单片集成光学组件制造技术

本发明专利技术涉及一种单片集成光学组件，单片集成光学组件包括被配置用于接收光的波导以及被配置用于将光耦合到波导中的耦合元件。单片集成光学组件包括光学元件，该光学元件包括特征图案，该特征图案被配置用于控制入射到耦合元件上的光的传播。元件上的光的传播。元件上的光的传播。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】单片集成光学组件


[0001]本公开涉及一种单片集成光学组件，尤其但不限于涉及一种单片集成光学耦合组件，以及制造此类单片集成光学组件的方法。单片集成光学组件能够形成光子集成电路的一部分。单片集成光学组件可适用于将来自光源的光光学耦合到硅基光子集成电路上的波导的光栅耦合器。单片集成光学组件能够形成诸如传感器等电子设备的一部分。

技术介绍

[0002]本公开涉及一种单片集成光学组件。
[0003]图1示出了已知光学系统100的示例。已知在石英衬底(未示出)上形成超透镜110。已知将超透镜110附接至垂直腔面发射激光器(VCSEL)120。已知形成单片集成光学组件130，其包括波导140和光栅耦合器150，光栅耦合器150被配置为将光160耦合到波导140中。已知将VCSEL 120和超透镜110组件焊接(例如，使用焊锡球170)至单片集成光学组件130。所得到的产品是已知的光学系统100，其包括三个单独形成的部件(即，超透镜110、VCSEL 120和单片集成光学组件130)，它们随后彼此附接(例如，使用粘合剂和/或焊接)。已知的光学系统100用于将VCSEL 120产生的光耦合到波导140中。
[0004]与此类已知光学系统100相关的一些问题是，一些光160没有耦合到波导140中，这限制了已知光学系统100的光耦合效率。一些光180从单片集成光学组件130反射，并朝着诸如VCSEL 120和焊锡球170的其他部件返回。反射光180会损坏VCSEL 120。反射光180会导致部件的不期望的发热，这可能导致已知光学系统100的结构磨损。已知光学系统100的制造包括多个单独的步骤，并且是一个昂贵且耗时的过程。在石英衬底上制造超透镜110涉及复杂、昂贵且耗时的工艺，诸如电子束光刻和电感耦合等离子体蚀刻。
[0005]US7627018公开了一种单片集成光学组件，其包括被配置为接收光的波导、被配置为将光耦合到波导中的耦合光栅以及被配置为衍射TM偏振光并由此在光学组件内引入TE偏振模式与TM偏振模式之间的损耗差的控制光栅。由控制光栅引入的损耗差使得TE偏振光优先在光学组件内发射激光，这提高了TE偏振光进入波导的耦合效率。控制光栅包括平行条的周期性图案，该平行条被配置为在光学组件内引起TM偏振光的衍射损失。即，控制光栅是偏振敏感的，并且不影响入射到耦合光栅上的TE偏振模式的传播。
[0006]US9235097公开了一种光学组件，其被配置为将来自光纤的光主动对准光子集成电路。该光学组件包括液晶导向装置，该液晶导向装置被配置为控制入射光的偏振，以将光导向到三个衍射级之一，从而调节光的传播方向。液晶导向装置是单独制造的部件，随后使用诸如双面胶带的粘合剂将该部件粘合在折射率匹配层和波导之间。液晶导向装置是包括偏振波片和电极的复杂系统。液晶导向装置需要主动控制电压源来导向入射光。液晶导向装置中的液晶材料对温度变化敏感，并且可能不适合与较高功率的辐射源(诸如VCSEL)一起使用。
[0007]因此，本公开的目的是提供一种单片集成光学组件以及制造所述单片集成光学组件的方法，其解决了上述一个或多个问题，或者至少提供了一种有用的替代方案。

