TW201531747A - 光學裝置 - Google Patents

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Abstract

一種光學裝置，包括一基板和一在該基板上形成之折射元件。該折射元件具有一表面，並具有一特定曲率半徑，及一組形成在該表面上的週期性結構，可用來對於一入射光之一個或多個波長範圍進行折射或濾除之功能。

Description

光學裝置
本發明是關於一種可耦合光波的光學裝置。
偏光片，透鏡或濾光片等相關光學元件透過獨立製成後，再經由後續的封裝工藝接合至一光學系統中，一入射光可藉由該光學元件從一外部媒介耦合至該光學系統。
本發明之目的，係提供一形成於光學裝置上之折射元件，可將光由一外部媒介耦合至該光學裝置。該折射元件係包含一週期性結構用來對於一入射光之一個或多個波長範圍進行折射或濾光之功能。
為達成上述目的，本發明包含一個形成於一光學媒介上之折射元件，該折射元件之表面可具有一組形成在該表面上的週期性結構，或具有一個特定曲率半徑(凹面或凸面)用來將一入射光之一個或多個波長範圍進行折射或濾除。
再者，本發明更可包含一個包覆在該折射元件上的覆蓋元件，且該覆蓋元件之等效折射係數低於該折射元件之等效折射係數。該覆蓋元件係可由一層或多層氮化物、氧化物、空氣，或有機材料所組成。該組週期性結構亦可具有相對應一光軸之90度旋轉對稱性。
再者，該光學介質更可包含一個可吸收至少一部分入射光或可發光之主動元件。該主動元件係可由一層或多層矽、鍺、錫，或三五族化合半導體所組成。該光學裝置更可包含一個光耦合至到該折射元件之第二折射元件，且該第二折射元件具有一第二組週期性結構。
再者，本發明更可包含一耦合至該折射元件之調變元件，且該調變元件可藉由外部提供之電場造成該折射元件內之載子濃度或機械結構變更，以改變該折射元件之等效折射係數。該調變元件更可包含一個p-n接面，藉由外部提供之電場以改變該折射元件之載子濃度及其等效折射係數。
在其部分實施例中，該調變元件亦可用來改變至少一部分離開該折射元件之光的指向、其聚焦深度，或改變由該折射元件之該組週期性結構過濾後的一個或多個波長範圍。在部分實施例中，該調變元件可包含一個微電機系統，藉由外加電場施加機械力以改變 (i) 該折射元件表面之曲率半徑，(ii) 該折射元件相對於該光學介質之位置，(iii) 或該折射元件相對於入射光光軸之方向。
在本發明之部分實施例中，該折射元件可具有一表面曲率，且曲率半徑係由製程相關的應力所造成，或可藉由一灰階光罩製程所形成。在本發明之部分實施例中，該折射元件亦包含一週期性結構，且該組週期性結構所造成之聯合相位改變可用來聚焦或放焦一入射光。在本發明之部分實施例中，該組週期性結構亦可藉由導波模態共振以濾除入射光的一個或多個波長範圍。舉例來說，該折射元件之週期性結構可為一部份被氮化物，或氧化物，或空氣所填充空隙之矽層。在本發明之部分實施例中，該光學介質之厚度可對應於該折射元件之焦距。在本發明之部分實施例中，該折射元件亦可直接粘接至於一光學介質上。
在本發明之部分實施例中，為了達成過濾，聚焦，放焦一個或多個入射光波長範圍，(i) 該組週期性結構中一個或多個週期性結構可填充一種或多種與該折射元件之等效折射係數不同的材料，(ii) 該組週期性結構中之一部分結構之孔隙半徑與其餘結構之孔隙半徑不同，或 (iii) 該週期性結構中大多數的結構具有局部之非週期性。
關於本發明之部分實施例，亦可包含下列特徵。藉由半導體製程，將一可折射或過濾光波之折射元件直接整合於一光學系統中，可降低後續的封裝及製程之成本，且用半導體製程形成的折射元件亦可和其他的光學積體電路形成於同一片晶圓上。再者，多個可分別濾除不同波長範圍之折射元件可藉由更改其對應的光罩設計，並使用相同的半導體製造流程而完成。此折射元件亦可和一主動元件(例如：鍺光感測器，矽CMOS光感測器，雷射，LED，調變器..等)直接進行整合，以符合各式應用情境，或可動態改變其光行進之路徑或其可通過之波長範圍。
本發明其餘實現方式亦包含對應之系統，裝置及計算機程序。該程序可執行一方法步驟，或編程在計算機之儲存媒介。一個或多個計算機組成之系統可由軟體，韌體，硬體或其組合形成。一個或多個計算機程序可由指令構成，且由數據處理單元執行對應動作。
本發明上述及其他實現方式，或其特點及功效，可藉由本說明書之描述，圖示及專利範圍而更易為人了解。
圖1A是一個光子集成電路100範例，其包括用於耦合光進入或離開一個光子集成電路100的光學折射元件。一般來說，一個光學元件可以有一個或多個光學規格參數。在一些實施方式中，光學規格參數可以是數值孔徑，使該光學元件在一個特定的椎體角度範圍內捕獲光。例如，單模光纖有0.14的數值孔徑。在一些實施方式中，光學規格參數可能是一個允許該光學元件發射或接收光的特定大小尺寸。例如，用於接收光的光偵測器可以具有100平方微米的偵測器區域。一般來說，光從一個光學元件傳輸到另一光學元件所造成的光學規格參數不匹配會導致光功率損失，而為了減少損耗，透鏡可以被用於減低兩個光學元件之間的光學規格參數不匹配。例如，透鏡可用於匹配兩個光學元件之間的數值孔徑，或可將光聚焦到具有一較小面積的光學元件上。此外，光學系統中傳播的光可包含多個波長，而一個光學過濾器可以用於在光學元件之間來選擇一個或多個光波長。將透鏡或濾光器與其他光學元件做集成，可減少集成的複雜性和製造成本。又將透鏡和濾光器集成為一個折射元件，亦可降低集成的複雜性和製造成本。
在本發明之部分實施例中，光子集成電路100可包括一折射元件101和一光學介質107。一般來說，折射元件101用來折射和/或過濾從外部介質119進入光學介質107的光，或從光學介質107進入外部介質119的光。舉例來說，輸入的光111具有兩個波長l1 與l2 進入折射元件101，其中波長l1 被折射元件101濾出，而波長l2 被折射元件101選擇並聚焦成為一個聚焦光束113進入光學介質107。在本發明之另外實施例中，該折射元件101亦可以被設計為選擇或過濾一個或多個其它波長，或者可被設計成執行其他的光學功能，例如散焦或者準直光束。
