KR101593506B1 - 서브-파장 그레이팅-기초 광학 엘리먼트 - Google Patents

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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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Abstract

자유 공간에서 송출된 광의 굴절을 제어하기 위한 평면형, 분극 둔감성, 광학 엘리먼트가 개시된다. 일 양태에서, 광학 엘리먼트는 평면 표면을 가지는 기판, 및 평면 표면으로부터 연장하는 포스트로 이루어진 분극 둔감성, 고 콘트라스트, 서브-파장 격자를 포함한다. 격자는 적어도 하나의 구역을 가진다. 각각의 구역 내에서, 포스트의 단면 치수 및/또는 포스트의 격자 배치는 비주기적으로 변동되어 광학 엘리먼트를 통하여 송출된 광의 굴절을 제어한다.

Description

서브-파장 그레이팅-기초 광학 엘리먼트{SUB-WAVELENGTH GRATING-BASED OPTICAL ELEMENTS}
본 개시물은 서브-파장 그레이팅에 관련된다.
최근 몇 년 동안에, 마이크로스케일 및 나노스케일 광자(photonic) 디바이스 및 광자 상호접속이 고-성능- 컴퓨팅 시스템의 전통적인 와이어, 케이블, 및 도전 채널에 대한 잠재적인 고속, 저-전력 대안으로서 대두되어 왔다. 광자 디바이스는 반도체 레이저, 변조기, 및 검출기를 포함하고, 광자 상호접속은 광학 도파관 및 커플러를 포함한다. 레이저 및 변조기는 전송측 컴퓨팅 시스템에서 전자적-광학적 신호 변환을 수행하기 위하여 사용될 수 있다. 광학 신호는 광자 상호접속을 통하여 광학적-전자적 신호 변환을 수신측 컴퓨팅 시스템에서 수행하는 검출기로 전송된다. 고속이고, 저-전력인 장점들을 제공하는 것에 덧붙여서, 많은 광자 디바이스 및 상호접속이 CMOS-호환가능 기술로써 제작될 수 있으며, 낮은 비용에서의 대용량 생산 및 마이크로전자 디바이스의 패키징을 가능하게 한다.
비록 광자 기술의 많은 부분이 도파관-기초 광학 통신을 가능하게 하기 위하여 개발되어 왔지만, 자유-공간 광학 통신은 여전히 도전 과제로 남아 있다. 예를 들면, 자유-공간 광학 신호는 데이터를 적층된 광학 및 전자 디바이스 사이에서 송출하도록 사용될 수도 있다. 불행하게도, 소형화된 렌즈를 광자 디바이스와 같이 제작하고 집적하여 광학 신호의 방향 및 초점 길이를 제어하는 것은 비용이 엄청나게 높으며 시간을 많이 소모한다. 결과적으로, 컴퓨터 산업은, CMOS-호환가능 기술을 사용하여 낮은 비용에서 대용량으로 생산될 수 있는 자유-공간 광학 통신의 발전을 계속하여 모색하고 있다.
도 1a 및 도 1b 는 각각 일 예시적인 광학 엘리먼트의 등각 투상도 및 평면도를 도시한다.
도 2 는 포스트의 육각형의 격자로 구성된 서브-파장 그레이팅에 대한, 반사 및 송출 계수 및 송출된 위상의 예시적 플롯을 도시한다.
도 3a 내지 도 3d 는 서브-파장 그레이팅 2-차원의 격자 타입의 4 개의 예를 도시한다.
도 4 는 송출된 광을 원하는 송출각으로 편향시키도록 구성되는 예시적 광학 엘리먼트의 평면도를 도시한다.
도 5 는 송출된 위상이 표시되는, 도 4 에 도시된 광학 엘리먼트의 단면도를 도시한다.
도 6 은 평면 입사 파면 및 평면 송출된 파면의 스냅샷이 표시되는, 도 4 에 도시되는 광학 엘리먼트의 라인 A-A를 따르는 단면도를 도시한다.
도 7 은 구형 포커싱 렌즈로서 동작하도록 구성되는 일 예시적인 광학 엘리먼트의 평면도를 도시한다.
도 8 은 도 7 에 도시되는 광학 엘리먼트의, 광학 엘리먼트의 중심을 지나가는 라인을 따르며 송출된 위상이 표현된 단면도를 도시한다.
도 9 는 도 7 에 도시되는 광학 엘리먼트에 대한 시뮬레이션된 송출된 위상, 원하는 송출된 위상, 및 포스트 위치의 플롯을 도시한다.
도 10 은 평면 입사 파면 및 송출된 파면의 스냅샷이 표시되는, 도 7 에 도시되는 광학 엘리먼트의 단면도를 도시한다.
도 11 은 원통형 포커싱 렌즈로서 동작하도록 구성되는 일 예시적인 광학 엘리먼트의 평면도를 도시한다.
도 12 는 송출된 위상이 표시되는, 도 11 에 도시된 광학 엘리먼트의 단면도를 도시한다.
도 13a 및 도 13b 는 집적된 광학 엘리먼트를 가지는 일 예시적인 광전자(optoelectronic) 디바이스의 등각 투상도 및 단면도를 도시한다.
도 14 는 일 예시적인 제 1 회로 보드 및 일 예시적인 제 2 회로 보드의 등각 투상도를 도시한다.
도 15 는 일 예시적인 제 1 회로 보드 및 일 예시적인 제 2 회로 보드의 등각 투상도를 도시한다.
도 16a 는 일 예시적인 회로 보드의 등각 투상도를 도시한다.
도 16b 는 도 16b 에 도시되는 광전자 디바이스의 단면도를 도시한다.
도 17a 및 도 17b 는 일 예시적인 도파관 커플러의 등각 투상도 및 측면도를 도시한다.
자유 공간에서 송출된 광의 굴절을 제어하기 위한 평면형, 분극 둔감성 광학 엘리먼트가 개시된다. 광학 엘리먼트는 기판 및 기판의 평면 표면으로부터 수직으로 연장하는 포스트의 얇은 2-차원의 어레이로 구성된 서브-파장 그레이팅("SWG(sub-wavelength grating)")을 포함한다. 포스트의 격자 상수 및 단면 치수는 광이 원하는 파면 형상 및/또는 방향을 가지고 송출되도록 선택된다. SWG는 CMOS-호환가능 기술을 사용하여 제작되고 광자 디바이스와 함께 집적되어 디바이스에 의하여 생성된 광의 자유-공간 경로를 포커싱하고 디렉팅할 수 있다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 다음과 같이 조직화된다. 분극 둔감성 광학 엘리먼트의 일반적 설명이 제 1 서브섹션에서 제공되고 그 이후에 SWG 패턴의 다양한 예가 제 2 서브섹션에서 제공된다. 광학 엘리먼트의 예시적 구현형태의 개관이 제 3 서브섹션에서 제공된다.
후속하는 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서, 용어 "광"은 파장이 전자기 스펙트럼의 적외선 및 자외선 부분을 포함하는, 전자기 스펙트럼의 가시성 및 비-가시성 부분에 있는 파장을 가지는 전자기 방사를 지칭한다.
