CN1549938B - 集成透明衬底及衍射光学组件 - Google Patents

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Abstract

示出了在衬底上形成的衍射光学组件(DOE)。一个实施例中所述DOE的特征在于：在所述衬底的顶表面每个都单独产生多个元件。所述元件可以通过将多晶硅材料沉积在所述衬底或者通过在所述衬底形成硅晶体并进行蚀刻步骤而形成。可以使用所述DOE反射在所述衬底中以全内反射的方式行进的入射光。可以将形成所述DOE的所述条带的所述宽度、两者之间间隔和所述条带的高度设计得便于在所述衬底中以和所述入射光成锐角的传播方向反射所述入射光。

Description

集成透明衬底及衍射光学组件
技术领域
本发明一般来说涉及集成光学电路，尤其涉及基于安装在透明光学衬底的基于衍射光学组件的集成光学电路。
背景技术
已经提出，通过在透明衬底上安装反射平面光学组件，并通过来自透明衬底的镜表面的内部反射耦合所述组件，能够构造集成光学电路。所述平面光学组件能够以所希望的方式直射、聚焦或者相反衍射入射光学信号。此方法允许以类似于电子集成电路的平面方式构造并互连复杂的光学装置。
由于固有的反射损失和构造有效耦合内部光学信号的平面组件的困难，此方法的成功应用受到了限制。通常通过将金属薄膜应用于透明衬底来构造所述衬底的镜表面，但是已知薄膜材料具有几个百分点的损失，而且如果多个反射必要时，所述信号的强度按指数规律损失。而且，如果平面光学组件和所述衬底表面没有紧密接触，则伴随光学信号在所述衬底的进出，存在大量的损失。
衍射光学组件(DOE)由于能够和所述表面集成，理想地适合于反射平面光学组件，但是，它们也有若干缺点。比较典型地是它们要求金属涂层以便以反射方式运行，而这将会导致光学信号的损失。如果在所述DOE中的衍射物体的大小远大于在所述衬底中的光束长，则它们将所述光衍射为不是想要模式的模态(mode)，这能够导致效率的损失，并引起诸如串扰的不希望误差。通过使用优先以想要方向衍射光线来定形所述物体的发光光栅图案，多少能够简化这种问题。典型地，通过利用成型蚀刻工具制造的锯齿发光衍射光栅是一个例子。尽管如此，发光光栅的三维特性使得它们难于在光学衬底表面制造，无论如何，以不希望的模式和方向进行光的衍射也仍然是问题。
如果衍射物体的大小接近光束波长，则能够通过适当选择入射角和衍射物体的大小，减小或者消除所述不希望的模式或者方向。通常把这样一种装置称作为全息光学组件(HO E)，它是DOE的子集。如果通过形成反射表面深度图案的方法构造这些装置，则由于所述衍射表面的不同深度使得所述衍射光改变相移，所以将它们称作为表面凸纹(relief)或者相位全息图。通过调整所述图案的深度，能够在直射光信号的想要方向上或者模式上调整这些相移使得光进行结构干涉。如果用反射金属膜涂在折射物体的所述图案上，则由于在这样一种装置中被吸收的光能很小，所以损失只有几个百分点这么低。然而，实际上，用表现出高效率并能够有效制造的方法在衬底的所述表面构造这样一种装置是困难的。电子光束能够直接将这些尺寸的图案写到衬底上，但是这是非常慢且昂贵的工艺，并且不适于生成为相位型全息图所要求的表面凸纹。使用压纹(embossing)在透明塑料上再现表面型全息图(例如，信用卡安全全息图)，而这些材料的容差和稳定性对于大多数应用并不适合。
另一方面，通过将摄影感光乳剂对干涉激光图案感光，同样也能够产生大量全息图.衍射物体的图案在所述感光乳剂内产生.用此方法构造的HOE效率能够很高，但是它们极其难于生产并且会受环境的影响而退化.
