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CN103999303B - 集成亚波长光栅系统 - Google Patents

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CN103999303B
CN103999303B CN201280061237.XA CN201280061237A CN103999303B CN 103999303 B CN103999303 B CN 103999303B CN 201280061237 A CN201280061237 A CN 201280061237A CN 103999303 B CN103999303 B CN 103999303B
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保罗·凯斯勒·罗森伯格
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Abstract

一种集成光栅元件系统包括：形成于光电子基板层上的第一透明层，该光电子基板层包括至少两个光电子组件；布置在该第一透明层上的第一光栅层，该第一光栅层包括形成于该第一光栅层中的、与光电子组件的有效区对准的至少两个亚波长光栅元件；以及第二光栅层，与该第一光栅层相隔一段距离，使得光在形成于该第二光栅层内的衍射光栅元件与至少两个亚波长光栅元件之间传播。

Description

集成亚波长光栅系统
背景技术
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，来自该源的光被耦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，该光被耦合到诸如光电检测器的接收器件内。然后，光电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。
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组件可以包括光波导、光放大器、激光器和检测器。在光子电路中使用的一个常见组件是垂直腔表面发射激光器(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。
该透镜系统也可以用作复用器或解复用器。这些组件可被用于采用波分复用(WDM)技术的光网络。WDM技术允许通过单个光纤传输若干个波长的光。这提供了跨单个光纤的若干个通信信道，从而允许较大的带宽。带宽是指在特定的时间单元期间可被传输的数据量。在WDM系统中，复用器被用于在多个传输介质之间分离信号，而解复用器用于将多个信号合并回到单个传输介质中。
附图说明
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。
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。
图2是示出根据本文描述的原理的一个示例的说明性集成亚波长光栅系统的图。
图3是示出根据本文描述的原理的一个示例的亚波长光栅系统的说明性俯视图的图。
图4是示出根据本文描述的原理的一个示例的用作复用器的说明性集成亚波长光栅系统的图。
图5是示出根据本文描述的原理的一个示例的用作解复用器的说明性集成亚波长光栅系统的图。
图6是示出根据本文描述的原理的一个示例的具有薄的透明层和用于增大角度扩度的反射表面的说明性集成亚波长光栅系统的图。
图7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系统的说明性方法的流程图。
在附图中，相同的附图标记代表相似但不一定相同的元件。
具体实施方式
如上面提到的，透镜系统和诸如光栅或棱镜的其它组件，典型地作为复用器用于根据波长分离光。此外，光学元件的系统用于将多个波长的信号合并到单个光传输介质中。使用这种光学系统消耗相对大量的空间。另外，制造这样的透镜系统是复杂的、昂贵的，并且可能占用相对大量的空间。
鉴于这种问题和其它问题，本说明书公开一种集成亚波长光栅系统，其可以以单片形式在多个光电子组件与单个点之间传导光。光电子组件是指诸如VCSEL的光源器件或诸如光电检测器的光检测器件。
根据特定说明性示例，集成电路芯片包括形成于光电子基板内的多个光电子组件。透明层被直接布置在光电子基板之上，以覆盖光电子组件。在透明层之上形成光栅层。亚波长光栅元件形成在光栅层内，与形成于光电子基板内的光电子组件的有效区对准。如将在下面更详细地描述的，这些亚波长光栅元件的图案使光栅元件充当类似于透镜的作用，这是因为光栅元件能够聚焦、准直、或重定向光束。
第二透明层形成在第一光栅层之上。然后，第二光栅层形成在该第二透明层之上。然后，至少一个衍射光栅形成在第二光栅层内。衍射光栅可以被设计为将多个波长的入射光束分成多个方向，不同波长的光沿不同方向传播。衍射光栅和亚波长光栅被设计为使得光穿过第二透明层在这两种类型的光栅之间耦合。以这种方式，两个光栅层可以充当光复用器或光解复用器。光复用器允许多个数据流(每个使用不同波长的光)通过单个光传输介质传播。这样的光传输介质可包括但不限于玻璃纤维或聚合物波导。通过单个介质传播多个波长的光显著地提高了介质的数据容量。