一般來說，折射元件101可包括一表面103和一組週期性結構105。該表面103具有特定曲率半徑，且其表面曲率可被用來折射入射光束，並根據Snell定律或任何適合的數值分析模型。數值分析模型的實例包括射線跟踪模型，高斯光束模式，光束傳播法（BPM）模型，傅立葉波束傳播模型，或有限差分時域（FDTD）模型。
該組週期性結構105可以包括一組一維、二維、三維之週期性結構的組合來折射或過濾入射光。參照圖1A的例子，一組二維週期性結構105可形成在折射元件101中。其週期性結構可以包括光子晶體，光柵，或其他可以影響光耦合或濾波等光學特性之結構。關於此週期性結構105 之其它實施例會在圖3A至3D有更詳細地描述。
在本發明之部分實施例中，該組週期性結構105可以產生導波模態共振 (guided-mode resonance) 效應以用來折射或過濾光。在導波模態共振效應中，該組週期性結構105的折射率應比折射元件101之主體部分、光學介質107，和外部介質119的折射率高，以產生至少一個導波模態在該組週期性結構105中。該週期性結構105中的導波模態與繞射模態互相干涉造成共振，因此可被用作濾光器。在一些實施方式中，一表面103之曲度及其共振條件的組合可以偏折光至不同方向。在一些實現方式中，一個具有導波模態共振效應的週期性結構105之週期係可對應於該作用光波之波長尺寸。
在一些實施方式中，該組週期性結構105可以產生等效折射率改變 (effective index change) 效應來折射或過濾光。在等效折射率改變效應中，該組週期性結構105的設計係沿著折射元件101的一軸線產生一個等效之折射率分佈。例如，該組週期性結構105可以讓孔的直徑和/或沿著x軸和y軸的週期性作變化，以產生一個等效折射率分佈。在一些實施方式中，彎曲表面103與等效折射率分佈的組合可以偏折光至不同方向。在一些實施方式中，彎曲表面103與等效折射率分佈的組合可以導致折射光的聯合相位改變，以得到光學聚焦器/ 散焦器之功效。在一些實現方式中，一個具有等效折射率改變效應的週期性結構105之週期係小於該作用光波之波長尺寸。
在一些實施方式中，為了減少或消除輸入光111的偏振作用，該組週期性結構105可以被設計為具有圍繞其光軸之90度旋轉對稱性。在此範例中，其光軸係沿著折射元件101中心的z軸。
該光學介質107可以包含能夠傳輸，引導，偵測，或產生光的任何材料物質。例如，該光學介質107可以是矽，氧化矽，氮化矽或其組合之半導體材料。再者，該光學介質107亦可以是空氣使光於其中傳播。再者，該光學介質107亦可以包含可吸收光的鍺光電偵測器。再者，該光學介質107亦可以包含一多層垂直腔表面發射激光器 (VCSEL)以產生光並使其通過該折射元件。
一個外部介質119可為能夠傳輸，引導，偵測，或產生光的任何介質。例如，外部介質119可以是光纖，或光偵測器，或一光源。再者，該外部介質119亦可以是空氣，矽、氧化物、氮化物其組合的半導體材料。在本發明之部分實施例中，亦可包含一由氮化物、氧化物、空氣，或有機材料的一層或多層所構成之覆蓋層，該覆蓋層可位於外部介質119和折射元件101之間。
在一些實施方式中，折射元件101和光學介質107可以由不同材料所構成。例如，折射元件101可以由矽構成，光學介質107可以由氧化物構成。在一些實施方式中，折射元件101和光學介質107亦可以為相同的材料。例如，折射元件101和光學介質107可以由鍺或其它III-V族半導體材料所構成。在一些實施方式中，折射元件101可以由多層材料組成，而圖 1C和1D即繪示了多層折射元件的例子。光學介質107可以由多層材料組成，例如，沉積多層抗反射鍍膜以最小化折射元件101和光學介質107間之反射。在一些實施方式中，折射元件亦可以具備濾光、聚焦/ 散焦，或兩者兼有之功能。
圖1B繪示出可作為光子集成電路100中的折射元件101之範例131a-131e 。其中任何一個折射元件131a-131e亦可在任何一個其他光子集成電路中實施，不論是已在本申請書中描述，或未在本申請書中描述的光子集成電路。
在本發明的部分實施例中，一折射元件可以被理解為一個透鏡部分121和一個週期性結構部分123之結合。在一般情況下，光入射到透鏡部分121的表面，並因表面具有之特定曲率半徑而折射。在一些實施方式中，該表面之凸起或凹下之相對應的曲率半徑可由製程中故意或非故意造成的應力而產生，其產生之曲率半徑可相對遠上大於該折射元件的表面尺寸。在一些實施方式中，此表面之凸起或凹下之相對應的曲率半徑亦可藉由灰階光罩曝光並蝕刻，以在其表面上形成一特定之表面曲率。
一般來說，週期性結構部分123可以包括一組或多組的一維，二維，三維週期性結構。例如，繪示於圖1B中的週期性結構部分123，包括第一組週期性結構125和第二組週期性結構127。第一組週期性結構125可以被設計成產生一個等效折射率改變效應，而第二組週期性結構127可以被設計成產生一個導波模態共振效應。在一些實施方式中，第一組週期性結構125疊加第二組週期性結構127可成為一個週期性結構部分123並可同時折射和過濾入射光。
透鏡部分121和週期性結構部分123可被組合以形成折射元件。例如，折射元件131a可通過蝕刻週期結構部分至透鏡部分的底部，以使該週期性結構部分和透鏡部分間具有更高的折射率對比。再者，如果透鏡部分具有一凸面，折射元件131b可以通過蝕刻週期性結構，使得該週期性結構的高峰隨著透鏡部分的曲率而變。折射元件131b可藉由形成透鏡部分之後再蝕刻一週期性結構而形成。再者，若透鏡部分具有一凸面，折射元件131c可藉由蝕刻一週期性結構，使得該週期性結構的高峰跟隨著透鏡部分的曲率而變。折射元件131c可藉由形成透鏡部分之後再蝕刻其週期性結構的互補圖案而形成。
在其他的實施例中，若透鏡部分為一凹面，則該折射元件部份131d可以藉由蝕刻一週期性結構，使得該週期性結構的低谷跟隨透鏡部分的曲率而變。折射元件部分131d可在形成透鏡部分之前，先進行蝕刻週期性結構而形成。再者，若透鏡部分為一凹面，折射元件部份131e亦可以藉由蝕刻一週期性結構，使得該週期性結構的高峰隨透鏡部分的曲率而變。折射元件部份131e可在形成透鏡部分之後，再蝕刻其週期性結構而形成。