显然，根据上述问题，需要有一种在能够用相对担负得起的成本批量生产且在具有高光效率的透明衬底表面形成基于衍射光组件的光集成电路的方法。
发明内容
在一个实施例中，提供了具有光学衬底的集成光装置，其中以全内反射的方式，入射光信号以从所述衬底的顶表面反射的初始传播方向在所述衬底中传播。所述集成光学装置同样也有具有多个由光学透明材料组成的空间隔离元件的衍射光学组件，并且这些空间隔离元件安装在所述衬底顶表面之上，以使所述入射光信号在所述衬底中沿着希望的传播方向反射。
根据更进一步的实施例，提供了供光学透明衬底使用并具有多个由第二光学透明材料组成且放置在所述衬底的顶表面的元件的衍射光栅。所述元件以一个间隔距离分开，且具有元件的宽度。选择所述间隔距离和所述元件宽度之和，以使在所述衬底中从所述顶表面以全内反射方式按入射传播方向行进并在所述衍射光栅入射的光信号，被反射为以与入射传播方向成θp角度的反射传播方向在所述衬底中传播并在所述衬底中以全内反射方式传播的第一阶衍射。所反射的传播方向定义了有关传播入射方向的角度，并且所述反射光信号以全内反射的方式在所述衬底中传播。
根据另一个实施例，提供了入射光信号路由选择的方法。所述方法包括：在光学衬底中以全内反射方式从所述衬底的顶表面发送所述入射光的步骤。在所述方法的另一个步骤中为了接收部分入射光信号在所述衬底的所述顶表面之上放置多个被分隔隔离的条带。所述条带被这样放置，以使所述多个条带构成将所述入射光反射为以定义与入射传播方向成一个角度的反射传播方向在所述衬底中传播并在所述衬底中以全内反射方式传播的第一阶衍射的衍射光栅。
根据另一个实施例，提供了使得光信号以全内反射的方式在所述衬底行进且具有由光学透明材料组成的衬底的集成光学装置。所述集成光学装置同样也具有由在所述衬底的顶表面之上放置以使在所述衬底内以希望的传播方向反射所述光学信号的第一组多个分隔间隔的元件组成的第一衍射光学组件。而且，所述集成光学装置具有由第二组多个分隔间隔的元件组成的、且在所述衬底的顶表面之上放置以便从所述第一衍射光学组件接收所反射信号，以及为了输出在所述衬底传播的反射光信号而放置的第二衍射光学组件。
本发明提供了一种集成光学装置，包括：一光学衬底(102)，用于在所述衬底的顶表面(106)处以全内反射的方式以初始传播方向并且在第一平面内传播一入射光信号(104)；以及一衍射光学组件(100)，具有多个由光学透明材料组成并设置在所述衬底的顶表面上的被分隔隔离元件(108)，以与正传播的光信号耦合的渐逝场方式使得以全内反射的方式在所述顶表面上入射的入射光信号(104)衍射到所述衬底中，以便于在与所述第一平面成锐角α的第二平面内传播，其中所述第一平面和所述第二平面正交延伸到所述顶表面(106)。
其中，所述被分隔隔离元件以一分隔距离分开并具有元件宽度，由此选择分隔距离和所述元件宽度之和a，以使在所述衬底中从所述表面以全内反射方式按入射传播方向行进并在所述衍射光栅入射的光信号被反射为以与入射传播方向成θp角度的反射传播方向在所述衬底中传播并在所述衬底中以全内反射方式传播的第一阶衍射，其中所述光信号以大于临界角的θ角度在所述衍射光栅入射，根据垂直于延伸到所述衬底的所述衬底的表面来测量θ，以及其中选择所述和a以使θp大于90°而小于180°.
