CN104011582A - 光波前的控制 - Google Patents

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戴维·A·法塔勒
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Abstract

本文描述用于控制光波前的技术。多个子波长(SWG)层包括SWG层。该SWG层被布置为控制光波前。

Description

光波前的控制
背景技术
波前控制设备是影响入射波前或其光谱成分中至少一些的行进方向的设备。波前控制设备的示例包括棱镜、光束分裂器、波长过滤器或它们的组合。这样的设备可以用来例如沿特定方向引导光束，将光束分裂成其各光谱成分或者阻挡光束中的一些光谱成分。
波前控制设备可以包括被组合为以特定方式控制入射波前的多个元件。例如，多个三角棱镜元件可以被组合为执行光谱色散，而不导致入射波前在设计波长处的偏离。进一步，波前控制设备可以组合不同类型的元件。例如，光束转向系统可以使用镜子、棱镜和透镜的组合，来改变入射波前的方向、形状和光谱组成。
存在向批量生产包括波前控制设备的小型光学设备的趋势。然而，迎合这种趋势具有挑战性，因为像棱镜、光束分裂器等之类的元件可能在必须满足特定规范时制造起来是昂贵的。进一步，这些设备的元件(例如，棱镜)可能是相对体积大的，使得单个设备中的集成可能是困难的。
附图说明
为了使本公开内容可容易理解，现在将参考下面的图描述各示例。
图1A是根据一示例的波前控制设备的立体图。
图1B是沿图1A所示的波前控制设备的线A-A的剖面图。
图2是根据一示例操作的另一波前控制设备的剖面图。
图3是根据另一示例操作的又一波前控制设备的剖面图。
图4示出根据一示例的被配置为具有光栅图案的子波长(SWG)层的俯视平面图。
图5示出根据一示例的SWG的剖面图。
图6A和图6B示出作为根据本文示例的图6C所示的SWG层的占空比的函数的透射率和相移的曲线图。
图7示出根据示例处于操作的SWG层的、图示可以如何改变所透射的波前的剖面图。
图8A示出根据示例配置的SWG层的俯视平面图，图8B示出处于操作的图8A的SWG层的剖面图。
图9示出用于分裂多成分波前的处于操作的图8A的SWG层的剖面图。
图10示出用于过滤多成分波前的光谱成分的、处于操作的SWG层的另一示例的剖面图。
图11A示出根据另一示例配置的SWG层的俯视平面图，图11B示出处于操作的图11A的SWG层的剖面图。
图12示出绘出根据示例的用于制造波前控制设备的工艺流程的图。
图13A至图13I示出根据图12工艺流程的示例的、用于制造波前控制设备的结构的剖面图。
图14A至图14K示出根据图12工艺流程的示例的、用于制造波前控制设备的结构的剖面图。
图15A和图15B示出根据图12工艺流程的示例的、用于制造波前控制设备的结构的剖面图。
在附图中，为了图示清楚起见，放大了层和区域的尺寸。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述了大量细节，以提供对本文公开的示例的理解。然而，本领域技术人员将理解，示例可以在没有这些细节的条件下实施。进一步，在下面的详细描述中，参考了附图，在附图中通过图示示出多个示例。在这一方面，关于所描述的图的方向使用了诸如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”等之类的方向术语的。由于所公开的部件能够被放置在多个不同的朝向，所以方向术语是为说明目的使用的，而绝不是限制性的。对各个附图中相同和对应的部分使用相同的附图标记。尽管图示有限多个示例，但是将理解由此产生的多个修改和变化。
如上面阐述的，波前控制设备可能制造起来是昂贵的。此外，将其元件集成在单个设备中可能是困难的。
本文描述了用于控制光波前的波前控制设备，其包括多个子波长光栅(SWG)层。在本文的示例中，SWG层被堆叠。进一步，SWG堆叠包括被布置为控制光波前的SWG层。
SWG层指包括衍射光栅的层，其中衍射光栅具有足够小以抑制除第0阶衍射以外的所有衍射的间距。与此相比，传统的波长衍射光栅的特征是，充分高以引入入射光的更高阶衍射的间距。换言之，传统的波长衍射光栅将光分裂并衍射成沿不同方向行进的若干个光束。然而，SWG层如何折射入射光束可以在制造时通过适当地选择SWG的衍射结构的尺寸来确定。
如下面在“配置子波长光栅”部分中详细描述的，可以将SWG层布置为控制入射到其上的波前。更具体地，具有非周期的子波长图案的光栅可以被配置为对射入光束传递赋予相前。从而，可以实现任意的衍射元件。在本文描述的设备中，可以通过将一个或多个SWG层配置为执行特定波前控制功能，来实现波前控制。例如，可以将SWG层配置为使入射波前偏转，以便改变其行进方向，将入射波前分裂成各光谱成分，或者过滤入射波前的特定光谱成分。此外，这种用于波前控制的SWG层可以与被配置为对所控制的波前进行准直、聚焦或扩展的SWG层结合，以便提供波前控制设备中的更多功能。
本文描述的SWG层的堆叠有助于构造波前控制设备中的多个功能。例如，如关于图3说明的，可以将SWG层布置为对多个平行入射光束进行准直，并且可以将另一层布置为通过分离这些平行入射光束来控制入射波前。进一步，本文的示例有助于构造小型的波前控制设备，这是因为SWG层是能够方便地集成到单个设备内的平面结构。此外，这种小型波前控制设备可以批量生产，这是因为如“制造波前控制设备”部分中说明的，利用微加工过程和高容量生产方法(如标准的CMOS工艺或卷对卷压印)，可以容易地制作SWG层。
