本發(fā)明涉及光電集成芯片、具有這種芯片的光學(xué)元件和用于生產(chǎn)這種芯片的方法。將術(shù)語“光電集成芯片”理解為具有基板和位于(如生長在或者沉積在)所述基板上的材料層的集成芯片，并且在該集成芯片中，一個或者多個光電部件(如波導(dǎo)、耦合器等)集成在材料層中的一個或者多個材料層中。

背景技術(shù)：

當(dāng)開發(fā)光學(xué)部件時，特別是當(dāng)開發(fā)集成光學(xué)部件時，常常出現(xiàn)必須將光從一個部件傳輸至另一個部件的問題，例如，把光從激光器傳輸?shù)叫酒系牟▽?dǎo)或者把光從芯片傳輸?shù)嚼w維。在這種情況下，一方面，基本上能夠?qū)⑦@兩個部件相鄰放置并且把光水平地耦合在波導(dǎo)的平面中，也稱為對接耦合。另一方面，可以把部件彼此重疊放置，以便相對于波導(dǎo)的平面垂直地或者幾乎垂直地傳輸光。在后一種變型中，通常經(jīng)由光柵耦合器使相對于表面法線以較小的角度射到波導(dǎo)的光偏轉(zhuǎn)到波導(dǎo)中，并且在波導(dǎo)中對光進(jìn)行進(jìn)一步引導(dǎo)。

當(dāng)把非常發(fā)散或者會聚的輻射垂直地耦合在波導(dǎo)中時，當(dāng)前方法會造成巨大的損失，因為常用的光柵耦合器只有有限的接受角。在將波導(dǎo)外的光耦合到其它光學(xué)部件中時這些其它光學(xué)部件也具有接受角，這些其它光學(xué)部件例如為纖維(例如，玻璃纖維或者聚合物纖維)。從接受角外入射的輻射部分不被耦合到波導(dǎo)或者纖維中，例如，損失了這些部分。這些損失越大，入射光越發(fā)散或者越會聚。由于光束的發(fā)散性，如果目標(biāo)耦合元件的孔徑不足，則耦合損失可能會隨著耦合元件之間的距離的增大而增加。技術(shù)術(shù)語中還被稱為元件的“后段制程”的光學(xué)元件的上部材料層具有5個金屬層，例如，其厚度約為20μm。在發(fā)散光束傳播通過該距離期間，其光束直徑顯著增加。

在光源非常發(fā)散或者會聚的情況下，現(xiàn)在通常將纖維插入在光源與波導(dǎo)的光柵耦合器之間。首先，將光耦合到纖維中，并且在另一個纖維端處耦合到纖維外，并且經(jīng)由光柵耦合器耦合到波導(dǎo)中。這與較好的制造工作、附加部件和在纖維的出入口處的耦合損失相關(guān)聯(lián)[1]。

另一種方法是使用例如透鏡的微光學(xué)器件，以作為單獨的部件，將該單獨的部件緊固在光柵耦合器上方的元件(在集成元件的情況下，在下面的技術(shù)術(shù)語中還簡稱為“芯片”)上并且旨在對垂直入射的光進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦。這種方法還需要大量的制造工作和附加部件(例如，注塑成型或者玻璃微透鏡)、制造步驟和相關(guān)容差、以及較差的可擴展性[2]。

另一種方法是使用蝕刻到激光器的出射面中的透鏡，以便在出射光從激光器出射之前對其進(jìn)行準(zhǔn)直或者聚焦[3]。

從出版物“A polarization-diversity wavelength duplexer circuit in silicon-on-insulator photonic wires”(Wim Bogaerts,Dirk Taillaert,Pieter Dumon,Dries Van Thourhout,Roel Baets；February 19,2007/Vol.15,no.4/OPTICS EXPRESS 1567)中可以了解具有根據(jù)專利權(quán)利要求1的前序部分的特征的光電集成芯片。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

從最后提到的現(xiàn)有技術(shù)開始，本發(fā)明是基于容易地改進(jìn)可以在芯片中實現(xiàn)的耦合效率的目的。

根據(jù)本發(fā)明，通過具有根據(jù)專利權(quán)利要求1的特征的光電集成芯片來實現(xiàn)這個目的。在從屬權(quán)利要求中陳述了根據(jù)本發(fā)明的芯片的有利配置。