如果光电子元件是诸如VCSEL的源器件，那么形成于第一光栅层内的亚波长光栅元件被设计为对入射光束进行准直和重定向，使其朝着形成于第二光栅层内的衍射光栅通过第二透明层。该衍射光栅被设计为接收该特定角度、该特定频率的光，并沿具体方向将该光引导至光栅系统之外。衍射光栅透镜被设计为接收来自多个亚波长光栅元件的不同波长的光束，并沿单一方向引导这些光束中的每一个。以这种方式，光栅系统通过将多个波长的光合并到单个光传输介质内而充当光复用器。
如果光电子元件为光检测器件，那么第二光栅层的衍射光栅被设计为将入射光束分成若干个离散光束，同时朝着该结构中的具体位置重定向每个光束。该衍射光栅和第一光栅层的亚波长光栅的定位使得来自该衍射光栅的光束被引向那些亚波长光栅。亚波长光栅的图案使得它们将从衍射光栅接收的光朝着光检测光电子组件聚焦至基板内。以这种方式，该光栅系统通过接收通过单个光传输介质传播的不同波长的光并将该光分为多个不同波长的光束，而充当解复用器。
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。
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。光电子组件(102)的有效区(104)是实际发射光或检测光的那部分。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)。
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)本身的性质。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。
鉴于这一问题，本说明书公开了用于制造多层光学元件的方法和系统，其中多层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、复用、或解复用光的光学元件。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。
图2是示出说明性集成亚波长光栅系统(200)。根据某些说明性示例，若干个光电子组件(224)形成在光电子基板(226)内。光电子基板是指光电子组件形成于其内的芯片。第一透明层(222)形成在光电子基板层(226)和形成于光电子基板层(226)中的光电子组件(224)之上。第一光栅层(212)形成在第一透明层(222)之上。第一光栅层包括与光电子组件(224)的有效区对准形成的若干个亚波长光栅元件(214，216)。第二透明层(228)形成在第一光栅层(212)之上。第二光栅层(204)形成在第二透明层(228)之上。衍射光栅元件(206)形成在第二光栅层(204)中。
光电子基板(226)可以是在标准的集成电路制造工艺中使用的标准的半导体材料。透明层(222，228)可以由任何材料制成，其中该材料允许光频段电磁辐射传播通过该材料。例如，透明层(222，228)可以由氧化物材料制成。
在图2所示的示例中，光电子组件(224)为光检测器件。因此，光栅系统充当解复用器。根据某些说明性示例，光束(202)入射到衍射光栅(206)上。此光束(202)可以包括多个波长的光。当该光束入射到衍射光栅元件(206)上时，该光束会根据波长在衍射光栅元件(206)的另一侧分离。
衍射光栅包括位于不透明材料中的若干个周期性开口。因此，光被允许仅在那些开口通过该衍射光栅。那些开口中的每一个实质上充当位于与光的入射侧相对的一侧上的点源。光在该衍射光栅的输出侧上任意点处的波前为穿过每个开口的光的组合。这些波将相长和相消，使得在某些方向由于来自每个开口的光的总和而具有最大强度。用来描述哪些角度主要传播光束的等式如下：
d(sin(Tm)-sin(Ti))＝mλ(等式1)
其中：
d＝衍射光栅的开口的直径
Tm＝光处于最大值的角度
Ti＝光入射到衍射光栅上的角度
m＝整数；以及
λ＝入射光的波长。
如从上述等式中可以注意到，不同波长将在衍射光栅元件的不同角度具有最大值。因此，如果包括多个波长的光的入射光束(202)入射到衍射光栅元件(206)上时，则不同波长的光在衍射光栅元件(206)的另一侧上将以不同的角度被引导。在这个示例中，该光束包含两个波长的光。当光束(202)穿过衍射光栅元件(206)时，一个波长的第一光束(208)以一个角度传播通过第二透明层(228)，而不同波长的第二光束(210)以不同的角度传播通过第二透明层(228)。
衍射光栅(206)相对于亚波长光栅(216)的位置使光束(208，210)基于那些波束的已知波长被导向那些亚波长光栅(214，216)。此外，基于即将入射到亚波长光栅上的光束的已知波长，亚波长光栅可以被设计为直接朝着光检测光学组件(224)重定向来自适当的角度的光。
例如，第一亚波长光栅(214)可被设计成将来自特定角度的光导向光电子组件(224-1)。具体而言，当光束(208)穿过亚波长光栅(214)时，它将变成指向光检测光电子组件(224-1)的有效区的聚焦光束(218)。同样，穿过另一个亚波长光栅(216)的光束(210)将变成指向该另一个光检测光电子组件(224-2)的有效区的聚焦光束(220)。以这种方式，不同的光电子组件(224)可以作用于可以通过相同的光传输介质同时传播的不同数据流。
