集成亚波长光栅元件的制作方法
【专利摘要】一种集成亚波长光栅元件包括：形成在光电子基板层上方的透明层以及形成在被布置于该透明层上的光栅层中的亚波长光栅元件。该亚波长光栅元件与该光电子基板层内的光电子组件的有效区对准地形成。该亚波长光栅元件影响穿过所述光栅元件与所述有效区之间的光。还提供一种用于形成集成亚波长光栅元件的方法。
【专利说明】集成亚波长光栅元件
【背景技术】
[0001]光学引擎常常用来以高速率传送电子数据。光学引擎包括硬件，该硬件用于将电信号传送至光信号、发送此光信号、接收该光信号以及将此光信号转换回电信号。当该电信号用于调制诸如激光器的光源器件时，该电信号被转换成光信号。然后，来自该源的光被率禹合到诸如光纤的光传输介质内。在经过各种光传输媒介穿越光网络并到达其目的地之后，该光被耦合到诸如检测器的接收器件内。然后，检测器基于所接收的光信号产生电信号，以供数字处理电路使用。
[0002]利用光学引擎的电路通常被称为光子电路。组成光子电路的各种元件可以包括光波导、光放大器、激光器和检测器。在光子电路中使用的一个常见元件是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。典型地，多个VCSEL形成单个芯片，并且用作光传输电路的光源。典型地，利用透镜系统将VCSEL发射的光聚焦到光传输介质内。此外，诸如光电检测器之类的光检测器件经常形成在该芯片内。还利用透镜系统将光引向那些光检测器件。然而，制造和对准这样的透镜系统是成本高且耗时的复杂过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0003]附图图示了本文描述的原理的各个示例，并且是本说明书的一部分。这些图仅仅是示例，并不限制权利要求的范围。
[0004]图1是示出根据本文描述的原理的一个示例的说明性光学系统的图。
[0005]图2A和图2B是示出根据本文描述的原理的一个示例的集成亚波长光栅元件的形成的剖视图。
[0006]图3是示出根据本文描述的原理的一个示例的说明性亚波长光栅元件的图。
[0007]图4是示出根据本文描述的原理的一个示例的、用于对光进行准直的说明性集成亚波长光栅元件的剖视图。
[0008]图5是示出根据本文描述的原理的一个示例的、用于以一角度对光进行准直的说明性集成亚波长光栅元件的剖视图。
[0009]图6是示出根据本文描述的原理的一个示例的、用于将入射束分离成沿两个确切方向投射的两个准直光束的说明性集成亚波长光栅元件的剖视图。
[0010]图7是示出根据本文描述的原理的一个示例的说明性堆叠集成亚波长光栅元件的图。
[0011]图8是示出根据本文描述的原理的一个示例的、具有用于多个光电子组件的多个亚波长光栅的说明性集成电路芯片的图。
[0012]图9是示出根据本文描述的原理的一个示例的、用于形成集成亚波长光栅元件的说明性方法的流程图。
[0013]在附图中，相同的附图标记代表相似但不一定相同的兀件。
【具体实施方式】[0014]如上面提到的，诸如VCSEL和光电检测器之类的多个光电子组件典型地被形成在单个芯片中，并且用作用于光传输电路的光源或接收器。在光电子组件是VCSEL的情况下，则使用透镜系统将由VCSEL发出的光聚焦到光传输介质中。然而，制造和对准这样的透镜系统是成本高且耗时的复杂过程。
[0015]鉴于此问题以及其它问题，本说明书公开了用于被集成到其中形成有光电子组件的芯片上的光学元件的方法和系统。光学元件是指影响光的传播的元件，如光栅元件。根据某些说明性示例，在其上形成有光电子组件的基板上沉积透明层(即，氧化物层)。然后，在该透明层上形成光栅层。然后，可以将亚波长光栅元件形成在该光栅层中的适当位置，使那些亚波长光栅元件与光电子组件的有效区对准。有效区指光电子组件的用于发射或检测光的那部分。
[0016]亚波长光栅元件是其中光栅之间的间距小于穿过该光栅元件的光的波长的元件。亚波长光栅元件可以被设计为模拟传统透镜的行为。具体地，可以根据需要，对光进行准直、聚焦、分离、弯曲和重定向。此外，由于亚波长光栅元件的平面特性，可以堆叠具有附加光栅层的附加透明层，以允许对从VCSEL发出的光进行更多的控制。