在下面的描述中，术语“光”是指波长位于电磁光谱的可见和不可见部分中的电磁辐射，包括电磁光谱的红外和紫外部分。术语“波前”是指光束中具有相同相位的点的轨迹(即线或者在三维中传播的波中的表面)。术语“堆叠”是指SWG层的有序堆积。在堆叠的各SWG层之间可以插入间隔片。将理解，当一层或膜被称为或被示出为位于两个层或膜“之间”时，其可以是这两个层或这两个膜之间的唯一层或唯一膜，或者还可以存在一个或多个中间层或膜。
波前控制设备：提供本文描述的波前控制设备，来说明能够被用来实现波前控制的许多种可能的SWG层布置的一些示例。设想波前控制设备具有任何数量、任何间隔以及任何布置的SWG层，以实现有助于入射在该设备上的波前的特定控制的光学功能。将SWG层中的至少一个布置为控制光波前。具体地，可以将SWG层布置为影响波前或其光谱成分中至少一些的行进方向(例如沿特定方向引导光束，将光束按其光谱成分分裂，或者过滤波前中的光谱成分)。
图1A示出根据示例的波前控制设备100的立体图。图1B示出沿线A-A的设备100的剖面图。在图示的示例中，设备100包括堆叠的子波长光栅(SWG)层12、14、16、18。在SWG层之间插入间隔片20、22、24、26。间隔片限定相邻SWG层之间的相对位置。如下面进一步详细介绍的，间隔片可以包括基本透明的材料(例如，二氧化硅)，使得能够在SWG层之间传输波前。间隔片可以包括一个或多个其上形成有SWG层的基板。进一步，间隔片可以包括其上形成有SWG层的沉积层。
将SWG层12、14、16、18中的至少一个布置为控制入射到其上的光波前。还可以将其它SWG层布置为控制入射到其上的光波前或者配置为实现其它光学功能，如对波前进行聚焦、对波前进行扩展、对波前进行准直或使波前的分量偏振。
SWG层可以由任何适合的材料组成，如包括硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)或它们的组合的半导体。在本文的示例中，间隔片由用于分离相邻SWG层的固体材料组成。间隔片可以由适合的聚合物或别的介电材料(如透明二氧化硅)组成。间隔片可以具有比相邻SWG层低的折射率。
通常，将间隔片的厚度和组成选择为，与SWG层合作来实现波前控制设备的具体功能。更具体地，由本文描述的波前控制设备控制的波前穿过一个或多个间隔片。进一步，间隔片限定各SWG层之间的相对位置。因此，间隔片的构造(即，尺寸和光学属性)影响设备如何控制入射到其上的波长。因此，可以考虑由特定波前控制设备实现的功能，来布置间隔片。
间隔片充当波前控制设备的光学部件之间的高精度分隔器。而且，如下面进一步说明的，间隔片可以包括其上形成有SWG层的基板。从而，在不损害波前控制设备的部件的高精度定位的情况下，简化了波前控制设备的设计和加工。
将设备100的上述部件布置为控制入射到设备100的第一端面28上的波前30。如图1A所示，可以将设备100的第二端34配置为传输根据具体波前控制功能控制的波前32。
可以将设备100配置为反射波前控制设备，该反射波前控制设备根据具体波前控制功能对入射波前进行反射。更具体地，如图1B所示，设备100可以可选地包括位于第二端34的反射层36，使得入射波前30(i)在穿过传输光学路径38的同时经历第一控制阶段以及(ii)在穿过反射光学路径40的同时经历第二控制阶段之后，在反射层36上反射。反射层36可以包括用于反射的适合材料，如介电材料、半导体或如金(Au)或银(Ag)的金属。此外，反射层36可以包括被配置为反射入射波前的SWG层。将设备100配置为在第一端面处发出根据由SWG层12-18实现的具体波前控制功能所控制的波前32′。在所图示的设备中，作为示例，将SWG层12、14布置为通过改变入射波前的行进方向实现波前控制。
根据一些示例，波前控制设备可以实现多个光束的方向控制。例如，波前控制设备可以被布置为将多个入射光束彼此分离。图2是根据示例操作的波前控制设备200的剖面图。将设备200设计为以特定方式控制沿方向216在自由空间220中传播的输入光束202，使得其沿偏转方向222发出经控制的输出光束204到自由空间220内，输入光束202包括波前203，输出光束204包括波前205。波前由细轨迹线表示。控制设备200包括第一SWG层206和第二SWG层208。间隔片210位于第一SWG层206与第二SWG层208之间，以便限定彼此之间的相对位置。将第一端面212(输入表面)配置为接收输入光束202，将第二端面214(输出表面)配置为发射输出光束204。
如关于图13I或图14K说明的，间隔片210可以包括或者可以被构造为基板，在基板上形成第一SWG层206、第二SWG层208或者这两个层。在替代示例中，每个SWG层和其各自的基板形成集成结构，这两个集成结构被彼此接合在一起，使得间隔片210包括两个基板，如关于图15B说明的。
设备200例示了一示例，该示例实现发散光束的控制，来生成相对于输入光束的入射方向216被准直和被偏转的输出光束。如图2所示，在第一端面212入射在设备200上的输入光束202具有发散波前203。第一SWG层206充当发散波前203，以便将它们会聚成准直光束218。在所图示的示例中，间隔片210由透明材料组成，使得准直光束218沿与光束202相同的方向216穿过间隔片210。准直光束218射在第二SWG层208上。第二SWG层208使准直光束218沿偏转的行进方向222偏转。经控制的输出光束204从第二端面214传输到自由空间220内。
