TW201702661A - 光學曲折結構 - Google Patents

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杰坤 馬特瑞斯
麥可Ｒ Ｔ 譚
沙吉 馬邵爾
惠妮Ｖ 索倫
保羅Ｋ 羅森伯格
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Abstract

根據本揭示內容之一方面的示範裝置包括：能傳送光線的一板體，以及設置於該板體之第一及第二表面上的多個透鏡及濾波器。該等透鏡包括一抗反射塗層，其在該等多個透鏡在該板體之一端的至少一者上，用以通過該抗反射塗層耦合光線；以及一反射塗層，其設置於該等多個透鏡之其餘者上，以使該等透鏡反射光線。該等濾波器偏離該等透鏡以形成一光學曲折體。

Description

光學曲折結構
本發明係有關於光學曲折結構。
通訊架構可能涉及能在節點之間傳送訊號的光訊號及互連。多工器或解多工器可用來劃分或組合訊號。不過，此類組件可能與昂貴的材料及製造步驟相關聯，且易受溫度變化影響。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種裝置，其係包含：用以傳送光線的一板體；設置於該板體之一第一表面上的多個透鏡；一抗反射塗層，其設置於該板體的該等多個透鏡中之至少一者上，以穿過該抗反射塗層來耦合光線；一反射塗層，其設置於該等多個透鏡中之其餘者上，以使該等透鏡反射光線；以及與對應多個波長相關聯的多個濾波器，其等設置於該板體之相對於該第一表面的一第二表面上，其中該等多個濾波器係偏離該等多個透鏡以形成一光學曲折體。
100、200、300、400‧‧‧裝置
110、310、410、510‧‧‧板體
120‧‧‧(凸)透鏡
122、422‧‧‧(抗反射)塗層
124、424‧‧‧(反射)塗層
130、330、530‧‧‧濾波器
202‧‧‧傳送光纖
204‧‧‧接收光纖
206‧‧‧傳送器
208‧‧‧接收器
210‧‧‧板塊/裝置
220、320、420、520‧‧‧透鏡
230‧‧‧(薄膜)濾波器
301‧‧‧焊球
340、440‧‧‧光柵
360、460、560‧‧‧波導層
362‧‧‧埋置氧化物層BOX層
402、502‧‧‧光纖
500‧‧‧(傳送)裝置
522、524‧‧‧塗層
550‧‧‧反射鏡
600‧‧‧流程圖
610~650‧‧‧區塊
λ1、λ2、λ3、...λn‧‧‧所欲波長
圖1係為根據一實施例構成之包括一板體 (slab)、多個透鏡及多個濾波器的裝置之示意圖。
圖2係為根據一實施例構成之包括一板體、多個透鏡及多個濾波器的裝置之示意圖。
圖3係為根據一實施例構成之包括一板體、多個透鏡、多個濾波器及一波導層的裝置之示意圖。
圖4係為根據一實施例構成之包括一板體、多個透鏡、及含有多個光柵之一波導層的裝置之示意圖。
圖5係為根據一實施例構成之包括一板體、多個透鏡、及含有多個反射鏡之一波導層的裝置之示意圖。
圖6係為根據一實施例之基於在一板體內傳送光線的流程圖。
過去到現在多工器及/或解多工器的形成係使用與以下缺點有關的有損結構(例如中階梯光柵)，包括需要高度製造容限、伴隨溫度變化的操作漂移、需要熱微調、以及浪費電力。
相形之下，本文中描述的實施例致能多工器及解多工器途徑基於例如曲折結構，以組合或分離多個波長(例如顏色)。此類結構可充分利用諸如薄膜濾波器及其他的特徵，以最小化用電量，以及實現對於極化及溫度變化的高度隔離及不敏性。實施例也可提供多維度的整合，例如包括多工器與解多工器在單一裝置中配置成一個二維陣列。實施例可充分利用光子積體電路，致能小型低成本的單石積體化裝置。
圖1係為根據一實施例構成之包括板體110、多個透鏡120及多個濾波器130的裝置100之示意圖。圖示光線進入多個濾波器130，在由板體110形成的空腔內來回彈跳，且通過抗反射塗層122離開。因此，圖1的裝置100用來多路傳輸(multiplex)在濾波器130收到與在抗反射塗層122射出的光線。透鏡120設置於板體110上面的一第一表面上以重新聚焦光線(否則在板體110中可形成需要用透鏡120聚焦的輻散波束(diverging beam))。濾波器130可與所欲波長相關聯，例如λ1、λ2、λ3、...λn，使得該等濾波器傳送所欲波長進入板體110(在用作多工器時)，同時反射其他波長。當用作解多工器時，一濾波器允許所欲波長離開板體110，同時反射其他波長。
