包括高对比度光栅透镜的光学设备的制造方法
【专利说明】包括高对比度光栅透镜的光学设备
【背景技术】
[0001] 许多应用依赖于发送和接收相对大量的数据。基于使用光传输数据的技术是提供 高网络带宽的便利选项。（使用光传输数据在下文被称为光通信）。存在使用光来传输信 息的许多设备。例如，光纤能够在广阔的距离上传输数据，提供高网络带宽。光子集成电路 (PIC)是另一个示例，其中集成多个光功能以提供光信号的功能。
[0002] 用于光通信的一些系统基于充当数据载体的已调制激光的发射和检测。具体地， 用于激光发射和检测的半导体设备现在在光通信系统中是普遍的。例如，垂直腔面发射激 光器（VCSEL)可以用于激光发射。激光检测器半导体光电二极管可以用于激光检测。光波 导（例如，光纤）可以用于在激光发射器和检测器之间传输激光。
【附图说明】
[0003] 为了可以较好地理解本公开，现在将参考以下附图来描述各个示例。
[0004] 图1是根据在本文的示例的光学设备的示意表示。
[0005] 图2A和图2B是根据示例的在操作中的光学设备的示意表示。
[0006] 图3是根据示例的在操作中的光通信设备的示意表示。
[0007] 图4是根据示例的在操作中的光通信系统的示意表示。
[0008] 图5是根据示例的高对比度光栅（HCG)层的示意表示。
[0009] 图6A和图6B示出根据示例的与HCG层的占空比有关的透射率和相移的曲线。图 6C是HCG层的示意表示。
[0010] 图7是示出根据示例的HCG透镜的剖面图的示意表示。
[0011] 图8A和图8B示意地示出根据示例的HCG透镜的表示。
[0012] 图9示意地示出根据示例实施制造光学设备的方法的流程图。
[0013] 图10A至图10F示意地示出根据示例的光学设备的制造。
【具体实施方式】
[0014] 在以下描述中，阐述了许多详情以提供在本文公开的示例的理解。然而，将理解的 是，可以在没有这些详情的情况下实践示例。尽管已经公开了有限数量的示例，但应当理 解，存在从其作出的许多修改和变化。可以使用相同的附图标记来指示图中的类似的或等 同的要素。
[0015] 如以上阐述的，用于激光发射和检测的半导体设备目前在光通信系统中是普遍 的。一些突出的示例是基于垂直腔面发射激光器（VCSEL)和半导体的光电二极管，例如PN 或PIN二极管。
[0016] 此类激光发射器/检测器一一例如VCSEL或半导体光电二极管，目前是工业大量 生产的对象。此类激光发射器/检测器的一些应用处于光互连中，例如，处于基于多模带状 光纤的并行收发信机模块或单信道吉比特以太网中。
[0017] 通常，为了实施光通信，激光发射/检测设备光学地耦合到光波导（例如，光纤）。 用于将激光发射/检测设备与外部设备（例如，波导）光学地耦合的至少一些解决方案可 能要求外部透镜的使用。然而，经由外部透镜的耦合可能是麻烦的。例如，透镜可能要求经 由高精度的定位设备进行的精确度对准。此外，在对准之后，透镜可能进一步要求安全地附 接到激光发射/检测设备的基板，以提供稳定的耦合。然而，分开的透镜元件和精确度对准 处理可能大量地增加制造成本并且反面地影响系统紧凑性。
[0018] 在别处也已经提出，将底发射VCSEL(即，被配置为朝着它们被构建在其上的基板 发出光的VCSEL)与集成的背面透镜集成。由此，意图实施VCSEL阵列上的芯片级互连。然 而，用于生成背面、折射透镜的曲面的处理可能是困难并且可能大量地增加制造成本。
[0019] 在本文公开的至少一些示例中，如在本文的至少一些示例中阐述的位于透明基板 的一侧用于使激光透射并折射的HCG透镜的使用促进经由高对比度光栅（HCG)透镜进行 的、激光发射器或检测器与其他设备的划算的且精确的光耦合。HCG透镜和激光发射器，或 检测器位于公共基板上。
[0020] 如在本文所使用的，激光发射器是适合于发射激光并且与HCG透镜一起被设于公 共基板的任何设备。VCSEL是此类激光发射器的示例。如在本文所使用的，激光检测器是 适合于感测激光并且与HCG透镜一起被设于公共基板的任何设备。被配置为感测光的例如 PN或PIN二极管的半导体二极管（被反向偏置）是此类激光检测器的示例。
[0021] 如在本文所使用的，HCG透镜指的是经由高对比度光栅（即，具有足够小以抑制除 光的〇级衍射之外的所有衍射的节距的光栅）使光束透射并折射并使光束会聚和发散的光 学元件，光学设备被设计为利用HCG透镜进行操作。光束会聚或发散的程度取决于光栅的 节距和配置。光栅形成所谓的高对比度光栅（HCG)。
[0022] 可以使用便利的微细制造工艺和高容量生产方法容易地制造HCG透镜。例如，可 以由平版印刷方法在可以低于一微米的制造公差的情况下制造HCG透镜。平版印刷方法的 示例包括标准CMOS处理或辊对辊压印。因此，使用HCG透镜耦合激光发射器/检测器促进 划算的制造。具体地，可以在实现的光学对准中没有损害精确度的情况下、以与常规透镜相 比更低的价格来制造HCG透镜。
