具有可移動的全息光學元件的光開關的製作方法

2023-10-11 15:37:59 2

專利名稱：具有可移動的全息光學元件的光開關的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及一種光學元件，更具體地說，涉及一種用於實現光開關功能的光柵和全息光學元件。
背景技術：
使用依靠衍射來影響傳播波陣面的光學元件的衍射光學已為人所知。典型的衍射光學元件(DOE)的結構是衍射光柵、波帶片透鏡和全息鏡面。通常將其中衍射元件尺寸接近或大致等於光波長的DOE稱之為全息光學元件(HOE)。衍射光學的一個優點是可以將DOE透鏡之類的構件結構(structure)在一個平面上，並且可以比相應的折射光學器件來得更小、更便宜和更容易校準。但是其缺點在於，由於衍射光學結構(structure)是由衍射元件的圖樣所組成的，因此，它們對所用的光的波長很敏感。
可將HOE記錄在如像照相膠捲之類的光介質上，以便製作像透鏡和稜鏡之類的光學器件。全息圖樣是由記錄兩個雷射束的幹涉圖樣而產生的衍射圖。所產生的衍射圖的構成元件具有數量級為光波長的尺寸。HOE也能用機械裝置來製造，這如像用鑽石工具來雕刻，或者是用硬的金屬靠模來進行光刻或浮雕。
由於各種原因，在某些應用中HOE是相當有利的。HOE可以有很薄的橫截面，因此可以製造許多其尺寸比相應的傳統光學元件更小的光學元件。進而，由於HOE是平面器件，與典型的多元件光學系統相比，可以用簡單方式來組裝複雜的光學系統，並且僅佔用較少的空間。事實上，HOE可以自定位，因此，極大地減少了與光學系統，尤其是與複雜的光學系統相關的校準問題。
通常，設計HOE的衍射圖樣要能夠將入射光透射到各種模式(波模)或方位之中。習慣上根據模式相對於入射光的位置將模式標記為m＝0，+1，-1，+2，-2等。如果要將HOE用作為透鏡或鏡面，通常涉及到m＝0和m＝-1這兩個初始模式。在m＝0的模式中，入射光似乎不受HOE的影響，這就是說，如果HOE是反射元件，它將會把光反射到零級模式中，就好像該光束在平面鏡的表面上反射的那樣，和如果HOE是透射元件，光線將會透過這個元件而離開，就好像穿過透明的光學介質一樣。m＝-1的模式是HOE的設計光學功能的直接結果。通常，由m＝0的模式來補償這個模式。在典型的器件中，要選擇HOE以便通過相消幹擾(destructive interference)將處於m＝0的模式中的光的振幅減到最小，並通過相長幹擾(constructive interference)將所希望的m＝-1的模式的光振幅增至最大。通常，還要選擇入射光的角度和衍射元件的尺寸，以便消除可能會干擾所希望的光學性能的其它模式。
利用光學器件將光線從常規的通路(即與m＝o的模式相符合的通路)反射到反射模式(m＝-1)的能力，有指望在開關器件中使用HOE。當前的HOE設計限制了將HOE用作為光學開關。HOE通常製作在材料的塊體中或者製作在材料的表面上。記錄在全息材料的塊體中的全息圖具有低的損耗，但是難於批量生產。這方面的例子是製作在使用電全息材料的塊體中的三維結構，這種材料可以通過施加電場來進行轉換。另一方面，可以批量生產浮雕式(surface relief)的全息圖，但它們的光學效率低。與這些浮雕式(surface relief)的全息圖相關的另一個問題是它們是不能轉換的。
儘管現有的HOE和DOE有上述的缺點，但仍然希望將HOE和DOE與光學介質一起作為開關使用。

發明內容
在一個實施例中，光開關有用於在其中傳輸光信號的襯底，在此襯底中，光信號在全內反射下在第一方向上傳播，在此襯底的頂部表面上還安置有衍射光學元件，該衍射光學元件可以在第一位置和第二位置之間相對於襯底而移動，其中所述第一位置基本上是在與光信號耦合的隱失場(evanescentfield)之外，以便讓光信號在第一方向上繼續傳播，和所述第二位置是在與光信號耦合的隱失場之中，以便將光信號的傳播改變到第二方向上。在某些實施例中，該衍射光學元件是由構成衍射光柵的多個條帶所組成的，這裡每個條帶都有大致相等的寬度，並且每個條帶之間也隔開大致相等的距離。
在另一個實施例中，與光學襯底一起使用的全息光學元件有入射光信號，該光信號在襯底中在全內反射下在傳播的初始方向上傳播。該全息光學元件上有多個隔開的、由光學透明的材料製成的條帶，所述條帶被安置在襯底頂部表面的上方。而且，該全息光學元件有靠近條帶的懸掛構件，其安置方式可讓條帶在第一位置和第二位置之間移動，其中，在第一位置上，全息光學元件改變入射光信號，在第二位置上，全息光學元件不改變入射光信號。在有些實施例中，懸掛構件還包括多個軟臂，它們是用多個安裝構件安裝在襯底的頂部表面上並耦合到條帶上。
在另一個實施例中，1xN光開關有一個襯底，用於在該襯底中傳送光信號，這裡，所述光信號在襯底中在全內反射下在第一方向上傳播。1xN光開關上也有N個衍射光學元件，它們被安置在襯底的頂部表面上，並且每個衍射光學元件都可以在第一位置和第二位置之間相對於襯底而獨立移動，其中，第一位置基本上是在與光信號耦合的隱失場(evanescent field)之外，以便讓光信號在第一方向上繼續傳播，和第二位置是在與光信號耦合的隱失場之中，以便將光信號的傳播改變到第二方向上。
