CN104570202A - 光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学装置，用以转向入射的电磁波，光学装置包含干涉区域、光栅结构及反射镜，干涉区域具有第一侧及相对于第一侧的第二侧，光栅结构设置于干涉区域的第三侧，反射镜设置于第一侧；入射电磁波由第二侧或光栅结构进入干涉区域，且大部分地入射电磁波以相对于入射角度的预定角度离开干涉区域。

Description

光学装置
技术领域
本发明是关于一种光学装置，特别是关于一种用以转向输入电磁波的光学装置。
背景技术
光栅耦合器(grating coupler,GC)的最新设计及制作工艺已可有效率地将单模光纤耦合至次微米的绝缘体上硅基板(silicon-on-insulator,SOI)波导，这使得光学端面不再需要被切割和抛光，以达到低成本及芯片级封装测试的可能性。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种用以将入射电磁波转向至预定角度(例如垂直于原入射方向)的光学装置。在本文中，“光”被用来取代“电磁波”，以简化叙述。
为达上述目的，本发明提供一种光学装置，用以转向一电磁波，该光学装置包含:一干涉区域，具有第一侧及一第二侧；一反射镜，设置于该第一侧；一光栅结构，设置于该干涉区域的第二侧；其中，该电磁波以一入射方向由该第一侧的相反侧、第二侧或第二侧的相反侧进入该干涉区域，进入该干涉区域的大部分电磁波沿着与该入射方向夹一预定角度的方向离开该干涉区域。
上述的光学装置，其中该预定角度介于45度至135之间。
上述的光学装置，其中该干涉区域可被一低折射率层或一高反射率层所部份覆盖。
上述的光学装置，，其中该光栅结构具有均匀结构周期。
上述的光学装置，其中该光栅结构的结构周期大致相同于形成在该干涉区域内的波形的信号周期。
上述的光学装置，其中该干涉区域的材质为硅、锗、氮化物、氧化物、高分子聚合物或玻璃。
上述的光学装置，其中该反射镜包含一全反射角镜或一分布布拉格反射镜或一金属层。
上述的光学装置，其中该反射镜的反射率高于50％。
上述的光学装置，其中该反射镜与该干涉区域为一体成型或为同一材料结构。
为达上述目的，本发明还提供一种光学装置，用以转向一入射电磁波，该光学装置包含：一干涉区域，具有第一侧、一相对于第一侧的第二侧，以及一第三侧；一反射镜，设置于该干涉区域的该第一侧；以及一光栅结构，设置于该干涉区域的该第三侧；其中，该光栅结构的结构周期与形成于该干涉区域的波形周期具有相同数量级。
上述的光学装置，其中该入射电磁波由该第二侧进入该干涉区域，进入该干涉区域的大部份电磁波经由该光栅结构或与该光栅结构相反的一侧离开该干涉区域。
上述的光学装置，其中该入射电磁波通过该光栅结构或与该光栅结构相反的一侧进入该干涉区域，进入该干涉区域的大部分电磁波由该第二侧离开该干涉区域。
上述的光学装置，更包含一反射器设置于该第二侧。
上述的光学装置，其中设置于该第二侧的该反射器的反射率小于设置于该第一侧的该反射镜的反射率。
上述的光学装置，其中该反射器包含至少一狭缝，该狭缝的宽度小于光波于该干涉区内的等效光学波长的三倍。
上述的光学装置，其中位于该干涉区域两侧的该光栅结构的结构周期相异于位于该干涉区域中央处的光栅结构的结构周期。
上述的光学装置，其中该反射镜与该干涉区域为一体成型或为同一材料结构。
上述的光学装置，其中该反射镜包含全反射角镜或分布式布拉格反射镜或金属层。
为达到上述目的，本发明还提供一种光学装置，包含：一第一波导区域，形成在一基板上，该基板具有沿着一平面的表面，该第一波导区域用以引导具有一特定波长且传递方向大致平行于该平面的光；一第二波导区域，耦合于该第一波导区域，该第二波导区域具有一第一反射率，并用以反射并透射具有该特定波长的光；一第三波导区域，具有一第二反射率，并用以反射并透射具有特定长的光；以及一干涉区域，耦接于第二波导区域及第三波导区域，该干涉区域包含：一光栅结构，用以将该特定波长的光耦合至相对于该基板具有一预定角度的方向。
上述的光学装置，其中该预定角度为90度。
上述的光学装置，其中该第一波导区域的折射率相当于该第二光波导区域的折射率。
上述的光学装置，其中该光栅结构的结构周期与形成于该干涉区域的波形的周期具有相同数量级。
上述的光学装置，其中该第二波导区域的一第一反射率小于该第三光波导区域的一第二反射率。
上述的光学装置，其中位于该干涉区域两侧的该光栅结构的结构周期相异于位于该干涉区域中央处的光栅结构的结构周期。
附图说明
图1A为本发明第一实施方式的光学装置的示意图；
图1B为本发明第二实施方式的光学装置的示意图；
图2绘示出驻波的两个相邻反节点与光栅结构空间结构周期的关系图；
图3A绘示图1A所示的光学装置的工作例；
图3B绘示图1B所示的光学装置的工作例；
图3C绘示图1C所示的光学装置的工作例；
