光學(xué)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可耦合光波的光學(xué)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]偏光片、透鏡或?yàn)V光片等相關(guān)光學(xué)元件通過獨(dú)立制成后，再經(jīng)由后續(xù)的封裝工藝接合至一光學(xué)系統(tǒng)中，一入射光可藉由該光學(xué)元件從一外部媒介耦合至該光學(xué)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的，在于提供一形成于光學(xué)裝置上的折射元件，可將光由一外部媒介耦合至該光學(xué)裝置。該折射元件包含一周期性結(jié)構(gòu)用來對于一入射光的一個或多個波長范圍進(jìn)行折射或?yàn)V光的功能。
[0004]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明包含一個形成于一光學(xué)媒介上的折射元件，該折射元件的表面可具有一組形成在該表面上的周期性結(jié)構(gòu)，或具有一個特定曲率半徑(凹面或凸面)用來將一入射光的一個或多個波長范圍進(jìn)行折射或?yàn)V除。
[0005]再者，本發(fā)明更可包含一個包覆在該折射元件上的覆蓋元件，且該覆蓋元件的等效折射系數(shù)低于該折射元件的等效折射系數(shù)。該覆蓋元件可由一層或多層氮化物、氧化物、空氣，或有機(jī)材料所組成。該組周期性結(jié)構(gòu)亦可具有相對應(yīng)一光軸的90度旋轉(zhuǎn)對稱性。
[0006]再者，該光學(xué)介質(zhì)更可包含一個可吸收至少一部分入射光或可發(fā)光的主動元件。該主動元件可由一層或多層硅、鍺、錫，或三五族化合半導(dǎo)體所組成。該光學(xué)裝置更可包含一個光耦合至到該折射元件的第二折射元件，且該第二折射元件具有一第二組周期性結(jié)構(gòu)。
[0007]再者，本發(fā)明更可包含一耦合至該折射元件的調(diào)變元件，且該調(diào)變元件可藉由外部提供的電場造成該折射元件內(nèi)的載子濃度或機(jī)械結(jié)構(gòu)變更，以改變該折射元件的等效折射系數(shù)。該調(diào)變元件更可包含一個P-η接面，藉由外部提供的電場以改變該折射元件的載子濃度及其等效折射系數(shù)。
[0008]在其部分實(shí)施例中，該調(diào)變元件亦可用來改變至少一部分離開該折射元件的光的指向、其聚焦深度，或改變由該折射元件的該組周期性結(jié)構(gòu)過濾后的一個或多個波長范圍。在部分實(shí)施例中，該調(diào)變元件可包含一個微電機(jī)系統(tǒng)，藉由外加電場施加機(jī)械力以改變(i)該折射元件表面的曲率半徑，(ii)該折射元件相對于該光學(xué)介質(zhì)的位置，(iii)或該折射元件相對于入射光光軸的方向。
[0009]在本發(fā)明的部分實(shí)施例中，該折射元件可具有一表面曲率，且曲率半徑是由工藝相關(guān)的應(yīng)力所造成，或可藉由一灰階光罩工藝所形成。在本發(fā)明的部分實(shí)施例中，該折射元件亦包含一周期性結(jié)構(gòu)，且該組周期性結(jié)構(gòu)所造成的聯(lián)合相位改變可用來聚焦或放焦一入射光。在本發(fā)明的部分實(shí)施例中，該組周期性結(jié)構(gòu)亦可藉由導(dǎo)波模態(tài)共振以濾除入射光的一個或多個波長范圍。舉例來說，該折射元件的周期性結(jié)構(gòu)可為一部分被氮化物，或氧化物，或空氣所填充空隙的硅層。在本發(fā)明的部分實(shí)施例中，該光學(xué)介質(zhì)的厚度可對應(yīng)于該折射元件的焦距。在本發(fā)明的部分實(shí)施例中，該折射元件亦可直接粘接至于一光學(xué)介質(zhì)上。
[0010]在本發(fā)明的部分實(shí)施例中，為了達(dá)成過濾，聚焦，放焦一個或多個入射光波長范圍，(i)該組周期性結(jié)構(gòu)中一個或多個周期性結(jié)構(gòu)可填充一種或多種與該折射元件的等效折射系數(shù)不同的材料，(ii)該組周期性結(jié)構(gòu)中的一部分結(jié)構(gòu)的孔隙半徑與其余結(jié)構(gòu)的孔隙半徑不同，或(iii)該周期性結(jié)構(gòu)中大多數(shù)的結(jié)構(gòu)具有局部的非周期性。
