CN111527431B - 温度不敏感滤波器 - Google Patents

Abstract

一种集成波长选择滤波器设备(10；20；30；40)，包括：第一光学元件(14)，其用于将接收到的辐射定向到由第一角(α)定义的方向上，以及第二光学元件(15)，其是被配置成以第二角对所述定向辐射进行衍射的衍射元件。第二角如下：对于单个参考波长，衍射辐射被定向到传播介质中以在其中向第一光学元件或另一光学元件上的预定位置行进以便从具有显著不同的波长的辐射中过滤具有与所述参考波长基本匹配的波长的辐射。传播介质由不同于第一和第二光学元件的基板的任何材料的材料形成。

Description

温度不敏感滤波器

发明领域

本发明一般涉及波长选择光学滤波器和包括这些滤波器的光学系统，尤其涉及集成无热波长选择光学滤波器和包括这些滤波器的集成光学系统。

发明背景

集成光子平台中的光学波长滤波器往往会随温度而漂移，而这会导致错误的波长读数。这是由两种效应引起的：由于热光(TO)效应引起的材料折射率变化以及设备的热膨胀。通常，热光效应占主导地位，但是对于精确测量，热膨胀也不能忽略。对于光谱应用或其他需要绝对测定光学波长的应用，需要主动温度跟踪或使用固定参考波长。

过去，已经进行了多种尝试以提供一种将热光效应和/或热膨胀纳入考虑的解决方案。在一种解决方案中，使用了无热光学波导。芯片上使用的光学波导覆盖有一种材料，该材料的热光系数与波导的热光系数具有相反的符号，从而抵消了这种效应。但是，这些办法通常遭受化学不稳定性、更高的波导损耗、和CMOS不兼容的困扰。

在另一解决方案中，使用了热自补偿滤波器。因此，Mach-Zehnder干涉仪被设计成通过在两臂中使用不同的偏振态或波导宽度来抵抗温度波动。但是，由于热膨胀，此办法仍然存在漂移。此办法对制造缺陷也很敏感。

在又一解决方案中，使用了主动热补偿。光子集成电路的温度可以通过Peltier元件进行控制并保持稳定，该元件允许对芯片冷却和加热。此办法的主要缺点是功耗大且需要复杂的控制系统。同样，其也很难达到光谱应用的足够稳定性。

还探索了使用外部参考光学滤波器(例如气室)。气室仍然很昂贵，并且对外部滤波器的需求抵消了光子集成的优势。

因此，仍有改进的空间。

发明内容

本发明的各实施例的目的是提供良好的无热波长选择光学滤波器和包括这些滤波器的集成光学系统。

本发明的各实施例的优点在于，提供了一种波长滤波器，该波长滤波器基本上对温度不敏感并且是纯被动的而不需要主动控制。本发明的各实施例的优点在于，至少补偿了引起折射率变化的热光效应。

本发明的各实施例的优点在于，不实质上匹配参考波长的辐射将不会被耦合回到第一光学元件或进一步的光学元件，并且因此将不会通过波长选择滤波器。

本发明的各实施例的优点在于，提供了一种波长滤波器，该波长滤波器基本上对温度不敏感并且充当通带滤波器，其输出可被用作参考波长。

各实施例的优点在于，提供了一种滤波器，该滤波器的设计可容忍制造缺陷。

本发明的各实施例的优点在于，不需要主动跟踪温度。

本发明的各实施例的优点在于，它们被提供为例如集成在光子集成电路上的集成解决方案，从而避免了对外部组件的需求。

上述目的通过根据本发明的方法和设备来实现。

本发明涉及一种集成波长选择滤波器设备，包括：

第一光学元件，其被图案化在基板之上或之中，并且被配置成用于接收入射在其上的辐射并且用于将所述接收到的辐射至少部分地定向到由第一角定义的方向上，

第二光学元件，其被图案化在基板之上或之中以及是衍射元件且纵向延伸并相对于第一光学元件远离地布置，该第二光学元件被配置成用于以入射角接收所述定向辐射，并且被适配成以第二角对所述定向辐射进行衍射，所述第二角取决于波长。

第一光学元件将接收到的辐射定向到传播介质中，定向接收辐射通过该传播介质传播，直到其在第二光学元件处被接收到为止。传播介质由不同于第一和第二光学元件的基板的任何材料的材料形成。

第二光学元件被配置成使得第二角如下：对于单个参考波长，衍射辐射被定向到传播介质中以在其中向第一光学元件或另一光学元件上的预定位置行进以便从具有显著不同的波长的辐射中过滤具有与参考波长基本匹配的波长的辐射，从而为整个设备唯一地确定参考波长。

传播介质的不同材料可以使得其热光折射率系数比第一和第二光学元件的基板的任何材料的相应折射率小很多，例如，至少小一个数量级或至少小两个数量级。替换地或附加地，传播介质的不同材料可以使得其热光折射率系数比第一和第二光学元件的基板的任何材料的相应折射率小很多，例如，至少小10％或至少小20％或至少小50％。

第一角可以是定向接收辐射的射线束的中心射线的中心角，例如发散光束的中心角。发散光束具有相关联的角展度，因此对于入射在第二光学元件上的定向辐射的不同角光谱分量而言，第二角(衍射角)可能不同。

第一光学元件和/或第二光学元件可以是光栅或光栅耦合器。然后，第一角可以取决于波长。

波导可被用于向第一光学元件提供辐射。该波导可以是单模波导，也可以是多模波导。

因此，第一光学元件以及另一光学元件(如果存在的话)可以被连接到波导以用于将光学输入和输出信号传输进入和离开滤波器设备。

第一光学元件可以是波纹光栅耦合器。本发明的各实施例的优点在于，波纹光栅可以具有大的角分散，这减小了偏转路径的长度/高度，从而允许获得紧凑的滤波器设计。

第二光学元件可以是波纹光栅。该光栅可以是闪耀光栅。本发明的各实施例的优点在于，光栅的槽可以被很好地定义，因此可以导致更少的重影。本发明的各实施例的优点在于，与第一光学元件(例如第一光栅耦合器)集成在一起使光学元件相对于彼此的定位误差最小。波纹光栅可以是参考波长满足利特罗(Littrow)条件的啁啾光栅。

本发明的各实施例的优点在于，基于折射率调制可以很好地控制光栅的啁啾。与例如涉及更多处理步骤并且更昂贵的掺杂光栅相比，实施例的优点是可以获得容易的处理。利特罗光栅的一个优点是利特罗条件确保衍射角与光栅材料折射率无关，因此也与其温度变化无关。

第一光学元件，第二光学元件以及如果存在的话第三光学元件可以被图案化或集成在同一基板之中或之上。

在一些实施例中，第二光学元件可被适配成将所述定向辐射反向反射到所述传播介质中，以便相对于第二光学元件在其上或其中被图案化的基板的平坦表面沿相同的仰角方向行进，但具有与入射到第二光学元件上的辐射相比相反的传播方向。

当波导被用于向第一光学元件提供辐射时，在与第二光学元件相互作用之后，辐射可以由第一光学元件通过相同的波导耦合出。因此，可以通过辐射在与第二光学元件相互作用之后再次以第一角入射在第一光学元件上来获得滤波。辐射因此可以被反射回到与用于在波长选择滤波器中耦合辐射相同的波导。可以使用用于从输入分离输出的光学组件，诸如例如循环器或3dB耦合器。

在一些实施例中，第二光学元件可以被配置成离轴配置，以便与入射辐射入射到第二光学元件上的方位方向相比，沿不同的方位方向反向衍射入射到第二光学元件上的辐射。可以相对于第二光学元件在其上或其中被图案化的基板的平坦表面定义方位角方向。滤波器设备然后进一步包括另一光学元件，该另一光学元件具有与第一光学元件相似的特性并且被配置成用于耦合出经滤波的辐射。

因此，在与第二光学元件相互作用之后，也可以通过将辐射入射到不同光学元件上来获得滤波，其中第二光学元件以轻微的离轴配置被操作。然后，所选择的辐射经由不同于输入波导的不同波导耦合出。