據(jù)此，本發(fā)明提供了一種光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)，該光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)待集成在光柵耦合器上方或下方的芯片的材料層中，或者集成在光柵耦合器上方或下方的多個材料層中，或者集成在基板的后側(cè)，該衍射和折射結(jié)構(gòu)在輻射被耦合入波導(dǎo)中之前或者輻射被耦合出波導(dǎo)外之后，執(zhí)行該輻射的光束整形。

由于根據(jù)本發(fā)明提供的衍射和折射結(jié)構(gòu)，可以將入射光的波前轉(zhuǎn)換成出射光的任何期望的波前。如果根據(jù)離散透鏡或者Fresnel透鏡的原理來實施衍射和折射結(jié)構(gòu)，則本發(fā)明能夠，例如，對入射光進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦。這能夠，例如，將入射光的光束發(fā)散性降低到如下程度：整個光束在光柵耦合器的接受角度內(nèi)傳播并且可以在損失極低的情況下耦合到波導(dǎo)中。另外，衍射和折射結(jié)構(gòu)還意味著入射光的直徑適用于光柵耦合器的孔徑，從而使不射到光柵耦合器的光束部分造成的損失最小化。在這種情況下，入射光可以來自，例如，纖維(例如，玻璃纖維或者聚合物纖維)、另一光電集成芯片、以及直接來自于激光器(例如，HCSEL、VCSEL)。此外，能夠經(jīng)由衍射和折射結(jié)構(gòu)將在芯片的上部材料層(所謂的“后段制程”)外的光耦合到第二光學(xué)部件中，第二光學(xué)部件例如為纖維、另一光電集成芯片、光電探測器或者微光學(xué)器件。為此，可以適配衍射和折射結(jié)構(gòu)，使得實現(xiàn)出射光的光束發(fā)散，從而將其最高效地耦合到目標(biāo)部件中。

另一較大的優(yōu)點是制造公差極低，因此，與使用單獨部件的常規(guī)方法相比，衍射和折射結(jié)構(gòu)相對于光柵耦合器的對準(zhǔn)精確。原因是，例如，通過使用光刻生產(chǎn)方法來生產(chǎn)衍射和折射結(jié)構(gòu)，由于使用了光刻對準(zhǔn)方法而不是對單個部件進(jìn)行機械定位和粘接，所以精確度和定位精度非常高?？梢允褂媒^緣體上硅(SOI)基板，例如，作為用于生產(chǎn)光電集成芯片的材料系統(tǒng)。

在根據(jù)本發(fā)明的芯片中，有利的是不需要任何分開的具有關(guān)聯(lián)封裝能力的部件。另外，可以將待耦合的部件彼此靠近地放置，從而能夠降低散射損失并且減少耦合結(jié)構(gòu)的孔徑。集成式生成實現(xiàn)了相當(dāng)良好的可擴展性，例如，當(dāng)生產(chǎn)光電集成芯片上的多個耦合器時。在這種情況下，不再需要重復(fù)地對附加的單個部件進(jìn)行定位和粘合。

如果光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)形成透鏡、分束器或者偏振分離器，則將被視為特別有利。

優(yōu)選地在光柵耦合器上方或下方的芯片的一個或者多個材料層中以臺階形成光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)，或者光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)至少還包括這種臺階。

波導(dǎo)優(yōu)選的是脊形波導(dǎo)，該脊形波導(dǎo)包括在芯片的波導(dǎo)材料層中形成的脊。在這種配置中，將光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)優(yōu)選地集成在脊上方或下方的芯片的一個或者多個層中。

芯片的基板優(yōu)選的是半導(dǎo)體材料，例如硅。

芯片特別優(yōu)選地基于絕緣體上硅(SOI)材料。在這種材料系統(tǒng)的情況下，如果脊形波導(dǎo)形成在SOI材料的硅覆蓋層中，并且光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)集成在該硅覆蓋層上方的芯片的一個或者多個層中，則將被視為有利。