在一些實施方式中，為了過濾，聚焦，散焦一個或多個入射光波長，該組週期性結構中一個或多個週期性結構之空隙可填充一種或多種與該折射元件之等效折射係數不同之材料。例如，折射元件可以由矽構成，而該組週期性結構之空隙被至少部分地填入氧化矽或氮化矽。在其部分實施例中，為了過濾，聚焦，散焦一個或多個入射光波長，該組週期性結構中一個或多個週期性結構之孔隙半徑與其餘之週期性結構半徑不同 。例如，週期性結構125之半徑可不同於週期性結構127之半徑，亦即，為了過濾，聚焦，散焦一個或多個入射光波長， 週期性結構中大多數的週期結構可具有局部非週期性。
圖1C繪示出一個可在光子集成電路100中實現的多層折射元件140。儘管未於圖中標示，但該多層折射元件140亦可以包括一個如前所述之曲面。該多層折射元件140包括三個層141、143和145。在一些實施方式中，層141、143和145可以由不同材料組成，如介電質 (例如：氧化物、氮化物、聚合物或空氣) 、半導體 (例如：矽，鍺或III-V族材料) 或金屬(例如：鋁、鎢或其它金屬)。例如，該三層141、143和145中之任一層可由吸收材料，例如鍺，構成。再者，一個至多個屬於該三層141、143和145之層可由III-V材料所構成。一週期性結構亦可以在頂層145形成。再者，141和143可以提供頂層145的表面應力，以形成多層折射元件140的表面曲率。在一些其他的實施方式中，多層折射元件140可以包括更少層或更多層。在其他的實施方式中，該折射元件之至少一層可以包含一週期性結構。
圖1D繪示出一個可在光子集成電路100中實現的多層折射元件150。儘管未於圖中標示，但該多層折射元件150亦可包括一個如前所述之曲面。該多層折射元件150由三層151、153和155所構成。在一些實施方式中，層151、153和155可以由不同材料組成，如介電質 (例如：氧化物、氮化物、聚合物或空氣) 、半導體 (例如：矽，鍺或III-V族材料) 或金屬(例如：鋁、鎢或其它金屬)。例如，一層或多層(151、153和155)可由吸收材料構成，例如鍺。再者，一層或多層(151、153和155)可由增益材料，例如III-V材料所組成。在一些實施方式中，亦可有一週期性結構形成在兩層151和155之間的層153。例如，層153可具有比層151和155更高之折射率，以在多層折射元件150中產生一個導波模態共振效應。在其他的實施方式中，多層折射元件150亦可以包括更少或更多層。在其他的實施方式中，該折射元件之至少一層可以包含一週期性結構。
圖1E繪示一層疊折射元件160。在部分實施例中，該層疊折射元件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之第二折射元件163。該第一折射元件161可以被設計為過濾1550nm至1555nm的波長範圍，而該第二折射元件163可以被設計為過濾1554nm至1559nm的波長範圍。通過層疊第一折射元件161與第二折射元件163，可得到一個濾光範圍更窄的濾光器，過濾從1554nm至1555nm的波長範圍。在部分實施例中，該第一折射元件161和第二折射元件163可藉由使用任何在本申請書中所描述的折射元件來實現。在部分實施例中，第一折射元件161可在等效折射率改變效應下操作以改變光束輪廓，且其第二折射元件163可在導波模態共振效應下操作以選擇所需的波長。在一些實現方式中，第二折射元件163的等效折射率與第一折射元件161的等效折射率可不同或是相同。在一些實現方式中，該第二折射元件163包括不同於該第一折射元件161第一組週期性結構之第二組週期性結構。在一些其他實施方式中，該第二折射元件163之第二組週期性結構之尺寸亦可同於該第一折射元件161的第一組週期性結構。在一些實施方式中，該層疊折射元件中之一個折射元件可為濾光器，而另一個折射元件可以是一聚焦器或散焦器。
圖2A繪示出一個光子集成電路200集成了一主動元件與一折射元件。在此實施例中，一入射光208入射到光子集成電路200且具有兩個波長l1 和l2 ，其中一個波長l1 穿透此折射元件成為光209而另一個波長l2 被濾除。光209被聚焦到一光偵測器以用於量測波長l1 之相對應光功率。
該光子集成電路200包含一折射元件201、光學介質203、覆蓋元件204、基底205和主動元件207。在部分實施例中，該折射元件201可藉由本說明書中所描述的折射元件來實現。例如，折射元件201可以使用如圖1A所描述的折射元件101來實現。 在此範例中，一折射元件201被用來聚焦入射光208至一主動元件207。再者，該折射元件201亦可用來濾除一個或多個包括l2 之波長範圍。
光學介質203可以由可使光209穿透或部分穿透之材料所組成。在一些實施方式中，該光學介質203的厚度可以是該折射元件101所對應產生之焦距。在其他實施例中，該光學介質203的厚度可以被設計對應至讓該主動元件207上產生特定大小之光點之長度。
一覆蓋元件204可形成於折射元件201之上，以減少入射光208的反射和/或提供該折射元件201之保護。在一些實施方式中，覆蓋元件204的等效折射率比折射元件201的等效折射率低。在一些實施方式中，覆蓋元件204可由一層或多層的氮化物、氧化物、空氣，或有機材料組成。
該基底205可由任何適合用以製造光子集成電路基底之材料構成。例如，基底205可以為矽、矽絕緣體 (SOI)、III-V族材料例如砷化鎵 (GaAs) 或磷化銦 (InP)、軟性有機基底、石英晶片，或玻璃構成。在部分實施例中，基底205亦可以是一沉積在一集成電子電路之被動或主動材料。
主動元件207可以是發送、調變、關開，或吸收光的光學元件。在本實施例中，主動元件207是一個用來吸收至少一部分入射光209且可測量波長l1 範圍內之光功率的光偵測器。在部分實施例中，該主動元件207可以一層或多層的矽、鍺、錫，或III-V族化合物所構成。在部分實施例中，該主動元件207可為一鍺光偵測器，或為一矽CMOS感應器。
圖2B繪示了一個可用於導引光的光子集成電路210。在此實施例中，入射光218包含至少兩個波長l1 和l2 範圍，入射到該光子集成電路210後，其中一個波長l1 傳輸為光219而另一個波長l2 則被濾除。光219被聚焦到一光學介質中，並離開該光子集成電路210成為光221。光221可以被引導至另一光學裝置或另一個光學系統作進一步的處理。
