谐振波导光栅及其应用制造技术

公开了一种包括波导层、包括多个亚波长结构的谐振波导光栅。与该多个亚波长结构在光学上接近的波导层被配置成在预定波长范围内引导至多十个波导光模。所述多个亚波长结构包括：至少两个相邻凹槽，其在它们的凹槽中心之间具有亚波长距离，该亚波长距离不同于两个相邻凸脊的中心之间的亚波长距离。该多个亚波长结构被配置成通过衍射将入射光的耦入部分的耦出小部分从所述波导层谐振地耦出。该谐振波导光栅被配置成在预定波长范围内耦出具有预定中心波长λ

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】谐振波导光栅及其应用
本专利技术涉及光学领域，更具体地，本专利技术涉及基于导模谐振的光学系统。特别地但非排他地，涉及谐振波导光栅元件以及涉及适合于安装在观察者头部上的头戴式平视显示器的近眼光学系统和虚拟图像显示装置。
技术介绍
谐振波导光栅（下文中被定义为RWG，也被称为谐振波导光栅）还被称为漏模波导、低模波导光栅、亚波长波导光栅、零阶器件和导模谐振滤波器或器件并且包括单模波导光栅，其已经发展了30多年。光栅也已经广泛地被用作分散和过滤光束的器件。已经提出了光栅和波导的组合来制造具有独特属性的光学结构和设备，诸如具有非常窄的带宽的滤波器。更特别地，在谐振波导光栅领域中已经做出了相当大量的开发工作，这是因为谐振波导光栅允许产生特别令人感兴趣的光学效应，这是利用传统光学组件无法实现的。还被称为导模谐振滤波器的谐振波导光栅由亚波长光栅和薄波导的组合组成。这样的结构具有多层构造，并且基本布置包括基板、薄的电介质或半导体或金属的波导层，以及可能地包括其中形成了光栅的附加层。当入射光被光栅衍射并且与波导的模匹配时，就会发生所谓的谐振。由于大多数光谱并未耦合到波导中，因此在反射和透射中会观察到强烈的光谱改变。因为波导本质上是作为波导光栅的波纹状的，所以导模（guidedmode）必然是有泄漏的，导光的小部分（fraction）被耦出（outcouple）从而行进通过每个光栅周期，而另一部分在合适的逼近光（impendinglight）下被耦入（incouple）。作为示例，这样的泄漏模可以沿其传播所沿的光栅凹槽和凸脊的数量而成指数地减少。RWG通常被设计成具有比其进行操作所利用的、如在真空中测量的波长更短的空间周期性，并且因此被称为“亚波长”结构或亚波长设备。最终，它们具有的周期性接近于其进行操作所利用的波长并且刚好高于该波长。很多时候，周期显著小于它们正在用来工作的自由空间波长，例如是其三分之一。由于它们的小周期性，它们不允许有许多衍射级，这使它们区别于衍射光学元件（DOE）（诸如，表面浮雕光栅（SRG））、全息光学元件（HOE）（诸如，体积全息图和可切换布拉格光栅（SBG））。大多数时候，它们被设计成仅以零衍射级进行操作，这仅允许在零级透射与反射之间进行光过滤和重定向，该反射也被称为镜面反射，并且具有连续耦入和耦出的泄漏导模，最终可能在反射和透射中具有非引导的正或负第一衍射级，例外地可能在反射和透射中具有非引导的正或负第二衍射级。在光栅发展的早期阶段中已经发现了这种谐振的存在（R.W.Wood，Phil.Mag.vol4，pp.396-402，1902）。这些谐振属于光栅结构中的异常衍射现象的一种类型，并且暗示着相对于物理参数（诸如，入射波的角度和/或波长）的外部可观察到的衍射级中的快速变化。在光栅制造的早期阶段中，无法解释反射中的突然改变。Hessel和Oliner（Appl.Optics，vol.4，pp.1275-1297，1965）指出：基本上存在两种类型的光栅异常。一种被称为瑞利型，这是经典伍德氏异常，并且另一种被称为谐振型。瑞利型异常是由于较高衍射级的能量通过倏逝波传递到较低级。在当前专利申请的上下文中特别让人感兴趣的衍射光栅中的谐振异常是由于外部入射光波与表面引导波的耦合过程所致，该表面引导波由谐振波导光栅的结构来支撑。根据结构的类型，这样的光栅异常可以划分为两种类型，并且可以通过使用傅立叶-瑞利近似来获得准确的结果。在深光栅凹槽的情况下无法应用该方法。几位作者研究了来自弱波纹状波导的反射。通过使用诸如傅里叶模态方法（FMM）或严格耦合波分析（RCWA）之类的模态仿真方法，可以缓解深光栅凹槽的会聚问题。利用这些新的数学工具，在过去的几十年中已经提出和开发了许多设备。已经开发了基于电介质和半导体波导和/或金属波导的这种谐振波导光栅以用于各种各样的应用，诸如在美国专利4426130和来自KarlKnop的许多其他专利中所描述的那样。首先的工业实现是在DID™品牌下进行的，作为光学认证设备，即所谓的光学可变设备（OVD）。导模谐振结构的主要应用之一是在反射和透射中具有非常窄的光谱线宽的情况下来设计滤波器。可以将带宽设计成非常窄并且大约为0.1nm，并且可以通过诸如光栅深度、占空比、波导层的厚度和成分之类的参数来调谐带宽。Magnusson提出了波长选择性反射滤波器，并且研究了它们的线形（R.Magnusson和S.S.Wang:“Newprincipleforopticalfilters”，Appl.Phys.Lett.，vol61，pp.1022-1024，1992）。而且，Rosenblatt和Sharon已发表了对谐振光栅波导结构的系统性分析：-D.Rosenblatt等人，“Resonatinggratingwaveguidestructures”，IEEEJ.QuantumElectron.，vol.33，nr.11，pp.2038-2059，1997；-A.Sharon等人：“Resonatinggrating-wavegudiestructuresforvisibleandnear-infraredradiation：”，J.Opt.Soc.Am.