附图说明
图1是依据一实施例的全息图光学组件的剖视图。
图2是图1的反射光束的方向的全息图光学组件透视图。
图3是用于示范性HOE的角度θP对有关波长的光栅周期的图。
图4是用于示范性HOE的HOE条带厚度对HOE效率的图。
图5是图1中的作为多路分离器使用以将输入信号分离为各种组分波长的全息图光学组件的侧视图。
图6是以全内反射的方式用于将光学信号耦合到一衬底以在其中传播的示范性结构的例图。
图7是将光耦合到该衬底以用于全内反射的的另一方式的侧视图。
图8是将其中形成HOE的条带放置在所述光学衬底之上的另一个HOE剖视图。
具体实施方式
目前所披露的实施例通过提供嵌入定位于能够用标准MEMS材料和制造技术制造的透明衬底上的衍射光学组件的光学装置解决了如上所述的问题。利用所披露的技术，能够形成包括反射入射光的衍射组件在内的大量光学组件。下面的优选实施例以形成可以和光学衬底一起使用的虚镜的HOE形式，解释了衍射光学组件。没有一个实施例要求提供反射涂层。然而，可以使用非HOE衍射光学组件。
代替反射涂层，下文的HOE和衬底适于光以全内反射的方式在光学衬底内行进。全内反射(TIR)是损耗非常低的光学现象，导致在所披露的装置中高效率运行。在HOE中的衍射物体通过全内反射自身优先地衍射光以便减少损耗。而且，设计所描述的HOE以便仅仅允许一种衍射模式存在，这进一步减少了损耗。最好以相位全息图的方式构造所述HOE，这样抑制了反射m＝0的模式，从而允许总的效率接近100％。HOE和所述光学衬底共同作用以反射在其中行进的入射光，以使反射光在TIR方式下同样也在所述衬底中传播，这使得以高的装置效率光学地连接许多HOE。
尽管一般性的描述了如上所述的这些衍射光学组件，但将会了解到本描述更宽范围地规定了构造光学装置的系统并且可以构造的光学装置有很多。事实上，本描述给出了一系列集成衬底和衍射光学组件，或者装置。这些集成的光学组件能够形成诸如反射器、校准仪、衍射光栅、光束分离器以及可变衰减器之类的许多光学装置。所述集成衬底和衍射光学组件同样也起会聚透镜和发散透镜的作用。正如下面的描述所表明的那样，所述描述提供了重现具有许多功用的全息图图案的方法。
图1示出了HOE 100的剖视图和在所述优选实施例中从光学上讲是透光的光学衬底材料.更具体地讲，在诸如用作波分复用(WDM)的红外光长距离通信的C波段的红外区域，所述衬底102从光学上讲应该是透光的.此波段包括了从1528nm至1621nm纳米的波长，而在其他的光通信波段运行同样也是可以予见的.所述衬底102可以由诸如蓝宝石或者石英或者其他适合于在TIR方式下传播光信号且用作下面将详细说明的光刻工艺的etch-stop的衬底材料的各种材料组成.