滤波器设备可以包括具有热膨胀系数或设计的至少一种材料，使得，对于由设备的温度变化而引起的至少第二角(衍射角)的变化，所述定向辐射在所述传播介质中从第一光学元件到第二光学元件的传播路径的长度通过由于温度变化而引起的设备的热膨胀被自动地适配，使得对于参考波长，衍射辐射再次被定向到预定位置。对于作为第一光学元件的光栅，也可以考虑第一角(偏转角)的变化。本发明的各实施例的优点在于，对路径长度的适配是纯由温度变化而引起的完全被动的过程。本发明的各实施例的优点在于，不仅补偿了热光效应而且补偿了热膨胀效应。各实施例的优点在于，这是以被动方式获得的。

滤波器设备可以进一步包括反射元件，使得在所述定向辐射从第一光学元件到第二光学元件的传播的路径上，辐射被反射元件的反射表面所反射。通过减小高度，可以使设备更紧凑。反射表面可以是反射菲涅耳透镜。因此，可以通过准直或重新聚焦来减小光的衍射锥。

第一光学元件和第二光学元件两者均形成在设备的平坦表面上，并且其中反射元件位于所述平坦表面上方或下方。

设备进一步可以包括至少一个支座以用于支撑位于所述平坦表面上方或下方的反射元件。支座可以例如具有矩形形状。本发明的各实施例的优点在于，此解决方案允许镜表面/反射元件表面相对于光学元件的表面平行对准，并减少由于制造公差导致的第二入射角的误差；通过均匀生长控制可以实现良好的高度控制。

路径长度的适配可以通过支座的整体热膨胀来获得。热膨胀效应的补偿可以通过材料的适当选择和支座尺寸的适当选择来实现。

支座材料可被选择使得其总热膨胀系数大约是其上或其中形成第一光学元件和第二光学元件的基板材料的热膨胀系数的三倍，例如大2到4倍、或大2.5到3.5倍(诸如大3倍)。对于在40度和50度之间的第一角，诸如例如对于在45度的第一角，该条件可以是最佳的。本发明的各实施例的优点在于，获得了最佳的温度不敏感度。支座或其一部分可以是第一或第二光学元件的基板。至少部分地由基板形成的支座可以有利地简化镜表面/反射元件与其上形成有第一光学元件和第二光学元件的基板的对准。

在硅平台中，在100K的温度范围内，温度不敏感度可能小于1pm/K。与传统的未补偿的硅波长滤波器相比，这大约减少了一百倍。

第一光学元件和第二光学元件可以位于彼此上方，并且至少部分衍射的辐射穿过所述传播介质的传播路径可以沿着直线。在本发明的不同实施例中，通过传播介质从第一光学元件传播到第二光学元件的所述至少部分衍射的辐射的传播路径可以是通过气体或真空的路径(例如通过空气的路径)。有利地，该路径穿过具有基本上与温度无关的折射率的传播介质，诸如例如气体，诸如空气或真空。本发明的各实施例的优点在于，沿路径不发生光的吸收损耗。本发明的各实施例的另一优点在于，不需要额外的制造步骤。

第一光学元件和第二光学元件可以被形成在芯片的半导体或介电基板中。本发明的各实施例的优点在于，可以获得紧凑的系统。本发明的各实施例的优点在于，生产可以基于批量生产和低成本制造技术。本发明的各实施例的优点在于，可以获得密集集成的设备。

第一光学元件和第二光学元件可以被制造在绝缘体上半导体平台中，例如绝缘体上硅平台。在一些实施例中，基板可以是半导体基板，在其他实施例中，基板可以是介电基板。

本发明还涉及一种用于提供稳定的参考波长的集成系统，该系统包括：

如上文描述的集成波长选择滤波器设备，

集成宽带光源，以及

至少一个光导，该至少一个光导耦合到光源并耦合到波长选择滤波器设备的第一色散元件以用于向第一光学元件提供宽带光以及用于从第一光学元件中提取具有参考波长的辐射。

光导还可用于从第一光学元件提取具有参考波长的辐射。替换地，可以使用另外的光学元件和另外的光导从参考波长提取辐射。

本发明的各实施例的优点在于，对于需要稳定参考例如光谱的测量系统，可以获得紧凑、可批量生产且低成本的稳定参考波长。

该系统可以进一步包括多个集成检测器元件，并且其中集成波长选择滤波器被适配成将不同波长的辐射衍射到不同的预定位置，以便将不同波长的辐射定向至不同的集成检测器元件。

本发明进一步涉及一种集成光谱仪系统，该系统包括：如上文描述的多个集成波长选择滤波器设备，多个导光电路，以及多个集成检测器，其中多个波长选择滤波器设备中的每一者被配置成具有不同的参考波长，从而定义一组参考波长，以及其中多个导光电路中的每一者被适配成接收外部施加的辐射信号的一小部分，并将其传送到多个波长选择滤波器设备中的一者，以用于从中获得特定参考波长的辐射并用于将获得的辐射定向到多个检测器中的一者。本发明的各实施例的优点在于，可以获得紧凑、可生产质量和低成本稳定的光谱仪。

本发明的特定方面和优选方面在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述。来自从属权利要求的特征可以在适当时与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征组合，而不仅仅是在这些权利要求中明确地阐述的。

出于对本发明以及超出现有技术所实现的优势加以总结的目的，以上在本文中已描述了本发明的某些目的和优势。当然，应当理解，不必所有此类目的或优势都可根据本发明的任何特定实施例来实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，本发明能以实现或优化如本文中所教导的一个优势或一组优势的方式来具体化或执行，而不必实现如本文中可能教导或建议的其他目的或优势。

从本文以下描述的(多个)实施例，本发明的以上和其他方面将是显而易见的，并且参考本文以下描述的(多个)实施例对本发明的以上和其他方面进行阐明。

附图简要说明

现在将参照附图通过示例的方式来进一步描述本发明，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的集成波长选择滤波器设备的示意性横截面图，包括布置在平坦表面上的作为第一和第二光学元件的两个集成光栅以及位于该平坦表面上方的一个附加反射表面。

图2是根据本发明的第二实施例的集成波长选择滤波器设备的示意性横截面图，包括分别布置在下部第一平坦表面和上部第二平坦表面上的作为第一和第二光学元件的两个集成光栅，并且没有任何附加反射表面。

图3是根据本发明的第一实施例的集成波长选择滤波器设备的示意性俯视图，包括作为第一和第二光学元件的两个集成光栅以及附加反射表面。

图4是根据本发明的一实施例的离轴放置的集成波长选择滤波器设备的示意性俯视图，该俯视图的水平位于由第二基板包括的平坦表面的高度处。

图5是根据本发明的一实施例的离轴放置的集成波长选择滤波器设备的示意性透视图。

图6是根据本发明的替换实施例的集成波长选择滤波器设备的示意性横截面图，包括布置在平坦表面上的作为第一和第二光学元件的两个集成光栅以及位于该平坦表面下方的一个附加反射表面。

图7是根据本发明的替换实施例的集成波长选择滤波器设备的示意性横截面图，包括分别布置在上部第一平坦表面和下部第二平坦表面上的作为第一和第二光学元件的两个集成光栅，并且没有任何附加反射表面。

这些附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于解说目的，诸要素中的一些要素的尺寸可被放大且没有按比例绘制。尺度和相对尺度并不必然对应于对本发明实践的实际简化。

权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

在不同的附图中，相同的附图标记指代相同或相似的要素。

具体实施方式

将就具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。

说明书中和权利要求书中的术语第一、第二等用于在类似的要素之间进行区分，而不一定用于描述时间上、空间上、等级上或以任何其他方式的顺序。应理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文中所描述的本发明的各实施例能够以与本文中所描述或图示的不同的顺序来进行操作。

此外，在说明书和权利要求书中的诸如顶部、底部、前部、后部、前缘、尾缘、下方、上方等之类的方向性术语被用于参考正被描述的附图的取向的描述性目的，而不一定是用于描述相对位置。因为可以以数个不同的取向来放置本发明的各实施例的各组件，所以仅出于说明的目的使用方向性术语且决不作为限制，除非另有说明。因此，应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的各实施例能够以除了本文描述或说明的之外的其他取向来操作。