，vol.14，nr.11，pp.2985-2993，1997；Rosenblatt和Sharon在这些论文中解释道：谐振下的向前与向后传播之间的波能量的有效传递是由于入射波与衍射波之间的相对相移，从而导致向前和向后传播的波的相消和相长干涉。导模谐振设备也可以被用作传感器中的组件。通过应用诸如气体或生化层之类的物质与谐振波导接触，可以检测到这些物质。传感器中的导模谐振设备的限制在于：由于泄漏模传播，与所述物质相互作用的波的相互作用长度受到限制。例如在EP1739751中描述了使用RWG作为视觉传感器的彩色滤光片的其他开发。然而，直到最近，RWG的泄漏模和光波导属性才被专门用于光学传感平台中，如US5738825或EP0455067中所描述的那样。L.Davoine等人的文章中描述了使用谐振波导光栅作为传感器来检测气体存在的示例：“Resonantabsorptionofachemicallysensitivelayerbasedonwaveguidegratings”（AppliedOptics，pp.340-349，vol.52，nr.3，2013）。在该设备中，主要缺陷是光沿波导的固有泄漏，因此谐振光无法被与波导接触的介质完全吸收。此外，必须在可能的吸收增强与谐振波导结构的谐振带宽之间挑选微妙的妥协。由于许多原因，包括技术制造方面的限制，仅在最近才开发出使用通过共同的非常薄的波导所连接的不同的耦入和耦出RWG的复杂RWG阵列，作为如WO9219976和EP1031828中所描述的传感平台。更近地在EP2618130或EP2757374中使用相干光束照明和检测也对该方法进行了描述。WO2015096859描述了一种允许实行光束重定向的导模谐振设备。这是通过在具有第一光谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谐振波导光栅（1），其定义了第一侧（1a）和与所述第一侧（1a）相反的第二侧（1b），所述谐振波导光栅（1）包括：/n- 基板层（4），其定义了第一基板表面（4a）和面向所述第一基板表面（1a）的第二基板表面（4b）；/n- 波导层（20），其具有布置在所述基板层（4）上的第一波导表面（20a）和第二波导表面（20b），并且具有在垂直于所述第一波导表面（20a）的方向上定义的预定介电常数函数，/n- 多个（2）亚波长结构（2a），/n其中，/n- 所述波导层（20）被配置成在预定波长范围内引导至多十个波导光模，/n- 所述多个（2）亚波长结构（2a）包括至少两个相邻凹槽（30、31），每个凹槽定义了凹槽中心（30a、31a），并且所述多个（2）亚波长结构（2a）包括至少两个相邻凸脊（40、41），每个凸脊定义了凸脊中心（40a、41a），所述两个相邻凹槽（30、31）在它们的中心（30a、31a）之间具有亚波长距离（d1），所述亚波长距离（d1）不同于在所述两个相邻凸脊（40、41）的中心之间的亚波长距离（d2）；/n- 所述多个（2）亚波长结构（2a）被布置成通过所述波导层进行光学通信，所述波导层的介电常数函数和所述多个（2）亚波长结构（2a）的尺寸和取向被挑选成使得多个（2）亚波长结构（2a）通过衍射而将入射光束（10a）的至少耦入部分（10b）谐振地耦合到所述波导层（20）中，所述入射光束由光发射器（110）提供到波导层（20）的所述至多十个波导模中的至少一个中，/n- 所述多个（2）亚波长结构（2a）被配置成通过衍射而将所述至少耦入部分（10b）的耦出小部分（10c）从所述波导层（20）谐振地耦出；/n- 所述至少耦入部分（10b）的所述耦出小部分（10C）具有在所述预定波长范围内的预定中心波长λ...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种谐振波导光栅（1），其定义了第一侧（1a）和与所述第一侧（1a）相反的第二侧（1b），所述谐振波导光栅（1）包括：
-基板层（4），其定义了第一基板表面（4a）和面向所述第一基板表面（1a）的第二基板表面（4b）；
-波导层（20），其具有布置在所述基板层（4）上的第一波导表面（20a）和第二波导表面（20b），并且具有在垂直于所述第一波导表面（20a）的方向上定义的预定介电常数函数，
-多个（2）亚波长结构（2a），
其中，
-所述波导层（20）被配置成在预定波长范围内引导至多十个波导光模，
-所述多个（2）亚波长结构（2a）包括至少两个相邻凹槽（30、31），每个凹槽定义了凹槽中心（30a、31a），并且所述多个（2）亚波长结构（2a）包括至少两个相邻凸脊（40、41），每个凸脊定义了凸脊中心（40a、41a），所述两个相邻凹槽（30、31）在它们的中心（30a、31a）之间具有亚波长距离（d1），所述亚波长距离（d1）不同于在所述两个相邻凸脊（40、41）的中心之间的亚波长距离（d2）；
-所述多个（2）亚波长结构（2a）被布置成通过所述波导层进行光学通信，所述波导层的介电常数函数和所述多个（2）亚波长结构（2a）的尺寸和取向被挑选成使得多个（2）亚波长结构（2a）通过衍射而将入射光束（10a）的至少耦入部分（10b）谐振地耦合到所述波导层（20）中，所述入射光束由光发射器（110）提供到波导层（20）的所述至多十个波导模中的至少一个中，
-所述多个（2）亚波长结构（2a）被配置成通过衍射而将所述至少耦入部分（10b）的耦出小部分（10c）从所述波导层（20）谐振地耦出；
-所述至少耦入部分（10b）的所述耦出小部分（10C）具有在所述预定波长范围内的预定中心波长λ0，并且具有预定光谱宽度Δλ，所述耦出小部分（10c）是入射光束（10a）的衍射部分。