图4A至4H绘示本发明光学装置的示意图；
图5A至5E绘示光栅结构的上视图；
图5F至5J绘示对应图5A至5E所示的光栅结构的剖面图；
图6A至6C绘示该光学装置的立体图及其内的光路径图；
图7A至7B绘示满足限制条件下的光路径图。
具体实施方式
本发明的其他目的、特征及优点将自以下详细揭示内容。此外，如第一、第二、上方、左方、以及类似用语是描述相对位置用，且在相对于图示中以图绘说明的范例实施方式中使用该等术语，并且该等术语可在特定情况下交互使用。
应注意，为了此申请案的目的，且特定言之，关于随附权利要求书，术语“包括”并不排除其他元件或步骤。
如本文中出于本发明的目的所使用，术语“光”及“电磁波”在本文中可互换地使用，术语“腔体”及“干涉区域”在本文中可互换地使用。
在一侧具有单一反射镜的结构:
配合参阅图1，为本发明第一实施方式的光学装置的示意图。光学装置100包含腔体10、光栅结构20，以及反射镜16，腔体10具有第一侧12，光栅结构20设置于腔体10的上表面或嵌入腔体10，反射镜16设置在第一侧12。腔体10、光栅结构20及反射镜16可以分别设置在承载层32，承载层32的折射率小于腔体10的折射率，借此满足全内反射条件。举例来说，承载层32可以是贴设于腔体10并包含硅、氮化硅或氮氧化硅的二氧化硅层，或者承载层32可以是贴设于腔体10且参杂有二氧化硅的二氧化硅层。光学装置10也可以包含硅、锗、氮化物、氧化物、玻璃或其等的组合，且设置在具有高反射的承载层32上，其中，具有高反射的承载层32可例如为金属氧化物镀膜或布拉格反射镜。
光40(如箭头所示)由腔体10的左侧(即相反于第一侧12)入射，若光由入射面进入腔体10内，并于腔体10内部传递至第一侧12后，再回到入射面的一个循环中被衰减，则可视为光被限制在腔体10内。
更具体来说，入射面的反射率为r，腔体10(介于入射面及第一侧12之间)具有一次循环衰减系数α。当满足条件α＝r，当r为零时，α也为零；这表示所有的光在经过一个循环后会衰减。在此，光限制条件是指光从腔体10内部反射回原入射方向的背向反射(back-reflection)大致为零；一个循环是指光由入射面进入腔体10后传递至第一侧12，并由反射镜16反射后再回到入射面的过程。
实际实施时，当α＝r产生些微偏差(即α≠r)，本实施方式仍然有效，但具有不同的耦合效率。由于在实际实施时，许多的非理想因素，例如制作工艺变化和材料的非均匀性等，会产生偏离预期精确条件的情况。然而，只要此偏离精确条件介于设计公差范围内，将不改变本实施方式的功能。因此，在此种非完美条件下作出的设计也是优化过程的一部分。例如，可以通过增加工作周期以补偿过蚀刻的问题；其中，工作周期被定义是沿着波传递方向，光栅结构的波峰宽度与波峰到波谷的宽度总和的比值。要说明的是，其他依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求的范围之内；此段声明同时也适用于以下揭示的双反射镜结构，盖因从另一个角度观之，此单一反射镜结构可以视为是以下双反射镜结构的一个特例，即其中一个反射镜的反射率为零。
通过匹配光栅结构20的结构图样与在腔体10内的驻波光分布，可让进入腔体10的绝大部份光在通过光栅结构20后以相对于入射方向预定角度地向上或向下离开腔体10。进一步地，通过调整光栅结构20的高度、工作周期，或覆盖于光栅结构20或\及承载层32的包覆层，可以让进入腔体10的光在通过光栅结构20后全部向上方发射(亦即没有向下发射的光)，或者是全部向下方发射，(亦即没有光向上发射)。为了简化说明而不限制其范围，以下以向上发射作为本实施方式的主要说明。在图2中，符号d1表示在空腔10中驻波的两个相邻的最大功率点(两个相邻反节点)之间的距离，符号d2表示光栅结构20(图2的光栅结构20以矩形为例)的结构周期。匹配条件为d2＝2d1。通过与驻波波形相匹配，光栅结构20可被视为一光学天线，让离开腔体10的光以与入射角度夹特定角度的方式向上发射。从每个周期段(P1和P2)发射的所有点源波前系因光栅结构20的设计(例如其形状、结构周期、工作周期，深度/高度或其等的组合)而组成一以预定角度向上传递的共同平面波；其中，该预定角度可以设计使大致上垂直于腔体10的顶面为便于将光耦合到/从外部光学构件。
基于某些非理想因素，例如腔体10的等效反射率在蚀刻过程被改变，以及在蚀刻过程中无法建构完美的直线等，匹配条件可以些微偏离其理论值(即d2＝2d1)。因此，即使匹配条件的理论值为d2＝2d1，但在实际实施时，些微的偏差是被接受的。举例来说，在腔体10中的驻波的两个相邻的最大功率点和光栅结构20的周期d2的一半之间的距离d1不完全匹配，但仍然具有相同数量级。换句话说，在腔体10内的驻波的两个相邻的最大功率点间的距离d1和光栅结构20的周期d2的一半具有相同数量级。在本发明中，具有相同数量级系指在两个数字中，较大数字与较小数字之间的比率小于10。其它例如是光栅结构20的工作周期，深度/高度，以及光栅结构10的形状的设计系取决于入射光的偏振/模态/波长/光点尺寸、腔体10的材料，以及输出光的目的方向。上述参数设计的不同，虽然可能会影响光学装置的性能，然若上述参数经适当地设计，就不会改变光学装置的基本功能。
