JP2004534279A - 集積透明基板及び回折光学要素 - Google Patents

Abstract

回折光学要素（DOE）は、基板上に形成されている。DOEは、１つの実施形態で、基板の頂部表面上で各々個々に形成されている多数の部材から形成されていることにより特徴づけられる。部材は、基板にポリシリコン材料を配置されることにより、又は、基板上のシリコン結晶を形成し、腐食ステップを実行することにより形成されてもよい。基板は、サファイア結晶から形成されてもよい。DOEは、合計内部反射で基板中で移動する入射光を反射するために使用されてもよい。幅、間隔の間で、及び、DOEを形成しているストリップの高さは、入射光のそれに鋭い伝搬方向で基板中で入射光を反射するために設計されてもよい。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国仮出願60/223503号（２００１年８月７日付出願）、米国仮出願60/223508号（２０００年８月７日付出願）及び米国仮出願60/271103号（２００１年２月２３日付出願）の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に集積光学回路に関し、特に、透明な光学基板上に備え付けられている回折光学要素に基づいた集積光学回路に関する。
【背景技術】
【０００３】
集積光学回路は透明基板上に反射する平面光学要素を備え付けられていること、及び、透明基板のミラー表面からの内部反射の方法によって要素を連結することにより構築されていることが提案された。平面光学要素は、適切な方法で、反射光信号を誘導させる、集中させる、又は、そうでなければ回折させる。このアプローチは、電気的な集積回路に似ている平面の様式で構築され、かつ、相互に連結される複雑な光学装置を作製する。
【０００４】
このアプローチは、固有の反射損失及び内部光信号に効率的に連結する平面要素を構築する困難さのために、制約があった。基板のミラー表面は、透明基板に金属の薄膜を適用することにより、一般に構築されているが、公知の薄膜材料は、数パーセントの損失を有しており、そして、多数の反射が必要であるならば、信号の強度は指数関数的に損失される。さらに、平面光学要素が基板表面との親密な接触でないならば、基板から及び基板に戻る光信号を得ることに関連する大量の損失がある。
【０００５】
それらが表面で不可欠になるので、回折光学要素（DOE）は、理想的に反射する平面光学要素に適しているが、それらはいくつかの欠点がある。それらは、典型的に反射モードで作用するために、金属のコーティングを必要とし、また、これは光信号の損失に帰着する。DOE中の回折オブジェクトの寸法が、基板中の光の波長よりはるかに大きいならば、それらは、適切なモード以外のモードへ光を回折し、効率の損失に帰着し、また、クロストークのような不適切なエラーを引き起こす。オブジェクトが優先的に適切な方向で光を回折するために形作られるとき、この問題は、ブレーズ格子パターンを使用することにより多少最小になる。鋸歯上のブレーズ回析格子は、形作られた彫刻道具を使用して、典型的に作り上げられた例である。しかしながら、ブレーズ回析の３次元の性質は、それらを光学基板の表面上に作り上げることを困難にし、さらに、不適切なモードで光の回折及び誘導は、まだ問題である。
【０００６】
回折オブジェクトの寸法が、光の波長に接近するならば、入射角度の適切な選択及び回折オブジェクトの適切なサイズによって、不適切なモード又は誘導は、最小にする又は除去する。装置は、一般にホログラフィーの光学要素（HOE）（DOEの部分集合である）として知られている。これらの装置は、反射表面の深さをパターン化することによって構築されるならば、回折表面の異なる深さは回折光でシフトする変化相を引き起こすので、表面の軽減又は相ホログラムとして知られている。これら相シフトは、パターンの深さの調整により、適切な光信号の適切な方向又はモードで光の発展的干渉を引き起こすために調整される。屈折オブジェクトのパターンが、反射する金属フィルムで覆われるならば、損失は、全く少量の光エネルギーはそのような装置に吸収されるので、数パーセントと同じくらい低くなる。しかしながら、実際上、高い効率を示し、かつ、効率的に製造できる方法で、基板の表面上でそのような装置を構築することは困難である。電子ビームは、直接、基板上にこれらの寸法のパターンを書くことができるが、これは非常に遅く、高価なプロセスであり、かつ、相型ホログラムのために必要になる表面の軽減を生産することに向いていない。エンボス加工にすることは、透明なプラスチック（例えば、クレジットカードセキュリティホログラム）上の表面型ホログラムを再生産するために使用されるが、これらの材料の耐性及び安定性は、ほとんどの適用に適していない。
【０００７】
他方で、体積ホログラムも、妨害レーザー光のパターンにフォトグラフィク乳濁液を露出することにより、作製される。回折オブジェクトのパターンは、乳濁液の体積内で作製される。この方法で構築されたHOEは、高い効率を有しているが、それらは、生産することで悪評高いほどに困難であり、かつ、環境効果を悪化させる。
【０００８】