[0011]關(guān)于本發(fā)明的部分實(shí)施例，亦可包含下列特征。藉由半導(dǎo)體工藝，將一可折射或過濾光波的折射元件直接整合于一光學(xué)系統(tǒng)中，可降低后續(xù)的封裝及工藝的成本，且用半導(dǎo)體工藝形成的折射元件亦可和其他的光學(xué)集成電路形成于同一片晶圓(圓片)上。再者，多個可分別濾除不同波長范圍的折射元件可藉由更改其對應(yīng)的光罩設(shè)計，并使用相同的半導(dǎo)體制造流程而完成。此折射元件亦可和一主動元件(例如:鍺光感測器，硅CMOS光感測器，激光，LED，調(diào)變器..等)直接進(jìn)行整合，以符合各式應(yīng)用情境，或可動態(tài)改變其光行進(jìn)的路徑或其可通過的波長范圍。
[0012]本發(fā)明其余實(shí)現(xiàn)方式亦包含對應(yīng)的系統(tǒng)，裝置及計算機(jī)程序。該程序可執(zhí)行一方法步驟，或編程在計算機(jī)的儲存媒介。一個或多個計算機(jī)組成的系統(tǒng)可由軟件，固件，硬件或其組合形成。一個或多個計算機(jī)程序可由指令構(gòu)成，且由數(shù)據(jù)處理單元執(zhí)行對應(yīng)動作。
[0013]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
【附圖說明】
[0014]圖1A為本發(fā)明光學(xué)裝置其一實(shí)施例的示意圖。
[0015]圖1B，1C，ID為本發(fā)明光學(xué)裝置中的折射元件部分實(shí)施例示意圖。
[0016]圖1E為層疊多個折射元件的部分示意圖。
[0017]圖2A及2B為繪示本發(fā)明在光學(xué)集成電路中濾光或偏折光的部分示意圖。
[0018]圖3A-3D為折射元件中周期性結(jié)構(gòu)的部分實(shí)施例示意圖。
[0019]圖4為多個折射元件匯集成一光學(xué)集成系統(tǒng)的示意圖。
[0020]圖5A-5D為折射元件的曲面和應(yīng)力關(guān)系示意圖。
[0021]圖6A-6D為折射元件耦合至一參雜區(qū)域的示意圖。
[0022]圖7A-7B為折射元件藉由壓電效應(yīng)調(diào)控的示意圖。
[0023]圖8A-8B為折射元件藉由電容效應(yīng)調(diào)控的示意圖。
[0024]圖9為形成本發(fā)明的折射元件的部分流程圖。
[0025]在本發(fā)明圖示中，類似的圖號代表類似的元件。再者，本說明書所述的個別實(shí)施例僅為說明及描述用，而非用來限定本案發(fā)明的保護(hù)范圍。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述:
[0027]圖1A是一個光子集成電路100范例，其包括用于耦合光進(jìn)入或離開一個光子集成電路100的光學(xué)折射元件。一般來說，一個光學(xué)元件可以有一個或多個光學(xué)規(guī)格參數(shù)。在一些實(shí)施方式中，光學(xué)規(guī)格參數(shù)可以是數(shù)值孔徑，使該光學(xué)元件在一個特定的椎體角度范圍內(nèi)捕獲光。例如，單模光纖有0.14的數(shù)值孔徑。在一些實(shí)施方式中，光學(xué)規(guī)格參數(shù)可能是一個允許該光學(xué)元件發(fā)射或接收光的特定大小尺寸。例如，用于接收光的光檢測器可以具有100平方微米的檢測器區(qū)域。一般來說，光從一個光學(xué)元件傳輸?shù)搅硪还鈱W(xué)元件所造成的光學(xué)規(guī)格參數(shù)不匹配會導(dǎo)致光功率損失，而為了減少損耗，透鏡可以被用于減低兩個光學(xué)元件之間的光學(xué)規(guī)格參數(shù)不匹配。例如，透鏡可用于匹配兩個光學(xué)元件之間的數(shù)值孔徑，或可將光聚焦到具有一較小面積的光學(xué)元件上。此外，光學(xué)系統(tǒng)中傳播的光可包含多個波長，而一個光學(xué)過濾器可以用于在光學(xué)元件之間來選擇一個或多個光波長。將透鏡或?yàn)V光器與其他光學(xué)元件做集成，可減少集成的復(fù)雜性和制造成本。又將透鏡和濾光器集成為一個折射元件，亦可降低集成的復(fù)雜性和制造成本。