還是在此另一個實施例中，配備了與襯底一起使用的光開關，該光開關有多個安置在襯底的頂部表面上方的條帶，以便相對於襯底頂部表面而移動，每個條帶都有條帶寬度，並彼此間用間隔距離分開。要對間隔距離和條帶寬度的相加和「a」加以選擇，以便使在襯底中的在全內反射下傳播的光信號並且入射在條帶下的頂部表面上一個區域上的光信號被反射到第一衍射級中，並在襯底中、在全內反射下傳播和在襯底中與傳播的入射方向成角α的傳播的反射方向上傳播。


圖1是HOE的橫截面視圖，該HOE上具有與光學襯底的頂部表面物理接觸的條帶。
圖2是另一個可供選擇的HOE橫截面視圖，根據光開關的一個實施例，在該HOE中，構成HOE的條帶放置在光學襯底的上方，並可相對於襯底而移動。
圖3是曲線圖，該圖根據典型的光學開關示出了HOE的間隙高度和HOE效率之間的關係。
圖4A是圖2中的結構的透視圖，該圖示出了入射信號的切換。
圖4B是圖2中的結構的頂視圖，該圖示出了將入射光信號以角α反射成反射信號。
圖5是曲線圖，該圖根據示範性的光開關示出了角θp與由波長分開的HOE光柵周期之間的關係。
圖6是曲線圖，該圖根據典型的光開關示出了HOE的條帶厚度與HOE效率之間的關係。
圖7是側面圖，該圖根據一個實施例示出了全內反射的耦合光進入襯底的示範性方式。
圖8是側面圖，該圖根據一個實施例示出了全內反射的耦合光進入襯底的另一個可供選擇的方式。
圖9是圖2的HOE的透視圖，該圖示出了典型的懸臂式安裝裝置，該裝置用錨定部分來懸掛HOE的條帶，以便於條帶移動。
圖10是圖9的HOE的頂視圖，該圖根據光開關示出了安裝在HOE的條帶上方的電極，以便條帶相對於襯底的頂部表面而移動。
圖11是根據光開關的實施例示出了另一個HOE的典型的部分頂視圖。
圖12是圖11中所示的HOE的側視圖，該圖進一步示出了安裝結構和安裝在條帶上方的電極。
圖13是根據光開關的優選實施例，示出了HOE的透視圖，該HOE具有由軟臂和支撐腳組成的啟動構件。
圖14是根據1xN光開關的實施例，示出了由HOE構成的1x2光開關的頂視圖。
具體實施例方式
本發明通過提出一個HOE解決了上述的問題，該HOE易於製造並可與光學襯底一起使用來構成光開關。最好的是，下文中所描述的HOE是光柵結構的，它可以相對於其中有光信號傳播的襯底而移動。HOE的移動起著使HOE和襯底耦合和去耦的作用，因此，當光信號在襯底中傳播時，HOE可以有選擇地與光信號相互作用。為了達到最大的效率，可使光線在全內反射(TIR)下在光襯底中傳播，正如將會了解到的那樣，這樣的全內反射包括行進在襯底中的光線的一系列的傳播通路。全內反射是眾所周知的現象，它允許光線在兩個光學材料的界面上反射而沒有損耗發生。如果光線在其折射率高於周圍光學介質的折射率的材料中傳播，並以大於臨界角的角度(從光線與界面的法線(normal)來測量)投射到界面上，就會發生全內反射。
在TIR條件下，由於在反射邊界上產生了隱失場，因此，TIR也能使得將HOE耦合入位或耦合出位置就變得更為容易。通過將HOE移入隱失場和從隱失場耦合中移出，可以使HOE與襯底耦合或者去耦，以及通過改變HOE移入隱失場中的深度，可以控制HOE和襯底之間的耦合量。
為了利用背景材料來說明與光學襯底一起使用的HOE的常規操作，圖1示出了HOE 100的橫截面視圖。在題名為「集成透明襯底和衍射光學元件(Integrated Transparent Substrate and Diffractive Optical Element)，」、序列號.＿＿、提交日＿＿、轉讓相同的發明人的一起未決的(co-pending)專利申請中，詳細地描述了HOE 100。現將其引用在此，以供參考。在優選的實施例中，將HOE安置在光學襯底102上，該襯底在紅外區中，至少在1550nm或1310nm(真空波長)波長附近是光學透明的，這是光通信所希望的傳輸波長。然而，HOE 100在任何所希望的波長上都可能是光學透明的。襯底102可以用石英材料或其它適合於在TIR下傳播信號的襯底材料，以及適合於在光刻處理中用作為抗刻蝕(etch-stop)表面的襯底材料所製成。在此優選的實施例中，襯底102是用藍寶石製成的。
如所知的那樣，在全內反射下，入射光束104行進在襯底102中，並在襯底102的外表面界面上以大於入射臨界角的角度發生全內反射。圖1中示出了入射角θ，它是從頂表面106的法線(normal)開始測量並擴展到襯底102之中。對於由空氣邊界圍繞的藍寶石襯底102而言，其頂部表面106與空氣界面相接觸，臨界角大約為35度，因此入射角θ應當等於或大於此值。可讓光束104從大於臨界角的各個角度上入射到頂部表面106上，從而使HOE 100的操作變得容易。儘管在優選實施例中，空氣是在頂部表面106之上，但也可將其它的材料放在襯底102之上，只要為了建立TIR條件，這些材料的折射率應當小於襯底102的折射率。進而，在TIR從頂部表面106上移開並且襯底102的底部表面107以最低的成本提供最有效的設計時，一個可供選擇的辦法是，在頂部表面106形成TIR並在底部表面107上使用鏡面或反射塗覆層來反射光束104。同樣地，也可以在底部表面107的下面使用覆蓋層。
HOE 100包括直接安放在襯底102的頂部表面106上的條帶108。條帶108是由光學透明的材料製成的，如下所述，條帶108的幾何形狀將會影響HOE 100的性能和操作。圖1中的實施例表明，條帶108直接與頂部表面106相物理接觸。條帶108可以由單晶矽、多晶矽或其它光學透明材料製成。圖中只是示範性地示出了幾個條帶108，但是在實際操作中可能會有大量的條帶108，以確保光束104入射到HOE 100的某些部分上。此外，在圖上示出了條帶108的橫截面，但實際情況會與圖中所示的有所出入。