配合参阅图3A，光学装置100包括腔体10、光栅结构12及一反射镜16，腔体10具有第一侧12，光栅结构20设置于腔体10的顶面18或嵌入腔体10，反射镜16设置在第一侧12。反射镜16可例如是渐变式分布布拉格反射镜(tapered DBRmirror)，借以提供接近100％的光反射效果(一般而言，高于50％以上的反射率是用来降低光由第一侧12外散至光学装置的外部，借以提供光限制功能)。腔体10可例如是设置在承载层32上，承载层32则设置在基板30上。承载层32的折射率小于腔体10的折射率，借以满足全内反射条件。举例来说，承载层32包含硅、氮化硅或氮氧化硅的二氧化硅层，或者承载层32可以参杂有二氧化硅的二氧化硅层。入射光学装置的光以箭头40所示的方向通过入光面进入腔体10。光栅结构20的长度为L1约10微米，借以与常规单模光纤(SMF)相匹配。实际实施时，光栅结构的长度L1可以依欲耦合的外部光学部件的尺寸来调整。在本实施方式中，光栅结构20为矩形，其结构周期为420nm，工作周期为0.56，高度为175nm；其中，工作周期为沿着波前进方向且高度沿着垂直于顶面18的正凸起部分与整个结构周期的比率(整个结构周期为光栅结构向上凸起其下向凹入的宽度的总和)。
模拟结果显示，输入波长为1305nm的光至依据前述系数设计的光学装置中，约86％的光通过光栅结构20向上传递，背反射约为-20dB。为了计算总耦合效率，必须设置标准单模光纤(其表面设有抗反射镀膜)在光纤结构20上方，并由腔体10的入射面入射横向电磁波信号(TE)40；之后，横向电磁波信号会被转向并传递至单模光纤。当输入光(电磁信号)的波长为1305nm时，最小总耦合损耗约为1.25dB，且3dB处的宽度约为25nm。
需要注意的是，前述实施方式中，包括所使用的数字参数，是用来描述本发明的其中一种可行性，不应被视为实现本发明的唯一方式，其他依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求的范围之内。
双反射镜设置在两侧的结构：
图1B为本发明第二实施方式的光学装置的示意图。本实施方式的光学装置100类似于图1A所绘示的第一实施方式的光学装置，且相同的元件标示以相同的元件符号。值得注意的是，本实施方式的光学装置100更包含反射器17(或称为第二反射镜M2)，反射器17设置于腔体10的第二侧14。
在本实施方式中，光40由光学装置10的第二侧40进入腔体10，当满足特定条件，入射的光会被局限在腔体10内。
本发明提供的光也入射从第二侧14由40表示的左侧部，入射光可被视为局限于如果某些设计条件得到满足的空腔10内。腔体10的材料/尺寸，以及反射镜16(或为第一反射镜M1)及反射器17的反射率的设计使得在入光面的反射光与来自第二侧右方并通过反射器17及第二侧14的左方的光，因满足共振条件而在第二侧14的左方发生破坏性干涉以满足光局限条件，即两道光具有相位差π。由于漏出腔体10(由腔体10周围，例如为图中下方、左方及右方)的能量由破坏性干涉所控制，使光最有效离开腔体10的方式是通过光栅结构20。经由适当地设计光栅结构20的形状、结构周期、工作周期和深度\高度，同时通过匹配光栅结构20的图样与在腔体10中的驻波，可以让大部份的入射光通过光栅结构20并以预定角度地向上离开腔体10。在本实施方式中，预定角度被设计成使垂直于腔体10的上表面。
在图1B中，第一侧12和第二侧14以虚线表示。形成在承载层32上的光学结构由多个光波导区域以一体成型方式构成。举例来说，具特定波长的光系由第一光波导区域入射并传递至与第一光波导区域相耦合的第二光波导区域。第二波导区被耦合到干涉区域，在干扰区域与第二光波导区域中，具特定波长的光具第一反射率。干涉区域耦合至第三波导区，具特定波长的光在干射区域和第三波导区之间的第二反射率。光栅结构20可以形成于其上或嵌入干涉区域。第一反射率和第二反射率系依波长而变化，或者第一反射率和第二反射率可以在特定波长范围内为定值。
