的五十分之一。 即使其非常薄，波導(dǎo)層104仍然可以對橫向傳播模提供沿著所述波導(dǎo)層的引導(dǎo)，因?yàn)槠湔凵渎矢哂诎鼑陌膊牧系恼凵渎省４送猓捎谠撈骷恼瓗Х瓷渎适怯晒鈻艑?dǎo)致的共振效應(yīng)以及涉及橫向傳播模的干涉現(xiàn)象引起的，所以波導(dǎo)層104的薄度(thinness)并不妨礙WGS 102具有如下的峰值反射頻率在所述峰值反射頻率處，極高百分比、甚至接近百分之百的入射輻射被向上反射。有利地，同時，波導(dǎo)層104的深亞波長薄度以及WGS102的一致的薄度導(dǎo)致對所有其它輻射頻率的基本上的"不可見性"，這些其它輻射頻率在具有極少或沒有任何衰減的情況下穿過WGS 102。由此提供非常高和平(低損耗且無失真)的針對帶外輻射頻率的透射特性，其中帶外輻射信號基本不衰減地穿過。這同與較厚波導(dǎo)層相關(guān)聯(lián)的次優(yōu)結(jié)果形成對比所述較厚波導(dǎo)層由于由較厚的層引起的不期望的現(xiàn)象(包括垂直腔效應(yīng))而可能引起透射率特性在反射帶以外的不均勻和比較寬的"振鈴(ringing)"、在遠(yuǎn)離反射帶處的較低透射率水平、或者二者。根據(jù)下面描述的一個或多個實(shí)施例，波導(dǎo)層的深亞波長薄度以及波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的一致的薄度還在光學(xué)器件100適于用在全光學(xué)調(diào)制器中的情況下促進(jìn)高比特率性能。 在存在多個波導(dǎo)層的可選實(shí)施例中，波導(dǎo)層的累積厚度(即其厚度之和)優(yōu)選地小于處于峰值反射頻率的入射輻射的自由空間波長除以其平均折射率的結(jié)果的十分之一。在其它實(shí)施例中，該累積厚度小于處于峰值反射頻率的入射輻射的自由空間波長除以其平均折射率的結(jié)果的五十分之一。 圖IB示出了圖1A的光學(xué)器件100的透射輻射功率PTMNS與入射輻射功率PIN之比的頻譜圖152?？梢酝ㄟ^適當(dāng)選擇材料和設(shè)計參數(shù)來獲得峰值反射頻率fpK和半高全寬(FWHM)帶寬Af的所期望的值，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本公開所能夠?qū)崿F(xiàn)的。對于根據(jù)一個或多個實(shí)施例的具有深亞波長波導(dǎo)層厚度和一致地薄的波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)GMR濾波器，在器件設(shè)計開始時有益的大致經(jīng)驗(yàn)法則是波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的總寬度(圖1A的WGS102從左到右的總尺寸)應(yīng)當(dāng)足以包括"Q"個橫向缺陷周期A，其中Q是所期望的品質(zhì)因數(shù)，其等于fPK/Af?？偟膩碚f，對于具有深亞波長波導(dǎo)層厚度和一致地薄的波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)GMR濾波器可能作出的設(shè)計折衷涉及波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的總寬度，其中所述總寬度大致上并且總的來說可能需要隨著那些厚度的減小而增加以維持特定的Q值。然而，存在許多實(shí)際應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，對帶外頻率的"不可見性"的益處勝過增加波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的總寬度的缺點(diǎn)(如果有的話)。 圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)器件200的側(cè)視圖，光學(xué)器件200包括圖1A的光學(xué)器件以及附加的部件，其中所述附加的部件包括光源211，其用于提供入射輻射IN ;第一光學(xué)檢測器213，其用于接收透射的輻射TRANS ;以及第二光學(xué)檢測器215，其用于接收反射的輻射REFL。根據(jù)特定的應(yīng)用，特定的整個器件可以包括光學(xué)檢測器213和215中僅僅一個或另一個。盡管在圖2的例子以及在此的其它例子中將入射、透射的、以及反射的束表示為嚴(yán)格垂直的，但是能夠理解，它們可以在不偏離所述實(shí)施例的范圍的情況下處于各種不同的非水平的角度。