條帶108的寬度為「b」，間隔距離寬度為「c」。光柵周期「a」等於這兩個值的和。HOE110將入射光束104反射到光束114之中。寬度「a」影響光波長，要對HOE加以優化，以便在反射光的出射角上進行反射。在此優選的實施例中，寬度「b」等於寬度「c」，然而，如果需要的話，這些寬度也可以是不相等的。能夠調節條帶的厚度和寬度以使反射光的強度達到最大。此外，還可能會有亞寬度(infra-width)變化，其中，寬度「b」會發生改變(即b1、b2、b3等)，寬度「c」也能發生改變(即c1、c2、c3等)。例如，可以用不同的可以連續變化的「a」值(a1、a2、a3等)來形成HOE」，使得a1＞a2＞a3＞其它的值。可用示範性的裝置來減少反射信號中的彌散或增加其中的彌散量，這可能在多路分用應用中是有用的。由於條帶108構成了HOE 100的光柵圖樣，因此，在生產功能器件時不必要有嚴格的尺寸精確度。條帶108的總體效果是要最大限度地減少任何特定條帶108的尺寸測量的不準確性。HOE 100最好有周期性「a」，這就是說，在整個HOE 100中，」a」是基本上相同的。照此看來，「a」 比「b」或「c」對HOE 100的操作更有影響。在一個示範性的結構中，寬度」a」將在1.5μm的級別上，即約為介質中入射光波長的兩倍。
為了大體說明HOE 100的操作，用條帶108與頂部表面106來共同限定衍射光柵的圖樣。入射光104投射到衍射光柵圖樣上並如圖進行反射，如下所述，從而創建了HOE 100，來作為傾斜的反射鏡面元件。條帶108之間的間隔「c」共同構成了界面層110，該界面層110是空氣—襯底的界面層。在全內反射下，由於光束104是行進在襯底102之中，因此，在全內反射下，光束104的一部分在界面層110上發生衍射。這就是說，光束104的第一部分入射到空氣—襯底的界面層上，並由條帶間的襯底間隔的折射作用而發生衍射。由於這些間隔是在入射光波長的階(order)上，因此出現了衍射而非是平面波反射。入射到HOE 100上的光束104的第二部分被入射到頂部表面106的直接位於條帶108下面的部分上。這裡，條帶108將吸收來自襯底的光能，並起著低損耗波導共振器(resonator)的作用，該共振器是用折射率較低的材料(在此優選的實施例中是空氣)束縛在頂部表面112和側面上的。在條帶108中，實質上產生了一個駐波(standing wave)，所吸收的光最終將離開條帶108並作為衍射光重新進入到襯底102中，相對於在條帶108之間的界面層110上衍射的光而言，該衍射光的相位被相移了。如果條帶108的折射率高於襯底102的折射率，就能進一步提高效率，這是因為駐波也被以較低的折射率轉變的較低表面所束縛(bind)。條帶108和界面層110的作用是有效地將光束104衍射到在襯底102中傳播的、m＝-1的模式中去。光束114代表了此反射信號。如果不受條帶108影響的話，通路116是光束104在襯底102中行進的路徑。下面將參照圖4A和4B更為詳細地討論所公開的HOE的反射光束的性能。條帶108被設置來與襯底102的頂部表面106直接物理接觸。在其它的實施例中它們卻沒有直接的物理接觸。
圖1和其它將要討論的圖與已知的器件相反，這些器件表明，在使用昂貴的摻雜(dopting)技術和其它生成技術的襯底中，TIR僅存在於分別生成在所述襯底中的波導之中。由於各種原因，使用襯底來傳播信號比用波導來傳播信號更為可取。襯底中的信號傳播並不像用波導來傳播信號那樣受到限制，從而使開關的設計有較大的靈活性，並能大大地減少波導結構中固有的耦合問題。例如，為了進行傳播，必須將一個波導中的信號作切換以用於另一個波導之中。此外，使用TIR襯底可為信號提供準自由的空間傳播，從而可為將切換的輸出信號耦合到輸出光纖、多路復用器和其它的光學器件中提供極大的靈活性。況且，使用襯底可以免除在襯底材料中或在襯底材料上生成波導所需的額外的加工製作，從而能減少開關設計、加工製作和成本。在證實了這些優點之後，儘管推薦使用具有空氣界面的襯底來進行傳播，但仍然可將襯底102加以改造以便包含波導在內，從而達到諸如將光信號耦合到光纖中之類的目的。
圖1示出了與襯底物理接觸的HOE。圖2示出了放在襯底202上方的(即沒有與襯底物理接觸的)HOE 200，它可以從去耦位置(或「關」的位置)和耦合位置(或「開」的位置)上相對於襯底而移動，其中在去耦位置上，光線204可以自由地通過襯底202，在耦合位置上，光線204則會受到HOE200的影響。這樣，HOE200就能起到開關的作用。
在襯底202中，光束204以TIR方式傳播。通過使光耦合到襯底之中可以在襯底202中實現TIR傳播，見下面的圖7和圖8。而且，如圖1所示，儘管TIR最好既出現在頂部表面206上又出現在底部表面207上，但是，僅需在有鏡面的襯底202的頂部表面206上或者是在襯底的底部表面207的反射層上建立TIR。