在下述段落中，系利用假设的数值以说明光限制机制的物理原理。假设光通过设置在第二侧14的反射器17(M2)进入腔体10中，并假设光功率为1。同时，假设反射器M2的反射率为10％，通过反射器M2的光为90％(即光穿透率为90％)。限制条件为α＝r，其中α为光在一个循环中的强度衰减系数，在此为10％。一个循环是指光由第二侧14通过腔体10传递至第一侧12，并由第一反射镜M1反射后回到第二侧14，但未由第二反射镜M2再次反射的过程。第一反射镜M1的反射率为100％。因此，当光由腔体10内传递至第一反射镜16，并由第一反射镜16反射后再次通过腔体10传递至第二反射镜M2，且未被第二反射镜M2反射前，其光功率相当于为90％*10％＝9％。在第二反射镜M2与腔体10的界面，因第二反射镜M2为镜射结构，故9％*10％＝0.9％的光功率被反射回腔体10中，而8.1％的光通过第二反射镜M2离开腔体10。在图7A中，以光强度为Io的光入射腔体10，在经过一个循环后且未再次通过第二反射镜M2时，光强度由原本的Io变成Ia＝Io(1-M2R)(M1R)αc，其中M2R为第二反射镜M2的反射率，M1R为第一反射镜M1的反射率，光在一个循环中的强度衰减系数α＝M1Rαc，αc为腔体10不含第一反射镜M12的净衰减系数。另外，光由腔体10传递至第一反射镜M1，经第一反射镜M1反射后通过腔体10传递至第二反射镜M2，并通过第二反射镜M2的光强度为Ib＝Ia(M2R)。
在本实施方式中，光在第一次通过反射器17时的回射光为10％，且光通过一次循环后在通过光反射器17的回射光为8.1％，然因漏出腔体10的回射光的相位相异于在腔体10内满足共振条件的光，故实际上由第二侧14泄出腔体10的回射光总和系小于10％及8.1％。在满足限制条件下通过无数次的循环后，所有回射光漏出腔体10的总量为零。也就是说，几乎所有入射至腔体10的光都在腔体10内部转换并具特地角度地被向上引导。如图7B所示，在满足限制条件且经无数循环后下，背反射光(回射光)IE几乎为零。
因光在一个循环中的强度衰减系数α为M1R的函数，为满足光限制条件因一次循环衰减系数α是M1R的功能，在俱有损耗的腔体10中，要满足光限制条件M2R＝α，第二反射镜M2的反射率M2R就必须小于第一反射镜M1的反射率M1R。另外要注意的是，为了简化说明，在此假设第二反射镜M2导出的相位移θm2为零，因此往返相位移等于2mπ(m为整数)，且往返相位移相同于一次循环相位移等于2mπ。假设第二反射镜M2导出的相位移θm2非为零，则共振条件为θm2+θoc＝2mπ，其中θoc为一次循环的相位移。
配合参阅图3B，光学装置100包含腔体100、光栅结构20、反射镜16及反射器17，腔体100包含第一侧12及第二侧12，光栅结构20形成在腔体10的上表面18，反射镜16设置在第一侧，反射器17设置在第二侧14。反射镜16可例如是渐变式分布布拉格反射镜，反射器17可例如是单蚀刻狭缝。光通过第二侧14并由反射器17的左侧进入腔体10。光栅结构20例如为矩形结构，其结构周期为420nm，工作周期为0.56，高度为185nm。在本实施方式中，反射器17的狭缝宽度小于70nm，且反射损耗为5％。
在狭缝对光栅的距离及其宽度分别为180nm及40nm，且模拟光波长为1305nm的情况下，约有87％的光穿过光栅结构20向上传递，且背反射率约为-35dB。当光波长为1305nm时，最小总耦合损失约为1.1dB，且3dB处的宽度约20nm。在其中的一种实施例中，狭缝的宽度可依实际要求改变，且由入射光波长及光传递材料反射率可以得知狭缝的宽度可小于3个等效光波长(从入射的波长和它行进的材料的折射率得到)。在其他实现方式中，反射器17可例如为渐变式分布布拉格反射镜(如图4F中所示)，实际实施时则不以此为限。
在本发明的其他实施例中，另一区域可以设置在光栅结构20左侧边界和第二边14之间，或者在光栅结构20与第一侧12之间。该区域可为一宽度渐变的波导区作为模态滤波器。
在前述实施例(例如图3B)中，光栅结构20的凸部20a的侧壁垂直于腔体10的顶面；然而，在实际实施时，光栅结构20的凸部20a的侧壁可以设计为非垂直方式于空腔体10的顶面。光栅结构20的凸部20a的侧壁的倾斜角度及/或高度/深度可以经设计而调整光射出顶面18的角度。另外，光栅结构20可以设计使同时包含斜向凸部及垂直凸部。
此外，如图3C所示，光栅结构20也可以设计为凹入腔体10中的凹槽。凹槽可以如图3C所示般垂直地凹入腔体10，或者具角度倾斜地凹入腔体10中。图3C所绘示的凹槽的深度小于狭缝17的深度，然而，在实际实施时，凹槽的深度可以大于或等于狭缝的深度，且凹槽可以为均匀分布或非均匀分布。
再者，图3B和3C所示的矩形凸部具有均匀分布的结构周期及工作周期，然而，在实际实施时，矩形凸部可以具有非均匀分布的结构周期或工作周期；例如，设置在腔体10两侧的光栅结构20的结构周期及工作周期相异于设置在腔体10中间的光栅结构20的结构周期及工作周期，借以在单模光纤中获得更好的高斯空间光强度分布。
在前述实施方式的描述中，包括所使用的数字参数，是用来描述本发明的可行性，不应被视为实现本发明的唯一方式。因此，其他依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求的范围之内。
在一些实施方式中，光学装置的设计方法如下：