应注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限制于其后列出的手段；它并不排除其他元件或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，设备的仅有的相关组件是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部是指同一实施例，但是可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如根据本公开将对本领域普通技术人员显而易见的，特定的特征、结构或特性能以任何合适的方式进行组合。

类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时一起被编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，此种公开方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，发明性方面在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式所附的权利要求书由此被明确并入到该具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是如本领域技术人员将理解的那样，不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均能以任何组合来使用。

应当注意，在描述本发明的某些特征或方面时使用特定术语不应被当作暗示该术语在本文中被重新定义成限于包括该术语与其相关联的本发明的这些特征或方面的任何特定特性。

在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的各实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本说明书的理解。

凡在说明书中提到辐射，即指作为电磁频谱一部分的光形式的辐射。这尤其包括紫外线、可见光、近红外、中红外和远红外频谱中的光。

一种无热光学滤波器或滤波设备旨在表示光学滤波器，该光学滤波器包括可显著降低其温度敏感度或补偿相对于通带中心波长的温度漂移的一种或多种技术手段，如果缺少上述一种或多种技术手段，则会对滤波器或滤波设备性能产生负面影响。

在本发明的上下文中，“集成”波长选择滤波器设备是指包括至少第一和第二光学元件的设备，至少第一和第二光学元件适于将接收到的辐射定向或重定向到空间方向，该空间方向可以通过角来表征，角取决于接收到的辐射的特定波长。第一和第二光学元件各自在基板之上或之中图案化。第一和第二光学元件可以是分别在基板之上或之中图案化的光栅结构或衍射结构。“集成”波长选择滤波器设备可以包括附加光学元件、辐射源、检测器。“集成”波长选择滤波器设备非常适合于进一步设备集成到单个芯片上，例如，包括与波长选择滤波器设备协作以形成单个紧凑的、功能性设备的控制电子器件或读出电子器件的芯片。

“基板”是指形成物理支撑基础的材料或材料组合，用于在基板材料之上或之内并入、包含、附接或沉积附加材料，以及用于排除、移除或修改基板中已存在的材料。可以例如通过粘结或堆叠将一个以上的基板组合成新的基板。在本发明的各实施例中，基板可以是光子电路管芯或平面光波电路的基板；基板可以包括硅或绝缘体上硅。光子电路管芯可作为已被切丁、切割、切片或以其他方式分割成更小片的较大晶片的一部分来获得。在一些实施例中，对于“基板”，也可以仅提及物理支撑基础的一部分——可能由于其强度不足以在没有附加材料层的情况下充当物理支撑，因此将理解，在此类情况下，通常还会在设备中存在提供机械载体的进一步的材料，诸如例如厚硅层。

如果在本发明的各实施例中提到“支座”，则是指由集成波长选择滤波器设备构成并具有壁状、柱状或球状结构的一个或多个结构支撑元件。“支座”充当间隔件，确保构成集成波长选择滤波器设备一部分的组合或组装元件之间(例如彼此相对的不同但组合的基板的两个平坦表面之间)的结构支撑和受控距离间隔。在提供“支座”的本发明的各实施例中，它们的存在必须不影响辐射在第一和第二光学元件之间的传播。这意味着，作为支撑结构的“支座”以操作滤波器设备内的定向或衍射辐射不会传播通过“支座”材料作为传播介质的方式被布置。这可以通过支座在第一和第二光学元件的周围包围它们的方式放置“支座”来实现。在本发明的一个实施例中，该支座可以部分或全部利用基板材料本身，在此情况下，基板材料需要被局部地移除以避免辐射不通过其传播。

解析与微分几何中的一个众所周知的事实是，对于嵌入三维欧几里德空间中的任何光滑二维曲面，都可以在该曲面上的某一点处构造并建立局部曲面法线。然后可以将此曲面上的某点处的三维欧几里得空间中的方向作为方向向量，该方向向量相对于曲面法线由两个方向角参数化。方向角的常见选择包括仰角和方位角，仰角即由表面法线和方向向量在由表面法线和方向向量张成的平面上形成的角，而方位角即由方向向量在此曲面的该点处的切面(垂直于曲面法线)上的投影和同一切面中的参考方向/线之间形成的角。在切面中，此类参考方向/线没有优选取向，但对于本发明的各实施例，可以通过选择构成波纹表面一部分的脊或槽的局部曲率半径作为参考方向/线，来采用切面中的参考方向/线的自然选择。然后，切面对应于波纹状的表面。这也在图5中被解说。

在第一方面，本发明的各实施例涉及一种集成波长选择滤波器设备。集成波长选择滤波器设备包括第一光学元件，该第一光学元件被图案化在基板之上或之中，并且被配置成用于接收入射在其上的辐射并且用于将所述接收到的辐射至少部分地定向到由第一角(α)定义的方向上。第一光学元件可以例如是镜子或光栅。第一角(α)通常取决于波长。滤波器设备还包括第二光学元件，该第二光学元件被图案化在基板之中或之上，并且纵向延伸并相对于第一元件远离地布置。第二光学元件是衍射元件。第二光学元件被配置成用于以入射角接收定向辐射，并且适于以第二衍射角对定向辐射进行衍射。入射角和第二衍射角均取决于波长。第一光学元件将接收到的辐射定向到传播介质中，定向接收辐射通过该传播介质传播，直到其在第二光学元件处被接收到为止。传播介质由与任何一种基板材料都不同并且具有比任何一种基板材料都小的折射率的材料形成。此外，第二光学元件被配置成使得第二衍射角如下：对于单个参考波长，衍射辐射被定向到传播介质中以在其中向第一光学元件或另一光学元件上的预定位置行进以便从具有显著不同的波长的辐射中过滤具有与参考波长基本匹配的波长的辐射，从而为整个设备唯一地确定参考波长。

在一些实施例中，第二光学元件被配置成将定向辐射反向反射到传播介质中，以便相对于第二光学元件在其上或其中被图案化的基板的平坦表面沿相同的仰角方向朝向第一光学元件行进，但具有与入射到第二光学元件上的用于耦合出滤波辐射的辐射相比相反的传播方向。在其他实施例中，第二光学元件被配置成离轴配置，以便与入射辐射入射到第二光学元件上的方位角方向相比，沿不同的方位角方向(例如稍微不同的方位角方向)反向衍射入射到第二光学元件上的辐射。可以相对于第二光学元件在其上或其中被图案化的基板的平坦表面定义方位角方向。滤波器设备然后可以进一步包括另一光学元件，该另一光学元件具有与第一光学元件相似的特性并且被配置成用于耦合出经滤波的辐射。

现在将参考不同类型的实施例更详细地描述本发明的各实施例的标准和可选特征。

根据本发明的各实施例的集成光学波长选择滤波器通常可以包括输入端口，在一些实施例中，该输入端口还充当输出端口。输入端口通常可以被配置成用于接收入射的多色辐射并用于传递经滤波的(即单色)辐射。因此，在一些实施例中，光学波长选择滤波器还包括第一光学元件和第二光学元件，第一光学元件通常连接到输入端口以分散入射在其上的多色辐射，可选地连接到一个或多个反射表面以折叠或重定向辐射光束的路径，而第二光学元件被用在反向反射结构中。输入端口优选是波导类型的，例如在基板上或埋置在基板中的琢面或横截面为脊形(ridge)、肋形(rib)或槽形的集成波导，例如图案化在蓝宝石或聚合物基板中、在绝缘体上硅(SOI)、磷化铟、砷化镓或其他半导体或介电平台中的集成波导，但不限于此。甚至更优选地，波导类型的输入端口会导致将入射多色辐射限定在单导模式(例如波导的基本模式)下，由此单导模式/基本模式由波长参数化。其他类型的输入端口可以是集成光学元件的孔径或出射光瞳，诸如微棱镜的面、透镜或透镜系统的光瞳(例如粘结在集成光学电路基板上的微型球透镜的光瞳)。在此类情况下，入射辐射优选地处于无限制的基本模式下，例如零阶准直的高斯光束。基本模式是有利的，因为它们提供了空间上更局部的入射辐射，这允许减小光导、光屈曲或光分散结构的尺寸(例如，更窄的脊形波导、更短的光栅等)。这使得能够对集成光学滤波器和包括此滤波器的集成光学系统进行更紧凑和更具成本效益的设计。