光柵耦合器可以是一維或者二維光柵耦合器。光柵耦合器優(yōu)選的是Bragg光柵或者還優(yōu)選地至少包括這種Bragg光柵。

衍射和折射結(jié)構(gòu)優(yōu)選的是二維的并且優(yōu)選地處于與波導(dǎo)材料層平行的平面中。

對于最佳耦合效率，如果衍射和折射結(jié)構(gòu)在兩個維度上與位置相關(guān)，具體地是沿著所述波導(dǎo)的縱向的維度與位置相關(guān)，以及沿著與該維度垂直的維度即垂直于所述波導(dǎo)的縱向的維度與位置相關(guān)，這被視為特別有利。

衍射和折射結(jié)構(gòu)優(yōu)選地形成二維Fresnel透鏡。

波導(dǎo)優(yōu)選的是具有脊的SOI脊形波導(dǎo)，該脊形成在二氧化硅層上的SOI材料的波導(dǎo)硅層中，并且該脊的縱向沿著在該SOI脊形波導(dǎo)中引導(dǎo)的輻射的傳播方向延伸。

對于最佳耦合效率，如果衍射和折射結(jié)構(gòu)是二維的并且處于與波導(dǎo)硅層平行的平面中，其中衍射和折射結(jié)構(gòu)在兩個維度上與位置相關(guān)，具體地是沿著所述SOI波導(dǎo)的脊的縱向的維度與位置相關(guān)，以及沿著與該維度垂直的維度即垂直于所述SOI波導(dǎo)的脊的縱向的維度與位置相關(guān)，這被視為特別有利。

網(wǎng)優(yōu)選地位于脊的旁邊，該網(wǎng)的層高低于脊的層高。

可替代的但同樣優(yōu)選的，配置提供了已經(jīng)從脊的旁邊移除了至少部分波導(dǎo)硅層。

本發(fā)明還涉及具有光電集成芯片的光學(xué)元件。

這種元件優(yōu)選地包括纖維，該纖維的纖維端在光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)的背離光柵耦合器的一側(cè)耦合至光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)，該纖維的縱向在纖維端所在的區(qū)域中與芯片的波導(dǎo)層幾乎垂直地定向。在這種情況下，將術(shù)語“幾乎垂直”理解為角度范圍在70°與90°之間。

可替代地或者另外地，光學(xué)元件可以包括輻射發(fā)射器，該輻射發(fā)射器在光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)的背離光柵耦合器的一側(cè)耦合至光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)，該輻射發(fā)射器的輻射方向與芯片的波導(dǎo)層幾乎垂直地定向。

可替代地或者另外地，光學(xué)元件可以包括輻射檢測器，該輻射檢測器在光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)的背離光柵耦合器的一側(cè)耦合至光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)，該輻射檢測器的主動接收表面與芯片的波導(dǎo)層平行地定向。

本發(fā)明還涉及一種用于生產(chǎn)光電集成芯片的方法，該光電集成芯片包括基板和涂覆在該基板的上側(cè)的多個材料層，其中，在該方法中：將光波導(dǎo)集成在芯片的一個或者多個波導(dǎo)材料層中，以及將光柵耦合器形成在該光波導(dǎo)中，并且該光柵耦合器在波導(dǎo)材料層的出層平面方向上引起在波導(dǎo)中引導(dǎo)的輻射的光束偏轉(zhuǎn)，或者在波導(dǎo)材料層的入層平面方向上使輻射的光束偏轉(zhuǎn)以耦合到波導(dǎo)中。

針對這種方法，本發(fā)明提供了一種光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)，該光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)將集成在波導(dǎo)上方或下方的材料層中，或者集成在波導(dǎo)上方或下方的芯片的多個材料層中，或者集成在基板的后側(cè)，該衍射和折射結(jié)構(gòu)在輻射被耦合入光柵耦合器中之前或者輻射被耦合出光柵耦合器外之后，執(zhí)行該輻射的光束整形。

針對根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點，結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的芯片對上文的陳述進(jìn)行了參考。

如果將透鏡、分束器或者偏振分離器生產(chǎn)為光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)，則這是有利的。

優(yōu)選地通過在光柵耦合器上方或者下方的芯片的一個或者多個材料層中蝕刻臺階來執(zhí)行光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，或者光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)優(yōu)選地還至少包括蝕刻臺階。