在此實施例中，該光子集成電路210包含至少一折射元件211、光學介質213、覆蓋元件214和外部介質元件215。在部分實施例中，該折射元件211可藉由本說明書中所描述的折射元件來實現。例如，折射元件211可以使用如圖1D繪示之折射元件150實現。在此，折射元件211用來聚焦入射光218。再者，該折射元件211亦可用來濾除一個或多個包括l2 之波長範圍。
在部分實施例中，該光學介質213可藉由本說明書中描述的光學介質來實現。例如，該光學介質213可以使用如圖2A描述之光學介質203實現。 覆蓋元件214亦可以藉由本說明書中描述之覆蓋元件，例如圖2A之204而實現。外部介質215亦可藉由本說明書中描述之外部介質來實現。例如，外部介質215可使用圖1A描述過的外部介質119實現。在部分實施方式中，覆蓋元件214的等效折射率比折射元件211的等效折射率高。
圖3A繪示一週期性結構331在xy平面上之部分實施例的俯視圖。圖3A的描述可被應用於本說明書中所描述的折射元件。該組週期性結構331包括一個沿著x方向的一維週期性結構301a-n和303a-n陣列，其中n是大於1的任何整數。該組週期性結構可以是一維光柵或一維光子晶體。在部分實施例中，該組週期結構301a-n和303a-n可以由不同材料所構成。例如，週期性結構301a-n可以由矽構成，而週期性結構303a-n可以由氧化矽或氮化矽所構成。在其他實施例中，所述週期性結構303a-n可包括一層半透明的金屬如ITO，並產生表面電漿效應。 301a、303a、301b、303b…301n，和303n的排列可組成折射元件的週期性結構。
圖3B繪示一週期性結構332在xy平面上之部分實施例的俯視圖。圖3B的描述可被應用於本說明書中所描述的折射元件。該組週期結構332包括一個二維週期性結構305a和其基材層305b。在部分實施例中，該週期性結構305a可以是對應於光柵的高峰。在其它部分實施例中，該週期性結構305a可以是對應於光柵的低谷。 305a的排列構成了折射元件的週期性結構。在部分實施例中，該基材層305b可以是氧化矽或氮化矽，而該週期性結構305a可以是由矽構成。
圖3C繪示出一週期性結構333在xy平面上之部分實施例的俯視圖。圖3C的描述可被應用於本說明書中所描述的折射元件中。該組週期結構333包括二維矩形週期性結構307a至307n的陣列沿著x方向，和307a至307k的陣列沿y方向排列。在部分實施例中，週期性結構307a可以是由光柵或光子晶體所構成。在部分實施例中，週期性結構307a和308層可以由相同的材料所構成，例如矽。在部分實施例中，週期性結構307a和308層亦可以由不同的材料所構成。舉例來說，該週期性結構307a可以由矽所構成，而該308層可以由氧化矽或氮化矽所構成。在部分實施例中，週期性結構307a可以是正方形、圓形、非矩形，或不同幾何結構的組合。週期結構307a-n和307a-k在xy平面上的排列形成了一個折射元件的週期性結構。在部分實施例中，週期性結構的週期沿著x方向321與沿著y方向322和該基材層308內沿著x方向與沿著y方向的干涉光圖案大致上匹配並產生導波模態共振效應。
圖3D繪示出一週期性結構334在xy平面上之部分實施例的俯視圖。圖3D的描述可被應用於本說明書中所描述的折射元件。該組週期性結構334包括二維的任意形週期性結構309a至309n的陣列，其中n是大於1的任何整數。在部分實施例中，任意形狀的週期性結構309a可以是由多個光柵或光子晶體所構成並對應於入射光之波峰或波谷。在部分實施例中，任意形狀的週期性結構309a可以與310層由不同的材料所組成。例如，任意形狀的週期性結構309a可以由矽氧化物構成而310層可以由矽構成。在部分實施例中，任意形狀於週期性結構309a中可以是三角形、圓形、橢圓形，或不同形狀的組合。在xy平面上之任意形狀的週期性結構309a-n構成了該折射元件的週期性結構。在部分實施例中，任意形狀於週期結構309a至309n中之特定形狀與其相對距離可利用數值分析來確定。例如，有限差分時域（FDTD）分析程序可以用於設計每個任意形於週期性結構309a至309n的形狀及其局部性週期。
圖4繪示出一具有過濾不同波長的多個折射元件之光子集成電路400。大致來說，多個折射元件可以被形成在單一的基底上，其中每個折射元件可以用來過濾其對應的波長範圍，並用於波長分工複用 (WDM) 或影像與頻譜感測應用，以監視多個波長範圍之光功率。再者，各折射元件亦可以被設計成以特定的方式來偏折或濾除特定的波長範圍。
在本實施例中，光子集成電路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，並且可以藉由半導體製程，例如微影和蝕刻來製作。第一折射元件401用來折射並傳遞一個波長範圍，包括l1 但不含l2 、l3 ，或 l4 。第二折射元件403用來折射並傳遞一個波長範圍，包括l2 但不含l1 、l3 ，或 l4 。第三折射元件405用來折射並傳遞一個波長範圍，包括l3 但不含l1 、l2 ，或 l4 。第四折射元件407用來折射並傳遞一個波長範圍，包括l4 但不含l1 、l2 ，或 l3 。一個具有寬頻訊號的光411，其包括波長l1 、l2 、l3 ，或 l4 入射到光子集成電路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分別過濾出各個波長，以便進一步處理。不同的實施例中，不同數目的折射元件可以形成於一光子集成電路中，且其中每個折射元件可以同時進行不同的功能例如，折射和/或過濾特定波長範圍。在部分實施例中，入射光411具有寬頻信號，其中l1 覆蓋紅光光譜、l2 覆蓋綠光光譜、l3 覆蓋藍色光譜，l4 覆蓋紅外光譜。在部分實施例中，光子集成電路400可以被看作是一個可以與單晶片CMOS影像感測器直接進行集成的光譜過濾器，以減少後續集成的複雜性和製造成本。多個折射元件可以被設計成擁有不同的光子晶體結構，並微調至該光子晶體結構至特定目標光譜的波長範圍，然後使用相同的半導體微影及蝕刻步驟加以製成。因為此頻譜濾光器是由半導體製程所製造，且又直接和一CMOS感測器集成，因此可以提供更精細的頻譜分析，意味著較精細的光譜分辨率以用於感測更逼真的影像。
