专利名称：基于数字平面全息的集成平面光学器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及在通过数字平面全息图互连的多个重复的标准元件(诸如激光器、放大器、检测器及快速饱和吸收器)所构成的平面集成回路中的光波或其它波的处理。更具体地，本发明涉及以数字方式处理光波的方法及以数字平面全息术的原理工作的集成平面光学器件。
背景技术：
利用光来处理和传输信息需要制造集成光学回路。众所周知，使用光的集成回路没有复制电子集成电路的成功，但是像激光器、放大器、检测器及快速饱和吸收器等大多数重要的有源非线性光学元件通常通过微光刻法被制作在平面波导中，然后被划片(dice) 并与光纤连接。这与发明电子集成电路之前的晶体管的使用非常相似。主要原因之一是互连的问题。电流容易随导体的弯曲而流动，从而有助于多个层之间的互连。而光趋于直线传播；因此，多个层之间的互连很困难。有时，有源元件在单一波导中通过脊形波导互连，但该方法因单一层中的脊形波导的交叉而受限。因此，非常需要在单一波导中互连许多光学元件。目前为止，已经尝试通过在单一衬底上互连许多光学器件而提供平面光学器件。 例如，2007年公开的美国专利申请公开第20070034730号(发明人T. Mossberg等)公开了一种多模平面波导光谱滤波器，其包括具有至少一组衍射元件的平面光波导。上述波导在一个横向维度上限制以两个其它维度在其中传播的光信号。上述波导支持多个横模。每一组衍射元件在输入和输出端口之间路由(route)光信号的一个被衍射部分，该光信号是在平面波导中传播并被衍射元件衍射的光信号。光信号的被衍射部分以多个横模的叠加的形式到达输出端口。多模光源可通过对应的输入光学端口将光信号作为多个横模的叠加而发射到平面波导中。多模输出波导可通过输出端口接收光信号的被衍射部分。多组衍射元件可在一个或多个对应的输入及输出端口之间路由光信号的对应的被衍射部分。上述器件涉及折射率调制的原理。2006年公开的美国专利申请公开第20060233493号(发明人T. Mossberg等)公开了一种全息光谱滤波器。根据一个实施例，上述发明的器件包括适合于包含经编排的平面全息光谱滤波器件的平面波导。输入及输出信号在平面全息衬底内在χ-y平面内传播。 上述平面全息衬底或平板(slab)通常由在器件的预定工作波长处足够透明的材料构成， 从而信号在传播通过上述经编排的全息器件时不会由于吸收而产生不可接受的损耗。通常的衬底材料包括二氧化硅(SiO2)、聚合物及硅，其中，二氧化硅在许多可见光及近红外光谱区中是透明的。优选地，上述平面衬底的厚度被设置为足够低的值，以保证只允许较少数量的横(ζ)模，或更具体而言，以保证所允许的横(ζ)模在通过上述经编排的全息器件时不会经历显著的模式色散。2007年公开的美国专利申请公开第20070053635号(发明人D. Iazikov等) 公开了一种通过计算模拟的光信号之间的干涉而设计的、并通过缩版光刻(reductionlithography)制造而成的透射光栅。更具体而言，上述方法包括如下步骤计算模拟设计输入光信号和模拟设计输出光信号之间的干涉图案；基于计算出的干涉图案，计算性地推导出至少一组衍射元件的布置。所述干涉图案在透射光栅区域中被计算，其中输入和输出光信号都作为基本不受限制的光束传播通过透射光栅区域。所述一组衍射元件的布置被计算性地推导，从而当这组如此布置的衍射元件被形成在透射光栅中或透射光栅上时，每组衍射元件在对应的输入和输出光学端口之间路由输入光信号的一个对应的被衍射部分，该信号是入射到透射光栅上并被其透射的信号。上述方法还可包括根据推导出的布置，在透射光栅内或其上形成一组衍射元件。2006年公开的美国专利申请公开第20060U6992号(发明人T. Hashimoto等) 公开了一种包括输入端口和输出端口的波传输介质。第一及第二场分布通过数值计算而获得。第一场分布是入射到输入端口中的前向传播光的分布。第二场分布是在光信号入射到输入端口中时从输出端口发送的输出场从输出端口侧反向传输所得到的反向传播光的分布。以两个场分布为基础计算空间折射率分布，从而在介质中的个别点(X，ζ)处消除上述传播光和上述反向传播光之间的相位差。这些系统的元件也安装在平面衬底上。