图3是示出亚波长光栅元件(300)的说明性俯视图的图。这种亚波长光栅元件可如以上描述的那样使用(例如图2中的214，216)。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III-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。
如以上所描述，光栅层(310)形成在透明层之上。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，该亚波长光栅元件可以被称为高对比度亚波长光栅元件。
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。
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。
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裂或弯曲光束。关于针对特定功能设计这种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No.2011/0261856中找到。
图4是示出用作复用器(400)的说明性集成亚波长光栅系统的图。如上面提到的，光复用器用于将不同波长的不同光信号合并到相同的光传输介质中，使得这些信号可以同时通过该介质传播。
根据某些说明性示例，诸如VCSEL的多个光源(402)被设计成投射不同波长的光。来自那些VCSEL(402)的光束投向亚波长光栅的阵列(404)。该阵列内的每个亚波长光栅被特别地对准，并被设计成使来自相应VCSEL的光通过透明介质(406)导向单个点。在那单个点处，衍射光栅阵列(408)中的衍射光栅将收集该光并将其导向光传输介质(410)。
图5是示出用作解复用器(500)的说明性集成亚波长光栅系统的图。如上面提到的，光解复用器根据波长分离光束。因此，被合并到单个光传输介质中的、具有不同波长的光束于是可以被分开，用于进一步处理。
根据某些说明性示例，当多波长光束从光传输介质(502)出来时，它投向衍射光栅(504)。该衍射光栅被设计为根据波长来分离光。在传播通过透明介质(510)之后，每个单独的光束到达亚波长光栅元件阵列(506)的亚波长光栅元件。那些亚波长光栅元件于是朝着光电子检测器件(508)的阵列聚焦它们各自的光束。
在一些情况下，多个波长的光可以具有相对小的差异。因此，当穿过衍射光栅时各光束角度上的差异可能是相对小的。为了使光束足以分开从而使它们投向不同的光学元件，衍射光栅元件与亚波长光栅元件之间的透明层可以是相对厚的。但是，由于将电路和芯片设计为尽可能占用最小空间数量的共同目标，该厚度可能是不希望的。以下描述了即使离散光束之间的波长差产生相对小的角度扩度也使用相对薄的透明层的方法。
图6是示出具有薄的透明层和用于增加角度扩度的反射表面的说明性集成亚波长光栅系统(600)的图。根据某些说明性示例，多波长光束(604)从光传输介质(602)投射到形成在第二光栅层(608)中的衍射光栅元件(606)。衍射光栅元件(606)造成多波长光束根据波长进行分裂。在这个示例中，分裂导致了不同波长的两个光束(610，612)。
由于透明层(620)相对薄的性质，两个光束(610，612)在它们到达第一光栅层(618)时还没有被扩展的足够远。因此，在第一光栅层(618)内形成反射元件(614)，以使那些光束反射回去通过透明层(620)。此外，在第二光栅层(608)内形成另一个反射元件(616)，以使光束朝着第一光栅层(618)反射回去通过透明层(620)。
光从反射表面以相同的入射角度被反射。因此，当光来回反射穿过透明层(620)时，角度扩度将保持不变。在一些示例中，光束(610，612)可以在到达形成在第一光栅层(618)内的亚波长光栅元件(622，624)之前来回反射几次。
一旦到达亚波长光栅元件(622，624)，各个光束将适当地被重定向并朝着对应的光电子组件聚焦。例如，第一亚波长光栅(622)被设计成将光从第一光束(612)的接收角度导向第一光电子组件(626)。同样，第二亚波长光栅(624)被设计成将光从第二光束(610)的接收角度导向第二光电子组件(628)。
各种各样的材料可用于形成该反射元件。在一些情况下，可以蚀刻掉光栅层的多个部分，并向其填充反射层。在一些情况下，在布置光栅层之前，反射性物质可以布置在透明层上。在一些情况下，没有形成特定的反射元件。相反，光基于内部全反射进行反射。内部全反射是指其中光以相对于与表面垂直的矢量、比特定临界角大的角度撞击介质边界的过程。如果边界另一侧的折射率较低，且入射角大于临界角，则所有的光都将被反射。在这种情况下，如果透明层的边界以外的材料具有比该透明材料低的折射率，那么只要入射角大于临界角，光将在内部反射。
图7是示出用于形成集成亚波长光栅系统的说明性方法的流程图(700)。根据某些说明性示例，该方法包括：将第一透明层形成(框702)在光电子基板层上，该光电子基板层包括至少两个光电子组件；将第一光栅层形成(框704)在第一透明层上；将与光电子组件的有效区对准的至少两个亚波长光栅元件形成(框706)在第一光栅层内；在与第一光栅层相隔一段距离处形成(框708)第二光栅；以及将衍射光栅元件形成(框710)在第二光栅层内，该衍射光栅元件被对准，使得光在衍射光栅与至少两个亚波长光栅元件之间传播。