第一光学元件优选地被提供为集成光栅，例如SOI平台中的浅或深蚀刻光栅。对于光栅类型的第一光学元件，进一步优选为仅激发很少的衍射阶，最优选为仅激发单个衍射阶。这样做的优点在于避免了杂散光和背景信号的可能来源，并在于提高了一个或几个阶的衍射效率。这通过减少插入损耗从而增加阻带衰减因子来提高通带中的整体光学滤波器吞吐量。如果在本发明的一些实施例中需要的话，集成波导和第一光学元件(例如为集成光栅)的顶部包层优选地是空气，尽管各实施例不限于此。实际上，与集成波导或第一集成光栅的有效折射率相比，具有显著较弱的温度相关折射率(即热光系数)的任何其他材料也是合适的。替换地，第一光学元件可以是粘结的直纹或全息光栅、粘结的微棱镜、AWG类型的阵列相位光栅、劈裂波导琢面、镜面等。

第二光学元件也优选地被提供为集成光栅，例如SOI平台中的浅或深蚀刻光栅。甚至更优选地，第二光学元件是闪耀光栅，以便最大化衍射效率。替换地，第二光学元件也可以是粘结的直纹或全息光栅。第一和第二光学元件两者可使其暴露于辐射信号的一个或多个表面经薄层保形涂覆，以便改善其在期望滤波器通带范围内的反射或透射特性。当第一光学元件在透射方案下操作时，所述保形涂层可以是薄的保形抗反射涂层。对于在反射方案下操作的第二光学元件，可以施加薄的保形金属层膜或薄的保形反射涂层。

当多色辐射以第一入射角入射到第一光学元件上时，它不会或部分地分散到不同的角方向上，即取决于波长的不同偏转角。分散到不同的角方向也可能是重定向的接收辐射在传播介质内自由传播的结果。第二光学元件相对于第一光学元件以此方式远离地布置，使得至少部分地偏转的多色辐射以第二入射角到达第二光学元件而没有大的阻碍。也就是说，在第一光学元件和第二光学元件之间建立了基本上无损耗的辐射传播路径。在一些实施例中，所述第二光学元件被配置成以如下方式在围绕集成光学滤波器的中心波长的窄带区域内反向反射辐射：基本上沿着第一光学元件和第二光学元件之间相同的辐射传播路径但以相反方向向后进行，即，对于这些波长，第二入射角和与第二光学元件相关的衍射角一致。滤波器阻带中的辐射波长被衍射成不同的衍射角，使得这些波长的辐射信号的返回路径与初始路径不同。结果，那些波长的辐射信号可能会遇到大的阻碍，例如它们被吸收、错过第一光学元件、或未被定向回到输入端口/输出端口。无论如何，它们都被有效地抑制了。通过借助于一个或多个反射表面来延长初始路径，例如通过在表面、金属或介电镜(例如，施加于表面的金属薄膜或介电薄膜涂层)上的全内反射来放大此滤波效果，这样即使衍射角的微小差异也会导致沿返回路径的空间间隔越来越大。作为所描述的配置的替换，第二光学元件可以被配置成离轴并且辐射可以通过第三光学元件被耦合出去，该第三光学元件与第一光学元件不同但是包括与第一光学元件相同或基本相似的属性。于是，在第二光学元件处的衍射波的角不同于在第二光学元件上的入射角。例如，这可以是显著不同的角，或者在一些实施例中，这也可以仅仅是相关角的方位分量上的差异。在一些实施例中，差异可以很小，例如足以将辐射定向回到位于不同位置处但靠近第一光学元件的第三光学元件。

通过解说的方式，本发明的各实施例不限于此，将进一步描述各实施例的一些特定示例，以解说标准和可选特征。

图1是实现无热光学波长选择滤波器10的集成光子芯片的示意性横截面图。集成光子芯片不限于图1所示的部分并且可以包括未显示的附加组件，例如，用于将光(例如从邻近光纤端琢面发射的光或入射到集成光子芯片上的聚焦光束)耦合到集成光子芯片中的弯曲的输入光栅耦合器、锥形宽波导或粘结棱镜耦合器，以及路由、分裂和组合装置(例如弯曲波导、宽带定向耦合器等)。

集成波导131的输入琢面或横截面可以充当集成光学波长选择滤波器10的输入端口13，该集成波导131可以是在埋置的氧化硅基板11顶部的硅层12中形成的单模硅波导。基板11可以是不同的材料，例如蓝宝石、GaAs、InP、聚合物等，并且还可以包括不止一个材料层，例如，基板11可以是在硅晶片层顶部的埋置的氧化硅层。此外，硅层12(以下简称波导层12)并不限于硅层，而其他材料层也可能会被选择，例如InP、Ge、SiGe、SiN、SiN、SiON、一般玻璃和硫族元素，特别是III-V平台中的四价材料(如InP平台中的InGaAsP等)，具体的选择取决于滤波器的目标中心波长、温度范围、设计规则等。

集成波导131被连接到第一光学元件，该第一光学元件在本示例中是集成光栅14，其形成在与集成波导131相同的层12内，并且入射辐射从输入端口13(例如集成波导131的横截面或琢面)定向到第一集成光栅14。根据此实施例，第一集成光栅14被选择为第一光学元件。可以通过选择性地蚀刻波导层12来获得具有矩形光栅齿的光栅。然而，光栅14的不同形状也是可能的，例如三角形、楔形、锯齿形或正弦形。第一集成光栅14优选地针对光学滤波器10的中心波长被优化，例如借助于选择特定光栅周期使得中心波长的光在变化的温度下被衍射到合适的角范围内，或者借助于优化光栅轮廓以实现中心波长的高效衍射方案。例如，如果光栅是浅蚀刻在硅波导中的矩形光栅，则约810nm的光栅节距在室温下将1.55um的波长衍射到45度的角，本发明不限于此。将啁啾引入第一集成光栅的光栅周期也可能是有利的，以便相关联的衍射带宽被增加而在第一集成光栅14或其端琢面处的不希望的反向反射被减少。替换地，可以提供已知其反射特别低的离轴光栅或光栅耦合器。此外，第一集成光栅14优选地被配置成仅将入射光衍射成单阶，例如，阶m＝-1。这是有利的，因为避免了交叠衍射阶，这降低了设计考虑的复杂性。它还避免了将信号能量散布到多个阶中，这可能会导致附加损耗和较弱的输出信号，例如阻带衰减因数可能会非常低。然而，如果设计规则排除了太小而无法正确制造的光栅周期，则可能有必要设计更高阶的第一集成光栅14，例如具有阶|m|≥2。此外，例如通过施加薄的抗反射涂层来涂覆第一集成光栅的表面轮廓可能是有益的，以便当在此范围内的经滤波的光在被定向回输入端口13之前重新进入第一集成光栅14时最小化在通带波长范围内的反射损耗，该输入端口13也充当输出端口。

在本示例中，作为集成光栅15的第二光学元件15被图案化在与集成波导131和第一集成光栅14两者都相同的硅层12内，但不经由此非常相似的硅层12直接连接到第一集成光栅14，例如在图1的横截面图中，第一和第二集成光栅14、15之间存在间隙区域。在本实施例中，如此远离地形成的第一和第二集成光栅14、15可以以优选地在0.5mm与10mm之间，最优选地在1mm与5mm之间的间隔分开。第二集成光栅15通常被设计成闪耀光栅。这通常导致较少的反射损耗，特别是当第二集成光栅15处于其最优选配置：利特罗配置时。利特罗配置是特殊情况，在此情况下，对于给定的感兴趣的衍射阶，闪耀角等于入射角，且还等于衍射角。在此，相对于光栅表面法线和与入射角的取向相反的取向来确定衍射角。在此配置下，在特定的衍射阶下，光栅效率通常大大提高。为了进一步提高第二集成光栅15的效率，其表面轮廓可以用薄的反射膜(例如铝、金或银的薄层)或薄的反射介电层堆叠来涂覆。闪耀光栅15可以通过各向异性湿法或干法蚀刻来制造，其中蚀刻剂、蚀刻剂浓度、蚀刻剂相对于晶体表面的选择性、晶体/晶片取向和晶体/晶片切割角等可被选择以获得至少一个特定的闪耀角。例如，如果波导层12是[100]取向的晶体硅晶片层，则湿蚀刻剂可以是KOH或TMAH，从而在{111}平面上以54.7°的角发生蚀刻停止。更复杂的闪耀光栅的制造可以调谐闪耀角，以考虑入射到第二集成光栅15的光的角的纵向变化，并且还可以考虑平行于基板11的平面中的光栅线的曲率。例如，可以使用聚焦离子束蚀刻工艺来制造更复杂的闪耀光栅15。然而，第二集成光栅15也可以被设计成展示矩形、正弦形、阶梯形等的表面轮廓。光栅线151通常不只是直线(如在与基板11平行的平面中所见，在图1中不可见)，而是可以适应各种线型，例如，在平行于基板11的平面中跟随圆形或椭圆形线型。这在本实施例的俯视图图3中被解说。其优点在于，如果需要锥形衍射，例如，如果本发明的第一集成光栅14的尺寸远小于第二集成光栅15或它们之间的距离，则第一集成光栅14可以合理地近似为其发射角与波长相关联的定向点发射器。然后入射角沿着第二集成光栅15的光栅线151是均匀的。