HOE200是由其位置最好在襯底202的頂部表面206上方的條帶208構成的。像在HOE 100中的條帶108那樣，條帶208與襯底202合作，圖2中的差別僅在於條帶208不需要與頂部表面206有直接的物理接觸，而最好是通過隱失場(evanescent field)與襯底202發生耦合接觸。當條帶208位於展開在頂部表面206上方的隱失場中(即在「開」的位置上)時，光束204的一部分將被耦合到條帶208中。可將條帶208的這個耦合看作是類似於受到破壞(frustrated)的全內反射的耦合。條帶的作用是破壞(frustrate)光信號的全內反射，並使信號改變方向。當條帶208位於隱失場耦合距離之外(即處於「關」的位置上)時，光束204就不受條帶208的影響，並該光束204將繼續作為信號214而傳播。照此方式，調節條帶208的氣隙高度，就能將入射(incoming)光束204從通路214上切換到反射光束通路216之中。
可以認為條帶208和襯底202共同生成HOE200的衍射圖樣，就如像圖1的結構生成的衍射圖樣那樣。光束204的一部分入射到位於頂部表面206之上的界面層210上，但是僅僅入射到與條帶208之間的空隙相一致的那部分頂部表面206上。條帶208受到頂部表面212的約束，在此頂部表面上是空氣包裹層。在優選的實施例中，條帶208的共振器的操作與圖1的條帶108的操作相似，只不過在圖2中條帶208通過隱失耦合來接收能量，而不是通過物理界面上的接觸折射來接收能量。條帶208和界面210的作用是共同將光束204衍射到m＝-1的模式中，在圖2中它是由反射通道216來表示的。由於最小化的m＝0的模式與正常的通路相一致(coincide with)，因此，如果不受到條帶208(即光束214)的影響，光束204就會繼續傳播。
在頂部表面206上方的隱失場的深度決定了在條帶208和頂部表面206之間的氣隙高度，這個高度決定了「開」和「關」的位置。圖3是曲線圖，該圖示出了在襯底202的頂部表面206和條帶208的底部之間有不同間隙時，在藍寶石襯底上生成的HOE的矽條帶的效率。該效率代表了在m＝-1的模式中的功率與入射功率之比。在下列的參數條件下即「a」＝1.5μm，條帶高度＝2.15μm，波長λ＝1.55μm，TE模式傳播，θ＝36度，和φ＝59.8度(即α＝60.4度)(在這些參數中，有一些將詳細說明如下，有一些已在上文中說明過了)，起著光柵作用的HOE的效率如圖所示。HOE的效率通常按指數方式與氣隙成反比。這就可以通過最少量的移動使開關位於完全「關」的位置上。可以看出，當氣隙高度接近0.11μm時，達到了最高的效率。這樣，就可把圖1看作是移動到最高效率的氣隙高度上的、可移動的HOE的說明圖。
然而，由於靜摩擦(stiction)，希望要製作的條帶不要與襯底的頂部表面發生物理接觸，最好是按所希望的量位於襯底的上方。這有利於使用製作在條帶的底部表面上的小的凸起物(small bumps)218。在這樣的結構中，常用這些小的凸起物來減少接觸區域受到的靜摩擦力。
圖3也示出HOE在耦合接觸之上約2μm，也就是說，HOE將處於「關」的位置。在圖2所優選的實施例中，將處於「關」的位置上的氣隙設置為大約12μm，以確保能滿足工業標準，例如Telecordia GR 1073標準。這些標準有效地限制了能通過在「關」位置上的開關洩漏的信號量。由於隱失場的深度取決於許多參數，因此，圖3中的氣隙範圍只是示範性的。其實，隨著θ的增加，展開在襯底上方的隱失場變得更淺，而最大的隱失場出現在TIR的臨界角上或在其附近。結果是，在此所發布的實施例中，優選的角θ的範圍是從臨界角到臨界角以上的大約10度。
HOE200的一個特徵在於，反射光束216是在平面中行進的，這個平面與光束204傳播的平面之間的角為α。這樣，反射光束216行進在平面中，這個平面擴展到了圖2所示的說明圖之外。根據圖4A和圖4B，就更易於明了光線的傳播。通過將第一檢測器或耦合裝置放置在接收未切換的信號214的位置上，並將第二檢測器或耦合裝置放置在接收切換過的信號216的角度上，這個特徵將會更加有利於將HOE 200當作為光學開關來使用。
由HOE 200產生的反射角α或θp取決於許多因素，包括條帶周期「a」、入射角θ以及光波長λ。圖5示出了採樣曲線圖作為例子，該圖示出了θp和這些變量之間的關係。圖5畫出了在各種入射角θ的情況下，在x軸上的角θp和y軸上的『a』/λ。λ是在襯底材料中傳播的光波長，它等於由真空中的光波長除以襯底材料的折射率。對於藍寶石而言，假設在1.55μm的光通信信道上的內部光波長λ約為0.89μm，那麼，折射率就大約為1.74。由此可知，若θ＝35度，數值為1.5的『a』/λ將產生約為110度的θp。相似地，若θ＝45度，數值為1.5的『a』/λ將產生約為125度的θp。該曲線圖也表明，根據這些參數，對於給定的入射角θ而言，θp的數值範圍可從約90度變化到約145度。該圖假設，切換光束在襯底表面上的入射角與入射光束相同，儘管它們是在不同的傳播平面上。雖然，按照不同的參數，「a」的範圍通常可從大約0.5λ擴展到3λ，但是該曲線圖也表明了對「a」的一些典型限制。圖5上的曲線圖也示出了延伸到曲線F之上的禁區，在此區域中，光被反射入更多的模式，而不僅僅是m＝-1的模式。
再回到圖4A，可以看出，為了將入射光束204反射到傳播通路216中，條帶208並不與光束204的傳播平面成直角，而是與它成一個角度。具體地說，條帶208垂直於平分角θp的線。如果條帶208與光束204的傳播平面成直角，反射光也會在光束204的傳播平面上。同樣，還能看出，在優選的實施例中，條帶208是平行的線狀條帶。也可以使用其它的條帶，如用於聚焦的彎曲條帶。事實上，如果給出了所希望的條件和參數，也可用已知的光柵軟體程序來開發多種類型的光柵設計。