图3是根据示例操作的另一波前控制设备300的剖面图。将设备300设计为控制沿输入方向320在第一介质306中传播的输入光束302、304。输入光束302、304从源通道308、310中射出，并且被设备300控制成输出光束312、314，输出光束312、314被定型和偏转成沿输出方向322在介质325中耦合到输出通道316、318内。从而，设备300实现输入光束302、304的光束分离。实现光束分离的波前控制设备可应用于多种应用。例如，设备300可以形成多终端(MT)光学连接器的一部分。可以将MT连接器设计为，例如将一捆光纤(或多芯光缆)连接至光子集成电路(PIC)、拼接光纤的输出、将PIC连接至PIC、互连多捆光纤或者互连光纤捆或多芯光缆。
设备300包括准直SWG层324、偏转层326和另一偏转层328。间隔片330插在SWG层324与偏转层326之间，在偏转SWG层326和偏转SWG层328之间插入另一间隔片332。在所图示的示例中，间隔片330、332由透明材料组成。设备300可以被布置在自由空间(在此情况中，介质306、325可以是空气)中。可替代地，设备300可以包括用于将该设备物理地连接至通道308、310、316、318的更多层。进一步地，设备300和各通道可以集成为单个设备。
如图3所示，设备300控制输入光束302、304的过程可以包含以下事件。由源通道308、310发出具有发散波前的输入光束302、304。输入光束302、304在第一端面212处入射在设备300上。准直SWG层324对发散波前起作用，以便将它们会聚成准直光束327、329。准直光束327、329在准直SWG层324和偏转SWG层326之间传输穿过间隔片330。偏转SWG层326对准直光束327、329起作用，以便将它们偏转一角度α，偏转成偏转光束331、333。偏转光束331、333在准直偏转SWG层326和偏转SWG层328之间传输穿过间隔片332。偏转SWG层328对偏转光束331、333起作用，以便将它们偏转一角度α，偏转为指向输出通道316、318的输出光束312、314。
将理解，除其它特征以外，输入光束和输出光束之间的分离距离d取决于(a)偏转角度α和(b)间隔片332的厚度。进一步，在图示的示例中，将偏转SWG层326、328图示为引起相同的偏转角度，然而，每个偏转SWG层326、328可以被布置为引起不同角度的偏转。
配置子波长光栅：图4示出根据示例的被配置为具有光栅图案的SWG层400的俯视平面图。在该示例中，SWG层400包括多个一维光栅子图案。三个光栅子图案401-403被放大显示。每个光栅子图案包括多个规则地布置的衍射结构。在所图示的示例中，将该衍射结构图示为SWG层材料间隔开的线状部分(下文中称为“线”)。这些线沿y方向延伸，且沿x方向间隔开。还示出光栅子图案402的放大端部图404。如端部图404所示，SWG层400可以是具有由形成在层中的沟槽分离的线(如线406-409)的单个层。
SWG层的子图案的特性在于衍射结构的一个或多个周期性尺寸特性。在所图示的示例中，周期性尺寸对应于(a)线的间距和(b)线沿x方向的宽度。更具体地，子图案401包括以周期p1周期性地间隔开的具有宽度w1的线，子图案402包括以周期p2周期性地间隔开的具有宽度w2的线，并且子图案403包括以周期p3周期性地间隔开的具有宽度w3的线。如果光栅子图案的特性尺寸(例如，周期p1、p2或p3)小于被设计操作的特定入射光的波长，则光栅子图案形成子波长光栅。例如，SWG的特性尺寸(例如，周期p1、p2或p3)的范围可以是从大约10nm至大约300nm或者从大约20nm至大约1μm。通常，根据特定波前控制设备被设计对其进行操作的光的波长，选择SWG的特性尺寸。
来自子区域的第0阶衍射光获取由线厚度t和占空比η确定的相位φ，该占空比η由定义，
其中w是线宽度，p是与该区域关联的线的周期。
由于与光栅子图案401-403中每个光栅子图案关联的不同占空比和周期，光栅子图案401-403中每个光栅子图案对入射光进行不同的衍射。通过调整线的周期、线宽和线厚度，可以将SWG层400配置为以特定的方式协调入射光。
图5示出根据示例的SWG500的剖面图。该图示出了SWG500的两个分离的光栅子图案502和504的多个部分。子图案502和504可以位于SWG500的不同区域。子图案502的线的厚度t1大于子图案504的线的厚度t2，并且与子图案502中的线关联的占空比η1大于与子图案504的线关联的占空比η2。
图4和图5图示基于具有非周期子波长图案的光栅的SWG。这样的SWG的特征在于空间变化的折射率，这有助于实现任意的衍射元件。该基本原理是入射在非周期SWG(例如，SWG500)上的光可以被俘获在其中，并且在光栅的多个部分内振荡一段时间。光最终透射穿过SWG，但是透射穿过子区域(例如，子区域502)的光的那部分比透射穿过具有不同特性尺寸的子区域(例如，相对于子区域502的子区域504)的光的那部分获得较大的相移。
如图5的示例中所示，入射波前516和518以大约相同的相位射在SWG500上，但是波前520以比透射穿过子图案504的波前522获得的相移φ′相对较大的相移φ透射穿过子图案502。
