CN103547956B - 基于亚波长光栅的光学元件 - Google Patents

Abstract

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。

Description

基于亚波长光栅的光学元件

技术领域

本公开内容涉及亚波长光栅。

背景技术

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（conductingchannel）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。

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。

附图说明

图1A-1B分别示出了范例光学元件的等距和顶视图；

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；

图3A-D示出了亚波长光栅二维点阵类型的四个范例；

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；

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；

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）；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

图16A示出了范例电路板的等距视图；

图16B示出了图16B中所示的光电子器件的横截面视图；

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

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。

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。

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。

亚波长光栅

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（unitcell）144，点阵常数对应于任意对相邻柱子的中心之间的距离。

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III-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。III-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III-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GaAs_yP1_-y的半导体，其中y在从大于0至小于1的范围中；而四元化合物半导体包括具有经验结构式In_xGa_1-xAs_yP_1-y的半导体，其中x和y独立地在从大于0至小于1的范围中。其它类型的合适的化合物半导体包括II-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II-VI化合物半导体的经验结构式。

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（“SiO2”）、氧化铝（“Al₃O₂”）、或聚合物构成。

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（nanoimprintlithograph）、反应例子刻蚀、或辊到辊处理来形成包括SWG的柱子。

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III-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、SiO₂、以及聚丙烯酸酯具有小于大致1.55的有效折射率。

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：

$\mathrm{\&Lambda;}<\frac{2}{\sqrt{3}}\frac{\mathrm{\&lambda;}}{n_s}$

其中，n_s是基底106的折射率。除基于无散射限制选择点阵常数外，元件100能够被配置为使得由Λ分开的两个柱子之间的期望的相位差小于π，使得通过具有足够高的空间密度的点阵来确定期望的输出相位。元件100也能够被配置有受到以下约束的某一数值孔径（“NA”）：

$\mathrm{\&Lambda;}\&le;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\&CenterDot;\mathrm{NA}}$

SWG102也是“非周期”SWG。换句话说，包括SWG102的柱子的直径改变。例如，如图1B中示出的，邻近的柱子116-118具有不同的柱子直径d₁、d₂、和d₃，其中d₁<d₂<d₃。SWG102也称作“亚波长光栅”，因为柱子直径d和点阵常数Λ小于光的波长λ，SWG102被配置为与该光相互作用。

SWG102与波长λ的共振由SWG102的占空比和厚度确定。具有具有圆横截面的柱子的SWG的占空比由下式给出：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{d}{\mathrm{\&Lambda;}}$

并且SWG102的厚度t能够选择为随着占空比改变而容许大的差相移，其中：

$t<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{(n_{\mathrm{SWG}}-n_s)}$

其中n_SWG为SWG102在波长λ处的有效折射率。能够将SWG102的某些区域上的占空比δ选择为使得SWG102与波长λ大致“非共振”，导致大多数光以高透射率透射通过该区域。替代地，能够将SWG102的其它区域上的占空比选择为使得SWG102与波长λ大致“共振”，导致大多数光以高反射率从该其它区域反射。

图2示出了基于对于由氧化物基质中的Si柱子的六角点阵构成的SWG的仿真结果的反射和透射系数以及透射相位的范例图示。对于正入射且波长650nm的光，点划曲线202描绘反射系数的平方模|R|²，实曲线204描绘透射系数的平方模|T|²，并且虚曲线206描绘透射相位arg(T/2π)。使用以下文献中描述的开源有限-差分时间-差分软件来生成曲线202、204、以及206：“Aflexiblefree-softwarepackageforelectromagneticsimulationsbytheFDTDmethod”，A.F.Oskooi等，ComputerPhysicsCommunications，181，687-702(2010)。对具有大致130nm的固定厚度、大致475nm的固定点阵常数的柱子确定曲线202、204、以及206，而占空比从0％至100％改变，如由水平轴208描绘的。曲线202和204揭示了光的反射和透射随非共振区间210和212上的占空比的改变平滑地改变。非共振区间210和212的部分指示对于在从0％至大致30％的范围中和在从大致35％至大致68％的范围中的占空比，大部分入射光透射通过SWG。另一方面，共振区间214和216揭示了对于窄的占空比范围，光的透射突然降低且光的反射突然升高。特别是，对于具有最强的共振的在从大致31％至大致33％的窄的范围中和在从大致74％至大致85％的范围中的占空比，透射系数小于大致0.4，或者对于大致32％218和大致80％220处的占空比，反射发生。非共振区间210上的透射相位对于大致25％以下的占空比保持平坦，但是随着占空比接近30％而急剧地增大。在共振区间214中，透射相位在大致30％与32％之间减小。在大致32％与大致80％之间，透射相位206在透射相位的大的范围上平滑地改变。