上述した問題から明白であるように、比較的手頃なコストで大量生産することができる、高い光学効率を有する透明基板の表面上に回折光学要素に基づいた光学集積回路を形成する方法が必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１つの実施形態で、合計内部反射で、基板の頂部表面から反射する主要な伝搬方向において、基板中で入射光信号が伝搬している光学基板を有する集積光学装置が提供される。集積光学装置は、さらに多数の別々に間隔を置かれた部材（光学的透明材料から形成されている）を有し、かつ、基板の頂部表面上に配置されている回折光学要素を有し、前記入射光信号は、適切な伝搬方向に沿って基板中で反射される。
【００１０】
さらに、実施形態によると、光学的透明基板を有する使用のための回折格子が提供され、別の光学透明材料から形成されている多数の部材を有し、基板の頂部表面上に配置されている。部材は、別々に隔てた距離を置かれ、かつ、部材幅を有している。隔てた距離及び部材幅の合計は、選択され、その結果、入射方向の伝搬及び回折格子上の入射で頂部表面から合計内部反射で基板中で移動する光信号は、反射方向の伝搬で基板中で伝搬する第１の回折オーダーへ反射される。反射方向の伝搬は、入射方向の伝搬に関しての角度を定義し、また、反射光信号は、合計内部反射で基板中で伝搬される。
【００１１】
別の実施形態によれば、入射光信号を送る方法は提供される。方法は、基板の頂部表面から合計内部反射で光学基板中で入射光信号を伝達するステップを含んでいる。入射光信号の部分を受け取るために、基板の頂部表面上の多数の別々に間隔を置かれたストリップを配置するステップは、方法の別のステップで実行される。ストリップは、配置され、その結果、ストリップは、入射方向の伝搬に関してある角度を定義し、かつ、合計内部反射で基板中で伝搬する反射方向の伝搬で基板中で伝搬する、第１の回折オーダーへ入射光を反射する回析格子を形成する。
【００１２】
別の実施例によれば、光学的透明材料から形成されている基板を有し、かつ、合計内部反射で基板中で移動する光信号を有する集積光学装置は提供される。集積光学装置は、さらに、適切な伝搬方向で基板中で光信号を反射するために、基板の頂部表面上に配置された第１の多数の別々に間隔を置かれた部材から形成されている第１の回折光学要素を有している。さらに、集積光学装置は、第２の多数の別々に間隔を置かれた部材から形成されており、第１の回折光学要素から反射光信号を受け取るために基板の頂部表面上に配置されており、基板中で伝搬のための反射光信号を出力するために配置されている第２の回折光学要素を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態は、標準のMEMS材料及び組立て技術で組立てられる透明基板上に配置された回折光学要素を組込む光学装置を提供することにより、上述した問題を解決する。記載された技術で、多数の光学要素は、入射光を反射する回折要素を含んで、形成されてもよい。好ましい実施形態は、事実上のミラー（光学基板と共に使用されてもよい）を形成するHOEの形状で回折光学要素を以下に図示する。提供される実施形態のどれも、反射コーティングを必要としない。しかしながら、non-HOEの回折光学要素を使用してもよい。
【００１４】
反射コーティングの代わりに、HOE及び基板は、合計内部反射で光学基板中で移動する光に影響するために以下に適応される。合計内部反射（TIR）は、非常に低い損失の光学現象であり、記載される装置で高い効率作用に結びつく。HOE自体の回折オブジェクトは、好ましくは合計内部反射が損失を最小になる手段により光を回折する。さらに、記載されるHOEは、１つの回折モードが存在することを単に可能にすることを示し、さらに損失を減少する。HOEは、全面的な効率が１００％に接近することを可能にして、反射されるｍ＝０モードを抑制するホログラム相として好ましくは構築される。TIR（多数のHOEが光学的に高い全面的な装置の効率と関係のあることを可能にする）で基板中で反射光がさらに伝搬するように、移動する入射光を反射するために、HOEは光学基板で協同する。
【００１５】
一般的に上述されたもののような回折光学要素は示される一方、現在の開示が、光学装置が構築されているシステムのために、より広く提供されること、及び、構築されてもよい光学装置は多数であることが理解される。実際に、現在の開示が、集積基板及び回折光学要素成分、又は、装置のシリーズを示す。集積成分は、反射器、コリメーター、回析格子、ビームスプッリター及び可変減衰器のような多くの光学装置を形成してもよい。集積基板及び回折光学要素は、さらに集中又は発散レンズとして機能してもよい。下述するように、開示は、多数の機能に役立つことができるホログラムパターンを再生する方法を提供する。
【００１６】
図１は、好ましい実施形態は光学的透明であるHOE１００及び光学基板材料の横断面の側面図を示す。より好ましくは、基板１０２は、波長分裂多重（WDM）赤外線光学長距離通信のために使用されるＣバンドのような赤外線領域で光学的透明である。このバンドは、１５２８ｎｍ〜１６２１ｎｍ（ナノメーター）の波長を包含するが、他の光通信バンド中の作用も想像される。より詳細に下述されるように、基板１０２は、サファイア又はクオーツのような様々な材料、或いは、TIRで光信号を伝搬するために及びフォトリソグラフィプロセス用のエッチング停止として役立つのに適している別の基板材料から形成されている。