서브-파장 격자(Sub-wavelength Gratings)
도 1a 및 도 1b 는 각각 일 예시적인 광학 엘리먼트(100)의 등각 투상도 및 평면도를 도시한다. 엘리먼트(100)는 기판(106)의 평면 표면(104) 상에 배치된 디스크-형상 SWG(102)를 포함한다. 도 1b 는 SWG(102)의 구역(110)의 확대도(108) 및 구역(110)의 라인 A-A를 따른 단면도(112)를 포함한다. 뷰(108 및 112)는 SWG(102)가 표면(104)으로부터 거의 수직으로 연장하는 원통형 포스트의 2-차원의 육각형 격자로 구성된다는 것을 나타낸다. 포스트의 육각형의 격자는, Λ에 의하여 표시되며 인접한 포스트들의 임의의 쌍의 중심들 간의 거리에 대응하는, 격자 상수를 가지는 이등변 삼각형 유닛 셀(114)에 의하여 특징지어진다.
SWG(102)는 단일 원소 반도체, 예컨대 실리콘("Si") 및 게르마늄("Ge"), 또는 화합물 반도체, 예컨대 III-V 화합물 반도체로 구성될 수 있는데, 여기에서 로마 숫자 III 및 V는 주기율표의 IIIa 및 Va 족 원소를 나타낸다. III-V 화합물 반도체는 Va 족 원소, 예컨대 질소("N"), 인("P"), 비소("As"), 및 안티몬("Sb")과 조합된 IIIa 족 원소, 예컨대 알루미늄("Al"), 갈륨("Ga"), 및 인듐("In")으로 구성될 수 있다. III-V 화합물 반도체는 또한 III 및 V 족 원소의 상대적인 양에 따라서 더욱 분류될 수 있다. 예를 들어, 이원 반도체 화합물은 실험식 GaAs, InP, InAs, 및 GaP를 가지는 반도체를 포함하고; 삼원 화합물 반도체는 실험식 GaAs y P1- y , 을 가지는 반도체를 포함하며, 여기에서 y는 0 초과 1 미만의 범위를 가지고; 그리고 사원 화합물 반도체는 실험식 In x Ga1- x As y P1- y 를 가지는 반도체를 포함하는데, 여기에서 x 및 y 모두는 독립적으로 0 초과 1 미만의 범위를 가진다. 적합한 화합물 반도체의 다른 타입은 II-VI 물질을 포함하는데, 여기에서 II 및 VI는 주기율표의 IIb 및 VIa 족의 원소를 나타낸다. 예를 들어, CdSe, ZnSe, ZnS, 및 ZnO는 예시적인 이원 II-VI 화합물 반도체의 실험식이다.
기판(104)은 SWG(102)보다 상대적으로 더 낮은 굴절률을 가지는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기판(106)은 석영, 실리콘 이산화물("SiO2"), 알루미늄 산화물("Al3O2"), 또는 폴리머로 구성될 수 있다.
광학 엘리먼트는 콤팩트하며 마이크로전자 디바이스를 제작하는 데에 사용되는 것과 동일한 많은 CMOS-호환가능한 기법을 가지고 제작될 수 있다. 예를 들어, 광학 엘리먼트는 반도체 계층을 기판의 평면 표면 상에 웨이퍼 본딩 또는 화학적 또는 물리적 기상 증착을 사용하여 증착시킴으로써 제작될 수 있다. SWG를 포함하는 포스트는 포토리소그래피, 나노임프린트 리소그래프(nanoimprint lithograph), 반응성-이온 에칭, 또는 롤-투-롤 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다.
SWG(102)는, SWG(102)를 포함하는 물질의 굴절률과 기판(106)의 굴절률 사이의 상대적으로 높은 콘트라스트 때문에 고-콘트라스트 SWG인데, 이것은 기판(106)의 일부가 단면도(112)에 도시된 바와 같이 포스트들 사이에서 노출되도록 포스트를 형성함으로써 생성될 수 있다. 예를 들어, 원소 반도체(elemental semiconductor) 및 SWG(102)를 형성하기 위하여 사용될 수 있는 많은 III-V 화합물 반도체는 파장 632.8nm의 광과 상호작용할 때 약 3.5보다 큰 유효 굴절률을 가진다. 대조적으로, 기판(106)을 형성하기 위하여 사용되는 석영, SiO2, 및 폴리아크릴레이트는 동일한 파장 632.8nm의 광과 상호작용할 때 약 1.55보다 더 적은 유효 굴절률을 가진다.
SWG(102)의 격자 상수 Λ는 광학 엘리먼트(100)가 원치 않는 방식으로 광을 기판 내로 산란시키지 않도록 선택된다. 원치 않는 확산은 격자 상수를 다음:
Figure 112013101856841-pct00001
에 의하여 주어진 비-산란 한계에 기초하여 선택함으로써 방지될 수 있는데, 여기에서 n s 는 기판(106)의 굴절률이다. 격자 상수를 비-산란 한계에 기초하여 선택하는 것에 추가하여, 엘리먼트(100)는, Λ에 의하여 분리된 두 개의 포스트 사이의 원하는 위상 차분이 π보다 더 적음으로써, 원하는 출력 위상이 충분히 높은 공간적 밀도에서 격자에 의하여 결정되게 하도록 구성될 수 있다. 엘리먼트(100)는 또한 다음 제한 조건:
에 의하여 부과되는 특정 개구수("NA(numerical aperture)")를 가지고 구성될 수 있다.
Figure 112013101856841-pct00002
SWG(102)는 또한 "비-주기적" SWG이다. 다르게 말하면, SWG(102)를 포함하는 포스트의 직경은 변경된다. 예를 들어, 도 1b 에 도시된 바와 같이, 이웃하는 포스트(116 내지 118)는 상이한 포스트 직경 d 1, d 2, 및 d 3를 가지는데, 여기에서
Figure 112013101856841-pct00003
이다. SWG(102)는 또한 "서브-파장 그레이팅"이라고 지칭되는데, 이것은 포스트 직경 d 및 격자 상수 Λ가 SWG(102)가 상호작용하도록 구성된 대상인 광의 파장 λ보다 더 적기 때문이다.
파장 λ인 SWG(102)의 공명(resonance)은 SWG(102)의 듀티 사이클 및 두께에 의하여 결정된다. 원형 단면을 가지는 포스트가 있는 SWG에 대한 듀티 사이클은 다음에 의하여 주어지고:
Figure 112013101856841-pct00004
그리고 SWG(102)의 두께 t는 듀티 사이클이 변동될 때 큰 위상 천이를 허용하도록 선택될 수 있으며:
Figure 112013101856841-pct00005
이고 n SWG 는 파장 λ에서의 SWG(102)의 유효 굴절률이다. SWG(102)의 어떤 구역 상에서의 듀티 사이클 δ는, SWG(102)가 파장 λ와 근사적으로 "비-공진(off-resonance)"임으로써, 결과적으로 대부분의 광이 높은 투과율로 해당 구역을 통과하여 송출되게 초래하도록 선택될 수 있다. 대안적으로는, SWG(102)의 다른 구역 상에서의 듀티 사이클은, SWG(102)가 파장 λ와 근사적으로 "유-공진(on-resonance)"임으로써, 결과적으로 대부분의 광이 높은 반사율로 이러한 다른 구역을 통과하여 반사되게 초래하도록 선택될 수 있다.