與亞波長周期性光柵層106相關(guān)聯(lián)的是限定WGS 102的上表面209的上表面。與波導(dǎo)層104相關(guān)聯(lián)的是限定WGS 102的下表面205的下表面。上包覆層108直接從WGS 102的上表面209朝著光源211延伸。在一個實(shí)施例中，上包覆層108具有厚度Tue，該厚度非常大，遠(yuǎn)大于入射輻射IN的波長和WGS 102的各個垂直尺寸二者。更具體而言，厚度T足夠大使得由WGS 102引起的所有有意義的電磁相互作用(上包覆層108實(shí)際上充當(dāng)這些電磁相互作用的包覆)都在遠(yuǎn)低于其上表面處發(fā)生。換言之，對于該實(shí)施例，任何傳播到上包覆層108的上表面中或者從該上表面中傳播出的輻射都位于WGS 102的影響范圍之外。舉例來說，在圖2中示出了由波導(dǎo)層104所引導(dǎo)的橫向傳播模的電場強(qiáng)度的圖220。對WGS 102的影響范圍的一種度量是橫向傳播模的垂直范圍D^其中所述垂直范圍D^例如可以對應(yīng)于FWHM距離。總的來說，橫向傳播模的垂直范圍D^將與入射輻射IN的自由空間波長的平方除以波導(dǎo)層104的厚度Twe的結(jié)果成比例。因此，對于一個實(shí)施例，上包覆層108的厚度Tuc大于入射輻射IN的自由空間波長的平方除以波導(dǎo)層104的厚度Twe。
如果上包覆層108只包括空氣或真空，則上包覆層108并不具有上表面本身。在這種情況下，上包覆層108實(shí)際上更確切地說是空間緩沖層，并且對于一個實(shí)施例，只要求在WGS 102的上表面209以上的距離Tuc內(nèi)，僅有空氣或真空被包含在該緩沖層內(nèi)。如果上包覆層108的確包含鑒于WGS 102的薄度而可能有利于整個器件的物理完整性的固體材料(比如玻璃)，則可以在其上表面上提供可選的抗反射涂層。 總的來說，上包覆層108的特征和限制也適用于下包覆層IIO，但是不一定要求上包覆層和下包覆層彼此對稱。因此，對于一個實(shí)施例，下包覆層110的厚度T^大于入射輻射I N的自由空間波長的平方除以波導(dǎo)層104的厚度T。同樣，如果下包覆層110只包括空氣或真空，則對于一個實(shí)施例，在WGS 102的下表面205以下的距離！Yc內(nèi)，僅有空氣或真空被包含在該緩沖層內(nèi)。 在其它實(shí)施例中，厚度T和!Yc之一或二者可以小于橫向傳播模的垂直范圍D^和/或小于入射輻射IN的自由空間波長除以波導(dǎo)層104的厚度Twe。在這種實(shí)施例中，對光學(xué)器件100的計算機(jī)建模和表征可能由于橫向引導(dǎo)模和包覆層108/110的上/下表面間的相互作用而更為復(fù)雜。然而，與波導(dǎo)層的深亞波長薄度和波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的一致的薄度相關(guān)的一個或多個優(yōu)點(diǎn)，在包覆層108/110之一或二者具有這樣的減小的厚度尺寸的情況下應(yīng)當(dāng)基本上仍然存在。 圖3示出了根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)器件300的側(cè)視圖。光學(xué)器件300包括波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(WGS) 302，該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)302包括亞波長周期性光柵層306和波導(dǎo)層304，其中所述亞波長周期性光柵層306和波導(dǎo)層304分別類似于上面的圖1至2的亞波長周期性光柵層106和波導(dǎo)層104，除了 WGS 302還包括被設(shè)置在亞波長周期性光柵層306和波導(dǎo)層304之間的內(nèi)包覆層324，其中該內(nèi)包覆層324具有比波導(dǎo)層304的折射率低的折射率。亞波長周期性光柵層306的上表面限定了 WGS 302的上表面309。波導(dǎo)層304的下表面限定了 WGS302的下表面305。 對于一個實(shí)施例，上包覆層308直接從WGS上表面309向上延伸相對于沿著波導(dǎo)層304橫向傳播的模的影響范圍而言大的距離，如在上面相對于圖1至2的上包覆層108所說明的。同樣，下包覆層310直接從WGS下表面305向下延伸至少所述大的距離。對于其它實(shí)施例，上包覆層308和下包覆層310的厚度可以具有較小尺寸。