【００１７】
入射光ビーム１０４は、基板１０２の外部の表面の境界で臨界入射角を超える現象として知れる合計内部反射で基板１０２によって移動する。好ましい実施形態において、基板１０２は、頂部表面１０６を上（空気を配置している）に有している。基板の屈折率及び空気の屈折率は、基板中で合計内部反射のための臨界角を定義する。
【００１８】
入射角θは、法線から頂部表面１０６へ測定され、基板１０２へ伸びる図１中で示される。空気境界によって囲まれるサファイア基板１０２について、臨界角が約３５°であり、したがって、θはTIR伝搬のための値で又はその値上である。すなわち、光ビーム１０４は、臨界角を超える角度で頂部表面１０６上の入射になり、また、HOE１００作用を促進する。好ましい実施形態で、空気が頂部表面１０６上に配置されている一方、これらの材料がTIR条件を確立するために基板１０２の屈折率未満の屈折率を有している限り、他の材料は、基板１０２上に配置されてもよい。さらに、基板１０２の頂部表面１０６及び底部表面１０７からのTIRは、最小のコストである最大効率設計を提供する一方、光ビーム１０４を反射するために、二者択一で頂部表面１０６でTIRを有しており、底部表面１０７で反射コーティング又はミラーを使用する。同様に、底部表面１０７以下にクラッド層を使用してもよい。
【００１９】
HOE１００は、頂部表面１０６に直接配置されている任意形状の個々の回折部材から形成されている。部材１０８は、入射光信号の適切な修正を実行する回折パターンを形成している任意形状のドット、曲線のストリップ、直線のストリップ、又は、他の形状からなる。そのようなパターンの例は、任意の曲線の回析格子又はミラーを形成しているパターンである。もし部材１０８が、配列されたパターン中のドットであれば、入力１０４を受け取り、任意の数の出力方向へ入力の部分を反射するビームスピリッターとして機能するために、HOE１００が形成されている。そのようなドットは、循環形状、楕円形状、クロス形状又は正方形状で有しており、部材１０８から形成されているHOE１００パターンは、ドット間の間に依存する１×２又は１×Ｎスプリッターを作成している。
【００２０】
図示する実施形態において、部材１０８は、光学的透明材料から形成されている。これらの部材１０８は、傾けられたミラーの機能を実行するHOEを形成している。部材１０８の幾何学は、HOE１００の特性及び作用に影響する。図１の実施形態は、同様に、わずかに頂部表面１０６上でストリップ１０８は配置されていることができるが、部材が、頂部表面１０６との直接の物理的な接触で形成されているストリップ１０８であることを示す（図８参照）。
【００２１】
ストリップ１０８は、さらに、１又は０．５μｍのマイクロ電気機械システム（MEMS）処理技術を使用して、処理することができる単結晶シリコン、ポリシリコン、アモルファスシリコン、アルミナ、サファイア、シリコン亜硝酸塩、ゲルマニウム珪酸又は他の光学的透明材料から形成されてもよい。適切な作用の周波数で透明であり、容易にMEMSプロセスで処理することができ、高い屈折率を有するので、好ましい材料はポリシリコンである。ほんの少数のストリップ１０８は、極端に示されるが、典型的に、光ビーム１０４がHOE１００のある部分上の入射であることを、多数のストリップが保証する作用中を示す。さらに、ストリップ１０８は、断面図で示され、実際に図２で記載されるとして、図中で又は図から延ばされる。
【００２２】
ストリップ１０８は、幅「ｂ」を有しており、頂部表面１０６上で別々に間隔を距離「ｃ」で置かれている。格子間隔「ａ」は、これら２つの値の合計と等しい。HOE１００は、光ビーム１１６へ入射光１０４を反射し、また、幅「ａ」は、反射するためにHOE１００が最適化される光の波長に影響する。好まれる実施形態において、幅「ｂ」は、幅「ｃ」と等しい、だが、もし望まれるのであれば、幅は等しくなくてもよい。ストリップの厚さ及び幅は、反射光の強度を最大にするために調整されてもよい。さらに、内部幅変化があってもよい（（幅「ｂ」は変化する（例えば、ｂ１、ｂ２、ｂ３等)、幅「ｃ」は変化する（例えば、ｃ１、ｃ２、ｃ３等））。例えば、HOEは、異なる「ａ」値（ａ１、ａ２、ａ３等）で形成されてもよく、「ａ」は、例えば、ａ１＞ａ２＞ａ３等のように連続的に変化する。デマルチプレクシング用途で役立つように、典型的な装置は、反射信号で分散を減少するために、又は、分散の量を増加するために使用されてもよい。ストリップ１０８は、回折パターンを形成するとともに、正確な寸法の精密度は、機能する装置を生産するために必要としない。ストリップ１０８の集合の影響及び間隔は、任意の特別のストリップ１０８のサイズの不精密度を最小にすることである。HOE１００は、それにもかかわらず「ａ」間隔を有しているが、つまり、「ａ」は、HOE１００にわたって本質的に同じである。この方法で、「ａ」は、「ｂ」又は「ｃ」よりHOE１００作用でより影響がある。典型的な構造で、幅「ａ」は、約１．５μｍのオーダーにあり、つまり、入射光の波長のオーダー（サファイア基板中でＣバンドのための約０．９μｍである）である。
