諧振波導光柵及其應用制造技術

公開了一種包括波導層、包括多個亞波長結構的諧振波導光柵。與該多個亞波長結構在光學上接近的波導層被配置成在預定波長范圍內引導至多十個波導光模。所述多個亞波長結構包括：至少兩個相鄰凹槽，其在它們的凹槽中心之間具有亞波長距離，該亞波長距離不同于兩個相鄰凸脊的中心之間的亞波長距離。該多個亞波長結構被配置成通過衍射將入射光的耦入部分的耦出小部分從所述波導層諧振地耦出。該諧振波導光柵被配置成在預定波長范圍內耦出具有預定中心波長λ

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】諧振波導光柵及其應用
本專利技術涉及光學領域，更具體地，本專利技術涉及基于導模諧振的光學系統。特別地但非排他地，涉及諧振波導光柵元件以及涉及適合于安裝在觀察者頭部上的頭戴式平視顯示器的近眼光學系統和虛擬圖像顯示裝置。
技術介紹
諧振波導光柵（下文中被定義為RWG，也被稱為諧振波導光柵）還被稱為漏模波導、低模波導光柵、亞波長波導光柵、零階器件和導模諧振濾波器或器件并且包括單模波導光柵，其已經發展了30多年。光柵也已經廣泛地被用作分散和過濾光束的器件。已經提出了光柵和波導的組合來制造具有獨特屬性的光學結構和設備，諸如具有非常窄的帶寬的濾波器。更特別地，在諧振波導光柵領域中已經做出了相當大量的開發工作，這是因為諧振波導光柵允許產生特別令人感興趣的光學效應，這是利用傳統光學組件無法實現的。還被稱為導模諧振濾波器的諧振波導光柵由亞波長光柵和薄波導的組合組成。這樣的結構具有多層構造，并且基本布置包括基板、薄的電介質或半導體或金屬的波導層，以及可能地包括其中形成了光柵的附加層。當入射光被光柵衍射并且與波導的模匹配時，就會發生所謂的諧振。由于大多數光譜并未耦合到波導中，因此在反射和透射中會觀察到強烈的光譜改變。因為波導本質上是作為波導光柵的波紋狀的，所以導模（guidedmode）必然是有泄漏的，導光的小部分（fraction）被耦出（outcouple）從而行進通過每個光柵周期，而另一部分在合適的逼近光（impendinglight）下被耦入（incouple）。作為示例，這樣的泄漏模可以沿其傳播所沿的光柵凹槽和凸脊的數量而成指數地減少。RWG通常被設計成具有比其進行操作所利用的、如在真空中測量的波長更短的空間周期性，并且因此被稱為“亞波長”結構或亞波長設備。最終，它們具有的周期性接近于其進行操作所利用的波長并且剛好高于該波長。很多時候，周期顯著小于它們正在用來工作的自由空間波長，例如是其三分之一。由于它們的小周期性，它們不允許有許多衍射級，這使它們區別于衍射光學元件（DOE）（諸如，表面浮雕光柵（SRG））、全息光學元件（HOE）（諸如，體積全息圖和可切換布拉格光柵（SBG））。大多數時候，它們被設計成僅以零衍射級進行操作，這僅允許在零級透射與反射之間進行光過濾和重定向，該反射也被稱為鏡面反射，并且具有連續耦入和耦出的泄漏導模，最終可能在反射和透射中具有非引導的正或負第一衍射級，例外地可能在反射和透射中具有非引導的正或負第二衍射級。在光柵發展的早期階段中已經發現了這種諧振的存在（R.W.Wood，Phil.Mag.vol4，pp.396-402，1902）。這些諧振屬于光柵結構中的異常衍射現象的一種類型，并且暗示著相對于物理參數（諸如，入射波的角度和/或波長）的外部可觀察到的衍射級中的快速變化。在光柵制造的早期階段中，無法解釋反射中的突然改變。Hessel和Oliner（Appl.Optics，vol.4，pp.1275-1297，1965）指出：基本上存在兩種類型的光柵異常。一種被稱為瑞利型，這是經典伍德氏異常，并且另一種被稱為諧振型。瑞利型異常是由于較高衍射級的能量通過倏逝波傳遞到較低級。在當前專利申請的上下文中特別讓人感興趣的衍射光柵中的諧振異常是由于外部入射光波與表面引導波的耦合過程所致，該表面引導波由諧振波導光柵的結構來支撐。根據結構的類型，這樣的光柵異常可以劃分為兩種類型，并且可以通過使用傅立葉-瑞利近似來獲得準確的結果。在深光柵凹槽的情況下無法應用該方法。幾位作者研究了來自弱波紋狀波導的反射。通過使用諸如傅里葉模態方法（FMM）或嚴格耦合波分析（RCWA）之類的模態仿真方法，可以緩解深光柵凹槽的會聚問題。利用這些新的數學工具，在過去的幾十年中已經提出和開發了許多設備。已經開發了基于電介質和半導體波導和/或金屬波導的這種諧振波導光柵以用于各種各樣的應用，諸如在美國專利4426130和來自KarlKnop的許多其他專利中所描述的那樣。首先的工業實現是在DID?品牌下進行的，作為光學認證設備，即所謂的光學可變設備（OVD）。導模諧振結構的主要應用之一是在反射和透射中具有非常窄的光譜線寬的情況下來設計濾波器。