為了能夠利用最佳定位執(zhí)行蝕刻步驟，優(yōu)選地先執(zhí)行用于涂覆一個或者多個蝕刻掩模的一個或者多個光刻步驟。

根據(jù)對衍射和折射結(jié)構(gòu)的耦合效率的要求，可以將蝕刻臺階的數(shù)量以及由此的漸變深度的臺階的數(shù)量保持得較低，因此可以將生產(chǎn)成本維持得較低。雖然只使用了單個蝕刻臺階，但卻能夠?qū)嵤┻€被稱為相位板的二元衍射和折射結(jié)構(gòu)，然而，該相位板以相同的孔徑實現(xiàn)了比具有多個臺階的衍射和折射結(jié)構(gòu)的耦合效率略低的耦合效率。然而，利用二元結(jié)構(gòu)，如果可以在芯片上實現(xiàn)充足的孔徑，則也可以容易地實現(xiàn)充足的耦合效率。

為了實現(xiàn)入射波前的任何期望的轉(zhuǎn)換，可以在基板的平面的兩個空間方向上，彼此獨立地制成所產(chǎn)生的光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)的各自的臺階。

適當(dāng)?shù)剡x擇蝕刻臺階的空間分布能夠?qū)⑷肷涔馐诳臻g上分成可以進(jìn)一步彼此獨立地被引導(dǎo)的各自分開的部分光束。還可以通過使用分開的部分光束的不同偏振方向來實現(xiàn)這種分離。

附圖說明

在下文中通過使用示例性實施例來更詳細(xì)地解釋本發(fā)明；在這種情況下，其中：

圖1示出了配備有衍射和折射結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件的示例性實施例；

圖2示出了光電集成芯片的示例性實施例，在該光電集成芯片中，衍射和折射結(jié)構(gòu)形成Fresnel透鏡；

圖3示出了根據(jù)圖2的Fresnel透鏡的結(jié)構(gòu)的平面圖；

圖4示出了光電集成芯片的示例性實施例，在該光電集成芯片中，衍射和折射結(jié)構(gòu)具有多個臺階；

圖5示出了具有多臺階衍射和折射結(jié)構(gòu)的光電集成芯片的另一示例性實施例；

圖6示出了光學(xué)元件的示例性實施例，在該光學(xué)元件中，光電集成芯片的衍射和折射結(jié)構(gòu)具有單個臺階并且形成二維二級階梯透鏡；

圖7示出了根據(jù)圖6的二級階梯透鏡的平面圖；

圖8示出了適合于根據(jù)圖1和圖6的光學(xué)元件和根據(jù)圖2和圖4至圖5的光電集成芯片的SOI波導(dǎo)的示例性實施例，例如，具體地，該SOI波導(dǎo)基于根據(jù)圖2的光電集成芯片；以及

圖9示出了適合于根據(jù)圖1和圖6的光學(xué)元件和根據(jù)圖2和圖4至圖5的光電集成芯片的SOI波導(dǎo)的另一示例性實施例，例如，具體地，該SOI波導(dǎo)基于根據(jù)圖2的光電集成芯片。

為清楚起見，相同的附圖標(biāo)記始終用于圖中的相同或者類似的部件。

具體實施方式

圖1示出了包括光電集成芯片2或者可以僅由這種芯片形成的光學(xué)元件1的示例性實施例。在根據(jù)圖1的示例性實施例中，假設(shè)，例如，除了芯片2之外，光學(xué)元件1還具有輻射發(fā)射部件3，例如，輻射發(fā)射部件3的形式為激光器或者輻射發(fā)射器。

光電集成芯片2包括基板20，在該基板的上側(cè)21上布置有多個材料層。除了其它之外，二氧化硅層30因此位于基板20的上側(cè)21，在該二氧化硅層上又布置有波導(dǎo)硅層40。基板20、二氧化硅層30和波導(dǎo)硅層40可以由所謂的絕緣體上硅(SOI)材料來形成，可以從市場上買到預(yù)制形式的SOI材料。

脊形波導(dǎo)50設(shè)置在波導(dǎo)硅層40中，并且可以例如，通過蝕刻波導(dǎo)硅層40來形成脊形波導(dǎo)50。Bragg光柵形式的光柵耦合器60連接至脊形波導(dǎo)50，并且同樣優(yōu)選地已經(jīng)通過蝕刻波導(dǎo)硅層40而產(chǎn)生該光柵耦合器60。

