光栅耦合结构的制作方法

文档序号:14685880发布日期:2018-06-14 21:51
本发明涉及用于将光耦合到光学介质中或耦合到光学介质之外的光学色散结构和类似结构。更具体地,本发明涉及设置在这些光学介质上并旨在用作光学仪器、光学传感器和光学器件中的光耦合器的衍射结构和类似结构。
背景技术
:光栅在各种光学系统中是非常重要的构建模块。光栅被用在广泛的应用光学和工业应用的领域中。由于许多照片光谱分析器件、激光器、太阳能模块和系统、光波导、滤波器、光学传感器依赖于根据光的波长对光进行高效重定向,因此大量的现代光学器件和系统实现了所有类型的光栅。衍射光栅可被用作使入射光束的角度改变、将光分成不同的光谱分量、在诸如电信多路复用器中混合不同波长的光束、或在诸如单色器或光谱仪中对光束的部分光谱进行滤波的器件。衍射光栅还越来越多地应用在安全器件和显示应用中。还能再光纤传感器中发现衍射光栅,例如以分布式布拉格光栅形式的衍射光栅。对于偏振应用以及使用等离子体与光子相互作用的应用,还可以广泛地考虑金属光栅。该领域中的很多基本文献集中在光栅的物理学、制造技术和应用上,例如:-英国牛津的培格曼出版社(PergamonPress)于1993年出版的M·博恩(M.Born)和E·沃尔夫(E.Wolf)的《PrinciplesofOptics》(光学原理))。-德国柏林的斯普林格(SpringerVerlag)与1980年出版的R·珀蒂(R.Petit)的《ElectromagneticTheoryofGratings》(光栅的电磁理论)。-M.Schnieper等人在衍射光学和微光学(DiffractiveOpticsandMicro-optics)第228-230页发表的(2002年图森举办的A.Erica光学协会的技术文摘)《Applicationandfabricationofsubwavelengthgratings》(亚波长光栅的制造和应用)。由于二十年间在对光栅结构的复制方法的研究上付出了许多努力,因而存在许多描述如何改善光栅的效率和光栅结构、如何使光栅小型化和制造光栅的文献。通过衍射效应使光重定向的标准方法在于使用周期性的微观结构,例如在玻璃表面或金属表面上制造的线状微槽。在一个多世纪以前,第一光栅是简单的槽状线条并通过需要庞大且复杂的机械设备的金刚石切割技术来实现。当今,这些微槽可通过多种技术,例如金刚石加工、蚀刻、纳米压印或沉积技术来制造,并且通过诸如多级衍射光学器件或DOE之类的现代技术可实现复杂形状的凹槽。一恒定的趋势在于,通过研发光栅的新形状、新设置,并通过使用具有特定属性(例如折射率)的特殊的材料或不同材料的组合来改善光栅以获得光栅的特殊的光学效应。为了通过光栅来提高光衍射的效率,过去已考虑了基本线状的凹槽的不对称的光栅形状,该光栅形状具有形状为锯齿形、倾斜形、双闪耀形或多阶梯形的光栅元件的横截面(即垂直于凹槽线)。光栅的形状被构建为通常针对光照射到光栅上的特定的入射角和一个优选的衍射级来优化衍射光,最常见的入射角是法线入射角,尽管可以考虑更高级衍射,例如在阶梯光栅中衍射级可以非常高,例如30或80,但该优选的衍射级通常是第一衍射级或第二衍射级。对于低级衍射效应,效率可通过制造闪耀型衍射光栅来实现,该闪耀型衍射光栅被设计为具有基本上梯形的光栅元件横截面,该光栅的倾斜表面相对于光栅的法线入射角设置,以使光在特定的预定方向上衍射。然而,所有上述的光栅在制造或复制上或者具有挑战性或者成本较高。衍射效率是一随着所用的具体的衍射级而被不断改善的参数,并且透射光、散射光或衍射光的剩余部分是系统最主要的干扰光。因此,人们不断寻求如何提高衍射效率。对特定级,例如第一衍射级的衍射效率限制的根本原因与垂直入射到对称的衍射光栅上的光被衍射时,出于对称的原因,至多50%的衍射光被分别导向到例如第一正衍射级和第一负衍射级的这一事实有关。尽管闪耀型透射光栅很大程度地提高了特定波长的衍射效率,但这在诸如显示器中处理多色光时出现了困难,这是因为降低了其他波长的衍射效率。在透射衍射光栅中,一部分光在零级被透射(这在大多数应用中是不期望的光的来源),从而降低对比度或导致传感器中的信号扰动。因此,为了提高衍射消息,需要减低零级透射光。US2005/0078374公开了一种减少光栅的零级透射光的结构,其中,光栅元件的局部金属化减少了零级光。所公开的结构使用了难以制造和再生的闪耀型光栅结构。US2005/0078374中公开的结构仍具有对除零级之外的衍射级的基本限制。更具体地,光栅可被用于将光有效地耦合至波导或窗口中。已提出了不同的诸如闪耀型光栅的光栅结构以改善光波导中的光耦合,例如在WO2010/122329中,闪耀型光栅元件被设置在波导的表面上。由于光栅元件是闪耀的,因此这些光栅难以实现,并且衍射效率仍受限于上述的根本限制。在其他用于通过光栅耦合器增强光耦合的方法中,已在光栅元件上设置有波导电介质涂层。已提出了其他方法来改善二元、非闪耀光栅的光耦合效率,例如由S.Siitonen等人于2007年3月5日在光学快报第15卷,第5期,第2008-18页发表的题为《Adouble-sidedgratingcouplerforthinwaveguides》(薄波导的双侧光栅耦合器)的文献。尽管设置在薄波导的两侧的交叉二元光栅(binarygratings)提高了波导中的光耦合效率,但由于该交叉光栅必须设置在薄波导的两侧,因而该方案的用途仍然有限,并且该方案不能应用于厚波导当然也不能用于窗口。此外,与使用设置在波导一侧的光栅相比,该方案更复杂因而成本更高。