儘管未具體圖示於圖1，光線可使用波導及/或光柵耦合器、反射鏡或其類似者耦合進入或離開板體110。例如，板體110可與設置於板體110下面之一第二表面上的波導層耦合或整合，以耦合光線進入或離開板體110。該等光源可提供作為耦合至波導的矽光子技術結構(silicon photonics)，以及板體110可由與矽光子技術結構或波導不同的材料形成，例如玻璃或塑膠，以降低成本及改善溫度變化容限。在替代實施例中，板體110可由矽、二氧化矽或其他材料形成。
因此，藉由整合裝置形貌體於矽中，示範裝置的製造可基於矽製造技術。裝置的諸層，包括由不同材料形成的層，可接合在一起以形成較厚的層體(例如，使兩片矽 接合在一起以形成板體110)。板體110可由諸如二氧化矽、矽、氮化物以及可在反應器中成長之其他材料的材料形成。因此，示範裝置可充分利用製造許多裝置的量產製造以實現較低的生產成本。
在一示範裝置中，基於蝕刻去掉板體110上表面的周圍部份以製成凸透鏡120，製造技術可用來由板體110的上表面形成透鏡120。在替代實施例中，透鏡120可獨立形成及接合至板體110的上表面。透鏡120圖示為板體110的凸形部份，然而在替代實施例中(未圖示)，透鏡120可以形成為光柵或高對比光柵，例如，以在板體110與輸入或輸出光纖之間耦合及/或聚焦光線。儘管圖示4個透鏡120，然而在替代實施例中，可使用更多或更少個透鏡120，例如，可使用個數等於任意數n的透鏡120(例如，對應波長λn的數目)。可用塗層122、124改變透鏡120。
反射塗層124可用來造成該等透鏡120中之至少一部份作為反射鏡。抗反射塗層122可使用於在板體110之一端的至少一透鏡120上，以避免造成光線反射離開(或進入)板體110。基於製造技術，該等塗層可成長至所欲厚度。
該等濾波器130表現多個波長λn，且可對應至顏色，例如紅、黃、綠、藍等等(包括不可見的波長範圍)。給定濾波器可傳送它的對應波長，以及反射其他波長。濾波器130可以形成為薄膜濾波器、反射鏡、光柵及/或其他合適組件以選擇性反射光線的波長。濾波器130設置於板體110的第二面上，即底面。在一實施例中，濾波器130的形 成可藉由蝕刻，例如，在板體110由與濕蝕刻相容之矽或其他材料形成的實施例中，蝕刻板體110的底面。在替代實施例中，濾波器130的形成可藉由蝕刻設置於板體110之第二表面上的一獨立層(未圖示於圖1，例如波導層)，以設置濾波器130於板體110的第二表面上。
圖2係為根據一實施例構成之包括板體210、多個透鏡220及多個濾波器230的裝置200之示意圖。雖然為使描述簡潔將透鏡220圖示為圓圈，然而基於圖1的側視圖，其亦可形成為凸半球形狀。透鏡220設置於板體210的第一表面上且有對應塗層(反射/抗反射)，以傳送及接收來自傳送光纖202及接收光纖204的光線。透鏡220排列成一個二維陣列，使得板體210能送出及接收訊號。該陣列可擴展超過兩維及/或超過圖示的兩個橫列及四個透鏡/濾波器。例如，板體210可縱向擴展以容納由濾波器/透鏡組成的額外橫列，以及橫向擴展以容納額外的直行。
多個濾波器230設置於板體210的第二表面上。如圖示，給定濾波器230跨越板體210的寬度足以與由透鏡220組成的兩個集合互通。多個傳送器206設置於板體210下方，以傳送訊號通過濾波器230進入板體210。多個接收器208設置於板體210下方，以接收來自板體210通過濾波器230的訊號。因此，示範的裝置200可整合由傳送器206及/或接收器208組成的陣列，以及共享薄膜濾波器230與由板體210形成的曲折空腔。該示範裝置可擴展以整合由傳送器及/或接收器組成的多個陣列。圖2圖示經由傳送器206及接 收器208能整合多工器及解多工器機能的二維陣列。在替代實施例中，裝置可整合由多個傳送器206組成的陣列而不包括接收器208，以及裝置可整合由多個接收器208組成的陣列而不包括傳送器206。