入射光束104以全内反射的方式穿透所述衬底102，正如所已知的那样，这出现在所述衬底102的外表面边缘的入射临界角之上。在所述优选实施例中，所述衬底102有一个置于空气中的顶表面106。所述衬底的折射指数和空气的折射指数定义了在所述衬底中的全内反射的临界角。
图1中示出了从垂直于顶表面106测量并延伸到所述衬底102的入射角θ。对于由空气边界包围的蓝宝石衬底102，所述临界角大约为35°，于是θ在用于TIR传播的这个值处，或者在这个值之上。即，能够以在所述临界角之上并便于HOE100运行的角度在顶表面106上入射所述光束104。然而，在所述优选实施例中，空气在所述顶表面106之上，为了建立所述TIR的条件，可以在所述衬底102之上放置其他材料，只要这些材料具有低于所述衬底102的折射指数。而且，当所述衬底102的顶表面106和底表面107的TIR提出具有最低成本的最有效设计时，人们会选择性地在顶表面106进行TIR，并使用在所述底表面107上的镜(mirror)或者反射涂层，以反射所述光束104。类似地，在所述底表面107下面将会使用涂敷层。
所述HOE 100由单独的衍射元件108组成，具有任意的形状，直接放置在所述顶表面106。所述元件108可以由任意形状的点、弯曲或者垂直的条带或者形成进行所希望的入射光信号修正的衍射图案的其他形状组成。这样的图案的例子是形成任意曲线的衍射光栅或者镜的图案。如果元件108是所排列图案中的点，则使得HOE 100起接收所述输入104的光束分离器的作用并输入到任意数量的输出方向的反射部分。这样的点会具有圆形、椭圆形、十字形或者正方形的形状，并且由所述元件108所组成的HOE 100图案会根据所述点之间的间隔产生1×2或者1×N的分离器。
在所描述的实施例中，所述元件108由透明光学材料组成。这些元件108产生执行倾斜镜功能的HOE。元件108的几何形状影响HOE 100的特性和操作。图1的所述实施例示出了作为以和顶表面106直接物理接触所形成的条带108的元件，尽管这些条带108也可以略微在所述顶表面106之上放置(见图8)。
条带108可以由单个的晶体硅、多晶硅(poly-silicon)、非晶硅、氧化铝、蓝宝石、硅亚硝酸盐、锗硅石(germanium silica)或者其他利用1或者0.5μm微电化学系统(MEMS)工艺技术同样也可处理的透明光学材料组成。首选材料是多晶硅，因为它在希望的工作频率是透明的，用MEMS工艺能够容易地处理且具有高的折射指数。虽然只示范性地示出了几个条带108，但是在运行中，典型地存在大量的这种条带，以确保在HOE 100的某些部分入射所述光束104。而且，以横截面的方式示出了所述条带108，并且实际上将会延长到所述例图且从所述例图延伸出去，如图2所述。
所述条带108具有宽度“b”并且在所述顶表面106以距离“c”隔开。光栅周期“a”等于这两个值的和。HOE 100将入射光104反射到光束116，并且宽度“a”影响HOE 100最佳反射的光的波长.在优选实施例中，宽度“b”等于宽度“c”，然而如果希望的话所述宽度可以不等.可以调整条带厚度和宽度，以便使反射光的密度最大化.而且存在宽度内的变化，其中所述宽度“b”可以变化(例如，b1、b2、b3等)，并且所述宽度“c”可以变化(例如，c1、c2、c3等).例如，HOE由不同的‘a’(a1、a2、a3等)值组成，这里‘a’连续地变化，以使a1＞a2＞a3＞等.示范性装置将被用来减少反射信号的散射或者增加其中的散射量，这在多路分离应用中可能是有用的.当条带108形成光栅图案时，准确的尺寸精度对产生功能装置是不必要的.条带108的聚集效果和它们之间的间隔将使任何具体条带108的尺寸的不准确度最小化.尽管如此，最好HOE 100使得‘a’具有周期性，即‘a’在整个HOE 100中基本上是相同的。用此方法，‘a’对HOE 100的运行比‘b’或者‘c’更有影响。在示范性结构中，‘a’大约为1.5μm，即入射光的波长，在蓝宝石衬底中对于C波段它大约为0.9μm。
用横截面的方式示出了条带108，并从所述例图扩展。条带108以每个和光104的传播平面即例图的平面有一精确角度的平行平面延伸。从图2能够看到这一点。所述条带108在优选实施例中是线性和平行的，但是也可以使用非线性条带。例如，可以使用曲线条带产生起聚集镜作用的HOE。而且，将条带108朝向垂直于θp的角对分线，如图2所示。