2004年公开的美国专利申请公开第20040036993号(发明人V. Yankov等)公开了一种平面全息复用器/解复用器，其特征在于，低的制造成本、减少的信号失真、高的波长选择性、高的光效率、减少的串扰、以及以较低制造成本与其它平面器件进行容易的集成。上述器件的平面波导包括用于分离及组合预定的(预选的)光波长的全息元件。上述全息元件包括多个全息图，其将来自入射光束的各个预定光波长反射到多个不同的焦点， 各个预定波长分别表示不同信道的中心波长。有利地，多个重叠的全息图可由多个结构形成，各个全息图分别反射代表不同信道的不同中心波长，从而提供离散的色散。在用作解复用器时，上述全息元件在空间上分离不同波长的光，而在光传播的方向反转时，上述全息元件可用作复用器，其将具有不同波长的若干个光束聚集为包含所有各个不同波长的单一光束ο但是，在上述所有现有技术的器件中，为了将输入光束转换为输出光束，发明人使用的是具有由光栅的参数和几何结构确定的已知功能性质的全息光栅。因此，输入及输出光束的位置和光学参数严格取决于光栅的几何结构，这严重限制了光学结构的设计。上述已知的平面全息器件的另一缺点是，因为每个全息图案元件只用于一个或两个信道，因此光传输信道的数量有限。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种新的集成平面光学器件，其基于数字平面全息术，并且适合用微光刻法简单制造。本发明的另一目的在于，提供一种以数字方式处理通过数字平面全息结构的光波的方法。本发明的又一目的在于，提供一种通过创建多个光学全息图案元件而形成的数字平面全息结构，所述光学全息图案元件控制光束的方向和性质， 并针对给定的输入和输出端口位置被优化，而与光栅的几何结构无关。本发明的再一目的在于，提供一种能够与大量光传输信道一起工作的平面全息器件。本发明的以数字方式处理通过数字平面全息结构的光波的方法包括在单一芯片上制作数字和模拟光处理器，该单一芯片由其中若干种标准光学元件被重复许多次的平面波导构成。根据本发明，可以有通过微光刻法在平面半导体波导中制造的并通过写在该相同波导中的无源数字平面全息图而互连的有源非线性元件，例如激光器、放大器、以及快速饱和吸收器。每个全息图可提供许多互连。该平面波导可以是单片式的；例如，其核心可由 hPGaAs之类的半导体制作而成。激光器、放大器及快速饱和吸收器之间的差异可由应用于这些元件的不同的电压、不同的几何结构、或化学组成而引起。由于半导体全息图中的光吸收会导致一定问题，可通过将电压应用到全息图或制作混合型波导来减轻该问题。即，有源元件可制作在半导体波导中，而互连全息图可写在由二氧化硅或其它透明材料制成的附着的透明波导中。全息图是记录在透明介质上的数百万个亚波长(微米的几分之一)特征的组合。 全息图可以是图像的拷贝或甚至是光学器件的拷贝。在复制光学器件之后，全息图可代替该器件被使用。直到二十世纪90年代，模拟全息图还是用传统照相材料制作的，其仅仅拷贝已有的物体。当微光刻法进展到亚微米特征时，数字全息术变为可能。借助于计算，可以确定全息条纹的位置。若已知平面结构的形状以及输入和输出光束的位置，则全息图部件坐标的定位简化为基于已知的函数fin(x，y，ω)及f。ut(x，y，ω)寻找边界条件的一部分的逆问题的求解，它们的结构、形状及位置已被计算出，它们未曾作为光学物体实际存在，而然后以实际平面物体的形式通过微光刻法再现。逆问题可定义为这样一种任务其中一个或多个模型参数的值必须从观测数据获得。特别地，本发明涉及光的数字处理，其中激光器、放大器和快速饱和吸收器的串链表现出两个或更多个有吸引力的方面。光逻辑门是可用此新技术制造的器件的一个示例。本发明的方法是利用在两个元件之间传播的入射和出射波的傅立叶分量fin(x，y， ω)和f。ut(x，y, ω)来表征器件，然后使用这些函数来计算所期望的全息图案。对于大多数应用，这是如下形式的有效折射率变化Δ η (x, y) =/ fin(x, y, co)f。ut(x，y，ω) ω所提出的发明有利地结合了在单一平面波导内制造并互连光学元件的便利性。