將亞波長周期性光柵層306同波導(dǎo)層304分開的原因可以包括可制造性方面的 考慮和/或容納更多種材料。根據(jù)下面的圖5至7的一個或多個實(shí)施例，如果所述材料之 一或多種是可光學(xué)調(diào)制的這尤其有利。只要亞波長周期性光柵層306處于沿著波導(dǎo)層304 所引導(dǎo)的橫向模的模分布(mode profile)320的垂直范圍D^之內(nèi)，無論是否進(jìn)行分離都可 以實(shí)現(xiàn)GMR濾波器功能。等效地，根據(jù)實(shí)施例，WGS 302的上表面309和下表面305分開的 距離小于模分布320的垂直范圍DM。盡管被表示為包含與上和下包覆層308/310相同的 材料，但是內(nèi)包覆層324可以包括與上和下包覆層308/310不同的材料，只要內(nèi)包覆層324 的折射率低于波導(dǎo)層304的折射率即可。 圖4示出了根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)器件400的側(cè)視圖。光學(xué)器件400包括波導(dǎo)光柵結(jié) 構(gòu)(WGS)402，波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(WGS) 402進(jìn)而包括多個包括缺陷407a和407b的亞波長周期性 光柵層406a和406b、多個波導(dǎo)層404a和404b、以及如所示的那樣被設(shè)置在其間的多個內(nèi) 包覆層424a和424b。 WGS 402的上和下表面409和405分別由所述波導(dǎo)層和亞波長周期 性光柵層的最上的層和最下的層來限定。 對于一個實(shí)施例，上包覆層408直接從WGS上表面409向上延伸相對于沿著波導(dǎo) 層404a和404b橫向傳播的模的影響范圍而言大的距離。同樣，下包覆層410直接從WGS下 表面405向下延伸至少所述大的距離。對于其它實(shí)施例，上包覆層408和下包覆層410的 厚度可以具有較小尺寸。 上和下包覆層408和410中的每個都具有比波導(dǎo)層404a和404b中最低折射率波 導(dǎo)層低的折射率。WGS 402的上表面409和下表面405分開的距離小于由波導(dǎo)層404a和 404b所引導(dǎo)的橫向傳播模的模分布420的垂直范圍DM。盡管被表示為包含與上和下包覆 層408/410相同的材料，但是內(nèi)包覆層424a和424b可以包括與上和下包覆層408/410不 同的材料，只要內(nèi)包覆層424a和424b的折射率的每個都低于波導(dǎo)層404a和404b中的最 低折射率波導(dǎo)層即可。 圖5示出了根據(jù)實(shí)施例的用于調(diào)制光學(xué)信號的光學(xué)器件500的側(cè)視圖。光學(xué)器 件500包括水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(WGS) 502 ;光源511，其用于提供入射輻射IN ;第一光學(xué)檢 測器513，其用于接收透射的輻射TRANS ;以及第二光學(xué)檢測器515，其用于接收反射的輻 射REFL。 WGS 502包括在結(jié)構(gòu)和功能上分別與上面圖3的WGS 302的亞波長周期性光柵層 306、內(nèi)包覆層324、以及波導(dǎo)層304類似的亞波長周期性光柵層506、內(nèi)包覆層524、以及波 導(dǎo)層504，除了 WGS 502的至少一種材料具有可以根據(jù)所施加的光學(xué)調(diào)制束而動態(tài)調(diào)制的 折射率。光學(xué)器件500還包括光學(xué)調(diào)制源550，其中該光學(xué)調(diào)制源550被耦合以向折射率可 光學(xué)調(diào)節(jié)的材料提供光學(xué)調(diào)制束CTL，由此光學(xué)器件500對入射輻射IN進(jìn)行光學(xué)調(diào)制以產(chǎn) 生互補(bǔ)的已調(diào)制信號TRANS和REFL。對于一個實(shí)施例，上和下包覆層508和510 (其在該例 子中包含空氣)分別從WGS 502的上表面509和WGS 502的下表面505分別向上和向下延 伸在上面相對于圖IA所述的緩沖距離。 圖6示出了當(dāng)調(diào)制信號CTL分別處于關(guān)閉(OFF)水平和開啟(ON)水平時圖5光 學(xué)器件500的透射輻射功率PTKANS與入射輻射功率PIN之比的頻譜圖652和652'。因此，如 果入射光學(xué)信號IN是單色的并處于頻率fpK，則當(dāng)CTL為關(guān)閉(OFF)時將在第一檢測器513 處接收到接近百分之零的其輻射，而當(dāng)CTL為開啟(ON)時將在第一檢測器513處接收到接 近百分之百的其輻射。