一个或多个支座18(例如图1中的两个支座柱18或单个矩形路径)可以被布置在光学集成滤波器10的两侧上，与第一和第二集成光栅14、15相邻。一个或多个支座18可以由氧化铝、蓝宝石、金属陶瓷、滑石制成，本发明不限于此。

支座18可以通过蒸发技术被选择性地生长、溅射、沉积，或者更优选地，被直接粘结到基板11(在其暴露的地方)或波导层12(在其未移除的地方)上。支座18可以在垂直方向上延伸0.1mm至5mm，优选地0.1mm至2mm，对于本实施例，该垂直方向与基板法线和光栅法线121两者都重合。

第二基板16(其可视情况而定包括或不包括附加材料层)以高度h悬挂在包括第一和第二集成光栅14、15以及它们之间的间隙区域的基本平面波导层12的至少一个区域上，其中高度h对应于在结构上支撑第二基板16的支座18的高度。此类第二基板可以例如由熔融石英制成。面向波导层12的第二基板16的表面部分161可附加地包括薄金属膜(例如薄的金或银的膜)或薄反射涂层，以进一步增加该表面部分161的反射率和反射能力。这尤其适用于对于入射到其表面上的光基本上是透射性的基板16。表面部分161以其至少面对远离地布置的第一和第二集成光栅14、15之间的间隙区域，并且更优选地进一步横向延伸的方式被定位，使得由第一集成光栅14发射或由第二集成光栅15偏转返回的中心波长的光线19在滤波器10的整个目标温度范围内撞击它和从它反射。从对准容限的角度来看，选择较大范围的表面部分161也是有利的，因为在表面部分161相对于第一和第二集成光栅14、15的对准期间，如果表面部分161有额外的余量，那么小偏移将不会对其反射能力产生显著影响。至少部分地限制的空间17由支座18和悬挂的基板16的边界壁定义，并且优选地填充有空气。也就是说，集成波导131的至少一部分以及整个第一和第二集成光栅14、15两者都具有空气顶部包层。尽管由于空气的自然存在和不需要用于移除空气的特殊步骤这一事实，空气对于本实施例而言是优选的包层介质，但是本发明的替换实施例可以提供不同的包层介质。如果空间17是完全限定的气密空间，则包层介质例如可以是惰性气体或真空。在本发明的其他实施方式中，空间17可以填充有固体介电材料，该固体介电材料优选地具有低热光系数以及与两个基板的热膨胀系数匹配的热膨胀系数，从而不使基板16过度变形并局部改变其表面部分161的反射率。尽管事实上，为了易于制造和集成，在本实施例中优选平面基板16，但是可以提供弯曲的或其他表面轮廓的基板16，使得表面部分161还具有例如用于重新聚焦光束的聚焦装置，该光束是由于第一集成光栅14的小数值孔径而产生的发散光束。

在操作中，集成光学滤波器10在其输入端口13处接收多色光信号。集成波导131以基本上无损耗的方式将此多色信号定向至第一集成光栅14，在该第一集成光栅14中，多色信号以阶m＝-1被耦合到充满空气的空间17中。由于波导效应，入射的多色光信号以相对于光栅法线121基本上为90度的第一入射角传播。从等式1中给出的光栅公式中获得偏转中心角α(第一角)，其中n_a是指空间17中包层介质(例如空气)的折射率、n_eff表示由第一集成光栅14定义的波纹漏波导的有效折射率的实部、m是衍射阶、λ是多色信号的波长分量、并且Λ是第一集成光栅14的光栅周期。

从等式1可以看出，偏转角α是波长相关的。根据多色光信号的特定波长分量λ(例如中心波长)的光线19以相对于光栅法线121的偏转角α行进通过空间17的介质，直到它撞击反射表面部分161(例如反射表面，例如沉积在基板16上的薄金膜)，从那里被反射，从而进一步行进通过空间17的介质。最终，此光线19以第二入射角入射到第二集成光栅15的波纹表面上，该入射角恰好是相同的角α。这是表面部分161的镜面作用的结果，该表面部分161仅仅是将光线19的路径和第一和第二集成光栅的布置折叠在同一平面(例如基板11的表面)上，使得它们的法线121共线。在第二集成光栅15处，多色光信号再次被衍射；根据等式2中给出的光栅公式计算衍射角β，其中k指示衍射阶、λ指示多色光信号的特定波长分量、以及D指示光线19遇到第二集成光栅15的表面的位置处的局部光栅周期。由于与波长有关的偏转角，多色光信号的每个波长分量在所述第二集成光栅15上具有略微不同的入射位置。

对于光学滤波器10的中心波长λ_c，第二集成光栅15的光栅周期D至少局部地在光栅15被笔形光束或对应于中心波长的发散光束照亮的一部分中被设置为使第二集成光栅15能够在利特罗条件(α＝β或第二入射角等于衍射角)下操作的值。因此，对于第一阶k＝1的利特罗配置，周期D被设置成等式3中给出的表达式，其中第二等价是m＝-1的等式1的直接结果。

等式3仅适用于离开第一光学元件的光束的中心角方向。由于自由空间衍射，该光束发散，并因此由多个方向组成。这些不同的方向落在第二光学元件的不同位置上。因此，为了确保第二光学元件对于相同波长在所有位置都满足利特罗条件，则需要对其进行啁啾。对于本实施例，表示第二光学元件上的给定位置到第一光学元件中心的距离的着陆位置s由滤波器几何结构确定，并在等式4中给出。这为第二集成光栅15引入啁啾或与位置相关的光栅周期D。

s＝2h tanα (4)

根据s的定义，如果第一光学元件本质上充当点源发射器，则第二光学元件的光栅将具有圆形弯曲的光栅槽。这确保了第二光学元件将二维发散的入射光束转换为二维会聚的衍射光束，对于参考/中心波长，该衍射光束将重新聚焦在第一光学元件上。

结合等式3和等式4，第二集成光栅15的与位置相关(即局部变化)的光栅周期D(s)可被推导并被记载在等式5中。

现在，第二集成光栅15的此啁啾或在空间上变化的光栅周期D(s)确保中心波长满足利特罗条件，而不管其各自的偏转角α(其等于第二入射角)。结果，以与中心波长基本不同的波长为特征的光信号被衍射到与第二入射角α明显不同的角方向β上。因此，只有在接近中心波长(滤波器通带)的窄波长范围内的光基本上沿着其通往第二集成光栅15相同的传播路径反射回来，故此该光在被定向回输入端口(其还充当滤波器输出端口)13之前，被有效地耦合回到第一集成光栅14。然而，由于第一集成光栅14的数值孔径相对较小，所以以滤波器通带外(即滤波器阻带内)的波长为特征的光信号未被耦合回到输入端口13。事实上，滤波器阻带内的光信号由于在空间上偏离其返回路径上的第一集成光栅14的位置而被拒绝。此空间分离效果甚至进一步被光线19的折叠传播路径(例如被反射表面部分161)所放大。由于折射率n_eff和n_a的温度依赖性(例如由于其热光系数)，对于影响第一集成光栅14的偏转角α的任何温度变化而言都是如此。