在一些示例中，SWG层可以具有与SWG平行且与其相对侧相邻布置的反射层。从而，在SWG的两侧可以形成谐振腔。然后，光可以被俘获在这些谐振腔上，并且以类似于图5所示那样在光束中以不同的相位最终透射穿过反射层。
SWG层可以被布置有所谓的偏振衍射元件(下文中称为偏振SWG层)。在偏振SWG层中，光如何反射或透射穿过SWG层取决于入射光的特定偏振。更具体地，SWG的元件可以被布置为对入射光的偏振敏感。特别地，如在具有公开号WO2011136759的国际专利申请中描述的那样，SWG的厚度和间距可以被选择为偏振敏感的，其中就该文献与本公开内容、具体为其中描述SWG设计的那些部分相一致的内容，通过引用将该国际专利申请并入本文。
可替代地，SWG层可以布置有所谓的非偏振衍射元件，使得光如何反射或透射穿过SWG层基本上不依赖于入射光的特定偏振。更具体地，SWG的元件可以被布置为对入射光的偏振不敏感。这样的SWG层被称为非偏振SWG。如下面关于图6A至图6C图示的，利用表示特定特性尺寸的SWG的谐振性的透射曲线，通过图案尺寸的适当选择对非偏振SWG进行设计。
图6A和图6B示出作为根据本文的示例的且图6C中图示的SWG层600的占空比的函数的透射率和相移的曲线图。在图6A中，曲线602对应于相对于一系列占空比穿过具有图案的SWG层600的透射率，其中该图案由位于氧化物矩阵603(见图6C)中的硅柱601的六边形阵列组成。(在图6A、图6C的图中，将占空比图示为百分比)。在图6B中，曲线604对应于相对于一系列占空比SWG600的透射系数的相位。在该示例中，将占空比定义为2R/Λ，其中R是可变柱半径，并且Λ是固定的点阵常数。对于该特定示例，Λ＝475nm，将柱601的厚度保持固定在130nm，光波长是650nm。
如图6A、图6B所示，SWG600以分别与32％和80％的占空比值相关的两个谐振为特征，其中在经历相位跳变时反射率达到峰值且透射率下降。在这两个谐振之间，透射率高，并且所透射的相位平滑地变化稍大于1.6π的量。使用图6A和图6B所示的数据，可以设计非偏振透射SWG。更具体地，可以选择SWG层中的衍射元件的尺寸，使得光栅子图案的透射特性包含在透射率曲线中的谐振之间，使得SWG对入射波前的偏振不敏感。在所图示的示例中，可以基于具有475nm固定间距和在140nm和380nm之间变化的柱直径的130nm高的硅柱阵列，设计用于650nm波长的非偏振衍射光元件。
注意，如从上面的示例中能够解释的，具有包含在透射率曲线的谐振之间的光栅子图案的透射率特性的SWG层的特征纵横比，与该区域以外的SWG层相比，可能较低。术语“特征纵横比”指图案的厚度(例如，柱的厚度或图5中图示的厚度t1或t2)与光栅特征的最小尺寸(例如突起部的宽度或柱直径)之间的比率。
在上面的过程以后，可以将非偏振SWG层布置为控制入射到其上的波前或者执行其它光学功能，如对入射到其上的波前进行聚焦、准直或扩展。该基本原理是选择SWG中衍射元件的尺寸，使得光栅子图案的透射特性包含在透射率曲线中的谐振之间。此外，使用这种设计方法，可以布置具有低纵横比的SWG层，如低于10:1的纵横比，或者更具体地，低于5:1的纵横比，或者更具体地，低于1:1的纵横比。从而，有助于利用诸如深度UV或纳米印刷光刻之类的微加工工艺来直接批量生产SWG层。将理解，在图示了六边形柱图案的图6A至图6C中图示的示例，可以推广于众多SWG几何构造，如关于图4、图8A或图11A图示的SWG几何构造。
具有非偏振衍射元件的SWG层的一些更多示例，被例示在法塔勒(Fattal)等人在“Integrated Photonics Research,Silicon and Nanophotonics,OSA TechnicalDigest(CD)(Optical Society of America,2011),paper ITuD2(OSA技术汇编(CD)，硅和纳米光子学，集成光子研究(美国光学协会，2011年)论文ITuD2)”中发表的题目为“A Silicon Lens for Integrated Free-Space Optics(用于集成的自由空间光学器件的硅透镜)”的文章中，其中就该文献与本公开内容、具体为其中描述SWG设计的那些部分相一致的内容，通过引用将该文章并入本文。
图7示出根据示例的图示透射波前可以如何改变的操作中的SWG层704的剖面图。在示例中，具有基本一致的波前702的入射光射在SWG层704上，SWG层704产生具有弯曲的透射波前706的透射光。透射波前706产生自入射波前702的一部分，其中与入射波前702中与SWG500的具有相对较小占空比η2和厚度t2的子区域504相互作用的部分相比，该部分与具有相对较大占空比η1和厚度t1的SWG500的子区域502相互作用。透射波前706的形状，相对于由与子区域504相互作用的光获取的较小相移，与由与子区域502相互作用的光获取的较大相移一致。
可以将SWG层配置为提供任意相位前形状调制。从而，在波前控制设备中可以实施SWG层来实施特定功能。这些功能可以包括：使光束偏转、将光束分裂成光谱成分、过滤光束中的一个或多个光谱成分、使入射光束聚焦或散焦或者对具有非平行波前的入射光束进行准直。下面，说明被配置实施这些功能的SWG层的一些示例。
在示例中，可以配置SWG层的非周期SWG，使得SWG层像棱镜那样操作，即通过产生相对于入射光偏转的透射光对入射光进行控制。这种SWG可以通过形成具有沿一个方向逐渐变化的占空比来实现。