可光學(xué)調(diào)制的材料可以被設(shè)置在波導(dǎo)層504、亞波長周期性光柵層506的本體材料、缺陷材料507、以及內(nèi)包覆層524的一個或多個中。合適的可光學(xué)調(diào)制的材料包括多種具有可以隨著所施加的光學(xué)調(diào)制束的強(qiáng)度而改變的折射率的無機(jī)和有機(jī)材料中的任意材料，在許多其它例子中所述材料包括鈮酸鋰(LiNbO》、鉭酸鋰(LiTaO》、鈮酸鋇鈉(BSN)、磷酸二氫銨(ADP)、磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸鈦氧鉀(KTP)、砷酸鈦氧銣(RTA)、磷酸鈦氧銣(RTP)、細(xì)菌視紫紅質(zhì)(服)、二甲基氨基甲基芪唑鎗甲苯磺酸鹽(dimethylamino-methylstilbazoliumtosylate， DAST)、以及半導(dǎo)體材料、比如GaAs、 CdTe、立方ZnS、 CdZnTe或ZnTe。有利地，由于峰值反射頻率對WGS 502的參數(shù)的相對高的靈敏度，所以一種材料即使其對所施加的光學(xué)調(diào)制束的響應(yīng)相對較弱仍然可以有效地作為可光學(xué)調(diào)制的材料。類似地，對所施加的光學(xué)調(diào)制束具有強(qiáng)響應(yīng)的材料可以在相對低的折射率變化范圍內(nèi)被驅(qū)動。由此可以通過根據(jù)一個或多個實(shí)施例的光學(xué)器件來獲得非?？斓恼{(diào)制速率(對于合適選擇的材料甚至達(dá)到幾百GHz)的整體能力。鈮酸鋰代表可光學(xué)調(diào)制材料的一種特別合適的解決方案，不僅僅因?yàn)槠浞浅？斓捻憫?yīng)時間，而且還因?yàn)橐呀?jīng)針對鈮酸鋰建立了相對成熟的器件制造和加工技術(shù)。 圖7示出了根據(jù)實(shí)施例的用于調(diào)制光學(xué)信號的光學(xué)器件700。光學(xué)器件700包括水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(WGS)702;光源711，其用于提供入射輻射IN;第一光學(xué)檢測器713，其用于接收透射的輻射TRANS ;以及第二光學(xué)檢測器715，其用于接收反射的輻射REFL。 WGS702包括波導(dǎo)層702，其包括鈮酸鋰；以及與其一體化的氣孔缺陷707形式的亞波長周期性光柵層706。對于一個實(shí)施例，上和下空氣包覆層708和710分別從WGS 702的上表面709和WGS 702的下表面705分別向上和向下延伸足以保證類似于上面相對于圖1A所述的空氣緩沖的緩沖區(qū)的距離。 光學(xué)器件700還包括光學(xué)調(diào)制源760，其中該光學(xué)調(diào)制源760被耦合以向波導(dǎo)層704的鈮酸鋰材料提供光學(xué)調(diào)制束CTL，由此光學(xué)器件700對入射輻射IN進(jìn)行光學(xué)調(diào)制以產(chǎn)生互補(bǔ)的已調(diào)制信號TRANS和REFL。然而，與圖5的從下面(或從上面)籠罩WGS 502的光學(xué)調(diào)制源550相對比，光學(xué)調(diào)制源760沿著鈮酸鋰片的邊緣引入光學(xué)調(diào)制輻射。有利地，由于調(diào)制需要僅僅適度地擾動峰值共振頻率，所以不需要以嚴(yán)格均勻的方式在鈮酸鋰片上施加控制輻射。 根據(jù)一個或多個實(shí)施例的光學(xué)器件的制造可以使用已知的制造方法來實(shí)現(xiàn)，所述制造方法包括但不限于沉積法，比如化學(xué)氣相沉積(CVD)、金屬有機(jī)CVD(MOCVD)、等離子增強(qiáng)CVD(PECVD)、化學(xué)溶液沉積(CSD)、基于溶膠-凝膠的CSD、金屬有機(jī)分解(MOD)、Langmuir-Blodgett (LB)技術(shù)、熱蒸發(fā)/分子束外延(MBE)、濺射(DC，磁控，RF)、以及脈沖激光沉積(PLD);光刻法，比如光學(xué)光刻、極紫外(EUV)光刻、x射線光刻、電子束光刻、聚
焦離子束(FIB)光刻、以及納米壓印光刻；去除法，比如濕法刻蝕(各向同性，各向異性)、
干法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、離子束刻蝕(IBE)、反應(yīng)IBE(RIBE)、化學(xué)輔助IBE(CAIBE)、