條帶208的厚度確定了在從界面層210上反射的光和從共振器條帶208上反射的光之間的相移。在優選的實施例中，條帶208的厚度都是同樣的。條帶208的厚度最好在1μm以上，以確保條帶208具有足夠的結構剛度，從而能在「開」的位置和「關」的位置之間移動。當然，條帶208也可以有較小的厚度。
圖6示出了HOE的效率和矽條帶厚度之間的關係曲線圖。在此示範性的曲線圖中，襯底是由藍寶石製成的，入射光束是TE偏振光，「a」＝1.5μm，λ＝1.55μm，氣隙高度為500埃，θ＝36度，φ＝59.8(即α＝60.4度)。如圖所示，有許多能產生極高效率的條帶厚度。在圖中已畫出的例子中，效率峰值大約出現在1.87μm和2.12μm上。事實上，需要對條帶208的厚度加以選擇，以使所吸收的光產生適當的相移。特定厚度的多諧波也會產生相同的相移。此優選的實施例的一個優點是能夠選擇條帶厚度以便使HOE開關的效率基本上與入射光束的偏振態無關。這是稱之為偏振相關損耗的設計參數，它是由Telecordia GR 1073標準提出來的。
HOE200的另一個特徵在於，從它上面反射到m＝-1模式中的光在某個角度上發生反射，以便使反射光216在襯底中仍然以TIR的方式傳播。如圖5中的曲線圖所示，通過調整光柵周期「a」能夠將入射光束204反射到全內反射的通路中。
再回到圖2，襯底202可以是前述的、用於製作襯底102的任何材料，最好是單晶藍寶石。在紅外波段上，藍寶石是光學透明的，並常用於1550nm和1310nm的光通信。此外，藍寶石是堅硬的耐刻蝕(etch resistant)材料，適合於為可澱積在襯底202上的任何材料提供蝕刻停止處理(processing etchstop)，以生成條帶208。
條帶208和凸起物(bump)218最好由多晶矽製成，但也可由其它的光學透明的材料構成，這如像各種形態的矽(晶態的和非晶態的)、氧化鋁、藍寶石、氮化矽、矽化鍺和其它適合於微電子機械系統(MEMS)加工技術的光學透明材料。
如上所述，有許多將光信號耦合到利用TIR傳播的襯底202中以及將光信號從襯底202中去耦合的方式，這些方式中最容易的方式包括劈開輸入光纖，劈開襯底的邊緣，在光纖和襯底之間提供劈開的元件，或者是上述方式的某些組合。劈開光纖的優點在於這種耦合方法便宜，儘管其它的方法也是節省成本的。
圖7示出了將光束204耦合到襯底202中以及將光束204從該襯底202中去耦合的方式，在此，通過衍射元件220使光纖217與襯底202耦合。衍射元件220是由光學透明的材料製成的，其折射率低於襯底202的折射率。折射元件220折射光束204以便讓其在襯底202中以TIR方式傳播，校準元件219是用來校準光束204的。校準元件219可以是任何已知的和適合的HOE結構，或者是根據上述的、其上具有示於截面圖中的條帶221的HOE 100製成的。生成如像HOE 100上那樣的校準元件219的優點在於，能使器件的加工製作變得容易。
圖8中示出了另一個可採用的結構，該結構使用外部的校準元件，例如，梯度折射率透鏡(GRIN)-光纖組件。在此，襯底202有裂開(cleaved)的側面222。在切口(cut)為45度的情況下，表面222將接收來自GRIN透鏡元件224的校準光信號204，以便在襯底202中進行TIR傳播。GRIN透鏡224可以接收來自光纖透鏡224的輸入。GRIN透鏡224也可以直接與折射元件或者是可以使反射損耗減到最小的減反射覆蓋層226的薄層耦合。圖8所示的耦合將允許使用市售的元件來校準和聚集光束。如圖7所示，這樣的耦合可讓插入(incoming)的光纖在側面上耦合，而不是通過襯底的頂部表面或底部表面進行耦合。
現在談談開關操作，有各種方法將HOE從「開」的位置轉換到「關」的位置上。通常，能夠由HOE條帶來引起移動HOE所需要的彎曲，在此，要使條帶能自己彎入到隱失場耦合中或者是從隱失場耦合中退出來。或者，要能使支撐HOE條帶的結構或框架彎曲。在任何一種情況下，彎曲結構都應當能偏離「開」的位置或「關」的位置而彈跳，以便使開關操作變得容易。
為了說明通用的HOE致動器，圖9示出了為了便於移動而安裝條帶208的典型方法。在此，條帶208是從剛性的錨定部分(anchor portion)224上懸吊起來的，而此錨定部分224是固定地安裝在頂部表面206上的。這是懸臂式的構造，其中條帶從錨定部分224上向外延伸，並自由地懸吊在襯底202的上方。條帶208與襯底202應有足夠近的距離，以使HOE 200能在「開」的位置上偏移，這就是說，條帶208是位於以TIR方式行進在襯底202中的1550nm或1310nm光波的隱失場之中。為了增加條帶208的結構的剛性，在多個條帶之間形成十字接頭(cross connection)226。利用十字接頭226，可以使條帶一齊移動，從而能夠避免可能影響如此之小體積的結構的扭轉力。對於較長的條帶而言，在兩個條帶之間可以有多個橫向連接。對於結構設計而言，重要的是不要把十字接頭226放在緊密形成的周期樣式中，然而，十字接頭226將共同起著與由條帶208所構成的光柵正交的衍射光柵的作用。
