CN104898269B - 光学装置 - Google Patents

Abstract

一种光学装置，包括一基板和一在该基板上形成的折射元件。该折射元件具有一表面，并具有一特定曲率半径，及一组形成在该表面上的周期性结构，可用来对于一入射光的一个或多个波长范围进行折射或滤除的功能。

Description

光学装置

技术领域

本发明涉及一种可耦合光波的光学装置。

背景技术

偏光片、透镜或滤光片等相关光学元件通过独立制成后，再经由后续的封装工艺接合至一光学系统中，一入射光可藉由该光学元件从一外部媒介耦合至该光学系统。

发明内容

本发明的目的，在于提供一形成于光学装置上的折射元件，可将光由一外部媒介耦合至该光学装置。该折射元件包含一周期性结构用来对于一入射光的一个或多个波长范围进行折射或滤光的功能。

为达成上述目的，本发明包含一个形成于一光学媒介上的折射元件，该折射元件的表面可具有一组形成在该表面上的周期性结构，或具有一个特定曲率半径(凹面或凸面)用来将一入射光的一个或多个波长范围进行折射或滤除。

再者，本发明更可包含一个包覆在该折射元件上的覆盖元件，且该覆盖元件的等效折射系数低于该折射元件的等效折射系数。该覆盖元件可由一层或多层氮化物、氧化物、空气，或有机材料所组成。该组周期性结构亦可具有相对应一光轴的90度旋转对称性。

再者，该光学介质更可包含一个可吸收至少一部分入射光或可发光的主动元件。该主动元件可由一层或多层硅、锗、锡，或三五族化合半导体所组成。该光学装置更可包含一个光耦合至到该折射元件的第二折射元件，且该第二折射元件具有一第二组周期性结构。

再者，本发明更可包含一耦合至该折射元件的调变元件，且该调变元件可藉由外部提供的电场造成该折射元件内的载子浓度或机械结构变更，以改变该折射元件的等效折射系数。该调变元件更可包含一个p-n接面，藉由外部提供的电场以改变该折射元件的载子浓度及其等效折射系数。

在其部分实施例中，该调变元件亦可用来改变至少一部分离开该折射元件的光的指向、其聚焦深度，或改变由该折射元件的该组周期性结构过滤后的一个或多个波长范围。在部分实施例中，该调变元件可包含一个微电机系统，藉由外加电场施加机械力以改变(i)该折射元件表面的曲率半径，(ii)该折射元件相对于该光学介质的位置，(iii)或该折射元件相对于入射光光轴的方向。

在本发明的部分实施例中，该折射元件可具有一表面曲率，且曲率半径是由工艺相关的应力所造成，或可藉由一灰阶光罩工艺所形成。在本发明的部分实施例中，该折射元件亦包含一周期性结构，且该组周期性结构所造成的联合相位改变可用来聚焦或放焦一入射光。在本发明的部分实施例中，该组周期性结构亦可藉由导波模态共振以滤除入射光的一个或多个波长范围。举例来说，该折射元件的周期性结构可为一部分被氮化物，或氧化物，或空气所填充空隙的硅层。在本发明的部分实施例中，该光学介质的厚度可对应于该折射元件的焦距。在本发明的部分实施例中，该折射元件亦可直接粘接至于一光学介质上。

在本发明的部分实施例中，为了达成过滤，聚焦，放焦一个或多个入射光波长范围，(i)该组周期性结构中一个或多个周期性结构可填充一种或多种与该折射元件的等效折射系数不同的材料，(ii)该组周期性结构中的一部分结构的孔隙半径与其余结构的孔隙半径不同，或(iii)该周期性结构中大多数的结构具有局部的非周期性。

关于本发明的部分实施例，亦可包含下列特征。藉由半导体工艺，将一可折射或过滤光波的折射元件直接整合于一光学系统中，可降低后续的封装及工艺的成本，且用半导体工艺形成的折射元件亦可和其他的光学集成电路形成于同一片晶圆(圆片)上。再者，多个可分别滤除不同波长范围的折射元件可藉由更改其对应的光罩设计，并使用相同的半导体制造流程而完成。此折射元件亦可和一主动元件(例如：锗光感测器，硅CMOS光感测器，激光，LED，调变器..等)直接进行整合，以符合各式应用情境，或可动态改变其光行进的路径或其可通过的波长范围。

本发明其余实现方式亦包含对应的系统，装置及计算机程序。该程序可执行一方法步骤，或编程在计算机的储存媒介。一个或多个计算机组成的系统可由软件，固件，硬件或其组合形成。一个或多个计算机程序可由指令构成，且由数据处理单元执行对应动作。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1A为本发明光学装置其一实施例的示意图。

图1B，1C，1D为本发明光学装置中的折射元件部分实施例示意图。

图1E为层叠多个折射元件的部分示意图。

图2A及2B为绘示本发明在光学集成电路中滤光或偏折光的部分示意图。

图3A-3D为折射元件中周期性结构的部分实施例示意图。

图4为多个折射元件汇集成一光学集成系统的示意图。

图5A-5D为折射元件的曲面和应力关系示意图。

图6A-6D为折射元件耦合至一参杂区域的示意图。

图7A-7B为折射元件藉由压电效应调控的示意图。

.图8A-8B为折射元件藉由电容效应调控的示意图。

图9为形成本发明的折射元件的部分流程图。

在本发明图示中，类似的图号代表类似的元件。再者，本说明书所述的个别实施例仅为说明及描述用，而非用来限定本案发明的保护范围。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