将光有效地耦合到波导中的另一方法在于设置沿波导设置的布拉格光栅,以增强波导中的耦合效率。US4737007中描述了这样的方法。尽管提出的结构改善了波导中的耦入效率,但由于该结构基于干涉效应和传导模共振,因而该结构的应用仅限于薄波导。这些方法不适于显著地增强波导或光学窗口中的耦入效率,光栅结构与通过该类光栅结构衍射的衍射光之间不存在分布的相互作用。此外,在US4737007提出的结构中的耦入效率的增强受限于窄波长带,即数个埃的波长。技术实现要素:本发明的目的在于至少部分地克服现有技术中对光学光栅耦合器的限制。更具体地,本发明涉及一种光栅耦合器,包括:-光学基底,设置为传递光束;以及-衍射光栅,设置在所述光学基底的表面上或嵌入在所述光学基底的表面中,所述衍射光栅包括基本上设置在所述衍射光栅的平面中的衍射光栅元件,所述衍射光栅元件针对自身每个横截面来限定所述平面的法线,所述法线将所述横截面分隔成两个基本对称的部分,并且所述法线进一步将所述衍射光栅元件分成第一侧(FS)和第二侧(SS),所述第一侧(FS)基本上位于具有从所述衍射光栅传递的最大强度衍射光束传播的前进方向上,所述第二侧(SS)被定向为与所述前进方向相反;所述衍射光栅元件包括不对称地设置在所述衍射光栅元件上的涂层。所述涂层的大部分被设置在所述第一侧(FS)或所述第二侧(SS),并且所述光栅耦合器还被设置为满足以下条件:(n1xsin(|α|)+n2)/λxP≥1,其中-n1为相对于所述衍射光栅元件的入射光侧的光学介质的折射率,-n2为相对于所述衍射光栅元件的衍射光侧的光学介质的折射率,-|α|为入射在所述光栅耦合器上的光束的入射角的绝对值,-λ为衍射光的波长,以及-P为所述衍射光栅元件的周期。在一个优选的实施例中,不对称的涂层是电介质涂层。所述电介质涂层的材料从针对介于0.2μm与2μm之间的波长、折射率大于1.4的材料中选择。优选地,所述电介质涂层的材料从以下材料中选择:ZnS、或TiO2、或HfO2、或Ta2O5、或ZrO2、或AlN、或Al2O3、或ZnO、或SiO2、或Si3N4、或MgF2、或CaF2、或MgO。所述电介质涂层可以是多层电介质涂层。多层的电介质涂层的设置使得能够进一步提高光栅耦合器的设计灵活性并由此提高所述光栅耦合器的耦合效率。在一个变型中,所述电介质涂层的部分可包括其上设置有金属涂层或半导体涂层或这两种涂层的组合的部分。所述电介质涂层还包括将电介质材料替换为金属涂层或半导体涂层或这两种涂层的组合的部分。电介质涂层的材料容易获得并能够以低成本在高产量的生产线上存放,例如辊-辊加工。在一个变型中,金属或半导体的不对称的涂层可被设置在电介质的不对称的涂层上。在一个变型中,不对称的涂层可以是金属涂层或半导体涂层或可以是包括金属和半导体的不对称的涂层。在另一变型中,电介质的不对称的涂层可被设置在所述金属或半导体的不对称的涂层上。在又一变型中,第一不对称的电介质的、金属的或半导体的涂层可被设置在衍射光栅元件的第一侧(FS)上,包括不同于所述第一不对称涂层的材料的第二不对称的涂层可被设置在衍射光栅元件的第二侧(SS)上。根据本发明,已被本申请的发明人在理论上和实验上识别并证明的是,当在光栅耦合器的对称的衍射光栅元件上设置不对称的电介质涂层时,以垂直入射耦入或耦出波导或窗口的光的第一衍射级或第二衍射级能够获得高于50%的耦合效率。过去已公认的是,对于具有在光栅的法线周围对称的立体角分布的光束以垂直入射时,对称的衍射光栅可将至多50%的光耦合到正的或负的第一衍射级,或正的或负的第二衍射级,这是因为总是存在第一衍射级和第二衍射级,基本上相同强度的光被耦合到具有相反符号的第一衍射级和第二衍射级。因此,在特定的正的或负的衍射级的耦合效率决不会大于50%。在一个实施例中,其上设置有光栅耦合器的光学基底为波导,并被设置为在波导中引导通过光栅耦合器耦合的耦入光束。在另一实施例中,其上设置有光栅耦合器的光学基底还可以是光学窗口,“窗口”指的是任意类型的透明的光学材料,该光学材料的厚度基本上大于耦入或耦出所述窗口的耦合光的波长。设置在窗口上的光栅耦合器被设置为通过光栅耦合器使窗口中的耦入光束传递通过所述窗口。所述光栅耦合器可被设置在所述光学基底的表面上,但还可以被设置在光学基底内。所述光栅耦合器可被基本上设置为靠近所述光学基底的表面,但还可以嵌入在光学基底内。所述光栅耦合器可被设置到与入射光侧相对的光学窗口侧。所述光栅耦合器可被设置为输入耦合器或输出耦合器。根据单词“输出耦合器”或等效地“耦出器”的定义,其用在当所述输出耦合器上的入射光从光密介质传输到光疏介质时。单词“输入耦合器”或等效地“耦入器”用在所有其他情况下。此外,输入耦合器可以是反射式光栅耦合器,其中,在所述输入耦合器上的入射光被基本上反射和衍射到正的衍射级之一或负的衍射级之一上。光学波导或窗口基底的光学基底材料为一材料,该材料对介于200nm和10μm之间的波长、优选地介于350nm和3μm之间的波长是透明的。在一个优选的实施例中,光栅耦合器包括光栅元件,该光栅元件基本上是细长的、在从衍射光栅元件传递的光栅的前进方向上周期性地分布的元件,并且其中,该光栅元件为二元光栅元件。这些二元光栅元件易于制造和复制,从而使得能够通过在二元光栅元件上设置不对称的涂层来以低成本实现具有类似于闪耀的光栅耦合器的效率的光栅耦合器。根据不同的实施例中,光栅耦合器可包括衍射光栅元件,该衍射光栅元件具有基本上为矩形、三角形、正弦形、圆形、梯形、阶梯形或半圆形的横截面,所述横截面在传播光束的方向上限定。采用不同形状的横截面的可能性允许光栅耦合器的更大的设计灵活性,并由此在根据波长、衍射级和特定光学应用的几何形状适配所需的耦合效率上允许更大的灵活性。