[0028]在本發(fā)明的部分實(shí)施例中，光子集成電路100可包括一折射元件101和一光學(xué)介質(zhì)107。一般來說，折射元件101用來折射和/或過濾從外部介質(zhì)119進(jìn)入光學(xué)介質(zhì)107的光，或從光學(xué)介質(zhì)107進(jìn)入外部介質(zhì)119的光。舉例來說，輸入的光111具有兩個波長λ I與λ 2進(jìn)入折射元件101，其中波長λ I被折射元件101濾出，而波長λ 2被折射元件101選擇并聚焦成為一個聚焦光束113進(jìn)入光學(xué)介質(zhì)107。在本發(fā)明的另外實(shí)施例中，該折射元件101亦可以被設(shè)計為選擇或過濾一個或多個其它波長，或者可被設(shè)計成執(zhí)行其他的光學(xué)功能，例如散焦或者準(zhǔn)直光束。
[0029]—般來說，折射兀件101可包括一表面103和一組周期性結(jié)構(gòu)105。該表面103具有特定曲率半徑，且其表面曲率可被用來折射入射光束，并根據(jù)Snell定律或任何適合的數(shù)值分析模型。數(shù)值分析模型的實(shí)例包括射線跟蹤模型，高斯光束模式，光束傳播法(BPM)模型，傅立葉波束傳播模型，或有限差分時域(FDTD)模型。
[0030]該組周期性結(jié)構(gòu)105可以包括一組一維、二維、三維的周期性結(jié)構(gòu)的組合來折射或過濾入射光。參照圖1A的例子，一組二維周期性結(jié)構(gòu)105可形成在折射元件101中。其周期性結(jié)構(gòu)可以包括光子晶體，光柵，或其他可以影響光耦合或?yàn)V波等光學(xué)特性的結(jié)構(gòu)。關(guān)于此周期性結(jié)構(gòu)105的其它實(shí)施例會在圖3Α至3D有更詳細(xì)地描述。
[0031]在本發(fā)明的部分實(shí)施例中，該組周期性結(jié)構(gòu)105可以產(chǎn)生導(dǎo)波模態(tài)共振(guided-mode resonance)效應(yīng)以用來折射或過濾光。在導(dǎo)波模態(tài)共振效應(yīng)中，該組周期性結(jié)構(gòu)105的折射率應(yīng)比折射元件101的主體部分、光學(xué)介質(zhì)107，和外部介質(zhì)119的折射率高，以產(chǎn)生至少一個導(dǎo)波模態(tài)在該組周期性結(jié)構(gòu)105中。該周期性結(jié)構(gòu)105中的導(dǎo)波模態(tài)與繞射模態(tài)互相干涉造成共振，因此可被用作濾光器。在一些實(shí)施方式中，一表面103的曲度及其共振條件的組合可以偏折光至不同方向。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，一個具有導(dǎo)波模態(tài)共振效應(yīng)的周期性結(jié)構(gòu)105的周期可對應(yīng)于該作用光波的波長尺寸。
[0032]在一些實(shí)施方式中，該組周期性結(jié)構(gòu)105可以產(chǎn)生等效折射率改變(effectiveindex change)效應(yīng)來折射或過濾光。在等效折射率改變效應(yīng)中，該組周期性結(jié)構(gòu)105的設(shè)計沿著折射元件101的一軸線產(chǎn)生一個等效的折射率分布。例如，該組周期性結(jié)構(gòu)105可以讓孔的直徑和/或沿著X軸和I軸的周期性作變化，以產(chǎn)生一個等效折射率分布。在一些實(shí)施方式中，彎曲表面103與等效折射率分布的組合可以偏折光至不同方向。在一些實(shí)施方式中，彎曲表面103與等效折射率分布的組合可以導(dǎo)致折射光的聯(lián)合相位改變，以得到光學(xué)聚焦器/散焦器的功效。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，一個具有等效折射率改變效應(yīng)的周期性結(jié)構(gòu)105的周期小于該作用光波的波長尺寸。
[0033]在一些實(shí)施方式中，為了減少或消除輸入光111