도 2 는 산화물 매트릭스 내의 Si 포스트의 육각형의 격자로 구성된 SWG에 대한 시뮬레이션 결과에 기초하여, 반사 및 송출 계수 및 송출된 위상의 예시적 플롯을 도시한다. 일점 쇄선 곡선(202)은, 수직으로 입사하며 파장 650nm인 광에 대한 반사 계수의 제곱한 놈(squared norm) |R|2을 나타내고, 실선 곡선(204)은 송출 계수의 제곱한 놈 |T|2을 나타내며, 그리고 쇄선 곡선(206)은 송출된 위상 arg(T/2π)을 나타낸다. 곡선(202, 204, 및 206)은 "A flexible 자유-software package for electromagnetic simulations by FDTD method", A. F. Oskooi 등의, Computer Physics Communications, 181, 687-702 (2010)에 설명된 개방된 소스 유한-차분 시간-차분 소프트웨어 MEEP를 사용하여 생성되었다. 곡선(202, 204, 및 206)은 약 130nm의 고정된 두께, 약 475nm의 고정된 격자 상수를 가지는 포스트에 대하여 결정되었는데, 반면에 듀티 사이클은 수평 축(208)에 의하여 표현된 바와 같이 0%로부터 100% 까지 변경되었다. 곡선(202 및 204)은 광의 반사 및 송출이 비-공진 인터벌(210 및 212) 동안 듀티 사이클에서의 변동에 따라 부드럽게 변동한다는 것을 드러낸다. 비-공진 인터벌(210 및 212)의 일부는 입사 광의 큰 부분이 0%로부터 약 30%까지의 범위 내의 그리고 약 35%로부터 약 68%까지의 범위 내의 듀티 사이클에 대하여 SWG를 통하여 송출된다는 것을 표시한다. 반면에, 유-공진 인터벌(214 및 216)은, 더 좁은 듀티 사이클 범위에 대하여 송출에서의 갑작스런 감소 및 광의 반사에서의 증가를 드러낸다. 특히, 송출 계수는 약 31%로부터 약 33%까지의 좁은 범위 및 약 74%로부터 약 85%까지의 범위 내의 듀티 사이클에 대하여 약 0.4보다 더 적고, 가장 큰 공진 또는 반사는 약 32%(218) 및 약 80%(220)에서의 듀티 사이클에 대하여 발생한다. 비-공진 인터벌(210)에 걸친 송출된 위상은 약 25% 아래의 듀티 사이클 동안에 평평하게 유지하지만, 듀티 사이클이 30%에 접근하면서 첨예하게 증가한다. 유-공진 인터벌(214)에서, 송출된 위상은 약 30% 및 32% 사이에서 감소한다. 약 32% 및 약 80% 사이에서, 송출된 위상(206)은 송출된 위상의 큰 범위에 걸쳐 부드럽게 변동한다.
도 2 에 도시되는 반사 및 송출 계수 및 송출된 위상에 의하여 표현되는 데이터는 원하는 광학 성질, 예컨대 원하는 편향 및/또는 포커싱 성질을 가지는 광학 엘리먼트의 SWG를 설계하기 위하여 사용될 수 있다. 특히, 더 큰 포스트 사이즈 및 더 긴 광이 포스트 내에 트랩된 상태로 유지된다. 결과적으로, 더 큰 치수를 가지는 포스트가 있는 SWG의 구역을 통해서 송출된 광에 의하여, 더 작은 치수를 가지는 포스트가 있는 동일한 SWG의 다른 구역보다 더 큰 송출된 위상이 획득된다. 원하는 광학 성질을 가지는 SWG는 격자 상수를 고정된 상태로 유지하면서 포스트의 치수를 변경시킴으로써(예를 들어, δ(x,y)=d(x,y)/Λ), 포스트의 치수를 고정된 상태로 유지하면서 격자 상수를 변경시킴으로써(예를 들어, δ(x,y)=d/Λ(x,y)), 또는 격자 상수 및 포스트의 치수를 변경시킴으로써(예를 들어, δ(x,y)=d(x,y)/Λ(x,y)) 획득될 수 있는데, 여기에서 (x,y)는 SWG의 xy-평면에서의 좌표이다.
광학 엘리먼트의 SWG는 또한, SWG의 디자인에서의 균일한 스케일의 변환에 관련되는 맥스웰 방정식의 속성을 적용함으로써, 광의 특정 파장 λ 와 상호작용하도록 설계될 수 있다. 특히, 듀티 사이클 δ(x,y), 두께 t, 및 격자 상수 Λ(x,y)를 가지며 자유-공간 파장 λ 0에서 콤플렉스 송출 계수 T0 및 반사 계수 R0를 생성하는 제 1 SWG를 고려한다. 제 2 SWG는 듀티 사이클 αδ(x,y), 두께 αt, 및 격자 상수 αΛ(x,y)를 가지는 제 2 SWG를 제작함으로써 제 1 SWG와 거의 동일한 광학 성질을 가지지만 파장 λ 0에 대해서 획득될 수 있는데, 여기에서 α=λ/λ 0 는 스케일 인자이며 제공된 αΛ(x,y) 는 비-산란 한계 및 개구수 제한 조건을 만족한다. 예를 들어, 제 2 SWG는 송출 계수 T(λ)= T 0 (λ/α)= T 0 (λ 0 ) 및 반사 계수 R(λ)= R 0 (λ/α)= R 0 (λ 0 )를 가진다.
SWG는 도 1b 에 도시된 바와 같은, 포스트의 육각형의 격자로 한정되지 않는다. 대안적으로는, SWG의 격자는 정방형, 사각형, 마름모, 또는 평행사변형일 수 있다. 도 3a 는 포스트의 정방형 격자가 정방형 유닛 셀(302)에 의하여 표현되는, SWG의 한 구역의 예시적인 확대 평면도를 도시한다. 도 3b 는 포스트의 사각형 격자가 사각형 유닛 셀(304)에 의하여 표현되는, SWG의 한 구역의 예시적인 확대 평면도를 도시한다. 도 3c 는 포스트의 마름모 격자가 이등변 삼각형 유닛 셀(306)에 의하여 표현되는, SWG의 한 구역의 예시적인 확대 평면도를 도시한다. 마지막으로, 도 3d 는 포스트의 평행사변형 격자가 평행사변형 유닛 셀(308)에 의하여 표현되는, SWG의 한 구역의 예시적인 확대 평면도를 도시한다. SWG는 또한 적어도 두 개의 상이한 격자 타입으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, SWG의 어떤 구역 내의 포스트는 정방형 격자 배치를 가질 수 있으며 동일한 SWG의 다른 구역 내의 포스트는 사각형 격자 배치를 가질 수 있다.