总之，通过使用体现本文所描述的原理的系统和方法，可以以单片形式在集成芯片上形成复用及解复用系统。因此，没有使用复杂的透镜系统和对准过程。这样的系统允许成本较低且更紧凑的光传输系统。
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。

Claims (15)

1.一种集成光栅元件系统，包括：
形成于光电子基板层上的第一透明层，所述光电子基板层包括至少两个光电子组件；
布置于所述第一透明层上且具有比所述第一透明层高的折射率的第一光栅层，所述光栅层包括形成于所述光栅层中的、与所述光电子组件的有效区对准的至少两个亚波长光栅元件，其中所述至少两个亚波长光栅元件的栅格常数小于穿过所述亚波长光栅元件的光的波长；以及
第二光栅层，与所述第一光栅层相隔一段距离，使得光从形成于所述第二光栅层内的衍射光栅元件传播至所述至少两个亚波长光栅元件或从所述至少两个亚波长光栅元件传播至所述衍射光栅元件。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一光栅层与所述第二光栅层之间的一段距离包括第二透明层。
3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括反射表面，所述反射表面被放置为在所述第一光栅层与所述第二光栅层之间、所述衍射光栅元件与所述亚波长光栅元件之间反射光。
4.根据权利要求1所述的系统，其中当光从所述至少两个亚波长光栅元件传播至所述衍射光栅元件时，所述至少两个光电子组件包括用于将不同波长的光投射到所述亚波长光栅元件中的光源。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述亚波长光栅元件用于朝着形成于所述第二光栅层内的所述衍射光栅元件准直和倾斜从所述光源投射的光。
6.根据权利要求1所述的系统，其中当光从所述衍射光栅元件传播至所述至少两个亚波长光栅元件时，所述至少两个光电子组件包括用于接收来自所述亚波长光栅元件的不同波长的光的光检测器件。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述衍射光栅元件用于根据波长将入射光分成多个方向，所述方向指向所述亚波长光栅元件。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述亚波长光栅元件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。
9.一种用于形成集成亚波长光栅系统的方法，该方法包括：
在光电子基板层上形成第一透明层，所述光电子基板层包括至少两个光电子组件；
在所述第一透明层上形成具有比所述第一透明层高的折射率的第一光栅层；
在所述第一光栅层中形成与所述光电子组件的有效区对准的至少两个亚波长光栅元件，其中所述至少两个亚波长光栅元件的栅格常数小于穿过所述亚波长光栅元件的光的波长；
在与所述第一光栅层相隔一段距离处形成第二光栅；以及
在所述第二光栅层中形成衍射光栅元件，所述衍射光栅元件被对准，使得光从所述衍射光栅元件传播至所述至少两个亚波长光栅元件或从所述至少两个亚波长光栅元件传播至所述衍射光栅元件。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：在所述第一光栅层与所述第二光栅层之间、所述衍射光栅元件与所述亚波长光栅元件之间反射光。
11.根据权利要求9所述的方法，其中当光从所述至少两个亚波长光栅元件传播至所述衍射光栅元件时，所述至少两个光电子组件包括用于将不同波长的光投射到所述亚波长光栅元件中的光源。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：利用所述亚波长光栅元件朝着所述衍射光栅元件准直和倾斜从所述光源投射的光。
13.根据权利要求9所述的方法，其中当光从所述衍射光栅元件传播至所述至少两个亚波长光栅元件时，所述至少两个光电子组件包括用于接收来自所述亚波长光栅元件的不同波长的光的光检测器件。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：利用所述衍射光栅元件根据波长将入射光分成多个方向，所述方向指向所述亚波长光栅元件。
15.一种集成亚波长光栅元件系统，包括：
集成电路芯片，包括：
形成于光电子基板层上的第一透明层，所述光电子基板层包括光电子组件的阵列；
布置于所述第一透明层上且具有比所述第一透明层高的折射率的第一光栅层，所述光栅层包括形成于所述光栅层内的、与所述光电子组件的有效区对准的两个亚波长光栅元件的阵列，其中所述两个亚波长光栅元件的栅格常数小于穿过所述亚波长光栅元件的光的波长；
形成于所述第一光栅层上的第二透明层；以及
形成于所述第二透明层上的第二光栅层，所述第二光栅层包括衍射光栅元件的阵列，每个衍射光栅元件被配置为耦合所述亚波长光栅元件中的至少两个之间的不同波长的光。
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