DE60222558T2

DE60222558T2 - Transparentes integriertes optisches substrat mit diffraktivem optischen element

Info

Publication number: DE60222558T2
Application number: DE60222558T
Authority: DE
Inventors: Roger L. Hackensack Frick; Charles R. Eden Prairie Willcox
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2008-11-06
Also published as: DE60222558T9; JP2004534279A; EP1410078A1; CN1549938B; WO2003007033A1; US20020047129A1; EP1410078B1; CN1549938A; DE60222558D1; US6810176B2

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/223,503, eingereicht am 7. August 2001, der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/223,508, eingereicht am 7. August 2000, und der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/271,103, eingereicht am 23. Februar 2001.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf integrierte optische Schaltungen und im Spezielleren auf integrierte optische Schaltungen, die auf optischen Beugungselementen beruhen, die auf einem transparenten optischen Substrat angebracht sind.
Hintergrund des Stands der Technik
Es wurde vorgeschlagen, dass integrierte optische Schaltungen dadurch aufgebaut werden könnten, dass reflektierende, flächige optische Elemente auf einem transparenten Substrat angebracht werden, und die Elemente mittels innerer Reflexionen von einer Spiegelfläche eines transparenten Substrats gekoppelt werden. Die optischen Flächenelemente würden ein einfallendes optisches Signal auf eine gewünschte Weise leiten, fokussieren oder anderweitig beugen. Dieser Lösungsansatz würde es ermöglichen, dass komplexe optische Geräte gebaut und ähnlich elektrischen integrierten Schaltungen flächig miteinander verschaltet werden können.
Dieser Lösungsansatz hatte wegen inhärenter Reflexionsverluste und der Schwierigkeit, Flächenelemente zu konstruieren, die effizient mit dem internen optischen Signal gekoppelt werden, nur beschränkt Erfolg. Spiegelflächen des Substrats werden für gewöhnlich dadurch aufgebaut, dass ein dünner Metallfilm auf ein transparentes Substrat aufgetragen wird, bekannte Dünnfilmmaterialien haben jedoch Verluste von mehreren Prozent, und die Signalstärke geht exponentiell verloren, wenn Mehrfachreflexionen notwendig sind. Wenn darüber hinaus die optischen Flächenelemente nicht in engem Kontakt mit der Substratoberfläche stehen, kann es große Verluste geben, die damit zusammenhängen, das optische Signal aus dem Substrat heraus- und wieder in dieses zurückzuleiten.
Optische Beugungselemente (DOEs – Diffractive Optical Elements) sind für die reflektierenden optischen Elemente ideal geeignet, weil sie integral mit der Fläche sein können, kranken aber an verschiedenen Defiziten. Typischerweise brauchen sie eine Metallbeschichtung, um in der Reflektormode zu funktionieren, und dies führt zum Verlust optischer Signale. Wenn die Abmessungen der Beugungsobjekte im DOE viel größer sind als die Wellenlänge von Licht im Substrat, beugen sie das Licht in andere Moden als die gewünschte Mode, was zu einem Verlust in der Wirkleistung führen und unerwünschte Fehler wie etwa Kreuzkopplung verursachen kann. Dieses Problem kann dadurch etwas minimiert werden, dass Blazegitterstrukturen verwendet werden, in denen die Objekte geformt sind, um Licht vorzugsweise in eine gewünschte Richtung zu beugen. Ein Sägezahn-Blazebeugungsgitter ist ein Beispiel, das typischerweise unter Verwendung eines geformten Gravierwerkzeugs hergestellt wird. Allerdings macht es die dreidimensionale Beschaffenheit von Blazegittern schwierig, sie auf der Oberfläche eines optischen Substrats herzustellen, und dennoch ist eine Beugung von Licht in unerwünschte Moden und Richtungen immer noch ein Problem.
Wenn sich die Abmessungen der Beugungsobjekte der Wellenlänge von Licht annähern, können die unerwünschten Moden und Richtungen durch die richtige Auswahl von Einfallswinkeln und Größe der Beugungsobjekte minimiert oder ausgemerzt werden. Solch eine Vorrichtung ist im Allgemeinen als holografisches optisches Element (HOE) bekannt, bei dem es sich um eine Untergruppe der DOEs handelt. Wenn diese Vorrichtungen anhand einer Strukturierung der Tiefe einer reflektierenden Oberfläche aufgebaut werden, sind sie als Flächenrelief- oder Phasenhologramme bekannt, weil die verschiedenen Tiefen der Beugungsfläche variierende Phasenverschiebungen im gebeugten Licht hervorrufen. Diese Phasenverschiebungen können durch Einstellen der Tiefe der Struktur so eingestellt werden, dass sie eine konstruktive Interferenz von Licht in der gewünschten Richtung oder Mode des geleiteten Lichtsignals hervorrufen. Wenn die Struktur von Bre chungsobjekten mit einem reflektierenden Metallfilm beschichtet wird, könnten Verluste nur wenige Prozent betragen, weil in einer solchen Vorrichtung nur sehr wenig der Lichtenergie absorbiert wird. In der Praxis ist es jedoch schwierig, eine solche Vorrichtung auf der Oberfläche eines Substrats auf eine Weise aufzubauen, die hohe Wirkleistung aufweist und effizient hergestellt werden kann. Elektronenstrahlen können Strukturen mit diesen Abmessungen direkt auf ein Substrat aufziehen, dies ist aber ein sehr langsamer und kostspieliger Prozess, der sich nicht dazu eignet, das für ein Phasenhologramm erforderliche Oberflächenrelief herzustellen. Prägen wird dazu verwendet, Oberflächenhologramme auf transparentem Kunststoff wiederzugeben (z. B. Kreditkartensicherheitshologramme), aber die Toleranzen und die Stabilität dieser Materialien eignen sich für die meisten Anwendungen nicht.
Hingegen können Volumenhologramme auch dadurch erzeugt werden, dass eine Fotoemulsion mit einem Raster aus Störlaserlicht belichtet wird. Im Volumen der Emulsion entsteht eine Struktur von Beugungsobjekten. HOEs, die mit diesem Verfahren aufgebaut werden, können eine hohe Wirkleistung haben, sind aber dafür bekannt, immer noch schwierig herzustellen zu sein, und unterliegen aufgrund von Umwelteinflüssen einer Qualitätsminderung.