【００２３】
ストリップ１０８は、断面図で示され、かつ、図から伸びている。ストリップ１０８は、光１０４の伝搬の平面に鋭角で各々ある平行平面で伸びている（つまり、図の平面）。これは図２から見られる。ストリップ１０８は、好ましい実施形態において、線形であり、かつ、並列であるが、非線形のストリップが使用されてもよい。例えば、曲線のストリップは、集中させるミラーの役割をするHOEを作製するために使用されてもよい。さらに、ストリップ１０８は、図２で示されるように、ラインを二分する角度θ_pに垂直に方向を合わせられる。
【００２４】
作用において、ストリップ１０８が、頂部表面１０６で回析格子パターン又は傾けられたミラーを定義するように協同する。図示され、かつ、下述されるように、入射光１０４は、パターンに命中され、かつ、反射される。このように、HOE１００は、反射要素の役割をする。
【００２５】
基板１０２の頂部で、ともにストリップ１０８間の間隔「ｃ」は、インターフェース層１１０（空気基板インターフェース層である）を形成している。光ビーム１０４が、合計内部反射で基板１０２中で移動するので、光ビーム１０４の部分は、合計内部反射でインターフェース層１１０で回折される。すなわち、光ビーム１０４の第１部分は、空気基板インターフェース層１１０で入射され、ストリップ１０８間の間隔の反射行為によって回折される。これらの間隔が、入射光の波長のオーダーであるので、回折が平面波反射ではなくて生じる。HOE１００上に入射する光ビーム１０４の別の部分は、ストリップ１０８下の頂部表面１０６の部分上に入射される。ここで、ストリップ１０８は、基板から光エネルギーを吸収し、より低い屈折率の材料（好ましい実施形態の空気）によって、頂部表面１１２及び側面上で跳ね返させる低損失導波管共鳴装置のように作用する。したがって、基板１０２中でTIR伝搬と同様にストリップ１０８中でTIR反射がある。定常波は、ストリップ１０８で本質的に形成され、また、吸収された光は、ストリップ１０８を出射し、インターフェース層１１０によって反射される光から変化する基板１０２相を再び入れる。もしストリップ１０８は、基板１０２より高い屈折率を有しているならば、定常波はさらにより低い屈折率への推移で、より低い表面によって跳ね返されるので、効率はさらに改善される。ストリップ１０８及びインターフェース層１１０の効果は、基板１０２中で伝搬するｍ＝−１モードへ集合的に光ビーム１０４を回折することである。パス１１４がパス光ビーム１０４である間、反射信号を表わす光ビーム１１６が、ストリップ１０８によって影響されないならば、基板１０２中で移動する。破壊的妨害が出力を最小にするところで、パス１１４は、さらにHOE回析パターンのｍ＝０モードと一致してもよい。
【００２６】
図２は、反射される光ビーム１１６の伝搬を示す。伝搬パス１１６は、光ビーム１０４の伝搬の平面に角度（α又はθ_p）にある平面で移動する。したがって、伝搬パス１１６は、図１の図から伸びる平面で移動する。第２の伝搬方向で移動する反射される光ビーム１１６を有することは、HOE１００が、入射伝搬ビームの信号パスから反射信号パスを空間で分けることを可能にし、したがって、出力を切り替える方法として、HOE１００の使用を提案する。例えば、ビームがHOE１００で入射する方向でTIRで伝搬するために形成されているならば、ビームは切り替えられるが、もしビームがHOE１００で入射しない別のパスに沿って伝搬するために作製されているならば、本来の伝搬パスに沿って伝搬する。
【００２７】
HOE１００によって作製されている反射角θ_pは、ストリップ間隔「ａ」、入射角θ及び光の波長λを含んでいる多数の要因に依存する。θ_pとこれらの変数との関係を示すサンプルグラフは、図３で示される。図３は、様々な入射角θによる、ｘ−軸の角度θ_pとｙ−軸の「ａ」／λとのプロットである。図３は、HOEを有する光の相互作用の前後に入射角θが同じであり、その結果、基板でTIRが維持されると仮定される。図３に見られるように、θ＝３５°で１．５の「ａ」／λは、約１１０°のθ_pになる。同様に、θ＝４５°で１．５の「ａ」／λは、約１２５°のθになる。グラフは、さらにこの例において、パラメーターに依存して、約９０°から約１４５°までθが及ぶことができることを示す。「ａ」の範囲は一般的にパラメーターに依存して約０．５λ〜約４λまで及ぶけれども、グラフは、さらに「ａ」の典型的な範囲を示す。図３のグラフは、さらに、ちょうどｍ＝−１モードより多くのモードへ光は反射するＦ線を超える領域及ぶ禁止領域を示す。
【００２８】
図２において、HOE１００の別の明白な特徴は、合計内部反射で基板１０２中で光パス１１６が移動するということである。これは、反射信号で損失を減少することに望ましい。合計で内部に反射されるパスへの反射は、格子間隔「ａ」の調整により達成される。
【００２９】