構成條帶208的多晶矽在紅外區中是透明的，並易於用標準的0.5μm到1μm線寬的光刻MEMS製造工藝來製作。利用例子中的方式，可以通過在藍寶石襯底202上澱積多晶矽薄膜或者是在藍寶石202上外延生長單晶矽來製作條帶208。標準的光刻技術能夠在光致抗蝕劑層上形成所希望的圖樣，並能用標準的MEMS刻蝕技術將圖樣刻蝕到矽層上，這種刻蝕技術類似於市售的多用戶MEMS工藝(MUMPsTM)。在製造時，在襯底頂部表面上，在矽和藍寶石之間要澱積一個犧牲層或隔離層，它通常是二氧化矽，並要對它進行刻蝕或溶解，以便從襯底上顯露出矽結構。藍寶石襯底是抗刻蝕的，它可以讓犧牲層溶解掉而不會讓襯底受到刻蝕。任何襯底的刻蝕都會在襯底上產生模糊的HOE圖樣，從而不會讓開關像所需要的那樣完全關掉。通常的做法是，在澱積多晶矽層之前將若干個小凹槽以圖案形式製作到犧牲層中，以便在矽結構的下面生成一個個小的凸起物。如上所述，這些凸起物在顯露操作(releaseoperation)和其後的轉換操作中能夠最大限度地減少粘結。可以使犧牲層具有所需的尺寸，以便將多晶矽HOE放在「開」的位置上，或者是用多晶矽彈性元件來建造器件，以使其偏移到「開」的位置上。更好的辦法的是，用相同的材料來製作條帶208、凸起物218、剛性錨定部分224、十字接頭226，最好的材料是多晶矽材料。可用上述的任何條帶材料來製作剛性錨定部分224和十字接頭226。
為了將HOE200從偏移的「開」的位置移到「關」的位置上，可以通過放在條帶208上方的電極施加電場。由於條帶208是部分導電的，在加了電場的情況下，它們會偏離襯底202的頂部表面。由於隱失場不會在頂部表面206的上方延伸很遠，更具體地說，隱失場按指數逐漸縮減，因此，條帶208隻需要偏移很小的距離就能把HOE200放到「關」的位置上。
圖10示出了用電極230來偏移條帶208的方法。該電極至少要放在條帶208遠端的上方，並跨越所有的條帶而在說明圖的內外延伸。電極230是裝配在絕緣安裝板232的底部表面上，而絕緣安裝板232是製作在支撐構件234上。支撐構件234可由與錨定部件224相同的材料製成，但在此圖中是用不同的材料製成的。電極230接收來自驅動電路的指令，並把電場加到條帶208上，以作為對該指令的響應。為了便於執行起見，可將條帶208與地電壓相連接。進而，如圖所示，電極230也可在長度方向上一直延伸到條帶208的長度。
圖12和圖13示出了另一個起動HOE以便進行轉換的手段。在這些實施例中，用於進行轉換的彎曲並不在如圖10所示的、構成HOE的條帶之中，而是一種將條帶與襯底頂部表面相連的結構。例如，可以按圖12所示的方式來起動圖11中的典型的HOE結構300，在此結構中有條帶302、橫向連接303、側面部分304和306，並且可以用相同的材料以及與圖2中所述的、製作HOE結構的類似方式來製作。圖12示出了裝配結構，該結構具有兩個製作在襯底311上的安裝基座308和310以及製作在基座308和310上的安裝板312。HOE300通過軟連接314與安裝基座308和310相耦合。軟連接314可以是任何數量的、用MEMS加工過的彈簧或者是其它至少可在朝上的方向上彎曲的結構。軟連接314可以在上下兩個方向上交替地進行雙向偏轉。將電極316裝配到安裝板312上，在此實施例中，電極316跨越要接地的條帶302並在橫向和縱向上延伸。在這樣的構造中，在電極316的電場的作用下，HOE300可以偏離「開」的位置向「關」的位置移動。或者相反，在電極316的控制下，HOE300也可以偏離「關」的位置，或者是作向上和向下的偏離移動。在HOE300的底部表面上可以製作凸起物318，以防止操作時HOE300和襯底311之間發生粘結。
圖13示出了HOE400的另一種可以採用的起動結構。HOE400是由相同的材料並按照上述的類似方式製成的。HOE400的橫向典型尺寸為250到1000μm。條帶402沿著HOE400的長度方向延伸，並具有橫向連接以增加結構的剛性。有多個彈簧臂406與HOE400相連。彈簧臂406也與襯底408的頂部表面相連，襯底408的頂部表面與上述的襯底相類似。具體而言，腳410起著支撐彈簧臂406的作用，並且，在此實施例中，其高度足夠地小，可以使HOE400在「開」的位置上偏移。要選擇彈簧臂的幾何形狀和尺寸，以便在所加的電場下讓HOE400偏移到「關」的位置上。對於那些一般熟悉工藝技術的人而言，應當知道的是，還可以使用許多其它的幾何圖形來達到HOE400開關操作所希望的彎曲和彈性偏離。為了影響起動，可將電極安裝在使用適當安裝結構的HOE400的上方，其中，類似於圖12所示的結構就是一個例子。
儘管，在此優選的實施例中，為了移動HOE300使用了靜電起動，但是，作為替代的方法，也可以用熱起動、壓電起動、電光起動等方法來起動。
從圖13可以看出，由於HOE是微米級的尺寸，並且，在實際應用中的HOE有許多條帶和許多橫向連接。因此，上面的圖形應看作是具有普通條帶數的HOE的一個例子，但是，應當了解的是，事實上可以使用許多條帶，就如像在HOE400中的那樣。