可以將帶寬設計成非常窄并且大約為0.1nm，并且可以通過諸如光柵深度、占空比、波導層的厚度和成分之類的參數來調諧帶寬。Magnusson提出了波長選擇性反射濾波器，并且研究了它們的線形（R.Magnusson和S.S.Wang:“Newprincipleforopticalfilters”，Appl.Phys.Lett.，vol61，pp.1022-1024，1992）。而且，Rosenblatt和Sharon已發表了對諧振光柵波導結構的系統性分析：-D.Rosenblatt等人，“Resonatinggratingwaveguidestructures”，IEEEJ.QuantumElectron.，vol.33，nr.11，pp.2038-2059，1997；-A.Sharon等人：“Resonatinggrating-wavegudiestructuresforvisibleandnear-infraredradiation：”，J.Opt.Soc.Am.，vol.14，nr.11，pp.2985-2993，1997；Rosenblatt和Sharon在這些論文中解釋道：諧振下的向前與向后傳播之間的波能量的有效傳遞是由于入射波與衍射波之間的相對相移，從而導致向前和向后傳播的波的相消和相長干涉。導模諧振設備也可以被用作傳感器中的組件。通過應用諸如氣體或生化層之類的物質與諧振波導接觸，可以檢測到這些物質。傳感器中的導模諧振設備的限制在于：由于泄漏模傳播，與所述物質相互作用的波的相互作用長度受到限制。例如在EP1739751中描述了使用RWG作為視覺傳感器的彩色濾光片的其他開發。然而，直到最近，RWG的泄漏模和光波導屬性才被專門用于光學傳感平臺中，如US5738825或EP0455067中所描述的那樣。L.Davoine等人的文章中描述了使用諧振波導光柵作為傳感器來檢測氣體存在的示例：“Resonantabsorptionofachemicallysensitivelayerbasedonwaveguidegratings”（AppliedOptics，pp.340-349，vol.52，nr.3，2013）。在該設備中，主要缺陷是光沿波導的固有泄漏，因此諧振光無法被與波導接觸的介質完全吸收。此外，必須在可能的吸收增強與諧振波導結構的諧振帶寬之間挑選微妙的妥協。由于許多原因，包括技術制造方面的限制，僅在最近才開發出使用通過共同的非常薄的波導所連接的不同的耦入和耦出RWG的復雜RWG陣列，作為如WO9219976和EP1031828中所描述的傳感平臺。更近地在EP2618130或EP2757374中使用相干光束照明和檢測也對該方法進行了描述。WO2015096859描述了一種允許實行光束重定向的導模諧振設備。這是通過在具有第一光譜本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種諧振波導光柵（1），其定義了第一側（1a）和與所述第一側（1a）相反的第二側（1b），所述諧振波導光柵（1）包括：/n- 基板層（4），其定義了第一基板表面（4a）和面向所述第一基板表面（1a）的第二基板表面（4b）；/n- 波導層（20），其具有布置在所述基板層（4）上的第一波導表面（20a）和第二波導表面（20b），并且具有在垂直于所述第一波導表面（20a）的方向上定義的預定介電常數函數，/n- 多個（2）亞波長結構（2a），/n其中，/n- 所述波導層（20）被配置成在預定波長范圍內引導至多十個波導光模，/n- 所述多個（2）亞波長結構（2a）包括至少兩個相鄰凹槽（30、31），每個凹槽定義了凹槽中心（30a、31a），并且所述多個（2）亞波長結構（2a）包括至少兩個相鄰凸脊（40、41），每個凸脊定義了凸脊中心（40a、41a），所述兩個相鄰凹槽（30、31）在它們的中心（30a、31a）之間具有亞波長距離（d1），所述亞波長距離（d1）不同于在所述兩個相鄰凸脊（40、41）的中心之間的亞波長距離（d2）；/n- 所述多個（2）亞波長結構（2a）被布置成通過所述波導層進行光學通信，所述波導層的介電常數函數和所述多個（2）亞波長結構（2a）的尺寸和取向被挑選成使得多個（2）亞波長結構（2a）通過衍射而將入射光束（10a）的至少耦入部分（10b）諧振地耦合到所述波導層（20）中，所述入射光束由光發射器（110）提供到波導層（20）的所述至多十個波導模中的至少一個中，/n- 所述多個（2）亞波長結構（2a）被配置成通過衍射而將所述至少耦入部分（10b）的耦出小部分（10c）從所述波導層（20）諧振地耦出；/n- 所述至少耦入部分（10b）的所述耦出小部分（10C）具有在所述預定波長范圍內的預定中心波長λ...

