基于亚波长光栅的光学元件的制作方法
【专利摘要】公开了控制自由空间中的透射光的折射的平面偏振不敏感的光学元件。在一方面，一种光学元件，包括：基底，具有平面表面；以及偏振不敏感的高对比度亚波长光栅，由从所述平面表面延伸的柱子构成。所述光栅具有至少一个区域。在每一个区域内，所述柱子的横截面尺寸和/或所述柱子的点阵布置非周期性地改变，以控制透射通过所述光学元件的光的折射。
【专利说明】基于亚波长光栅的光学元件
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及亚波长光栅。
【背景技术】
[0002]近年来，已经出现了微尺度和纳尺度光子器件和光子互连部作为对高性能计算系统的传统导线、缆线和导电通道(conducting channel)的潜在的高速、低功率替代。光子器件包括半导体激光器、调制器、以及探测器，并且光子互连部包括光波导和耦合器。激光器和调制器能够用于在输送计算系统处执行电子-光学信号转换。通过光子互连部将光学信号输送至在接收计算系统处执行光学-电子信号转换的探测器。除提供高速、低功率优点外，能够以CMOS兼容的技术来制造许多光子器件和互连部，使得能够以低的成本来实现批量生产并且以微电子器件进行封装。
[0003]虽然已经研发了许多光子技术来使得能够进行基于波导的光学通信，但是自由空间光学通信仍然是个挑战。例如，自由空间光学信号可以用于在层叠的光学和电子器件之间传输数据。遗憾的是，制造小型化的透镜并将其与光子器件集成以控制光学信号的方向和焦距的成本是令人望而却步的并且是耗时的。结果，计算机工业继续寻求自由空间光学通信中的能够使用CMOS兼容的技术以低成本来批量生产的进步。
【专利附图】
【附图说明】
[0004]图1A-1B分别示出了范例光学元件的等距和顶视图；
[0005]图2示出了对于由柱子的六角点阵构成的亚波长光栅的反射和透射系数以及透射相位的范例图示；
[0006]图3A-D示出了亚波长光栅二维点阵类型的四个范例；
[0007]图4示出了配置为以期望的透射角偏转透射光的范例光学元件的顶视图；
[0008]图5示出了图4中所示的光学元件的横截面视图，描绘了透射相位；
[0009]图6示出了图4中所示的光学元件的沿线A-A的横截面视图，描绘了平面入射波前和平面透射波前的瞬像(snapshot)；
[0010]图7示出了配置为作为球面聚焦透镜操作的范例光学元件的顶视图；
[0011]图8示出了图7中所示的光学元件的沿通过光学元件的中心的线的横截面视图，描绘了透射相位；
[0012]图9示出了对于图7中所示的光学元件的仿真的透射相位、期望的透射相位、以及柱子位置的图示；
[0013]图10示出了图7中所示的光学元件的横截面视图，描绘了平面入射波前和透射波前的瞬像；
[0014]图11示出了配置为作为柱面聚焦透镜操作的范例光学元件的顶视图；
[0015]图12示出了图11中所示的光学元件的横截面视图，描绘了透射相位；
[0016]图13A-13B示出了具有集成光学元件的范例光电子器件的等距和横截面视图；[0017]图14示出了范例第一电路板和范例第二电路板的等距视图；
[0018]图15示出了范例第一电路板和范例第二电路板的等距视图；
[0019]图16A示出了范例电路板的等距视图；
[0020]图16B示出了图16B中所示的光电子器件的横截面视图；
[0021]图17A-17B示出了范例波导耦合器的等距和侧视图。
【具体实施方式】
[0022]公开了控制自由空间中的透射光的折射的平面偏振不敏感的光学元件。光学元件包括基底和由从基底的平面表面垂直延伸的柱子的薄的二维阵列构成的亚波长光栅(“SWG”)。柱子的点阵常数和横截面尺度选择为使得以期望的波前形状和/或方向透射光。能够使用CMOS兼容的技术来制造SWG，并将SWG与光子器件集成以聚焦和引导由该器件生成的光的自由空间路径。