在运行中，所述条带108和所述顶表面106一起定义衍射光栅图案或者倾斜镜。入射光104撞击所述图案并被反射，如下面所述及所示。这样，所述HOE 100起反射器件的作用。
在所述衬底102的顶部，在条带108之间的间隔‘c’共同形成界面层110，它是空气-衬底界面层。当以全内反射的方式光束104在所述衬底102中行进时，光束104的一部分以全内反射的方式在界面层110衍射。即，在空气-衬底界面层110上入射光束的第一部分，并通过在所述条带108之间的空间的反射作用进行衍射。因为这些空间大约有入射光的波长长度，将会出现衍射而不是平面波反射。将在HOE 100上入射的光束104的第二部分在所述条带108下面的所述顶表面106的部分入射。这里，条带108将从所述衬底吸收光能量，而作用就象以顶表面112和侧表面为界的较低折射指数材料-在所述优选实施例中是空气-的低损耗波导共振器。因此，存在条带108中的TIR反射以及所述衬底102中的TIR传播。驻波实际上在所述条带108中产生，而吸收光最终离开所述条带108并重新进入所述衬底102，与从界面层110反射的光存在相移。如果所述条带108具有比所述衬底102更高的折射指数，则由于在过渡到较低折射指数的情况下驻波同样也受较低表面的约束，效率会进一步改善。条带108和界面层110的作用是共同将所述光束104衍射为在所述衬底102传播的m＝-1的模式。光束116代表此反射信号，而路径114是如果没有条带108作用时在衬底102中光束104行进的路径。路径114同样也与相消干涉已经使输出最小化的HOE衍射图案的m＝0的模式相符。
图2示出了反射光束116的传播。传播路径116在以相对光束104的传播平面角为α或者θp的平面内行进。因此，传播路径116在从图1的例图延伸出的平面内行进。让反射光束116在二次传播方向行进允许HOE 100从入射传播光束的信号路径中空间地分离出反射信号路径，并且因此，建议使用HOE作为切换输出的方法。例如，如果使得光束以TIR方式以在HOE100上入射的方向传播，则所述光束将被切换，然而，如果使得光束沿着在HOE 100上不入射的另一条路径传播，则它将沿着原始传播路径传播。
由HOE 100产生的反射角θp依赖于包括条带周期‘a’、入射角θ以及光的波长λ的许多因素。显示在θp和这些变量之间的关系的实例图如图3所示。图3示出了在x轴的角度θp和在y轴上的对于各种入射角θ的‘a′/λ.图3假定所述入射角θ在所述光和HOE相互作用之前和之后相同，以使在所述衬底中TIR仍被维持.正如能够看到的那样，对于θ＝35°，′a′/λ为1.5将导致θp近似为110°。类似地，对于θ＝45°，′a′/λ为1.5将导致θp近似为125°。所述图同样也显示出，在此例子中，依据所述参数θ能够从大约90°至大约145°范围内取值。所述图同样也显示出有关‘a’的示范性范围，尽管‘a’的范围根据参数能够从大约0.5λ延伸到4λ。图3的所述图同样也示出了延伸到线F之上的禁止区域，在此区域内，将光反射为除仅为m＝-1的模式之外的更多的模式。
回到图2，HOE 100的另一个明显的特征是光路径116在衬底102中以全内反射行进。这是为降低反射信号的损失所希望的。通过调整光栅周期‘a’实现到全内反射路径的反射。
通过和衬底102的顶表面106直接接触的布局，放置条带108以便耦合在所述衬底102中行进的光束104的一部分。然而，本说明不限于所解释的实施例。相反，可以将HOE整个地放置在顶表面106之上，并且仍和在所述衬底102中行进的光耦合。正如所知道的那样，以全内反射的方式在边界界面反射的光产生延伸到边界界面之上的渐逝场。可以将HOE耦合到此渐逝场，即，没有条带和所述衬底直接物理接触，并且仍影响在所述衬底中行进的光。被破坏的全内反射按此原理运行。下面参照图4描述这样一种替代。