Wie aus den vorstehenden Problemen klar werden dürfte, besteht ein Bedarf nach einem Verfahren zum Ausbilden einer integrierten optischen Schaltung, die auf optischen Beugungselementen auf der Oberfläche eines transparenten Substrats mit hohem optischen Wirkungsgrad beruht, das zu relativ erschwinglichen Kosten in Masse produziert werden kann.
Die EP 0 322 218 offenbart einen holografischen optischen Flächenverbund, der sich der Braggschen Planar-/Volumen-Hologrammtechnologie bedient, wohingegen die EP 0 609 812 eine Wellenleiter-Bildübertragungsvorrichtung mit Gitterstrukturen und einer Beugungslinsenstruktur offenbart, um Lichtstrahlen zu beugen und zu bündeln.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorstehenden Probleme werden durch eine integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 32 gelöst.
Eine integrierte optische Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung umfasst:

a) ein optisches Substrat, um ein einfallendes Lichtsignal sich in einer ersten Ebene und in einer primären Ausbreitungsrichtung unter innerer Totalreflexion an einer Oberfläche des Substrats ausbreiten zu lassen; und
b) ein optisches Beugungselement mit mehreren voneinander beabstandeten Teilen, die aus einem optisch durchlässigen Material gebildet sind und auf des Oberfläche des Substrats in schwindender Feldkopplung (Evanescent Field Coupling) mit dem sich ausbreitenden Lichtsignal angeordnet sind, und zwar so, dass das einfallende Lichtsignal, das unter innerer Totalreflexion auf die Oberseite einfällt, in das Substrat zu einer Ausbreitung in einer zweiten Ebene gebeugt wird, die einen spitzen Winkel mit der ersten Ebene bildet, wobei sich die erste Ebene und die zweite Ebene orthogonal zur Oberfläche erstrecken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsdarstellung eine holografischen optischen Elements nach einer Ausführungsform.
2 ist eine perspektivische Ansicht des holografischen optischen Elements von 1, welche die Richtung eines reflektierten Lichtstrahls zeigt.
3 ist eine Kurve des Winkels θ_P, in Gegenüberstellung zur Gitterperiode über die Wellenlänge für ein beispielhaftes HOE.
4 ist eine Kurve der HOE-Streifendicke in Gegenüberstellung zur HOE-Wirkleistung für ein beispielhaftes HOE.
5 ist eine Seitenansicht des holografischen optischen Elements von 1, das als Demultiplexer verendet wird, um ein Eingangssignal in verschiedene Wellenlängen, aus denen es besteht, aufzuteilen.
6 ist eine Darstellung eines beispielhaften Aufbaus zum Einkoppeln eines optischen Signals in ein Substrat, damit es darin unter innerer Totalreflexion weiterläuft.
7 ist eine Seitenansicht einer alternativen Art und Weise, um Licht zur inneren Totalreflexion in das Substrat einzukoppeln.
8 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen HOEs, bei dem Streifen, die das HOE bilden, über dem optischen Substrat angeordnet sind.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die gegenwärtig offenbarten Ausführungsformen lösen die vorstehend beschriebenen Probleme, indem eine optische Vorrichtung bereitgestellt wird, in welche optische Beugungselemente eingebunden sind, die sich auf einem transparenten Substrat befinden, das mit standardmäßigen MEMS-Materialien und -Herstellungsverfahren gefertigt werden kann. Mit den offenbarten Lehren können zahlreiche optische Elemente, einschließlich Beugungselemente, die einfallendes Licht reflektieren, hergestellt werden. Die nachstehenden bevorzugten Ausführungsformen stellen ein optisches Beugungselement in Form eines HOEs dar, das einen virtuellen Spiegel bildet, der sich zusammen mit einem optischen Substrat verwenden lässt. Keine der vorgesehenen Ausführungsformen macht eine reflektierende Beschichtung erforderlich. Nichtsdestoweniger könnten auch optische Beugungselemente verwendet werden, die keine holografischen optischen Elemente sind.
Anstelle reflektierender Beschichtungen sind das nachstehende HOE und das nachstehende Substrat dazu ausgelegt, Licht, das in einem optischen Substrat verläuft, unter in nerer Totalreflexion zu beeinflussen. Innere Totalreflexion (TIR – Total Internal Reflection) ist ein optisches Phänomen mit sehr geringem Verlust und führt in den offenbarten Vorrichtungen zu einem hocheffizienten Funktionsablauf. Die Beugungselemente im HOE selbst beugen vorzugsweise Licht mittels innerer Totalreflexion, um Verluste auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Zusätzlich sind die dargestellten HOEs dazu ausgelegt, nur eine Beugungsmode vorkommen zu lassen, was Verluste weiter reduziert. Die HOEs sind vorzugsweise als Phasenhologramme aufgebaut, welche die reflektierte m = 0-Mode unterdrücken, womit ermöglicht wird, dass sich der Gesamtwirkungsgrad 100% annähern kann. Die HOEs wirken mit dem optischen Substrat zusammen, um ein in diesem verlaufendes einfallendes Licht so zu reflektieren, dass sich das reflektierte Licht auch im Substrat unter TIR ausbreitet, was es ermöglicht, dass viele HOEs mit einer hohen Gesamtvorrichtungseffizienz optisch verbunden werden können.
Obwohl optische Beugungselemente wie diejenigen, die vorstehend allgemein beschrieben wurden, aufgezeigt werden, sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung weitergefasst für ein System zum Aufbauen optischer Vorrichtungen sorgt, und dass es sich bei den optischen Vorrichtungen, die gebaut werden können, um viele handelt. Und zwar zeigt die vorliegende Offenbarung eine Reihe integrierter Substrat- und optischer Beugungselementkomponenten oder Vorrichtungen. Diese integrierten Komponenten können viele optische Vorrichtungen bilden, wie etwa Reflektoren, Kollimatoren, Beugungsgitter, Strahlenteiler und regelbare Dämpfungsglieder. Das integrierte Substrat und optische Beugungselement könnten auch als Sammel- oder Zerstreuungslinse fungieren. Wie die nachstehenden Beschreibungen angeben, bieten die Offenbarungen einen Weg zum Reproduzieren von Hologrammstrukturen, die zahlreiche Funktionen erfüllen könnten.
1 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines HOEs 100 und eines optischen Substratmaterials, das optisch durchlässig ist. Im Spezielleren sollte das Substrat 102 im Infrarotbereich optisch transparent sein, wie etwa im C-Band, das für optische Wellenlängenmultiplex-Fernkommunikation (WDM-Fernkommunikation, WDM – Wavelength Division Multiplexed) im Infrarotbereich verwendet wird. Dieses Band umfasst Wellenlängen von 1528 nm bis 1621 nm, aber ein Betrieb in anderen optischen Kommunikationsbändern ist auch angedacht. Das Substrat 102 kann aus verschiedenen Materialien gebildet sein, wie etwa Saphir oder Quarz oder einem anderen Substratmaterial, das sich dazu eignet, ein Lichtsignal sich unter TIR ausbreiten zu lassen und als Ätzstopp für einen Fotolithografieprozess zu dienen, wie nachstehend noch ausführlicher erklärt wird.
Ein einfallender Lichtstrahl 104 verläuft unter innerer Totalreflexion durch das Substrat 102, die bekanntlich über einem kritischen Einfallswinkel am äußeren Oberflächenrand des Substrats 102 auftritt. In der bevorzugten Ausführungsform hat das Substrat 102 oben eine Oberfläche 106, die Luft ausgesetzt ist. Der Brechungsindex des Substrats und der Brechungsindex von Luft legen den kritischen Winkel für innere Totalreflexion im Substrat fest.
Ein Einfallswinkel θ ist in 1 gezeigt, der ausgehend von einer Normalen zur Oberfläche 106 gemessen wird und sich in das Substrat 102 erstreckt. Bei einem Saphirsubstrat 102, das von einem Luftrand umgeben ist, beträgt der kritische Winkel ungefähr 35°, und so sollte θ für eine TIR-Ausbreitung an oder über diesem Wert liegen. Und zwar kann man den Lichtstrahl 104 mit Winkeln auf die Oberfläche 106 einfallen lassen, die über dem kritischen Winkel liegen, und immer noch den Funktionsablauf des HOEs 100 begünstigen. Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform Luft über der Oberfläche 106 angeordnet ist, können auch andere Stoffe über dem Substrat 102 angeordnet werden, solange diese nur einen geringeren Brechungsindex haben als das Substrat 102, um die TIR-Bedingungen herzustellen. Während darüber hinaus eine TIR von der Oberfläche 106 und einer Bodenfläche 107 des Substrats 102 weg die effizienteste Auslegung mit den geringsten Kosten bietet, könnte man alternativ auch eine TIR an der Oberfläche 106 haben und Spiegel oder eine reflektierende Beschichtung auf der Bodenfläche 107 verwenden, um den Lichtstrahl 104 zu reflektieren. Entsprechend könnte eine Kaschierungsschicht unterhalb der Bodenfläche 107 verwendet werden.
Das HOE 100 besteht aus einzelnen Beugungsteilen 108 beliebiger Form, die direkt auf der Oberfläche 106 angeordnet sind. Die Teile 108 könnten aus beliebig geformten Punkten, gekrümmten oder geraden Streifen oder anderen Formen bestehen, die eine Beugungsstruktur bilden, die eine gewünschte Modifizierung an einem einfallenden Lichtsignal vornimmt. Beispiele für solche Strukturen sind Strukturen, die Beugungsgitter oder Spiegel mit beliebiger Krümmung bilden. Falls die Teile 108 Punkte in einer angeordneten Struktur sind, könnte man das HOE 100 als Strahlenteiler fungieren lassen, der das Ein gangssignal 104 empfängt und Teile des Eingangssignals in irgendeine Anzahl von Ausgangssignalrichtungen reflektiert. Solche Punkte könnten Kreis-, Oval-, Quer- oder Quadratformen haben, und die Struktur des HOEs 100, die auf den Teilen 108 ausgebildet ist, könnte je nach dem Zwischenraum zwischen den Punkten einen 1×2- oder 1×N-Strahlenteiler schaffen.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Teile 108 aus einem optisch durchlässigen Material gebildet. Diese Teile 108 schaffen ein HOE, das die Aufgabe eines Kipp- oder Umlenkspiegels erfüllt. Die Geometrie der Teile 108 wirkt sich auf die Eigenschaften und den Funktionsablauf des HOEs 100 aus. Die Ausführungsform von 1 zeigt die Teile als Streifen 108, die in direktem physikalischen Kontakt mit der Oberfläche 106 hergestellt sind, obwohl diese Streifen auch etwas oberhalb der Oberfläche 106 angeordnet sein könnten (siehe 8).
Die Streifen 108 können aus einem Einkristall-Silizium, Polysilizium, amorphem Silizium, Aluminiumoxid, Saphir, Siliziumnitrit, Germaniumsiliziumoxid oder einem anderen optisch transparenten Material gebildet sein, das sich auch unter Verwendung eines MEMS-Verarbeitungsverfahrens mit mikroelektromechanischen (MEMS) 1- oder 5 μm-Systemen verarbeiten lässt. Das bevorzugte Material ist Polysilizium, weil es bei den gewünschten Betriebsfrequenzen transparent ist, sich mit MEMS-Prozessen leicht verarbeiten lässt und einen hohen Brechungsindex hat. Nur ein paar Streifen 108 sind beispielhaft gezeigt, im Betrieb gäbe es aber typischerweise eine größere Anzahl solcher Streifen, um sicherzustellen, dass der Lichtstrahl 104 auf irgendeinen Teil des HOEs 100 einfällt. Darüber hinaus sind die Streifen 108 im Querschnitt gezeigt und würden sich eigentlich in die Darstellung hinein und aus dieser heraus erstrecken, wie in 2 dargestellt ist.
Die Streifen 108 haben eine Breite 'b' und sind auf der Oberfläche 106 um einen Abstand 'c' voneinander entfernt. Eine Gitterperiode 'a' ist gleich der Summe dieser beiden Werte. Das HOE 100 reflektiert einfallendes Licht 104 zu einem Lichtstrahl 116, und die Breite 'a' wirkt sich auf die Wellenlänge von Licht aus, zu dessen Reflexion das HOE 100 optimiert ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Breite 'b' gleich der Breite 'c', doch können die Breiten auch nicht gleich sein, falls das so gewünscht wird. Die Streifendicke und -breite kann eingestellt werden, um die Stärke des reflektierten Lichts zu maximie ren. Zusätzlich könnten die Streifen von der Breite her untereinander variieren, wobei die Breite 'b' variieren könnte (z. B. b1, b2, b3, usw.) und die Breite 'c' variieren könnte (z. B. c1, c2, c3, usw.). Beispielsweise könnte ein HOE mit verschiedenen 'a'-Werten (a1, a2, a3, usw.) hergestellt werden, wobei 'a' kontinuierlich variiert, wie etwa a1 > a2 > a3, usw. Eine beispielhafte Vorrichtung könnte verwendet werden, um eine Streuung im reflektierten Signal zu reduzieren oder den Streubetrag in diesem zu erhöhen, wie es bei Demultiplexeranwendungen nützlich sein könnte. Wenn die Streifen 108 eine Gitterstruktur bilden, ist keine genaue Maßgenauigkeit notwendig, um eine funktionierende Vorrichtung herzustellen. Der Gesamteinfluss der Streifen 108 und der dazwischen bestehenden Abstände soll eine Ungenauigkeit in der Größenbemessung irgendeines einzelnen Streifens 108 minimieren. Nichtsdestoweniger wird bevorzugt, dass das HOE 100 eine Periodizität 'a' hat, d. h., dass 'a' über das gesamte HOE 100 im Wesentlichen immer gleich ist. Auf diese Weise wirkt 'a' einflussreicher auf den Funktionsablauf des HOEs 100 als 'b' oder 'c'. In einem beispielhaften Aufbau würde die Breite 'a' um die 1,5 μm betragen, d. h. in der Größenordnung der Wellenlänge einfallenden Lichts liegen, die in einem Saphirsubstrat für das C-Band ca. 0,9 μm beträgt.
Die Streifen 108 sind im Querschnitt gezeigt und erstrecken sich aus den Darstellungen heraus. Die Streifen 108 erstrecken sich in parallelen Ebenen, die sich jeweils in einem spitzen Winkel zur Verlaufsebene des Lichts 104, d. h. der Darstellungsebene befinden. Dies lässt sich aus 2 erkennen. Die Streifen 108 sind in der bevorzugten Ausführungsform linear und parallel, es können aber auch nicht lineare Streifen verwendet werden. Zum Beispiel können gekrümmte Streifen verwendet werden, um ein HOE zu schaffen, das als Fokussierspiegel wirkt. Darüber hinaus sind die Streifen 108 senkrecht zu einem in 2 gezeigten linienhalbierenden Winkel O ausgerichtet.
Im Betrieb wirken die Streifen 108 mit der Oberfläche 106 zusammen, um eine Beugungsgitterstruktur oder einen Umlenkspiegel zu bilden. Das einfallende Licht 104 trifft auf die Struktur auf und wird reflektiert, wie später noch gezeigt und beschrieben wird. Auf diese Weise wirkt das HOE 100 als reflektierendes Element.
Oben auf dem Substrat 102 bilden die Abstände 'c' zwischen den Streifen 108 zusammen eine Grenzflächenschicht 110, bei der es sich um eine Grenzflächenschicht Luft-/Sub strat handelt. Wenn der Lichtstrahl 104 unter innerer Totalreflexion im Substrat 102 verläuft, wird ein Teil des Lichtstrahls 104 unter innerer Totalreflexion an der Grenzflächenschicht 110 gebeugt. Das heißt, ein erster Teil des Lichtstrahls 104 fällt auf die Grenzflächenschicht Luft/Substrat 110 und wird durch die reflektierende Wirkung der Zwischenräume zwischen den Streifen 108 gebeugt. Da diese Zwischenräume in der Größenordnung der Wellenlänge des einfallenden Lichts liegen, findet eher eine Beugung als eine Reflexion einer ebenen Welle statt. Ein zweiter Teil des Lichtstrahls 104, der auf das HOE 100 fällt, fällt auf den Abschnitt der Oberfläche 106, der sich unterhalb der Streifen 108 befindet. Hier absorbieren die Streifen 108 Lichtenergie aus dem Substrat und wirken wie Wellenleiterresonatoren mit niedrigem Verlust, die in der bevorzugten Ausführungsform durch ein Material mit niedrigerem Brechungsindex bei Luft auf eine Oberfläche 112 und Seitenflächen begrenzt sind. Somit gibt es eine TIR-Reflexion in den Streifen 108 sowie eine TIR-Ausbreitung im Substrat 102. Im Wesentlichen entsteht eine stehende Welle in den Streifen 108, und absorbiertes Licht, das von dem durch die Grenzflächenschicht 110 reflektieren Licht phasenverschoben ist, tritt schließlich aus den Streifen 108 aus und wieder in das Substrat 102 ein. Wenn die Streifen 108 einen höheren Brechungsindex haben als das Substrat 102, wird der Wirkungsgrad noch weiter verbessert, weil die stehenden Wellen auch durch eine untere Fläche mit einem Übergang zu einem niedrigeren Brechungsindex begrenzt werden. Die Wirkung der Streifen 108 und der Grenzflächenschicht 110 besteht darin, den Lichtstrahl 104 kollektiv in eine Mode m = –1 zu beugen, die sich im Substrat 102 ausbreitet. Der Lichtstrahl 116 stellt dieses reflektierte Signal dar, während der Weg 114 der Weg ist, den der Lichtstrahl 104 im Substrat 102 nehmen würde, wenn er nicht von den Streifen 108 beeinflusst würde. Der Weg 114 könnte auch mit der m = 0-Mode der HOE-Beugungsstruktur zusammenfallen, in der destruktive Interferenz das Ausgangssignal minimiert hat.
2 zeigt den Verlauf des reflektierten Lichtstrahls 116. Der Ausbreitungsweg 116 verläuft in einer Ebene, die sich in einem Winkel α oder θ_P zur Ausbreitungsebene des Lichtstrahls 104 befindet. Somit verläuft der Ausbreitungsweg 116 in einer Ebene, die sich aus der Darstellung von 1 heraus erstreckt. Den reflektierten Lichtstrahl 116 in einer zweiten Fortpflanzungsrichtung verlaufen zu lassen, ermöglicht es dem HOE 100, den Weg des reflektierten Signals räumlich vom Signalweg des einfallenden, sich fortpflanzenden Strahls zu trennen und legt deshalb die Verwendung des HOEs 100 als ein Weg zum Umleiten eines Ausgangssignals nahe. Wenn man beispielsweise einen Strahl sich unter TIR in einer Richtung fortpflanzen lässt, die auf das HOE 100 fällt, wird der Strahl umgeleitet, wohingegen der Strahl, wenn man ihn sich entlang eines anderen Wegs fortpflanzen lässt, der nicht auf das HOE 100 einfällt, er sich entlang seines ursprünglichen Ausbreitungswegs fortpflanzen wird.
Der Reflexionswinkel θ_P, der durch das HOE 100 geschaffen wird, hängt von zahlreichen Faktoren ab, welche die Streifenperiodizität 'a', den Einfallswinkel θ und die Wellenlänge λ des Lichts umfassen. Eine Musterkurve, die das Verhältnis zwischen θ_P und diesen Variablen zeigt, ist in 3 gezeigt. In 3 ist für verschiedene Einfallswinkel θ der Winkel θ_P auf der x-Achse und 'a'/λ auf der y-Achse eingetragen. 3 setzt voraus, dass der Einfallswinkel θ vor und nach einer Wechselwirkung des Lichts mit dem HOE derselbe ist, so dass eine TIR im Substrat aufrechterhalten wird. Wie zu sehen ist, führt für θ = 35°, ein 'a'/λ von 1,5 zu einem θ_P von ca. 110°. Entsprechend führt bei θ = 45°, ein 'a'/λ von 1,5 zu einem θ_P von ca. 125°. Die grafische Darstellung zeigt auch, dass in diesem Beispiel θ je nach den Parametern von ca. 90° bis ca. 145° reichen kann. Die grafische Darstellung zeigt auch beispielhafte Bereiche zu 'a', obwohl sich die 'a'-Bereiche je nach den Parametern im Allgemeinen von ca. 0,5 λ bis 4 λ erstrecken. Die grafische Darstellung von 3 zeigt auch einen unzulässigen Bereich, der sich oberhalb einer Linie F erstreckt, in dem Licht in mehrere Moden reflektiert wird als nur in die Mode m = –1.
Wieder mit Bezug zurück auf 2 besteht ein anderes offensichtliches Leistungsmerkmal des HOEs 100 darin, dass der Strahlengang 116 unter innerer Totalreflexion im Substrat 102 verläuft. Dies ist wünschenswert, um Verluste am reflektierten Signal zu reduzieren. Die Reflexion in einen innen totalreflektierten Weg wird durch Einstellen der Gitterperiodizität 'a' erzielt.
Die Streifen 108 sind so angeordnet, dass ein Teil des im Substrat 102 verlaufenden Lichtstrahls 104 dadurch eingekoppelt wird, dass sie in direktem Kontakt mit der Oberfläche 106 des Substrats 102 stehen. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Statt dessen kann das HOE gänzlich über der Oberfläche 106 angeordnet und immer noch mit Licht gekoppelt sein, das im Substrat 102 verläuft. Bekanntlich erzeugt Licht, das unter innerer Totalreflexion an einer Randgrenzflache reflektiert wird, ein schwindendes Feld, das sich über die Randgrenzfläche erstreckt. Ein HOE kann mit diesem schwindenden Feld gekoppelt werden, d. h. ohne die in direktem physikalischen Kontakt mit dem Substrat stehenden Streifen, und immer noch das im Substrat verlaufende Licht beeinflussen. Gehemmte innere Totalreflexion wirkt nach diesem Prinzip. Eine solche Alternative wird nachstehend im Hinblick auf 8 beschrieben.
Die Streifendicke legt eine Phasenverschiebung zwischen dem von der Grenzflächenschicht 110 gebeugten Licht und dem von den Resonatorstreifen 108 kommenden Licht fest. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Dicken aller Streifen 108 gleich. Darüber hinaus ist die Dicke so gewählt, dass die Menge des einfallenden Lichts 104, das in den Strahlengang 116 reflektiert wird, maximiert wird. Eine grafische Darstellung, die eine HOE-Wirkleistung in Gegenüberstellung zu einer Siliziumstreifendicke zeigt, ist in 4 wiedergegeben. In dieser beispielhaften grafischen Darstellung besteht das Substrat aus Saphir, der einfallende Strahl ist TE-polarisiert, 'a' = 1,5 μm, λ = 1,55 μm, θ = 45° und ϕ = 65,3°. Wie gezeigt ist, gibt es zahlreiche Streifendicken, die eine sehr hohe Wirkleistung erzeugen. Wirkleistungsspitzen treten bei ca. 1,55 μm, 1,84 μm und 2,15 μm auf. Diese grafische Darstellung ist jedoch ein reines Musterbeispiel und es können auch geringere Dicken verwendet werden. Wenn zum Beispiel die Dicke der Streifen 108 so gewählt werden sollte, dass dem absorbierten Licht die angemessene Phasenverschiebung erteilt wird, würden viele Oberwellen einer bestimmten Dicke dieselbe Phasenverschiebung bewirken und könnten deshalb verwendet werden. Bevorzugte Dicken für Streifen, die aus Polysilizium bestehen und mit MEMS-Prozessen hergestellt werden, betragen 0,5 bis 3 μm.
Ein zusätzlicher Vorteil des HOEs 100 ist der, dass es die Streifendicke ermöglicht, Strukturen herzustellen, die im Wesentlichen vom Polarisierungszustand des einfallenden Lichtstrahls unabhängig sind. Dieses Leistungsmerkmal ist als polarisierungsabhängiger Verlust bekannt, eine Entwurfsanforderung, die von der Telecordia-Industrienorm GR1073 aufgestellt wurde. Wir stellten fest, dass bei jedem einfallenden linearen Polarisierungszustand HOE-Wirkleistungen von über 90% theoretisch erzielt werden können.
Um die Streifen 108 auszubilden, kann ein Prozess zum Abscheiden eines Films aus Polysilizium oder einem anderen Material auf dem Saphirsubstrat 102 verwendet werden. Alternativ kann ein Einkristall-Silizium epitaxial auf dem Saphirsubstrat 102 aufgewachsen werden. In jedem Fall können mit der Polysiliziumschicht oder der Einkristall-Siliziumschicht, die auf der Oberfläche 106 ausgebildet werden, standardmäßige 1 μm- oder 0,5 μm-MEMS-Fotolithografieverfahren eingesetzt werden, um die gewünschte Gitterstruktur in einer Fotolackschicht auszubilden, und die Struktur kann unter Verwendung standardmäßiger MEMS-Ätzverfahren in das Silizium geätzt werden, und zwar entsprechend dem handelsüblichen Multi-User MEMS-Prozess (MUMPs^TM). Das Saphirsubstrat 102 stellt eine Ätzstoppschicht bereit, so dass die Höhe der Streifen genau geregelt werden kann.
Das HOE 100 und das integrierte Substrat 102 können in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen, um verschiedene optische Funktionen zu erfüllen. Eine ist beispielhaft in 5 gezeigt, in der das HOE 100 als Demultiplexer fungiert. Im Betrieb sind HOEs wellenlängenabhängig. Wenn somit der Eingangslichtstrahl 120 Licht mit mehr als einer Wellenlänge enthält, wie etwa Strahlen, die mehrere Kanäle in dichten Wellenlängenmultiplexsystemen (DWDM-Systemen) übertragen, werden die verschiedenen Wellenlängen vom HOE 100 mit verschiedenen Winkeln gebeugt. Dieses Phänomen kann dazu genutzt werden, die verschiedenen Wellenlängen des Eingangslichtstrahls 120 in verschiedene Komponenten aufzuteilen, die beispielhaft als Ausbreitungswege 122a, 122b und 122c gezeigt sind. Jeder der verschiedenen Ausbreitungswege 122a–c würde sich dann in einer separaten Ebene befinden, wobei sich jede Ebene in einem anderen Winkel zur Ebene des Ausbreitungswegs 104 befinden würde. Die Ausbreitungswege 122a–c würden aber alle vorzugsweise unter im Wesentlichen innerer Totalreflexion im Substrat 102 verlaufen. Das HOE 100 kann dazu ausgelegt werden, als Demultiplexer zu wirken, indem beispielsweise die verschiedenen Ausbreitungswege 122a–c in verschiedene Ausgangsfasern eingekoppelt werden. Das in 5 gezeigte HOE 100 könnte auch als Wellenlängenfilter verwendet werden, indem nur ein gewünschter Ausbreitungsweg zu einer Ausgangsfaser gelenkt wird. Somit können ein integriertes Substrat und ein optisches Beugungselement, hier in Form des HOEs 100, ein Signal in Abhängigkeit von der Wellenlänge in verschiedene Reflexionswege hinein reflektieren.
Es gibt zahlreiche Arten und Weisen, um Lichtsignale zur Erzeugung einer TIR-Ausbreitung in das Substrat 102 einzukoppeln. Beispielsweise umfassen ausreichende Verfahren, eine Eingangsfaser zu spalten, einen Rand des Substrats zu spalten, ein gespaltenes Element zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Substrat oder irgendeine Kombination von diesen bereitzustellen. 6 zeigt eine beispielhafte Weise zum Einkoppeln von Licht in ein Substrat. Hier ist ein Lichtwellenleiter 202 über ein Brechungselement 203 mit dem Substrat 102 gekoppelt. Der Lichtwellenleiter 202 koppelt einen divergierenden einfallenden Lichtstrahl 204 in das Brechungselement 203 ein, das aus einem optisch durchlässigen Material mit einem Brechungsindex besteht, der niedriger ist als der des Substrats 102. Das Brechungselement 203 bricht das Licht 204 für eine TIR-Ausbreitung im Substrat 102. Der Lichtstrahl 204 fällt auf ein Fokussierelement 206, das in einer Ausführungsform ein HOE ist, das auf der Oberfläche 106 ausgebildet ist, um den sich ausbreitenden Lichtstrahl 204 parallel zu richten und ihn für einen Verlauf unter TIR im Substrat 102 zu reflektieren. Das Fokussierelement 206 kann irgendeine geeignete HOE-Struktur sein oder kann entsprechend dem vorstehend beschriebenen HOE 100 ausgebildet sein. Das Fokussierelement 206 wie das HOE 100 auszubilden hat den Vorteil, die Fertigung der Vorrichtung einfacher zu machen. Das Fokussierelement 206 besitzt Teile 208 wie die Teile 108 von 1. Außer dem Fokussierelement 206, das Licht aus der Faser 202 einkoppelt, ist der Aufbau von 6 derselbe wie der von 1. Somit zeigt 6 eine andere optische Vorrichtung, die unter Verwendung eines integrierten Substrats und optischen Beugungselements, einem Strahlenkollimator in Form des HOEs 206 hergestellt werden kann.
6 zeigt auch, dass mehrere optische Beugungselemente auf einem einzelnen Substrat kombiniert und deshalb mit diesem integriert werden können, um komplexe Strukturen zu bilden. Die Verwendung vieler optischer Beugungselemente, die ähnliche oder nicht ähnliche optische Funktionen erfüllen, ermöglichen die Schaffung einer integrierten optischen Schaltung, die sich der offenbarten Vorrichtungen und Verfahren bedient. In dem besonderen Beispiel überträgt das Fokussierelement 206 das parallel gerichtete einfallende Licht 204 zum HOE 100, das auch auf derselben Seite des Substrats ausgebildet ist. Die aus zwei Elementen bestehende Struktur ermöglich es deshalb, das Eingangssignal sowohl einzukoppeln als auch zu reflektieren. Der Reflexionssignalweg 210 (der Eigenschaften hat wie der Weg 116) ist in 6 gezeigt. Es könnte auch weitere Modifizierungen an dem dargestellten Aufbau geben, wie etwa das HOE 100 aus gekrümmten Streifen hergestellt zu haben, die sowohl als reflektierendes Element als auch als Sammel- oder Zerstreuungslinse oder Spiegel fungieren. Mehrere optische Beugungselemente zusammen hinzuzufügen hat den Vorteil, die Schaffung integrierter optischer Schaltungen zu ermöglichen, die dann einfacher hergestellt werden könnten. Integrierte optische Schaltungen aus Reflektoren, Strahlenteilern, Kollimatoren, regelbaren Dämpfungsgliedern, Beugungsgittern, usw. können entworfen werden. Darüber hinaus bedeutet die Möglichkeit, beispielsweise das HOE 100 und das Fokussierelement 206 auf derselben Fläche des Substrats 102 unter Verwendung eines einzigen Fotolithografieprozesses herzustellen, nicht nur eine einfachere Fertigung der Vorrichtung, sondern es werden auch die Ausrichtungsprobleme umgangen, die bestehende integrierte optische Schaltungsvorrichtungen plagen, weil die gewünschte Ausrichtung mit dem fotolithografischen Entwicklungsprozess hergestellt wird.
7 zeigt eine Einkopplungsalternative zu 6, die kein Kollimatorelement 206 verwendet. Hier hat ein Substrat 220 eine gespaltene Seitenfläche 222, die als Prisma für ankommende Signale wirkt. Mit einem 45°-Schnitt empfängt die Fläche ein Lichtsignal 224 aus einer Kollimationslinse mit graduiertem Index (GRIN) 226 für eine TIR im Substrat 220. Die GRIN-Linse 226 kann direkt mit einem Brechungselement oder einer dünnen Schicht einer antireflektierenden Beschichtung 228 gekoppelt sein, die Reflexionsverluste auf ein Mindestmaß reduziert.
8 zeigt ein zu den zuvor beschriebenen HOEs alternatives HOE. Während 1 ein HOE in physikalischem Kontakt mit einem Substrat zeigt, zeigt 8 ein HOE 300, das über (d. h. außer physikalischem Kontakt mit) einem Substrat 302 angeordnet ist, bei dem Licht 304 durch das Substrat 302 verläuft. Der Lichtstrahl 304 breitet sich im Substrat 302 unter TIR aus. Die TIR-Ausbreitung im Substrat 302 kann wie vorstehend erörtert aus der Einkopplung von Licht in das Substrat erzielt werden. Darüber hinaus braucht wie bei 1 eine TIR nur auf einer Oberfläche 306 des Substrats 302 mit Spiegeln oder einer reflektierenden Schicht auf einer Bodenfläche 307 des Substrats hergestellt zu werden, obwohl vorzugsweise eine TIR an beiden Flächen 306, 307 auftreten würde.
Das HOE 500 besteht aus Streifen 308, die über der Oberfläche 306 des Substrats 302 angeordnet sind. Die Streifen 308 wirken, wie die Streifen 108 im HOE 100, mit dem Substrat 302 zusammen, wobei der Unterschied in 8 darin besteht, dass die Streifen 308 nicht in direktem physikalischen Kontakt mit der Oberfläche 306 zu stehen brauchen, sondern statt dessen mit dem Substrat 302 über ein schwindendes Feld in Kopplungskontakt sind, das sich über der Oberfläche 306 erstreckt und durch die TIR-Ausbreitung entsteht. Im Betrieb wird ein erster Teil des Lichtstrahls 304 von der Oberfläche 306 weg gebeugt, und ein zweiter Teil wird in die Streifen 308 eingekoppelt, und zwar so, dass der Ausgang aus den Streifen 308 mit dem reflektierten ersten Teil zusammenwirkt, um eine Mode der Ordnung m = –1 zu bilden, die mit dem Reflexionsweg 310 zusammenfällt. Der nicht betroffene Reflexionsweg, d. h. die Mode m = 0 ist in 312 gezeigt. Dieser Zustand könnte als gehemmte innere Totalreflexion angesehen werden. Der in der bevorzugten Ausführungsform entlang des Wegs 310 reflektierte Strahl wird wie bei den zuvor beschriebenen HOEs dazu gebracht, mit einem Winkel α (oder θ_P) zur Fortpflanzungsrichtung des einfallenden Strahls 304 und unter TIR im Substrat reflektiert zu werden. Das HOE 300 kann entsprechend dem HOE 100 ausgebildet sein, mit Ausnahme dessen, dass eine Opfer- oder Abstandsschicht in einem Anfangsschritt auf dem Substrat 302 abgeschieden würde. Nach den vorstehend beschriebenen Abscheide- und Fotolithografieschritten würde die Opferschicht als letzter Bearbeitungsschritt aufgelöst oder entfernt werden, wodurch die Streifen 308 innerhalb eines schwindenden Kopplungsabstands zum Substrat zurückbleiben. Um die Streifen 308 zu haltern, würden auch standardmäßige Verankerungsabschnitte unter Verwendung einer MEMS-Verarbeitung hergestellt werden.
Viele zusätzliche Änderungen und Modifizierungen könnten an der Erfindung vorgenommen werden, ohne dabei vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Integrierte optische Vorrichtung, die Folgendes umfasst: ein optisches Substrat (102), um ein einfallendes Lichtsignal (104) sich in einer ersten Ebene und in einer primären Ausbreitungsrichtung unter innerer Totalreflexion an einer Oberfläche (106) des Substrats ausbreiten zu lassen; und ein optisches Beugungselement (100) mit mehreren voneinander beabstandeten Teilen (108), die aus einem optisch durchlässigen Material gebildet und auf der Oberfläche des Substrats in schwindender Feldkopplung (evanescent field coupling) mit dem sich ausbreitenden Lichtsignal angeordnet sind, und zwar so, dass das einfallende Lichtsignal (104), das unter innerer Totalreflexion auf die Oberseite einfällt, in das Substrat zu einer Ausbreitung in einer zweiten Ebene gebeugt wird, die einen spitzen Winkel (α) mit der ersten Ebene bildet, wobei sich die erste Ebene und die zweite Ebene orthogonal zur Oberfläche (106) erstrecken.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus Quarz gebildet ist.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus Saphir gebildet ist.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei den Teilen um mehrere Streifen handelt, die im Wesentlichen parallel sind.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die mehreren Streifen eine im Wesentlichen gleiche Streifenbreite haben.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die mehreren Streifen jeweils um einen im Wesentlichen gleichen Zwischenabstand voneinander beabstandet sind.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die mehreren Streifen jeweils eine im Wesentlichen gleiche Streifenbreite haben, die mehreren Streifen jeweils um einen im Wesentlichen gleichen Zwischenabstand voneinander beabstandet sind und der Zwischenabstand im Wesentlichen gleich der Streifenbreite ist.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Summe aus Abstand und Breite zwischen 0,5 λ und 4 λ beträgt, wobei λ die Wellenlänge des Lichtsignals im Substrat ist.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teile aus einem Material gebildet sind, das aus der Gruppierung ausgewählt ist, die aus amorphem Silizium, kristallinem Silizium und Polysilizium besteht.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teile aus einem Material hergestellt sind, das aus der Gruppierung ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Saphir, Siliziumnitrid und einer Legierung aus Polysilizium und Polygermanium besteht.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teile in direktem Kontakt mit der Oberfläche des Substrats angeordnet sind.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement eine Beugungsmode erster Ordnung erzeugt, die im Substrat in der zweiten Ebene verläuft.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Beugungsmode erster Ordnung unter innerer Totalreflexion im Substrat verläuft.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das einfallende Lichtsignal ein Divergenzstrahl (204) ist, wobei die Vorrichtung darüber hinaus ein Kollimatorelement (206) umfasst, das dazu ausgelegt ist, das einfallende Lichtsignal zu empfangen, wobei das Kollimatorelement so positioniert ist, dass das einfallende Lichstisgnal aus dem Kollimatorelement in das Substrat parallelgerichtet wird und im Substrat unter innerer Totalreflexion verläuft.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Kollimatorelement (206) ein holografisches Element umfasst, das auf der Oberfläche des Substrats angebracht ist.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Lichtsignal über eine GRIN(graded index)-Linse (226) in das Substrat eingekoppelt wird.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teile im Wesentlichen parallele lineare Teile sind.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teile auf der Oberfläche des Substrats (106) durch Abscheiden eines Siliziummaterials in strukturierter Form ausgebildet sind.