图1A是一个光子集成电路100范例，其包括用于耦合光进入或离开一个光子集成电路100的光学折射元件。一般来说，一个光学元件可以有一个或多个光学规格参数。在一些实施方式中，光学规格参数可以是数值孔径，使该光学元件在一个特定的椎体角度范围内捕获光。例如，单模光纤有0.14的数值孔径。在一些实施方式中，光学规格参数可能是一个允许该光学元件发射或接收光的特定大小尺寸。例如，用于接收光的光检测器可以具有100平方微米的检测器区域。一般来说，光从一个光学元件传输到另一光学元件所造成的光学规格参数不匹配会导致光功率损失，而为了减少损耗，透镜可以被用于减低两个光学元件之间的光学规格参数不匹配。例如，透镜可用于匹配两个光学元件之间的数值孔径，或可将光聚焦到具有一较小面积的光学元件上。此外，光学系统中传播的光可包含多个波长，而一个光学过滤器可以用于在光学元件之间来选择一个或多个光波长。将透镜或滤光器与其他光学元件做集成，可减少集成的复杂性和制造成本。又将透镜和滤光器集成为一个折射元件，亦可降低集成的复杂性和制造成本。

在本发明的部分实施例中，光子集成电路100可包括一折射元件101和一光学介质107。一般来说，折射元件101用来折射和/或过滤从外部介质119进入光学介质107的光，或从光学介质107进入外部介质119的光。举例来说，输入的光111具有两个波长λ1与λ2进入折射元件101，其中波长λ1被折射元件101滤出，而波长λ2被折射元件101选择并聚焦成为一个聚焦光束113进入光学介质107。在本发明的另外实施例中，该折射元件101亦可以被设计为选择或过滤一个或多个其它波长，或者可被设计成执行其他的光学功能，例如散焦或者准直光束。

一般来说，折射元件101可包括一表面103和一组周期性结构105。该表面103具有特定曲率半径，且其表面曲率可被用来折射入射光束，并根据Snell定律或任何适合的数值分析模型。数值分析模型的实例包括射线跟踪模型，高斯光束模式，光束传播法(BPM)模型，傅立叶波束传播模型，或有限差分时域(FDTD)模型。

该组周期性结构105可以包括一组一维、二维、三维的周期性结构的组合来折射或过滤入射光。参照图1A的例子，一组二维周期性结构105可形成在折射元件101中。其周期性结构可以包括光子晶体，光栅，或其他可以影响光耦合或滤波等光学特性的结构。关于此周期性结构105的其它实施例会在图3A至3D有更详细地描述。

在本发明的部分实施例中，该组周期性结构105可以产生导波模态共振(guided-mode resonance)效应以用来折射或过滤光。在导波模态共振效应中，该组周期性结构105的折射率应比折射元件101的主体部分、光学介质107，和外部介质119的折射率高，以产生至少一个导波模态在该组周期性结构105中。该周期性结构105中的导波模态与绕射模态互相干涉造成共振，因此可被用作滤光器。在一些实施方式中，一表面103的曲度及其共振条件的组合可以偏折光至不同方向。在一些实现方式中，一个具有导波模态共振效应的周期性结构105的周期可对应于该作用光波的波长尺寸。

在一些实施方式中，该组周期性结构105可以产生等效折射率改变(effectiveindex change)效应来折射或过滤光。在等效折射率改变效应中，该组周期性结构105的设计沿着折射元件101的一轴线产生一个等效的折射率分布。例如，该组周期性结构105可以让孔的直径和/或沿着x轴和y轴的周期性作变化，以产生一个等效折射率分布。在一些实施方式中，弯曲表面103与等效折射率分布的组合可以偏折光至不同方向。在一些实施方式中，弯曲表面103与等效折射率分布的组合可以导致折射光的联合相位改变，以得到光学聚焦器/散焦器的功效。在一些实现方式中，一个具有等效折射率改变效应的周期性结构105的周期小于该作用光波的波长尺寸。

在一些实施方式中，为了减少或消除输入光111的偏振作用，该组周期性结构105可以被设计为具有围绕其光轴的90度旋转对称性。在此范例中，其光轴系沿着折射元件101中心的z轴。

该光学介质107可以包含能够传输，引导，检测，或产生光的任何材料物质。例如，该光学介质107可以是硅，氧化硅，氮化硅或其组合的半导体材料。再者，该光学介质107亦可以是空气使光于其中传播。再者，该光学介质107亦可以包含可吸收光的锗光电检测器。再者，该光学介质107亦可以包含一多层垂直腔表面发射激光器(VCSEL)以产生光并使其通过该折射元件。

一个外部介质119可为能够传输，引导，检测，或产生光的任何介质。例如，外部介质119可以是光纤，或光检测器，或一光源。再者，该外部介质119亦可以是空气，硅、氧化物、氮化物其组合的半导体材料。在本发明的部分实施例中，亦可包含一由氮化物、氧化物、空气，或有机材料的一层或多层所构成的覆盖层，该覆盖层可位于外部介质119和折射元件101之间。

在一些实施方式中，折射元件101和光学介质107可以由不同材料所构成。例如，折射元件101可以由硅构成，光学介质107可以由氧化物构成。在一些实施方式中，折射元件101和光学介质107亦可以为相同的材料。例如，折射元件101和光学介质107可以由锗或其它III-V族半导体材料所构成。在一些实施方式中，折射元件101可以由多层材料组成，而图1C和1D即绘示了多层折射元件的例子。光学介质107可以由多层材料组成，例如，沉积多层抗反射镀膜以最小化折射元件101和光学介质107间的反射。在一些实施方式中，折射元件亦可以具备滤光、聚焦/散焦，或两者兼有的功能。