条带厚度在从界面层110衍射的光和来自谐振器条带108的光之间建立相移。在所述优选实施例中，所有条带108的厚度是一样的。而且，选择所述厚度将反射到光路径116的入射光104数量最大化。在图4中显示了示出HOE效率对硅条带厚度的曲线。在此实例图中，所述衬底由蓝宝石制作，所述入射光束是极化的TE，‘a’＝1.5μm，λ＝1.55μm，θ＝45°，而正如显示的那样，存在产生高效率的许多条带厚度。效率峰值出现在大约1.55μm，1.84μm，以及2.15μm处。然而，此图只是代表性的示图，也可以使用更低的厚度。例如，当选择条带108的厚度以便对吸收光给予适当相移时，具体厚度的多个谐波将会给予相同的相移，并且因此将会被使用。对于由用MEMS工艺制造的多晶硅组成的条带的优选厚度是0.5μm至3μm。
HOE 100的另外的优点是条带厚度允许形成基本上不依赖于入射光束极化状态的结构。这种性能特征称作为极化依赖损耗(polarization dependentloss)-一种由工业Telecordia标准GR 1073提出的设计要求。我们发现对于任何入射线性极化状态，在90％之上的HOE效率从理论上讲是可实现的。
为了形成所述条带108，能够使用在蓝宝石衬底102上涂覆多晶硅或者其他材料的膜的工艺。或者，能够在蓝宝石衬底102上外延地(epitaxially)生成单晶硅。在二者之一的例子中，对于在所述顶表面106上形成的多晶硅层或者单晶硅层，能够使用标准的1μm或者0.5μm的MEMS光刻技术，以便在光刻胶(photoresist)层形成所想要的光栅图案，并且能够利用类似于市场上可买到的多用户(multi-user)MEMS工艺(MUMPsTM)的标准MEMS光刻技术将所述图案蚀刻到所述硅中。蓝宝石衬底102提供了蚀刻终止点，以使能够精确地控制条带的高度。
能够在各种应用中使用HOE 100和集成衬底102，以实现各种光学功能。在图5中举出了一例，其中，HOE 100用作多路分路器。在运行中HOE取决于波长。因此，如果入射光束120包含诸如在密集的波分复用(DWD M)系统中含有多个频道的光束的多于一个波长的光，则所述不同波长将以不同角度由HOE 100进行衍射.能够应用这种现象将输入光束120的不同波长分离为不同的分量，例如如传播路径122a、122b和122c所示.不同传播路径122a-c中的每一个将会在分开的平面，其中，每一个平面相对传播路径104的所述平面成不同的角度.然而，传播路径122a-c最好都在衬底102中以基本上全内反射的方式行进.如图5所示的HOE 100通过仅仅将所希望的传播路径路由到输出光纤同样也被用作波长滤波器。因此，这里具有HOE 100的形式的集成衬底和衍射光学组件能够根据波长将信号反射到不同的反射路径。
存在许多方法来将光信号耦合到用于建立TIR传播的衬底102。例如，足够的方法包括切割输入光纤、切割所述衬底的边沿、提供在光纤和所述衬底之间的切割组件，或者这些方法的组合。图6示出了将光耦合到衬底的示例方法。这里，光纤202经过折射组件203被耦合到衬底102。光纤202将发散的入射光束204耦合到由具有比所述衬底102更低的折射指数的透明光学材料组成的折射组件203。折射组件203折射在衬底102中用于TIR传播的光204。光束204照射到聚焦组件206，在此实施例中它是在顶表面106上形成的HOE，为了在所述衬底102中以TIR方式行进而校准所述扩展光束204并使它反射。所述聚焦组件206能够是任何适合的HOE结构，可以根据如上所述的HOE 100形成。形成类似于HOE 100的聚焦组件206具有使装置更容易制造的优点。聚焦组件206具有类似于图1的组件108的组件208。除了从光纤202耦合光的聚焦组件206外，图6中的结构和图1的相同。因此，图6示出了能够利用集成衬底和衍射光学组件产生的另一个光学装置，具有HOE 206形成的光束校准仪。
图6同样也表明：在单个衬底上可以组合多个衍射光学组件，并因此对其集成以形成复杂结构。执行相似或不相似的功能的许多衍射光学组件的使用为利用所披露的装置和技术产生集成光学电路作充分准备。在具体例子中，聚焦组件206将所校准的入射光204发送到同样也在衬底的同侧形成的HOE 100。因此，双组件结构考虑到入射信号的耦合和反射两种情况。在图6中示出了反射信号路径210(具有类似于路径116的特性)。对于所描述的结构的其他修改可能存在，诸如具有由起反射组件和会聚或者发散透镜或镜两种作用的弯曲条带组成的HOE 100。将多个衍射光学组件组合到一起具有使得能够产生集成光学电路而且这样的集成光学电路能够更容易制造的优点。可以设计反射器、光束分离器(beam splitter)、校准仪、可变衰减器、衍射光栅等等。而且，例如，利用单个的光刻工艺在衬底102的相同表面形成HOE 100和聚焦组件206的能力意味着不仅制造装置更容易，而且令人头疼的现存集成光学电路装置的对准问题也随着光刻先进工艺产生所希望的对准而解决了。