圖14示出了典型的光開關500的頂視圖，它可以使用上述的、通常由HOE502a和HOE502b代表的任何一種HOE來構成1x2的光開關。可以將圖14中的概念加以擴展，以製作1xN的光開關。圖中示出了兩個HOE，即HOE502a和HOE502b，並且它們都和進入的光信號504的傳播通路校準。進入的光信號504以TIR的方式行進在襯底506中，該襯底與以前描述過的襯底相類似。HOE502a和HOE502b都安放在襯底506的上方，並且都可以通過上述的任何起動結構在「開」和「關」位置之間相對於襯底而獨立活動。具體地說，如果HOE502a在「開」的位置上，光信號504就沿著第一反射通路508而反射。通路508不與光信號504的傳播平面垂直，而是與該傳播平面成角度α。如果HOE502a在「開」的位置上，最好是讓幾乎所有的光信號504都沿著通路508反射，只讓最少量的m＝0模式的光信號入射到HOE502b上。如果開關HOE502b在「關」的位置上，該最少量的光信號將繼續沿著通道512傳播並被吸收，要不然，就通過適當的手段防止其反射回器件中去。需要注意的是，由於隱失場的指數性質，開關HOE502b是完全關閉的，因此，m＝0模式的光信號並不傳播到輸出通路510中。如上所述，對於市售的開關而言，這是一個重要的參數。
如果HOE502a在「關」的位置上，光信號504就不會受到影響，並在襯底506中繼續以TIR方式傳播，直到達到第二個HOE502b為止。如果HOE502a在「開」的位置上，光信號504就在與其傳播方向成α角的方位上被反射到第二個反射通路510中。HOE502a和HOE502b最好是相同的，並且通路508和510也最好是平行的。此外，儘管圖中沒有示出，通路508和510可以導致輸出光纖的輸出與反射光耦合，以便將圖示的結構用作為通到光纖開關的光纖。並且，如果HOE502a和HOE502b都在「關」的位置上，也可能耦合到其它的光學器件中，而光信號504將繼續通過襯底506在信號通路512上傳播而不發生改變。也能將信號通路512耦合到輸出光纖中，以供監控目的之用。由於m＝0模式的不完全抑制，在信號通路512上總是存在代表輸入信號的小信號。通過將HOE氣隙控制到「開」和「關」之間的中間位置上，也能將該器件構造成可變的分光器或衰減器。例如，可以把HOE502a放在只有50％效率的位置上，而讓其餘的50％的入射信號504投射到HOE502b上，而HOE502b可以放在接近100％效率的位置上。這個設計有些像1x2分光器，其沿通路508和510上的輸出信號，每個都有大約為50％的入射光束能量。
儘管上面示出的結構都有由條帶構成的HOE，但是，對於一般熟悉工藝技術的人而言，應當了解的是，所示的這些結構可以是更為通用的DOE結構，它比HOE具有更大的尺寸，例如，可以比圖5中畫出的『a』/λ值大許多倍。因此，可認為DOE結構也包含在本發明所發布的內容和下面的權利要求之中。
在不偏離本發明的合理範圍和本發明的精神的情況下，可以對所公開的實施例進行許多其它的變動和修改。上文中討論了某些改變的範圍。從所附的權利要求中可以更明顯地看出其它可以改變的範圍。
權利要求
1.一種光開關包括襯底，用於在該襯底中傳輸光信號，其中所述光信號在全內反射下以第一方向在該襯底中傳播；和衍射光學元件，放在該襯底的頂部表面上，並能在第一位置和第二位置之間相對於襯底而移動，其中所述第一位置基本上在與光信號耦合的隱失場之外，以便使光信號能繼續在第一方向上傳播，第二位置在與光信號耦合的隱失場之中，以便將光信號的傳播改變到第二方向上。
2.根據權利要求1的光開關，其中所述襯底是由石英和藍寶石構成的一組材料製成的。
3.根據權利要求1的光開關，其中所述衍射光學元件是全息光學元件。
4.根據權利要求1的光開關，其中所述衍射光學元件是由形成衍射光柵的多個條帶構成的，其中每個條帶都有大致相等的寬度，以及其中每個條帶由大致相等的間隔分開來。
5.根據權利要求4的光開關，其中所述寬度大致等於所述間隔。
6.根據權利要求4的光開關，其中所述衍射光柵具有光柵周期『a』，其大致等於襯底中光信號的光波長。
7.根據權利要求4的光開關，其中所述衍射光柵具有在0.5λ和3λ之間的光柵周期『a』，其中λ是襯底中光信號的波長。
8.根據權利要求4的光開關，其中所述條帶是柔軟的，以便在所述第一位置和所述第二位置之間移動所述衍射光學元件。
9.根據權利要求8的光開關，其中條帶是從固定地安裝在襯底上的錨定部件上懸掛起來的。
10.根據權利要求4的光開關，其中條帶是用軟構件從第一錨定部件和第二錨定部件上懸掛起來的，其中所述第一錨定部件和所述第二錨定部件都固定地安裝在襯底上，其中軟構件可讓衍射光學元件在所述第一位置和所述第二位置之間移動。
11.根據權利要求4的光開關，其中條帶在第二位置上偏移，和其中電極安放在靠近條帶的地方，以便將條帶移動到第一位置上。
12.根據權利要求4的光開關，其中條帶是線狀的，並基本上垂直於將角θp對分的線，角θp是在包含輸入信號的平面和包含輸出信號的平面之間的夾角。
13.根據權利要求4的光開關，還包括形成在條帶之間的十字接頭。
14.根據權利要求4的光開關，其中所述條帶是從由無定形矽、晶態矽和多晶矽構成的組合中選出的材料組成的。
15.根據權利要求4的光開關，其中所述條帶是從由氧化鋁、藍寶石、氮化矽、多晶矽/多晶鍺合金構成的組合中選出的材料製成的。
16.根據權利要求4的光開關，其中條帶的折射率高於襯底的衍射率。
17.根據權利要求4的光開關，其中條帶的厚度大約為1μm。
18.根據權利要求17的光開關，其中條帶具有選擇來使第二方向上的光信號的強度達到最大的厚度。
19.根據權利要求4的光開關，其中選擇條帶的寬度來使第二方向上的光信號的強度達到最大。
20.根據權利要求1的光開關，其中當衍射光學元件在第二位置上時，所述衍射光學元件與襯底的頂部表面有物理接觸。
21.根據權利要求1的光開關，其中在第二方向上傳播的光信號是在全內反射下傳播的。