图1B绘示出可作为光子集成电路100中的折射元件101的范例131a-131e。其中任何一个折射元件131a-131e亦可在任何一个其他光子集成电路中实施，不论是已在本申请书中描述，或未在本申请书中描述的光子集成电路。

在本发明的部分实施例中，一折射元件可以被理解为一个透镜部分121和一个周期性结构部分123的结合。在一般情况下，光入射到透镜部分121的表面，并因表面具有的特定曲率半径而折射。在一些实施方式中，该表面的凸起或凹下的相对应的曲率半径可由工艺中故意或非故意造成的应力而产生，其产生的曲率半径可相对远上大于该折射元件的表面尺寸。在一些实施方式中，此表面的凸起或凹下的相对应的曲率半径亦可藉由灰阶光罩曝光并蚀刻，以在其表面上形成一特定的表面曲率。

一般来说，周期性结构部分123可以包括一组或多组的一维，二维，三维周期性结构。例如，绘示于图1B中的周期性结构部分123，包括第一组周期性结构125和第二组周期性结构127。第一组周期性结构125可以被设计成产生一个等效折射率改变效应，而第二组周期性结构127可以被设计成产生一个导波模态共振效应。在一些实施方式中，第一组周期性结构125叠加第二组周期性结构127可成为一个周期性结构部分123并可同时折射和过滤入射光。

透镜部分121和周期性结构部分123可被组合以形成折射元件。例如，折射元件131a可通过蚀刻周期结构部分至透镜部分的底部，以使该周期性结构部分和透镜部分间具有更高的折射率对比。再者，如果透镜部分具有一凸面，折射元件131b可以通过蚀刻周期性结构，使得该周期性结构的高峰随着透镜部分的曲率而变。折射元件131b可藉由形成透镜部分之后再蚀刻一周期性结构而形成。再者，若透镜部分具有一凸面，折射元件131c可藉由蚀刻一周期性结构，使得该周期性结构的高峰跟随着透镜部分的曲率而变。折射元件131c可藉由形成透镜部分之后再蚀刻其周期性结构的互补图案而形成。

在其他的实施例中，若透镜部分为一凹面，则该折射元件部分131d可以藉由蚀刻一周期性结构，使得该周期性结构的低谷跟随透镜部分的曲率而变。折射元件部分131d可在形成透镜部分之前，先进行蚀刻周期性结构而形成。再者，若透镜部分为一凹面，折射元件部分131e亦可以藉由蚀刻一周期性结构，使得该周期性结构的高峰随透镜部分的曲率而变。折射元件部分131e可在形成透镜部分之后，再蚀刻其周期性结构而形成。

在一些实施方式中，为了过滤，聚焦，散焦一个或多个入射光波长，该组周期性结构中一个或多个周期性结构的空隙可填充一种或多种与该折射元件的等效折射系数不同的材料。例如，折射元件可以由硅构成，而该组周期性结构的空隙被至少部分地填入氧化硅或氮化硅。在其部分实施例中，为了过滤，聚焦，散焦一个或多个入射光波长，该组周期性结构中一个或多个周期性结构的孔隙半径与其余的周期性结构半径不同。例如，周期性结构125的半径可不同于周期性结构127的半径，亦即，为了过滤，聚焦，散焦一个或多个入射光波长，周期性结构中大多数的周期结构可具有局部非周期性。

图1C绘示出一个可在光子集成电路100中实现的多层折射元件140。尽管未于图中标示，但该多层折射元件140亦可以包括一个如前所述的曲面。该多层折射元件140包括三个层141、143和145。在一些实施方式中，层141、143和145可以由不同材料组成，如介电质(例如：氧化物、氮化物、聚合物或空气)、半导体(例如：硅，锗或III-V族材料)或金属(例如：铝、钨或其它金属)。例如，该三层141、143和145中的任一层可由吸收材料，例如锗，构成。再者，一个至多个属于该三层141、143和145的层可由III-V材料所构成。一周期性结构亦可以在顶层145形成。再者，141和143可以提供顶层145的表面应力，以形成多层折射元件140的表面曲率。在一些其他的实施方式中，多层折射元件140可以包括更少层或更多层。在其他的实施方式中，该折射元件的至少一层可以包含一周期性结构。

图1D绘示出一个可在光子集成电路100中实现的多层折射元件150。尽管未于图中标示，但该多层折射元件150亦可包括一个如前所述的曲面。该多层折射元件150由三层151、153和155所构成。在一些实施方式中，层151、153和155可以由不同材料组成，如介电质(例如：氧化物、氮化物、聚合物或空气)、半导体(例如：硅，锗或III-V族材料)或金属(例如：铝、钨或其它金属)。例如，一层或多层(151、153和155)可由吸收材料构成，例如锗。再者，一层或多层(151、153和155)可由增益材料，例如III-V材料所组成。在一些实施方式中，亦可有一周期性结构形成在两层151和155之间的层153。例如，层153可具有比层151和155更高的折射率，以在多层折射元件150中产生一个导波模态共振效应。在其他的实施方式中，多层折射元件150亦可以包括更少或更多层。在其他的实施方式中，该折射元件的至少一层可以包含一周期性结构。