首先，腔体10的尺寸及材料可以通过特定的光偏振/模态/波长/光点尺寸，和耦合装置(例如：光纤设置在光栅结构20的上表面或光波导连接在第二侧面14)所决定。举例来说，以硅制成且其厚度为250nm的腔体10可以被应用在中心波长约为1310nm的单模光信号，其中腔体10设置在氧化层上。假设在外部光纤的光点的尺寸约10um，则腔体10的尺寸必须大于或接近10um，使光纤得以与之后形成在腔体10或凹入腔体10的光栅结构20相耦合。
接下来，选择一个合适的反射镜设计(例如渐变式分布布拉格反射镜、全反射角镜或金属氧化物镀膜等)，其中该反射镜可具有高反射率，并用以确定在腔体10内部的干涉波形。
再来则可基于初始干涉波形，设计光栅结构20。需注意的是，将光栅形成于腔体10时可能改变腔体10的光学参数，同时可能让干涉波形产生改变，因此，为达到优化的效果，某些步骤可能需要被递回实施。
接续，则可根据腔体10及光栅结构20的材质特性及尺寸，计算出共振条件的相位移及一次循环衰减系数(α)。
待得到一次循环衰减系数α后，设计反射器17的反射率r等于或极接近一次循环衰减系数(即r＝α)，所述反射器17设置于腔体10的第二侧14。需要注意的是，万一一次循环衰减系数(α)极小或几乎为零，则对应的反射率r亦可以被设定为零，这意味着反射体17不存在。
以下为更详细的说明当反射率为0(r＝0)的反射镜16的设计方法：
首先，腔体10的尺寸及材料可以通过特定的光偏振/模态/波长/光点尺寸，和耦合装置(例如：光纤设置在光栅结构20的上表面或光波导连接在第二侧面14)所定义。
接着选择一个合适的反射镜设计(例如渐变式分布布拉格反射镜、全反射角镜或金属氧化物镀膜等)，其中该反射镜可具有高反射率，并可用以确定在腔体10内部的干涉波形。
再来，则可基于初始干涉波形来设计光栅结构20。需注意的是，将光栅形成于腔体上可能改变腔体10的光学参数，同时还可能让干涉波形产生些微改变，因此，为达到优化的效果，某些步骤可能需要被递回实施。
之后，根据腔体10及光栅结构20的材质特性及尺寸，可以计算出共振条件的相位移及一次循环衰减系数(α)。
根据前述设计的方法，以下提供一个带有数值的设计流程来实现在SOI基板上具有垂直发射的高性能耦合器。以下设计步骤可通过光学模拟工具来具体实施：
设计反射率接近100％后反射镜(即反射镜16)，其可以是一个渐变式分布布拉格反射镜，硅波导回圈反射镜，硅全反射角镜，或硅氧化物金属镀膜。
接着，发送一光信号至具有该后反射镜的光波导中，观察干涉波形及等效波长。
根据该干涉波形，设计光栅结构在光波导上，使光栅结构的结构周期几乎是相等于干涉波形的周期。需注意的是，该光栅的总长度可例如相当于外部耦合光学元件(例如为单模光纤)的尺寸。
微调光栅结构的参数，利如形状、结构周期、工作周期，以及深度/高度，直到同时获得所需的方向性及远场角度(例如：垂直角度)。
量测一个循环衰减系数和相位移，然后设计其前反射镜(即反射器17)，其中该前反射镜的反射率相同于一个循环衰减系数((r＝α)，且此光限制条件(整体结构的回射率)可在的后进行检验。
在上面的例子中，反射镜16为渐变式分布布拉格反射镜。渐变式分布布拉格反射镜包含7个完全蚀刻的狭缝，且其中间隔宽度为50nm,100nm,175nm,250nm,234nm的狭缝有四个，线宽度为167nm,150nm,133nm,116nm,107nm的狭缝有三个，宽频带反射率接近100％，涵盖大于200nm的波长跨距，之后，发射横向电场的光信号进入具有后反射镜的光波导中以量测等效波长。根据干涉波形选择结构周期为420nm，长度接近10μm的光栅结构，以便于之后与单模光纤耦合。为了避免散射发生在光栅结构与光波导的接面，可以将鳍状的光栅结构(及光栅立于波导之上)设于SOI光波导上。
根据光学装置的近场和远场光波型，可以显示其远场角度为零，且出射光为一均匀平面波。在光栅结构内的高光场强度显示其腔体效应。此光学装置类似于一光学天线阵列，其具有固定的发射相位即可调变的远场角度。
光栅结构的参数，包括其形状、结构周期、工作周期和深度/高度可以被单独地或共同地调整以优化指向性和远场角。例如，通过调整靠近反射镜M1及M2以达到不同的指向性。调整光栅结构的蚀刻深度可以调整远场角。要注意的是，前述实施例中所揭示内容并非用以限制本发明，其他依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求的范围之内。
图4A所示为本发明的一实施方式的光学装置的示意图。图4A所示的光学装置类似于图3B所示的光学装置，且相同的元件标示以相同的元件符号。图4A使用了金属镀膜或介电镀膜16A在腔体10的侧表面以取代图3B所示的渐变式分布布拉格反射镜16。
图4B所示为本发明的一实施方式的光学装置的示意图。在图中所示的光学元件。图4B所示的光学装置类似于图3B所示的光学装置，且相同的元件标示以相同的元件符号。图4B使用了金属镀膜或介电镀膜16A在腔体10的侧表面以取代图3B所示的渐变式分布布拉格反射镜16，且金属镀膜或介电镀膜16A与腔体10的侧表面间具有空气间隙16B。