圖5A繪示出一個因晶格或熱膨脹係數不同而產生壓縮應力所造成一表面曲率的光學元件500。該光學元件500包括折射元件501和光學介質503。在此實施例中，光學介質503具有比折射元件501更小的晶格尺寸或不同的熱膨脹係數，因此而產生的壓縮應力可以造成折射元件501的表面形成凸曲。例如，該光學介質503可以由氧化物所構成，而折射元件501可以由矽所構成。在部分實施例中，該表面凸面可以用來聚焦部分的入射光。
圖5B繪示出一個因晶格或熱膨脹係數不同而產生拉伸應力所造成一表面曲率的光學元件510。該光學元件510包括折射元件511和光學介質513。在此實施例中，光學介質513具有比折射元件511更大的晶格尺寸或不同的熱膨脹係數，因此而產生的拉伸應力可以造成折射元件511的表面形成凹面。例如，該光學介質513可以由鍺所構成，而折射元件511可以由矽所構成。在部分實施例中，該表面凹面可以用來散焦部分的入射光。
圖5C繪示因側壁上的壓縮應力而具有一表面曲率的光學元件520。該光學元件520包括折射元件521和至少包圍折射元件521圓周一部分的側壁523。在壓縮應力作用下，折射元件521表面可形成一凸曲面。例如，側壁523可以由高溫形成之氧化矽或緻密氮化矽所構成，而該折射元件521可以由矽所構成。在部分實施例中，該表面凸面可用來聚焦部分入射光。
圖5D繪示因側壁上的拉伸應力而具有一表面曲率的光學元件530。該光學元件530包括折射元件531和至少包圍折射元件531圓周一部分的側壁533。在拉伸應力作用下，折射元件531表面可形成一凹曲面。例如，側壁533可以由多孔隙氧化矽或氮化矽所構成，而該折射元件531可以由矽所構成。在部分實施例中，該表面凹面可用於散焦部分入射光。
圖6A繪示一集成光路600，包含一調變元件具有兩個摻雜區，該調變元件並藉由至少部分嵌入一折射元件或集成折射元件，而耦合至該折射元件。該折射元件的等效折射係數可以藉由該摻雜區域的自由載流子濃度變化而改變。透過調變該折射元件的等效折射係數，其所過濾的光波波長範圍或其對應的折射屬性亦可隨之而變。在部分實現例中，該調變元件可用來改變至少一部分離開該折射元件之光的指向、其聚焦深度，或改變由該折射元件之該組週期性結構過濾後的一個或多個波長範圍。光子集成電路600包括一個折射元件601，且該折射元件可以包括在本說明中描述的週期性結構，例如光子晶體或光柵。在部分實施例中，該折射元件60亦可以具有一表面曲面。該折射元件601包括第一摻雜區602和第二摻雜區域604 ，例如，第一摻雜區域602可以是p摻雜區，並且摻雜區604中的第二可為n摻雜區，在折射元件601形成一pn接面。在部分實施例中，施加一反向電壓至pn接面可將其中的載流子耗盡，而對應地改變期等效折射係數。在部分實施例中，施加一正向電壓至pn接面可增加其中的載流子，而對應地改變期等效折射係數。
圖6B繪示一集成光電路610，包含一調變元件具有三個摻雜區，該調變元件並藉由至少部分嵌入一折射元件或集成折射元件，而耦合至該折射元件。大致來說，在單位折射元件內，摻雜區域數目的增加可增加耗盡區的總體積，並因此增加了可調變等效折射係數的總量。該光子集成電路610包括一個折射元件611，且該折射元件可以包括在本說明中描述的週期性結構，例如光子晶體或光柵。在部分實施例中，折射元件611亦可以具有一表面曲面。在此範例中，該折射元件611包括第一摻雜區612，第二摻雜區614和第三摻雜區域616，舉例來說，第一摻雜區域612可以是p摻雜區，第二摻雜區614可是n摻雜區和所述第三摻雜區域614可以是p摻雜區，而在該折射元件611中形成一 pnp接面。再舉例來說，第一摻雜區612可以是n摻雜的區域，第二摻雜區域614可以是p摻雜區和所述第三摻雜區614可以是n摻雜區域，而在該折射元件611中形成一 pnp接面。再舉例來說，第一摻雜區域612可以是p摻雜區域，第二摻雜區域614可以是本徵區和第三摻雜區614可以是n摻雜區域，而在該折射元件611中形成一 pin 接面。在部分實現例中，施加一反向電壓至pn接面可將其中的載流子耗盡，而對應地改變期等效折射係數。在部分實施例中，施加一正向電壓至pn接面可增加其中的載流子，而對應地改變期等效折射係數。
圖6C繪示出一集成光路620，包含一調變元件具有相互交叉的摻雜區域。大致來說，在單位折射元件內，藉由相互交叉的摻雜區域可進一步增加耗盡區的總體積，並因此增加了可調變等效折射係數的總量及其單位體積內的電場強度。舉例來說，若該折射元件的表面直徑遠大於一個單位pn接面時，藉由形成一相互交叉的摻雜區域，可以得到有效的各個pn接面施加電場，而造成更大的等效折射係數整體變化。光子集成電路620包括一個折射元件621，且該折射元件可以包括在本說明中描述的週期性結構，例如光子晶體或光柵。在部分實施例中，折射元件621可以具有一表面曲面。另外，折射元件621包括相互交叉的摻雜區域622A至622n ，其中n為整數。舉例來說，所述相互交叉摻雜區域622A至622n可具有交替的p型和n摻雜，在折射元件621內形成pnpnp- ...接面。再舉例來說，所述相互交叉摻雜區域622A至622n可具有交替的p，中性(i)，及n摻雜，從而在折射元件621 形成一pinpinp- ...接面。在部分實現例中，施加一反向電壓至pn或pin接面可將其中的載流子耗盡，而對應地改變期等效折射係數。在部分實施例中，施加一正向電壓至pn或pin接面可增加其中的載流子，而對應地改變期等效折射係數。
圖6D繪示出一集成光路630，包含一調變元件且該調變元件藉由至少部分嵌入一光學介質，而耦合至該光學介質。該光學介質的等效折射係數可以藉由該調變元件對於其載流子的濃度控制而進行調變，而改變其所具有的光學性質。光子集成電路630包括一光學介質633，一折射元件631且該折射元件可以包括在本說明中描述的週期性結構，例如光子晶體或光柵。在部分實施例中，折射元件631可以具有一表面曲面。光學介質633可包括第一摻雜區域635和第二摻雜區域637 。舉例來說，第一摻雜區域635可以是p摻雜區，而第二摻雜區域637可以是n摻雜區，在光學介質633內形成pn接面。在部分實施例中，施加一反向電壓至pn接面可將其中的載流子耗盡，而對應地改變期等效折射係數。在部分實施例中，施加一正向電壓至pn接面可增加其中的載流子，而對應地改變期等效折射係數。