SWG(102)의 포스트는 또한, 도 1 및 도 3 에 도시된 바와 같이 원형 단면을 가지는 것으로 한정되지 않는다. 대안적으로는, SWG의 포스트는 정방형, 삼각형, 사각형, 타원형, 또는 비정규형-형상 단면 형상을 가질 수 있다.
Figure 112013101856841-pct00006
서브-파장 격자의 예
이 서브섹션에서는, 광학 엘리먼트의 분극 둔감성 SWG 포스트 패턴이 설명된다. 이하 설명되는 예시적인 SWG 포스트 패턴의 각각은 고정된 격자 상수에 기초하지만, 반면에 포스트의 치수는 변동되어 광학 엘리먼트를 통하여 송출된 광에 상이한 광학 효과를 생성한다. 그러나, SWG 포스트 패턴은 이러한 3 개의 예로 한정되는 것이 의도되는 것이 아니다. 앞선 섹션에서 설명된 바와 같이, SWG를 통하여 송출된 광의 송출된 동위상면(phase front) 또는 파면은 포스트의 사이즈 및 격자 상수에 의하여 제어된다. 다르게 말하면, 포스트 사이즈 및/또는 격자 상수는 송출된 광에 원하는 송출된 동위상면 및 대응하는 파면을 획득하도록 선택될 수 있다.
송출된 광을 송출의 원하는 각도를 가지고 편향시키도록 구성되는 광학 엘리먼트의 제 1 SWG를 고려한다. 도 4 는 송출된 광을 약 15 도의 송출각으로 편향시키도록 구성되는 예시적 광학 엘리먼트(400)의 평면도를 도시한다. 엘리먼트(400)는 기판(402) 및 음영 원(404)으로 표시된 원통형 포스트의 2-차원의 육각형의 격자로 구성된 SWG를 포함한다. SWG를 포함하는 포스트는 기판(402)의 평면 표면으로부터 수직으로 연장하고, 포스트의 직경은 변동되어 4 개의 별개의 구역(406 내지 409)을 형성한다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 각각의 구역에서 포스트 직경은 y-방향에서 체계적으로 증가하는데, 반면에 x-방향에서는, 포스트의 직경은 일정하다. y-방향에서의 포스트 직경의 체계적인 증가의 패턴은 각각의 영역에 대하여 반복된다. 격자 상수 Λ를 고정된 상태로 유지하면서 포스트의 직경이 y-방향에서 체계적으로 증가하는 것은, 또한 y-방향에서의 듀티 사이클에서의 증가에 대응한다.
도 4 는 또한 y-방향에서 연장하는 선분 B-B의 일부를 따라 위치된 포스트의 확대된 yz-평면 단면도를 도시한다. 포스트는 고정된 격자 상수 Λ에 의하여 y-방향에서 거의 균등하게 이격된다. 각각의 구역 내의 포스트의 직경은 y-방향에서 증가한다. 구역(408)에서, 포스트(411 내지 415)의 직경은 y-방향에서 증가하는데, 여기서 최소 직경을 가지는 포스트(412)는 구역(407) 내의 라인 B-B에 따라 최대 직경을 가지는 포스트(417)에 인접하게 위치되며, 포스트(415)는 최대 직경을 가진다. 확대도는 포스트 직경에서의 체계적 증가가 구역(409)에서 반복된다는 것을 드러낸다.
도 5 는 도 4 에 도시되는 광학 엘리먼트(400)의 라인 B-B를 따른 단면도를 도시하는데, 여기에서 구역(406 내지 409)의 각각과 연관된 송출된 위상은 각각 선분(501 내지 504_에 의하여 표현된다. 각각의 구역 내의 듀티 사이클은 구역(406 내지 409) 각각이 거의 동일한 선형으로 변동하는 송출된 위상을 송출된 전자기 파에 인가하도록 선택된다. 특히, 송출된 위상(501 내지 504)은 구역(406 내지 409)을 통하여 송출된 전자기 파에 인가된 송출된 위상의 크기가 구역(406 내지 409)의 서브-구역에 걸쳐 듀티 사이클에 비례한다는 것을 드러낸다. 어떤 구역의 서브-구역 내의 듀티 사이클이 더 클수록, 더 큰 송출된 위상이 그 서브-구역을 통하여 송출된 전자기 파에 의하여 획득된다. 예를 들어, 도 4 에 도시된 바와 같이, 구역(408) 내의 듀티 사이클은 y-방향으로 증가한다. 도 5 로 복귀하면, 송출된 위상(503)은 y-방향으로 양의 기울기를 가진다. 송출된 위상(503)은 서브-구역(506)을 통하여 송출된 전자기 파가 상이한 서브-구역(508)을 통하여 송출된 송출된 파장의 전자기 파에 의하여 획득된 송출된 위상보다 더 작은 송출된 위상을 획득한다는 것을 표시한다.
도 6 은 평면 입사 파면(602) 및 평면 송출된 파면(604)의 스냅샷이 표시되는, 광학 엘리먼트(400)의 라인 B-B를 따르는 단면도를 도시한다. 입사 및 송출된 파면의 마루 및 골은 각각 실선 및 쇄선에 의하여 표현된다. 입사 파면(602)은 엘리먼트(400)의 SWG에 수직하게 디렉팅되는 파벡터(606)에 의하여 표시된 바와 같이 수직 입사각으로 광학 엘리먼트(400)에 충격하고, 15도의 송출각을 가지고 송출된 파면(604)으로서 출력된다. 점선(608 내지 610)은 각각의 세그먼트가 SWG의 4 개의 상이한 구역(406 내지 409) 중 하나를 통하여 송출되는, 입사 파면(602)의 4 개의 상이한 세그먼트(611 내지 614)를 구별한다. 입사 파면의 각각의 세그먼트는 도 5 에 도시된 송출된 위상(501 내지 504)에 의하여 표현되는 송출된 위상을 획득한다. 결과적으로, 입사 파면의 각각의 세그먼트는 거의 동일한 15 도의 송출각을 가지고 SWG의 구역으로부터 출력된다. 점선(616 내지 618)은 각각의 세그먼트가 SWG의 4 개의 상이한 구역(406 내지 409) 중 하나를 통하여 출력되는, 송출된 파면(604)의 4 개의 상이한 세그먼트(621 내지 624)를 구별한다. 송출된 파면(604)의 세그먼트는 인접한 세그먼트의 마루 및 골이 근사적으로 정렬되어 통합되고 송출된 파면(604)의 마루 및 골을 형성하도록 발생한다. 예를 들어, 마루(626 내지 629)는 입사 파면(602)의 단일 마루로부터 유래했지만 SWG로부터는 송출된 파면(604)의 단일 마루를 형성하도록 통합되지 않는 것으로 나타난다. 대신, 각각의 마루는 2π 라디안의 송출 위상 차분에 의하여 분리된 인접한 세그먼트의 적어도 하나의 마루와 함께 통합된다. 예를 들어, 마루(630)가 마루(627)보다 2π 라디안 앞서서 엘리먼트(400)에 도달한다고 해도, 마루(630)는 그 구역으로부터 15° 송출각을 가지고 통합된다. 마루(630)가 구역(406)으로부터 나타나는 것을 종결할 때, 마루(627)는 역시 15° 송출각을 가지고 구역(407)으로부터 나타나기 시작하며 마루(630)와 통합되어 단일 마루를 형성하는데, 이것은 구역(408)으로부터 마루(627)에 2π 라디안 뒤에 나타나는 마루와 통합됨으로써 길이가 길어진다.