[0017]通过使用体现本文描述的原理的方法和系统，光学元件可以直接被制造在其上形成有光电子组件的集成电路芯片上。因此，从诸如VCSEL的光电子组件发出的光可以被聚焦到各种光传输介质中，或者可以被配置为进行自由空间传播，而无需使用复杂的且成本高的透镜对准步骤。此外，可以在没有上述成本高的透镜对准步骤的情况下，将光聚焦到诸如光电检测器的光电子组件上。
[0018]在以下描述中，为了解释的目的，许多具体的细节被阐述，以便提供关于本发明的系统和方法的全面理解。然而，对本领域技术人员来说，本发明的设备、系统和方法可以在没有这些具体细节的情况下实践，这将是显而易见的。说明书中对“示例”或类似语言的引用意味着关于该示例描述的特定特征、结构、或特性正如所描述的那样包括在内，但是可能不包括在其它示例中。
[0019]现在参照附图，图1是示出光学系统(100)的图。根据某些说明性示例，光学系统
(100)包括光电子组件(102)。光电子组件可以是诸如VCSEL的源器件，或者是诸如光电检测器的光接收器件。透镜系统(106)典型地被用于在光电子组件(102)与光传输介质(108)之间耦合光(110，112)。
[0020]例如，如果该光电子组件是VCSEL，那么有效区(104)将光(110)投射到透镜系统
(106)内。透镜系统(106)可包括若干个被设计为以预定方式影响光的透镜。具体地，透镜系统(106)基于多种因素将光(112)聚焦到光传输介质(108)内，多种因素包括系统内透镜的曲率、透镜之间的距离以及光电子组件(102)的性质。透镜系统(106)的使用涉及该透镜系统在光电子组件(102)与光传输介质(108)之间的精确位置。这个精度使制造工艺复杂，从而增加了成本。
[0021]鉴于这一问题，本说明书公开了用于制造光学元件的方法和系统，其中光学元件可以以单片形式直接集成在芯片上。因此，该芯片本身根据芯片的设计用途包括用于聚焦光的光学元件。贯穿本说明书和所附权利要求，术语“亚波长光栅元件”应被理解为其中光栅特征的尺寸小于穿过该光栅元件的光的波长的光学元件。
[0022]图2A和图2B是示出集成光栅元件的形成的剖视图。图2A是形成在光电子基板(216)中的VCSEL的剖视图(200)。光电子基板(216)是其中形成有大量诸如VCSEL或光电检测器的光电子组件的集成电路芯片的一部分。根据某些说明性示例，形成在光电子基板
(216)中的VCSEL包括形成在η型半导体基底层(202)上的大量η型布拉格反射层(206)。
[0023]然后，在η型布拉格反射层(206)上方形成大量P型布拉格反射层(210)，其中在η型布拉格反射层(206)与P型布拉格反射层(210)之间具有量子阱(208)。ρ型布拉格反射层(210)形成在附加基板层(204)中。当利用一组金属接触件(未示出)在P型布拉格反射层(210)与η型布拉格反射层(206)之间施加电流时,光沿与光电子基板(200)垂直的方向从VCSEL的量子阱(208)发出。通过对该电信号进行调制，经调制的光束可以用来通过所发出的光束携带信号。
[0024]图2Β是示出其上形成有亚波长光栅元件的光电子基板(216)的说明性剖视图
(220)的图。根据某些说明性示例，透明层(214)直接形成在VCSEL基板上。透明层(210)可以由氧化物材料制成。透明层(214)还可以充当平坦化层。具体地，由于制造工艺的原因，光电子基板(216)的不同区域可位于不同的平面上。例如，光电子基板(216)的形成有VCSEL的位置，与光电子基板(216)的其它区域相比，可位于不同的平面上。
[0025]然后，在透明层(214)上形成光栅层(212)。通过诸如蚀刻的各种制造工艺，在光栅层中形成特定图案的孔，以便得到亚波长光栅元件。通过非周期性地改变光栅特征的尺寸和间距，亚波长光栅元件可以被设计为充当透镜。例如，亚波长光栅元件可以被设计为对从VCSEL中发出的光进行准直。可替代地，亚波长光栅元件可以被配置为对光进行聚焦。除了对光进行准直之外，亚波长光栅元件可以被设计为对从VCSEL中发出的光束进行分离，并且沿具体方向重定向每个子光束。
[0026]图3是示出亚波长光栅元件(300)的说明性俯视图的图。根据某些说明性示例，亚波长光栅元件(300)是形成在光栅层(310)中的二维图案。光栅层(310)可以由诸如硅或锗的单元素半导体构成。可替代地，该光栅层可以由诸如II1-V族半导体的化合物半导体构成。罗马数字III和V表示元素周期表的IIIa和Va列中的元素。