以及化學(xué)機(jī)械打磨(CMP);改性方法，比如輻射處理、熱退火、離子束處理、以及機(jī)械改性；
以及裝配(assembly)法，比如晶片結(jié)合、表面安裝、以及其它布線和結(jié)合方法。 盡管所述實(shí)施例的許多改變和修改在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員閱讀前面的描述以
后無疑將對其變得顯而易見，但是能夠理解，通過例證所示出和描述的特定實(shí)施例決不應(yīng)
認(rèn)為是限制性的。舉例來說，盡管在上面的一個或多個實(shí)施例中被描述為適用于光學(xué)信號，
10但是在不偏離本教導(dǎo)的范圍的情況下，根據(jù)所述實(shí)施例之一或多個的濾波器和/或調(diào)制器可以適用于電磁輻射的其它頻率、比如微波范圍內(nèi)的頻率。因此，對所述實(shí)施例的細(xì)節(jié)的提及并不打算限制其范圍。
權(quán)利要求
一種光學(xué)器件(100)，包括水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(WGS)(102)，其包括至少一個波導(dǎo)層(104)和至少一個亞波長周期性光柵層(106)；以及上包覆層和下包覆層(108，110)，所述上包覆層和下包覆層與所述WGS(102)的相應(yīng)上表面和下表面(209，205)直接鄰接并且具有比所述波導(dǎo)層(104)中最低折射率波導(dǎo)層低的折射率，其中入射輻射(IN)穿過所述上包覆層和下包覆層之一(108)朝著所述WGS(102)傳播；其中所述WGS(102)被配置為對處于峰值反射頻率的所述入射輻射進(jìn)行峰值反射；以及其中所述波導(dǎo)層(104)的累積厚度小于處于所述峰值反射頻率的該入射輻射(IN)的自由空間波長除以所述波導(dǎo)層(104)的平均折射率的結(jié)果的十分之一。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)器件，所述上包覆層和下包覆層(108,110)中每個的厚度都大于處于所述峰值反射頻率的所述入射輻射(IN)的所述自由空間波長的平方除以所述累積厚度，所述WGS(102)表現(xiàn)出包括所述峰值反射頻率的反射帶，由此處于所述反射帶以外的任何頻率的入射輻射基本上不衰減地穿過所述WGS。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中所述WGS(502)包括折射率動態(tài)可調(diào)節(jié)的材料使得所述峰值反射頻率動態(tài)可調(diào)節(jié)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)器件(500)，其中所述折射率動態(tài)可調(diào)節(jié)的材料是折射率可光學(xué)調(diào)節(jié)的材料，并且其中所述光學(xué)器件還包括光學(xué)調(diào)制源(550)，該光學(xué)調(diào)制源(550)被耦合以向所述折射率可光學(xué)調(diào)節(jié)的材料提供光學(xué)調(diào)制束(CTL)，由此所述光學(xué)器件(500)根據(jù)所述光學(xué)調(diào)制束(CTL)對所述入射輻射(IN)進(jìn)行光學(xué)調(diào)制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)器件(400)，所述WGS(402)的所述上表面和下表面(409,405)分別由所述波導(dǎo)層和亞波長周期性光柵層(404a，406b)的最上的層和最下的層限定，對于處于所述峰值反射頻率附近的反射帶內(nèi)的入射輻射，具有垂直延伸模分布(420)的橫向傳播模被沿著所述至少一個波導(dǎo)層引導(dǎo)，其中所述WGS(402)的所述上表面和下表面(409,405)分開的距離小于所述橫向傳播模分布的垂直范圍，并且其中所述上包覆層和下包覆層(408,410)中每個的厚度都大于處于所述峰值反射頻率的所述入射輻射的所述自由空間波長的平方除以所述波導(dǎo)層的所述累積厚度。