图1E绘示一层叠折射元件160。在部分实施例中，该层叠折射元件160可包括第一折射元件161，和可光耦合到所述第一折射元件161的第二折射元件163。该第一折射元件161可以被设计为过滤1550nm至1555nm的波长范围，而该第二折射元件163可以被设计为过滤1554nm至1559nm的波长范围。通过层叠第一折射元件161与第二折射元件163，可得到一个滤光范围更窄的滤光器，过滤从1554nm至1555nm的波长范围。在部分实施例中，该第一折射元件161和第二折射元件163可藉由使用任何在本申请书中所描述的折射元件来实现。在部分实施例中，第一折射元件161可在等效折射率改变效应下操作以改变光束轮廓，且其第二折射元件163可在导波模态共振效应下操作以选择所需的波长。在一些实现方式中，第二折射元件163的等效折射率与第一折射元件161的等效折射率可不同或是相同。在一些实现方式中，该第二折射元件163包括不同于该第一折射元件161第一组周期性结构的第二组周期性结构。在一些其他实施方式中，该第二折射元件163的第二组周期性结构的尺寸亦可同于该第一折射元件161的第一组周期性结构。在一些实施方式中，该层叠折射元件中的一个折射元件可为滤光器，而另一个折射元件可以是一聚焦器或散焦器。

图2A绘示出一个光子集成电路200集成了一主动元件与一折射元件。在此实施例中，一入射光208入射到光子集成电路200且具有两个波长λ1和λ2，其中一个波长λ1穿透此折射元件成为光209而另一个波长λ2被滤除。光209被聚焦到一光检测器以用于量测波长λ1的相对应光功率。

该光子集成电路200包含一折射元件201、光学介质203、覆盖元件204、基底205和主动元件207。在部分实施例中，该折射元件201可藉由本说明书中所描述的折射元件来实现。例如，折射元件201可以使用如图1A所描述的折射元件101来实现。在此范例中，一折射元件201被用来聚焦入射光208至一主动元件207。再者，该折射元件201亦可用来滤除一个或多个包括λ2的波长范围。

光学介质203可以由可使光209穿透或部分穿透的材料所组成。在一些实施方式中，该光学介质203的厚度可以是该折射元件101所对应产生的焦距。在其他实施例中，该光学介质203的厚度可以被设计对应至让该主动元件207上产生特定大小的光点的长度。

一覆盖元件204可形成于折射元件201之上，以减少入射光208的反射和/或提供该折射元件201的保护。在一些实施方式中，覆盖元件204的等效折射率比折射元件201的等效折射率低。在一些实施方式中，覆盖元件204可由一层或多层的氮化物、氧化物、空气，或有机材料组成。

该基底205可由任何适合用以制造光子集成电路基底的材料构成。例如，基底205可以为硅、硅绝缘体(SOI)、III-V族材料例如砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)、软性有机基底、石英芯片，或玻璃构成。在部分实施例中，基底205亦可以是一沉积在一集成电子电路的被动或主动材料。

主动元件207可以是发送、调变、关开，或吸收光的光学元件。在本实施例中，主动元件207是一个用来吸收至少一部分入射光209且可测量波长λ1范围内的光功率的光检测器。在部分实施例中，该主动元件207可以一层或多层的硅、锗、锡，或III-V族化合物所构成。在部分实施例中，该主动元件207可为一锗光检测器，或为一硅CMOS感应器。

图2B绘示了一个可用于导引光的光子集成电路210。在此实施例中，入射光218包含至少两个波长λ1和λ2范围，入射到该光子集成电路210后，其中一个波长λ1传输为光219而另一个波长λ2则被滤除。光219被聚焦到一光学介质中，并离开该光子集成电路210成为光221。光221可以被引导至另一光学装置或另一个光学系统作进一步的处理。

在此实施例中，该光子集成电路210包含至少一折射元件211、光学介质213、覆盖元件214和外部介质元件215。在部分实施例中，该折射元件211可藉由本说明书中所描述的折射元件来实现。例如，折射元件211可以使用如图1D绘示的折射元件150实现。在此，折射元件211用来聚焦入射光218。再者，该折射元件211亦可用来滤除一个或多个包括λ2的波长范围。

在部分实施例中，该光学介质213可藉由本说明书中描述的光学介质来实现。例如，该光学介质213可以使用如图2A描述的光学介质203实现。覆盖元件214亦可以藉由本说明书中描述的覆盖元件，例如图2A的204而实现。外部介质215亦可藉由本说明书中描述的外部介质来实现。例如，外部介质215可使用图1A描述过的外部介质119实现。在部分实施方式中，覆盖元件214的等效折射率比折射元件211的等效折射率高。

图3A绘示一周期性结构331在xy平面上的部分实施例的俯视图。图3A的描述可被应用于本说明书中所描述的折射元件。该组周期性结构331包括一个沿着x方向的一维周期性结构301a-n和303a-n阵列，其中n是大于1的任何整数。该组周期性结构可以是一维光栅或一维光子晶体。在部分实施例中，该组周期结构301a-n和303a-n可以由不同材料所构成。例如，周期性结构301a-n可以由硅构成，而周期性结构303a-n可以由氧化硅或氮化硅所构成。在其他实施例中，所述周期性结构303a-n可包括一层半透明的金属如ITO，并产生表面等离子效应。301a、303a、301b、303b…301n，和303n的排列可组成折射元件的周期性结构。

图3B绘示一周期性结构332在xy平面上的部分实施例的俯视图。图3B的描述可被应用于本说明书中所描述的折射元件。该组周期结构332包括一个二维周期性结构305a和其基材层305b。在部分实施例中，该周期性结构305a可以是对应于光栅的高峰。在其它部分实施例中，该周期性结构305a可以是对应于光栅的低谷。305a的排列构成了折射元件的周期性结构。在部分实施例中，该基材层305b可以是氧化硅或氮化硅，而该周期性结构305a可以是由硅构成。