图7显示了替代图6的耦合方法，它不使用类似206的校准组件。这里，衬底220具有切割的侧表面222，它起对于进入信号的棱镜的作用。在45°切割，则所述表面222将从在衬底220中从用于TIR的校准分级指数透镜(GRIN)226接收光信号224。所述GRIN透镜226可以被直接耦合到折射组件或者使反射损失最小的抗反射涂层228的薄层。
图8显示了替代在先所述的HOE。图1示出了和衬底实际接触的HOE，而图8示出了在衬底302之上放置(即，没有实际接触)的HOE 300，其中光304穿透所述衬底302。光束304以TIR方式在衬底302中传播。如上所述，将光耦合到所述衬底可以实现在衬底302中的TIR传播。而且，和图1一样，尽管最好TIR在两个表面306、307上出现，但是仅仅需要用在衬底的底表面307的镜或者反射层在衬底302的顶表面306上建立TIR。
HOE 300由位于衬底302的顶表面306之上条带308组成。与衬底302共同起作用的所述条带308和HOE 100的条带108类似，差别在于在图8中所述条带308不必直接和所述顶表面306实际接触，而是通过在所述顶表面306之上延伸且由TIR传播产生的渐逝场和所述衬底302耦合接触。在运行中，光束304的第一部分将从所述顶表面306衍射，而第二部分将被耦合到所述条带308，以使来自条带308的输出将会和所述反射的第一部分共同作用以便形成和反射路径310相符的m＝-1阶模式。312表示未受影响的反射路径，即所述m＝0的模式。可以认为此条件是无效的全内反射。在所述优选实施例中，和前面所述的HOE一样，将会使得沿着路径310的反射光束以与入射光束304的传播方向成α(或者θp)角度以及在所述衬底内以TIR的方式反射。在初始步骤中，除了在所述衬底302上将会沉积(deposit)损失(sacrificial)层或者垫片(spacer)层外，可以和HOE 100类似地形成所述HOE 300。在如上所述的沉积和光刻步骤之后，作为将渐逝场耦合距离内的条带308留给所述衬底的最后处理步骤，损失层将会被溶解掉或者被清除。为了支持所述条带308，同样也利用MEMS处理形成标准锚定部分。
在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对本发明进行许多变化和修改。在上文讨论了某些变化范围。根据所附的权利要求，其他部分的范围将会变得更加清楚。

Claims (28)

1.一种集成光学装置，包括：
一光学衬底(102)，用于在所述衬底的顶表面(106)处以全内反射的方式以初始传播方向并且在第一平面内传播一入射光信号(104)；以及
一衍射光学组件(100)，具有多个由光学透明材料组成并设置在所述衬底的顶表面上的被分隔隔离元件(108)，以与正传播的光信号耦合的渐逝场方式使得以全内反射的方式在所述顶表面上入射的入射光信号(104)衍射到所述衬底中，以便于在与所述第一平面成锐角α的第二平面内传播，其中所述第一平面和所述第二平面正交延伸到所述顶表面(106)。
2.如权利要求1所述的集成光学装置，其中所述衬底由石英组成。
3.如权利要求1所述的集成光学装置，其中所述衬底由蓝宝石组成。
4.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，所述元件是基本上平行的多个条带。
5.如权利要求4所述的集成光学装置，其中，多个条带每一个均具有基本上相同的条带宽度。
6.如权利要求4所述的集成光学装置，其中所述多个条带每个以基本上相等的分隔距离隔开。
7.如权利要求4所述的集成光学装置，其中，所述多个条带每个均具有基本上相同的条带宽度，所述多个条带每个均以基本上相等的分隔距离隔开，并且所述分隔距离是与所述条带宽度基本上相同的。