6. —種方法，包括使光學(xué)裝置(100)定位在入射電磁輻射(IN)的路徑中，該光學(xué)裝置包括水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(WGS) (102)，所述水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(WGS) (102)具有至少一個波導(dǎo)層(104)和至少一個亞波長周期性光柵層(106)，該光學(xué)裝置還具有上包覆層和下包覆層(108，110)，所述上包覆層和下包覆層(108,110)與所述WGS(102)的相應(yīng)的上表面和下表面(209,205)直接鄰接并且具有比所述波導(dǎo)層中最低折射率波導(dǎo)層低的折射率，其中該入射輻射以大致向下的方向穿過該上包覆層(108)朝著所述WGS傳播；以及接收從所述WGS被向上反射(REFL)穿過該上包覆層的輻射和向下傳播(TRANS)穿過所述WGS和該下包覆層的輻射之一 ；其中所述WGS(102)被配置為對處于峰值反射頻率的入射輻射進(jìn)行峰值向上反射；以及其中所述波導(dǎo)層(104)的累積厚度小于處于該峰值反射頻率的該入射輻射的自由空間波長除以所述波導(dǎo)層的平均折射率的結(jié)果的十分之一。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，所述WGS(502)包括折射率動態(tài)可調(diào)節(jié)的材料使得所述峰值反射頻率相應(yīng)地動態(tài)可調(diào)節(jié)，該方法還包括將外部調(diào)制信號施加到所述折射率動態(tài)可調(diào)節(jié)的材料以調(diào)制所述入射輻射。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述折射率動態(tài)可調(diào)節(jié)的材料是折射率可光學(xué)調(diào)節(jié)的材料，并且其中所述施加外部調(diào)制信號包括將光學(xué)調(diào)制束(CTL)施加到所述折射率可光學(xué)調(diào)節(jié)的材料。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一所述的方法，所述上包覆層和下包覆層(108,110)中每個的厚度都大于處于所述峰值反射頻率的所述入射輻射的自由空間波長的平方除以所述波導(dǎo)層(104)的累積厚度，所述WGS(102)表現(xiàn)出包括所述峰值反射頻率的反射帶，由此處于所述反射帶以外的任何頻率的入射輻射基本上不衰減地穿過所述WGS。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一所述的方法，其中所述上包覆層和下包覆層(708,710)中每個都包括空氣，其中該至少一個波導(dǎo)層(704)由單個鈮酸鋰波導(dǎo)層組成，并且其中所述亞波長周期性光柵層(706)與所述單個鈮酸鋰波導(dǎo)層一體化并且由被圖案化在其中的氣孔(707)形成。
全文摘要
說明了一種包括波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(102)的光學(xué)器件(100)。根據(jù)一個實(shí)施例，提供的光學(xué)器件(100)包括水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(102)，所述水平波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(102)具有至少一個波導(dǎo)層(104)和至少一個亞波長周期性光柵層(106)。該光學(xué)器件(100)還包括上和下包覆層(108，110)，所述上和下包覆層(108，110)與該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的相應(yīng)上和下表面(209，205)直接鄰接并且具有比所述波導(dǎo)層中最低折射率波導(dǎo)層低的折射率，其中入射輻射(IN)穿過所述上和下包覆層(108，110)之一朝著該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)傳播。該波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)(102)被配置為對處于峰值反射頻率的該入射輻射進(jìn)行峰值反射。所述波導(dǎo)層(104)的累積厚度小于處于峰值反射頻率的入射輻射的自由空間波長除以所述波導(dǎo)層的平均折射率的結(jié)果的十分之一。
文檔編號G02B6/34GK101743495SQ200880024854
公開日2010年6月16日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月16日
發(fā)明者C·桑托里, D·法塔爾, N·J·奎托里亞諾, R·N·比克內(nèi)爾, R·S·威廉斯, S·-Y·王, W·吳 申請人:惠普開發(fā)有限公司