22.根據權利要求1的光開關，其中光信號在全內反射下從襯底的頂部表面上反射出去。
23.根據權利要求1的光開關，其中光信號在全內反射下從襯底的頂部表面和底部表面上反射出去。
24.根據權利要求1的光開關，其中衍射光學元件是由基本上透明的光學材料組成的。
25.根據權利要求1的光開關，其中衍射光學元件按照全內反射來進行操作。
26.根據權利要求1的光開關，其中所述衍射光學元件是由多個形成衍射光柵的條帶形成的，其中每個條帶都有相互關聯的寬度和間隔距離，使得條帶的寬度和間隔距離可以變化。
27.一種與光學襯底一起使用的全息光學元件，其中入射光信號在襯底中以初始的傳播方向傳播，並在全內反射下從襯底的頂部表面上反射出去，該全息光學元件包括多個由光學透明材料製成的分隔條帶，它們被放置在襯底頂部表面的上方，以便共同接收光信號的第一部分，並產生從光信號的第二部分上移相的輸出信號相位，光信號的第二部分在襯底頂部表面上發生反射，以便在襯底中產生衍射圖樣；鄰近該多個條帶的懸掛構件，其安放的位置可以讓條帶從第一位置和第二位置上移動，在第一位置上全息光學元件改變入射光信號，在第二位置上全息光學元件不改變入射光信號。
28.根據權利要求27的全息光學元件，其中懸掛構件包括用多個安裝構件安裝在襯底頂部表面上的多個軟臂，這些軟臂是與條帶相耦合。
29.根據權利要求28的全息光學元件，其中安裝構件的高度可以使條帶在第一位置上偏移。
30.根據權利要求28的全息光學元件，其中軟臂有所偏移，以使在第二位置上的條帶回到第一位置上。
31.根據權利要求28的全息光學元件，其中軟臂與條帶相耦合，以便讓條帶一起移動到第一和第二位置上。
32.根據權利要求28的全息光學元件，其中軟臂的厚度等於條帶的厚度。
33.根據權利要求27的全息光學元件，其中懸掛構件並不在襯底頂部表面的上方伸展。
34.根據權利要求27的全息光學元件，其中襯底是由藍寶石製成的。
35.根據權利要求27的全息光學元件，其中衍射圖樣有在0.75λ和3λ之間的光柵周期『a』，λ是入射光信號的波長。
36.根據權利要求27的全息光學元件，該光學元件進而包括安置在條帶上方的電極，以便將條帶移動到第一和第二位置上。
37.根據權利要求27的全息光學元件，其中條帶是線狀的，並且大致垂直於角θ的分角線，角θ是包含輸入信號的平面和包含輸出信號的平面之間的夾角。
38.根據權利要求27的全息光學元件，該光學元件進而包括製作在條帶之間的橫向連接。
39.根據權利要求27的全息光學元件，其中條帶是從由非晶態矽、晶態矽和多晶矽組成的組合中選出的材料製成的。
40.根據權利要求27的全息光學元件，其中條帶是從由氧化鋁、藍寶石、氮化矽和多晶矽組成的組合中選出的材料製成的。
41.根據權利要求27的全息光學元件，其中條帶的折射率高於襯底的折射率。
42.根據權利要求27的全息光學元件，其中選定的條帶寬度可使在輸出方向上傳播的光信號的量級達到最大。
43.根據權利要求27的全息光學元件，其中在第二方向上傳播的光信號是在全內反射下、在襯底中傳播的。
44.一種1×N的光學開關包括在其中傳輸光信號的襯底，其中所述光信號在全反射下、在襯底中沿第一方向傳播；安置在襯庭頂部表面上方的N個衍射光學元件，每個光學元件都可以在第一位置和第二位置之間相對於襯底而單獨移動，第一位置基本上在與光信號耦合的隱失場之外，以便讓光信號繼續在第一方向上傳播，第二位置在與光信號耦合的隱失場之中，以便將光信號的傳播改變到第二方向上。
45.根據權利要求44的1×N光開關，其中每個衍射光學元件是由組成衍射光柵的多個條帶構成的，而且每個條帶都有大致相同的寬度，並以大致相同的間距分開。
46.一種與襯底一起使用的光開關，該光開關包括安置在襯底頂部表面上以便相對於襯底而移動的多個條帶，每個條帶都有條帶寬度，並用間隔距離分開，選擇條帶寬度和間隔距離之和『a』，以便將在襯底中、在全內反射下傳播併入射到條帶下的襯底頂部表面上的一個區域中的光信號反射到第一衍射級中，並在襯底中、在與傳播入射方向成角θp的傳播反射方向上傳播，以及在襯底中、在全內反射下傳播。
47.根據權利要求46的光開關，其中條帶寬度和間隔距離之和『a』是在0.5λ和3λ之間，λ是襯底中光信號的波長。
48.根據權利要求46的光開關，其中光信號以角θ入射到衍射光柵上，並伸展到襯底之中，角θ等於或大於35度，它是依據襯底頂部表面的垂線與入射光信號之間的夾角來測量的，其中需要選擇條帶寬度和間隔距離之和『a』，以使角θp大於20度，最好在90度到145度之間。
全文摘要
本發明提出了一種由全息光學元件(HOE)構成的光開關，該全息光學元件放置在襯底頂部表面的上方，並可相對於襯底而移動。光線在全內反射下通過襯底而行進，並產生了擴展到襯底的反射面之外的隱失場。在本發明的一個實施例中，HOE的特徵在於由多個可以在第一位置和第二位置之間移動的條帶組成的，其中在第一位置上，條帶位於隱失場之上，在第二位置上，條帶位於隱失場之中。在第一位置上，在襯底中的光在傳播的初始方向上傳播就不受HOE的影響。在第二位置上，HOE改變了襯底中的光，並使其在與傳播的初始的方向斜交的反射方向上傳播。
文檔編號G02B5/32GK1636156SQ02817776
公開日2005年7月6日 申請日期2002年4月25日 優先權日2001年7月13日
發明者羅傑·L·弗裡克, 查爾斯·R·威爾科克斯 申請人:柔斯芒特公司