图4C所示为本发明的一实施方式的光学装置的示意图。在图中所示的光学元件。图4C所示的光学装置类似于图3B所示的光学装置，且相同的元件标示以相同的元件符号。图4C使用了金属镀膜在腔体10的侧表面以取代图3B所示的渐变式分布布拉格反射镜16，且金属镀膜16A与腔体10的侧表面间设有或介电镀膜16C。
图4D所示为本发明的一实施方式的光学装置的示意图。在图中所示的光学元件。图4D所示的光学装置类似于图3B所示的光学装置，且相同的元件标示以相同的元件符号。在本实施方式中，基板30与承载层32被省略，光学装置使用全反射角镜16D以取代图3B所示的渐变式分布布拉格反射镜16，该全反射角镜16D具有用以全内反射的光反射侧16E。全反射角镜16D与腔体10可以为一体成型，且为同一材料组成。
图4E所示为本发明的一实施方式的光学装置的示意图。图4E所示的光学装置类似于图4D所示的光学装置，且相同的元件标示以相同的元件符号。在本实施方式中，基板30与承载层32被省略，在图4D中，该扇形光栅结构20沿着大致平行的同心圆线排列，且该同心圆平行线基本上垂直于光传播方向。在本实施方式中，反射镜19设置在该扇形光栅结构20的圆周上，实际实施则不此以为限。该反射镜19可以使用其它种类的反射装置，例如渐变式分布布拉格反射镜以代替之。
图4F所示为本发明的一实施方式的光学装置的示意图。图4F所示的光学装置类似于图3B所示的光学装置，且相同的元件标示以相同的元件符号。在图4F中，第一反射镜16及第二反射镜17皆为渐变式分布布拉格反射镜。
图4G所示为本发明的一实施方式的光学装置的示意图。图4G所示的光学装置类似于图4D所示的光学装置，且相同的元件标示以相同的元件符号。在图4G中，该第二反射镜17为渐变式分布布拉格反射镜且该第一反射镜16为一全反射角镜。
图4H所示为本发明的一实施方式的光学装置的示意图。图4H所示的光学装置类似于图4D所示的光学装置，且相同的元件标示以相同的元件符号。在图4G中，该第一反射镜为一平滑截面。
光栅结构20的形状可例如为矩形或三角形，图5A所示的光栅结构的剖面对称三角形的凸部，图5B所示的光栅结构的剖面为矩形，图5C所示的光栅结构成点阵列状排列，图5D所示的光栅结构的剖面呈三角形，且由其俯视角度观之，光栅结构可以为规则排列或不规则排列，图5E所示的光栅结构由分段式的凸部构成。图5F为5J为对应图5A至5E的局部剖示图。需要注意的是，改变光栅结构的设计，发射远场角和指向性皆会产生改变。实际实施时，光栅结构也可以是其它形状，只要在腔体10内的驻波的两个相邻的最大功率点(反节点)的距离d1与光栅结构20的结构周期的一半d2为相同数量级即可。
此外，图5A至5J所示的凸部可以由形状相同(如对称三角形、矩形排列、非对称的三角形或分段形式)的凹槽所取代。
图6A至6C分别绘示出该光学装置的立体图及其对应的光路径图。图6A所示的光学装置类似于图1B所示的光学装置，且图6A可以被视为是图1B的立体图。在图6A中，空腔10的第一侧12及第二侧14具有反射器，空腔10的其他两侧13及13a分别连接至第一侧12及第二侧14。光栅结构可嵌入在顶面18a或者底面18b。在此要说明的是，为了有效地说明光路径，图6A至6C并没有绘示出反射镜、反射器及光栅结构。在图6A至6C中，实线箭头用以指示光的主要行进路径，短虚线箭头则用以指示指向性非为100％时，光的次要行进路径。在图6A中，由第二侧入射的光被转向并由与入射方向大致垂直90度角的方向向上出射，且其中一小部份的光向下出射。图6B所示的光学装置类似于图6A所示的光学装置，其差异处在于图6B的光栅结构不同于图6A的光栅结构，故由图6B出射的光具有与图6A不同的远场角。因腔体效应，图6B所示的θ1相同于θ2；举例来说，θ1可以为45度。图6C所示的光栅结构例如设计为非对称状，借以使实线箭头θ1方向出射的光的强度大于如长虚线箭头θ2方向出射的光。图6C并未绘示出用以表示光的次要行进路径(向下出射)的短虚线箭头方向。实际实施时，光的行进方向并不局限为图6A至6C中所示，也可以是图6A至6C中至少两者的组合，或其他行进方向。
在本说明书中所述的实施方式及功能操作可以在数码式电子电路中或计算机软件、固件或硬件中实现。实施方式也可以被一个或多个计算机程序所实现，即计算机程序指令的一个或多个程序码区块上在计算机可读媒体中以编码形式储存以供后续执行，或者通过该程序控制数据处理装置的操作。计算机可读媒体可以是机器可读储存设备、机器可读储存式基板、储存器设备、可影响机器可读传输信号的物质，或其一个或多个的组合。该计算机可读介质可以是一种非临时性计算机可读媒体。其中，数据处理装置包括用以处理数据的所有装置、设备和机器，例如可程序化处理器，计算机或多个处理器或计算机。装置除了硬件还包含用以创造电脑程序询问执行环境的程序码，例如构成处理器固件、协议堆叠、数据库管理系统、数据库管理系统、操作系统，或其等之一或多个组合的程序码。传播信号可为人工生成信号，例如由机器产生用来编码及传递至合适接收装置的电、光、或电磁信号。