[0027]如以上所描述，光栅层(310)形成在透明层(例如图2的210)之上。可以选择光栅层(310)的材料，使其具有比下面的透明层高的折射率。由于光栅层与透明层之间相对大的折射率差，该亚波长光栅兀件可以被称为闻对比度亚波长光栅兀件。
[0028]可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)相容的技术将光栅图案形成在光栅层(310)内，以形成亚波长光栅元件。例如，可以通过使用晶片键合或化学或物理气相沉积在透明层的平坦表面上沉积光栅层(310)，来制造亚波长光栅元件(300)。然后，可以使用光刻技术来去除光栅层(310)的多个部分，以暴露下面的透明层(304)。除去光栅层(310)的多个部分会留下多个光栅特征(302)。在图3的示例中，光栅特征(302)是柱。然而，在一些情况下，光栅特征可以是槽。
[0029]光栅特征(302)的中心之间的距离被称为栅格常数(308)。对栅格常数(308)进行选择，使得亚波长光栅元件不以不希望的方式散射光。不希望的散射可以通过适当地选择栅格常数来防止。亚波长光栅还可以是非周期的。也就是说，光栅特征的参数，如柱的直径或槽的宽度，可以跨亚波长光栅元件(300)的区域改变。光栅特征(302)的尺寸(306)和栅格常数(308)的长度小于由VCSEL产生的穿过亚波长光栅元件的光的波长。
[0030]可以对栅格常数(308)和光栅特征参数进行选择，使得可以使亚波长光栅元件(300)执行特定功能。例如，亚波长光栅元件(300)可以被设计为以特定方式聚焦光。可替代地，亚波长光栅元件(300)可以被设计成对光进行准直。此外，亚波长光栅元件可以使经准直的光束倾斜特定的角度。在一些情况下，亚波长光栅元件可以分离或弯曲光束。关于亚波长光栅元件的方法的更多细节可以在例如2011年10月27号公布的美国专利公布N0.2011/0261856 中找到。
[0031]图4是示出用于对光进行准直的说明性集成光栅元件(400)的剖视图。根据某些说明性示例，从光电子组件(即，VCSEL)的有效区(402)发出的光朝着亚波长光栅元件(412)投射穿过透明层(406)。亚波长光栅元件(412)形成在有效区(402)正上方的光栅层(408)中。当从VCSEL投射的光(404)穿过亚波长光栅元件时，该光变成准直光(410)。然后，准直光(410)如正常那样传播穿过自由空间，或者传播穿过紧靠光栅层(408)放置的任何其它光传输介质。
[0032]可替代地，光电子组件可以是源器件。在此情况下，光电检测器形成在集成电路芯片的表面中。光电检测器的有效区是用于检测光并且基于射到该光电检测器上的光的调制产生交流电信号的材料。在这种情况下，亚波长光栅元件(412)可以被设计为接收准直光，并且使该光经过透明层(406)聚焦到光电检测器的有效区(402)上。
[0033]图5是示出用于以一角度对光进行准直的说明性集成亚波长光栅元件(500)的剖视图。根据某些说明性示例，从光电子组件的有效区(502)发出的光朝着亚波长光栅元件(512)投射穿过透明层(504)。亚波长光栅元件(512)形成在有效区(502)正上方的光栅层(506)中。当从VCSEL投射的光(508)穿过亚波长光栅元件(512)时，其变成准直光(510)。此外，以不同的角度对准直光(510)进行重定向。然后，倾斜的准直光(510)如正常那样传播穿过自由空间，或者传播穿过靠近光栅层(506)放置的任何其它光传输介质。
[0034]图6是示出用于将入射光束分离成沿两个确切方向投射的两个准直光束的说明性集成亚波长光栅元件(600)的剖视图。根据某些说明性示例，从光电子组件(即，VCSEL)的有效区(602)发出的光朝着亚波长光栅元件(612)投射穿过透明层(604)。亚波长光栅元件(612)形成在有效区(602)正上方的光栅层(608)中。当从VCSEL投射的光(608)穿过亚波长光栅元件(612)时，其变成准直光(610)。此外，以多个角度对准直光(610)进行重定向。然后，倾斜的准直光(610)如正常那样传播穿过自由空间，或者传播穿过靠近光栅层(606)放置的任何其它光传输介质。