图3C绘示出一周期性结构333在xy平面上的部分实施例的俯视图。图3C的描述可被应用于本说明书中所描述的折射元件中。该组周期结构333包括二维矩形周期性结构307a至307n的阵列沿着x方向，和307a至307k的阵列沿y方向排列。在部分实施例中，周期性结构307a可以是由光栅或光子晶体所构成。在部分实施例中，周期性结构307a和308层可以由相同的材料所构成，例如硅。在部分实施例中，周期性结构307a和308层亦可以由不同的材料所构成。举例来说，该周期性结构307a可以由硅所构成，而该308层可以由氧化硅或氮化硅所构成。在部分实施例中，周期性结构307a可以是正方形、圆形、非矩形，或不同几何结构的组合。周期结构307a-n和307a-k在xy平面上的排列形成了一个折射元件的周期性结构。在部分实施例中，周期性结构的周期沿着x方向321与沿着y方向322和该基材层308内沿着x方向与沿着y方向的干涉光图案大致上匹配并产生导波模态共振效应。

图3D绘示出一周期性结构334在xy平面上的部分实施例的俯视图。图3D的描述可被应用于本说明书中所描述的折射元件。该组周期性结构334包括二维的任意形周期性结构309a至309n的阵列，其中n是大于1的任何整数。在部分实施例中，任意形状的周期性结构309a可以是由多个光栅或光子晶体所构成并对应于入射光的波峰或波谷。在部分实施例中，任意形状的周期性结构309a可以与310层由不同的材料所组成。例如，任意形状的周期性结构309a可以由硅氧化物构成而310层可以由硅构成。在部分实施例中，任意形状于周期性结构309a中可以是三角形、圆形、椭圆形，或不同形状的组合。在xy平面上的任意形状的周期性结构309a-n构成了该折射元件的周期性结构。在部分实施例中，任意形状于周期结构309a至309n中的特定形状与其相对距离可利用数值分析来确定。例如，有限差分时域(FDTD)分析程序可以用于设计每个任意形于周期性结构309a至309n的形状及其局部性周期。

图4绘示出一具有过滤不同波长的多个折射元件的光子集成电路400。大致来说，多个折射元件可以被形成在单一的基底上，其中每个折射元件可以用来过滤其对应的波长范围，并用于波长分工复用(WDM)或影像与频谱感测应用，以监视多个波长范围的光功率。再者，各折射元件亦可以被设计成以特定的方式来偏折或滤除特定的波长范围。

在本实施例中，光子集成电路400包括第一折射元件401、第二折射元件403、第三折射元件405和第四折射元件407，并且可以藉由半导体工艺，例如微影和蚀刻来制作。第一折射元件401用来折射并传递一个波长范围，包括λ1但不含λ2、λ3，或λ4。第二折射元件403用来折射并传递一个波长范围，包括λ2但不含λ1、λ3，或λ4。第三折射元件405用来折射并传递一个波长范围，包括λ3但不含λ1、λ2，或λ4。第四折射元件407用来折射并传递一个波长范围，包括λ4但不含λ1、λ2，或λ3。一个具有宽频讯号的光411，其包括波长λ1、λ2、λ3，或λ4入射到光子集成电路400上，而上述第一折射元件401、第二折射元件403、第三折射元件405的，和第四折射元件407分别过滤出各个波长，以便进一步处理。不同的实施例中，不同数目的折射元件可以形成于一光子集成电路中，且其中每个折射元件可以同时进行不同的功能例如，折射和/或过滤特定波长范围。在部分实施例中，入射光411具有宽频信号，其中λ1覆盖红光光谱、λ2覆盖绿光光谱、λ3覆盖蓝色光谱，λ4覆盖红外光谱。在部分实施例中，光子集成电路400可以被看作是一个可以与单芯片CMOS影像感测器直接进行集成的光谱过滤器，以减少后续集成的复杂性和制造成本。多个折射元件可以被设计成拥有不同的光子晶体结构，并微调至该光子晶体结构至特定目标光谱的波长范围，然后使用相同的半导体微影及蚀刻步骤加以制成。因为此频谱滤光器是由半导体工艺所制造，且又直接和一CMOS感测器集成，因此可以提供更精细的频谱分析，意味着较精细的光谱分辨率以用于感测更逼真的影像。

图5A绘示出一个因晶格或热膨胀系数不同而产生压缩应力所造成一表面曲率的光学元件500。该光学元件500包括折射元件501和光学介质503。在此实施例中，光学介质503具有比折射元件501更小的晶格尺寸或不同的热膨胀系数，因此而产生的压缩应力可以造成折射元件501的表面形成凸曲。例如，该光学介质503可以由氧化物所构成，而折射元件501可以由硅所构成。在部分实施例中，该表面凸面可以用来聚焦部分的入射光。

图5B绘示出一个因晶格或热膨胀系数不同而产生拉伸应力所造成一表面曲率的光学元件510。该光学元件510包括折射元件511和光学介质513。在此实施例中，光学介质513具有比折射元件511更大的晶格尺寸或不同的热膨胀系数，因此而产生的拉伸应力可以造成折射元件511的表面形成凹面。例如，该光学介质513可以由锗所构成，而折射元件511可以由硅所构成。在部分实施例中，该表面凹面可以用来散焦部分的入射光。

图5C绘示因侧壁上的压缩应力而具有一表面曲率的光学元件520。该光学元件520包括折射元件521和至少包围折射元件521圆周一部分的侧壁523。在压缩应力作用下，折射元件521表面可形成一凸曲面。例如，侧壁523可以由高温形成的氧化硅或致密氮化硅所构成，而该折射元件521可以由硅所构成。在部分实施例中，该表面凸面可用来聚焦部分入射光。