2.根据权利要求1所述的谐振波导光栅（1），其中，所述相邻凹槽（30、31）之一位于所述相邻凸脊（40、41）之间。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的谐振波导光栅（1），其中，通过波导层（20）引导耦出小部分（10c）远离所述入射光束（10a）的部分透射的光束（10f），并且通过波导层（20）引导所述耦出小部分（10c）远离所述入射光束（10a）的部分反射的光束（10g）。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，至少两个凹槽（30、31）和/或至少两个凸脊（40、41）具有不同的形状和/或尺寸。


5.根据权利要求1至4中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，在所述入射光束（10a）的光谱的至少一部分中，波导层（20）具有的平均折射率高于所述基板层（4）的折射率。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）由包含至少电介质的材料或半导体材料制成。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）包括由电介质材料或半导体制成的纳米颗粒。


8.根据权利要求6或7所述的谐振波导光栅（1），其中，在所述入射光束（10a）的光谱的至少一部分中，电介质材料或半导体具有的光学指数高于所述基板层（4）的折射率，优选地高出至少0.1。


9.根据权利要求1至8中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）将由不同的材料制成的至少两个层包括到波导层（20）的至少一侧。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）将跨垂直于所述第一波导表面（20a）的方向的由具有变化成分的合金制成的层包括到波导层（20）的至少一侧。


11.根据权利要求1至10中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）包括由具有不同掺杂浓度的相同材料制成的至少两种材料。


12.根据权利要求1至10中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，波导层（20）跨垂直于波导层（20）的方向具有掺杂浓度轮廓。


13.根据权利要求1至12中任一项所述的谐振波导光栅（1），包括多个（2）亚波长结构（2a），其中至少两个凹槽（30、31）和至少两个凸脊（40、41）具有二元形状、或正弦形状、或三角形形状、或倾斜形状。


14.根据权利要求1至13中任一项所述的谐振波导光栅（1），其中，所述波导层（2）...

【专利技术属性】
技术研发人员：G巴塞，
申请(专利权)人：瑞士CSEM电子显微技术研发中心，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH