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TWI759480B - 製造光學裝置的方法 - Google Patents

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TWI759480B
TWI759480B TW107115768A TW107115768A TWI759480B TW I759480 B TWI759480 B TW I759480B TW 107115768 A TW107115768 A TW 107115768A TW 107115768 A TW107115768 A TW 107115768A TW I759480 B TWI759480 B TW I759480B
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陳書履
那允中
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光引研創股份有限公司
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Abstract

一種光學裝置製作方法包含：從半導體基板移除半導體材料以形成第一曲面和第二曲面；形成接合材料在第一曲面上，並至少從第一和第二曲面上選擇性地移除半導體材料以形成一或多個次波長結構。半導體基板具有與半導體材料的帶隙能量相關的帶隙波長。光學裝置折射某些入射電磁輻射和/或過濾其它電磁輻射。折射的輻射包括超過帶隙波長的紅外波長，並且濾除的輻射包括低於帶隙波長短的波長。

Description

製造光學裝置的方法
本創作是關於利用一光學裝置來耦合光。
光在自由空間中傳播，或者光學介質耦合到將光訊號轉換為電訊號以用於處理的光偵測器。
本發明的實施方案涉及用於導光、處理或檢測電磁輻射的光學裝置。更具體地，本實施方案涉及製作用於折射和/或濾除預定波段的電磁輻射的光學裝置。
一般來說，本發明所描述之標的之一發明態樣可實現於一光學裝置的製造方法中；前述的製造方法包含：從半導體基板移除半導體材料以形成一第一曲面和一第二曲面，形成一接合材料於該第一曲面，以及選擇性的從第一和第二曲面移除半導體材料以形成一或多個次波長結構。半導體基板具有一帶隙波長，關聯於半導體材料的一帶隙能量。形成接合材料包含沉積接合材料於第一曲面。第二曲面形成在光學裝置並相對於第一曲表面。至少一次波長結構之至少一個維度的尺寸小於半導體基板的帶隙波長的。光學裝置被配置用於折射具有一第一波長範圍的電磁輻射，和/或過濾具 有一第二波長範圍的電磁輻射；第一波長範圍為大於帶隙波長的紅外波長，第二波長範圍小於帶隙波長。
此實施方案及其它實施方案可各視情況包含下列特徵之一或多者。光學裝置的半導體材料的帶隙能量能夠是1.2電子伏特至1.7電子伏特。在一些實施方案中，第一波長範圍可以從800奈米至2000奈米。在一些實施方案中，第二波長範圍可以從400奈米至800奈米。
製造方法可以更包含相對於接合層配置一光學元件，光學元件將接收光學裝置折射的電磁輻射。光學元件可為一主動元件，被配置用於調整第一波長範圍和/或第二波長範圍。調整可包含吸收或發射對應於調整範圍的波長的電磁輻射。在一些實施方案中，光學元件被選自由一光偵測器、一感測器、一發光二極體及一雷射所構成的群組中。在一些實施方案中，光學元件包含矽鍺。
此實施方案及其它實施方案可各視情況也包含下列特徵之一或多者。可用於形成一光學元件的一或多個結構選自一光偵測器、一感測器、一發光二極體及一雷射所構成的群組中。
在一些實施方案中，接合層具有對應於光學裝置的一焦距的一光學厚度。接合層能夠包含一接合材料，此接合材料選自氧化物、氮化物及金屬所構成的群組中。在一些實施方案中，形成接合層更包含藉由化學機械拋光平坦化接合層。
第二曲面可具有相同於第一曲面的曲率半徑。在一些實施方案中，第一曲面和第二曲面中的至少一者藉由一灰階光罩來形成。
從半導體基板移除半導體材料可包含蝕刻半導體基板。一或多個次波長結構能夠包含周期性排列的複數次波長結構。
在一些情況下，光學裝置具有一等效折射率，其對應於施加的一電場動態地調整。光學裝置可以是一透鏡。
在一些實施方案中，光學裝置為一第一光學裝置，且接合層為一第一接合層，前述的製造方法進一步包含耦合一第二光學裝置至第一光學裝置。例如，第二接合層可藉由沉積接合材料在第二曲面而形成於第一光學裝置的第二曲面上，且第二光學裝置可耦接至第二接合層並相對於第一光學裝置。第一光學裝置和第二光學裝置被配置用於共同折射具有一第三波長範圍的電磁輻射和/或過濾具有一第四波長範圍的電磁輻射。在一些示例中，第三波長範圍為第一波長範圍的子範圍。在一些示例中，第四波長範圍為第二波長範圍的子範圍。
在一些實施方案中，第二光學裝置包含至少一曲面，其包含一或多個次波長結構。至少一次波長結構在一個維度的尺寸小於半導體基板的帶隙波長。在一些實施方案中，第二接合層具有一光學厚度，此厚度足以使第一光學裝置反射的電磁輻射能夠聚焦在第二光學裝置。
本公開的實現提供了以下優點中的一個或多個。實施方案提供了用於大規模生產半導體透鏡的技術，相較於對可見光和紅外輻射透明的傳統玻璃透鏡，半導體透鏡可以吸收可見光和近紅外輻射。本發明的 半導體的透鏡可用於折射和/或吸收具有近紅外或紅外波長的電磁輻射。此外，在這裡描述的半導體透鏡可經製作而可吸收和/或折射選擇性入射的電磁輻射。與玻璃透鏡相比，本公開中描述的半導體透鏡具有更大的折射率。這種較大的折射率提供了在光學裝置內的較短傳輸路徑中導光、聚焦或散焦受折射的輻射的能力。
此外，形成用於折射和濾光的光學裝置來作為一個光學組件可以降低與光學系統中的其它光學組件的整合的複雜性。形成用於折射和濾光的折射元件來作為一個光學組件可以降低製造成本。折射元件可以平面地形成在晶圓上以與光子積體電路整合。藉由改變相應的折射元件的週期性結構，可以在同一製程中形成具有不同濾光範圍的多個折射元件。折射元件可以與主動元件整合以調整折射元件的折射或濾波範圍。
一種或多種實施方案的詳細內容在附圖及下文的實施方案中進行說明。其它潛在特徵與優點將從實施方案、附圖及申請專利範圍中變得顯而易見。
100、200、210、400、600、610、620、700、710、810:光子積體電路
101、131a-131e、201、211、501、503、511、513、521、531、601、621、631、701、711、801、811:折射元件
103:表面
105:週期性結構
107、203、213、703、713、803、813:光學介質
111、209、219、221、421、423、427:光
113:聚焦光束
119:外部介質
120:光子積體電路
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、143、145、151、153、155:層
150:多層折射元件
160:層疊折射元件
161、401:第一折射元件
163、403:第二折射元件
203、213:光學介質
204、214:覆蓋元件
205:基板
207:主動元件
208、218:入射光
215:外部介質元件
331、332、334:週期性結構
301、303:a-n週期結構
305:二維週期性結構
333:週期性結構
307:a-n二維矩形週期性結構
308、310:層
321:x方向
322:y方向
405:第三折射元件
407:第四折射元件
411:具有寬頻訊號的光
500、503、510、520、530、633:光學元件
523、533:側壁
602、612、635:第一摻雜區
604、614、637:第二摻雜區
616:第三摻雜區
622:a-n摻雜區域
630:光子積體電路
705、715、805、815:電壓源
807、817:支撐元件
809、819:箭頭
902-906、1000-1008:步驟
圖1A是作為光子積體電路一部分的光學裝置的示例的方塊圖。
圖1B、1C和1D示出了光學裝置的示例。
圖1E示出了層疊光學元件的示例。
圖2A和2B示出了用於過濾或會聚光的光學裝置的示例。
圖3A-3D示出了子結構的示例。
圖4示出了具有用於過濾不同波長的光的光學裝置的光子積體電路的示例。
圖5A-5D示出了具有應變引發曲率的折射元件的示例。
圖6A-6D示出了具摻雜區的折射元件的示例。
圖7A-7B示出了以壓電效應控制折射元件的示例。
圖8A-8B示出了以電容效應控制折射元件的示例。
圖9是製作光學裝置的示例的方塊圖。
圖10示出了製作光學裝置的流程圖的示例。
在各個附圖中，相似的參考編號和名稱表示相似的元件。也應當理解，附圖所示的各個示例性實施方案僅為說明性表達，不一定按照比例進行繪製。
圖1A示出了光學裝置100的示例的方塊圖，光學裝置100包含折射元件101。折射元件101(也稱為「透鏡」)能夠用於將光耦合入光學裝置或耦合出光學裝置100。示例性的光學裝置100包含，但不限於，透鏡、光學濾波器、準直器。示例的透鏡包含透光透鏡、反射透鏡或其等的組合。光學裝置100能夠折射、濾波、準直、聚焦、散焦、發散、會聚和/或反射光束。
一般來說，光學裝置可具有一個或多個光學規格參數。在一些實施方案中，光學規格參數可為數值孔徑，其允許光學元件擷取特定角度內的光錐。例如，單模光纖可以具有0.14的數值孔徑。在 一些實施方案中，光學規格參數可為允許光學元件發射或接收光的特定尺寸。例如，光學偵測器可具有用於接收光的100μm2偵測區域。
光從一個光學元件傳輸到與其光學規格參數不匹配的另一個光學元件通常會導致光學功率的損失。為了降低損失，可以使用透鏡來降低兩個光學元件之光學參數規格的不匹配；例如，透鏡可用於匹配兩個光學單元之間的數值孔徑。在另一示例中，可以使用透鏡將光聚焦到具有較小面積的光學元件。再者，在光學系統中傳播的光可與多個波長相關聯，且可在光學元件之間使用濾波器以在多波長光中選擇一個或多個目標波長。透鏡或濾波器最好能與其它光學裝置整合以降低整合複雜度和製作成本；此外透鏡和濾光器最好整合到一個光學裝置中，以降低整合複雜性和製作成本。
光學裝置100包含折射元件101和光學介質107。一般來說，折射元件101被配置用於從外部介質119到光學介質107或從光學介質107到外部介質119折射光和/或濾光。在一個示例中，進入光學裝置100的入射光111具有兩個波長λ1和λ2，波長λ1的光被折射元件101濾除，波長λ2的光被折射元件折射和聚焦而形成進入光學介質107的聚焦光束。在此要注意的是，前述的示例不是限制性的，且折射元件101可經設計而選擇或過濾一個或多個其它波長，或經設計為執行其它光學功能，例如光束的散焦或準直光束。
折射元件101由一種或多種半導體材料構成。例如，折射元件101可由矽、鍺、錫或III-V族化合物製成。折射元件101具有帶隙能量，其取決於折射元件101所包含的半導體材料的帶隙能量。折射元件101具有帶隙波長，其取決於折射元件101的帶隙能量，例如，通過下式決定：λ=(hc)/E...(1)；其中，λ為帶隙波長，h為普朗克常數，c為光速，E為帶隙能量。
根據折射元件101的帶隙能量，折射元件101能夠過濾或折射特定波長範圍內的電磁輻射。例如，帶隙波長為700nm的折射元件101能夠吸收(或過濾)波長短於700nm的入射電磁輻射(例如，可見光波長)，並發射(或折射)具有較700nm更長波長的入射電磁輻射(例如，紅外波長)。
一般來說，折射元件101包含一個或多個曲面(例如，曲面103)和/或子結構105。曲面103可具有預定的曲率半徑，且前述的曲率半徑可配置以根據司乃耳定律(Snell's law，或稱「折射定律」)或任意合適的數值分析模型而折射入射光。示例性的數值分析模型包含射線追蹤模型(ray tracing model)、高斯光束模型(Gaussian beam model)、光束傳播法(beam propagation method；簡稱BPM)模式或時域有限差分(finite-difference time-domain；簡稱FDTD)模型。
一個或多個子結構105能夠包含一組一維、二維、三維或其等之組合的週期性子結構。在圖1A所示範例中，一組二維週期性子結構 形成於折射元件101中。如在本文中使用的，子結構105可包含光子晶體、光柵或週期性子結構，以影響耦合至週期性子結構的光之光學特性。其它示例的子結構將在圖3A至3D中更詳細地描述。
在一些實施方案中，一組子結構105是週期性的(本文中稱為「週期性子結構」)，且可經配置而根據導波模態共振效應(guided mode resonance effect)以折射光或濾光。在導波模態共振效應中，一組子結構由具有折射率高於折射元件101主體、光學介質107和外部介質119的材料形成，以在週期性結構中形成至少一導波模態。導波模態與週期性結構的繞射模態干涉以產生可用於作為濾波器的共振反應。在一些實施方案中，曲面103與共振反應之組合可將光折射到不同方向。
在一些實施方案中，一個或多個子結構105為次波長結構。次波長結構至少在一個維度的尺寸可小於折射元件101的帶隙波長。在一些實施方案中，一組子結構105以週期性圖案配置。在一些示例中，取決於導波模態共振效應的週期性結構的週期小於折射元件101的帶隙波長。其它示例的子波長結構將在圖1B中更詳細地描述。
在一些方案中，一組子結構105可配置用於根據等效折射率改變效應(effective index change effect)折射光或濾光。在等效折射率改變效應中，該組子結構105的設計係沿著折射元件101的一軸線產生一個等效折射率分佈。例如，該組週期性結構105可讓洞孔的直 徑和/或週期沿著x軸和y軸的週期性作變化，以產生一個等效折射率分佈。在一些實施方案中，曲面103與等效折射率分佈的組合可將光折射到不同方向。在一些實施方案中，曲面103與等效折射率分佈的組合可導致折射光的聯合相位改變，進而產生光學聚焦器/散焦器。在一些實現方案中，基於等效折射率變化效應的子結構105具有週期性，且其週期可以是深次波長的尺寸。
在一些實施方案中，為了減少或消除入射光111的偏振效應，一組週期性結構105可經設計而具有圍繞其光軸之90度旋轉的對稱性。在此示例中，前述的光軸沿著在折射元件101中心的z軸。
光學介質107可包含能夠傳輸、引導、偵測或產生光的任何材料。例如，光學介質107可以是矽、氧化物、氮化物或其組合之半導體基板。在其它示例中，光學介質107可為空氣。在其它示例中，光學介質107可包含吸收光的鍺光偵測器。在其它示例中，光學介質107可為多層垂直腔面發射型雷射(vertical-cavity surface-emitting laser；簡稱VCSEL)。
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可為光纖。在其它示例中，外部介質119可為光偵測器。在其它示例中，外部介質119可為光源。在其它示例中，外部介質119可為空氣。在其它示例中，外部介質119可為半導體基板，例如矽、氧化物、氮化物或其等之組合。在其它示例中， 由一層或多層氮化物、氧化物、空氣或有機材料構成之的覆蓋層(cladding layer)可形成在外部介質119和折射元件101之間。
在一些實施方案中，折射元件101和光學介質107可由不同的材料組成。例如，折射元件101可由矽組成，且光學介質107可由氧化物組成。在一些實施方案中，折射元件101和光學介質107可由相同材料組成。例如，折射元件101和光學介質107可由鍺或其它III-V族半導體材料組成。在一些實施方案中，折射元件101可由多層材料組成。圖1C和1D示出了多層折射元件的示例。光學介質107可由多層材料組成。例如，可沈積多層抗反射鍍膜以盡量降低折射元件101和光學介質107間的反射。在一些實施方案中，折射元件可具備濾波、聚焦/散焦或前述兩者的功能。
圖1B示出了折射元件131a-131e的示例，其等可分別作為光學裝置100中的折射元件101。任一折射元件131a-131e也可在本文中描述光學裝置或非本文中描述的光子積體電路中實現。
就概念而言，折射元件可被區分成透鏡部分121和子結構部分123。一般來說，入射到透鏡部分121的光，會在其具有預定曲率半徑的表面發生折射。在一些實施方案中，表面曲率可由製程中故意或非故意造成的應變來產生，且所產生之曲率半徑遠大於折射元件尺寸。在一些實施方案中，前述的表面可用灰階光罩進行圖案化和蝕刻來形成表面曲率。
一般來說，子結構部分123包含一個或多個的一維、二維、三維子結構。子結構可建立一組或多組週期性子結構。例如，在圖1B中示出的子結構部分123包含第一組週期性子結構125和第二組週期性子結構127。第一組週期性子結構125可經設計而產生一個等效折射率改變效應，第二組週期性子結構127可經設計而產生一個導波模態共振效應。在一些實施方式中，第一組週期性子結構125和第二組週期性子結構127的疊加產生子結構部分123並用於折射和過濾入射光。
透鏡部分121和子結構部分123可經組合而形成折射元件。例如，折射元件131a可藉由蝕刻子結構部分至透鏡部分的底部形成，以在子結構部分和透鏡部分之間提供高折射率對比。在其它示例中，若透鏡部分具有一凸面，折射元件131b可先藉由蝕刻子結構，而讓子結構的峰部隨著透鏡部分的曲率變化。折射元件131b可在形成透鏡部分之後再蝕刻子結構來形成。在其它示例中，若透鏡部分具有一凸面，折射元件131c可藉由蝕刻一子結構，而讓子結構的峰部隨著透鏡部分的曲率變化。折射元件131c可在形成透鏡部分之後再蝕刻子結構的互補圖案來形成。
在其它示例中，若透鏡部分為一凹面，折射元件131d可藉由蝕刻子結構而讓子結構的凹部隨著透鏡部分的曲率變化。折射元件131d可在形成透鏡部分之前，先蝕刻子結構來形成。在其它示例中，若透鏡部分為一凹面，折射元件131e可藉由蝕刻子結構而讓 子結構的峰部隨透鏡部分的曲率變化。折射元件131e可在形成透鏡部分之後，再蝕刻子結構來形成。
在一些實施方案中，為了對一個或多個入射光波長進行濾波、聚焦或散焦，一個或多個子結構可填充有一種或多種與折射元件之等效折射率不同的材料。例如，折射元件可以由矽組成，而該組子結構之空隙可至少部分地填入氧化物或氮化物。在其它實施方案中，為了對一個或多個入射光波長進行濾波、聚焦或散焦，一個或多個子結構的半徑可不同於其它一個或多個子結構的半徑。例如，週期性子結構125的半徑不同於週期性子結構127的半徑。在一些實施方案中，一組子結構是次波長結構，其至少在一個維度之尺寸小於透鏡的帶隙波長。例如，週期性子結構127中的子結構可為次波長結構，其直徑小於透鏡121的帶隙波長。在一些實施方案中，為了對入射光的一個或多個波長進行濾波、聚焦或散焦，該組週期性結構中的多個子結構可具有局部非均勻週期。
圖1C示出可在光學裝置100中實現的多層折射元件140。儘管圖中未標示，但多層折射元件140可包含曲面。多層折射元件140包含三個層141、143和145。在一些實施方案中，層141、143和145可由不同材料組成，例如介電質(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，一個或多個層141、143和145中之任一層可由吸收材料構成，例如鍺。在其它示例中，二個或多個層141、 143和145可由增益材料(gain material)所構成，例如III-V材料。子結構可在頂層145形成，而其它兩層141和143可對頂層145提供表面應力，以形成多層折射元件140的表面曲率。在一些其它實施方案中，多層折射元件140可有較少或是較多的層。在一些其它實施方案中，週期性子結構可形成在多於一層之上。
圖1D示出一個可在光子光學裝置100中實現的多層折射元件150。儘管圖中未標示，但多層折射元件150可包含曲面。多層折射元件150包含三層151、153和155。層151、153和155可由不同的材料組成，例如介電質(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，一層或多個層151、153和155可由吸收材料構成，例如鍺。在其它示例中，二個或多個層151、153和155可由增益材料所組成，例如III-V材料。在一些實施方案中，一個或多個子結構可形成在兩層151和155之間的層153之上。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。在一些其它實施方案中，多層折射元件150可有較少或是較多的層。在其它實施方案中，子結構可形成在多於一層之上。
圖1E示出層疊折射元件160。一般來說，層疊折射元件160能提供設計彈性。例如，層疊折射元件160可包含第一光學裝置161和第二光學裝置163，第二光學裝置163光學耦合至第一光學裝置161。 第一和/或第二光學裝置為一透鏡、濾光器或其等的組合。例如，第一光學裝置161可經設計以通過(過濾出)波長範圍介於930nm至945nm的光(或電磁輻射)，第二光學裝置163可經設計而通過(過濾出)波長範圍介於935nm至950nm的光(或電磁輻射)。藉由將第一光學裝置161和第二光學裝置163疊加，即可提供通過波長範圍為935nm至945nm之較窄帶寬濾光器。第一光學裝置161和第二光學裝置163可使用本文中描述的折射元件來實現。在一些實施方案中，第一光學裝置161可在等效折率變化效應下操作以改變光束輪廓，第二光學裝置163可在導波模態共振效應下操作以選擇所需波長。在一些實現方案中，第二光學裝置163的等效折射率不同於第一光學裝置161的等效折射率。在一些實現方案中，第二光學裝置163的等效折射率相同於第一光學裝置161的等效折射率。在一些實現方案中，第二光學裝置163所包含第二組子結構不同於第一光學裝置161所包含的第一組子結構。在一些其它實施方案中，第二光學裝置163所包含的第二組子結構的尺寸相同於第一光學裝置161的第一組子結構。在一些實施方案中，折射元件可為濾波器，而其它折射元件可以是聚焦器或散焦器。
圖2A示出光學裝置200的方塊圖，光學裝置200整合了主動元件和折射元件。在此示例中，具有二波長λ1和λ2的入射光208入射光學裝置200，其中波長λ1光線穿透光學裝置200而成為光209，而波長 λ2光線被光學裝置200濾除。光209被聚焦到光偵測器以量測波長λ1的光功率。
該光學裝置200包含折射元件201、光學介質203、覆蓋元件204、基板205和主動元件207。折射元件201可由本文中所描述的折射元件來實現。例如，折射元件201可由圖1A所示之折射元件101實現。在此，折射元件201被配置用於聚焦入射光208至主動元件207。此外，折射元件201被配置用於濾除一個或多個包括波長λ2的光(或電磁輻射)。
光學介質203可由讓光209穿透或部分穿透之材料所組成。在一些實施方案中，光學介質203的厚度可為折射元件101的焦距。在其它實施方案中，光學介質203的厚度可經設計而在主動元件207上產生特定尺寸的光點。
覆蓋元件204形成在折射元件201之上，以減少入射光208的反射和/或保護折射元件201。在一些實施方案中，覆蓋元件204的等效折射率低於折射元件201的等效折射率。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。
基板205可為任何適合製造光子積體電路的基板。例如，基板205可為矽晶圓、矽覆絕緣體(SOI)晶圓、III-V族材料(例如砷化鎵或磷化銦)、可撓性有機基板、石英晶圓或玻璃晶圓。在其它實施方 案中，基板205可為沉積在積體電子電路上之被動材料層或主動材料層。
主動元件207可以是傳送、調變、切換或吸收光的光學元件。在此示例中，主動元件207為光偵測器，並被配置用於吸收一部分的光209，進而測量波長λ1光線的光功率。在其它實施方案中，主動元件207可為一層或多層的矽、鍺、錫，或III-V族化合物所構成。
圖2B示出用於導光的光學裝置210。在此示例中，入射光218具有入射至光學裝置210的兩個波長λ1和λ2，其中波長λ1光線穿透光學裝置210，而波長λ2光線被光學裝置210濾除。光219被聚焦到一光學介質中，並離開光學裝置210而成為光221。光221可被引導到另一個光學裝置或另一個光學系統以進行更進一步的處理。
光學裝置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。折射元件211可由本文中描述的折射元件來實現。例如，折射元件211可以使用如圖1D示出的折射元件150來實現。在此，折射元件211被配置用於聚焦入射光218。再者，折射元件211也能夠被配置用於濾除一個或多個包含波長λ2的光(或電磁輻射)。
光學介質213可使用本文中描述的光學介質來實現。例如，光學介質213可使用圖2A描述的光學介質203來實現。覆蓋元件214可使用本文中描述之覆蓋元件，例如圖2A之覆蓋元件204來實現。外部 介質215可使用本文中描述之外部介質來實現。例如，外部介質215可使用圖1A描述的外部介質119實現。在其它實施方案中，覆蓋元件214的等效折射率高於折射元件211的等效折射率。
圖3A示出在xy平面上的一組週期性結構331。該組週期性結構331是形成在折射元件的子結構的示例。圖3A的揭露內容可適用於本文中描述的任一折射元件。該組週期性結構331包含一個沿著x方向的一維週期性結構301a-n和303a-n的陣列，其中n大於1的整數。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。該組週期性結構可為一維光柵或一維光子晶體。在其它實施方案中，該組週期結構301a-n和303a-n可由不同的材料構成。例如，週期性結構301a-n可以由矽構成，而週期性結構303a-n可由氧化物所構成。在其它實施方案中，週期性結構303a-n可包含一層半透明的金屬，例如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示出一組週期性結構332在xy平面上的示例。該組週期性結構332為在折射元件的子結構部分可形成子結構的範例。圖3B的描述可應用於本文中所描述的任一折射元件。該組週期結構332包含一個二維週期性結構305a和層305b。在其它實施方案中，週期性結構305a可對應於光柵的峰部。在其它實施方案中，週期性結構305a可對應於光柵的凹部。二維週期性結構305a的排列構成了折 射單元的週期性結構。在其它實施方案中，層305b可為氧化物，週期性結構305a可為矽。
圖3C示出一組週期性結構333在xy平面上的示例。該組週期性結構333為在折射元件的子結構部分可形成子結構的範例。圖3C的描述可應用於本文中所描述的任一折射元件中。該組週期結構333包含沿著x方向排列的二維矩形週期性結構307a至307n的陣列，和沿著y方向排列的307a至307k的陣列。在其它實施方式中，週期性結構307a可為光柵或光子晶體的峰部。在其它實施方式中，週期性結構307a可為光柵或光子晶體的凹部。在其它實施方案中，週期性結構307a和層308可由相同的材料構成，例如矽。在其它實施方案中，週期性結構307a和層308可由不同的材料構成。例如週期性結構307a可由矽構成，而層308可由氧化物或氮化物構成。在其它實施方案中，週期性結構307a可為正方形、圓形、非正方形或不同幾何結構的組合。週期結構307a-n和307a-k在xy平面上的排列形成折射元件的週期性結構。在其它實施方案中，週期性結構的週期沿著x方向321與沿著y方向322和層308內沿著x方向與沿著y方向的干涉圖案(於導波模態共振效應下)大致上匹配。
圖3D示出週期性結構334在xy平面上的示例。該組週期性結構334為在折射元件的子結構部分可形成子結構的範例。圖3D的描述可應用於本文中所描述的任一折射元件。該組週期性結構334包含二維的任意形狀週期性結構309a至309n的陣列，其中n是大於1的整 數。在其它實施方案中，任意形狀的週期性結構309a可為光柵或光子晶體的峰部。在其它實施方案中，任意形狀的週期性結構309a可為光柵或光子晶體的凹部。在其它實施方案中，任意形狀的週期性結構309a與層310可由不同的材料組成。例如，任意形狀的週期性結構309a可由二氧化矽構成，層310可由矽構成。在其它實施方案中，任意形狀於週期性結構309a中可為三角形、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構成了折射元件的週期性結構。在其它實施方案中，任意形狀的週期結構309a至309n中任一者之特定形狀與其相對距離可利用數值分析來確定。例如，有限差分時域分析程序可用於設計每個任意形狀的週期性結構309a至309n的形狀。
圖4示出光子積體電路400的示例，其具有用於過濾不同波長的光的多個折射元件。簡言之，折射元件可形成在單一基板上，且每個折射元件可用來過濾其對應的波長範圍，並用於波長分工多工(wavelength-division multiplexing；簡稱WDM)或影像/光譜感測應用，以監視多個波長範圍之光學功率。附加地或選擇性地，每個折射元件可經設計而以所需方式來折射對應波長範圍的光(或電磁輻射)。
在本示例中，光子積體電路400包含第一折射元件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被配置用於折 射並傳遞包含λ1，但不含λ2、λ3或λ4的波長範圍的光(或電磁輻射)。第二折射元件403用來折射並傳遞包含λ2，但不含λ1、λ3或λ4的波長範圍的光(或電磁輻射)。第三折射元件405用來折射並傳遞包含λ3，但不含λ1、λ2或λ4的波長範圍的光(或電磁輻射)。第四折射元件407用來折射並傳遞包含λ4，但不含λ1、λ2或λ3的波長範圍的光(或電磁輻射)。當一個包含波長λ1、λ2、λ3和λ4的寬頻訊號的光411入射到光子積體電路400上，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光線，以便進一步處理。在不同的實施方案中，可形成不同數目的折射元件在光子積體電路中，且其中的每個折射元件可以不與此範例般折射和/或濾除特定波長範圍。在其它實施方式中，入射光411具有寬頻信號，其中λ1覆蓋紅光光譜、λ2覆蓋綠光光譜、λ3覆蓋藍色光譜，λ4覆蓋紅外光譜。在其它實施方案中，光子積體電路400被看作是可與CMOS影像感測器直接進行單晶片整合的光譜過濾器，以減少後續整合的複雜性和製造成本。多個折射元件可經設計而擁有不同的光子晶體結構，並微調特定目標光譜的波長範圍，然後使用相同的半導體微影步驟加以製成。藉由上述方式，感測器可與更多濾光器整合及具有更細密頻譜濾光，這意味著更精細的光譜分辨率以用於擷取更逼真的影像。
圖5A示出因晶格不匹配或熱膨脹係數不匹配而產生壓縮應力而造成表面曲率的折射元件500的示例。折射元件500包含折射元件501 和光學介質503。一般來說，當光學介質503具有比折射元件501更小的晶格尺寸，所產生的壓縮應a變會讓折射元件501的表面成為凸曲面。例如，光學介質503可由氧化物構成，折射元件501可由矽構成。在一些實施方案中，凸曲面可用來部份聚焦入射光。
圖5B示出因晶格不匹配或熱膨脹係數不匹配而產生拉伸應力而造成表面曲率的折射元件510。折射元件510包含折射元件511和光學介質513。一般來說，若光學介質513具有比折射元件511更大的晶格尺寸，因而產生的拉伸應變會讓折射元件511的表面成為凹面。例如，光學介質513可由鍺構成，折射元件511可由矽構成。在其它實施方案中，凹表面可以用來部份散焦入射光。
圖5C示出因側壁上的壓縮應力而具有表面曲率的折射元件520。折射元件520包含折射元件521和至少包圍折射元件521圓周一部分的側壁523。在壓縮應變作用下，折射元件521的表面成為凸曲面。例如，側壁523可由熱氧化物或緻密氮化物構成，折射元件521可由矽所構成。在其它實施方案中，凸表面可用來部份聚焦入射光。
圖5D示出因側壁上的拉伸應力而具有表面曲率的折射元件530。折射元件530包含折射元件531和至少包圍折射元件531圓周一部分的側壁533。在拉伸應變作用下，折射元件531的表面成為凹曲面。例如，側壁533可由多孔隙氧化物或氮化物構成，折射元件531可由矽構成。在其它實施方案中，凹表面可用於部份散焦入射光。
圖6A示出光子積體電路600的示例。光子積體電路600包含調變元件，調變元件具有兩個摻雜區並藉由至少部分嵌入折射元件或與折射元件整合而耦合至折射元件。折射元件的等效折射率可以藉由摻雜區域的自由載子濃度變化而改變(藉由空乏或是注入自由載子)。透過調變折射元件的等效折射率，其過濾的光的波長範圍或其對應的折射屬性可隨著改變。在一些實現方案中，調變元件可經配置用於改變至少一部分離開折射元件的光的方向或者聚焦深度，或者改變藉由折射元件的一組週期性結構過濾後的光的一個或多個波長範圍。光子積體電路600包含折射元件601，且折射元件可包含在本文中描述的任何折射元件所使用之週期性結構。在一些實施方案中，折射元件601可具有曲面。此外，折射元件601包含第一摻雜區602和第二摻雜區域604。例如，第一摻雜區602可為p型摻雜區，第二摻雜區604可為n型摻雜區，其等可在折射元件601中形成PN接面。在其它實施方案中，施加逆向偏壓至PN接面可將其中的載子空乏，而對應地改變等效折射率。在其它實施方案中，施加正向偏壓至PN接面可增加其中的載子，這也會對應地改變等效折射率。
圖6B示出光子積體電路610的示例。光子積體電路610包含調變元件，調變元件具有三個摻雜區，調變元件可藉由至少部分嵌入折射元件或與折射元件整合而耦合至折射元件。大致來說，在折射元件內，摻雜區域數目的增加可對應地增加空乏區的數目，進而 增加可調變等效折射率的總量。光子積體電路610包含折射元件611，且折射元件611可包含在本文中描述的任何折射元件所使用之週期性結構。在一些實施方案中，折射元件611可以具有曲面。在此示例中，折射元件611包含第一摻雜區612、第二摻雜區614和第三摻雜區域616。例如，第一摻雜區域612可為p型摻雜區，第二摻雜區614可為n型摻雜區，第三摻雜區域616可為p型摻雜區，第一至第三摻雜區在折射元件611中形成PNP接面。在其它示例中，第一摻雜區域612可為p型摻雜區，第二摻雜區614可為本質區，第三摻雜區616可為n型摻雜區，其等在折射元件611中形成P-I-N接面。在其它實現方案中，施加逆向偏壓至PN接面可將其中的載子耗盡，進而改變其等效折射率。在其它實施方案中，施加正向偏壓至PN接面可增加其中的載子，進而改變其等效折射率。
圖6C示出光子積體電路620。光子積體電路620包含調變元件，調變元件具有相互交叉配置的摻雜區。大致來說，相互交叉配置的摻雜區用於當折射元件的直徑遠大於PN接面建立的空乏區之時。藉由在折射元件中形成相互交叉配置的摻雜區，可大幅地改變等效折射率。光子整合電路620包含折射元件621，折射元件可以包含在本文中描述的任何折射元件所使用之一組週期性結構。在其它實施方案中，折射元件621可包含曲面。此外，折射元件621包含相互交叉配置的摻雜區622a至622n，其中n為整數。在一個示例中，相互交叉配置的摻雜區622a至622n可具有交替排列的p型摻 雜區和n型摻雜區，以在折射元件621內形成pnpnp...接面。在其它示例中，相互交叉配置的摻雜區622a至622n可具有交替排列的p型摻雜區，本質區(i)和n型摻雜區，以在折射元件621中形成一pinpinp-...接面。在其它實施方案中，施加逆向偏壓至pn或pin接面可將其中的載子耗盡，進而改變等效折射率。在部分實施方案中，施加正向偏壓至pn或pin接面可增加其中的載子，進而改變等效折射率。
圖6D示出光子積體電路630的示例。光子積體電路630包含整合在調變元件中的光學介質，調變元件包含具有複數摻雜區。光學介質的等效折射率可藉由耗盡或者注入自由載子來調變。光學介質的等效折射率的調變改變了離開折射元件的光的折射特性。光子積體電路630包含形成在光學介質633上的折射元件631，折射元件可包含在本文中描述的任何折射元件所使用之一組週期性結構。在一些實施方案中，折射元件631可具有一曲面。光學介質633可包含第一摻雜區635和第二摻雜區637。例如，第一摻雜區635可為p摻雜區，第二摻雜區637可為n摻雜區，且其等在光學介質633內形成PN接面。在一些實施方案中，施加反向偏壓至PN接面可將其中的載子耗盡，進而改變等效折射率。在一些實施方式中，施加正向偏壓至PN接面可增加載子，進而改變等效折射率。
圖7A示出由壓電效應控制的折射元件所構成的光子積體電路700。一般來說，在壓電材料中，施加偏壓會施與應力而改變壓電材料 的形狀。在這樣的示例中，光子積體電路700包含光學介質703、形在光學介質703上的折射元件701，以及耦接至折射元件的電壓源705。折射元件701可包含一組週期性結構，其可藉由本文中描述的任一折射元件來實現。在一些實施方案中，折射元件701可包含一個曲面。再者，折射元件701可包含壓電材料。在一些實施方案中，電壓源705之電壓會產生機械力而改變折射元件701中的表面的預定曲率半徑。在一些實施方案中，電壓源705的電壓會產生機械力而讓折射元件701中光子晶體結構的半徑或週期改變。
圖7B示出由壓電效應控制的折射元件所構成的光子積體電路710。在此示例中，光子積體電路710包含光學介質713、形成在光學介質713上的折射元件711，以及耦接至光學介質的電壓源715。折射元件711可以包含一組週期性結構，其可藉由本文中描述的任一折射元件來實現。在一些實施方案中，折射元件711可包含曲面。光學介質713可包括壓電材料。在一些實施方案中，電壓源715的電壓會產生一機械力予該光學介質713，使形成在光學介質713頂部的折射元件711的表面的預定曲率半徑發生改變。在其它實施方案中，電壓源715的電壓會產生一機械力予光學介質713，以讓該光學介質713內部沿著z軸傳播之光的路徑長度發生改變。
圖8A示出由一電容效應控制的折射元件所構成之光子積體電路800。一般來說，藉由微電機系統(Micro-Electro-Mechanical System；簡稱MEMS)會讓其折射元件和光學介質之間產生靜電 力，進而導致折射元件相對於光學介質的發生位移。在此示例中，光子積體電路800包含光學介質803、折射元件801、支撐元件807和電壓源805，電壓源805耦接至折射元件801和光學介質803。折射元件801可包含曲面或一組週期性結構，並可由本文所描述的任一折射元件來實現。此外，折射元件801和光學介質803可作為電容器的兩端電極，並藉由電壓源805施加外部電場而於折射元件801和光學介質803之間產生靜電力。在一個示例中，正電荷可累積在折射元件801的底部，負電荷可累積在光學介質803的頂部，如此可形成靜電力來改變折射元件801和光學介質803之間的相對距離。由於支撐元件807至少可支撐折射元件801之兩端，靜電力可讓折射元件相對於光學介質的位置產生如箭頭809所示的變化。在一些實施方案中，距離的變化可被用來調整聚焦光束離開折射元件801的光路。在一些實施方案中，藉由電壓源805施加外部電場可改變折射元件801的光子晶體的半徑、週期或其表面之預定曲率半徑。
圖8B示出由電容效應控制的折射元件所構成的光子積體電路810。一般來說，藉由微電機系統可讓其折射元件和光學介質之間產生靜電力，進而導致折射元件之入射光的光軸方向發生變化。在此示例中，光子積體電路810包含光學介質813、折射元件811、支撐元件817，以及電壓源815，電壓源815耦接於折射元件811和光學介質813。折射元件811可包含曲面或一組週期性結構，並可藉由 本文中描述的任一折射元件來實現。在一個示例中，正電荷可累積在折射元件811的的底部端，負電荷可累積在光學介質813的頂部端且靠近折射元件811的底部端，如此可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，折射元件811可被當作是一個懸臂。靜電力可讓折射元件在相對入射光光軸的方位產生如箭頭819所示的變化。在一些實施方案中，在前述方向上的變化可用於調節入射光進入折射元件811的入射角。在一些實施方案中，在前述方向上的變化可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示出製作折射元件的流程圖的示例。流程900可用於製作光學器件100、200、210或其它在此揭示的光學器件。所製作的光學器件能夠形成貼設或整合在其它光學器件上的光學器件。
程序900包含在基板902上形成第一曲面904。基板902可為半導體晶圓或SOI晶圓。第一曲面904可藉由在基板移除或是添加半導體材料而形成。半導體材料可先沈積在基板902上再由微影成像製程而圖案化。此外，也可在基板902上移除半導體材料而形成第一曲面。例如，可利用蝕刻以自基板902上移除半導體材料。蝕刻包含乾蝕刻、溼蝕刻或是其他適合的蝕刻製程，以製作此第一曲面904。例如可使用灰階光罩以蝕刻基板902，進而形成此第一曲面904。。例如，可藉由受控的微影成像對基板902進行蝕刻，並控制紫外劑量來改變蝕刻深度。
基板902的半導體材料922可具有預定的帶隙能量。半導體922的帶隙能量有於助光學器件穿透(或折射)具有第一波長範圍的入射電磁輻射，並吸收具有第二波長範圍的電磁輻射。在一些實施方案中，第一波長範圍超過於700nm(例如，紅外輻射)。例如，半導體922可具有在1.2至1.7電子伏特(eV)之間的帶隙能量。
在一些示例中，半導體922可使波長超過940nm的電磁輻射穿透。在一些實施方案中，第二波長範圍低於800nm。例如，半導體922可具有介於400nm和800nm之間的帶隙波長。帶隙波長可通過前述式(1)來計算。
接合層924沉積在第一曲面904上(參見結構908)。接合層可為圖1A示出的形成光學介質107的至少一部分。可藉由薄膜沉積技術(例如化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、濺射)或任何其它適合的薄膜沉積技術將接合層沉積在第一曲層上。接合層可為半導體材料、氧化物、氮化物、金屬或其等的組合。接合層可供半導體材料922折射的所有波長的光(或電磁輻射)穿透，或可吸收部分前述波長的光(或電磁輻射)。
在一些實施方案中，接合層924具有對應於光學裝置的焦距的光學厚度。例如，接合層(例如，圖2A中的光學介質203)的光學厚度可以足夠讓折射元件(例如，201)折射的光(或電磁輻射)聚焦到特定點(例如，主動元件207)。接合層924的光學厚度取決於接合層924 的厚度和折射率。接合層的厚度可取決於第一曲面(和/或第二曲面)的曲率半徑。這樣，接合層便可設定為具有特定厚度。
可藉由沉積技術以沉積具有預定厚度的層而讓接合層具有預定厚度。為了調節接合層的厚度，也可例如藉由化學機械拋光對接合層進行平面化或拋光。例如，接合層可用墊和磨料和/或腐蝕性化學漿料進行摩擦而達到所需的厚度。取決於元件的初始厚度和接合層所需的厚度，摩擦過程可以特定速度並在特定時間段內進行。此外，可藉由平坦化程序使接合層表面的任何不規則形貌得以均勻。接合層表面上的不規則形貌可能導致電磁輻射無意地折射或散射入或是出光學器件。經過均勻化的接合層能夠提升在光學裝置的橫截面上的電磁輻射的折射和/或濾波的一致性。
在一些實施方案中，第二曲面934形成在半導體材料922上，並與第一曲面904相對。前述用於形成第一曲面的技術也可用於形成第二曲面。第一和第二曲面可以是對稱的，或者兩者可具有不同的形狀。第一和第二表面能夠具有相同的曲率半徑，或者兩者可具有不同的曲率半徑。在一些實施方案中，光學裝置被製作以用於目標焦距。在一些示例中，所形成的第二曲面用於與第一曲面配合提供目標焦距。在一些示例中，所形成的第二曲面用於與第一曲面和接合層共同提供目標焦距。
上述方式形成之光學裝置910包含由半導體材料922形成的折射元件930和接合層924。折射元件930由第一曲面和第二曲面形成；或者，折射元件可以只具有一個曲面(例如，折射元件101)。
折射元件930可以從接合層924分離以形成單獨的透鏡，並可例如接著貼設到光子積體電路。例如，若接合層924由氧化物和/或氮化物構成，則可以藉由濕式蝕刻技術從光學裝置蝕刻，例如，藉由氫氟酸(HF)、氟化銨(NH 4 F)或其等的組合的濕式蝕刻。
在一些實施方案中，折射元件可包含一個或多個子結構，例如圖1B示出的子結構123。在一些實施方案中，子結構可形成於另一半導體基板上，並接合到折射元件和/或接合層。例如，子結構部分123可以藉由蝕刻半導體基板來形成，並且可接合到折射元件(例如，透鏡部分121)。
在一些實施方案中，子結構形成在折射元件上。子結構可藉由選擇性地蝕刻第一曲面904和/或第二曲面934中的一個或兩個來形成。子結構可為未填充結構，或者子結構中可填充有與基板922的半導體材料不相同的材料。在一些示例中，一組子結構填充有折射率高於基板922的折射率材料，如此可在光學器件中提供導波模態。子結構也可藉由薄膜沉積來形成。例如，光罩可用於在相應的曲面上沉積週期性圖案、光柵或光子晶體以形成一組子結構。沉積的子結構可具有與折射元件930相同的材料，或者子結構可由與折射元件930不同的材料構成。例如，子結構可以由半導體材料 (例如，矽)或氮化物、氧化物或其等的組合構成。在一些示例中，可使用多於一個光罩來為子結構沉積不同的材料。例如，第一光罩可用於沉積半導體材料，第二光罩可用於沉積氮化物材料。半導體和氮化物基板可形成交替的光柵。所形成一個或多個子結構在一個維度的尺寸至少小於折射元件930的帶隙波長。
如在圖2所述，光學裝置可以附接到光學元件或整合至光學元件。光學元件可以相對於接合層924設置，而讓光學裝置接收由光學元件折射的電磁輻射。光學元件可相對於折射元件930設置，而讓光學元件將電磁輻射傳輸到光學裝置中。光學元件可經配置用於改變光學裝置折射的第一波長範圍的光(或電磁輻射)，和/或光學裝置吸收的第二波長範圍的光(或電磁輻射)。
貼接至光學裝置的光學元件也可以是主動光學元件。主動光學元件可為用於傳輸、調製、開關或吸收光的主動光學元件。例如，主動光學元件可為光偵測器，其被配置用於吸收由光學裝置折射的光的至少一部分，進而量測一個或多個波長的光的光學功率。主動光學元件的其它示例包含但不限於傳感器、發光二極體和雷射。主動光學元件可由一層或多層矽、鍺、錫或III-V族化合物組成。
附接到光學裝置的光學元件可為第二光學裝置。第一和第二光學元件的組合能給入射電磁輻射的折射和/或濾波提供更大的靈活 性。例如，第一光學裝置可折射具有第一波長範圍的入射電磁輻射和/或過濾具有第二波長範圍的電磁輻射。
第一光學裝置和第二光學裝置可以經配置用於共同折射具有第三波長範圍的入射電磁輻射和/或過濾具有第四波長範圍的電磁輻射。第三波長範圍可為第一波長範圍的子範圍。第四波長範圍可為第二波長範圍的子範圍。第一光學裝置和第二光學裝置可分別具有折射元件。折射元件可具有一個或多個曲面和/或一個或多個子結構。一個或多個子結構可包含週期性配置的一組子結構。一組子結構可以是次波長結構。第一和/或第二光學元件的至少一個子波長結構至少沿著一個維度的尺寸(例如，直徑)小於第一和/或第二光學裝置的折射元件的帶隙波長。例如，第二折射元件可具有次波長結構，且次波長結構至少沿著一個維度的尺寸小於第一折射元件的帶隙波長。
在製作第一光學裝置之時，可以整合光學元件與第一光學裝置。例如，在步驟912中，光學元件926接合到結構912的接合層924。結構908包含折射元件，折射元件具有第一曲面。在接合光學元件926之後，可以進一步製作結構912以形成具有兩個曲面的折射元件(例如，折射元件930)。或者，光學元件可以在完成光學裝置的製作之後的任何時間貼合到光學裝置。例如，在步驟914中，接合光學單元926和光學裝置910。當光學裝置或主動元件上具有曲率，主動元件可以藉由各種接合技術以與光學裝置接合，包括混 合金屬/電介質晶圓接合技術、金屬共晶接合技術、氧化物-氧化物接合技術，或使用聚合物或其它接合劑和黏性材料接合主動單元和光學元件。
光學元件926可為主動光學元件或第二光學裝置。光學元件926可為半導體基板，且其上可形成一部分的光學介質107。光學元件926也可為用於製造另一光學元件或裝置的半導體基板。例如，光學元件926可以是載體晶圓，且其上可以製作第二光學裝置。
光學元件926可與折射元件930或接合層924耦合。在一些實施方案中，光學元件926藉由第二接合元件耦合(或接合)到光學裝置。例如，第二接合層可形成在光學裝置910的第二曲面934上，且第二光學元件可耦合到與第一光學裝置910相對的第二接合層。第二接合層可具有足夠的光學厚度，以讓由第一光學裝置折射後的電磁輻得以射聚焦到第二光學裝置。第二接合層也可經設計使以讓第一光學裝置折射後的電磁輻射得以聚焦在第二光學裝置的特定點上。例如，第二接合層可將第一光學裝置折射後的電磁輻射引導到第二光學裝置上的特定點，其中次波長結構位於第二光學裝置的特定點上。
在一些實施方案中，光學元件926嵌入折射元件930內。在一些示例中，光學元件926可嵌入折射元件930的一個或一個以上的子結構內。例如，一個或一個以上的子結構可填充有半導體材料，前述的半導體材料為提供感測、傳輸或吸收預定波長範圍的功能。 例如，可以將矽鍺填充至一個或多個子結構來用作光偵測器，以測量由光學裝置折射的一個或多個波長的光功率。矽鍺的成分可以從僅少量的鍺到100%的鍺。依據鍺的百分比，矽鍺的帶隙能量得以改變，而供用於檢測不同的波長。
第一和/或第二曲面的曲率可藉由製作技術形成和/或由製程引起的應變來產生，如在圖5所述。第一和/或第二曲面的曲率也可藉由施加外部電場(調節載子濃度)，施加機械力(藉由壓電效應)或使用MEM來動態地調整。圖6A至8B提供了動態地調整曲面的曲率的示例技術。
光子積體電路可包含本公開中揭示的一個或多個光學裝置。具有多個光學裝置的光子積體電路可用於例如影像傳感應用。圖4提供了具有多個折射元件的示例性光子積體電路，用於過濾不同波長的光。類似地，可以形成具有多個光學裝置的光子積體電路。每個光學裝置可具有一個或多個折射元件和/或一個或多個子結構，以過濾和/或折射不同波長的光。不同的光學裝置可具有不同尺寸或形式的折射元件。可藉由應用不同的光罩、沉積不同的材料、沉積不同厚度的層，和/或蝕刻不同圖案的光子晶體圖案、光柵或其它週期性子結構來製作不同的光學裝置。例如，兩個或更多個區域中的折射元件可具有相同或不同的曲率半徑。在一些實施方案中，光子積體電路的一個或一個以上的光學裝置可僅包含子結構，而不具有折射元件。子結構可以由不同的週期、尺寸、材料 形成。子結構可以形成在單個基板上。基板可為平面，或整體上具有曲率。在一些示例中，光子積體電路可以形成像素，並且每個光學裝置可以形成能夠透射特定波長範圍的子像素。
圖10示出了製作光學裝置的示例性製程1000的流程圖。製程1000可用於製造圖1中的光學裝置910。製程1000可依所示順序執行，或者它也可以與所示順序不相同的順序執行。製程1000中的一些步驟是可選的。製程1000可由包含數據處理設備的系統執行，例如控制執行製作步驟的一個或多個設備的一個或多個計算機。
可以使用一種或多種微影、蝕刻和/或薄膜沉積技術來執行製程1000。舉例而言，微影技術，例如投影微影、電子束微影、接觸微影或任何其它合適的微影技術，可用於形成光學裝置。蝕刻技術，例如乾式蝕刻、濕式蝕刻或任何其它合適的蝕刻技術，可用於製作光學裝置的部件。薄膜沉積技術，例如化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、濺射或任何其它合適的薄膜沉積技術可用於在光學裝置上沉積一層或多層材料。
根據製程1000，從半導體基板移除半導體材料以形成第一曲面(1002)。第一曲面形成光學裝置的折射元件(例如，圖9中的折射元件930)的表面。例如，可以蝕刻基板902以形成第一曲面904。可依據預定的曲率半徑形成第一曲面。曲率半徑可取決於半導體材料的折射率和/或光學裝置所需的等效折射率。半導體基板的示例包含，但不限於，矽晶圓或矽覆絕緣體晶圓。可以使用灰階光 罩來形成第一曲面。第一曲面也可以由製程引起的應變來形成。第一曲面的曲率還可以藉由施加外部電場、施加機械力和/或使用MEMS來動態地調整。
接合層形成在第一層(1004)上。例如，可藉由薄膜沉積技術將接合層沉積在第一層上。例如，接合層924沉積在圖9中的結構908的第一曲面904上。接合層的光學厚度可對應於光學器件的折射元件的焦點。例如，可設定接合層的折射率和/或厚度，使得光學裝置將折射的電磁輻射聚焦(或散焦)在預定的點中。
從半導體基板去除半導體材料以形成第二曲面(1006)。例如，蝕刻結構908中的半導體材料922以在光學裝置910中形成第二曲面934。第二曲面與第一曲面可以相同或不相同的技術形成。第二曲面可藉由灰階光罩或藉由製程引起的應變而形成。可依預定的曲率半徑形成第二曲面。曲率半徑可取決於半導體材料的折射率和/或光學裝置的所需等效折射率。藉由施加外部電場、施加機械力和/或使用MEMS，可以動態地調整第二曲面的曲率。
第一曲面可對稱於第二曲表，或者第一曲面和第二曲面可具有不同的形狀。第一和第二曲面可具有相同或不相同的焦距。第一和第二曲面形成光學裝置的折射元件的兩個表面。在一些實施方案中，折射元件經設定使具有預定焦距。在一些示例中，第一和/或第二曲面的曲率半徑取決於折射元件的焦距。
從第一和/或第二曲面選擇性地去除半導體材料以形成子結構(1008)。例如，藉由蝕刻折射元件101的選定區域，以在折射元件101上形成子結構105。一組子結構可呈周期性地配置。兩個或更多個子結構可具有不同的形狀和/或尺寸。例如，週期性子結構125具有與週期性子結構127不同的尺寸。一個或多個子結構可具有至少一個次波長維度。次波長維度小於形成折射元件的半導體材料的帶隙波長。例如，子結構127可以具有次波長直徑。一個或多個子結構可填充有與折射元件的半導體材料不相同的材料。對於導波模態共振效應，填充材料的折射率可高於折射元件的折射率。
100:光子積體電路
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. 一種製造光學裝置的方法，包含：從一半導體基板移除半導體材料以形成該光學裝置的一第一曲面，該半導體基板具有一帶隙波長，該帶隙波長關聯於該半導體材料的一帶隙能量；形成一接合層於該第一曲面，其中形成該接合層包含沉積接合材料於該第一曲面；從該半導體基板移除半導體材料以形成該光學裝置的一第二曲面，該第二曲面相對於該光學裝置的該第一曲面；以及選擇性的從該光學裝置的該第一曲面及該第二曲面中的一者移除半導體材料以形成一或多個次波長結構，其中該等次波長結構中的至少一者具有小於該半導體基板的該帶隙波長的至少一尺寸，其中該光學裝置被配置用於折射在一第一波長範圍的入射電磁輻射，和/或過濾在一第二波長範圍的電磁輻射，該第一波長範圍是大於該帶隙波長的紅外波長，該第二波長範圍小於該帶隙波長；其中該半導體材料的帶隙能量為1.2電子伏特至1.7電子伏特。
  2. 如請求項第1項所述的方法，其中該第一波長範圍從800奈米至2000奈米。
  3. 如請求項第1項所述的方法，其中該第二波長範圍從400奈米至800奈米。
  4. 如請求項第1項所述的方法，其中該光學裝置為一透鏡。
  5. 如請求項第1項所述的方法，更包含設置相對於該接合層的一光學元件，使該光學元件接收由該光學裝置折射的電磁輻射。
  6. 如請求項第5項所述的方法，其中該光學元件為一主動元件，被配置用於調整第一波長範圍和/或第二波長範圍，其中調整包含吸收或發射對應於調整波長範圍內的電磁輻射。
  7. 如請求項第5項所述的方法，其中該光學元件選自一光偵測器、一感測器、一發光二極體及一雷射所組成的群組。
  8. 如請求項第5項所述的方法，其中該光學元件包含矽鍺。
  9. 如請求項第1項所述的方法，更包含：在該光學裝置的該第二曲面形成一或多個結構，所述的一或多個結構形成一光學元件，該光學元件選自一光偵測器、一感測器、一發光二極體及一雷射所組成的群組。
  10. 如請求項第1項所述的方法，其中該光學裝置為一第一光學裝置，該接合層為一第一接合層，該方法更包含：藉由沉積結合材料於該第二曲面，以在該光學裝置的該第二曲面形成一第二接合層；以及耦接一第二光學裝置至該第二接合層並相對於該第一光學裝置；其中，該第一光學裝置及該第二光學裝置被配置以共同折射具有一第三波長範圍的入射電磁輻射，和/或過濾具有一第四波長範圍的電磁輻射，其中該第三波長範圍為該第一波長範圍的一子範圍，和/或該第四波長範圍為該第二波長範圍的一子範圍。
  11. 如請求項第10項所述的方法，其中該第二光學裝置包含至少一曲面，包含一或多個次波長結構，其中至少一次波長結構具有小於該半導體結構的帶隙波長的至少一尺寸。
  12. 如請求項第10項所述的方法，其中該第二接合層具有一光學厚度，該光學厚度足以使該第一光學裝置折射的電磁輻射聚焦於該第二光學裝置。
  13. 如請求項第1項所述的方法，其中該第二曲面具有相同於該第一曲面的曲率半徑。
  14. 如請求項第1項所述的方法，其中該第一曲面及該第二曲面中的至少一者利用一灰階光罩來形成。
  15. 如請求項第1項所述的方法，其中從該半導體基板移除該半導體材料包含蝕刻該半導體基板。
  16. 如請求項第1項所述的方法，其中所述的一或多個次波長結構包含多數週期排列之次波長結構。
  17. 如請求項第1項所述的方法，其中該接合層包含一接合材料，選自一氧化物、一氮化物和一金屬所構成的群組。
  18. 如請求項第1項所述的方法，其中形成該接合層更包含藉由化學機械拋光平坦化該接合層。
  19. 如請求項第1項所述的方法，其中該光學裝置具有一等效折射率，該等效折射率可回應施加的電場而動態調整。
  20. 如請求項第1項所述的方法，其中該接合層具有對應於該光學裝置的一焦距之一光學厚度。
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