由图2中示出的反射和透射系数以及透射相位描绘的数据能够用于设计具有期望的光学性质的光学元件的SWG，期望的光学性质诸如是期望的偏转和/或聚焦性质。特别是，柱子大小越大，则光保持捕获于柱子内越长。结果，通过使光透射通过SWG的具有具有较大尺寸的柱子的区域比使光通过同一SWG的具有具有较小尺寸的柱子的其它区域获得了更大的透射相位。通过在固定点阵常数时改变柱子的尺寸（例如，δ(x,y)＝d(x,y)/Λ），在固定柱子的尺寸时改变点阵常数（例如，δ(x,y)＝d/Λ(x,y)），或者通过改变点阵常数和柱子的尺寸（例如，δ(x,y)＝d(x,y)/Λ(x,y)），能够获得具有期望的光学性质的SWG，其中，(x,y)为SWG的xy平面中的坐标。

通过在SWG的设计中应用麦克斯韦方程的与变换的等分标度相关的性质，也能够将光学元件的SWG设计为与特定波长λ的光相互作用。特别是，考虑配置有占空比δ(x,y)、厚度t、以及点阵常数Λ(x,y)的在自由空间波长λ₀产生复透射系数T₀和反射系数R₀的第一SWG。通过以占空比αδ(x,y)、厚度αt、以及点阵常数αΛ(x,y)来制造第二SWG，除波长λ₀不同外，能够获得与第一SWG具有大致相同的光学性质的第二SWG，其中α＝λ/λ₀为比例因子，并且提供的αΛ(x,y)满足非散射限制和数值孔径约束。例如，第二SWG具有透射系数T(λ)＝T₀(λ/α)＝T₀(λ₀)和反射系数R(λ)＝R₀(λ/α)＝R₀(λ₀)。

SWG不限于如图1B中示出的柱子的六角点阵。替代地，SWG的点阵能够是方形的、矩形的、菱形的、或平行四边形的。图3A示出了SWG的具有由方形单胞302描绘的柱子的方形点阵的区域的范例放大顶视图。图3B示出了SWG的具有由矩形单胞304描绘的柱子的矩形点阵的区域的范例放大顶视图。图3C示出了SWG的具有由等腰三角形单胞306描绘的柱子的菱形点阵的区域的范例放大顶视图。最后，图3D示出了SWG的具有由平行四边形单胞308描绘的柱子的平行四边形点阵的区域的范例放大顶视图。SWG也可以由至少两种不同的点阵类型构成。例如，SWG的某些区域中的柱子能够具有方形点阵布置，而同一SWG的其它区域中的柱子能够具有矩形点阵布置。

SWG102的柱子也不限于具有如图1和3中示出的圆形横截面。替代地，SWG的柱子能够具有方形、三角形、矩形、椭圆形、或不规则形状的横截面形状。

亚波长光栅的范例

在此分部中，描述了光学元件的偏振不敏感的SWG柱子图案的三个范例。以下描述的每一个范例SWG柱子图案基于固定的点阵常数，同时柱子的尺寸改变以对透射通过光学元件的光产生不同的光学影响。然而，不旨在将SWG柱子图案限于这三个范例。如先前部分中解释的，透射通过SWG的光的透射相前（phasefront）或波前受到柱子的大小和点阵常数的控制。换句话说，能够将柱子大小和/或点阵常数选择为在透射光中实现期望的透射相前和对应的波前。