在替换实施例中，第二光学元件被离轴放置，并且通过使用另一光学元件14a以及可选地还使用单独的外耦合波导使辐射在第二光学元件处相互作用之后被耦合出滤波器。在图4并还在图5中解说此原理。如上文指示的，第二光学元件15因此被离轴放置，并且然后第二光学元件15处衍射波的方位角

与第二光学元件15上入射的方位角

不同，例如，处于离轴配置的第二光学元件15在方位方向上起着镜面反射器的作用，而在第二光学元件15处衍射波的仰角“θ”与入射在第二光学元件15上入射波的仰角“θ”基本相等(例如，忽略由于加工缺陷引起的变化)，例如，处于离轴配置的第二光学元件15在仰角方向上仍起着理想保角反向反射器的作用。然而，包括方位角分量和仰角分量的完整入射角α与输出衍射波的衍射角β不同。入射角α和衍射角β之间的这种差异可以例如是显著不同的角(例如，α和β的方位角和仰角分量显著不同)，或者在一些实施例中，它也可以仅仅是相关角的方位分量的差异。在一些实施例中，差异可以很小，例如足以将辐射定向回到位于不同位置但靠近第一光学元件的第三光学元件。在图5的示例性实施例中，仅方位角分量

受到第二光学元件15的离轴布置的影响，而仰角分量θ被保留。更具体地，方位角分量

在平坦基板11的平面中围绕局部曲率半径反射，也就是说，处于离轴配置的第二光学元件15在此平面中起着类似于镜面反射镜的作用。对于离轴配置，局部曲率半径相对于在此平面中连接第一和第二光学元件14、15的中心的线形成非零角也是典型的。

对于依赖于第二基板16的表面部分161的反射质量的本发明的各实施例，倾斜角(对于此表面部分，相对于第一基板11的平坦表面或波导层12(图案化在其所面朝的第一基板11之中或之上)来定义)应该被小心地控制以便使集成波长选择滤波器设备在操作中能良好工作。的确，优选的是接近零度的倾斜角，如以下关于可能的倾斜角的敏感度分析所示。基本上为零的倾斜角对应于彼此面对的第一和第二基板的两个平坦表面平行的情况。简要参考图5和其中定义的xyz坐标系，两个可能的倾斜角ω_x和ω_y分别代表镜像表面部分161或其上形成该表面部分161的第二基板16围绕x轴和y轴的旋转。注意，围绕x轴的旋转仅在yz平面中引起在第一集成光栅14和第二集成光栅15之间传播的光线的位移。然而，围绕y轴的旋转将仅在xz平面中引起在第一集成光栅14和第二集成光栅15之间传播的光线的位移。

关于围绕x轴旋转的倾斜角ω_x，在实施例中观察到沿y方向的光线的以下位移Δy，其中第二光学元件15将入射光线衍射返回传播介质并衍射朝向首先将光线发射到传播介质中(例如，图3中提到的实施例)的第一光学元件14上的位置。反向衍射光线偏离超过临界距离Δy_crit的结果可能是，反向传播的光线错过第一光学元件14的孔径，并因此没有如最初预期的那样从波长选择滤波器设备耦合出去。也就是说，在操作中，倾斜角ω_x被精确地控制或调节成使得Δy<Δy_crit。几何学教导位移Δy可以被表示为

这里，h是z方向上的参考距离，在该参考距离处，反射表面部分161(例如，镜)相对于第一基板11的平坦表面(例如，在其上形成的波导层12)被定位。对于小的倾斜角ω_x，以下一阶近似成立：

Δy≈8ω_xh。

例如，假设在距离h＝1mm的情况下可以容许临界位移Δy_crit＝3μm，则这意味着镜表面部分161(镜)相对于第一基板11的平坦表面(例如，波导层12)的倾斜角ω_x在镜表面部分161的附接和定位期间被精确地控制，或者在设备操作期间被精确地调整，以确保倾斜角ω_x不超过0.02度(弧度)。继续关于围绕y轴旋转的倾斜角ω_y的上述敏感度分析，在从发射光线的第一光学元件14朝向第二光学元件15的前向路径上观察到沿x方向的光线的以下位移δx：

其中，对于小的倾斜角ω_y进行了一阶近似，并且其中h是第一光学元件14处z方向上的参考距离，在该参考距离处，镜表面部分161(例如镜)相对于第一基板11的平坦表面(例如，在其上形成的波导层12)被定位。角α是指第一光学元件14的参考偏转角(第一角)并且也对应于第二光学元件15的入射角；此相同的角α在图1中被示出并参照等式1被讨论。第二光学元件15(例如具有啁啾周期D(s＝x)的啁啾利特罗光栅)被设计成在没有镜表面部分161的倾斜的情况下，如果入射角在参考距离x＝x₀＝2h tan(α)处等于α，则反向反射参考波长λ_c处的入射光线。在存在围绕y轴旋转的倾斜角ωy的情况下，第二入射角移位到α+2ω_y并且第二光学元件15的相应衍射角β在移位距离x＝x₀+δx处不再满足利特罗条件α＝β，而是略有偏离。

由此，在倾斜表面部分161的另一反射之后，当返回到第一光学元件14(例如x＝0)时，反向衍射光线在第一个光学元件14(例如x＝0)处相对于其(发射)偏转点位移。然后，解析几何学教导，在(例如，其孔径的中心在x＝0处的)第一光学元件14处相对于偏转点的最终位移Δx由下式给出：

Δx≈4ω_yh.

在此，再次使用了小的倾斜角ω_y的一阶近似。因此，对于第一光学元件14处(例如，在x＝0mm处)的镜表面部分161的相似临界位移Δx_crit＝3μm和高度距离h＝1mm，对倾斜角ω_y的控制要求不那么严格，例如，可以容许临界倾斜角ω_xcrit值的两倍，例如0.04度。

当确定设置在支撑第一和第二光学元件的基板上方或下方并且相对于其对准的反射元件161(例如镜)的对准误差容限时，上述倾斜敏感度分析特别有用。

对于其中另一光学元件14a与第二光学元件15的离轴布置结合使用以将辐射耦合出滤波器设备的实施例，例如在图3或图5所示的各实施例中，可以重复进行倾斜敏感度分析。

图2是根据本发明的第一方面的第二特定实施例的光学集成滤波器20的示意性横截面图。与第一实施例的不同之处在于，没有用于折叠光线19的传播路径的反射表面161，并且第二集成光栅15被形成在不同基板163上的不同波导层162中。基板163被粘结或以其他方式附接到支座18，使得第二集成光栅15的轮廓表面面向波导层12。这可以通过将包括第二集成光栅15的类似光子集成芯片切割(dicing)和倒装芯片安装到包括输入端口13、波导131和第一集成光栅13的主光子集成芯片上来实现。来自同一晶片(例如承载光子芯片的绝缘体上硅晶片)的类似光子集成芯片具有制造结果高度均匀的优势，例如高度均匀的蚀刻深度、波导线宽等。这增加了相对于位于不同芯片上的第一和第二集成光栅14、15的材料或几何属性的良好匹配。然而，在不同的平台上制造第二集成光栅15也可能是有利的，从而提供对材料和设计参数的更多选择。