傳送器206可基於由雷射及調變器或其他合適組件組成的陣列用以採對應波長傳送訊號至板體210。雷射/調變器可與矽或其他材料的製造相容。傳送器206可與裝置210的其他組件預對準，彼等已基於併入微影製造步驟的對準，而不需要基於微影製造執行這些組件的獨立/專屬對準。板體210的製造也可利用微影製造(例如矽的板體210)。在替代實施例中，板體210可由玻璃、塑膠等等製成，使用在板體210及製作部份兩者上的基準點，它可精確對準經預對準的製作部份(例如矽基板)。
接收器208可基於光偵測器或其他合適組件用於接收來自板體210有對應波長的訊號。為了處理來自接收光纖204的光訊號，薄膜濾波器230選擇性反射光線，以允許與該濾波器230相關聯的特定波長通過濾波器230，且反射其他波長。在給定濾波器230下方可設置一對應接收器208，例如經由光柵耦合的波導光偵測器，或製造於矽、鍺等等上的面照式光偵測器。
例如，對於光線的小入射角而言濾波器230可為極化無關(polarization independent)。極化無關性有用於與解多工器整合成為接收器，因為來自接收光纖204的光線/訊號可能有未知/隨機的極化狀態，例如線性或圓形的極化 狀態。因此，濾波器230可讓裝置200有極化不敏性。
裝置200能在同一個板體210上同時兩路雙向通訊，不論是接收還是傳送光線。裝置200的多維本質能有例如用於傳送器206的一橫列透鏡，以及用於接收器208的一橫列透鏡。裝置200可任意擴展，例如包括多個橫列或直行以與光纖陣列配合，例如1x12光纖陣列，1x16光纖陣列、及其他者(例如，支援任意陣列大小的nxm橫列及直行)。
圖3係為根據一實施例構成之包括板體310、多個透鏡320、多個濾波器330、及波導層360的裝置300之示意圖。波導層360包括設置於其上的光柵340。波導層360設置於例如矽之基板的埋置氧化物(BOX)層362上。透鏡320設置於板體310的第一表面上，而濾波器330設置於板體310的第二表面上。板體310使用焊球301覆晶焊料回焊到波導層360上。焊料回焊使板體310能自我對準於波導層360。塗層可設置於透鏡320上(然而該等塗層未具體圖示於圖3)。
波導層360可提供作為矽晶絕緣體(SOI)基板的頂層，它在BOX層362上面。板體310可接合至SOI基板，以使板體310的反射鏡320及濾波器330對準波導層360的光柵340。因此，裝置300可基於將板體310製成外部曲折空腔(有透鏡320及濾波器330)，以及藉由最大化在板體310輸出處的輸出訊號(如向板體310右邊離開板體310的光線所示)來主動對準光柵340。替換地，板體310與光柵340的被動對準可藉由焊料回焊自我對準達成。如圖示，基於覆晶總成(flip-chip assembly)，板體310及基板可對準及組裝於基板 及波導層360上。然後，可回焊焊球301以固定該總成。在替代實施例中，取代及/或除焊球以外的銅柱可用來組裝裝置300。焊球301可讓板體310與波導層360之間有一間隙，以防濾波器330與光柵340直接接觸。該間隙可填滿空氣、流體或其他耦合材料，以促進光線/訊號在光柵340與濾波器330之間傳遞。焊球301可沿著裝置300分佈以提供電氣連接及機械支撐。
光柵340可由矽或其他合適材料製成。光柵340可充當光學耦合器，讓來自波導層360的光線能在波導層360中從任何角度向上引導進入板體310(或反之，在解多工器的情形下，接收來自板體310的光線向下進入光柵340)。光柵340可引導光線以特定的角度向上離開波導層360，以耦合進入由板體310形成的曲折結構。因此，板體310及波導層360(及相關基板)可形成平面幾何形狀，使得緊密且易於製造的裝置300成為有可能。平面幾何形狀讓波導層360能耦合至與波導層360處於平面排列的光源，以把來源光線引進波導，它可由光柵340傳送向上進入板體(反之，就耦合至處於平面排列之數個接收器的接收器裝置而言，在此光線被光柵340接收且耦合進入波導層360)。光柵340的形成可根據給定極化取向使用線性配置的一序列蝕刻線(etched line)。在替代實施例中，光柵340可為極化不敏感，例如，基於圓形的光柵340。