SWG의 듀티 사이클도 역시 광학 엘리먼트가 구형 포커싱 렌즈로서 동작될 수 있도록 패터닝될 수 있다. 도 7 은 구형 포커싱 렌즈로서 동작하도록 구성되는 일 예시적인 광학 엘리먼트(700)의 평면도를 도시한다. 엘리먼트(700)는 평면 표면을 가지는 기판(702) 및 음영 원(704)으로 표시된 원통형 포스트의 2-차원의 육각형의 격자로 구성된 SWG를 포함한다. 포스트는, 기판(702)의 표면으로부터 수직으로 연장하는 SWG를 포함하며, 포스트의 직경은 변경되어 실질적으로 원(708) 내에 놓인 포스트의 원형-형상의 중앙 구역(705) 및 포스트의 두 개의 공심 환형 구역(706 및 707)을 형성하는데, 여기에서 이들 중 첫 번째는 원(708) 및 더 큰 반경 원(709) 사이에 놓인 포스트들로 구성되고 이들 중 두 번째는 원(709) 외부에 놓인 포스트로 구성된다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 각각의 구역 내에서 듀티 사이클은 SWG의 중심으로부터 멀어질수록 체계적으로 감소하며, SWG의 중심으로부터 멀어질 때의 듀티 사이클에서의 감소는 각각의 구역에 대하여 반복된다.
도 7 은 또한 선분(710)을 따라 위치된 포스트의 확대된 yz-평면 단면도를 도시한다. 포스트는 고정된 격자 상수 Λ에 의하여 y-방향에서 이격된다. 각각의 구역 내의 포스트의 직경은 SWG의 중심으로부터 멀어질수록 y-방향에서 감소한다. 중앙 구역에서는, 포스트(711 내지 715)의 직경은 y-방향에서 감소하는데, SWG의 중심에 가까이 위치된 포스트(711)는 최대 직경을 가지고 중심으로부터 가장 멀리 위치된 포스트(715)는 최소 직경을 가진다. 확대된 뷰는 또한 제 1 및 제 2 환형 구역 내의 포스트 직경에서의 체계적 감소를 보여준다. 예를 들어, 제 1 환형 구역(706)에서는, 포스트(716 내지 718)의 직경은 y-방향에서 감소하는데, SWG의 중심에 최근접하게 위치된 포스트(716)는 최대 직경을 가지고 SWG의 중심으로부터 가장 멀리 위치된 포스트(718)는 최소 직경을 가진다. SWG의 중심으로부터 멀어질수록 발생하는 체계적 포스트 직경 감소의 패턴은 제 2 환형 구역(707)에 대해서 반복된다.
도 8 은 xy-평면 내에 놓이며 SWG의 중심을 관통하는 임의의 라인을 따른 광학 엘리먼트(700)의 단면도를 도시한다. 원형 구역(705)과 연관된 송출된 위상은 포물선 곡선(801)에 의하여 표현되고, 제 1 환형 구역(706)과 연관된 송출된 위상은 곡선(802 및 803)에 의하여 표현되며, 제 2 환형 구역(707)과 연관된 송출된 위상은 곡선(804 및 805)에 의하여 표현된다. 각각의 구역 내의 듀티 사이클은 도 7 을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 변동되어, 구역(705 내지 707)이 곡선(801 내지 805)에 의하여 표현된 송출된 위상을 인가하도록 한다. 광학 엘리먼트(400)와 유사하게, 송출된 위상(801 내지 805)은 구역(705 내지 707)을 통하여 송출된 전자기 파에 인가된 송출된 위상의 크기가 구역(705 내지 707)의 서브-구역에 걸쳐 듀티 사이클에 비례한다는 것을 드러낸다. 어떤 서브-구역과 연관된 듀티 사이클이 더 클수록, 더 큰 송출된 위상이 그 서브-구역을 통하여 송출된 전자기 파에 의하여 획득된다. 예를 들어, 도 7 에 도시된 바와 같이, 중앙 구역(705) 내의 듀티 사이클은 SWG의 중심으로부터 멀어질수록 감소한다. 도 8 로 복귀하면, 송출된 위상(801)은 서브-구역(806)을 통하여 송출된 전자기 파에 의하여 획득된 송출된 위상이 서브-구역(807)을 통하여 송출된 전자기 파에 의하여 획득된 송출된 위상보다 더 크다는 것을 표시한다.
도 9 는 광학 엘리먼트(700)에 대한 시뮬레이션된 송출된 위상(902), 원하는 송출된 위상(904), 및 포스트 위치(906)의 플롯을 도시한다. 시뮬레이션된 송출된 위상(902) 데이터는 개방된 원에 의하여 표현되고 산화물 매트릭스 내의 Si 포스트로 구성된 SWG에 대한 개방된 소스 FTDT 소프트웨어 MEEP를 사용하여 획득되었다. SWG는 약 10μm의 직경을 가진다. 시뮬레이션된 송출된 위상(902)은, 광학 엘리먼트(700)의 SWG가 약 ±2.5μm에서 그리고 약 -3.4μm 및 -4μm 사이 그리고 약 3.4μm 및 4μm 사이의 인터벌에서 몇 개의 예외들과 함께 원하는 송출된 위상(904)과 근접하게 매칭되는 송출된 위상을 생성할 것이라는 것을 표시하는데, 여기에서 시뮬레이션된 위상(902)은 광학 엘리먼트(700)가 원하는 것보다 더 큰 송출된 위상을 인가할 수도 있다는 것을 표시한다.