光栅耦合器可包括至少两个具有不同形状的横截面的衍射光栅元件的部分。在一个实施例中,光栅耦合器的衍射光栅元件被设置为衍射光栅元件的2维阵列,所述2维阵列被设置在所述衍射光栅的平面上。光栅耦合器可同时具有折射和衍射特性。结合光栅耦合器的折射特性和衍射特性使得能够对使用光栅耦合器的光学器件设计更多的功能。例如,光栅耦合器可被设置在弯曲的表面上,从而允许使用这样的光栅耦合器的光学系统的更广泛的设计灵活性。光栅耦合器包括衍射光栅元件,其中,该衍射光栅元件的周期大约为所述光栅元件上的入射光束的波长,所述衍射光栅元件被设置为基本上仅使得光的特定的衍射级能够与所述衍射光栅元件相互作用。光栅耦合器的衍射光栅元件可以是亚波长结构。在一个优选的实施例中,优化光栅耦合器的耦合效率所针对的特定的衍射级时第一负衍射级或第一正衍射级。这使得能够将光栅耦合器设置在需要合理地大角度下的高度有效的色散效应的各种光学器件中。在另一优选的实施例中,优化光栅耦合器的耦合效率所针对的特定的衍射级时第二负衍射级或第二正衍射级。这使得能够在大多数光学器件所需的典型的设置中使用该光栅耦合器,与能够耦入第一正衍射级或第一负衍射级的耦合所获得的角度相比,大多数光学器件需要在更大的角度下的良好有效的色散效应。光栅耦合器可针对第一正衍射级或第一负衍射级或第二正衍射级或第二负衍射级进行优化。光栅耦合器还可被设计为耦入更高级的衍射级,这在例如需要特定光学配置的光学器件的情况下是有利的,在该特定的光学配置中,耦入光或耦出光需要大的角度。本发明还涉及光耦合系统,包括:-光学基底,用来传递光束;-如上所述的光栅耦合器(1),所述光栅耦合器被设置在所述光学基底上以将所述光栅耦合器上的入射光束耦入所述光学基底中,-根据本发明的光栅耦合器被设置在所述光学基底上以将所述光栅耦合器上的入射光束耦出到所述光学基底之外。光耦合系统的光学基底可以是波导或窗口。本发明还涉及一种用于对通过上述光栅耦合器的耦合光的耦合效率进行优化的方法,至少包括以下步骤:-选择基底、衍射光栅和衍射光栅元件的几何形状、尺寸和材料;-确定在所述衍射光栅上的入射光束的入射角和入射光束的立体角强度分布;-确定在光栅耦合器上的入射光束的波长范围和强度分布;-确定入射在所述光栅耦合器上的衍射光所需的衍射级和角度;-确定所述衍射光栅元件的周期;-确定不对称的涂层的材料;-选择针对所述不对称的涂层的一组参数的原始值,所述参数包括通过待沉积在衍射光栅元件上的材料的主蒸发角推导出的覆盖分布和设置在所述衍射光栅元件上的所述涂层的厚度;-通过使用迭代算法进行光耦合模拟步骤,以确定优化的该参数,所述模拟步骤被执行为使所述衍射光栅上的、与穿过所述衍射光栅的或反射离开所述衍射光栅的入射光束的透射效率最大,所述步骤针对由所述衍射光栅衍射的光束的第一衍射级或第二衍射级执行。本发明进一步涉及一种用于以大于50%的衍射效率使以任意入射角入射在衍射元件上的光束在可见波长范围内衍射到正的或负的衍射级之一的方法,所述衍射由本发明的光栅耦合器执行,如上所述,该光栅耦合器被设置在第一光学介质与第二光学介质之间。所述第一光学介质和第二光学介质可以是同一光学介质。所述第一光学介质的折射率还可以小于所述第二光学介质的折射率。在这种情况下,该方法使得入射光束在由所述光栅耦合器衍射进所述第二光学介质之前能够在所述第一光学介质中传播。在该实施例中,该光栅耦合器被用作耦入器,也称为输入耦合器。在另一实施例中,该方法使得入射光束在由所述光栅耦合器衍射进所述第一光学介质之前能够在所述第二光学介质中传播。该方法的这个实施例允许将光栅耦合器用作耦出器,也称为输出耦合器。所述第一光学介质和所述第二光学介质可以具有相同的折射率,或可以是相同的材料。在这种情况下,该方法允许光束在所述光学介质中传播并通过与光栅耦合器相交将入射在所述光栅耦合器上的光束衍射进所述光学介质。在该实施例中,该方法使得能够改变在光学介质内或光学基底内传播的光的方向,该光学基底具有至少具有相同折射率的第一光学介质和第二光学介质。该方法的这个实施例有利于改变光学介质内的传播光的方向。当第一光学介质和第二光学介质具有相同的折射率或是相同的材料,该方法允许通过光栅耦合器上的反射衍射改变在光学介质中的传播光束的方向。该方法的这个实施例有利于改变在光学介质内的传播光束的方向,使得传播光束在通过衍射耦合器的反射衍射后在光学介质中被传播到与光栅耦合器的入射光侧相同的一侧。最后,本发明涉及如本发明中所述的光栅耦合器的使用。附图说明在查看以下详细的说明和附图之后,对于本领域的普通技术人员而言,本发明的上述目的和优点将变得更加明显,在附图中:-图1a示出了包括衍射光栅元件的光栅耦合器的横截面,在衍射光栅元件上设置有不对称的涂层;-图1b示出了其上设置有不对称涂层的衍射光栅元件的第一侧和第二侧,以及该衍射光栅元件的参考平面A和对于该参考平面A的法线B;-图1c示出了图1a中、包括不对称涂层的衍射光栅元件的横截面的几何参数;-图1d示出了其上设置有不对称涂层的光栅耦合器,该不对称涂层包括不同的涂层部分;-图1e示出了其上设置有不对称涂层的另一光栅耦合器,该不对称涂层包括不同的涂层部分;-图1f示出了另一光栅耦合器,该光栅耦合器的衍射光栅元件的第一侧和第二侧中的每一侧都包括不对称的涂层;-图2a示出了垂直入射到包括不对称涂层的光栅耦合器上的光束,以及由该光栅耦合器获得的、耦入波导或窗口内的零透射级和第一透射级的耦入强度;-图2b示出了在窗口或波导中传播的且垂直入射到包括不对称涂层的光栅耦合器上的光束,