技术实现思路

[0008]目的是提供单片集成光学组件的改进概念及其制造方法。单片集成光学组件能够形成固态光学器件的一部分，诸如光源芯片和/或光子集成电路。单片集成光学组件能够适于将光耦合到光子集成电路中。该目的通过独立权利要求的主题来实现。改进概念的其他方面是从属权利要求的主题。
[0009]根据本公开的一个方面，提供了一种单片集成光学组件，其包括：波导，其被配置为接收光；耦合元件，其被配置为将光耦合到波导中；以及光学元件，其包括特征图案，该特征图案被配置为控制入射到耦合元件上的光的传播。
[0010]本公开的单片集成光学组件与已知光学系统100的不同之处至少在于，包括特征图案的光学元件与波导和耦合元件一起是光学组件的单片集成部分。即，包括特征图案的光学元件不是单独的部件(例如，已知光学系统100的超透镜)，并且不作为单独部件(例如，已知光学系统100的VCSEL)的一部分附接至光学组件。这具有通过控制入射到耦合元件上的光的传播(例如，通过入射角控制和/或聚焦控制)来提高进入波导的光耦合效率的技术效果。与已知的光学系统100相比，本公开的单片集成光学组件需要更少的单独制造工艺来制造，使得其生产更便宜且耗时更少。本公开的单片集成光学组件能够使用CMOS兼容的制造工艺形成，诸如压印光刻(imprint lithography)或光刻(photolithography)。本公开的单片集成光学组件能够使用CMOS兼容的材料(诸如硅衬底)形成。与用于制造已知光学系统100的材料和工艺相比，CMOS兼容的材料和工艺更容易获得，并且允许更大批量制造。
[0011]本公开的单片集成光学组件与US7627018的光学组件的不同之处至少在于，包括特征图案的光学元件被配置为控制入射到耦合元件上的光的传播。相反，US7627018的控制光栅被配置为在光学组件内造成TM偏振光的损失。控制入射到耦合元件上的光的传播具有增加耦合到波导中的光量(例如，通过入射角控制和/或聚焦控制)的有利技术效果，同时避免光学组件内光的一个或多个偏振的损失。即，本专利技术的单片集成光学组件的光学效率大大提高。
[0012]本公开的单片集成光学组件与US9235097的光学组件的不同之处至少在于，光学元件与波导和耦合元件一起是光学组件的单片集成部分。即，包括特征图案的光学元件不是单独的部件(例如，US9235097的液晶导向装置)，并且随后不附接至光学组件(例如，根据US9235097使用双面胶带)。本公开的单片集成光学组件与US9235097的光学组件的不同之处还至少在于光学元件包括特征图案，该特征图案被配置为控制入射到耦合元件上的光的传播。这些差异具有增加耦合到波导中的光量的技术效果，从而提高单片集成光学组件的光学效率。与US9235097的光学组件相比，本公开的单片集成光学组件仅需更少的单独制造工艺来制造，使得其生产更便宜且耗时更少。本公开的单片集成光学组件能够使用CMOS兼容的制造工艺形成，诸如压印光刻或光刻。本公开的单片集成光学组件能够使用CMOS兼容的材料(诸如硅衬底)形成。与用于制造US9235097的光学组件的材料和工艺相比，CMOS兼容的材料和工艺更容易获得，并且允许更大批量制造。
[0013]根据本专利技术的各个方面，单片集成光学组件的部件一起单片集成在单个集成块或芯片中。具体而言，单片集成光学组件的制造能够不依赖于任何焊接、粘合剂或连接单独已形成部件的替代方式。整个单片集成光学组件能够在单个过程中制造，而不需要通过焊接来互连不同的部分。这有利地避免了不利方面，诸如由于光学元件未对准而造成的光学损
失。
[0014]波导能够是基本上平面的。
[0015]波导能够包括对于要耦合到波导中的光的波长而言基本上透明的材料。波导能够包括例如硅。波导能够包括例如硝酸硅。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种单片集成光学组件，包括：波导，所述波导配置用于接收光；耦合元件，所述耦合元件配置用于将光耦合到所述波导中；和光学元件，所述光学元件包括特征图案，所述特征图案配置用于控制入射到所述耦合元件上的光的传播，其中，所述光学元件配置用于控制光入射到所述耦合元件上的角度，并且其中，所述光学元件配置用于控制入射到所述耦合元件上的光的焦点。2.根据权利要求1所述的单片集成光学组件，其中，所述光学元件配置用于以倾斜入射角将光导向所述耦合元件。3.根据前述权利要求中任一项所述的单片集成光学组件，其中，所述光学元件配置用于控制光从所述光学元件反射的角度。4.根据前述权利要求中任一项所述的单片集成光学组件，还包括包层结构，所述包层结构配置用于包封所述耦合元件和所述波导，其中，所述光学元件位于所述包层结构上或所述包层结构中。5.根据前述权利要求中任一项所述的单片集成光学组件，其中，所述特征图案包括几何特征阵列。6.根据权利要求5所述的单片集成光学组件，其中，所述几何特征阵列是偏振不敏感的。7.根据前述权利要求中任一项所述的单片集成光学组件，其中，所述光学元件包括超材料。8.根据前述权利要求中任一项所述的单片集成光学组件，其中，所述光学元件包括超表面。9.一种光学系统，包括：根据权利要求1至8中任一项所述的单片集成光学组件和光子集成电路，所述光子集成电路配置用于接收来自所述波导的光。10.一种光学系统，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：维克托，
申请(专利权)人：艾迈斯欧司朗股份有限公司，
类型：发明
国别省市：