在根據(jù)圖1的示例性實施例中，另一些材料層，例如，以中間層70和上覆蓋層80的形式，位于波導(dǎo)硅層40上。

圖1中未詳細(xì)示出的衍射和折射結(jié)構(gòu)100被集成在覆蓋層80中。優(yōu)選地，通過一個或者多個光刻步驟并且通過一個或者多個蝕刻步驟來生產(chǎn)該衍射和折射結(jié)構(gòu)100。在下文中進(jìn)一步更詳細(xì)地解釋了其示例性實施例。

可以如下操作根據(jù)圖1的光學(xué)元件1，例如：

輻射發(fā)射部件3產(chǎn)生發(fā)散光束Pe，該發(fā)散光束Pe的彎曲波前200的發(fā)散度為α。發(fā)散光束Pe射到衍射和折射結(jié)構(gòu)100，在根據(jù)圖1的示例性實施例中，該衍射和折射結(jié)構(gòu)布置在覆蓋層80中，并且因此，布置在光電集成芯片2的所謂“后段制程(backend of line)”區(qū)域中。

衍射和折射結(jié)構(gòu)100將發(fā)散光束Pe的入射波前200轉(zhuǎn)換成平面波前201，平面波前201然后射到光柵耦合器60并且經(jīng)由所述耦合器耦合到脊形波導(dǎo)50中。通過使用在圖1中的附圖標(biāo)記Pa來標(biāo)識在脊形波導(dǎo)50中引導(dǎo)的光。

總之，在根據(jù)圖1的示例性實施例中的衍射和折射結(jié)構(gòu)100用于執(zhí)行光束整形并且用于將彎曲波前200轉(zhuǎn)換成平面波前201，從而提高在將光耦合到光柵耦合器60或者脊形波導(dǎo)50中時的效率。

圖2更詳細(xì)地示出了可以在根據(jù)圖1的元件1的光電集成芯片2中使用的衍射和折射結(jié)構(gòu)100的示例性實施例?？梢钥闯?，在根據(jù)圖2的示例性實施例中的衍射和折射結(jié)構(gòu)100由包括蝕刻部分101和未蝕刻部分102的單步階梯剖面形成。按照衍射和折射結(jié)構(gòu)100形成Fresnel透鏡300的方式來選擇蝕刻部分101和未蝕刻部分102的布置。

在圖3的平面圖中更詳細(xì)地示出了由衍射和折射結(jié)構(gòu)100的蝕刻部分101和未蝕刻部分102形成的Fresnel透鏡300。

圖4示出了可以在根據(jù)圖1的光學(xué)元件1的光電集成芯片2中使用的衍射和折射結(jié)構(gòu)100的另一示例性實施例。衍射和折射機構(gòu)100由三步階梯剖面形成，該三步階梯剖面已經(jīng)通過光刻和蝕刻步驟形成在芯片2的上或者最上覆蓋層80中。選擇臺階的臺階高度和臺階布置，使得分散光束Pe的光束整形對于盡可能是平面的波前201和針對光柵耦合器60和脊形波導(dǎo)50的最佳耦合效率而言，可以是有利的。

圖5示出了可以在根據(jù)圖1的光學(xué)元件1的光電集成芯片2中使用的衍射和折射結(jié)構(gòu)100的另一示例性實施例。

在根據(jù)圖5的示例性實施例中，已經(jīng)通過多個光刻和蝕刻步驟在光電集成芯片2的上覆蓋層80中產(chǎn)生了多步透鏡剖面，例如，該透鏡剖面可以包括十三個臺階。按照如下方式來選擇透鏡的階梯剖面或者外表面：耦合效率在光柵耦合器60的方向上和在脊形波導(dǎo)50的方向上可以是最佳的。

圖6示出了配備有光電集成芯片2的光學(xué)元件1的另一示例性實施例。除了光電集成芯片2之外，光學(xué)元件1還包括輻射接收部件4，該輻射接收元件4可以例如是輻射檢測器。