并显示了由该光栅耦合器获得的零反射级、第一正反射级和第一负反射级的耦入强度;-图3a示出了其上设置有不对称涂层的衍射光栅元件的横截面;-图3b示出了对于图3a的衍射光栅元件,作为波长的函数的第一衍射级的透射效率;-图3c示出了其上设置有阶梯状的、不对称的涂层的衍射光栅元件的横截面;-图3b示出了对于图3c的衍射光栅元件,作为波长的函数的第一衍射级的透射效率;-图3e示出了其上设置有多阶梯状的、不对称的涂层的衍射光栅元件的横截面;-图3f示出了对于图3e的衍射光栅元件,作为波长的函数的第一衍射级的透射效率;-图3g示出了包括衍射光栅元件的嵌入式耦合器的横截面,在衍射光栅元件上设置有不对称的涂层;-图3h示出了对于图3g的衍射光栅元件,作为波长的函数的透射效率;-图3i示出了包括具有正弦横截面且其上设置有不对称的涂层的衍射光栅元件的光栅耦合器;-图3j示出了对于图3i的光栅耦合器,作为波长的函数的第一衍射级的透射效率;-图4a、b显示了其上已沉积有不对称的介质层的衍射光栅元件的SEM图像;-图4c显示了其上已沉积有不对称的金属层的衍射光栅元件的SEM图像;-图4d显示了对于图4b的结构,作为波长的函数的透射耦合效率;-图4e显示了使得能够确定耦合效率的试验性的测试设置;-图5a-I示出了光栅耦合器的不同的实施例:-图5as示出了设置为使入射光束在光栅耦合器上的方向改变的光栅耦合器;-图5b示出了设置为将光耦入光学基底的光栅耦合器;-图5c示出了设置为将光耦出光学基底的光栅耦合器;-图5d示出了设置为使入射光束在光栅耦合器上的方向改变的另一光栅耦合器;-图5e示出了嵌入在光学基底中或设置在具有同一折射率的第一光学基底与第二光学基底之间的透射光栅耦合器;-图5e示出了嵌入在光学基底中或设置在具有同一折射率的第一光学基底与第二光学基底之间的透射光栅耦合器;-图5g、h、i、j示出了在光学基底上有至少两个光栅耦合器的设置;-图5k、I示出了包括两个光栅耦合器的光栅耦合器;-图5m示出了包括衍射光学元件的2D设置的光栅耦合器;-图6a示出了另一光栅耦合器的横截面,该光栅耦合器包括具有基本上半圆形的横截面的、其上设置有不对称的涂层的衍射光栅元件;-图6b示出了另一光栅耦合器的横截面,该光栅耦合器包括具有基本上三角形的横截面的、其上设置有不对称的涂层的衍射光栅元件;-图6c示出了另一光栅耦合器的横截面,该光栅耦合器包括具有正弦状的横截面的、其上设置有不对称的涂层的衍射光栅元件;-图7a示出了包括衍射光栅元件的光栅耦合器的横截面,在衍射光栅元件上设置有不对称的金属涂层;-图7b示出了对于图7a具有不对称的金属涂层的衍射光栅元件,作为波长的函数的反射衍射效率;-图7c示出了包括衍射光栅元件的另一光栅耦合器的横截面,在衍射光栅元件上设置有不对称的金属层;-图7d示出了对于图7c的具有不对称的金属涂层的衍射光栅元件,作为波长的函数的偏振的透射效率;-图8示出了第二正衍射级耦入的光的有效的耦入光谱;-图9显示了用于制造耦合器的制造步骤,该耦合器包括其上沉积有不对称的涂层的衍射光栅元件;-图10a显示了包括耦入器和耦出器的光耦合系统,该耦入器和耦出器均包括具有不对称的涂层的衍射光栅元件;-图10b显示了包括耦入器和耦出器的另一光耦合系统,该耦入器和耦出器均包括具有不对称的电介质涂层的衍射光栅元件;-图10c显示了包括耦入器和耦出器的光耦合系统,该耦入器和耦出器均包括具有不对称的电介质涂层的衍射光栅元件;-图10d显示了包括耦入器和耦出器的光耦合系统,该耦入器和耦出器均包括具有不对称的电介质涂层的衍射光栅元件;-图11显示了包括两个光导部分的光耦合系统,该光导部分至少包括一个耦入器和一个耦出器,该耦入器和耦出器均包括其上设置有不对称的电介质涂层的衍射光栅元件。具体实施方式以下详细的说明示出了根据本发明的实施例的原理和示例。因而应该理解的是,尽管在本申请中没有明确地说明或显示,但本领域的技术人员能够设计出体现本发明的概括的原理并包括在权利要求所限定的范围内的各种设置。在说明书和附图中,类似的附图标记表示相同或类似的组件或结构元件。此外,本申请的说明书中所用的单词“透明的(transparent)”指的是光束在所关注的波长范围内的平均透明度至少为70%。本申请中所用的单词“可见的(visible)”意味着在近UV与近红外之间的光,即介于300nm-2μm之间,这是因为这样的波长可被容易地转换为人眼可见的光。此外,单词“波导(waveguide)”指的是光学波导。根据本发明,已被本申请的发明人在理论上和实验上识别并证明的是,当在光栅耦合器的对称衍射光栅元件上设置不对称的电介质涂层、金属涂层或半导体涂层时,以任意入射角耦入或耦出波导或窗口的光的第一衍射级或第二衍射级能够获得高于50%的耦合效率。单词波导指的是光在其中通过多次内反射从该波导的一个部分传输到另一部分的光学基底。根据本发明的波导可以是具有同一直径的多模波导或可以是锥形波导。窗口指的是本质上用于在没有内反射或在一些情况下通过至少两次内反射将光从光学基底的一侧传输到另一侧的光学基底。窗口可以具有波导特性。窗口可包括不同的透明层。过去已公认的是,对于具有相对于衍射光栅的法线对称的立体角分布的光束以垂直入射时,对称的衍射光栅可将至多50%的光耦合到正的或负的第一衍射级,或正的或负的第二衍射级,这是因为总是存在相反符号的、耦合有基本上相同光强的同一衍射级。更具体地,本发明涉及高效率的包括衍射光栅3的光栅耦合器,衍射光栅3包括其上设置有不对称的涂层的衍射光栅元件4,这使得能够以非常低的成本来实现和复制这样的光学耦合器。