ストリップ１０８は、基板１０２の頂部表面１０６との直接の接触に置かれることにより、基板１０２中で移動する、光ビーム１０４の部分を連結するために配置される。しかしながら、現在の開示は、図示された実施形態に限定されない。代わりに、HOEは完全に頂部表面１０６上に配置され、また、基板１０２中の移動する光に連結されてもよい。知られているように、合計内部反射で境界のインターフェースで反射される光は、境界のインターフェース上に伸びるエバネッセントフィールドを生産する。HOEは、エバネッセントフィールドに連結されてもよく、つまり、基板との直接の物理的な接触でのストリップなしで、また、基板中に移動する光にまだ影響する。屈折される合計内部反射が、この原理で作用する。そのような代案は、図１０に関して下述される。
【００３０】
ストリップの厚さは、インターフェース層１１０から回折される光と共鳴装置ストリップ１０８からの光との間の相変化を確立する。好ましい実施形態では、すべてのストリップの厚さが同一である。さらに、厚さは光パス１１６へ反射される入射光１０４の量を最大にするために選択される。グラフは、HOE効率対シリコンのストリップの厚さが示されているグラフが図４で示される。この典型的なグラフにおいて、基板がサファイアから形成され、入射ビームはTE極性化される（「ａ」＝１．５μｍ、λ＝１．５５μｍ、θ＝４５°及びφ＝６５．３°）。示されるように、非常に高い効率を生産する多数のストリップの厚さがある。効率ピークが、約１．５５μｍ、１．８４μｍ及び２．１５μｍに生じる。このグラフは、しかしながら、単に代表的であり、また、より低い厚さが使用されてもよい。例えば、ストリップ１０８の厚さが、吸収光に適切な相変化を与えるために選択されることになるので、特別の厚さの複合の倍振動は、同じ相変化を与えて、したがって、使用される。MEMSプロセスで作り上げられるポリシリコンからなるストリップの好ましい厚さは、０．５μｍ〜３μｍである。
【００３１】
HOE１００の補足利点は、ストリップの厚さが、入射光ビームの極性化状態から本質的に独立した構造が形成されることを可能にするということである。この実行特徴は、極性化依存損失として知られ、設計要求は、産業Telecordia standard GR1073によって公にされる。我々は、任意の入射的な線形の極性化状態にとって、９０％以上のHOE効率が、理論上達成可能であることがわかった。
【００３２】
ストリップ１０８を形成するために、サファイア基板１０２で、ポリシリコン又は他の材料のフィルムを配置するプロセスが使用されてもよい。二者択一で、単結晶シリコンは、エピタクシーによってサファイア基板１０２で成長させられる。いずれの場合も、頂部表面１０６で形成されるポリシリコン層又は単結晶シリコン層で、標準１μｍ又は０．５μｍのMEMSのフォトリソグラフィ技術は、フォトレジスト層で適切な格子パターンを形成するために使用され、また、営利上利用可能なマルチユーザーMEMSプロセス（MUMPs^TM）に似ている標準MEMSエッチング技術を使用して、シリコンにパターンがエッチングされる。正確にストリップの高さは、コントロールされることができるように、サファイア基板１０２は、腐食停止を提供する。
【００３３】
HOE１００及び集積基板１０２は、様々な光学機能を実行するために、様々な用途で使用される。１つは、HOE１００がデマルチプレクサーとして役割をする図５で例証される。HOEは、作用において依存する波長である。したがって、入力光ビーム１２０が密集波長分裂多重（ＤＷＤＭ）システムで多数の経路を運ぶビームのように、１以上の波長の光を含んでいるならば、異なる波長は、異なる角度でHOE１００によって回折される。この現象は、伝搬パス１２２ａ、１２２ｂ及び１２２ｃとして典型的に示される異なる成分に入力光ビーム１２０の異なる波長を分けるために使用される。異なる各伝搬パス１２２ａ−ｃが、各平面が伝搬パス１０４の平面に異なる角度である個別の平面にある。伝搬パス１２２ａ−ｃの全ては、それにもかかわらず、本質的に合計内部反射で基板１０２で好ましくは移動する。HOE１００は、例えば、異なる出力ファイバーへ様々な伝搬パス１２２ａ−ｃを連結することにより、デマルチプレクサーとして作用するために形成される。図５に示されるHOE１００は、出力ファイバーへ適切な伝搬パスのみを追い出す波長ファイバーとして使用される。したがって、集積基板及び回折光学要素（HOE１００の形状をして）は、波長に依存する異なる反射パスへ信号を反射する。
【００３４】
TIR伝搬の確立のために基板１０２へ光信号を連結する多数の方法がある。例えば、充分な方法は、入力ファイバーを突き進むこと、基板の端を突き進むこと、光ファイバーと基板との間に突き進む要素を提供すること又はこれらの組合せを含んでいる。図６は、基板へ光を連結する典型的な方法を示す。ここで、光ファイバー２０２は、屈折要素２０３によって基板１０２に連結される。光ファイバー２０２は、基板１０２の屈折率より低い屈折率を有する光学的透明材料から形成されている、屈折要素２０３へ分岐する入射光ビーム２０４を連結する。屈折要素２０３は、基板１０２でTIR伝搬のための光２０４を反射する。光ビーム２０４は、集中要素２０６（実施形態で、拡散する光ビーム２０４を平行にし、かつ、基板１０２中でTIRで移動するためにそれを反射するために、頂部表面１０６で形成されているHOEである)に影響を与える。集中要素２０６は、任意の適切なHOE構造であり、又は、上述されたHOE１００によって形成されてもよい。HOE１００のそのように集中要素２０６を形成することは、装置組立てをより容易にすることという利点を有している。集中要素２０６は、図１の部材１０８のように、部材２０８を有している。ファイバー２０２から光を連結する集中要素２０６以外で、図６の構造は図１のそれと同じである。したがって、図６は、集積基板及び回折光学要素（HOE２０６の形状をしているビームコリメーター)を使用して作製することができる、別の光学装置を示す。