裝置300圖示成有由濾波器330及光柵340組成的獨立集合。不過，在替代實施例中，可省略濾波器330或光 柵340。使用濾波器330及光柵340兩者使得在極密的容限下有高度精確的一致性。在容限更寬鬆的應用中，只有光柵或只有濾波器可用來提供過濾及耦合在板體310與波導層360之間的光線。
基於由裝有波導層360之板體310提供之曲折配置的示範性裝置300，能有訊號的高度隔離以及極化和溫度不敏性。例如，板體310及波導層360可由不同材料形成。因此，對比於由與矽相比呈溫度不敏感之非矽材料之板體310形成的曲折，矽的製造效益可用來形成波導層360及基板，從而在板體310中可避免與溫度敏感性相對高於板體材料之矽相關聯的溫度敏感問題。因此，設置於板體310上的透鏡320與濾波器330(及/或光柵340)在較寬溫度的範圍可維持精確對準。
圖4係為根據一實施例構成之包括板體410、多個透鏡420、及含有多個光柵440之波導層460的裝置400之示意圖。一部份的透鏡420包括反射塗層424，而在板體410之一端的至少一透鏡420包括讓光線在該透鏡420與光纖402之間傳遞的一抗反射塗層422。
波導層460設置於基板上，且可由例如矽或其他合適材料形成。該基板可提供作為晶圓，以製造多個裝置400。板體410可單晶成長於基板上，例如，成為二氧化矽，以形成曲折空腔。替換地，二氧化矽層也可設置於基板上作為接合至基板SOI晶圓的第二晶圓。可在接合前加工個別晶圓的諸層，例如藉由蝕刻光柵440進入SOI基板晶圓的裝 置層，然後在頂部接合附加晶圓。
如裝置400所示，不使用獨立的濾波器及光柵。反而，光柵440形成於波導層460中，使得光柵440也充當波長選擇型濾波器以選擇所欲波長。在一實施例中(例如，在極化無關性合乎需要的接收器中)，光柵440可以形成為極化無關的圓柱(round post)。在替代實施例中，極化多樣性方案可用來分離個別極化，例如，每一所欲波長使用兩個正交線性光柵耦合器。因此，示範性裝置400可直接有效率及緊湊地形成於包括整合光柵440、透鏡420、及/或塗層422、424的矽基板上。多個裝置400可因此製造於晶圓上，隨後該晶圓可切成多個裝置400以便高效製造。
圖5係為根據一實施例構成之包括板體510、多個透鏡520、及含有多個反射鏡550之波導層560的裝置500之示意圖。透鏡520包括塗層522、524，以使板體510能配合選擇性傳送或反射所欲光線波長的波長選擇型之濾波器530而作為曲折空腔來操作。
反射鏡550可根據製造技術形成。例如，波導層560可蝕刻至適當角度以使射入光線轉到波導平面。控制光轉向表面的反射率可藉由選擇性成長不同的材料層、沉積金屬、或利用光柵。在板體510與波導層560之間傳遞的光線可由反射鏡550反射，而有類似於在說明圖3時提及的平面幾何形狀。例如，數個光源可經配置成光線向右通過波導層560，且被反射鏡550反射向上通過濾波器530，這提供圖示的傳送裝置500(多工器)。反之，為了當接收器/解多 工器操作，來自光纖502的光線可進入板體510，通過濾波器530，以及被反射鏡550反射以在向左方向沿著波導層560的平面通過，如圖示。儘管濾波器530及反射鏡550圖示為兩個獨立元件，然而在替代實施例中，濾波器530可形成於反射鏡550上或以其他方式整合。
參照圖6，其中圖示根據本揭示內容之各種實施例的一流程圖。該流程圖代表可用於在說明前述附圖時提及之各種系統及裝置的方法。儘管以特定順序圖解說明，本揭示內容無意限制。反而，顯然可預期不同的方法可以不同的順序發生及/或與圖示方法以外的其他方法同時發生(例如，取決於裝置是否以多工器或解多工器操作)。
圖6係為根據一實施例圖示基於在一板體內傳送光線的流程圖600。在區塊610，光線在一板體內傳送。例如，板體可充當曲折空腔以允許光線在板體的第一表面與板體的第二表面之間來回反射。在區塊620，用設置於該板體之一第一表面上的多個透鏡聚焦該光線。例如，凸透鏡可基於蝕刻該板體之第一表面由該第一表面形成，以將該等透鏡形塑成在光線反射自該板體之第一表面時光線可在該等透鏡聚焦。在區塊630，由設置於該等多個透鏡之一部份上的一反射塗層來反射該光線。例如，朝向該板體之第一表面的光線可進入透鏡，射中反射塗層，以及向後反射離開透鏡同時被聚焦。在區塊640，光線係穿過在該板體之一端設置於該等多個透鏡中之至少一者上的抗反射塗層。例如，最後一個透鏡橫列(在透鏡陣列中)可包括抗反射塗層 以在接收及/或傳送光纖之間耦合光線。在區塊650，用與對應多個波長相關聯的多個濾波器來過濾光線，彼等設置於該板體之相對於該第一表面的一第二表面上。該等多個濾波器偏離該等多個透鏡以形成一光學曲折結構。例如，光線可遵循通過板體的曲折路徑從透鏡傳遞到反射鏡，同時被透鏡重新聚焦以及被濾波器選擇性過濾/反射。在給定濾波器處，對應至該濾波器的所欲波長可通過濾波器，同時其餘的波長在板體內被向後反射。