图1是例示出具有数字平面光学全息图案的本发明的平面结构或全息芯片的示意图。图2是用在图1的全息芯片中的激光二极管的纵向剖面图。图3是用在图1的全息芯片中的平面半导体放大器的纵向剖面图。图4是平面半导体光束接收器的纵轴方向上贯穿所述芯片的剖面图。
具体实施例方式该新的平面几何结构的想法是使光能够在数千个波长上在全息图内传播，从而大大提升处理光的可能性。数字平面全息术有利地结合了在全息图内写入具有长光路的任意全息图的可能性。最终的技术障碍是良好质量的空白平面波导。该波导必须约1微米厚、透明、并且非常均勻，以便无失真地传输光。该最终条件是最大的限制，但这主要通过光学产业制作出阵列波导光栅用作光纤通信器件而得到了解决。在由于现代微光刻法的发展使得与亚波长图案的制作相关的问题得到解决之后，数字平面全息术的成功实现只剩下一个问题，即，确定为了制造所期望的器件所要写入的图案。借助于计算，可以确定全息条纹的位置。若已知平面结构的形状以及输入和输出光束的位置，则全息图部件坐标的定位简化为基于已知的函数fin(x，y，ω)及f。ut(x，y，ω) 寻找边界条件的一部分的逆问题的求解，它们的结构、形状及位置已被计算出，它们未曾作为光学物体而实际存在，而然后以实际平面物体的形式通过微光刻法再现。本发明的方法是利用入射和出射波的傅立叶分量fin(x，y，ω)和f。ut(x，y，ω)来表征器件，然后使用这些函数来计算所期望的全息图案。虽然实际的器件是三维的，但对于许多应用而言，使用在三维上平均的二维汉密尔顿模型(Hamiltonian model)也应当是令人满意的。因为波在空白波导中自由传播，因此，能够以汉密尔顿模型的形式记录相互作用。因为非线性波散射可被忽略，从而汉密尔顿模型可被表示为波幅的二次方程，我们可假设有效折射率的变化为线性的。因此，汉密尔顿模型可写成如下形式Hint = / f (x, y, ω) Δη(χ, y)f (χ, y, ω) dω这里，f (χ，y，ω)是指定频率的总的波函数。由于积分符号下的所有三个函数都是振荡的，因此，相互作用可由谐振来确定。可以看到，为了将fin(X，y，ω)转换成f。ut(x， y，ω)，必须形成如下式所示的有效折射率的变化(任意单位)Δ η (x, y) =/ fin(x, y, co)fout(x，y，ω) ω本领域的技术人员可对本发明进行各种变化。一些变化包括针对由全息图引起的 fin(x，y，ω)和f。ut(X，y，ω)的变化而校正上述公式。为了便于制造，函数An(x，y)可以用二进制(二等级(two-level))函数代替，优选地是类似或相同元素的复合。换言之，有必要用An(X，y)的离散函数来代替连续函数Δη = An(X，y)。该过程可利用如下公式表示
权利要求
1.一种以数字方式处理通过平面结构的光波的方法，所述平面结构具有给定的函数 fin(x, y，ω)和f。ut(x，y，ω)，并且由光传播和分布层、位于所述光传播和分布层中的全息图案的多个互连图案元件、和在所述光传播和分布层上以预定图案布置的多个平面光学元件组成，所述方法包括以下步骤利用解决逆问题的方法，基于所述给定函数fin(x，1，ω)和fout(x，y, ω)来计算全息图案的所述多个互连图案元件的位置和形状，所述互连图案元件的折射率与所述光传播和分布层的折射率不同，所述方法包括以下步骤基于所述计算的结果来制造所述全息图案的所述多个互连图案元件；作为分解为傅立叶级数的结果，通过提供有限数目(“n”，“m”，“u”，“v”)的值，数字化上述连续函数
2.根据权利要求1所述的方法，其中，制造步骤是通过从微光刻法和纳米印刷法中选择的方法来实施的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，计算步骤包括为了根据所述全息图案控制传播通过所述平面结构的光束的方向和性质，改变所述平面结构的有效折射率Δη(χ，y)，以便使用与光传播和分布层的有效折射率不同的全息图案的互连图案元件的有效折射率。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，对所述平面结构的有效折射率的改变Δη(Χ，y) 通过如下公式进行Δ η (x, y) = f fln(x, y, co)fout(x，y, ω) ω其中，fin(x，y，ω)和f。ut(x，y，ω)与上面定义的相同。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述有效折射率的变化Δη(Χ，Υ)由二等级的二进制函数来近似，以简化生产。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述全息图案的互连图案元件被制作为矩形短划的形式。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述平面光学元件是从平面激光二极管、平面半导体放大器和平面半导体接收器中选择的。
8.一种具有基于数字平面全息术的全息图案的集成平面光学器件，包括半导体衬底；由所述半导体衬底支撑的下部包层；由所述半导体衬底支撑的多个平面光学元件；由所述下部包层支撑的光传播和分布层，所述光传播和分布层能够向所述平面光学元件传播光或传播来自所述平面光学元件的光；以及位于所述光传播和分布层中的全息图案的互连图案元件，所述互连图案元件根据所述全息图案控制向所述平面光学元件传播的光束以及从所述平面光学元件传播的光束的性质和方向；所述光传播和分布层具有第一折射率，所述光传播和分布层具有第二折射率，所述第一折射率与第二折射率不同以便确定所述光束的性质和方向。
9.根据权利要求8所述的集成平面光学器件，其中，所述平面光学元件是从平面激光二极管、平面半导体放大器和平面半导体接收器中选择的。
10.根据权利要求8所述的集成平面光学器件，其中，位于所述光传播和分布层中的全息图案的互连图案元件的位置和形状是利用解决逆问题的方法，基于给定的函数fin(x，y， ω)和f。ut(x，y，ω)并通过下列步骤而计算出的作为分解为傅立叶级数的结果，通过提供有限数目(“n”，“m”，“u”，“v”)的值，根据下列等式数字化上述函数禾口mv其中，kn是入射波的波矢，1^是从入射端口号U到当前点的距离，km是出射波的波矢， rv是从出射端口号ν到当前点的距离。
11.根据权利要求9所述的集成平面光学器件，其中，位于所述光传播和分布层中的全息图案的互连图案元件的位置和形状是利用解决逆问题的方法，基于给定的函数fin(x，y， ω)和f。ut(x，y，ω)并通过下列步骤而计算出的作为分解为傅立叶级数的结果，通过提供有限数目(“n”，“m”，“u”，“v”)的值，根据下列等式数字化上述函数fm(x}y^) = YiCnu exp(iknru)f(m)π,Μ禾口L· (Α少,似)ξ YiCmv exp{…lkmrv)/(ω)m.v其中，kn是入射波的波矢，1^是从入射端口号U到当前点的距离，km是出射波的波矢， rv是从出射端口号ν到当前点的距离。
12.根据权利要求8所述的集成平面光学器件，其中，全息图案的互连图案元件是通过从微光刻法和纳米印刷法中选择的方法来制造的。
13.根据权利要求10所述的集成平面光学器件，其中，全息图案的互连图案元件是通过从微光刻法和纳米印刷法中选择的方法来制造的。
14.根据权利要求11所述的集成平面光学器件，其中，全息图案的互连图案元件是通过从微光刻法和纳米印刷法中选择的方法来制造的。
15.根据权利要求14所述的集成平面光学器件，其中，所述全息图案的互连图案元件被制作为矩形短划的形式。
16.根据权利要求10所述的集成平面光学器件，其中，所述全息图案的互连图案元件被制作为矩形短划的形式。
17.根据权利要求18所述的集成平面光学器件，其中，所述全息图案的互连图案元件被制作为矩形短划的形式。
全文摘要
提供具有基于数字平面全息术的全息图案的集成平面光学器件。所述器件包括支撑多个平面光学元件和下部包层的半导体衬底。所述下部包层支撑光传播和分布层，在所述光传播和分布层中嵌入有全息图案的多个互连图案元件，所述互连图案元件用于根据所述全息图案控制向所述平面光学元件传播的光束及从所述平面光学元件传播的光束的性质和方向。这是通过提供具有特定位置、形状和折射率的图案元件来实现的，其中所述图案元件的折射率不同于包含这些元件的层的材料的折射率。描述了设计和制造所述图案的方法。
文档编号G02B5/32GK102460243SQ200980159652
公开日2012年5月16日 申请日期2009年6月2日 优先权日2009年6月2日
发明者V·扬科夫 申请人:纳米光学设备有限责任公司