[0035]一个光束(610-1)以第一角度传播，而另一光束(610-2)以不同的角度传播。这有效地复制了可通过从有效区(602)发出的光携带的光学信号。这些光束中的每一个可以准确地指向目标现场(614)。例如，第一光束(610-2)可以投向第一目标现场(614-1)，而第二光束(610-2)投向第二目标现场(614-2)。目标现场(614)可以是用于对倾斜的准直光(610)进行聚焦或重定向的附加亚波长光栅元件。在一些情况中，准直光束(610)可以被分离成两个以上的光束。
[0036]图7是示出说明性堆叠集成光栅元件(700)的图。根据某些说明性示例，可以堆叠其上形成有附加光栅层的附加透明层。当光穿过每个光栅元件时，其将进一步被调整，以达到最终预定的配置。
[0037]在一个示例中，光(714)从形成在光电子基板中的VCSEL的有效区(702)发出。该光传播通过第一透明层(704)，到达形成在第一光栅层(710)中的第一亚波长光栅元件(720)。然后,第一亚波长光栅兀件(720)根据该第一亚波长光栅兀件(720)的光栅图案改变此光。在该示例中，第一亚波长光栅元件(720)的光栅图案稍微地扩展该光束。
[0038]在穿过第一亚波长光栅兀件(720)之后，光(716)传播通过形成在第一光栅层(710)之上的第二透明层(706)。该第二透明层(706)实际上充当间隔器。光(716)传播通过第二透明层(706)，直至其到达形成在第二光栅层(712)中的第二亚波长光栅元件(722)。该第二亚波长光栅元件(722)被设计为对光束进行准直。
[0039]在穿过第二亚波长光栅元件(722)之后，该准直光经过毗邻第二光栅层(712)放置的第三透明层(708)。在一个示例中，第三透明层(708)是被设计为传播准直光(718)的光传输介质。在一些情况中，第三透明层(708)可以是未被制造在第二光栅层(712)上的可拆卸的一种装备。相反，第三透明层(708)可以邻接第二光栅层(712)，以便允许准直光(718)被耦合到第三透明层(708)中。
[0040]可以使用附加透明层和光栅层来形成附加堆叠层。在一个示例中，第一层可以将光束分离成以两个或更多个确切的角度投射的两个准直光束。随后的光栅层可以包括与第一光栅层的这一个亚波长光栅元件对应的两个亚波长光栅元件。第二层的这两个亚波长光栅元件中的每一个可以使准直束变直。然后，随后的光栅层可以包括两个亚波长光栅元件，以将这些光束中的每一个聚焦到靠近最终光栅层放置的不同光传输介质中。
[0041 ] 在本说明书全文中例示的亚波长光栅元件和堆叠配置不旨在是体现本文描述的原理的所有配置的详尽叙述。可以利用其它各种堆叠组合来执行期望的光学功能。此外，特定芯片可以包括与形成在该芯片中的光电子组件的有效区对准的亚波长光栅元件的阵列。这些亚波长光栅元件中的每一个可以根据设计目的改变。
[0042]图8是示出具有用于多个光电子组件(802)的多个亚波长光栅元件(808)的说明性集成电路芯片(800)的图。根据某些说明性示例，光电子组件(802)的阵列形成在光电子基板(804)中。透明层(806)覆盖光电子组件(802)的阵列。亚波长光栅(808)的阵列形成在透明层(806)上的光栅层中。每个亚波长光栅(808)与光电子组件(802)的有效区对准地形成。此外，每个亚波长光栅元件(808)可以被设计为以不同的方式影响来自其对应的光电子组件(802)的光，以满足各种设计目的。
[0043]形成具有对应的亚波长光栅元件(808)的光电子组件(802)的阵列，提供了成本较低的、更小型的集成电路。这是因为不使用复杂的透镜系统。相反，光学元件被直接制造到集成电路芯片上。
[0044]图9是示出用于形成集成光栅元件的说明性方法的流程图。根据某些说明性示例，该方法包括:在光电子基板层上形成透明层(框902);在该透明层上形成光栅层(框804);以及在该光栅层中形成与该光电子层内的光电子组件的有效区对准的亚波长光栅元件，该亚波长光栅元件影响从该有效区发出的光(框806)。
[0045]总之，通过使用体现本文描述的原理的方法和系统，光学元件可以直接被制造在其上形成有光电子组件的集成电路芯片上。因此，从光电子组件(如VCSEL)中发出的光可以被聚焦到各种光传输介质中，或者被配置为进行自由空间传播，而无需使用复杂的且成本高的透镜对准步骤。此外，可以在没有上述成本高的透镜对准步骤的情况下，将光聚焦到光电子组件(如光电检测器)上。