为了增加波长不同于滤波器20的中心波长的光信号的空间分离，支座18的高度h可以大于第一实施例的高度h。

优选地，至少部分地由支座18和第二基板163限定的空间17被空气填充，但是其他透明的介电材料也是可能的。

通过解说的方式，本发明的各实施例不限于此，可以基于以下考虑来解释根据图1中所示的示例性系统的温度不敏感反射通带滤波器的示例的操作。

在图1的示例中，入射辐射首先由光栅耦合器14衍射，并然后由啁啾利特罗光栅15反向反射。

光栅耦合器处的耦合可被表示为等式1，但假设折射率为n_a＝1的空气或真空是第一光学元件14和第二光学元件15之间光线的传播介质，从而得出以下等式：

其中α为辐射被光栅耦合器14相对于光栅表面发法线衍射的中心角(偏转角)，n_eff为有效折射率且Λ为光栅耦合器的光栅周期。

啁啾利特罗光栅处的耦合可被表示为下列等式，仍然假设折射率为n_a＝1的空气或真空是第一光学元件14和第二光学元件15之间的光线的传播介质：

或

其中K_Lg是利特罗光栅的局部光栅K矢量，D是其局部光栅周期或节距。

以一般角α(不限于中心角)离开光栅耦合器的光线将以下式定义的距离s落在利特罗光栅上：

s＝2h tanα

在此位置，节距D必须为

因此，啁啾节距由下式描述

其中

因此，给定的啁啾率将只针对一个值(h)发生。但是总的D缩放将简单地缩放通带λ。

温度不敏感度受到两者的影响。温度差一方面导致热光效应(有效折射率的变化)且另一方面导致热膨胀。

有效折射率的变化对滤波器的光谱操作没有影响，因为只要填充限定空间17的传播介质的热光效应比与第一光学元件14的有效折射率相关的热光效应小几个数量级，有效折射率的变化n_eff引起的角α的变化就对操作没有影响。如果传播介质是气体，例如空气或真空(作为稀薄气体)，其中dn_a/dT<<dn_eff/dT(例如dn_a/dT≈10^-6<<10^-4≈dn_eff/dT)，则这通常是正确的。

关于热膨胀，需要考虑以下因素：在当前示例中，当芯片被认为是硅基芯片的情况下，芯片的所有尺寸都会以热膨胀系数

增大。结果，特定光栅齿的新位置s_new由下式给出：

同时，光栅周期本身也会增大

支座也增大了。假设支座材料具有热膨胀系数

从而导致支座距离为h_new

由热膨胀引起的相应新波长λ_new(相对于旧波长λ_old)可以被确定如下：

具有偏转角为α(等于第二入射角)的光线将落在光栅的下述位置上

s_new＝2h_new tanα

在此位置s处会找到原先在s_new-Δs处的节距。因此，此节距为

但是，节距本身也已增大。因此，节距由下式给出

其中

在此位置处经利特罗衍射的新波长λ_new由下式给出

使用一阶展开式时

对于α＝45度的情况，这会导致

的情形，即支座的膨胀速度应该是硅的三倍的情形。可以修改上述条件以解决由于传播介质沿着第一光学元件14和第二光学元件15之间的光线路径延伸而引起的热光效应。在此情况下，源于随温度变化的传播介质的折射率变化(例如dn_a/dT)的另一一阶校正项会使新的啁啾节距变化(1-ΔT d(ln n_a)/dT)的量，导致以下情况：

对于前述推导，硅的热膨胀系数已被用于硅基芯片，例如用于具有形成在基板11(例如包括埋置氧化物层的基板)之上或之中的硅波导层12的绝缘体上硅(SOI)芯片。在仔细考虑上部波导层和从下方直接接触该波导层的基底层(或层堆叠中的层)的残余拉应力和厚度值后，本领域技术人员将知道哪个热膨胀系数是相关的。例如，技术人员将知道足够厚的硅波导层将缓和由基板材料引起的热感应应力(例如由埋置氧化物层施加的应变引起的应力)，并且硅的热膨胀系数主导波导层中的膨胀效应。然而，类似于温度计的双金属条，薄硅波导层的热膨胀将受到下面与之直接接触的基板层的限制，并且会建立内部应力。在此类情况下，本领域技术人员将认识到，(例如埋置氧化物的)基板层的热膨胀系数是更相关的，并将其代入前述推导中。

进一步通过解说的方式，还讨论了对支座高度的误差的敏感度。假定以给定的h＝h₀、给定的λ＝λ₀和给定的角α＝α₀(即来自第一光学元件的光束的中心方向)进行设计。考虑到

该等式描述了在给定偏转角α的情况下，由于高度h的小误差(表示为Δh)而引起的光谱移位。对于α＝90度的偏转角α，此表达式是一阶不变的。因此，在有利的实施例中，使用大的偏转角α。

在第二方面，本发明涉及一种用于提供稳定的参考波长的集成系统。该系统包括根据第一方面的各实施例的集成波长选择滤波器设备，集成宽带光源，以及至少一个光导，该至少一个光导耦合到光源并耦合到波长选择滤波器设备的第一光学元件以用于向第一光学元件提供宽带光以及用于从第一光学元件中提取具有参考波长的辐射。在一些实施例中，该系统进一步包括多个集成检测器元件。然后，集成波长选择滤波器被适配成将不同波长的辐射衍射到不同的预定位置，以便将不同波长的辐射定向至不同的集成检测器元件。然后，集成系统可以是集成光谱仪。因此，离轴取向的单个第二光学元件被用于为光谱仪的不同光谱通道选择不同的波长。进一步的特征和优点可以与针对第一方面的各实施例所描述的特征和优点相对应。

在第三方面，本发明涉及一种集成光谱仪系统，该系统包括根据本发明的各实施例的多个集成波长选择滤波器设备、多个导光电路和多个集成检测器。多个波长选择滤波器设备中的每一者被配置成具有不同的参考波长，从而定义一组参考波长，以及多个导光电路中的每一者被适配成接收外部施加的辐射信号的一小部分，并将其传送到多个波长选择滤波器设备中的一者，以用于从中获得特定参考波长的辐射并用于将获得的辐射定向到多个检测器中的一者。因此，在这些实施例中，多个集成波长选择滤波器设备用于为光谱仪的特定光谱通道提供特定波长。进一步的特征和优点可以与第一方面的各实施例的特征和优点相对应。

尽管已经在附图和前面的描述中详细地说明并描述了本发明，但是此类说明和描述被认为是说明性或示例性的，而非限制性的。前面的描述具体说明了本发明的某些实施例。然而，应当理解，不管前述内容在文本中显得如何详细，本发明都能以许多方式实现。本发明不限于所公开的实施例。

例如，参照图6描述波长选择滤波器设备的替换实施例。示出了集成波长选择滤波器设备30的示意性横截面图。集成波长选择滤波器设备30包括作为第一和第二光学元件14、15的两个集成光栅，其被布置在设备的平坦表面上，例如，被图案化到包括基板层11、12a-b的基板的同一顶面上。基板层11、12a-b的非限制性示例可以是埋置氧化物层11和至少部分地被氧化物包层层12b覆盖的硅波导层12a。集成波长选择滤波器设备30还包括反射表面部分161，该反射表面部分形成第二基板16的一部分，该第二基板16位于其上布置有第一和第二光学元件14、15的平面下方。还被包括在集成波长选择滤波器设备30中的支座18被提供为柱状或壁状材料堆叠，其包括例如四个不同的材料层11、18a、18b和18c。支座部分地限定了由传播介质填充的空间17(例如充满空气的空间17)，使得定向接收光从第一光学元件14经由充满传播介质的空间17传播到第二光学元件15，并在被第二光学元件15反向衍射之后返回。在此特定实施例中，支座18部分地由第一基板的材料层11形成，例如通过蚀刻穿过基板层11的沟槽或空腔或完整的通道开口，例如通过深度反应离子蚀刻。因此，优点在于支座可以与传播介质的限定空间同时形成。三个堆叠的材料层18a、18b和18c是可选的，并且可被提供用于附接第二基板16和/或用于精确控制支座18的高度(h)。附加地，可以分别选择三个堆叠材料层18a、18b和18c中的每一者的厚度和材料组成。这样做的优点在于，支座材料和第一与第二光学元件14、15被图案化到其中的基板材料12的热膨胀系数之间的关系可以被获得作为在支座18中包括的所有材料层上的均值。例如，支座材料的热膨胀系数大约是基板材料12的硅的热膨胀系数的三倍，可能很难以非常精确的方式获得或控制。在此情况中，提供材料层堆叠作为支座材料可以减轻该问题，因为支座18中包括的每个单独的材料层18a、18b和18c的组成和热膨胀属性可以被单独地设计。

通过在第一光学元件的光栅结构的顶部局部地沉积薄的反射金属(例如金)层，可以进一步提高作为第一光学元件14的光栅耦合器的效率。

在此实施例的变体中，在支座18内可以不存在三个附加材料层18a-c。因此，包括反射表面部分161的第二基板16可以直接附接到基板(材料)层11的底面。如果寻求反射表面部分161相对于其上布置有第一和第二光学元件14、15的平坦表面的精确定位，则这种变体可以是特别有利的，因为第一基板的背面通常非常平滑和平坦，例如晶片处理式光子芯片的基板背面。因此，对于反射表面部分161，预计只有很少的倾斜误差。