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種諧振波導光柵（1），其定義了第一側（1a）和與所述第一側（1a）相反的第二側（1b），所述諧振波導光柵（1）包括：
-基板層（4），其定義了第一基板表面（4a）和面向所述第一基板表面（1a）的第二基板表面（4b）；
-波導層（20），其具有布置在所述基板層（4）上的第一波導表面（20a）和第二波導表面（20b），并且具有在垂直于所述第一波導表面（20a）的方向上定義的預定介電常數函數，
-多個（2）亞波長結構（2a），
其中，
-所述波導層（20）被配置成在預定波長范圍內引導至多十個波導光模，
-所述多個（2）亞波長結構（2a）包括至少兩個相鄰凹槽（30、31），每個凹槽定義了凹槽中心（30a、31a），并且所述多個（2）亞波長結構（2a）包括至少兩個相鄰凸脊（40、41），每個凸脊定義了凸脊中心（40a、41a），所述兩個相鄰凹槽（30、31）在它們的中心（30a、31a）之間具有亞波長距離（d1），所述亞波長距離（d1）不同于在所述兩個相鄰凸脊（40、41）的中心之間的亞波長距離（d2）；
-所述多個（2）亞波長結構（2a）被布置成通過所述波導層進行光學通信，所述波導層的介電常數函數和所述多個（2）亞波長結構（2a）的尺寸和取向被挑選成使得多個（2）亞波長結構（2a）通過衍射而將入射光束（10a）的至少耦入部分（10b）諧振地耦合到所述波導層（20）中，所述入射光束由光發射器（110）提供到波導層（20）的所述至多十個波導模中的至少一個中，
-所述多個（2）亞波長結構（2a）被配置成通過衍射而將所述至少耦入部分（10b）的耦出小部分（10c）從所述波導層（20）諧振地耦出；
-所述至少耦入部分（10b）的所述耦出小部分（10C）具有在所述預定波長范圍內的預定中心波長λ0，并且具有預定光譜寬度Δλ，所述耦出小部分（10c）是入射光束（10a）的衍射部分。


2.根據權利要求1所述的諧振波導光柵（1），其中，所述相鄰凹槽（30、31）之一位于所述相鄰凸脊（40、41）之間。


3.根據權利要求1或權利要求2所述的諧振波導光柵（1），其中，通過波導層（20）引導耦出小部分（10c）遠離所述入射光束（10a）的部分透射的光束（10f），并且通過波導層（20）引導所述耦出小部分（10c）遠離所述入射光束（10a）的部分反射的光束（10g）。


4.根據權利要求1至3中任一項所述的諧振波導光柵（1），其中，至少兩個凹槽（30、31）和/或至少兩個凸脊（40、41）具有不同的形狀和/或尺寸。


5.根據權利要求1至4中任一項所述的諧振波導光柵（1），其中，在所述入射光束（10a）的光譜的至少一部分中，波導層（20）具有的平均折射率高于所述基板層（4）的折射率。


6.根據權利要求1至5中任一項所述的諧振波導光柵（1），其中，波導層（20）由包含至少電介質的材料或半導體材料制成。


7.根據權利要求1至6中任一項所述的諧振波導光柵（1），其中，波導層（20）包括由電介質材料或半導體制成的納米顆粒。


8.根據權利要求6或7所述的諧振波導光柵（1），其中，在所述入射光束（10a）的光譜的至少一部分中，電介質材料或半導體具有的光學指數高于所述基板層（4）的折射率，優選地高出至少0.1。


9.根據權利要求1至8中任一項所述的諧振波導光柵（1），其中，波導層（20）將由不同的材料制成的至少兩個層包括到波導層（20）的至少一側。


10.根據權利要求1至9中任一項所述的諧振波導光柵（1），其中，波導層（20）將跨垂直于所述第一波導表面（20a）的方向的由具有變化成分的合金制成的層包括到波導層（20）的至少一側。


11.根據權利要求1至10中任一項所述的諧振波導光柵（1），其中，波導層（20）包括由具有不同摻雜濃度的相同材料制成的至少兩種材料。


12.根據權利要求1至10中任一項所述的諧振波導光柵（1），其中，波導層（20）跨垂直于波導層（20）的方向具有摻雜濃度輪廓。


13.根據權利要求1至12中任一項所述的諧振波導光柵（1），包括多個（2）亞波長結構（2a），其中至少兩個凹槽（30、31）和至少兩個凸脊（40、41）具有二元形狀、或正弦形狀、或三角形形狀、或傾斜形狀。


14.根據權利要求1至13中任一項所述的諧振波導光柵（1），其中，所述波導層（2）...

【專利技術屬性】
技術研發人員：G巴塞，
申請(專利權)人：瑞士CSEM電子顯微技術研發中心，
類型：發明
國別省市：瑞士;CH