图5D绘示因侧壁上的拉伸应力而具有一表面曲率的光学元件530。该光学元件530包括折射元件531和至少包围折射元件531圆周一部分的侧壁533。在拉伸应力作用下，折射元件531表面可形成一凹曲面。例如，侧壁533可以由多孔隙氧化硅或氮化硅所构成，而该折射元件531可以由硅所构成。在部分实施例中，该表面凹面可用于散焦部分入射光。

图6A绘示一集成光路600，包含一调变元件具有两个掺杂区，该调变元件并藉由至少部分嵌入一折射元件或集成折射元件，而耦合至该折射元件。该折射元件的等效折射系数可以藉由该掺杂区域的自由载流子浓度变化而改变。通过调变该折射元件的等效折射系数，其所过滤的光波波长范围或其对应的折射属性亦可随之而变。在部分实现例中，该调变元件可用来改变至少一部分离开该折射元件的光的指向、其聚焦深度，或改变由该折射元件的该组周期性结构过滤后的一个或多个波长范围。光子集成电路600包括一个折射元件601，且该折射元件可以包括在本说明中描述的周期性结构，例如光子晶体或光栅。在部分实施例中，该折射元件60亦可以具有一表面曲面。该折射元件601包括第一掺杂区602和第二掺杂区域604，例如，第一掺杂区域602可以是p掺杂区，并且掺杂区604中的第二可为n掺杂区，在折射元件601形成一pn接面。在部分实施例中，施加一反向电压至pn接面可将其中的载流子耗尽，而对应地改变期等效折射系数。在部分实施例中，施加一正向电压至pn接面可增加其中的载流子，而对应地改变期等效折射系数。

图6B绘示一集成光电路610，包含一调变元件具有三个掺杂区，该调变元件并藉由至少部分嵌入一折射元件或集成折射元件，而耦合至该折射元件。大致来说，在单位折射元件内，掺杂区域数目的增加可增加耗尽区的总体积，并因此增加了可调变等效折射系数的总量。该光子集成电路610包括一个折射元件611，且该折射元件可以包括在本说明中描述的周期性结构，例如光子晶体或光栅。在部分实施例中，折射元件611亦可以具有一表面曲面。在此范例中，该折射元件611包括第一掺杂区612，第二掺杂区614和第三掺杂区域616，举例来说，第一掺杂区域612可以是p掺杂区，第二掺杂区614可是n掺杂区和所述第三掺杂区域614可以是p掺杂区，而在该折射元件611中形成一pnp接面。再举例来说，第一掺杂区612可以是n掺杂的区域，第二掺杂区域614可以是p掺杂区和所述第三掺杂区614可以是n掺杂区域，而在该折射元件611中形成一pnp接面。再举例来说，第一掺杂区域612可以是p掺杂区域，第二掺杂区域614可以是本征区和第三掺杂区614可以是n掺杂区域，而在该折射元件611中形成一pin接面。在部分实现例中，施加一反向电压至pn接面可将其中的载流子耗尽，而对应地改变期等效折射系数。在部分实施例中，施加一正向电压至pn接面可增加其中的载流子，而对应地改变期等效折射系数。

图6C绘示出一集成光路620，包含一调变元件具有相互交叉的掺杂区域。大致来说，在单位折射元件内，藉由相互交叉的掺杂区域可进一步增加耗尽区的总体积，并因此增加了可调变等效折射系数的总量及其单位体积内的电场强度。举例来说，若该折射元件的表面直径远大于一个单位pn接面时，藉由形成一相互交叉的掺杂区域，可以得到有效的各个pn接面施加电场，而造成更大的等效折射系数整体变化。光子集成电路620包括一个折射元件621，且该折射元件可以包括在本说明中描述的周期性结构，例如光子晶体或光栅。在部分实施例中，折射元件621可以具有一表面曲面。另外，折射元件621包括相互交叉的掺杂区域622A至622n，其中n为整数。举例来说，所述相互交叉掺杂区域622A至622n可具有交替的p型和n掺杂，在折射元件621内形成pnpnp-...接面。再举例来说，所述相互交叉掺杂区域622A至622n可具有交替的p，中性(i)，及n掺杂，从而在折射元件621形成一pinpinp-...接面。在部分实现例中，施加一反向电压至pn或pin接面可将其中的载流子耗尽，而对应地改变期等效折射系数。在部分实施例中，施加一正向电压至pn或pin接面可增加其中的载流子，而对应地改变期等效折射系数。

图6D绘示出一集成光路630，包含一调变元件且该调变元件藉由至少部分嵌入一光学介质，而耦合至该光学介质。该光学介质的等效折射系数可以藉由该调变元件对于其载流子的浓度控制而进行调变，而改变其所具有的光学性质。光子集成电路630包括一光学介质633，一折射元件631且该折射元件可以包括在本说明中描述的周期性结构，例如光子晶体或光栅。在部分实施例中，折射元件631可以具有一表面曲面。光学介质633可包括第一掺杂区域635和第二掺杂区域637。举例来说，第一掺杂区域635可以是p掺杂区，而第二掺杂区域637可以是n掺杂区，在光学介质633内形成pn接面。在部分实施例中，施加一反向电压至pn接面可将其中的载流子耗尽，而对应地改变期等效折射系数。在部分实施例中，施加一正向电压至pn接面可增加其中的载流子，而对应地改变期等效折射系数。