首先考虑被配置为以期望的透射角偏转透射光的光学元件的SWG。图4示出了被配置为以大致15°的透射角偏转透射光的范例光学元件400的顶视图。元件400包括基底402和由阴影圆404描绘的圆柱柱子的二维六角点阵构成的SWG。包括SWG的柱子从基底402的平面表面垂直延伸并且柱子的直径改变以形成四个分开的区域406-409。如图4中示出的，在每一个区域中，柱子的直径在y方向上系统地增大，而在x方向上，柱子的直径恒定。对每一个区域重复柱子的直径在y方向上的系统增大的图案。柱子的直径在y方向上系统增大，同时使晶格常数Λ固定也对应于y方向上占空比的增大。

图4也示出了沿在y方向上延伸的线段B-B的部分设置的柱子的放大yz平面横截面视图。柱子在y方向上以固定的点阵常数Λ大致相等地间隔开。每一个区域内的柱子的直径在y方向上增大。在区域408中，柱子411-415的直径在y方向上增大，柱子412具有最小直径并与区域407中沿线B-B具有最大直径的柱子417相邻设置，且柱子415具有最大直径。放大视图揭示了柱子直径的系统增大在区域409中重复。

图5示出了图4中示出的光学元件400沿线B-B的横截面视图，与区域406-409中的每一个相关联的透射相位分别由线段501-504描绘。每一个区域中的占空比选择为使得区域406-409均对透射电磁波施加大致相同的线性改变的透射相位。特别是，透射相位501-504揭示了施加于透射通过区域406-409的电磁波的透射相位的幅度与区域406-409的子区上的占空比成比例。区域的子区中的占空比越大，则透射通过子区的电磁波获取的透射相位越大。例如，如图4中示出的，区域408中的占空比在y方向上增大。返回图5，透射相位503在y方向上是肯定（positively）倾斜的。透射相位503指示透射通过子区506的电磁波获取的透射相位比透射通过不同子区508的相同波长的电磁波获取的透射相位小。

图6示出了光学元件400的沿线B-B的横截面视图，描绘了平面入射波前602和平面透射波前604的瞬像。分别由实线和虚线来描绘入射和透射波前的波峰和波谷。入射波前602以正入射撞击光学元件400，如由被垂直于元件400的SWG引导的波前606指示的，并且作为具有15°的透射角的透射波前604输出。点线608-610区分入射波前602的四个不同的段611-614，每一段透射通过SWG的四个不同区域406-409之一。入射波前的每一段获取由图5中示出的透射相位501-504描绘的透射相位。结果，入射波前的每一段从SWG的区域以大致相同的15°的透射角输出。点线616-618区分透射波前604的四个不同的段621-624，每一段从SWG的四个不同区域406-409之一输出。透射波前604的段出现（emerge），使得相邻段的波峰和波谷大致对准以结合并形成透射波前604的波峰和波谷。例如，源自入射波前602的单个波峰的波峰626-629然而从SWG作为四个分开的波前出现，该四个分开的波前不结合以形成透射波前604的单个波峰。作为替代，每一个波峰与由2π弧度的透射相位差分开的相邻段的至少一个波峰结合。例如，即使波峰630比波峰627早2π弧度达到元件400，波峰630也以15°的透射角从区域结合。随着波峰630完成从区域406出现，波峰627也以15°的透射角开始从区域407出现并且与波峰630结合以形成单个波峰，这通过与比波峰627晚2π弧度从区域408出现的波峰结合，而增大了长度。

也能够对SWG的占空比进行构图，使得光学元件能够作为球形聚焦透镜操作。图7示出了被配置为作为球形聚焦透镜操作的范例光学元件700的顶视图。元件700包括具有平面表面的基底702和由以阴影圆704描绘的圆柱柱子的二维六角点阵构成的SWG。包括SWG的柱子从基底702的表面垂直延伸并且柱子的直径改变，形成基本位于圆708和柱子706和707的两个同心环状区域内的柱子705的圆形中心区域，两个同心环状区域中的第一区域由位于圆708与较大半径圆709之间的柱子构成，而两个同心环状区域中的中的第二区域由位于圆709之外的柱子构成。如图7中示出的，在每一个区域中，占空比随远离SWG的中心而系统地减小，对每一个区域重复占空比随远离SWG的中心的系统减小。