【００３５】
図６は、さらに複数の回折光学要素が単一の基板で組合せられてもよく、したがって、複雑な構造を形成するために、その上に集積されてもよいことを示す。同様である又は相違する光学機能を実行する多くの回折光学要素の使用は、記載される装置及び技術を使用して、集積光学回路を生成する。特別の例において、集積要素２０６は、基板の同じ側に形成されるHOE１００に平行にされる入射光２０４を送る。２つの要素構造は、したがって、入力信号を連結される及び反射する。反射信号パス２１０（パス１１６のそのような特性を有している）は、図６で示される。記載される構造への他の修正は、例えば、反射要素と集中又は発散レンズ又はミラーとしての両方で機能する曲線のストリップから形成されているHOE１００を有しているように、存在する。複合の回折光学要素を備えることは、集積光学回路を作製する長所を有し、また、そのような集積光学回路は、より容易に製造される。反射器、ビームスプリッター、コリメーター、可変減衰器、回析格子等の集積光学回路が設計されてもよい。さらに、形成する能力、例えば、単一のフォトリソグラフィプロセスを使用する基板１０２の同じ表面でHOE１００及び集中要素２０６は、より容易な装置組立てだけを意味せず、適切な整列がフォトリソグラフィ開発プロセスを通じて作製されるとともに、既存の集積光学回路装置を悩ます整列問題も回避される。
【００３６】
図７は、２０６のような平行要素を使用しない図６に連結する代案を示す。ここで、基板２２０は、突き進む側表面２２２（入って来る信号のためのプリズムの役割をする）を有している。４５°のカットで、表面２２２が、基板２２０中でTIRのための平行にするグレード・インデックス・レンズ（GRIN）２２６から光信号を受け取る。GRINレンズ２２６は、屈折要素又は反射損失を最小にする非反射コーティング２２８の薄い層に直接連結されてもよい。
【００３７】
図８は、上述したものに代替のHOEを示す。図１は、基板との物理的な接触でHOEを示すが、図８は、基板３０２上に（つまり、物理的な接触でない）HOE３００が置かれることを示す（基板３０２によって光３０４がパスする）。光ビーム３０４は、TIRで基板３０２中で伝搬する。上述されたように、基板３０２中でTIR伝搬は、基板へ光の連結から達成されてもよい。さらに、図１で、好ましくはTIRは両方の表面３０６、３０７で生じるが、ミラーを有する基板３０２の頂部表面３０６又は基板の底部表面３０７で反射層を単に確立される必要がある。
【００３８】
HOE５００は、基板３０２の頂部表面３０６上に配置されるストリップ３０８から形成されている。ストリップ３０８は、HOE１００中のストリップ１０８のような基板３０２と協同し、ストリップ３０８が頂部表面３０６との直接の物理的な接触でない図８と差があり、しかし、むしろ、頂部表面３０６上に伸びて、TIR伝搬によって作製されるエバネッセントフィールドを通って基板３０２との接触を連結する。作用で、光ビーム３０４の第１の部分が、頂部表面３０６から回折され、また、別の部分は、ストリップ３０８へ連結され、その結果、反射パス３１０と一致するｍ＝−１オーダーモードを形成するために、ストリップ３０８からの出力が反射される第１の部分で協同される。影響されない反射パス、つまり、ｍ＝０モードは、３１２に示される。この条件は、屈折する合計内部反射と見なされてもよい。パス３１０に沿った反射ビームは、好ましい実施形態において、上述されたHOEでのように、入射ビーム３０４の伝搬の方向に及びTIRで基板中で角度α（又はθ_p）で反射するために形成される。HOE３００は、最初のステップで、サクリフィシアル層又はスペーサー層以外は、基板３０２に配置されるHOE１００のそれと同様に形成されてもよい。上述された配置及びフォトリソグラフィのステップの後に、サクリフィシアル層は、基板へのエバネッセントカップリング距離内のストリップ３０８を除去する最終プロセスステップとして遠くに溶かされる又は除外される。ストリップ３０８を支持するために、標準アンカー部分もMEMSプロセスを使用して形成される。
【００３９】
それらの明白な範囲及び想到から離れないで、発明に多くの追加の変更及び修正を行なうことができる。いくつかの変更の範囲は、上述される。他の範囲は、追加されたクレームから明白になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、実施形態にしたがうホログラフィーの光学要素の断面図である。
【図２】図２は、反射される光ビームの方向を示す図１のホログラフィー光学要素の遠近図である。