光電集成芯片2具有基板20、埋入式二氧化硅層30、波導(dǎo)硅層40、中間層70以及設(shè)置有衍射和折射結(jié)構(gòu)100a的上覆蓋層80。優(yōu)選通過蝕刻，將脊形波導(dǎo)50和光柵耦合器60集成在波導(dǎo)硅層40中。

在覆蓋層80中的衍射和折射結(jié)構(gòu)100a是由包括蝕刻部分101和未蝕刻部分102的單步階梯剖面或者二元步進(jìn)濾波器形成的。

可以如下操作根據(jù)圖6的光學(xué)元件1，例如：

在脊形波導(dǎo)50中引導(dǎo)的光束Pe到達(dá)光柵耦合器60，該光柵耦合器60耦合輸出該光束Pe并且使該光束在輻射接收部件4的方向上偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)的光束優(yōu)選地具有平面波前201。

平面波前201到達(dá)衍射和折射結(jié)構(gòu)100a，該衍射和折射結(jié)構(gòu)100實行光束整形并且將先前的平面波前201轉(zhuǎn)化成分散度為β的會聚波前203。通過使用圖6中的附圖標(biāo)記Pa來標(biāo)識產(chǎn)生的會聚光束。

例如在圖7中更詳細(xì)地圖示了可在根據(jù)圖6的光電集成芯片2中使用的衍射和折射結(jié)構(gòu)100a的示例性實施例。圖7示出了可以通過僅使用一個蝕刻步驟而產(chǎn)生并且具有蝕刻部分101和未蝕刻部分102的衍射和折射結(jié)構(gòu)100a。該衍射和折射結(jié)構(gòu)100a形成二級階梯(binary stepped)透鏡400。

圖8示出了適合于根據(jù)圖1和圖6的光學(xué)元件和根據(jù)圖2和圖4至圖5的光電集成芯片的、以SOI脊形波導(dǎo)為形式的SOI波導(dǎo)的示例性實施例的橫截面，例如，具體地，該SOI波導(dǎo)基于根據(jù)圖2的光電集成芯片。

在圖8中可以看到基板20，在該基板的上側(cè)21上布置有多個材料層。除了其它之外，二氧化硅層30位于基板20的上側(cè)21上，在該二氧化硅層上又布置有波導(dǎo)硅層40。由絕緣體上硅(SOI)材料形成基板20、二氧化硅層30和波導(dǎo)硅層40。

脊形波導(dǎo)50設(shè)置在波導(dǎo)硅層40中；通過使用圖8中的附圖標(biāo)記B來標(biāo)識脊51的脊寬。網(wǎng)52和53位于脊51旁邊，并且其網(wǎng)高或者層高低于脊51的網(wǎng)高或者層高。根據(jù)圖2的光束Pa的傳播方向與圖8中的圖像平面垂直，并且可以指到圖像平面外或者指向圖像平面中；在根據(jù)圖8的示例性實施例中，假設(shè)，例如，光束Pa指向圖像平面中。

另一些材料層，例如，以中間層70和上覆蓋層80的形式，位于波導(dǎo)硅層40上。

衍射和折射結(jié)構(gòu)100集成在覆蓋層80中，并且是二維的，并且沿兩個軸執(zhí)行光束整形，即，沿著箭頭方向或者沿著根據(jù)圖2和圖8的光束Pa的傳播方向，也就是說，沿著脊形波導(dǎo)50的縱向和與該縱向垂直的方向即沿著圖8中的箭頭方向Y的方向。如已經(jīng)提到的，優(yōu)選地，通過一個或者多個光刻步驟并且通過一個或者多個蝕刻步驟來產(chǎn)生衍射和折射結(jié)構(gòu)100。

圖8還顯示了通過包括蝕刻部分101和未蝕刻部分102的單步階梯剖面沿著箭頭方向Y形成衍射和折射結(jié)構(gòu)100。

例如，按照如下方式來選擇蝕刻部分101和未蝕刻部分102的布置：衍射和折射結(jié)構(gòu)100形成二維Fresnel透鏡300或者在兩個軸上操作的Fresnel透鏡300。在圖3的平面圖中更詳細(xì)地示出了由衍射和折射結(jié)構(gòu)100的蝕刻部分101和未蝕刻部分102形成的Fresnel透鏡300。