도 10 은 평면 입사 파면(1002) 및 평면 송출된 파면(1004)의 스냅샷이 표시되는, 광학 엘리먼트(700)의 단면도를 도시한다. 입사 파면(1002)은 엘리먼트(700)의 SWG에 수직하게 디렉팅되는 파벡터(1006)에 의하여 표시된 바와 같이 수직 입사각으로 광학 엘리먼트(700)에 충격하고, 수렴(convergent) 송출된 파면(604)으로서 출력된다. 점선(1008 내지 610)은 각각의 세그먼트가 SWG의 상이한 구역(705 내지 707)의 서브-구역들 중 하나를 통하여 송출되는, 입사 파면(1002)의 5 개의 상이한 세그먼트(1012 내지 1016)를 구별한다. 입사 파면(1002)의 각각의 세그먼트는 도 8 에 도시된 송출된 위상(801 내지 805)에 의하여 표현되는 송출된 위상을 획득한다. 결과적으로, 입사 파면의 각각의 세그먼트는 만곡형 송출된 파면을 가지고 SWG의 구역으로부터 출력된다. 점선(1018 내지 1021)은 각각의 세그먼트가 SWG의 4 개의 상이한 구역(705 내지 708) 중 하나를 통하여 출력되는, 송출된 파면(1004)의 만곡형 세그먼트들을 구별한다. 송출된 파면의 세그먼트는 인접한 송출된 파면 세그먼트의 만곡형 마루 및 골이 근사적으로 정렬되어 통합되고 송출된 파면(1004)의 원형-형상의 마루 및 골을 형성하도록 발생한다. 각각의 마루는 2π 라디안의 송출 위상 차분에 의하여 분리된 인접한 세그먼트의 적어도 하나의 마루와 함께 통합된다. 예를 들어, 마루(1024 및 1025)는 엘리먼트(700)에 마루(1026 및 1027)보다 2π 라디안 앞서서 도달하는 동일한 입사 마루의 세그먼트로부터 유래되었다. 마루(1024 및 1025)는 마루(1026 및 1027)와 통합되는데, 이것은 마루(1024 및 1025)가 구역(708)으로부터 대두되는 것을 종결할 때 마루(1026 및 1027)가 구역(707)으로부터 대두하기 시작하기 때문이며, 이것은 마루(1026 및 1027)보다 2π 라디안 뒤에 송출된 입사 파면(1002)의 마루로부터 유리되었던 만곡형 마루(1028)와 통합함으로써 송출된 파면(1004)의 반원형 마루로 커진다. 구역(705 내지 707)의 듀티 사이클은 송출된 파면(1004)이 초점 길이 f를 가지고 초점(1030) 상에 수렴하도록 선택된다.
포스트의 듀티 사이클도 역시 광학 엘리먼트가 원통형 포커싱 렌즈로서 동작될 수 있도록 패터닝될 수 있다. 도 11 은 원통형 포커싱 렌즈로서 동작하도록 구성되는 일 예시적인 광학 엘리먼트(1100)의 평면도를 도시한다. 엘리먼트(1100)는 평면 표면을 가지는 기판(1102) 및 음영 원(1104)으로 표시된 원통형 포스트의 2-차원의 육각형의 격자로 구성된 SWG를 포함한다. SWG를 포함하는 포스트는 기판(1102)의 평면형 표면에 대해 수직으로 연장하고, 포스트의 직경은 변동되어 5 개의 별개의 구역(1106 내지 1110)을 형성한다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 각각의 구역에서 포스트의 직경은 중앙 라인(1112)으로부터 멀어질수록 감소하는데, 포스트 단면 면적에서의 체계적 감소는 각각의 구역에 대해 반복되고, 반면에 x-방향에서는 포스트의 단면 면적이 일정하다.
도 12 는 도 11 에 도시되는 라인 C-C에 따른 광학 엘리먼트(1100)의 단면도를 도시한다. 구역(1108)에 걸쳐 y-방향에서의 송출된 위상은 포물선 곡선(1201)에 의하여 표현되고, 구역(1106, 1107, 1109, 및 1110)과 연관된 송출된 위상은 각각 곡선(1202 내지 1205)에 의하여 표현된다. 송출된 위상은 x-방향에서 실질적으로 일정하다. 다르게 말하면, 광학 엘리먼트(1100)의 SWG는 yz-평면에서, 광학 엘리먼트(700)가 엘리먼트(700)의 중심을 통과하여 지나는 임의의 평면에 걸쳐 생성하며 엘리먼트(700)의 SWG에 수직으로 지향되는 것과 거의 동일한 송출된 프로파일을 생성한다.
광학 엘리먼트(1100)는 위에서 도 10 을 참조하여 설명된 광학 엘리먼트(700)와 거의 동일한 방식으로 송출된 광을 yz-평면 내에 포커싱한다.
광학 엘리먼트의 예시적인 구현형태
위에서 설명된 광학 엘리먼트는 광전자 디바이스 내에 통합되어 광자 디바이스로부터의 광 출력을 디렉팅하고 포커싱할 수도 있다. 도 13a 는 회로 보드(1304)에 연결된 일 예시적인 광전자 디바이스(1302)의 등각 투상도를 도시한다. 디바이스(1302)는 그의 SWG(1306)가 도시된 광학 엘리먼트를 포함한다. 광학 엘리먼트는 디바이스(1302)의 상단 표면 내에 임베딩된다. 도 13b 는 도 13a 에 도시되는 라인 D-D에 따른 광전자 디바이스(1302)의 단면도를 도시한다. 도 13b 는 광전자 디바이스(1302)가 광학 엘리먼트의 SWG(1306) 아래에 위치되고 갭(1310)에 의하여 분리된 광원(1308)을 포함한다는 것을 드러낸다. 광원(1308)은 수직-캐비티 표면 방출 레이저("VCSEL(vertical-cavity surface emitting laser)") 일 수 있으며, 변조기를 포함할 수도 있다. VCSEL은 직접적으로 변조될 수 있거나, 변조기는 VCSEL로부터의 광 출력을 변조하여 SWG(1306)를 통하여 송출된 광학 신호를 생성하도록 사용될 수 있다.
제 1 광전자 디바이스와 집적된 SWG는 광학 신호를 자유-공간에서, 제 1 회로 보드 상부에 위치된 제 2 회로 보드에 연결된 제 2 광전자 디바이스와 집적된 포토다이오드로 디렉팅하도록 구성될 수 있다. 도 14 는 일 예시적인 제 1 회로 보드(1402) 및 일 예시적인 제 2 회로 보드(1404)의 등각 투상도를 도시한다. 광전자 송출기 디바이스(1406)는 제 1 회로 보드(1402)에 전자적으로 접속되고 광전자 수신기 디바이스(1408)는 제 2 회로 보드(1404)에 전자적으로 접속된다. 송출기 디바이스(1406)는 광학 엘리먼트(1410)를 포함하고 전자 신호를 보드(1402)에 전자적으로 접속된 프로세서, 메모리, 센서 또는 다른 전자 디바이스(1412 내지 1414)로부터 수신한다. 대안적으로는, 송출기 디바이스(1406)는 단일 디바이스 내에 채널 소스와 집적된 멀티코어 프로세서, 메모리, 또는 센서일 수 있다. 송출기 디바이스(1406)는 전자 신호를 광학 엘리먼트(1410)의 SWG를 통해서 송출되는 광학 신호(1416)로 변환한다. 도 14 의 예에 도시된 바와 같이, 광학 엘리먼트(1410)의 SWG는 포커싱 구형 렌즈, 예컨대 광학 엘리먼트(700)로서 동작하여 광학 신호를 광학 엘리먼트(1410) 상부에 위치된 광검출기(1418) 상에 포커싱하도록 구성된다. 광검출기(1418)는 디바이스(1408)와 통합되고 광학 신호를 디바이스(1408)에 의하여 처리될 수 있거나 디바이스(1408)에 의하여 회로 보드(1404)에 접속된 다른 전자 디바이스로 전송될 수 있는 전자 신호로 변환한다.