本发明的主要成果在于使用包括对称成形的、实现和复制上是容易且廉价的衍射光栅元件4的光栅耦合器1,对于特定的正的或负的衍射级,优选地是第一或第二衍射级,获得高于50%的耦合效率。本发明的光栅耦合器1使得能够在大的波长范围内实现高耦合效率。本发明的光栅耦合器可被用作光学系统和光学器件中非常有用的色散光学元件。根据本发明的图1a和图1b所示的优选的实施例,光栅耦合器1包括:–光学基底2,设置为传递光束10;以及–衍射光栅3,包括周期设置的二元衍射光栅元件4,该二元衍射光栅元件4设置在所述光学基底2上或嵌入在所述光学基底2内;–不对称的电介质涂层5,设置在二元衍射光栅元件4上。所述光栅耦合器1的二元光栅元件4被基本上设置在基本上平面的衍射光栅3的平面A。如图1c所示,每个二元光栅元件4限定自身每个横截面的、相对所述平面A的法线B,该法线B将所述横截面分隔成两个基本对称的部分,并且所述法线B进一步将衍射光栅元件4分成第一侧(FS)和第二侧(SS),所述第一侧(FS)基本上位于衍射光束的传播级(propagatingorder)的前进方向上,该衍射光束具有最大强度并从衍射光栅传递,所述第二侧(SS)被定向为与所述前进方向相对。该优选的实施例的光栅耦合器1的二元光栅元件4中的每一个都包括不对称的电介质涂层5。该不对称的电介质涂层5被相对于入射光束10侧不对称地设置在每个衍射光栅元件4上,并且所述电介质涂层5的大部分被设置在所述第一侧FS或所述第二侧SS。不对称的电介质涂层5的材料优选地从对于介于0.2μm至2μm之间的波长折射率大于1.4的材料中选择,并且优选地从以下材料中选择:ZnS、或TiO2、或HfO2、或Ta2O5、或ZrO2、或AlN、或Al2O3、或ZnO、或SiO2、或Si3N4、或MgF2、或CaF2、或MgO或这些材料的任意组合。不对称的涂层可包括第一部分51和第二部分52。如图1d和图1e所示,所述第一部分51和第二部分52中的一个部分可以是电介质的,另一部分可以是金属的或半导体的,并且所述第一部分51和第二部分52两者均具有不同的几何结构。不对称的电介质涂层5可以是多层的电介质涂层。在图1f所示的另一变型中,至少第一51不对称的电介质的、金属的或半导体的涂层可被设置在衍射光栅元件的第一侧(FS)上,包括不同于所述第一对称涂层的材料的至少第二52不对称的涂层可被设置在衍射光栅元件的第二侧(SS)上。如图2a中所示,根据该优选的实施例的光栅耦合器1可被用于以即使垂直入射(α=0°)的光耦入正的第一衍射级或负的第一衍射级的效率明显大于50%的方式将光耦合到波导或窗口中,在图2a中,强度最大的光束用最粗的箭头表示。当通过光栅耦合器1高效地将光耦入第一正衍射级时,在对应的负衍射级中的耦入光将减少,反之亦然。例如,当以大于70%的效率将光耦入正的第一衍射级时,在负的衍射级中的耦入光将明显小于30%。相同的原理可以应用于一设置,在该设置中,光必须以更高的效率耦入第二衍射级中的一个,或任意其他的正的或负的衍射级。为了实现耦入特定的正的或负的衍射级(优选地是第一衍射级)的耦合效率大于50%,本领域的技术人员能够通过使用进一步解释的光耦合优化方法来识别待设置在光栅耦合器1的光栅元件4上的不对称的电介质涂层5所需的几何参数和所需的材料,以实现该目标。图1c示出了根据本发明的优选实施例的典型的不对称的电介质涂层5的横截面和几何参数。为了实现高效率的、包括衍射光栅元件4和不对称的电介质涂层5的光学耦合光栅所必须考虑的所述衍射光栅元件4和设置在衍射光栅元件4的所述不对称的电介质涂层5的主要的几何参数和物理参数为:–衍射光栅元件4的周期P;–脊部宽度s;–光栅深度t;–侧壁涂层厚度ds;–电介质涂层的厚度dt,该电介质涂层被设置在入射光束10侧;–凹部电介质涂层5的厚度db;凹部电介质被定义为设置在间隔40的部分上的不对称的涂层5的部分,该间隔40将衍射光栅元件4隔开;–侧壁电介质涂层高度hs;–设置在入射光10侧的部分不对称电介质涂层的电介质涂层宽度wt;–电介质涂层5的介电常数与光学基底2的介电常数之间的绝对介电常数差E1=|(εc-εs)|;–与光栅元件4的入射光侧相邻的材料的介电常数与电介质涂层5的介电常数的绝对介电常数差E2=|(εt-εc)|;–不对称的电介质涂层5所选的材料。本发明的衍射光栅元件基本上是二元光栅元件,该二元光栅元件的特征大小40被定义为衍射光栅元件4之间的间隔(p-s),并可具有与衍射光栅元件4的周期P不同的尺寸。此外,衍射光栅元件4的特征大小和周期可在整个光栅耦合器的表面上变化。在扇出(fan-out)光栅耦合器的情况下,该变化是有利的。下表总结了示例性的、设置在玻璃基底2上的光栅耦合器1的元件的可允许的参数范围,该参数范围是对光学耦合器1进行优化产生的,根据优选的实施例,并针对介于390nm-700nm之间的波长,所述优化通过根据本发明的一独立权利要求所述的优化方法来进行,并且对该优化方法进行更详细地描述。参数可能的范围优选的范围P190nm至1000nm190nm至1000nms0.1至0.9xP0.25至0.7xPt10nm至5xP50nm至2xPds1nm至(P–s)5nm至(P-0.8s)dt0nm至P5nm至0.5Pdb0nm至t0nm至0.7xths10nm至(t+dt-db)50nm至(t+dt-db)wtds至(s+ds)(1.2xds)+s+dsE10至2000至68E20至2000至68表1所获得参数范围可易于扩展到其他波长,例如典型地用于电信应用中波长,即1.55μm。