光学装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可耦合光波的光学装置。
【背景技术】
[0002]偏光片、透镜或滤光片等相关光学元件通过独立制成后，再经由后续的封装工艺接合至一光学系统中，一入射光可藉由该光学元件从一外部媒介耦合至该光学系统。
【发明内容】
[0003]本发明的目的，在于提供一形成于光学装置上的折射元件，可将光由一外部媒介耦合至该光学装置。该折射元件包含一周期性结构用来对于一入射光的一个或多个波长范围进行折射或滤光的功能。
[0004]为达成上述目的，本发明包含一个形成于一光学媒介上的折射元件，该折射元件的表面可具有一组形成在该表面上的周期性结构，或具有一个特定曲率半径(凹面或凸面)用来将一入射光的一个或多个波长范围进行折射或滤除。
[0005]再者，本发明更可包含一个包覆在该折射元件上的覆盖元件，且该覆盖元件的等效折射系数低于该折射元件的等效折射系数。该覆盖元件可由一层或多层氮化物、氧化物、空气，或有机材料所组成。该组周期性结构亦可具有相对应一光轴的90度旋转对称性。
[0006]再者，该光学介质更可包含一个可吸收至少一部分入射光或可发光的主动元件。该主动元件可由一层或多层硅、锗、锡，或三五族化合半导体所组成。该光学装置更可包含一个光耦合至到该折射元件的第二折射元件，且该第二折射元件具有一第二组周期性结构。
[0007]再者，本发明更可包含一耦合至该折射元件的调变元件，且该调变元件可藉由外部提供的电场造成该折射元件内的载子浓度或机械结构变更，以改变该折射元件的等效折射系数。该调变元件更可包含一个P-η接面，藉由外部提供的电场以改变该折射元件的载子浓度及其等效折射系数。
[0008]在其部分实施例中，该调变元件亦可用来改变至少一部分离开该折射元件的光的指向、其聚焦深度，或改变由该折射元件的该组周期性结构过滤后的一个或多个波长范围。在部分实施例中，该调变元件可包含一个微电机系统，藉由外加电场施加机械力以改变(i)该折射元件表面的曲率半径，(ii)该折射元件相对于该光学介质的位置，(iii)或该折射元件相对于入射光光轴的方向。
[0009]在本发明的部分实施例中，该折射元件可具有一表面曲率，且曲率半径是由工艺相关的应力所造成，或可藉由一灰阶光罩工艺所形成。在本发明的部分实施例中，该折射元件亦包含一周期性结构，且该组周期性结构所造成的联合相位改变可用来聚焦或放焦一入射光。在本发明的部分实施例中，该组周期性结构亦可藉由导波模态共振以滤除入射光的一个或多个波长范围。举例来说，该折射元件的周期性结构可为一部分被氮化物，或氧化物，或空气所填充空隙的硅层。在本发明的部分实施例中，该光学介质的厚度可对应于该折射元件的焦距。在本发明的部分实施例中，该折射元件亦可直接粘接至于一光学介质上。
[0010]在本发明的部分实施例中，为了达成过滤，聚焦，放焦一个或多个入射光波长范围，(i)该组周期性结构中一个或多个周期性结构可填充一种或多种与该折射元件的等效折射系数不同的材料，(ii)该组周期性结构中的一部分结构的孔隙半径与其余结构的孔隙半径不同，或(iii)该周期性结构中大多数的结构具有局部的非周期性。
[0011]关于本发明的部分实施例，亦可包含下列特征。藉由半导体工艺，将一可折射或过滤光波的折射元件直接整合于一光学系统中，可降低后续的封装及工艺的成本，且用半导体工艺形成的折射元件亦可和其他的光学集成电路形成于同一片晶圆(圆片)上。再者，多个可分别滤除不同波长范围的折射元件可藉由更改其对应的光罩设计，并使用相同的半导体制造流程而完成。此折射元件亦可和一主动元件(例如:锗光感测器，硅CMOS光感测器，激光，LED，调变器..等)直接进行整合，以符合各式应用情境，或可动态改变其光行进的路径或其可通过的波长范围。
[0012]本发明其余实现方式亦包含对应的系统，装置及计算机程序。该程序可执行一方法步骤，或编程在计算机的储存媒介。一个或多个计算机组成的系统可由软件，固件，硬件或其组合形成。一个或多个计算机程序可由指令构成，且由数据处理单元执行对应动作。
[0013]以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【附图说明】
[0014]图1A为本发明光学装置其一实施例的示意图。
[0015]图1B，1C，ID为本发明光学装置中的折射元件部分实施例示意图。
[0016]图1E为层叠多个折射元件的部分示意图。
[0017]图2A及2B为绘示本发明在光学集成电路中滤光或偏折光的部分示意图。
[0018]图3A-3D为折射元件中周期性结构的部分实施例示意图。