圖7A繪示由壓電效應控制的折射元件所構成的光子集成電路700。對於一壓電材料，加電壓會施與一應力而改變該壓電材料之形狀。在本實施例中，光子集成電路700包括光學介質703，在光學介質703上的折射元件701，和一個電壓源705耦合至該折射元件701。在部分實施例中，折射元件701可以包括一組週期性結構，並可藉由本說明書中所描述的折射元件來實現。在一些實施方式中，折射元件701亦可以包括一個曲面。再者，該折射元件701之組成材料亦可包括壓電材料。在一些實施方式中，電壓源705之電壓會產生一應力使得折射元件701中表面的曲面之特定曲率半徑改變。在一些實施方式中，電壓源705之電壓會產生一應力使得折射元件701中光子晶體結構的半徑或週期改變。
圖7B繪示由壓電效應控制的折射元件所構成的光子集成電路710。在本實施例中，光子集成電路710包括光學介質713，在光學介質713上的折射元件711，和一個電壓源715耦合至該光學介質713。在部分實施例中，折射元件711可以包括一組週期性結構，並可藉由本說明書中所描述的折射元件來實現。在一些實施方式中，折射元件711可以包括一個表面曲面。光學介質713之組成材料亦可包括壓電材料。在一些實現方式中，電壓源715之電壓會產生一應力至該光學介質713，使該光學介質713頂部之折射元件711中表面的特定曲率半徑改變。在部分實施例中，電壓源715之電壓會產生一應力至該光學介質713，使得該光學介質713內部沿著z軸傳播之光的路徑長度改變。
圖8A繪示由一電容效應控制的折射元件所構成之光子集成電路800。藉由使用一微電機系統 (MEMS)使其折射元件和光學介質之間產生靜電力，並導致該折射元件相對於該光學介質的位移或旋轉。在本實施例中，光子集成電路800包括一個光學介質803，折射元件801，支撐元件807，和一個電壓源805耦合至該折射元件801和光學介質803。在部分實施例中，折射元件801可以包括一個曲面或一組週期性結構，並藉由本說書中所描述的折射元件來實現。另外，折射元件801和光學介質803可充當電容器的兩端電極，並藉由電壓源805施加外部電場使得折射元件801和光學介質803之間產生靜電力。舉例來說，正電荷可累積在折射元件801的底部而負電荷可累積在光學介質803的頂部，形成靜電力以改變折射元件801和光學介質803之間的相對距離。由於支撐元件807可支撐折射元件801之兩端，該靜電力可使得折射元件相對於光學介質的位置如箭頭809所示產生變化。在部分實施例中，其產生的距離變化可被用來調整一聚焦光束離開該折射元件801的光路。在部分實施例中，藉由電壓源805施加外部電場亦可改變該折射元件801週期性結構之光子晶體的半徑，週期或其表面之特定曲率半徑。
圖8B繪示由一電容效應控制的折射元件所構成的光子集成電路810。藉由使用一微電機系統 (MEMS)使其折射元件和光學介質之間產生靜電力，並導致該折射元件之入射光光軸的方向變化。在本實施例中，光子集成電路810包括一個光學介質813，折射元件811，支撐元件817，和一個電壓源815耦合至該折射元件811和該光學介質813。在部分實施例中，折射元件811可以包括一個表面曲面或一組週期性結構，藉由本說明書中所描述的折射元件來實現。舉例來說，正電荷可以累積在折射元件811尖端的底部，而負電荷可以累積在光學介質813頂部靠近811尖端處，形成靜電力以改變折射元件811和光學介質813之間的距離。由於支撐元件817僅支撐折射元件811的一端，所述折射元件811可視作是一個懸臂。該靜電力使得折射元件之相對入射光光軸的方位產生變化，如箭頭819所示。在部分實施例中，在該方向上的變化可以用於調節入射光進入折射元件811的入射角。在部分實施例中，在該方向上的變化可以用於調節從光學介質813進入折射元件811之光信號的入射角度。
圖9繪示製造一種折射元件的流程圖之一例。流程900可以如所示順序進行，或與圖示的順序不同。部分在流程900中的步驟亦是選擇性的。該流程900可以藉由包括一數據處理裝置的系統進行，如一個或多個計算機控制一個或多個設備來執行對應之製造步驟。
該系統可用來製造一光子集成電路 (902) 。光子集成電路的製造可藉由CMOS兼容之製造技術或其組合來實現。例如，投影式曝光、電子束曝光、接觸曝光，或任何其它合適的曝光技術來用於圖案化該光子集成電路。再者，乾蝕刻、濕蝕刻，或任何其它合適的蝕刻技術亦可用於蝕刻圖案化之光子集成電路。再者，如化學氣相沉積，電漿增強化學氣相沉積，濺射法沉積，或任何其它合適的薄膜沉積技術亦可來用於沉積一層或多層材料於光子集成電路上。
該系統亦可用來形成折射元件 (904)之表面曲面。在部分實施例中，折射元件可以直接黏接至基底上的一層材料上。參考圖8A，折射元件801可以藉由黏接之方式至一支撐元件807上。在部分實施例中，折射元件之表面曲率可以藉由灰階光罩製程而形成。在部分實施例中，折射元件之表面的曲率為製程相關之應力所造成。
該系統亦可用來製造折射元件 (906) 之週期性結構。在部分實施例中，該週期性結構填充一種或多種與該折射元件基材之等效折射率不同的材料。在部分實施例中，該組週期性結構中一個或多個週期性結構半徑與其他一個或多個週期性結構半徑不同。舉例來說，該組週期性結構中之一部分結構之光子晶體孔洞半徑與其餘之光子晶體孔洞半徑不同。在部分實施例中，該組週期性結構中大多數的結構具有局部非週期性。
本領域人員可知對於本案上述實施方式可做種種變化而不脫離本發明範圍之的精神。例如，上述步驟可以變化順序、添加或是刪除步驟。在圖9之的步驟906可在步驟904前進行。