进一步，参照图7描述波长选择滤波器设备的替换实施例。示出了集成波长选择滤波器设备40的示意性横截面图。集成波长选择滤波器设备40包括作为第一和第二光学元件14、15的两个集成光栅，其被布置在设备的两个不同但平行的平坦表面上，例如，图案化在第一和第二基板的顶面上，其中第一基板可以包括基板层11、12a-b，而第二基板可以包括基板层162、163。基板层11、12a-b的非限制性示例可以是埋置氧化物层11和至少部分地被氧化物包层层12b覆盖的硅波导层12a。同样，基板层162、163可以分别包括硅和埋置氧化物。第一开口可以蚀刻到或穿过第一基板以提供部分限定空间17，该部分受限空间17包括传播介质(例如空气)以及支座18的至少一部分。例如，基板层11的剩余基板材料可提供部分或全部支座18。可选地，支座18还可包括进一步的材料层18a、18b，其可有利于调整支座18的高度h和/或有利于设计支座18的平均/组合热膨胀系数

包括第二光学元件15的第二基板可以被直接附接到第一基板的背面(例如，附接到基板层11的底面)或附接到附加材料层18a、18b中的一者的表面(其被可选地包括在支座8中)。在本实施例中不需要附加的反射表面。

在实施所要求保护的发明时，所公开的实施例的其他变型可以由本领域技术人员从对附图、本公开以及所附权利要求的研究而理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a/an)”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的纯粹事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (16)

1.一种集成波长选择滤波器设备(10；20；30；40)，包括：

被图案化在基板(11，12)之上或之中的第一光学元件(14)，所述第一光学元件(14)被配置成用于接收入射在其上的辐射并且用于将所述接收到的辐射至少部分地定向到由第一角(α)定义的方向上，以形成定向辐射，

被图案化在基板(11，12，16)之上或之中的第二光学元件(15)，所述第二光学元件(15)是衍射元件且纵向延伸并相对于所述第一光学元件(14)远离地布置，所述第二光学元件(15)被配置成用于以入射角接收所述定向辐射，并且被适配成以第二角(β)对所述定向辐射进行衍射，以形成衍射辐射，所述第二角取决于波长，

另一光学元件(14a)，所述另一光学元件(14a)具有与所述第一光学元件(14)相似的特性并且被配置成用于耦合出经滤波的辐射；

其中所述第一光学元件(14)将所述接收到的辐射定向到传播介质中，所述定向辐射纯通过所述传播介质传播直到在所述第二光学元件(15)处被接收到为止，所述传播介质由不同于所述第一光学元件和所述第二光学元件的所述基板的任何材料的材料形成，

其中所述第二光学元件(15)被配置成使得所述第二角如下：对于单个参考波长，所述衍射辐射被定向到所述传播介质中以在所述传播介质中向所述第一光学元件(14)或所述另一光学元件(14a)上的预定位置行进以便从具有显著不同的波长的辐射中过滤具有与所述参考波长基本匹配的波长的辐射，从而为整个设备唯一地确定所述参考波长，并且

所述第二光学元件(15)被适配成将所述定向辐射反向反射到所述传播介质中，以沿相同的仰角方向(θ)在所述传播介质中行进，但具有与入射到所述第二光学元件(15)上的所述辐射相比相反的传播方向，所述仰角方向(θ)相对于所述第二光学元件(15)的所述基板的平坦表面来定义。

2.如权利要求1所述的集成波长选择滤波器设备(10；20；30；40)，其特征在于，所述传播介质由热光折射率系数比所述第一光学元件和所述第二光学元件(14，15)的所述基板的任何材料的相应热光折射率系数至少小一个数量级的材料形成。

3.如权利要求1所述的集成波长选择滤波器设备(10；20；30；40)，其特征在于，所述第二光学元件(15)被配置成离轴配置，以便与入射到所述第二光学元件(15)上的所述辐射的方位角方向

相比，沿不同的方位角方向

反向衍射入射到所述第二光学元件(15)上的所述辐射，方位角方向相对于所述第二光学元件(15)的所述基板的平坦表面来定义。

4.如前述权利要求1所述的集成波长选择滤波器设备(10；20；30；40)，其特征在于，所述滤波器设备包括具有热膨胀系数或设计的一种材料，使得，对于由所述设备的温度变化而引起的至少第二角的变化，所述定向辐射在所述传播介质中从所述第一光学元件到所述第二光学元件的传播路径的长度通过由于温度变化而引起的所述设备的热膨胀被自动地适配，使得对于所述参考波长，所述衍射辐射再次被定向到所述预定位置。

5.如权利要求1至4中任一项所述的集成波长选择滤波器设备(10；30)，其特征在于，所述第一光学元件和所述第二光学元件被图案化在同一基板之中或之上，或其中所述第一光学元件和所述第二光学元件被形成在芯片的半导体或介电基板中。

6.如权利要求1至4中任一项所述的集成波长选择滤波器设备(10；30)，其特征在于，所述滤波器设备包括反射元件(161)，使得在所述定向辐射在所述传播介质中从所述第一光学元件到所述第二光学元件的传播的路径上，所述辐射被所述反射元件(161)的反射表面所反射。

7.如权利要求6所述的集成波长选择滤波器设备(10；30)，其特征在于，所述第一光学元件(14)和所述第二光学元件(15)两者均形成在所述设备的同一平坦表面上，并且其中所述反射元件(161)位于所述平坦表面上方或下方。

8.如权利要求7所述的集成波长选择滤波器设备(10；30)，其特征在于，所述设备进一步包括至少一个支座(18)以用于支撑位于所述平坦表面上方或下方的所述反射元件(161)。

9.如权利要求8所述的集成波长选择滤波器设备(10；30)，其特征在于，对路径长度的适配通过所述至少一个支座(18)的热膨胀来获得，并且

所述第一光学元件和所述第二光学元件被图案化在同一基板之中或之上，或其中所述第一光学元件和所述第二光学元件被形成在芯片的半导体或介电基板中。

10.如权利要求9所述的集成波长选择滤波器设备(10；30)，其特征在于，所述第一光学元件(14)和所述第二光学元件(15)两者均被图案化在同一基板材料之中或之上，以及其中所述支座包括至少一种材料，所述至少一种材料以使得其总的热膨胀系数约为所述第一光学元件和所述第二光学元件的所述基板材料的所述热膨胀系数的三倍的方式被选择。

11.如权利要求8所述的集成波长选择滤波器设备(10；30)，其特征在于，通过局部地移除所述基板的所述材料的一部分，所述至少一个支座(18)至少部分地由所述第一和第二光学元件(14，15)的所述基板的材料形成。

12.如权利要求10所述的集成波长选择滤波器设备(10；30)，其特征在于，具有在100k的温度范围内小于1pm/K的温度不敏感度。

13.如权利要求1至4中任一项所述的集成波长选择滤波器设备(10；20；30；40)，其特征在于，所述第一光学元件(14)位于所述第二光学元件(15)上方或所述第二光学元件(15)位于所述第一光学元件(14)上方，并且其中所述衍射辐射通过所述传播介质的传播路径沿着直线。

14.如前述权利要求1至4中任一项所述的集成波长选择滤波器设备(10；20；30；40)，其特征在于，所述第一光学元件(14)以及所述另一光学元件(14a)被连接到波导以用于将光学输入和输出信号传输进入和离开所述滤波器设备。

15.一种用于提供稳定的参考波长的集成系统，所述系统包括：

-如权利要求1所述的集成波长选择滤波器设备，

-集成宽带光源，以及

-至少一个光导，所述至少一个光导耦合到所述光源并耦合到所述波长选择滤波器设备的所述第一光学元件以用于向所述第一光学元件提供宽带光。

16.如权利要求15所述的集成系统，其特征在于，所述系统进一步包括多个集成检测器元件，并且其中，所述集成波长选择滤波器设备被适配成将不同波长的辐射衍射到不同的预定位置，以便将不同波长的辐射定向至不同的集成检测器元件。

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