图8A示出SWG层800的一维光栅图案的俯视平面图，该SWG层800被配置为对具有适当波长的常规入射光作为棱镜操作；图8B示出SWG层800在操作时的剖面图。SWG层800的非周期SWG包括区域801-804，每个区域由沿y方向延伸的具有相同周期的线形成，但是占空比从区域801至区域804逐渐下降。放大图806-808表明，线周期间距p完全相同，但是区域801的线相比区域802的线具有相对较大的占空比，区域802的线相比区域803的线具有相对较大的占空比。对区域801-804的占空比进行选择，使得最终得到的透射光相位变化在区域801是最大的，并且从区域801至区域804递减。
如图8B中所示，相位变化导致平行波前810(对应于垂直指向SWG层800的输入表面812的具有波长λ的光束)透射穿过SWG层800的输出表面816，作为以偏离表面法线820角度α行进的透射波前810’。
在示例中，当包括多个光谱成分的光射到被配置为像棱镜那样操作的SWG层的非周期SWG上时，该SWG层的非周期SWG可以担当光束分裂器。
图9示出用于分裂包括多个光谱成分的波前902的、操作中的SWG层800的剖面图。在所图示的示例中，波前902包括(i)与具有波长λ1的光对应的第一光谱成分904(用细线示出)和(ii)与具有波长λ2的光对应的第二光谱成分906(用粗线示出)。SWG层800引起入射波前不同光谱成分的不同相位变化，这是因为光与光栅图案的相互作用是与波长相关的。
可以将衍射特征设计为，根据其特定应用的需要控制多成分波前。在图9绘出的示例中，将SWG层800设计为控制波前902，使得其光谱成分偏转对称的角度α。更具体地，由SWG层800引起的相位变化导致(i)与具有波长λ1的光束对应的波前902的光谱成分904以偏离表面法线820角度α透射穿过输出表面816，以及(ii)与具有波长λ2的光束对应的波前902的光谱成分906以偏离表面法线820的角度-α透射穿过输出表面816。将理解，可以将SWG层设计为根据需要以任何方式分裂多成分波前，以实施波前控制设备中的特定功能。
在示例中，SWG层的非周期SWG可以被配置为，在包括多个光谱成分的光射到SWG层的非周期SWG上时通过像过滤器元件那样操作，控制入射波前。
图10示出用于过滤包括多个光谱成分的波前902的特定光谱成分的、操作中的SWG层1000的剖面图。在所图示的示例中，波前902包括(i)与具有波长λ1的光对应的第一光谱成分904(用细线示出)和(ii)与具有波长λ2的光对应的第二光谱成分906(用粗线示出)。SWG层1000引起入射波前不同光谱成分的不同相位变化，这是因为光与光栅图案的相互作用是与波长相关的。此外，将SWG层1000特别地设计为通过阻挡具有波长λ2的光，过滤第二光谱成分906。
可以将衍射特征选择为，根据其特定应用的需要，选择性地过滤多成分波前。在图10绘出的示例中，将SWG层1000设计为控制波前902，使得具有波长λ2或与其接近的光谱成分被阻挡，并且具有其它波长的光谱成分被透射穿过SWG层1000。更具体地，由SWG层1000引起的相位变化导致(i)与具有波长λ1的光束对应的波前902的光谱成分904在没有偏转的情况下透射穿过输出表面816，以及(ii)与具有波长λ2的光束对应的波前902的光谱成分906在光栅处被吸收。将理解，可以将SWG层设计为根据需要以任何方式过滤多成分波前，以实施波前控制设备中的特定功能。例如，SWG层可以过滤一些光谱成分，同时分裂其它光谱成分。
在示例中，可以配置SWG层的非周期SWG，使得该SWG层像透镜那样操作，其可被配置为例如聚焦、准直或扩展入射光束。作为透镜操作的这种SWG层可以通过形成具有相对于对称轴线对称地变化的占空比的SWG图案来实现，该对称轴线限定SWG层的光轴。
图11A和图11B，通过绘出能够作为用于聚焦入射光的凸透镜操作的特定SWG层1100，图示被布置为作为透镜操作的SWG层。图11A示出SWG层1100的一维光栅图案的俯视平面图，该SWG层1100被配置为作为凸透镜操作，以通过使偏离SWG层1100中央的光栅线适当地成锥形，来将入射光聚焦到焦点1136；图11B示出操作中的SWG层1100的剖面图。
SWG层1100包括非周期SWG，该非周期SWG具有由环行阴影区1102-1105表示的光栅图案。每个环行阴影区代表由线构成的不同光栅子图案。放大图1108-1111示出，该SWG包括沿y方向成锥形的线，这些线具有沿x方向的恒定线周期间距p。更具体地，放大图1108-1110是沿y方向与虚线1114平行延伸的相同线的放大图。放大图1108-1100表明，线周期间距p保持恒定，但是线的宽度沿y方向偏离SWG的中央变窄或呈锥形。每个环行区具有相同的占空比和周期。例如，放大图1108-1111表明环形区1104的部分，这些部分包括具有基本相同占空比的不同线的部分。结果，环形区的每个部分在透射穿过SWG层1100的光中产生基本相似的相移。例如，虚线圆1116代表单个相移轮廓，其中沿圆1116在任何位置透射穿过SWG层的光获得基本相同的相位φ。
如图11B中绘出的，相位变化促使平行波前1118透射穿过SWG层1122的输出表面1122，作为向焦点1136会聚的输出波前1118’，其中该平行波前1118对应于垂直指向SWG层1100的输入表面1112的、具有波长λ的光束。