100‧‧‧裝置
110‧‧‧板體
120‧‧‧(凸)透鏡
122‧‧‧(抗反射)塗層
124‧‧‧(反射)塗層
130‧‧‧濾波器
λ1、λ2、λ3、...λn‧‧‧所欲波長

Claims (15)

  1. 一種裝置，其係包含：用以傳送光線的一板體；設置於該板體之一第一表面上的多個透鏡；一抗反射塗層，其設置於該板體的該等多個透鏡中之至少一者上，以穿過該抗反射塗層來耦合光線；一反射塗層，其設置於該等多個透鏡中之其餘者上，以使該等透鏡反射光線；以及與對應多個波長相關聯的多個濾波器，其等設置於該板體之相對於該第一表面的一第二表面上，其中該等多個濾波器係偏離該等多個透鏡以形成一光學曲折體。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該等多個透鏡係由該板體之一部份一體形成，其係基於對該板體之該第一表面的一部份蝕刻到該等多個透鏡中。
  3. 如請求項1所述之裝置，其更包含一波導層，其以與該板體實質平行的一平面排列方式耦合至該板體，以執行以下步驟中之至少一者：i)在一平面定向從該波導層引導光線在一角度定向進入該板體，以及ii)在一角度定向接收來自該板體的光線在一平面定向進入該波導層。
  4. 如請求項3所述之裝置，其中該波導層包括多個反射鏡，用以引導要在該波導層與該板體之間傳遞的光線。
  5. 如請求項3所述之裝置，其中該波導層包括多個光柵耦合器，用以引導要在該波導層與該板體之間傳遞的光 線。
  6. 如請求項5所述之裝置，其中該波導層的該等光柵耦合器作為設置於該板體上的該等多個濾波器。
  7. 如請求項3所述之裝置，其中該波導層係基於覆晶焊球總成而對準及耦合至該板體。
  8. 如請求項3所述之裝置，其中該波導層耦合至該板塊係基於以下項目中之至少一者：i)該板體單晶成長於該波導層上，以及ii)該板體接合至該波導層上。
  9. 如請求項3所述之裝置，其中相較於該波導層，該板體由溫度敏感性小於該波導層的一材料形成，以避免該板體的溫度誘發變化。
  10. 如請求項1所述之裝置，其中多個濾波器中之至少一者係由一薄膜濾波器組成。
  11. 如請求項1所述之裝置，其中該等多個透鏡中之至少一者係由一光柵組成。
  12. 如請求項1所述之裝置，其中該等多個透鏡排列成一n維陣列，其設置於該板體之該第一表面上，以與多個濾波器互動來形成一n維曲折體。
  13. 一種裝置，其係包含：能傳送光線的一板體；設置於該板體之一第一表面上的多個透鏡；一抗反射塗層，其設置於該板體的該等多個透鏡中之至少一者上以穿過該抗反射塗層來耦合光線；一反射塗層，其設置於該等多個透鏡之其餘者上以 使該等透鏡反射光線；以及與對應多個波長相關聯的多個濾波器，其等設置於該板體之相對於該第一表面的一第二表面上以形成一光學曲折體，其中該等多個濾波器係為極化無關(polarization independent)。
  14. 如請求項13所述之裝置，其中該等多個濾波器係由多個光柵組成。
  15. 一種方法，其包含下列步驟：在一板體內傳送光線；利用設置於該板體之一第一表面上的多個透鏡來聚焦該光線；由設置於該等多個透鏡之一部份上的一反射塗層來反射該光線；將光線傳送通過設置於該板體之該等多個透鏡中之至少一者上的一抗反射塗層；以及利用與對應多個波長相關聯的多個濾波器來過濾該光線，該等濾波器設置於該板體之相對於該第一表面的一第二表面上，其中該等多個濾波器偏離該等多個透鏡以形成一光學曲折體。
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