[0019]图4为多个折射元件汇集成一光学集成系统的示意图。
[0020]图5A-5D为折射元件的曲面和应力关系示意图。
[0021]图6A-6D为折射元件耦合至一参杂区域的示意图。
[0022]图7A-7B为折射元件藉由压电效应调控的示意图。
[0023]图8A-8B为折射元件藉由电容效应调控的示意图。
[0024]图9为形成本发明的折射元件的部分流程图。
[0025]在本发明图示中，类似的图号代表类似的元件。再者，本说明书所述的个别实施例仅为说明及描述用，而非用来限定本案发明的保护范围。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述:
[0027]图1A是一个光子集成电路100范例，其包括用于耦合光进入或离开一个光子集成电路100的光学折射元件。一般来说，一个光学元件可以有一个或多个光学规格参数。在一些实施方式中，光学规格参数可以是数值孔径，使该光学元件在一个特定的椎体角度范围内捕获光。例如，单模光纤有0.14的数值孔径。在一些实施方式中，光学规格参数可能是一个允许该光学元件发射或接收光的特定大小尺寸。例如，用于接收光的光检测器可以具有100平方微米的检测器区域。一般来说，光从一个光学元件传输到另一光学元件所造成的光学规格参数不匹配会导致光功率损失，而为了减少损耗，透镜可以被用于减低两个光学元件之间的光学规格参数不匹配。例如，透镜可用于匹配两个光学元件之间的数值孔径，或可将光聚焦到具有一较小面积的光学元件上。此外，光学系统中传播的光可包含多个波长，而一个光学过滤器可以用于在光学元件之间来选择一个或多个光波长。将透镜或滤光器与其他光学元件做集成，可减少集成的复杂性和制造成本。又将透镜和滤光器集成为一个折射元件，亦可降低集成的复杂性和制造成本。
[0028]在本发明的部分实施例中，光子集成电路100可包括一折射元件101和一光学介质107。一般来说，折射元件101用来折射和/或过滤从外部介质119进入光学介质107的光，或从光学介质107进入外部介质119的光。举例来说，输入的光111具有两个波长λ I与λ 2进入折射元件101，其中波长λ I被折射元件101滤出，而波长λ 2被折射元件101选择并聚焦成为一个聚焦光束113进入光学介质107。在本发明的另外实施例中，该折射元件101亦可以被设计为选择或过滤一个或多个其它波长，或者可被设计成执行其他的光学功能，例如散焦或者准直光束。
[0029]—般来说，折射兀件101可包括一表面103和一组周期性结构105。该表面103具有特定曲率半径，且其表面曲率可被用来折射入射光束，并根据Snell定律或任何适合的数值分析模型。数值分析模型的实例包括射线跟踪模型，高斯光束模式，光束传播法(BPM)模型，傅立叶波束传播模型，或有限差分时域(FDTD)模型。
[0030]该组周期性结构105可以包括一组一维、二维、三维的周期性结构的组合来折射或过滤入射光。参照图1A的例子，一组二维周期性结构105可形成在折射元件101中。其周期性结构可以包括光子晶体，光栅，或其他可以影响光耦合或滤波等光学特性的结构。关于此周期性结构105的其它实施例会在图3Α至3D有更详细地描述。
[0031]在本发明的部分实施例中，该组周期性结构105可以产生导波模态共振(guided-mode resonance)效应以用来折射或过滤光。在导波模态共振效应中，该组周期性结构105的折射率应比折射元件101的主体部分、光学介质107，和外部介质119的折射率高，以产生至少一个导波模态在该组周期性结构105中。该周期性结构105中的导波模态与绕射模态互相干涉造成共振，因此可被用作滤光器。在一些实施方式中，一表面103的曲度及其共振条件的组合可以偏折光至不同方向。在一些实现方式中，一个具有导波模态共振效应的周期性结构105的周期可对应于该作用光波的波长尺寸。
[0032]在一些实施方式中，该组周期性结构105可以产生等效折射率改变(effectiveindex change)效应来折射或过滤光。在等效折射率改变效应中，该组周期性结构105的设计沿着折射元件101的一轴线产生一个等效的折射率分布。例如，该组周期性结构105可以让孔的直径和/或沿着X轴和I轴的周期性作变化，以产生一个等效折射率分布。在一些实施方式中，弯曲表面103与等效折射率分布的组合可以偏折光至不同方向。在一些实施方式中，弯曲表面103与等效折射率分布的组合可以导致折射光的联合相位改变，以得到光学聚焦器/散焦器的功效。在一些实现方式中，一个具有等效折射率改变效应的周期性结构105的周期小于该作用光波的波长尺寸。
[0033]在一些实施方式中，为了减少或消除输入光111