SWG层不局限于关于图4、图5、图8A或图11A图示的一维光栅。可以将SWG层配置为具有二维非周期SWG，使得SWG层可以被操作，来实施特定波前控制功能或者其它光学功能，如对入射光束的聚焦、扩展或准直。在示例中，非周期SWG由柱而不是由线组成，这些柱由沟槽分离。通过改变柱的尺寸，占空比和周期可以沿x方向和y方向变化。在其它示例中，非周期SWG层由被实体部分分离的孔组成。通过改变孔的尺寸，占空比和周期可以沿x方向和y方向改变。这样的柱或孔可以根据多种形状(如圆形或矩形)布置。
通过适当地设计对入射波前引起的相位变化，可以将SWG层布置为实施特定光学功能。有多种方式来设计所引起的相位变化。在示例中，为了配置SWG层，可以使用适当的计算工具，如用于对电磁系统进行建模的应用程序“MITElectromagnetic Equation Propagation(MIT电磁方程传播(“MEEP”))仿真包”或者能够用来对多种物理和功能应用进行模拟的COMSOL(其是有限元分析和求解器软件包)，来确定其透射率分布。所确定的透射率分布可以用来均匀地调整整个SWG层的几何参数，以便产生透射波前的特定变化。
制造波前控制设备：图12图示用于制造波前控制设备的方法1200的示例。在1202处，确定与第一SWG和第二SWG关联的尺寸特性，以设置透射穿过它们的电磁波前的形状。更具体地，通过适当地设计对入射波前引起的适当的相位变化，如在上面的章节中阐述的那样，可以将SWG层布置为实施波前控制设备中的特定光学功能。可替代地，在执行方法1200之前，可以预确定待形成的SWG层的尺寸，然后可以根据所预确定的尺寸执行该方法1200。
在1204处，在基板上形成第一SWG层。进一步地，在1206处，将第一SWG层、基板和第二SWG层集成在一起。例如，可以将这些部件集成在一起，以便形成单个的实体，如下面进一步详细介绍的。方法1200还可以包括在设备中集成附加SWG层。可以将SWG层一个集成在另一个上方，以便形成堆叠。将SWG层中至少一个布置为控制入射在设备上的波前。可以将其它SWG层布置为执行其它光功能，如对入射到其上的波前进行聚焦、准直或扩展。
可以使用诸如光刻、压印工艺、层沉积或者它们的组合之类的微加工，来制造本文描述的波前控制设备的SWG层。更具体地，根据上面关于图6A至图6C介绍的过程，可以将SWG层设计为具有10:1以下的特征纵横比、或更具体地5:1以下的纵横比、或更具体地1:1以下的纵横比。以此方式设计的SWG层有助于其方便的生产，这是因为较高的特征纵横比使使用微加工技术(如深UV或纳米压印光刻)变得困难。
具有许多将SWG层集成在波前控制设备中的方法。例如，如关于图13A至图13I说明的，可以在基板的第一侧上形成第一SWG层，可以在基板的与第一侧相对的第二侧上形成第二SWG层。在其它示例中，如关于图14A至图14K说明的，通过在基板上沉积由不同材料制成的交替层，形成第一层；通过在第一SWG上沉积由不同材料制成的交替层，在第一SWG上形成第二SWG层。在更多其它的示例中，第一SWG层和第一基板形成第一集成结构的一部分；第二SWG层形成在第二基板上，第二SWG层和第二基板形成第二集成结构的一部分；然后，如关于图15A至图15B说明的，通过将第一集成结构和第二集成结构彼此接合，执行集成。
参考图13A至图13I，这些图图示了可以被用来制造本文描述的波长控制设备的工艺的示例。具体地，所描述的工艺有助于形成包括集成结构1302的波前控制设备，其中(a)第一SWG层1316形成在基板的一侧上，并且(b)第二SWG层1318形成在该基板的相对侧上。
图13A图示了包括形成在基板1308的相对侧上的光栅材料膜1304、1306的结构1302的示例图。光栅材料膜1304可以是介电膜，其能够被沉积到基板1308上，能够由基板材料的层氧化而成(例如，通过热氧化)，或者能够经由溅射、化学气相沉积或其它适合的技术形成。光栅材料膜1304、1306可以由诸如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)或它们的组合之类的多种材料中的任一种形成。基板1308可以由多种透明材料制成，如二氧化硅或别的透明介质(如适合的聚合物)。光栅材料膜1304、1306可以形成在基板1308上，以具有优化的厚度以及其它光栅参数，从而借助于上面描述的SWG层实现光学功能。
图13B图示包括涂覆在光栅材料膜1304上的附加掩膜(例如，光致抗蚀剂)1310的结构1302的示例图。光致抗蚀剂膜1310可以具有大约至大约的厚度。然而，将理解，其厚度可以具有适于制造本文描述的波长控制设备的任何尺寸。例如，光致抗蚀剂膜1310的厚度可以根据被用于对该膜进行图案化的辐射的波长而改变。光致抗蚀剂膜1310可以经由旋转涂覆技术或旋铸沉积技术形成在光栅材料膜1304上。
图13C图示具有光致抗蚀剂膜1310的结构1302的示例，其中该光致抗蚀剂膜1310已经被图案化，以形成多个间隙1312。光致抗蚀剂层中的每个间隙1312的尺寸可以被设计为具有根据被构造的SWG层的期望光学属性预确定的尺寸。因此，间隙1312在被图案化的光致抗蚀剂膜中的预确定位置提供衍射图案(例如，线条图案或上面图示的任何图案)。因此，被图案化的光致抗蚀剂膜1312可以担当蚀刻掩膜，以将下层的光栅材料层1304处理或蚀刻为包括对应的衍射图案。