图7也示出了沿线段710设置的柱子的放大yz平面横截面视图。柱子按固定的点阵常数Λ在y方向上相间隔。每一个区域内的柱子的直径在y方向上随远离SWG的中心而减小。在中心区域中，柱子711-715的直径在y反向上减小，柱子711在SWG的中心附近设置并具有最大直径，而柱子715最远离中心设置并具有最小直径。放大视图也揭示了柱子直径在第一和第二环状区域中的系统减小。例如，在第一环状区域706中，柱子716-718的直径在y方向上减小，柱子716最靠近SWG的中心设置并具有最大直径，而柱子718最远离SWG的中心设置并具有最小直径。对第二环状区域707重复随远离SWG的中心，系统的柱子直径减小的图案。

图8示出了光学元件700的沿位于xy平面中并且通过SWG的中心的任何线的横截面视图。与圆区域705关联的透射相位由抛物线801描绘，与第一环状区域706关联的透射相位由曲线802和803描绘，并且与第二环状区域707关联的透射相位由曲线804和805描绘。每一个区域中的占空比如以上参照图7描述的那样改变，使得区域705-707施加由曲线801-805描绘的透射相位。与光学元件400相同，透射相位801-805揭示了施加于透射通过区域705-707的电磁波的透射相位的幅度与区域705-707的子区上的占空比成比例。与子区关联的占空比越大，则由透射通过子区的电磁波获取的透射相位越大。例如，如图7中示出的，中心区域705中的占空比随远离SWG的中心而减小。返回图8，透射相位801指示由透射通过子区806的电磁波获取的透射相位大于由透射通过子区807的电磁波获取的透射相位。

图9示出了对于光学元件700的仿真的透射相位902、期望的透射相位904、以及柱子位置906的图示。仿真的透射相位902数据由开放式环描绘，并且是对氧化物基质中的Si柱子构成的SWG使用开源FTDT软件MEEP获得的。SWG具有大致10μm的直径。仿真的透射相位902指示光学元件700的SWG应当产生与期望的透射相位904紧密匹配的透射相位，仅在大致±2.5μm处以及在大致-3.4μm与-4μm之间以及在大致3.4μm与4μm之间的区间中的几个例外，其中，仿真的相位902指示光学元件700可以施加比期望的大的透射相位。

图10示出了光学元件700的横截面视图，描绘了平面入射波前1002和透射波前1004的瞬像。入射波前1002以正入射撞击光学元件700，如由被垂直于元件700的SWG引导的波矢1006指示的，并且作为会聚的透射波前704输出。点线1008-1011区分入射波前1002的五个不同段1012-1016，每一个段透射通过SWG的不同区域705-707的子区之一。入射波前1002的每一个段获取由图8中示出了透射相位801-805描绘的透射相位。结果，入射波前的每一个段从SWG的具有弯曲的透射波前的区域输出。点线1018-1021区分透射波前1004的弯曲段，每一个段从SWG的区域705-708的子区输出。透射波前的段出现，使得相邻波前段的弯曲波峰和波谷大致对准，以结合并形成透射波前1004的圆形波峰和波谷。每一个波峰与由2π弧度的透射相位差分开的相邻透射段的至少一个波峰结合。例如，波峰1024和1025源自相同入射波峰的段，该相同入射波峰比波峰1026和1027早2π弧度到达元件700。波峰1024和1025与波峰1026和1027结合（merge），因为在波峰1024和1025完成从区域708出现时，波峰1026和1027开始从区域707出现，通过与源自入射波前1002的波峰的弯曲波峰1028结合，其生长成透射波前1004的半圆波峰，入射波前1002的该波峰比波峰1026和1027晚2π弧度透射。将区域705-707的占空比选择为使得透射波前1004以焦距f会聚于焦点1030上。