该比例基本上是基于公知的光栅公式(例如理波公司于2005年由ChristopherPalmer著作的第6版衍射光栅手册(Diffractiongratinghandbook))。在示例性的、具有表1中总结的参数的光栅耦合器的特定情况下,仅考虑到了大于玻璃的全反射角的第一级衍射角,但根据本发明的光栅耦合器可以使光栅耦合器1上的任意入射光束10根据任意正的或负的衍射级并根据任意预定的衍射角衍射为基底2中的耦合光束20。为了实现更大的设计灵活性并由此实现更高的衍射效率和耦合效率,如图1d-e所示,不对称的电介质涂层5的变型可包括至少两个51、52不对称的涂覆层的设置,根据之前给出的不对称的电介质涂层5的定义来设计和设置每个涂覆层。所述至少两个51、52不对称的涂覆层可包括金属部分或半导体部分或金属和半导体的组合。如图1e所示,不对称的涂层5可包括至少一个介质材料被替换为金属、半导体或金属和半导体的组合的部分。电介质涂层的至少一部分还可以包括设置在电介质涂层上的金属层和/或半导体层。在这样的变型中,具有与不对称的电介质涂层5不同的材料的至少一个部分被设置在所述不对称的电介质涂层5上,表1的参数被应用到所述部分的每一部分上。不对称的电介质涂层可以是多层的不对称的电介质涂层。在图3a所示的变型中,主要差别在于在两个连续的衍射光栅元件之间不设置电介质层5,仅二元光栅元件4的侧壁41的表面部分包括电介质层5。图3b示出了光栅耦合器1在理论上获得的第一级衍射效率,该光栅耦合器1被设置在玻璃基底2上并包括具有根据图3a的结构的衍射光栅元件4,该衍射光栅元件4包括ZnS的不对称的电介质涂层,光栅耦合器1的衍射光栅元件4具有以下参数集:p=440nm;s=220nm;t=320nm;ds=140nm;dt=140nm;db=0nm;hs=460nm;wt=360nm;εc=6.7;εs=2.25;εt=1(空气);ZnS的折射率(n)=2.6;n(玻璃)=1.5在另一变型中,设置在二元光栅元件4上的不对称的电介质涂层5具有阶梯式的设置,图3c中示出了该涂层的几何结构和参数。图3d显示了设置在玻璃基底2上的光栅耦合器1所获得第一级衍射效率,该光栅耦合器包括根据图3c的、具有ZnS的不对称的电介质涂层5的光栅元件结构,并且光栅耦合器1的衍射光栅元件4具有以下参数集:p=440nm;s=220nm;t=320nm;ds=140nm;dt=140nm;db=0nm;hs=460nm;wt=360nm;εc=6.7;εs=2.25;εt=1(空气);ZnS的折射率(n)=2.6;n(玻璃)=1.5在另一变型中,设置在二元光栅元件4上的不对称的电介质涂层5具有多个阶梯式的设置,图3e中示出了该涂层的几何结构和参数。图3f显示了设置在玻璃基底2上的光栅耦合器1(理论上和实验上)所获得第一级衍射效率,该光栅耦合器包括根据图3e的、具有ZnS的不对称的电介质涂层5的光栅元件4结构,并且光栅耦合器1的衍射光栅元件4具有以下参数集:p=440nm;h1=280nm;h2=100nm;t=285nm;w=145nmd1=100nm;d2=172nm;d3=23nm;hb=55nm;ht=150nm;εc=6.7;εs=2.25;εt=1(空气);ZnS的折射率(n)=2.6;n(玻璃)=1.5在图3g所示的另一变型中,光栅耦合器1被嵌入在光学基底2中,该光栅耦合器包括二元光栅元件4和设置在二元光栅元件4上的不对称的电介质涂层5。可替换地,光栅耦合器1可被设置在第一光学介质与第二光学介质的界面处,两个光学介质具有相同的折射率。所述第一光学介质和所述第二光学介质可以由折射率匹配的材料隔开,优选的是折射率适配(indexadapting)的液体的薄层,该薄层的典型的厚度小于1微米。所述折射率适配的材料可以是胶层。更准确地,光栅耦合器可被设置在与光学基底2的表面的距离基本上等于光栅耦合器1的二元衍射光栅元件4的高度hs的位置处。对嵌入的光栅耦合器1到光学基底的表面的距离没有限制,尽管在实际的系统中,该距离通常在毫米或厘米的范围内。光栅耦合器1可以与光学基底2的表面平行,或者可相对于光学基底2的表面呈任一倾角。图3g中显示了示例性的嵌入式光栅耦合器1的几何结构和参数。图3h显示了设置在玻璃基底2内的嵌入式光栅耦合器1所获得的衍射效率,该光栅耦合器包括根据图3g的、具有ZnS的不对称的电介质涂层5的衍射光栅元件4结构,并且该嵌入式光栅耦合器1的衍射光栅元件4具有以下参数集:p=440nm;hs=470nm;w=145nm;ds=150nm;dt=150nm;s=220nm;t=320nm;εc=6.7;εs=2.25;εt=2.25(玻璃);在一个实施例中,不对称的涂层5是金属涂层。图7a显示了二元光栅元件4的横截面,不对称的金属的涂层被设置在该二元光栅元件上,该涂层具有阶梯式的设置。图7b显示了设置在玻璃基底2上的光学耦合器所获得的第一反射级衍射效率,该光学耦合器包括根据图7a的光栅元件结构,并且光栅耦合器1的衍射光栅元件4具有以下参数集:p=440nm;s=176nm;t=300nm;ds=90nm;dt=90nm;hs=340nm;w=266nm;金属:Al;n(玻璃)=1.5。图7c示出了二元光栅元件4的变型,不对称的金属的涂层5被设置在该二元光栅元件上,该涂层具有阶梯式的设置。图7d显示了设置在玻璃基底2上的光学耦合器1所获得的第一级衍射效率,该光学耦合器1包括根据图7c的光栅元件结构4,并且该光栅耦合器1的衍射光栅元件4具有以下参数集:p=440nm;s=220nm;t=250nm;ds=13nm;dt=4nm;hs=104nm;w=224nm;金属:Al;n(玻璃)=1.5。