[0023]如下地组织【具体实施方式】。在第一分部中提供偏振不敏感的光学元件的总体描述，其后是在第二分部中提供的SWG图案的各种范例的描述。在第三分部中提供光学元件的范例实施方式的概述。
[0024]在以下描述中，术语“光”指波长在电磁谱的可见和不可见部分中的电磁辐射，包括电磁谱的红外和紫外部分。
[0025]亚波长光柵
[0026]图1A-1B分别示出了范例光学元件100的等距和顶视图。元件100包括安置于基底106的平面表面104上的盘形SWG102。图1B包括SWG102的区域110的放大视图108和沿线A-A的区域110的横截面视图112。视图108和112揭示了 SWG102由从表面104大致垂直地延伸的圆柱柱子的二维六角点阵构成。柱子的六角点阵的特征在于具有由Λ标记的点阵常数的等边三角形单胞(unit cell) 144，点阵常数对应于任意对相邻柱子的中心之间的距离。
[0027]SWG102能够由单元素半导体或化合物半导体构成，单元素半导体诸如是硅(“Si”)和锗(“Ge”)，化合物半导体诸如是II1-V化合物半导体，其中，罗马数字III和V描绘元素周期表的IIIa和Va列中的元素。II1-V化合物半导体能够由诸如铝(“Al ”)、镓(“Ga”)、和铟(“In”)的IIIa列元素与诸如氮(“N”)、磷(“P”)、砷(“As”)、和锑(“Sb”)的Va列元素的组合构成。也能够根据III和V元素的相对量对II1-V化合物进行进一步的分类。例如，二元半导体化合物包括具有经验结构式GaAs、InP、InAs,以及GaP的半导体；三元化合物半导体包括具有经验结构式GaAsyPl_y的半导体，其中y在从大于O至小于I的范围中；而四元化合物半导体包括具有经验结构式InxGahAsyPh的半导体，其中x和y独立地在从大于O至小于I的范围中。其它类型的合适的化合物半导体包括I1-VI材料，其中II和VI描绘周期表的IIb和VIa列中的元素。例如，CdSe, ZnSe, ZnS,以及ZnO是示范性二元I1-VI化合物半导体的经验结构式。
[0028]基底104能够由具有比SWG102相对低的折射率的材料构成。例如，基底106能够由石英、二氧化硅(“Si02”)、氧化铝(“A1302”)、或聚合物构成。
[0029]光学元件是紧凑的，并且能够利用用于制造微电子器件的许多相同的CMOS兼容的技术来制造光学元件。例如，能够通过使用晶片接合或化学或物理气相沉积将半导体层沉积在基底的平面表面上来制造光学元件。能够使用光刻法、纳米压印平版印刷(nanoimprint lithograph)、反应例子刻蚀、或棍到棍处理来形成包括SWG的柱子。[0030]由于包括SWG102的材料的折射率与基底106的折射率之间的相对高的对比度(这能够通过形成柱子，使得基底106的部分暴露于柱子之间来建立，如横截面视图112中示出的)，所以SWG102是高对比度SWG。例如，当与波长632.8nm的光相互作用时，能够用于形成SWG102的元素半导体和许多II1-V化合物半导体具有大于大致3.5的有效折射率。相比而言，在与具有相同波长632.8nm的光相互作用时,用于形成基底106的石英、Si02、以及聚丙烯酸酯具有小于大致1.55的有效折射率。
[0031]SWG102的点阵常数Λ选择为使得光学元件100不以不想要的方式将光散射到基底中。能够通过基于下式给出的无散射限制选择点阵常数来防止不想要的散射:
【权利要求】