计算机程序(也称为程序、软件或程序码)可以用任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言，且可以任何形式存在，包括独立程序或者模块或其他适于在计算机环境中使用的其它单元组合。计算机程序不一定对应于文件系统中的文件。程序可以被储存为具有其他程序或资讯的文件的一部份(例如储存在标记语言文档中(Markup Language)的命令程序)、在单一文件中专用询问程序，或协同文件(例如存储一或多个模块、子程序或部分程序码的文件)。计算机程序可以在一或多个计算机上展开以及执行，其中多个计算机可以是在相同地点的计算机，或者是分布在不同地点并通过网络互连的计算机。
在本说明书提及的程序及设计逻辑流程可由一或多个可程序化处理器执行一或多个计算机程序以完成输入资讯操作并产生输出资讯。此外，程序及逻辑流程也可以利用专用逻辑电路，例如现场可编程栅阵列(Field ProgrammableGate Array,FPGA)或专用集成电路(Application-specific integrated circuit,ASIC)来执行。
适合于计算机程序执行的处理器例如通用和专用微处理器，以及任何类型的数码计算机的任何一或多个处理器。一般来说，处理器可接收来自唯读存储器或随机存取存储器或其两者的指令和数据。计算机的基本元件包含用于执行指令的处理器及用于储存指令和数据的一或多个存储器。计算机通常还可以选择性地包含用以接收、传送数据或同时接收及传送数据的一或多个大容量存储设备，例如磁盘、磁光盘或光盘。此外，计算机可以嵌入其他设备中，例如平板电脑、移动电话、个人数字助理(PDA)、移动音频播放器、全球定位系统(GPS)接收器。适于储存计算机程序指令和数据的计算机可读媒体包括所有形式的非挥发性存储器，媒体和存储器，例如包括半导体存储器设备(例如为EPROM、EEPROM和快闪存储器)、磁盘(例如硬碟或移动硬碟)、磁光盘、CD-ROM和DVD-ROM光碟。处理器和存储器可以被扩充或专用逻辑电路中。
为了与用户互动，计算机还可以包含显示信息给用户的显示设备和供用户输入资讯到计算机的键盘和指示设备，显示设备例如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)，指示设备例如鼠标或轨迹球。当然，计算机也可以通过其他种类的设备，例如提供感官反馈(例如为视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈)以与用户互动，同时也接收用户以任意形式(包含声音、语音或触觉)输入的资讯。
前述实施方式可在电脑系统中执行，电脑系统包含后端组件(例如数据服务器)、中间组件(例如应用服务器)或前端组件(图形用户界面或网络浏览器)。通过电脑系统，用户可以实行技术所揭示内容。电脑系统的组件可以通过任何形式或数字数据通信，例如网络。网络可包括局部区域网(LAN)和广域网络(WAN)，例如网际网络。
该计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通过网络达到沟通效果。客户端和服务器借电脑程序及客户端-服务器的架构关系以在不同计算机上协同运行。
以上列举为本发明的部分实施例，而关于本发明的其他进一步实施例，亦可在不偏离本发明基本范畴下设计出来，因此本发明的范畴由以下的权利要求书决定。本文介绍的各种实施例，或者其中的某些部分，可单独成为一实施例或结合起来创造更进一步的实施例。
同时，虽然本发明的操作在附图中以一个特定的顺序描述，但不应被理解为需要依所描述的特定顺序或者以连续顺序执行这样的操作，亦不应被理解为需要执行所有图示的操作才能达到期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理皆可达成目标。此外，各种系统或程序组件在上述实施例中若以分离的方式描述之，其不应被理解为此分离为必须，而应当被理解为所描述的程序组件和系统一样，可以集成，或在单个软件产品，或封装为多个软件产品。
然以上所述者，仅为本发明的部份实施方式，并不能限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书所作的均等变化与修饰等，皆应仍属本发明的专利涵盖范围意图保护的范畴。

Claims (24)

1.一种光学装置，其特征在于，用以转向一电磁波，该光学装置包含:
一干涉区域，具有第一侧及一第二侧；
一反射镜，设置于该第一侧；
一光栅结构，设置于该干涉区域的第二侧；