图13D图示如箭头1314所示的经过蚀刻的结构1302的示例图。该蚀刻可以通过等离子体蚀刻(例如，各向异性深反应离子蚀刻(DRIE)技术)执行。然而，可以利用任何适合的蚀刻技术来对光栅材料膜1304进行蚀刻。例如，在可商业获得蚀刻器(如，平行板DRIE装置或可替代地电子回旋共振(ECR)等离子体反应堆)中，用一种或多种等离子体气体，如包含氟离子的四氟化碳(CF4)，可以对光栅材料膜1304进行各向异性地蚀刻，以复制被图案化的光致抗蚀剂膜的掩膜图案。
图13E图示在蚀刻步骤结束以后导致完成第一SWG层1316的结构1302的示例图。脱膜步骤(例如，在O2等离子体中灰化)可以被执行，以移除被图案化的光致抗蚀剂膜1310的剩余部分。因此，SWG层包括在介电材料膜1310中已经经由图13D的示例的蚀刻过程蚀刻的间隙，因此留下可以具有上面描述的任何构造的光栅图案。
大致地，对光栅材料层1306执行上面关于光栅材料层1304描述的相同过程(在图13B至图13E中图示)，以便在基板1308的与其上形成第一SWG层1316的侧面相对的侧面形成第二SWG层1318。如在图13F中图示的，在光栅材料膜1306上涂覆附加的掩膜(例如，光致抗蚀剂)1302。如在图13G中图示的，对光致抗蚀剂膜1320进行图案化，以便形成多个间隙1322。如在图13H中图示的，结构1302可以经过进一步蚀刻，如箭头1324指示的，以实现光栅材料1306的图案化。图13I图示在蚀刻结束以后得到第二SWG层1316的结构1302。
上面的过程得到波前控制设备，该波前控制设备包括透明基板1308，该透明基板1308担当第一SWG层1316和第二SWG1318之间的间隔片。这种过程是用于制造波前控制设备的一部分的方便方法，该波前控制设备能够实现批量生产，而不牺牲SWG层之间的高精度定位。如在附图中绘出的，将SWG层1318布置为，通过向其提供具有特征尺寸的非周期SWG(在该示例中，向图13I中的左侧方向逐渐增加的柱宽度)，控制入射光波前。
参考图14A至图14K，这些图图示了可以被用来制造本文描述的波长控制设备的过程的另一示例。具体地，所绘出的过程有助于形成包括集成结构1402的波前控制设备，其中在基板1406上层叠第一SWG层1418和第二SWG层1434。
图14A图示包括形成在基板1406上的光栅材料膜1404的结构1402的示例图。光栅材料膜1404和基板1406可以分别类似于上面关于图13A提到的光栅材料膜1304和基板1308中的任一个。
图14B图示包括涂覆在光栅材料膜1304上的附加掩膜(例如，光致抗蚀剂)1408的结构1402的示例图。光致抗蚀剂膜1408可以与上面关于图13B描述的光致抗蚀剂膜1310类似地形成。
图14C图示具有光致抗蚀剂膜1408的结构1402的示例，该光致抗蚀剂膜1408已经被图案化来形成多个间隙1410，多个间隙1410与上面关于图13C描述的间隙1312类似地形成。
图14D图示如关于图13D中的结构1302描述那样类似地如由箭头1412指示的经过蚀刻的结构1402的示例图。
图14E图示在蚀刻步骤结束以后导致完成SWG1414的结构1402的示例图。
图14F图示在经历将透明膜1416沉积在基板1406和SWG1414上的沉积步骤以后的结构1402的示例图。透明膜1416可以包括适合的透明材料，如硅氧化物。SWG1414和透明膜1416形成第一SWG层1418。
图14G图示包括(a)形成在第一SWG层1418上的附加光栅材料膜1420和(b)涂覆在附加光栅材料膜1420上的附加掩膜(例如，光致抗蚀剂)1422的结构1402的示例图。附加光栅材料膜1420和光致抗蚀剂膜1422分别是与光栅材料膜1404和光致抗蚀剂膜1408类似地形成的。
大致地，对附加光栅材料膜1420和光致抗蚀剂膜1422，执行上面关于光栅材料膜1404和光致抗蚀剂膜1408(在图14B至图14E中图示的)描述的相同过程，以便形成堆叠在第一SWG层1418上的第二SWG层1424。如在图14H中图示的，光致抗蚀剂膜1422被图案化，以形成多个间隙1426。如图14I中图示的，结构1402可以经历如箭头1428表示的进一步的蚀刻，以实现附加光栅材料1420的图案化。图14J图示在蚀刻结束以后导致形成在第一SWG层1418上的SWG1430的结构1402。如图14J中图示的，在第一SWG层1418和光栅1430上可以沉积与透明层1416类似的透明层1432，使得光栅1430和透明层1432形成第二SWG层1434。
上面的过程有助于制造包括基板1406的波前控制设备，其中在基板1406上方通过沉积堆叠SWG层。如附图中绘出的，通过向其提供具有特征尺寸的非周期SWG(在该示例中，向图14K中的左侧方向逐渐增加的柱宽度)，SWG层1434被布置为控制入射光波前。
在波前控制设备可以作为用于透射受控光束的设备操作的情况下，基板1406可以是透明的。可替代地，可以将基板1406或相邻层(如，SWG层1418)配置为反射光，使得波前控制设备可以作为用于反射受控光束的设备操作。透明膜1416担当SWG1414和SWG1416之间的间隔片。在相邻的SWG之间可以插入进一步的透明膜。此外，在基板1406上可以堆叠进一步的SWG层，以便实现波前控制设备的更多光学功能。这种过程是用于制造波前控制设备的一部分的方便方法，该波前控制设备可以实现批量生产，而不牺牲SWG层之间的高精度定位。此外，这种波前控制设备能够方便地被配置为，被操作以通过其如上面阐述的那样反射来控制入射波前。