在一个实施例中,不对称的涂层5可以是半导体涂层。在一个变型中,不对称的涂层5可包括至少两个部分,每个部分为金属或半导体。在一个变型中,不对称的涂层5可包括设置在不对称的金属涂层上或不对称的半导体涂层上的电介质涂层。图4a、b、c显示了示例性的光栅耦合器1的SEM图像,该光栅耦合器1包括其上沉积有不对称的涂层5的二元光栅元件4。图4b中所示的不对称的电介质涂层5的结构对应于图1a和图1b的光栅耦合器的实现。图4d显示了对应于该结构所获得的测量到的耦合效率。图4e显示了已为光学测试系统领域的技术人员公知的典型的测试设置。为了测试光栅耦合器1的衍射效率,光栅耦合器1被设置在透明的支持件上。包括光栅耦合器1的样品被波长可变的光源L照亮。如图4e所示,光栅耦合器1的衍射光由可旋转的检测器检测。重要的是,注意表1中总结的参数(除光栅周期外)的范围与光耦合到的光学结构的类型无关,这些参数用于根据所述示例性的光栅耦合器实现有效的耦合器(可以是耦入器或耦出器)。更准确地,光学基底1优选地为波导,但还可以是窗口,或任意透明的、其上设置有光栅耦合器的支撑件。所述光学基底2可包括多个光学基底,并且所述光学基底中的至少一个可以是液体基底或者至少包括液体部分的基底。光栅耦合器1的耦入效率仅由上述表1中总结的几何参数、光学基底2和不对称的电介质涂层5的材料的物体特性确定,应该概括的是,例如,在共振波导或零级滤波器的情况下,或在耦合效率可由泄露波与设置在波导上的光栅耦合的耦合光相互作用或干涉而增强的这样的波导的情况下,所述耦合效率不受来自任一表面的耦合光束的至少一部分的部分反射光的相互作用或干涉的影响,该表面可被设置在与入射光侧相对的光栅耦合器侧。根据优选实施例的光栅耦合器1可被设置并优化为输入耦合器(还称为“耦入器”)以将光有效地从第一光学介质耦合到光学密度高于第一光学介质的第二光学介质,例如,将空气中传输的入射光束10耦合到由玻璃或塑料制成的基底中。光栅耦合器1还被设计并优化为输出耦合器(还称为“耦出器”)以将光有效地从第一光密介质耦出到光学密度低于第一光学介质的第二光学介质,例如,在光束30离开玻璃基底到外部的折射率更低的光学介质(优选为空气)中。图5示出了设置为输入耦合器或输出耦合器的光栅耦合器的数个非限制性的实施例。图5a显示了设置为输入耦合器的光栅耦合器1,该光栅耦合器设置在光学基底2的入射光侧。这样的设置可被用于将光耦合到窗口或波导内。图5b显示了设置为耦入器的另一光栅耦合器1。这样的设置可被用于将光耦合到窗口或波导内。光栅耦合器1上的入射光可以是入射在光栅耦合器上、经窗口或波导中的至少一次内反射后而在所述窗口或波导内的传播光束,但还可以是在光学基底内不进行内反射的情况下由光学基底传输的直接的入射光束。一个示例性应用是,在需要时,光栅耦合器1被设置在与在窗口或波导上的入射光相对的所述窗口或波导侧。一个可能的应用是在需要将光耦合到光源侧的光学系统中,其中所述光学被直接设置到光学基底2上。图5c显示了设置为耦出器的光栅耦合器1。这样的设置可被用于将在窗口或波导内传播的光从所述窗口或波导耦出。图5d显示了设置为使在窗口或波导内传播的光束的方向改变的光栅耦合器1。通过光栅耦合器的重定向的光束可进一步在窗口或波导内传播,或还可以在所述光学基底内没有内反射的情况下被传输到光学基底之外。一个示例性应用是,在需要时,该光栅耦合器1被设置在与在窗口或波导上的入射光相对的所述窗口或波导侧。一个可能的应该是在需要将在窗口或波导内传播的光耦合到光电探测器上的系统,该系统与所述光电探测器相对设置。图5e和图5f示出了嵌入式的光栅耦合器。嵌入式的光栅耦合器可被用在必须使光栅耦合器免于污染或损坏的应用中。通过将光栅耦合器嵌入在光学基底内,避免了对其耦合效率的损害或部分损耗。图5e显示了设置为透射光栅耦合器的光栅耦合器,该光栅耦合器嵌入在光学基底中并被设置为使在光学基底内传播的光束的方向改变。典型的应用是,在需要时,在光学介质内将光束的光谱的预定部分重定向到该光学介质中的另一方向上。图5f显示了设置为反射光栅耦合器的光栅耦合器1,该光栅耦合器嵌入在光学基底2中并被设置为使在光学基底2内传播的光束的方向改变。所述的光栅耦合器1可被设置为如图5g-j所示的不同的组合。例如,两个不同类型的光栅耦合器可在波导或光学窗口上被分别设置为耦入器或耦出器,每个光栅耦合器在波导或光学窗口的同一侧,或每个光栅耦合器在波导或光学窗口的另一侧。在一个实施例中,如图5k和图5I所示,光栅耦合器1可包括至少两个相同或不同的光栅耦合器100、101,这两个光栅耦合器彼此平行设置或以相对的角度β设置。将光栅耦合器以紧密靠近的方式设置,优选地间隔基本上为光栅耦合器的高度hs,这对本领域的技术人员是明显的。包括至少两个相同或两个不同的紧密靠近的光栅耦合器的光栅耦合器使得能够以更高的设计灵活性来实现光栅耦合器,例如根据波长、衍射角和更高的耦合效率进行优化。如图5所示的光栅耦合器1可应用在更广泛的应用中,例如但不受限于可穿戴的显示器,例如谷歌眼镜、透视的显示器、例如汽车仪表盘中的光学标识应用、闪电应用、日光聚能器、使光重定向的光学系统、光学感应平台、包括波导的安全元件、用于集成文档和拆开密封件的安全设备的应用。在多个不同的实施例中,光栅耦合器1可包括衍射光栅元件4,该衍射光栅元件4具有基本上为矩形、三角形、正弦形、圆形、梯形、阶梯形或半圆形的横截面,所述横截面在传播光束的方向上限定。图6a、b、c显示了包括衍射光栅元件4的光栅耦合器1的示例,该衍射光栅元件4分别具有基本上半圆形的横截面、基本上三角形的横截面和基本上正弦形的横截面。