图7A绘示由压电效应控制的折射元件所构成的光子集成电路700。对于一压电材料，加电压会施与一应力而改变该压电材料的形状。在本实施例中，光子集成电路700包括光学介质703，在光学介质703上的折射元件701，和一个电压源705耦合至该折射元件701。在部分实施例中，折射元件701可以包括一组周期性结构，并可藉由本说明书中所描述的折射元件来实现。在一些实施方式中，折射元件701亦可以包括一个曲面。再者，该折射元件701的组成材料亦可包括压电材料。在一些实施方式中，电压源705的电压会产生一应力使得折射元件701中表面的曲面的特定曲率半径改变。在一些实施方式中，电压源705的电压会产生一应力使得折射元件701中光子晶体结构的半径或周期改变。

图7B绘示由压电效应控制的折射元件所构成的光子集成电路710。在本实施例中，光子集成电路710包括光学介质713，在光学介质713上的折射元件711，和一个电压源715耦合至该光学介质713。在部分实施例中，折射元件711可以包括一组周期性结构，并可藉由本说明书中所描述的折射元件来实现。在一些实施方式中，折射元件711可以包括一个表面曲面。光学介质713的组成材料亦可包括压电材料。在一些实现方式中，电压源715的电压会产生一应力至该光学介质713，使该光学介质713顶部的折射元件711中表面的特定曲率半径改变。在部分实施例中，电压源715的电压会产生一应力至该光学介质713，使得该光学介质713内部沿着z轴传播的光的路径长度改变。

图8A绘示由一电容效应控制的折射元件所构成的光子集成电路800。藉由使用一微电机系统(MEMS)使其折射元件和光学介质之间产生静电力，并导致该折射元件相对于该光学介质的位移或旋转。在本实施例中，光子集成电路800包括一个光学介质803，折射元件801，支撑元件807，和一个电压源805耦合至该折射元件801和光学介质803。在部分实施例中，折射元件801可以包括一个曲面或一组周期性结构，并藉由本说书中所描述的折射元件来实现。另外，折射元件801和光学介质803可充当电容器的两端电极，并藉由电压源805施加外部电场使得折射元件801和光学介质803之间产生静电力。举例来说，正电荷可累积在折射元件801的底部而负电荷可累积在光学介质803的顶部，形成静电力以改变折射元件801和光学介质803之间的相对距离。由于支撑元件807可支撑折射元件801的两端，该静电力可使得折射元件相对于光学介质的位置如箭头809所示产生变化。在部分实施例中，其产生的距离变化可被用来调整一聚焦光束离开该折射元件801的光路。在部分实施例中，藉由电压源805施加外部电场亦可改变该折射元件801周期性结构的光子晶体的半径，周期或其表面的特定曲率半径。

图8B绘示由一电容效应控制的折射元件所构成的光子集成电路810。藉由使用一微电机系统(MEMS)使其折射元件和光学介质之间产生静电力，并导致该折射元件的入射光光轴的方向变化。在本实施例中，光子集成电路810包括一个光学介质813，折射元件811，支撑元件817，和一个电压源815耦合至该折射元件811和该光学介质813。在部分实施例中，折射元件811可以包括一个表面曲面或一组周期性结构，藉由本说明书中所描述的折射元件来实现。举例来说，正电荷可以累积在折射元件811尖端的底部，而负电荷可以累积在光学介质813顶部靠近811尖端处，形成静电力以改变折射元件811和光学介质813之间的距离。由于支撑元件817仅支撑折射元件811的一端，所述折射元件811可视作是一个悬臂。该静电力使得折射元件的相对入射光光轴的方位产生变化，如箭头819所示。在部分实施例中，在该方向上的变化可以用于调节入射光进入折射元件811的入射角。在部分实施例中，在该方向上的变化可以用于调节从光学介质813进入折射元件811的光信号的入射角度。

图9绘示制造一种折射元件的流程图的一例。流程900可以如所示顺序进行，或与图示的顺序不同。部分在流程900中的步骤亦是选择性的。该流程900可以藉由包括一数据处理装置的系统进行，如一个或多个计算机控制一个或多个设备来执行对应的制造步骤。

该系统可用来制造一光子集成电路(902)。光子集成电路的制造可藉由CMOS兼容的制造技术或其组合来实现。例如，投影式曝光、电子束曝光、接触曝光，或任何其它合适的曝光技术来用于图案化该光子集成电路。再者，干蚀刻、湿蚀刻，或任何其它合适的蚀刻技术亦可用于蚀刻图案化的光子集成电路。再者，如化学气相沉积，等离子增强化学气相沉积，溅射法沉积，或任何其它合适的薄膜沉积技术亦可来用于沉积一层或多层材料于光子集成电路上。

该系统亦可用来形成折射元件(904)的表面曲面。在部分实施例中，折射元件可以直接黏接至基底上的一层材料上。参考图8A，折射元件801可以藉由黏接的方式至一支撑元件807上。在部分实施例中，折射元件的表面曲率可以藉由灰阶光罩工艺而形成。在部分实施例中，折射元件的表面的曲率为工艺相关的应力所造成。

该系统亦可用来制造折射元件(906)的周期性结构。在部分实施例中，该周期性结构填充一种或多种与该折射元件基材的等效折射率不同的材料。在部分实施例中，该组周期性结构中一个或多个周期性结构半径与其他一个或多个周期性结构半径不同。举例来说，该组周期性结构中的一部分结构的光子晶体孔洞半径与其余的光子晶体孔洞半径不同。在部分实施例中，该组周期性结构中大多数的结构具有局部非周期性。

本领域人员可知对于本案上述实施方式可做种种变化而不脱离本发明范围的的精神。例如，上述步骤可以变化顺序、添加或是删除步骤。在图9的的步骤906可在步骤904前进行。