도 15 는 일 예시적인 제 1 회로 보드(1502) 및 일 예시적인 제 2 회로 보드(1504)의 등각 투상도를 도시한다. 회로 보드(1502)는 두 개의 광전자 송출기 디바이스(1506 및 1507) 및 광전자 수신기 디바이스(1508)를 포함하고, 회로 보드(1504)는 광전자 수신기 디바이스(1510) 및 회로 보드(1502)를 향하여 대향되도록 포지셔닝된 미러(1512)를 포함한다. 송출기 디바이스(1506 및 1507)는 광학 엘리먼트(1514 및 1516)를 각각 포함하고, 수신기 디바이스(1508 및 1510)는 광검출기(1518 및 1520)를 포함한다. 송출기 디바이스(1506)는 전자 신호를 광학 엘리먼트(1514)의 SWG를 통해서 송출되는 광학 신호(1522)로 변환한다. 도 15 의 예에 도시된 바와 같이, 광학 엘리먼트(1514)의 SWG는 광학 엘리먼트(400)와 동일한 방식으로 동작하도록 구성되어 광학 신호를 광검출기(1518) 상으로 디렉팅하는데, 이것은 광학 신호를 디바이스(1510)에 의하여 처리될 수 있거나 디바이스(1510)에 의하여 회로 보드(1504)에 접속된 다른 전자 디바이스로 전송될 수 있는 전자 신호로 변환한다. 송출기 디바이스(1507)도 전자 신호를 광학 엘리먼트(1514)의 SWG를 통해서 송출되는 광학 신호(1524)로 변환한다. 광학 엘리먼트(1516)의 SWG도 또한 광학 엘리먼트(400)와 동일한 방식으로 동작하도록 구성되어 광학 신호를 미러(1512)로부터 그리고 디바이스(1508)의 광검출기(1520) 상으로 반사되도록 디렉팅한다. 광검출기(1418)는 광학 신호를 디바이스(1508)에 의하여 처리될 수 있거나 디바이스(1508)에 의하여 회로 보드(1502)에 접속된 다른 전자 디바이스로 전송될 수 있는 전자 신호로 변환한다. 다르게 말하면, 광학 엘리먼트(1516) 위에 적합하게 포지셔닝된 미러(1512)와 조합된 광학 엘리먼트(1516)는 광학 신호를 디바이스(1507)로부터 디바이스(1508)로 전송하기 위하여 사용될 수 있는데, 이들 모두는 동일한 회로 보드(1502)에 접속된다.
도 16a 는 일 예시적인 회로 보드(1602)의 등각 투상도를 도시한다. 광전자 디바이스(1604 및 1606)는 보드(1602)에 부착되고 보드(1602) 상에 배치된 도파관(1608)을 통하여 광학적으로 통신하는 상태에 있다. 디바이스(1604 및 1606)는 프로세서, 메모리, 또는 센서일 수 있다. 도 16a 에 도시되는 예에서, 디바이스(1606)는 도파관(1608)을 통하여 디바이스(1604)로 전송되는 광학 신호를 생성한다. 디바이스(1604)는 광학 상호접속 계층(1610) 및 상호접속 계층(1610) 상에 배치된 CMOS 패키지(1612)를 포함한다.
도 16b 는 디바이스(1604)의 단면도를 도시한다. 상호접속 계층(1610)은 도파관(1608)의 일부 및 미러(1614)를 포함한다. 디바이스(1604)는 CMOS 패키지(1612)와 상호접속 계층(1610) 사이에 포지셔닝되어 미러(1614)로부터 반사된 광을 광검출기(1618) 상으로 포커싱하는 SWG(1616)를 포함한다. 예를 들어, 도 16b 에 도시된 바와 같이, 도파관(1608)의 단부로부터 출력된 광(1620)의 빔에 의하여 표현되는 광학 신호는 미러(1614)에 의하여 SWG(1616)를 향하여 반사된다. SWG(1616)는 광의 빔을 광검출기(1618) 상에 포커싱하는 구형 렌즈 또는 원통형 렌즈로서 동작하도록 구성될 수 있다.
광학 엘리먼트는 또한 도파관 커플러 내에서 광을 광학 섬유의 코어 내로 포커싱하도록 구현될 수 있다. 도 17a 및 도 17b 는 일 예시적인 도파관 커플러(1700)의 등각 투상도 및 측면도를 도시한다. 커플러(1700)는 도파관(1704)의 단부에 위치된 단열 테이퍼링된 구역(1702) 및 기판 구역(1708) 상에 배치된 SWG(1706)를 포함한다. SWG(1706)는 위에서 SWG(400)에 대하여 설명된 바와 같이 특정 각도에서 광을 편향시키거나, 또는 위에서 SWG(700 및 1100)에 대하여 설명된 바와 같이 구형 렌즈 또는 원통형 렌즈로서 동작하도록 구성될 수 있다. 도 17a 에 도시된 바와 같이, 단열 테이퍼(1702)는 광이 구역(1708)에 진입할 때 그 광이 확산되고 SWG(1706)의 xy-평면 밖으로 방출되도록 한다. 도 17b 에 도시된 바와 같이, SWG(1706)를 통하여 출력된 광은 광학 섬유(1712)의 코어 내로 포커싱된다. 섬유(1712)의 코어(1710)로부터 출력된 광은 또한 SWG(1706)에 의하여 캡쳐되고 구역(1708) 내로 디렉팅될 수 있다.