不言而喻，如結(jié)合圖4和圖5所解釋的，衍射和折射結(jié)構(gòu)100還可以沿著箭頭方向Y具有多個臺階。

圖9示出了適合于根據(jù)圖1和圖6的光學(xué)元件和根據(jù)圖2和圖4至圖5的光電集成芯片的SOI波導(dǎo)的另一示例性實施例的橫截面，例如，具體地，該SOI波導(dǎo)基于根據(jù)圖2的光電集成芯片。

在圖9中可以看到基板20，在該基板的上側(cè)21上布置有多個材料層。除了其它之外，二氧化硅層30位于基板20的上側(cè)21上，在該二氧化硅層上又布置有波導(dǎo)硅層40。由絕緣體上硅(SOI)材料形成基板20、二氧化硅層30和波導(dǎo)硅層40。

脊形波導(dǎo)50設(shè)置在波導(dǎo)硅層40中；通過使用圖9中的附圖標(biāo)記B來標(biāo)識脊51的脊寬。已經(jīng)從脊51的旁邊的部分中完全移除了硅，例如，硅已經(jīng)被蝕刻掉，因此，在圖8中示出的網(wǎng)52和53并未出現(xiàn)。針對其它方面，上文的解釋，具體地結(jié)合圖8進(jìn)行的那些解釋，對應(yīng)適用于根據(jù)圖9的示例性實施例。

總之，在上文的示例性實施例中，把光刻產(chǎn)生的光學(xué)衍射和折射結(jié)構(gòu)100引入到光電集成芯片2的一個或多個上部材料層中，優(yōu)選引入到最上面的材料層(覆蓋層80)中，也就是說，引入到光電集成芯片的所謂“后段制程”區(qū)域中，使得對光進(jìn)行光束整形。為此，把臺階狀結(jié)構(gòu)優(yōu)選地蝕刻到最上面的材料層或者一個或者多個上材料層中。根據(jù)使用的蝕刻臺階的數(shù)量可以實現(xiàn)具有漸變深度的一個或者多個臺階的結(jié)構(gòu)，其中例如，該蝕刻臺階的數(shù)量可以受可用的曝光掩模的數(shù)量限制。通過按照目標(biāo)方式在空間上改變折射率，這些結(jié)構(gòu)整體上充當(dāng)用于特定波長范圍的折射光束和衍射光束整形元件。蝕刻區(qū)域和未蝕刻區(qū)域具有不同的折射率。因此，通過這些不同區(qū)域的光波的行進(jìn)時間和傳播方向是不同的，從而在通過衍射和折射結(jié)構(gòu)的傳播之后，入射光波的波前被變形。例如，可以使用這種效果，在光束射到芯片2的更深層中的波導(dǎo)材料層中的光柵耦合器60之前，即射到所謂的芯片的“后段制程”區(qū)域之前，對該光束進(jìn)行準(zhǔn)直或者甚至聚焦。利用衍射和折射結(jié)構(gòu)100中的若干臺階，可以近似實現(xiàn)完美透鏡的衍射和折射行為。優(yōu)選地，通過光刻曝光和蝕刻工藝以及還可以結(jié)合等離子體蝕刻工藝，或者通過離子束蝕刻，來生產(chǎn)衍射和折射結(jié)構(gòu)100。該過程通常在完整的芯片處理結(jié)束時發(fā)生。

盡管通過優(yōu)選示例性實施例更為詳盡具體地對本發(fā)明進(jìn)行了描述和圖示，但是本發(fā)明不受所公開的示例的限制，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下推導(dǎo)出其它變型。

參考文獻(xiàn)

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附圖標(biāo)記列表：

1 元件

2 芯片

3 部件

4 部件

20 基板

21 上側(cè)

30 二氧化硅層

40 硅層

50 脊形波導(dǎo)

51 脊

52 網(wǎng)

53 網(wǎng)

60 光柵耦合器

70 中間層

80 覆蓋層

100 衍射和折射結(jié)構(gòu)

100a 衍射和折射結(jié)構(gòu)

101 蝕刻部分

102 未蝕刻部分

200 彎曲波前

201 平面波前

203 會聚波前

300 Fresnel透鏡

400 二級階梯透鏡

B 脊寬

Pa 光束

Pe 光束