【図３】図３は、典型的なHOEのための波長毎の角度θ_p対格子間隔のグラフである。
【図４】図４は、典型的なHOEのためのHOEストリップの厚さ対HOE効率のグラフである。
【図５】図５は、様々な構成の波長に入力信号を分けるために、デマルチプレクサーとして使用される図１のホログラフィー光学要素の側面図である。
【図６】図６は、合計内部反射で、そこに移動するための基板へ光信号を連結するための典型的な構造の図である。
【図７】図７は、合計内部反射のための基板へ光を連結する代替方法の側面図である。
【図８】図８は、HOEを形成しているストリップは光学基板上に配置されている代替HOEの断面図である。

Claims (46)

1. 合計内部反射で、基板の頂部表面から反射する主要な伝搬方向において、基板中で入射光信号が伝搬する光学基板と、
   多数の別々に間隔を置かれた部材を有し、光学的透明材料から形成されており、かつ、基板の頂部表面上に配置されている回折光学要素とからなる集積光学装置であって、
   前記入射光信号は、適切な伝搬方向に沿って基板中で反射される集積光学装置。
2. 前記基板は、二酸化珪素から形成されている請求項１記載の集積光学装置。
3. 前記基板は、サファイアから形成されている請求項１記載の集積光学装置。
4. 前記部材は、本質的に平行である多数のストリップである請求項１記載の集積光学装置。
5. 前記多数のストリップは、各々本質的に同一のストリップ幅を有している請求項４記載の集積光学装置。
6. 前記多数のストリップは、各々別々に本質的に等しい隔てた距離で配置されている請求項４記載の集積光学装置。
7. 前記多数のストリップは、本質的に同一のストリップ幅を有し、かつ、各々別々に本質的に等しい隔てた距離で配置されており、
   前記隔てた距離は、ストリップ幅と本質的に同一である請求項４記載の集積光学装置。
8. 前記距離及び幅の合計は、０．５λと４λとの間にあり、
   前記λは、基板中での光信号の波長である請求項７記載の集積光学装置。
9. 前記部材の厚さは、反射光信号の強度を最大にするために調整されている請求項１記載の集積光学装置。
10. 前記部材は、アモルファスシリコン、結晶性シリコン、及び、ポリシリコンからなる群から選択される材料から形成されている請求項１記載の集積光学装置。
11. 前記部材は、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、及び、ポリシリコンとポリゲルマニウムの合金からなる群から選択される材料から形成されている請求項１記載の集積光学装置。
12. 前記部材は、基板の頂部表面との直接の接触で配置されている請求項１記載の集積光学装置。
13. 前記部材は、基板の頂部表面とのエバネッセントフィールドカップリング接触で配置されている請求項１記載の集積光学装置。
14. 前記回折光学要素は、主要な伝搬方向にある角度で適切な伝搬方向で基板中で移動する第１のオーダー回折モードを生産する請求項１記載の集積光学装置。
15. 前記第１のオーダー回折モードは、合計内部反射で基板中で移動する請求項１４記載の集積光学装置。
16. 前記入射光信号は、分岐するビームであり、
    入射光信号を受け取るために適応される平行要素をさらに備えており、
    さらに、平行要素からの入射光信号は、基板中で平行にされ、かつ、合計内部反射で基板中で移動するように、平行要素は、配置されている請求項１記載の集積光学装置。
17. 前記平行要素は、基板の頂部表面で備え付けられたホログラフィー要素を備えている請求項１６記載の集積光学装置。
18. 光ビームは、GRINレンズによって基板中へ誘導されている請求項１記載の集積光学装置。
19. 前記部材は、本質的に平行線形要素である請求項１記載の集積光学装置。
20. 前記部材は、パターンのある形状でシリコン材料を配置されることにより基板の頂部表面で形成されている請求項１記載の集積光学装置。
21. 前記部材及び基板は、同じ材料から形成されている請求項１記載の集積光学装置。
22. 前記材料は、サファイアである請求項２１記載の集積光学装置。
23. 前記部材は、基板の屈折率より高い屈折率を有している請求項１記載の集積光学装置。
24. 前記回折光学要素は、合計内部反射の方法によって作用している請求項１記載の集積光学装置。
25. 多数の入射光信号は、各々異なる波長を有し、
    前記回折光学要素は、異なる第１のオーダー回折モードへ各経路を反射し、
    そして、各反射光信号は、主要な伝搬方向へある角度で多数の第２の伝搬方向のうちの１つで基板中で各々移動し、
    各反射された経路は、合計内部反射で基板中で移動する請求項１記載の集積光学装置。
26. 前記部材は、各々、反射光信号の強度を最大にするために選択された幅を有している請求項１記載の集積光学装置。
27. 前記部材は、多数のストリップから形成されており、
    各ストリップは、幅及び関連する間隔を有し、
    幅及び間隔は、ストリップの間で変化する請求項１記載の集積光学装置。
28. 前記幅及び間隔は、連続的な方法で変化する請求項２７記載の集積光学装置。
29. 基板の頂部表面上に配置された光学的透明材料から形成されている多数の部材と、