在本說明書中所述的實施方式及功能操作可以在數位式電子電路中或計算器軟體、韌體或硬體中實現。實施方式也可以被一個或多個計算器程式所實現，即計算器程式指令的一個或多個程式碼區塊上在計算器可讀媒體中以編碼形式儲存以供後續執行，或者藉由該程式控制資料處理裝置的操作。計算器可讀媒體可以是機器可讀儲存設備、機器可讀儲存式基板、儲存器設備、可影響機器可讀傳輸信號的物質，或其一個或多個的組合。該計算器可讀介質可以是一種非臨時性計算器可讀媒體。其中，資料處理裝置包括用以處理資料的所有裝置、設備和機器，例如可程式化處理器，計算器或多個處理器或計算器。裝置除了硬體還包含用以創造電腦程式詢問執行環境的程式碼，例如構成處理器固件、協定堆疊、資料庫管理系統、資料庫管理系統、作業系統，或其一或多個組合的程式碼。傳播信號可為人工生成信號，例如由機器產生用來編碼及傳遞至合適接收裝置的電、光、或電磁信號。 計算器程式(也稱為程式、軟體或程式碼)可以用任何形式的程式設計語言編寫，包括編譯或解釋語言，且可以任何形式存在，包括獨立程式或者模組或其他適於在計算器環境中使用的其它單元組合。計算器程式不一定對應於檔案系統中的檔。程式可以被儲存為具有其他程式或資訊的檔的一部份(例如儲存在標記語言文檔中(Markup Language)的命令程式)、在單一檔中專用詢問程式，或協同檔(例如存儲一或多個模組、副程式或部分程式碼的檔)。計算器程式可以在一或多個計算器上展開以及執行，其中多個計算器可以是在相同地點的計算器，或者是分佈在不同地點並通過網路互連的計算器。 在本說明書提及的程式及設計邏輯流程可由一或多個可程式化處理器執行一或多個計算器程式以完成輸入資訊操作並產生輸出資訊。此外，程式及邏輯流程也可以利用專用邏輯電路，例如現場可程式化閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)或專用積體電路(Application-specific integrated circuit, ASIC)來執行。 適合於計算器程式執行的處理器例如通用和專用微處理器，以及任何類型的數位計算器的任何一或多個處理器。一般來說，處理器可接收來自唯讀記憶體或隨機存取記憶體或其兩者的指令和資料。計算器的基本元件包含用於執行指令的處理器及用於儲存指令和資料的一或多個記憶體。計算器通常還可以選擇性地包含用以接收、傳送資料或同時接收及傳送資料的一或多個大型存放區設備，例如磁片、磁光碟或光碟。此外，計算器可以嵌入其他設備中，例如平板電腦、行動電話、個人數位助理(PDA)、移動音訊播放機、全球定位系統（GPS）接收器。適於儲存計算器程式指令和資料的計算器可讀媒體包括所有形式的非揮發性記憶體，媒體和記憶體，例如包括半導體記憶體設備(例如為EPROM、EEPROM和快閃記憶體)、磁片(例如硬碟或行動硬碟)、磁光碟、CD-ROM和DVD-ROM光碟。處理器和記憶體可以被擴充或專用邏輯電路中。 為了與使用者互動，計算器還可以包含顯示資訊給使用者的顯示裝置和供使用者輸入資訊到計算器的鍵盤和指示設備，顯示裝置例如陰極射線管(CRT)或液晶顯示器(LCD)，指示設備例如滑鼠或軌跡球。當然，計算器也可以通過其他種類的設備，例如提供感官回饋(例如為視覺回饋、聽覺回饋或觸覺回饋)以與用戶互動，同時也接收用戶以任意形式(包含聲音、語音或觸覺)輸入的資訊。 前述實施方式可在電腦系統中執行，電腦系統包含後端元件(例如資料伺服器)、中間元件(例如應用伺服器)或前端元件(圖形化使用者介面或網路流覽器)。通過電腦系統，使用者可以實行技術所揭示內容。電腦系統的元件可以通過任何形式或數位資料通信，例如網路。網路可包括局部區域網(LAN)和廣域網路(WAN)，例如網際網路。 該計算系統可以包括用戶端和伺服器。用戶端和伺服器通過網路達到溝通效果。用戶端和伺服器藉電腦程式及用戶端-伺服器的架構關係以在不同計算器上協同運行。 以上列舉為本發明的部分實施例，而關於本發明的其他進一步實施例，亦可在不偏離本發明基本範疇下設計出來，因此本發明的範疇由以下的申請專利範圍決定。本文介紹的各種實施例，或者其中的某些部分，可單獨成為一實施例或結合起來創造更進一步的實施例。
同時，雖然本發明的操作在附圖中以一個特定的順序描述，但不應被理解為需要依所描述的特定順序或者以連續循序執行這樣的操作，亦不應被理解為需要執行所有圖示的操作才能達到期望的結果。在某些情況下，多工和並行處理皆可達成目標。此外，各種系統或程式元件在上述實施例中若以分離的方式描述之，其不應被理解為此分離為必須，而應當被理解為所描述的程式元件和系統一樣，可以集成，或在單個軟體產品，或封裝為多個軟體產品。
100‧‧‧光子集成電路
101‧‧‧折射元件
103‧‧‧表面
105‧‧‧週期性結構
107‧‧‧光學介質
111‧‧‧光
113‧‧‧聚焦光束
119‧‧‧外部介質
120‧‧‧光子集成電路
131a-131e‧‧‧折射元件
121‧‧‧透鏡部分
123‧‧‧週期性結構部分
125‧‧‧第一組週期性結構
127‧‧‧第二組週期性結構
140‧‧‧多層折射元件
141‧‧‧層
143‧‧‧層
145‧‧‧層
150‧‧‧多層折射元件
151‧‧‧層
153‧‧‧層
155‧‧‧層
160‧‧‧層疊折射元件
161‧‧‧第一折射元件
163‧‧‧第二折射元件
200‧‧‧光子集成電路
201‧‧‧折射元件
203‧‧‧光學介質
204‧‧‧覆蓋元件
205‧‧‧基底
207‧‧‧主動元件
208‧‧‧入射光
209‧‧‧光
210‧‧‧光子集成電路
211‧‧‧折射元件
213‧‧‧光學介質
214‧‧‧覆蓋元件
215‧‧‧外部介質元件
218‧‧‧入射光
219‧‧‧光
221‧‧‧光
331‧‧‧週期性結構
301‧‧‧a-n週期結構
303‧‧‧a-n週期結構
332‧‧‧週期性結構
305‧‧‧a二維週期性結構
305b‧‧‧基材層
333‧‧‧週期性結構
307‧‧‧a-n二維矩形週期性結構
308‧‧‧層
321‧‧‧x方向
322‧‧‧y方向
334‧‧‧週期性結構
310‧‧‧層
400‧‧‧光子集成電路
401‧‧‧第一折射元件
403‧‧‧第二折射元件
405‧‧‧第三折射元件
407‧‧‧第四折射元件
411‧‧‧具有寬頻訊號的光
421‧‧‧光
423‧‧‧光
427‧‧‧光
500‧‧‧光學元件
501‧‧‧折射元件
503‧‧‧光學介質
510‧‧‧光學元件
511‧‧‧折射元件
513‧‧‧光學介質
520‧‧‧光學元件
521‧‧‧折射元件
523‧‧‧側壁
530‧‧‧光學元件
531‧‧‧折射元件
533‧‧‧側壁
600‧‧‧光子集成電路
601‧‧‧折射元件
602‧‧‧第一摻雜區
604‧‧‧第二摻雜區域
610‧‧‧集成光電路
611‧‧‧折射元件
612‧‧‧第一摻雜區
614‧‧‧第二摻雜區
616‧‧‧第三摻雜區域
620‧‧‧光子集成電路
621‧‧‧折射元件
622‧‧‧a-n摻雜區域
630‧‧‧集成光路
631‧‧‧折射元件