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teile und das Substrat aus demselben Material hergestellt sind.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Material Saphir ist.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teile einen höheren Brechungsindex haben als das Substrat.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement mittels innerer Totalreflexion wirkt.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement (100) so ausgebildet ist, dass es jeweils mehrere einfallende Lichtsignale (120) mit unterschiedlichen Wellenlängen in eine andere Beugungsmode erster Ordnung als ein reflektiertes Lichtsignal (122a, b, c) reflektiert, das im Substrat in einer von mehreren Reflexionsebenen verläuft, die jeweils einen spitzen Winkel mit der ersten Ebene bilden, und wobei sich jede Reflexionsebene senkrecht zur Oberfläche (106) erstreckt, wobei jedes reflektierte Lichtsignal unter innerer Totalreflexion im Substrat verläuft.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teile aus mehreren Streifen gebildet sind, wobei jeder Streifen eine Breite und einen dazugehörigen Abstand haben, wobei die Breiten und die Abstände bei den Streifen variieren.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei die Breiten und Abstände auf kontinuierliche Weise variieren.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren voneinander beabstandeten Teile (308) aus einem optisch durchlässigen Material gebildet sind und über einer Fläche (306) des Substrats angeordnet sind, wobei die Teile um einen Zwischenabstand voneinander beabstandet sind und Teilebreiten haben, wobei die Summe (a) aus Zwischenabstand und Teilebreite so gewählt wird, dass ein Lichtsignal (304), das unter innerer Totalreflexion von der Oberfläche des Substrats weg in der ersten Ebene verläuft und auf das optische Beugungselement (300) einfällt, in eine erste Beugungsordnung reflektiert wird, die sich im Substrat in der zweiten Ebene ausbreitet, die einen Winkel (Θ_P) im Hinblick auf die erste Ebene bildet, und die sich unter innerer Totalreflexion im Substrat ausbreitet, wobei das Lichtsignal auf das Beugungsgitter mit einem Winkel (Θ) über einem kritischen Winkel einfällt, der ausgehend von einer Normalen zur Oberfläche des Substrats, die sich in das Substrat erstreckt, gemessen wird, und wobei die Summe (a) so gewählt wird, dass Θ_P größer als 90° und kleiner als 180° ist.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Summe (a) zwischen 0,5 λ und 4 λ beträgt, wobei λ die Wellenlänge des Lichtsignals im Substrat ist.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei λ zwischen 0,25 μm und 10 μm beträgt.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei der Zwischenabstand im Wesentlichen gleich der Teilebreite ist.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Teile aus einem Material gebildet sind, das aus der Gruppierung ausgewählt ist, die aus amorphem Silizium, kristallinem Silizium und Polysilizium besteht, und wobei das Substrat aus Saphir gebildet ist.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Teile einen Brechungsindex haben, der höher ist als der Brechungsindex des Substrats.
Verfahren zum Leiten eines einfallenden Lichtsignals (104), das Folgendes umfasst: Durchlassen des einfallenden Lichtsignals in ein optisches Substrat (102) entlang einer ersten Ausbreitungsrichtung, die in einer ersten Ebene liegt, und unter innerer Totalreflexion von einer Oberfläche (106) des Substrats weg; Anordnen mehrerer voneinander beabstandeter Streifen über der Fläche des Substrats in schwindender Feldkopplung (evanescent field coupling) mit dem sich ausbreitenden Lichtisgnal, um mit mindestens einem Teil des einfallenden Lichtsignals eine Wechselwirkung einzugehen, und zwar so, dass die mehreren Streifen ein Beugungsgitter bilden; und Beugen des mindestens einen Teils des einfallenden Lichts in eine erste Beugungsordnung, die sich im Substrat in einer zweiten Ausbreitungsrichtung ausbreitet, die in einer zweiten Ebene liegt, die einen spitzen Winkel (α) mit der ersten Ebene bildet, und wobei sich die erste Beugungsordnung unter innerer Totalreflexion im Substrat ausbreitet, wobei sich die erste Ebene und die zweite Ebene orthogonal zur Oberfläche (106) erstrecken.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Anordnen mehrerer voneinander beabstandeter Streifen darüber hinaus umfasst: Abscheiden eines Dünnfilms aus optischem Material auf der Oberfläche des Substrats; Auftragen einer Maskierung über dem Dünnfilm; Belichten des Dünnfilms und der Maske mit einem fotolithografischen Belichtungsprozess, um eine Struktur im Dünnfilm zu bilden, wobei die Struktur den Streifen entspricht; und selektives Ätzen von Teilen des Dünnfilms, um die Streifen auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das optische Material ein Polysiliziummaterial ist.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Anordnen der mehreren Streifen über dem Substrat die Streifen in direktem Kontakt mit der Oberfläche ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Anordnen mehrerer voneinander beabstandeter Streifen darüber hinaus umfasst: Aufwachsen eines Dünnfilms aus kristallinem Silizium auf der Oberfläche des Substrats; Auftragen einer Maskierung über dem Dünnfilm; Belichten des Dünnfilms und der Maske mit einem fotolithografischen Belichtungsprozess, um eine Struktur im Dünnfilm zu bilden, wobei die Struktur den Streifen entspricht; und selektives Ätzen von Teilen des Dünnfilms, um die Streifen auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Anordnen der mehreren Streifen über der Fläche die Streifen in direktem Kontakt mit der Oberfläche ausbildet.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Anordnen mehrerer voneinander beabstandeter Streifen darüber hinaus umfasst: Abscheiden einer Opferschicht auf der Oberfläche des Substrats; Abscheiden eines Dünnfilms aus optischem Material über der Opferschicht; Auftragen einer Maskierung über dem Dünnfilm; Belichten des Dünnfilms und der Maske mit einem fotolithografischen Belichtungsprozess, um eine Struktur im Dünnfilm zu bilden, wobei die Struktur den Streifen entspricht; selektives Ätzen von Teilen des Dünnfilms, um die Streifen auszubilden; und Entfernen der Opferschicht, und zwar so, dass die Streifen über der Oberfläche des Substrats in einem Bereich schwindender Feldkopplung (evancescent field coupling) entstehen, der sich über der Oberfläche erstreckt.
Integrierte optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren voneinander beabstandeten Teile (308), die aus einem optisch durchlässigen Material gebildet sind, über der Oberfläche (306) außerhalb von physikalischem Kontakt mit dem Substrat angeordnet sind.