参考图15A和图15B，这些图图示能够被用来制造本文描述的波长控制设备的过程的进一步示例。具体地，所描绘的过程，通过接合两个集成结构1502和1504，有助于形成波前控制设备。这些集成结构分别包括其上形成有SWG层1510、1512的基板1506、1508。
图15A图示集成结构1502和1504。第一集成结构1502包括其上形成有SWG层1510的基板1506；第二集成结构1504包括其上形成有SWG层1512的基板1508。基板1506、1508是与上面关于图13A描述的基板1308类似的透明基板。在上面关于图13A至图14K图示的过程以后，可以形成SWG层1510、1512。每个集成结构可以包括形成在基板的相同侧上或在基板的不同侧上的更多SWG层。如附图中绘出的，通过提供具有特征尺寸的非周期SWG(在该示例中，向图15B中的左侧方向逐渐增加的柱宽度)，将SWG层1512布置为控制入射光波前。
图15B图示通过如图15A中的箭头1516示意性图示的那样接合集成结构1502和1504形成的结构1514。该过程有助于制造波前控制设备，该波前控制设备包括SWG层的堆叠，其中在SWG层1510与SWG层1512之间插入透明基板1506和1508。接合可以包括以下方法中的任一种：直接接合、等离子体激活结合、阳极接合、共晶结合、玻璃料接合、粘附接合、热压接合或反应接合。
为实现特定的波前控制设备，上面的制造方法可以彼此结合。例如，SWG层的堆叠可以通过第一基板上的沉积来形成，并且可以接合至另一基板上；随后，可以在后者基板上方堆叠更多SWG层。
上面描述的示例提供了有助于集成光学功能的波前控制设备。进一步，本文描述的波前控制设备有助于使用微加工方法的方便制造，而不牺牲光学性能。在前面的描述中，阐述许多细节来提供对本文公开的示例的理解。然而，将理解，这些示例可以在没有这些细节的条件下实现。尽管已经公开了有限数量的示例，但是预期由此产生的许多修改和变化。具体地，将理解，上面图示的SWG层的数量和布置被选择为描述一些特定示例。预期波前控制设备包括适合于实施入射波前的具体控制的任何数量和任何布置的SWG层。
所附权利要求旨在覆盖所图示的示例的修改和变化。关于特定要素引用的“一”或“该”的权利要求预期包括一个或多个这样的要素，既不要求也不排除两个或更多个这样的要素。

Claims (15)

1.一种用于控制光波前的波前控制设备，所述设备包括：
多个堆叠的子波长光栅(SWG)层，包括被布置为控制光波前的SWG层。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个堆叠的SWG层中的至少一个SWG层形成在基板上。
3.根据权利要求1所述的设备，其中形成在所述基板上的所述至少一个SWG层的特征纵横比低于10:1。
4.一种用于控制光波前的波前控制设备，所述设备包括：
第一SWG层和第二SWG层，所述SWG层中的至少一个SWG层被布置为控制光波前；以及
间隔片，插在所述第一SWG层与所述第二SWG层之间，所述间隔片限定所述第一SWG层与所述第二SWG层之间的相对位置。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述间隔片包括第一基板，所述第一SWG层形成在所述第一基板的第一侧上。
6.根据权利要求5所述的设备，其中：
所述第二SWG层形成在所述第一基板的与所述第一基板的所述第一侧相对的第二侧上；并且
所述基板是透明的。
7.根据权利要求5所述的设备，进一步包括：
第二基板，所述第二SWG层形成在所述第二基板上，
第一整体形成的结构，包括所述第一基板和所述第一SWG层；以及
第二整体形成的结构，包括所述第二基板和所述第二SWG层，其中
所述第一集成结构和所述第二集成结构彼此接合。
8.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一SWG层形成在沉积于所述第一基板上的第一沉积层中。
9.根据权利要求5所述的设备，其中
所述第二SWG层形成在沉积于所述第一沉积层上的第二沉积层中，并且
所述第一基板是反射器，且所述第一SWG和所述第二SWG被布置在所述第一基板的一侧。
10.一种制造波前控制设备的方法，所述方法包括：
在第一基板上形成第一SWG层；以及
将所述第一SWG层、所述第一基板和第二SWG层集成，所述第一SWG层和所述第二SWG层中的一个被布置为控制入射在所述波前控制设备中的光波前。
11.根据权利要求10所述的方法，其中在基板上形成第一SWG层包括将所述第一SWG层微加工到所述第一基板上。
12.根据权利要求10所述的方法，其中
形成第一SWG层包括在所述第一基板的第一侧上形成所述第一SWG层，并且
集成包括在所述第一基板的与所述第一侧相对的第二侧上形成所述第二SWG。
13.根据权利要求10所述的方法，其中在第一基板上形成第一SWG包括交替地沉积不同材料的膜。
14.根据权利要求10所述的方法，其中集成包括：通过在所述第一SWG上交替地沉积不同材料的膜，在所述第一SWG上形成所述第二SWG。
15.根据权利要求10所述的方法，其中
所述第一SWG层和所述第一基板形成第一集成结构的一部分；
所述第二SWG形成在第二基板上，所述第二SWG层和所述第二基板形成第二集成结构的一部分，
所述方法进一步包括将所述第一集成结构和所述第二集成结构彼此接合。
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