633‧‧‧光學介質
635‧‧‧第一摻雜區域
637‧‧‧第二摻雜區域
700‧‧‧光子集成電路
701‧‧‧折射元件
703‧‧‧光學介質
705‧‧‧電壓源
710‧‧‧光子集成電路
711‧‧‧折射元件
713‧‧‧光學介質
715‧‧‧電壓源
800‧‧‧光子集成電路
801‧‧‧折射元件
803‧‧‧光學介質
805‧‧‧電壓源
807‧‧‧支撐元件
809‧‧‧箭頭
810‧‧‧光子集成電路
811‧‧‧折射元件
813‧‧‧光學介質
815‧‧‧電壓源
817‧‧‧支撐元件
819‧‧‧箭頭
902-906‧‧‧步驟
圖1A為本發明光學裝置其一實施例之示意圖。
圖1B，1C，1D為本發明光學裝置中之折射元件部分實施例示意圖。
圖1E為層疊多個折射元件之部分示意圖。
圖2A及2B為繪示本發明在光學集成電路中濾光或偏折光之部分示意圖。
圖3A-3D為折射元件中週期性結構之部分實施例示意圖。
圖4為多個折射元件匯集成一光學集成系統之示意圖。
圖5A-5D為折射元件之曲面和應力關係示意圖。
圖6A-6D為折射元件耦合至一參雜區域之示意圖。
圖7A-7B為折射元件藉由壓電效應調控之示意圖。
圖8A-8B為折射元件藉由電容效應調控之示意圖。
圖9為形成本發明之折射元件之部分流程圖。
在本發明圖示中，類似的圖號代表類似的元件。再者，本說明書所述之個別實施例僅為說明及描述用，而非用來限定本案發明之保護範圍。
100‧‧‧光子集成電路
101‧‧‧折射元件
103‧‧‧表面
105‧‧‧週期性結構
107‧‧‧光學介質
111‧‧‧光
113‧‧‧聚焦光束
119‧‧‧外部介質

Claims (20)

  1. 一種光學裝置，包含： 一個光學介質，與一個在該光學介質上的折射元件，該折射元件包含： 一表面具有一特定曲率半徑，和一組在該表面上的週期性結構， 且該折射元件係用來對於一入射光之一個或多個波長範圍進行折射或濾光之功能。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，更包含： 一個位在該折射元件上的覆蓋元件，又該覆蓋元件之等效折射係數低於該折射元件之等效折射係數。
  3. 如申請專利範圍第2項之光學裝置，又該覆蓋元件係由一層或多層氮化物、氧化物、空氣，或有機材料所組成。
  4. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，又該組週期性結構具有相對應一光軸之90度旋轉對稱性。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，又該光學介質更包含至少一個主動元件，可用來吸收至少一部分入射光或發光。
  6. 如申請專利範圍第5項之光學裝置，又該主動元件係由一層或多層矽、鍺、錫，或三五族化合半導體所組成。
  7. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，更包含一第二折射元件光耦合至該折射元件。
  8. 如申請專利範圍第7項之光學裝置，該第二折射元件更包含一第二組週期性結構。
  9. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，更包含： 一耦合至該折射元件之調變元件，該調變元件可藉由外部提供之電場造成該折射元件內之載子濃度或機械結構變更，以改變該折射元件之等效折射係數。
  10. 如申請專利範圍第9項之光學裝置，該調變元件更包含一p-n接面，藉由外部提供之電場以改變該折射元件之載子濃度及其等效折射係數。
  11. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，更包含： 一調變元件耦合至該折射元件，該調變元件可用來改變至少一部分離開該折射元件之光的指向、其聚焦深度，或改變由該折射元件之該組週期性結構過濾後的一個或多個波長範圍。
  12. 如申請專利範圍第11項之光學裝置，該調變元件包含一微電機系統，藉由外加電場施加應力以改變 (i) 該折射元件表面之特定曲率半徑，(ii) 該折射元件相對於該光學介質之位置，(iii) 或該折射元件相對於入射光光軸之方向。
  13. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，該折射元件表面之特定曲率半徑係由製程相關的應力所造成。
  14. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，該折射元件表面之特定曲率半徑係由灰階光罩製程所形成。
  15. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，該組週期性結構造成之聯合相位改變係用來聚焦或放焦入射光。
  16. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，該組週期性結構係藉由導波模態共振以濾除入射光的一個或多個波長範圍。
  17. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，該折射元件包含一部份被氮化物或氧化物或空氣所填滿的矽基底。
  18. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，為了過濾，聚焦，放焦一個或多個入射光波長範圍，(i) 該組週期性結構中一個或多個週期性結構可填充一種或多種與該折射元件之基材等效折射係數不同的材料，或(ii) 該組週期性結構中之一部分結構之光子晶體孔洞半徑與其餘之光子晶體孔洞半徑不同，或 (iii) 該週期性結構中大多數的結構具有局部之非週期性。
  19. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，該光學介質之厚度係對應於該折射元件之焦距。
  20. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，該折射元件係粘接至在該光學介質上。
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