也能够将柱子的占空比构图为使得光学元件能够作为圆柱聚焦透镜操作。图11示出了被配置为作为圆柱聚焦透镜操作的范例光学元件1100的顶视图。元件1100包括具有平面表面的基底1102和由以阴影圆1104描绘的圆柱柱子的二维六角点阵构成的SWG。包括SWG的柱子垂直于基底1102的表面延伸并且柱子的直径改变以形成五个分开的区域1106-1110。如图11中示出的，在每一个区域中，柱子的直径随远离中心线1112而系统地减小，对每一个区域重复柱子横截面积的系统减小，然而在x方向上，柱子的横截面积恒定。

图12示出了光学元件1100沿图11中示出的线C-C的横截面视图。区域1108上y方向上的透射相位由抛物线1201描绘，与区域1106、1107、1109和1110关联的透射相位分别由曲线1201-1205描绘。透射相位在x方向上基本恒定。换句话说，光学元件110的SWG在yz平面中产生的透射分布与光学元件700穿过通过元件700的中心并垂直于元件700的SWG取向的任何平面产生的透射分布几乎相同。

光学元件1100以与以上参照图10描述的光学元件700几乎相同的方式在yz平面中聚焦透射光。

光学元件的范例实施方式

可以将以上描述的光学元件集成到光电子器件中以引导或聚焦从光子器件输出的光。图13A示出了连接至电路板1304的范例光电子器件1302的等距视图。器件1302包括光学元件，示出了该光学元件的SWG1306。光学元件嵌入于器件1302的顶表面内。图13B示出了光电子器件1302的沿图13A中示出的线D-D的横截面视图。图13B揭示了光电子器件1302包括光源1308，光源1308位于光学元件的SWG1306之下并且以间隙1310与SWG1306分开。光源1308能够是垂直腔表面发射激光器（“VCSEL”）并且可以包括调制器。能够对VSCEL进行直接调制，或者调制器能够用于调制从VCSEL输出的光以产生透射通过SWG1306的光学信号。

与第一光电子器件集成的SWG能够被配置为将自由空间中的光学信号引导至与第二光电子器件集成的光电二极管，第二光电子器件连接至设置于第一电路板以上的第二电路板。图14示出了范例第一电路板1402和范例第二电路板1404的等距视图。光电子发送器器件1406电子连接至第一电路板1402，且光电子接收器器件1408电子连接至第二电路板1404。发送器器件1406包括光学元件1410，并接收来自处理器、存储器、传感器或电子连接至板子1402的其它电子器件1412-1414的电子信号。替代地，发送器器件1406能够是多核处理器、存储器、或与单个器件中的通道源集成的传感器。发送器器件1406将电子信号转换为透射通过光学元件1410的SWG的光学信号1416。如图14的范例中示出的，光学元件1410的SWG被配置为作为诸如光学元件700的聚焦球形透镜操作，以将光学信号聚焦到设置于光学元件1410以上的光电探测器1418上。光电探测器1418与器件1408集成并且将光学信号转换为能够由器件1408处理或由器件1408输送至连接至电路板1404的其它电子器件的电子信号。

图15示出了范例第一电路板1502和范例第二电路板1504的等距视图。电路板1502包括两个光电子发送器器件1506和1507，以及光电子接收器器件1508，并且电路板1504包括光电子接收器器件1510和安放为面向电路板1502的镜子1512。发送器器件1506和1507分别包括光学元件1514和1516，并且接收器器件1508和1510包括光电探测器1518和1520。发送器器件1506将电子信号转换为透射通过光学元件1514的SWG的光学信号1522。如图15的范例中示出的，光学元件1514的SWG被配置为以与光学元件400相同的方式操作，以将光学信号引导至光电探测器1518上，光电探测器1518将光学信号转换为能够由器件1510处理或由器件1510输送至连接至电路板1504的其它电子器件的电子信号。发送器器件1507还将电子信号转换为透射通过光学元件1514的SWG的光学信号1524。光学元件1516的SWG还被配置为以与光学元件400相同的方式操作，以将光学信号引导为反射离开镜子1512并到达器件1508的光电探测器1520上。光电探测器1520将光学信号转换为能够由器件1508处理或由器件1508输送至连接至电路板1502的其它电子器件的电子信号。换句话说，光学元件1516与合适地安放于光学元件1516以上的镜子1512的组合能够用于将来自器件1507的光学信号输送至器件1508，器件1507和1508均连接至同一电路板1502。