1.一种光学元件，包括: 基底，具有平面表面；以及 偏振不敏感的高对比度亚波长光栅，由从所述平面表面延伸的柱子构成，所述光栅具有至少一个区域，其中，所述柱子的横截面尺寸和/或所述柱子的点阵布置非周期性地改变，以控制透射通过所述光学元件的光的折射。
2.如权利要求1所述的元件，其中，所述柱子的所述点阵布置还包括具有至少一个二维规则几何结构的点阵布置的柱子。
3.如权利要求1所述的元件，其中，每一个区域内所述柱子的所述横截面尺寸非周期性地改变还包括:每一个区域内所述柱子的所述横截面尺寸在与所述平面表面平行的第一方向上非周期性地且系统地改变并且所述柱子的所述横截面尺寸在与所述平面表面平行的第二方向上恒定，所述第二方向垂直于所述第一方向。
4.如权利要求1所述的元件，其中，每一个区域内所述柱子的所述横截面尺寸非周期性地改变还包括:每一个区域内所述柱子的所述横截面尺寸随远离所述光栅的中心而非周期性地且系统地改变。
5.如权利要求1所述的元件，其中，每一个区域内所述柱子的横截面尺寸非周期性地改变还包括对所述至少一个区域中的每一个区域重复所述柱子的所述横截面尺寸的非周期性且系统的改变。
6.如权利要求1所述的元件，还包括所述柱子具有选自以下形状的横截面形状:圆形的、椭圆形的、方形的、矩形的、三角形的、或不规则的。
7.如权利要求1所述的元件，其中，所述光栅还包括满足以下条件的厚度
Λ t<---
VjSWO ~ns ), 其中，t为所述光栅的所述厚度，λ为光的波长，并且nswe为所述光栅在波长λ处的有效折射率。
8.如权利要求1所述的元件，其中，所述柱子非周期性地改变还包括:所述柱子在每一个区域内非周期性地且系统地改变，以聚焦透射光。
9.如权利要求1所述的元件，其中，所述柱子非周期性地改变还包括:所述柱子在每一个区域内非周期性地且系统地改变，以便以非零透射角偏转透射光。
10.一种波导耦合器，包括: 基底，包括平面区域和连接至波导的绝热渐缩区域；以及 偏振不敏感的高对比度亚波长光栅，安置于所述平面区域上并且被根据权利要求1配置。
11.一种光电子器件，包括: CMOS封装结构，包括光电探测器； 光学互连层，包括接收光的波导；以及 偏振不敏感的高对比度亚波长光栅，安置于所述CMOS封装结构与所述光学互连层之间并且被根据权利要求1配置。
12.一种光电子器件，包括:光源；以及 通过间隙与所述光源分开的光学元件，其中，所述光学元件包括从基底的平面表面延伸的柱子的偏振不敏感的亚波长光栅，所述光栅具有至少一个区域，其中，所述柱子的横截面尺寸和/或所述柱子的点阵布置非周期性地改变，以控制从所述光源发射的光的折射。
13.如权利要求12所述的器件，其中，每一个区域内所述柱子的所述横截面尺寸非周期性地改变还包括:每一个区域内所述柱子的所述横截面尺寸在与所述平面表面平行的第一方向上非周期性地且系统地改变并且所述柱子的所述横截面尺寸在与所述平面表面平行的第二方向上恒定，所述第二方向垂直于所述第一方向。
14.如权利要求12所述的器件，其中，每一个区域内所述柱子的所述横截面尺寸非周期性地改变还包括:每一个区域内所述柱子的所述横截面尺寸随远离所述光栅的中心而非周期性地且系统地改变。
15.如权利要求12所述的器件，其中，每一个区域内所述柱子的横截面尺寸改变还包括:对所述至少一个区域中 的每一个区域重复所述柱子的所述横截面尺寸的非周期性且系统的改变。
【文档编号】G02B26/00GK103547956SQ201180071008
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2011年4月20日 优先权日:2011年4月20日
【发明者】D·A·法塔勒, M·菲奥伦蒂诺, R·G·博索莱伊, 李晶晶 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业