[0023] 在以下描述中，术语"光"指的是具有包括电磁波谱的红外部分和紫外线部分在内 的电磁波谱的可见部分和非可见部分中的波长的电磁辐射。术语"激光"指的是基于电磁 辐射的受激发射、经由光放大发出的光。将理解的是，当层或薄膜被称为或示出为在两层或 薄膜"之间"时，其能够是两层或薄膜之间的唯一的层或薄膜，或者一个或多个中间的层或 薄膜也可能存在。
[0024] 光学设备：图1示出光学设备100。设备100包括透明基板102。激光发射器/检 测器104位于透明基板102的第一侧106。设备104用于发射激光或检测经由透明基板102 透射的激光。
[0025] HCG透镜108位于透明基板102的第二侧110。HCG透镜108从透明基板102接 收激光（如果设备104被操作为激光发射器），或耦合来自透明基板102的激光（如果设 备104被操作为激光传感器）。由此，HCG透镜108限定光路112 (即，光在穿过光学系统时 所采用的路径）。可以配置光路112,以将光耦合设备104与外部光学设备（未示出）光耦 合。例如，如以下关于图2至4更详细地说明的，设备104可以与外部波导或者另一种类型 的设备耦合，以用于光通信。
[0026] 透明基板102可以包括允许由激光发射器/检测器104发出或接收的激光经由其 透射的材料。可以将基板102的材料选择为便利激光发射器/检测器104和HCG透镜108 在其上的集成。例如，基板102可以包括具有诸如在2和4之间的折射率（诸如3. 5)的高 折射率的透明半导体材料。用于基板102的此类材料例如可以是GaAs、Si、InGaAs、InP或 其组合。
[0027] 将理解的是，透明基板102可以部分地吸收朝着激光发射器/检测器104传输的 或由激光发射器/检测器104接收的激光。在图1所图示的示例中，基板102的第一和第二 侦忪〇6、110彼此平行且相对。会预见到基板102的第一和第二侧106、110的其他配置（例 如，倾斜配置）。
[0028] 图2A和图2B图示出在操作中的光学设备200a_200b的不同示例。与图1的光学 设备100类似地对光学设备200a-200b进行配置。在这些图中，图示出HCG透镜108的特定 示例，其包括高对比度光栅（HCG)层202a、202b和分离层204。如在本文所使用的，HCG层 指的是具有足够小以抑制除〇级衍射之外的所有衍射的光栅节距的光栅层。HCG层202a、 202b的结构确定HCG透镜108如何使光透射并折射（例如，其是否使撞击在其上的发散的 激光束准直）。以下在题为"配置亚波长光栅"的章节中说明关于能够如何构成HCG层的示 例。
[0029] 分离层204可以包括构建到基板102上的低折射率材料，诸如但不限于Si02。低 折射率可以是1. 3和2. 0之间的折射率，诸如1. 46。用于分离层204的此类材料例如可以 是Si02、Si3N4(氮化硅）、玻璃、聚合物或其组合。通常，可以以使得分离层204增强HCG层 202a、202b对撞击在其上的激光引起的共振光学效应的方式，来构成分离层204。更具体 地，可通过经由分离层204提供HCG层202a、202b(例如，柱）和基板102之间的折射率差 来增强共振光学效应。例如，基板104和HCG层202a、202b可以由相同的材料（例如，具有 3. 5折射率的材料）制成；在该示例中，分离层204可以由具有不同的折射率（例如，1. 46) 的材料制成，以提供用于增强共振的有区别的折射率。
[0030] 根据一些示例，HCG透镜108用于使发散的激光准直。更具体地，在HCG层202a处 的光栅元件可以被配置为使得沿着光路112传输的发散的激光束沿着相同的方向被准直。 在图2A中，光学设备200a图示出此类示例。在该示例中，激光发射器/检测器104用于发 射发散的激光束206 (例如，激光发射器/检测器104可以是VCSEL)。光学设备200a(并且 具体是HCG透镜108)被配置为将发散的激光束206准直为准直的激光束206'。
[0031] 根据一些示例，HCG透镜108用于将激光聚焦。例如，再次参考图2A，将理解的是， HCG透镜108可以被配置为以往复的方式起作用。即，激光发射器/检测器104可以被配置 为传感器并且HCG透镜108于是可以被配置为聚焦准直的激光束206'（在这种情况下，是 朝着光学设备200a传播的激光束）。由此，发散的激光束206能够朝向被配置为检测器以 用于感测激光的设备104。
[0032] 根据一些示例，HCG透镜108用于使激光倾斜。更具体地，现在参考图2B，在HCG 层202b处的光栅元件可以被配置为使得其改变激光束（例如，激光束208或208'）传播到 其上的方向。换句话说，在该示例中，将HCG层202b构成为使得光路112引入激光束208、 208'的传播角度β的改变。在该示例中，激光发射器/检测器104可以用于发射发散的激 光束20