[0046]提供了前面的描述，仅为了说明和描述所描述的原理的示例。该描述不旨在是详尽的或将这些原理局限于所公开的任何精确形式。鉴于上面的教导，许多修改和变化是可能的。
【权利要求】
1.一种集成亚波长光栅兀件，包括: 透明层，形成在光电子基板层上方； 亚波长光栅元件，形成在被布置于所述透明层上的光栅层中，并与所述光电子基板层内的光电子组件的有效区对准，所述亚波长光栅元件影响穿过所述有效区与所述亚波长光栅元件之间的光。
2.根据权利要求1所述的集成光栅元件，其中所述光栅图案包括以预定方式影响光的二维非周期性变化的光栅特征参数。
3.根据权利要求1所述的集成光栅元件，其中所述光栅图案用于促使所述光栅元件进行以下中的一种:对所述光进行准直，对所述光进行聚焦，对所述光进行分离，对所述光进行弯曲，以及对所述光进行透射。
4.根据权利要求1所述的集成光栅元件，其中所述透明层包括氧化物层。
5.根据权利要求1所述的集成光栅元件，进一步包括: 多个光电子组件，形成在所述光电子基板层中；以及 多个亚波长光栅元件，形成在所述光栅层中，所述多个亚波长光栅元件与所述光电子组件的有效区对准。
6.根据权 利要求1所述的集成光栅元件，进一步包括:毗邻所述光栅层放置的附加透明间隔层，所述附加透明间隔层包括形成在所述透明间隔层的与毗邻所述光栅层的一侧相对的一侧上的第二光栅层，所述第二光栅层包括与所述有效区对准的第二亚波长光栅元件。
7.根据权利要求1所述的集成光栅元件，其中所述光电子元件基板的所述有效区包括以下中的一种:垂直腔面发射激光器(VCSEL)和光传感器件。
8.一种用于形成集成亚波长光栅元件的方法，所述方法包括: 在光电子基板层上方形成透明层； 在所述透明层上形成光栅层； 在所述光栅层中形成与所述光电子层的光电子组件的有效区对准的亚波长光栅元件，所述亚波长光栅元件影响穿过所述光栅元件与所述有效区之间的光。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述光栅图案包括以预定方式影响光的二维平面非周期性变化的光栅特征参数。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述光栅图案被配置为进行以下中的一种:对所述光进行准直，对所述光进行聚焦，对所述光进行分离，对所述光进行弯曲，以及对所述光进行透射。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述透明层包括氧化物层。
12.根据权利要求8所述的方法，进一步包括: 在所述光电子基板层中形成多个光电子组件；以及 在所述光栅层中蚀刻多个亚波长光栅兀件，所述多个亚波长光栅兀件与所述多个光电子组件的有效区对准。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括:毗邻所述光栅层放置附加透明间隔层，所述附加透明间隔层包括形成在所述透明间隔层的与毗邻所述光栅层的一侧相对的一侧上的第二光栅层，所述第二光栅层包括与所述有效区对准的第二亚波长光栅元件。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述光栅层用于影响所述光，使所述光传播通过光传输介质。
15.—种集成电路芯片,包括: 垂直腔面发射激光器(VCSEL)基板层，包括在其中形成的VCSEL的阵列； 平坦化透明层，形成在所述VCSEL上方；以及 光栅层，包括在其中形成的亚波长光栅元件的阵列，所述亚波长光栅元件与所述VCSEL的阵列的有效区对准， 其中，所述亚波长光栅 元件用于影响从所述有效区发出的光。
【文档编号】H01S5/183GK103999304SQ201280062622
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年1月18日 优先权日:2012年1月18日
【发明者】戴维·A·法塔勒, 雷蒙德·G·博索雷, 马科斯·菲奥伦蒂诺, 保罗·凯斯勒·罗森伯格, 特雷尔·莫里斯 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业