    別々に隔てた距離を置かれ、部材幅を有する部材とからなる回折格子を備えており、
    光信号は、入射方向の伝搬で頂部表面から合計内部反射で基板中で移動し、
    回折格子上の入射は、入射方向の伝搬及び合計内部反射で基板中で伝搬することに関して、角度θ_pで定義される反射された伝搬方向で基板中で伝搬する第１の回折オーダーへ反射されるように、合計（ａ）は、間隔及び部材幅は選択される光学的透明基板を有する使用のための回折格子。
30. 前記合計（ａ）は、０．５λと４λとの間であり、
    前記λは、基板中で光信号の波長である請求項２９記載の回折格子。
31. 前記λは、０．２５μｍ（ミクロン）と１０μｍ（ミクロン）との間である請求項３０記載の回折格子。
32. 前記光信号は、角度θで回析格子上で入射され、
    臨界角を超えて、θは、法線から基板中へ伸びる基板の頂部表面へ測定され、
    前記合計（ａ）は、θ_pは９０°より大きく、１８０°より小さいように選択される請求項２９記載の回折格子。
33. 前記隔てた距離は、材料幅と本質的に同一である請求項２９記載の回折格子。
34. 前記材料は、アモルファスシリコン、結晶性シリコン及びポリシリコンからなる群から選択される材料から形成されており、
    前記基板は、サファイアから形成されている請求項２９記載の回折格子。
35. 前記部材は、基板の屈折率より高い屈折率を有している請求項２９記載の回折格子。
36. 以下のステップからなる入射光信号を追い出させる方法。
    基板の頂部表面から合計内部反射で光学基板中で入射光信号を送信すること、
    入射光信号の位置を受け取るために、基板の頂部表面上に多数の別々に間隔を置かれたストリップを配置されていること、
    入射光が、入射方向の伝搬及び合計内部反射で基板中で伝搬することに関して、ある角度で定義される反射された伝搬方向で基板中で伝搬する第１の回折オーダーへ反射されるように多数のストリップが回折格子を形成していること。
37. 多数の別々に間隔を置かれたストリップを配置するステップは、さらに以下のステップからなる請求項３６記載の方法。
    基板の頂部表面に光学用材料の薄膜を配置すること、
    薄膜上をマスクすることを適用すること、
    フォトリソグラフィックの露出プロセスで薄膜内のパターンを形成するために、ストリップに対応するパターンである薄膜及びマスクを露出すること、
    選択的に、ストリップを形成するために薄膜の部分をエッチングすること。
38. 前記光学用材料は、ポリシリコン材料である請求項３６記載の方法。
39. 頂部表面上の多数のストリップは、頂部表面との直接の接触で、ストリップを形成する請求項３６記載の方法。
40. 多数の別々に間隔を置かれたストリップを配置するステップは、さらに以下のステップからなる請求項３６記載の方法。
    基板の頂部表面で結晶性シリコンの薄膜を形成すること、
    薄膜上をマスクすることを適用すること、
    フォトリソグラフィックの露出プロセスで薄膜内のパターンを形成するために、ストリップに対応するパターンである薄膜及びマスクを露出すること、
    選択的に、ストリップを形成するために薄膜の部分をエッチングすること。
41. 頂部表面上の多数のストリップは、頂部表面との直接の接触で、ストリップを形成する請求項４０記載の方法。
42. 多数の別々に間隔を置かれたストリップを配置するステップは、さらに以下のステップからなる請求項３６記載の方法。
    基板の頂部表面にサクリフィシアル層を配置すること、
    サクリフィシアル層上に光学用材料の薄膜を配置すること、
    薄膜上をマスクすることを適用すること、
    フォトリソグラフィックの露出プロセスで薄膜内のパターンを形成するために、ストリップに対応するパターンである薄膜及びマスクを露出すること、
    選択的に、ストリップを形成するために薄膜の部分をエッチングすること、
    頂部表面上に伸びるエバネッセントフィールドカップリング領域内の基板の頂部表面上にストリップは形成されるように、サクリフィシアル層を除去すること。
43. 光学的透明材料から形成され、合計内部反射で基板中で移動する光信号を有している基板と、
    適切な伝搬方向で基板中で光信号を反射するために、基板の頂部表面上に配置されている、第１の多数の別々に間隔を置かれた部材から形成されている第１の回折光学要素と、
    第２の多数の別々に間隔を置かれた部材から形成されており、第１の回折光学要素から反射光信号を受け取るために、基板の頂部表面上に配置されており、基板中の伝搬のために、反射光信号を出射するために配置されている第２の回折光学要素とからなる集積光学装置。
44. 前記第１の回折光学要素は、平行要素である請求項４３記載の集積光学装置。
45. 前記適切な伝搬方向は、光信号の入射方向の伝搬と平行である請求項４３記載の集積光学装置。
46. 第２の回折光学要素から出力光信号は、適切な伝搬方向へ角度を有する第１のオーダー回折モードに沿って基板中で伝搬され、
    さらに、出力光信号は、合計内部反射で基板中で伝搬される請求項４３記載の集積光学装置。

Images