图16A示出了范例电路板1602的等距视图。光电子器件1604和1606联接至板子1602并且经由安置于板子1602上的波导1608进行光学通信。器件1604和1606能够是处理器、存储器、或传感器。在图16A中示出的范例中，器件1606生成经由波导1608输送至器件1604的光学信号。器件1604包括光学互连层1610和安置于互连层1610上的CMOS封装结构1612。

图16B示出了器件1604的横截面视图。互连层1610包括波导1608的部分和镜子1614。器件1604包括安放于CMOS封装结构1612与互连层1610之间的SWG1616，以将从镜子1614反射的光聚焦到光电探测器1618上。例如，如图16B中示出的，从波导1608的末端输出的由光束1620描绘的光学信号由镜子1614朝向SWG1616反射。SWG1616能够被配置为作为球形透镜或圆柱透镜操作，以将光束聚焦到光电探测器1618上。

光学元件也能够实施于波导耦合器中，以将光聚焦到光纤的芯中。图17A和17B示出了范例波导耦合器1700的等距和侧视图。耦合器1700包括设置于波导1704的末端处的绝热渐缩区域1702和安置于基底区域1708上的SWG1706。SWG1706能够被配置为以特定角偏转光，如以上参照SWG400描述的，或者作为球形透镜或圆柱透镜操作，如以上参照SWG700和1100描述的。如图17A中示出的，绝热锥形1702使得光在该光进入区域1708时能够展开并且自SWG1706的xy平面发射出。如图17B中示出的，通过SWG1706输出的光聚焦到光纤1712的芯1710中。从光纤1712的芯1710输出的光也能够由SWG1706捕获并被引导到区域1708中。

为解释目的，前述描述使用特定术语来提供对本公开内容的透彻的理解。然而，本领域技术人员将明白，为了实施于此描述的系统和方法，不需要特定细节。介绍特定范例的前述描述是为了示例和描述。它们不意图穷尽或限制此公开内容于描述的精确形式。明显地，基于以上教导，许多更改和变形是可能的。示出并描述了范例，以最好地解释此公开内容内容和实际应用的原理，由此使得本领域技术人员能够最好地利用此公开内容和具有各种更改的各种范例，各种更改适合于设想的具体使用。意图使此公开内容的范围由以下权利要求及其等同物限定。

Claims (15)

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，

其中，所述光栅还包括满足以下条件的厚度

$t<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{(n_{SWG}-n_s)},$

其中，t为所述光栅的所述厚度，λ为光的波长，n_SWG为所述光栅在波长λ处的有效折射率，并且n_s是所述基底的折射率。

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、矩形的、三角形的或不规则的。

7.如权利要求1所述的元件，还包括所述柱子具有方形的横截面形状。

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由从所述平面区域的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波导耦合器的光的折射，

其中，所述光栅还包括满足以下条件的厚度

$t<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{(n_{SWG}-n_s)},$

其中，t为所述光栅的所述厚度，λ为光的波长，n_SWG为所述光栅在波长λ处的有效折射率，并且n_s是所述基底的折射率。

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由从所述光学互连层的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栅的光的折射，

其中，所述光栅还包括满足以下条件的厚度

$t<\frac{\mathrm{\&lambda;}}{(n_{SWG}-n_s)},$

其中，t为所述光栅的所述厚度，λ为光的波长，n_SWG为所述光栅在波长λ处的有效折射率，并且n_s是所述光学互连层的折射率。

12.一种光电子器件，包括：

光源；以及

如权利要求1所述的光学元件，其通过间隙与所述光源分开。

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。