설명의 목적을 위하여 앞선 설명은 본 개시물의 완전한 이해를 제공하기 위하여 특정한 전문용어를 사용했다. 그러나, 본 명세서에서 설명되는 시스템 및 방법을 실시하기 위하여 구체적인 세부내용들이 요구되는 것은 아니라는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 특정한 예의 앞선 설명은 예시 및 설명의 목적을 위하여 제시된다. 이들은 본 개시물을 설명된 세부적인 형태를 망라하는 것으로 보거나 이것을 제한하려고 의도되는 것이 아니다. 명백하게, 많은 변경예 및 변형예가 위의 교시내용을 고려하여 구현될 수 있다. 예들은 본 개시물 및 실용적 적용예의 원리를 최선을 다해 설명하기 위하여 도시되고 설명됨으로써, 이를 통해 당업계의 다른 당업자들이 본 개시물 및 고찰되는 특정 용법에 적합한 다양한 변경들을 가지는 다양한 예들을 최적으로 이용하도록 한다. 본 개시물의 범위는 후속하는 청구항 및 그들의 균등물에 의하여 정의되어야 한다는 것이 의도된다:

Claims (15)

  1. 광학 엘리먼트로서,
    평면 표면을 가지는 기판; 및
    상기 평면 표면으로부터 연장하는 포스트로 구성된 분극 둔감성(polarization insensitive), 고 콘트라스트, 서브-파장 그레이팅(sub-wavelength grating)을 포함하고,
    상기 그레이팅은, 이웃하는 포스트들이 서로 다른 단면 치수를 갖도록, 상기 포스트의 단면 치수, 상기 포스트의 격자 배치, 또는 상기 포스트의 단면 치수와 상기 포스트의 격자 배치가 비주기적으로 변동되어 상기 광학 엘리먼트를 통하여 송출된 광의 굴절을 제어하는 복수의 구역을 포함하고,
    상기 그레이팅은 더 나아가 조건
    Figure 112015049021208-pct00032

    을 만족하는 두께를 포함하고,
    여기에서 t 는 상기 그레이팅의 두께이고, λ 는 광의 파장이고, ns 는 상기 기판의 굴절률이며, nSWG 는 상기 파장 λ에서의 상기 그레이팅의 유효 굴절률인,
    광학 엘리먼트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포스트의 격자 배치는, 적어도 하나의 2-차원의 정규 기하학적 격자 배치를 가지는 포스트를 더 포함하는, 광학 엘리먼트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 포스트의 단면 치수가 각각의 구역 내에서 비주기적으로 변동되는 것은 더 나아가, 각각의 구역 내에서 상기 포스트의 단면 치수가 비주기적으로 그리고 체계적으로 상기 평면 표면과 평행한 제 1 방향에서 변동되고, 그리고 상기 포스트의 단면 치수가 상기 평면 표면과 평행한 제 2 방향에서는 일정한 것을 포함하며, 상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향에 수직인, 광학 엘리먼트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 포스트의 단면 치수가 각각의 구역 내에서 비주기적으로 변동되는 것은 더 나아가, 각각의 구역 내에서 상기 포스트의 단면 치수가 비주기적으로 그리고 체계적으로 상기 그레이팅의 중앙으로부터 멀어지도록 변동되는 것을 포함하는, 광학 엘리먼트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 포스트의 단면 치수가 각각의 구역 내에서 비주기적으로 변동되는 것은 더 나아가, 상기 포스트의 단면 치수에서의 비주기적 및 체계적 변동이 상기 복수의 구역의 각각에 대하여 반복되는 것을 포함하는, 광학 엘리먼트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 포스트는 원형, 타원형, 정방형, 사각형, 삼각형, 또는 비정규형 중에서 선택된 단면 형상을 가지는, 광학 엘리먼트.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 포스트가 비주기적으로 변동되는 것은 더 나아가, 상기 포스트가 각각의 구역 내에서 비주기적으로 그리고 체계적으로 변동되어 송출된 광을 포커싱하는 것을 포함하는, 광학 엘리먼트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 포스트가 비주기적으로 변동되는 것은 더 나아가, 상기 포스트가 각각의 구역 내에서 비주기적으로 그리고 체계적으로 변동되어 송출된 광을 송출의 비-제로 각도를 가지고 편향시키는 것을 포함하는, 광학 엘리먼트.
  10. 도파관 커플러로서,
    평면 구역 및 도파관에 연결된 단열 테이퍼링된 구역을 포함하는 기판; 및
    상기 평면 구역 상에 배치되며 상기 평면 표면으로부터 연장하는 포스트로 구성된 분극 둔감성, 고 콘트라스트, 서브-파장 그레이팅을 포함하고,
    상기 그레이팅은, 이웃하는 포스트들이 서로 다른 단면 치수를 갖도록, 상기 포스트의 단면 치수, 상기 포스트의 격자 배치, 또는 상기 포스트의 단면 치수와 상기 포스트의 격자 배치가 비주기적으로 변동되어 상기 기판과 상기 그레이팅을 통하여 송출된 광의 굴절을 제어하는 복수의 구역을 포함하고,
    상기 그레이팅은 더 나아가 조건
    Figure 112015083341188-pct00033

    을 만족하는 두께를 포함하고,
    여기에서 t 는 상기 그레이팅의 두께이고, λ 는 광의 파장이고, ns 는 상기 기판의 굴절률이며, nSWG 는 상기 파장 λ에서의 상기 그레이팅의 유효 굴절률인,
    도파관 커플러.
  11. 광전자 디바이스로서
    광검출기를 포함하는 CMOS 패키지;
    광을 수광하기 위한 도파관을 포함하는 광학 상호접속층;
    평면 표면을 가지는 기판; 및
    상기 평면 표면으로부터 연장하는 포스트로 구성된 분극 둔감성, 고 콘트라스트, 서브-파장 그레이팅을 포함하고,
    상기 그레이팅은, 이웃하는 포스트들이 서로 다른 단면 치수를 갖도록, 상기 포스트의 단면 치수, 상기 포스트의 격자 배치, 또는 상기 포스트의 단면 치수와 상기 포스트의 격자 배치가 비주기적으로 변동되어 상기 기판과 상기 그레이팅을 통하여 송출된 광의 굴절을 제어하는 복수의 구역을 포함하고,
    상기 분극 둔감성, 고 콘트라스트, 서브-파장 그레이팅은 상기 CMOS 패키지와 상기 광학 상호접속층 사이에 배치되고,
    상기 그레이팅은 더 나아가 조건
    Figure 112015083341188-pct00034

    을 만족하는 두께를 포함하고,
    여기에서 t 는 상기 그레이팅의 두께이고, λ 는 광의 파장이고, ns 는 상기 기판의 굴절률이며, nSWG 는 상기 파장 λ에서의 상기 그레이팅의 유효 굴절률인,
    광전자 디바이스.
  12. 광전자 디바이스로서,
    광원; 및
    갭에 의하여 상기 광원으로부터 분리된 광학 엘리먼트를 포함하며,
    상기 광학 엘리먼트는, 기판의 평면 표면으로부터 연장하는 포스트의 분극 둔감성, 서브-파장 그레이팅을 포함하고,
    상기 그레이팅은, 이웃하는 포스트들이 서로 다른 단면 치수를 갖도록, 상기 포스트의 단면 치수, 상기 포스트의 격자 배치, 또는 상기 포스트의 단면 치수와 상기 포스트의 격자 배치가 비주기적으로 변동되어 상기 광학 엘리먼트를 통하여 송출된 광의 굴절을 제어하는 복수의 구역을 포함하고,
    상기 그레이팅은 더 나아가 조건
    Figure 112015049021208-pct00035

    을 만족하는 두께를 포함하고,
    여기에서 t 는 상기 그레이팅의 두께이고, λ 는 광의 파장이고, ns 는 상기 기판의 굴절률이며, nSWG 는 상기 파장 λ에서의 상기 그레이팅의 유효 굴절률인,
    광전자 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 포스트의 단면 치수가 각각의 구역 내에서 비주기적으로 변동되는 것은 더 나아가, 각각의 구역 내에서 상기 포스트의 단면 치수가 비주기적으로 그리고 체계적으로 상기 평면 표면과 평행한 제 1 방향에서 변동되고, 그리고 상기 포스트의 단면 치수가 상기 평면 표면과 평행한 제 2 방향에서는 일정한 것을 포함하며, 상기 제 2 방향은 상기 제 1 방향에 수직인, 광전자 디바이스.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 포스트의 단면 치수가 각각의 구역 내에서 비주기적으로 변동되는 것은 더 나아가, 각각의 구역 내에서 상기 포스트의 단면 치수가 비주기적으로 그리고 체계적으로 상기 그레이팅의 중앙으로부터 멀어지도록 변동되는 것을 포함하는, 광전자 디바이스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 포스트의 단면 치수가 각각의 구역 내에서 변동되는 것은 더 나아가, 상기 포스트의 단면 치수에서의 비주기적 및 체계적 변동이 상기 복수의 구역의 각각에 대하여 반복되는 것을 포함하는, 광전자 디바이스.
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