在本说明书中所述的实施方式及功能操作可以在数字式电子电路中或计算器软件、固件或硬件中实现。实施方式也可以被一个或多个计算器程序所实现，即计算器程序指令的一个或多个程序代码区块上在计算器可读媒体中以编码形式储存以供后续执行，或者藉由该程序控制数据处理装置的操作。计算器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。该计算器可读介质可以是一种非临时性计算器可读媒体。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，计算器或多个处理器或计算器。装置除了硬件还包含用以创造计算机程序询问执行环境的程序代码，例如构成处理器固件、协议堆栈、数据库管理系统、数据库管理系统、操作系统，或其一或多个组合的程序代码。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。

计算器程序(也称为程序、软件或程序代码)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器环境中使用的其它单元组合。计算器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信息的文件的一部分(例如储存在标记语言文文件中(MarkupLanguage)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、子程序或部分程序代码的文件)。计算器程序可以在一或多个计算器上展开以及执行，其中多个计算器可以是在相同地点的计算器，或者是分布在不同地点并通过网络互连的计算器。

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器程序以完成输入信息操作并产生输出信息。此外，程序及逻辑流程也可以利用专用逻辑电路，例如现场可程序化门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)或专用集成电路(Application-specific integrated circuit,ASIC)来执行。

适合于计算器程序执行的处理器例如通用和专用微处理器，以及任何类型的数字计算器的任何一或多个处理器。一般来说，处理器可接收来自只读存储器或随机存取内存或其两者的指令和数据。计算器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内存。计算器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，计算器可以嵌入其他设备中，例如平板计算机、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。适于储存计算器程序指令和数据的计算器可读媒体包括所有形式的非挥发性内存，媒体和内存，例如包括半导体内存设备(例如为EPROM、EEPROM和闪存)、磁盘(例如硬盘或行动硬盘)、磁光盘、CD-ROM和DVD-ROM光盘。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，计算器还可以包含显示信息给用户的显示设备和供用户输入信息到计算器的键盘和指示设备，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，计算器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)输入的信息。

前述实施方式可在计算机系统中执行，计算机系统包含后端元件(例如数据服务器)、中间元件(例如应用服务器)或前端元件(图形用户界面或网络浏览器)。通过计算机系统，用户可以实行技术所揭示内容。计算机系统的元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(WAN)，例如因特网。

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。客户端和服务器藉计算机程序及客户端-服务器的架构关系以在不同计算器上协同运行。

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申请专利范围决定。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，各种系统或程序元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元件和系统一样，可以集成，或在单个软件产品，或封装为多个软件产品。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (18)

1.一种光学装置，其特征在于，包含：

一个光学介质，一个在该光学介质上的第一折射元件，与一耦合至该第一折射元件的调变元件；

该第一折射元件包含：一表面具有一特定曲率半径，和一组在该表面上的周期性结构，且该第一折射元件用来对于一入射光的一个或多个波长范围进行折射或滤光的功能；

其中该调变元件藉由外部提供的电场造成该第一折射元件内的载子浓度或机械结构变更，以改变该第一折射元件的等效折射系数；

其中该调变元件更包含一p-n接面，藉由外部提供的电场以改变该第一折射元件的载子浓度及其等效折射系数；

其中更包含一第二折射元件，该第二折射元件与该第一折射元件耦合，该第一折射元件在等效折射系数改变效应下改变光束轮廓，该第二折射元件在导波模态共振效应下选择所需波长。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，更包含：

一个位在该第一折射元件上的覆盖元件，其中该覆盖元件的等效折射系数低于该第一折射元件的等效折射系数。

3.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，该覆盖元件包含一层或多层氮化物、氧化物、空气，或有机材料。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该组周期性结构具有相对应一光轴的90度旋转对称性。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学介质更包含至少一个主动元件，用来吸收至少一部分入射光或发光。

6.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，该主动元件包含一层或多层硅、锗、锡，或三五族化合半导体。

7.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该第一折射元件形成透镜部份后再蚀刻该组周期性结构而形成。

8.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该第二折射元件更包含一第二组周期性结构。

9.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该调变元件耦合至该第一折射元件，其中该调变元件可用来改变至少一部分离开该第一折射元件的光的指向、其聚焦深度，或改变由该第一折射元件的该组周期性结构过滤后的一个或多个波长范围。

10.根据权利要求9所述的光学装置，其特征在于，该调变元件包含一微电机系统，藉由外加电场施加应力以改变(i)该第一折射元件表面的特定曲率半径，(ii)该第一折射元件相对于该光学介质的位置，(iii)或该第一折射元件相对于入射光光轴的方向。

11.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该第一折射元件表面的特定曲率半径由工艺相关的应力所造成。

12.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该第一折射元件表面的特定曲率半径由灰阶光罩工艺所形成。

13.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该组周期性结构造成的联合相位改变用来聚焦或放焦入射光。

14.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该组周期性结构藉由导波模态共振以滤除入射光的一个或多个波长范围。

15.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该第一折射元件包含一部分被氮化物或氧化物或空气所填满的硅基底。

16.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，为了过滤，聚焦，散焦一个或多个入射光波长范围，(i)该组周期性结构中一个或多个周期性结构能够填充一种或多种与该第一折射元件的基材等效折射系数不同的材料，或(ii)该组周期性结构中的一部分结构的光子晶体孔洞半径与其余的光子晶体孔洞半径不同，或(iii)该周期性结构中大多数的结构具有局部的非周期性。

17.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学介质的厚度对应于该第一折射元件的焦距。

18.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该第一折射元件粘接至在该光学介质上。