图3i显示了具有正弦形的横截面的衍射光栅耦合器和图3i的衍射光栅耦合器的透射耦合效率。根据本发明的光栅耦合器可被设置并优化为以大于50%的效率将光束通过衍射耦合到任意正的衍射级或负的衍射级。图8显示了光垂直入射到第二正级的这样的效率的示例性结果。根据前述实施例的光栅耦合器1可被应用在广泛的光学器件中。光栅耦合器可被设计为光束的输入耦合器或输出耦合器。输入耦合器1和/或输出耦合器1的组合使得能够产生广泛的设置以在大量的光学系统中,该光学系统包括广泛可能的光学基底1。光栅耦合器1的衍射光栅元件4为基本上细长的元件,该元件周期性地分布在根据衍射传递的光束的前进方向上,但是在一个实施例中,光栅耦合器可包括分布在光栅元件的2维阵列中的光栅元件4,该光栅元件的2维阵列设置在所述衍射光栅的平面中,并且这些光栅元件可具有例如由基本上圆状的光栅元件的2维分布获得的折射和衍射属性。根据本发明的不同实施例的光栅耦合器1可通过制造不对称的衍射光栅的新方法来实现,该方法不依赖于负载的光栅主设备。容易获得的二元衍射光栅在标准的UV铸造过程中复制,随后以电介质或金属蒸发而形成角来实现不对称的涂层并由此在光栅元件的复制之后使光栅元件闪耀。图9示出了该制造方法,其中,在预定角度δ下实现了不对称的涂层在衍射光栅元件上的沉积D。涂层以特定角度在基底上的沉积过程为本领域的技术人员所公知,D.Flanders和A.White于1981年在真空科学与技术期刊第19期,892-896页发表的《ApplicationofAlmost-Equal-to100aLinewidthStructuresFabricatedbyShadowingTechniques》(通过遮蔽技术制造的近似等于100a线宽结构的应用)”,并可通过蒸发技术或溅射技术或类似技术来实现。简单而有效的制造过程已在30多年前用来生成小到约等于10nm的结构。该相同的技术被用于优选地将ZnS涂层应用为所述电介质涂层并在垂直入射的情况下实现基本上70%的非偏振的第一衍射级的透射(T1)效率。包括(在每个衍射光栅元件上的)不对称的涂层5的衍射光栅元件4的整体制造过程适于大规模生产,因而本方法是对现有的闪耀光栅的工业制造方法的廉价的替代方法。由于待复制的光栅耦合器是非常简单的结构,因此可以通过任意常用的诸如热压印或注塑之类的大规模生产方法来复制,并且该复制过程不受限于UV铸造。最后,根据本发明的光栅耦合器1当被嵌入在光学基底(即波导或光学窗口)中时仍保持功能性,这在使用不加涂层的标准浮雕光栅时是不可能实现的。本发明还涉及光耦合系统200,包括:-光学基底2,用来传递光束;-输入光栅耦合器100,设置在所述光学基底2上以将入射光耦入所述光学基底2中;-输出光栅耦合器102,设置在所述光学基底2上以将光从所述光学基底2耦出。光耦合系统200的光学基底2可以是波导或窗口。光耦合系统200可以通过将上述光栅耦合器1的不同实施例设置在光学基底2上来实现。光耦合系统200可包括至少两个设置为输入耦合器的光栅耦合器1,并且可包括设置为至少两个设置为输出耦合器的光栅耦合器。光耦合系统200可包括多个光耦合部分,每个部分可设置不同的平面中。图10a和图10b显示了光耦合系统200的两个示例性实施例,其中,耦入器100和耦出器102包括其上设置有不对称的涂层5的二元光栅元件4,该二元光栅元件4适配于光耦合系统200以将光分别耦入光学基底2中或将光从光学基底2耦出,该光学基底2可以是窗口或波导,优选地为多模波导。图10c和图10d显示了光耦合系统200的另外两个示例性实施例,其中,耦入器100和/或耦出器102被嵌入在光耦合系统200的光学基底2中,并被分别设置为将光耦入光学基底2中和将光从光学基底2耦出,所述光学基底2是窗口或波导,优选地为多模波导。图11显示了一个示例性的光耦合系统200,该光耦合系统200包括两个部分202、204,每个部分是光耦合系统200,并且光栅耦合器145被设置为使该光栅耦合器145上的入射光11偏离。光耦合系统200中的光栅耦合器145的示例性应用是用作反射镜的代替品,优点在于不需要适配于光耦合系统200的反射镜,从而提高了使用该光耦合系统200的光学系统的机械稳定性,并且还降低了成本。本发明进一步还涉及一种用于对通过所述光栅耦合器1的耦合光的耦合效率进行优化的方法,至少包括以下步骤:-选择光学基底2、衍射光栅3和衍射光栅元件4的几何参数、尺寸和材料;-确定入射光在衍射光栅3上的角度;-确定在光栅耦合器1上的入射光束的波长范围;-确定入射在光栅耦合器1上的衍射光所需的衍射级和角度;-确定不对称的涂层5的材料;-选择电介质涂层的参数组的原始值,所述参数包括通过待沉积在衍射光栅元件上的材料的主蒸发角推导出的覆盖分布和设置在衍射光栅元件上的电介质涂层的厚度;-通过使用迭代算法进行光耦合模拟步骤,以确定优化的参数组,所述模拟步骤被执行为使所述衍射光栅1上的、与所述衍射光栅3相交的或远离所述衍射光栅3反射的入射光束10的耦合效率最大,所述步骤针对由所述衍射光栅衍射的光束的第一衍射级或第二衍射级执行。本发明进一步还涉及一种用于以大于50%的衍射效率使入射在衍射元件上的光束10在可见波长范围内衍射到正的或负的衍射级之一的方法,并且如上所述,对于所述光束的任意入射角,所述衍射由本发明的光栅耦合器1执行。最后,本发明涉及如本发明中所述的光栅耦合器1的使用。当前第1页1 2 3 
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