其中，该电磁波以一入射方向由该第一侧的相反侧、第二侧或第二侧的相反侧进入该干涉区域，进入该干涉区域的大部分电磁波沿着与该入射方向夹一预定角度的方向离开该干涉区域。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，其中该预定角度介于45度至135之间。
3.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，其中该干涉区域可被一低折射率层或一高反射率层所部份覆盖。
4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，其中该光栅结构具有均匀结构周期。
5.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，其中该光栅结构的结构周期大致相同于形成在该干涉区域内的波形的信号周期。
6.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，其中该干涉区域的材质为硅、锗、氮化物、氧化物、高分子聚合物或玻璃。
7.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，其中该反射镜包含一全反射角镜或一分布布拉格反射镜或一金属层。
8.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，其中该反射镜的反射率高于50％。
9.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，其中该反射镜与该干涉区域为一体成型或为同一材料结构。
10.一种光学装置，其特征在于，用以转向一入射电磁波，该光学装置包含：
一干涉区域，具有第一侧、一相对于第一侧的第二侧，以及一第三侧；
一反射镜，设置于该干涉区域的该第一侧；以及
一光栅结构，设置于该干涉区域的该第三侧；
其中，该光栅结构的结构周期与形成于该干涉区域的波形周期具有相同数量级。
11.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，其中该入射电磁波由该第二侧进入该干涉区域，进入该干涉区域的大部份电磁波经由该光栅结构或与该光栅结构相反的一侧离开该干涉区域。
12.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，其中该入射电磁波通过该光栅结构或与该光栅结构相反的一侧进入该干涉区域，进入该干涉区域的大部分电磁波由该第二侧离开该干涉区域。
13.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，更包含一反射器设置于该第二侧。
14.如权利要求13所述的光学装置，其特征在于，其中设置于该第二侧的该反射器的反射率小于设置于该第一侧的该反射镜的反射率。
15.如权利要求13所述的光学装置，其特征在于，其中该反射器包含至少一狭缝，该狭缝的宽度小于光波于该干涉区内的等效光学波长的三倍。
16.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，其中位于该干涉区域两侧的该光栅结构的结构周期相异于位于该干涉区域中央处的光栅结构的结构周期。
17.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，其中该反射镜与该干涉区域为一体成型或为同一材料结构。
18.如权利要求10所述的光学装置，其特征在于，其中该反射镜包含全反射角镜或布拉格反射镜或金属层。
19.一种光学装置，其特征在于，包含：
一第一波导区域，形成在一基板上，该基板具有沿着一平面的表面，该第一波导区域用以引导具有一特定波长且传递方向大致平行于该平面的光；
一第二波导区域，耦合于该第一波导区域，该第二波导区域具有一第一反射率，并用以反射并透射具有该特定波长的光；
一第三波导区域，具有一第二反射率，并用以反射并透射具有特定长的光；以及
一干涉区域，耦接于第二波导区域及第三波导区域，该干涉区域包含：
一光栅结构，用以将该特定波长的光耦合至相对于该基板具有一预定角度的方向。
20.如权利要求19所述的光学装置，其特征在于，其中该预定角度为90度。
21.如权利要求19所述的光学装置，其特征在于，其中该第一波导区域的折射率相当于该第二光波导区域的折射率。
22.如权利要求19所述的光学装置，其特征在于，其中该光栅结构的结构周期与形成于该干涉区域的波形的信号周期具有相同数量级。
23.如权利要求19所述的光学装置，其特征在于，其中该第二波导区域的一第一反射率小于该第三光波导区域的一第二反射率。
24.如权利要求19所述的光学装置，其特征在于，其中位于该干涉区域两侧的该光栅结构的结构周期相异于位于该干涉区域中央处的光栅结构的结构周期。
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