8.如权利要求7所述的集成光学装置，其中所述距离和宽度之和在.5λ和4λ之间，其中λ是所述衬底中光信号的波长。
9.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，设置所述元件的厚度以使得所述反射光信号密度最大。
10.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，所述元件由从组成非晶硅、晶体硅以及多晶硅组成的所述组分中选择的材料组成。
11.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，所述元件由从组成氧化铝、蓝宝石、硅亚硝酸盐以及锗硅石组成的所述组分中选择的材料组成。
12.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，所述第一阶衍射模式以全内反射的方式在所述衬底行进。
13.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，所述光信号通过GRIN透镜被耦合到所述衬底。
14.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，所述组件基本上是平行的线性组件。
15.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，在所述衬底的所述表面上通过以图案形式沉积硅材料形成所述组件。
16.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，所述组件和所述衬底以相同材料组成。
17.如权利要求16所述的集成光学装置，其中，所述材料是蓝宝石。
18.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，所述组件具有比所述衬底更高的折射指数。
19.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，所述衍射光学组件以全内反射的方式工作。
20.如权利要求1所述的集成光学装置，其中所述衍射光学组件(100)被形成来将具有不同波长的多个入射光信号(120)的每个都反射为不同的第一阶衍射模，作为在多个反射平面之一中的所述衬底内行进的反射光信号(122a，b，c)，其中每一个反射平面都与所述第一平面成锐角并且每一个反射平面都垂直于所述顶表面(106)延伸，每个反射光信号以全内反射的方式在所述衬底内行进。
21.如权利要求1所述的集成光学装置，其中所述组件每个具有选择使所述反射光信号密度最大的宽度。
22.如权利要求1所述的集成光学装置，其中所述组件由多个条带组成，每个条带具有一宽度和一相关联的间隔，其中所述宽度和所述间隔在所述条带之中变化。
23.如权利要求22所述的集成光学装置，其中所述宽度和所述间隔以连续方式变化。
24.如权利要求1所述的集成光学装置，其中，所述被分隔隔离元件以一分隔距离分开并具有元件宽度，由此选择分隔距离和所述元件宽度之和a，以使在所述衬底中从所述表面以全内反射方式按入射传播方向行进并在所述衍射光栅入射的光信号被反射为以与入射传播方向成θp角度的反射传播方向在所述衬底中传播并在所述衬底中以全内反射方式传播的第一阶衍射，其中所述光信号以大于临界角的θ角度在所述衍射光栅入射，根据垂直于延伸到所述衬底的所述衬底的表面来测量θ，以及其中选择所述和a以使θp大于90°而小于180°。
25.如权利要求24所述的衍射光栅，其中所述的和a是在.5λ和4λ之间，其中λ是所述衬底中光信号的所述波长。
26.如权利要求24所述的衍射光栅，其中所述分隔距离基本上和所述元件宽度相同。
27.如权利要求24所述的衍射光栅，其中所述元件由从组成非晶硅、晶体硅以及多晶硅组成的所述组分中选择的材料组成，并且其中所述衬底由蓝宝石组成。
28.如权利要求24所述的衍射光栅，其中所述元件具有比所述衬底的折射指数更高的折射指数。
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