反射光学光栅台阶的扩展.pdf

一种光学设备包括位于基座上的光传输介质。光传输介质至少部分界定光信号通过其行进的自由传播区域。反射光栅包括带台阶的反射表面，定位反射表面使得通过自由传播区域行进的光信号被反射表面接收。配置反射表面以将光信号反射回自由传播区域中，使得与不同波长相关联的光信号在光信号通过自由传播区域行进时分离。反射表面的至少一部分均包括重叠区域。此外，反射表面的至少一部分均包括被重叠区域和未被重叠区域。配置反射光栅，使得光信号在被反射之前向被重叠区域和未被重叠区域行进。

权利要求书一种光学设备，包括：
位于基座上的光传输介质，所述光传输介质至少部分界定光信号行进所通过的自由传播区域；以及
包括带台阶的反射表面的反射光栅，定位所述反射表面，使得通过所述自由传播区域行进的光信号被所述反射表面接收，配置所述反射表面以将所述光信号反射回所述自由传播区域中，所述反射表面反射所述光信号，使得与不同波长相关联的光信号在所述光信号通过自由传播区域行进时分离，
所述反射表面的至少一部分均包括重叠区域，
所述反射表面的至少一部分均包括被重叠区域和未被重叠区域，
配置所述反射光栅，使得所述光信号向所述被重叠区域和未被重叠区域行进，定位所述未被重叠区域，使得所述未被重叠区域接收所述光信号，但所述重叠区域位于所述被重叠区域和所述光信号之间，使得所述重叠区域在所述被重叠区域能够接收到所述光信号之前接收所述光信号。
根据权利要求1所述的设备，其中每个反射表面的每个被重叠区域具有循着所述反射表面未被重叠区域轮廓线的轮廓线，并且每个反射表面的被重叠区域与所述反射表面的未被重叠区域是连续的。
根据权利要求2所述的设备，其中所述被重叠区域的至少一部分宽度大于0.2μm。
根据权利要求1所述的设备，其中所述光栅是中阶梯光栅。
根据权利要求1所述的设备，其中阴影表面和一个或多个第二表面将每个所述反射表面连接到另一个反射表面，每个阴影表面直接连接到反射表面之一，并且所述一个或多个次表面将每个所述阴影表面连接到另一个反射表面。
根据权利要求5所述的设备，其中每个阴影表面都平行于所述光信号在入射在所述阴影表面和所述阴影表面直接连接到的反射表面之间的交点上时行进的方向。
根据权利要求6所述的设备，其中将阴影表面之一连接到反射表面之一的一个或多个次表面位于第二个反射表面后方，使得所述第二反射表面在所述次表面能够接收到光信号之前接收所述光信号。
根据权利要求5所述的设备，其中所述阴影表面的至少一部分宽度小于5μm。
根据权利要求5所述的设备，其中所述一个或多个次表面完全位于反射表面之一后方。
根据权利要求1所述的设备，其中所述光传输介质界定所述自由传播区域的一部分具有通过其透射光信号的小面，
所述光栅包括被配置成反射所述光栅接收的光信号的反射层，并且
所述光栅包括所述小面和所述反射层之间的缓冲层。
根据权利要求1所述的设备，其中所述缓冲层接触所述光传输介质和所述反射层的小面。
根据权利要求1所述的设备，其中所述自由传播区域上的包层充当所述缓冲层。
根据权利要求1所述的设备，其中所述光传输介质至少部分界定光信号行进通过的波导，
所述波导包括输入波导和输出波导，
所述光栅被配置成将所述光信号反射回所述自由传播区域中，使得光信号在输出波导处被接收，并且所述光栅反射所述光信号，使得与不同波长相关联的光信号在不同输出波导处被接收，并且
用于所述波导的包层充当缓冲层，所述包层接触所述光传输介质。
根据权利要求13所述的设备，其中所述包层和所述缓冲层是二氧化硅，所述光传输介质是硅。
根据权利要求1所述的设备，其中所述反射层的上部位于所述光传输介质顶部，并且所述小面从所述光传输介质顶部向所述基座延伸。
根据权利要求15所述的设备，其中所述缓冲层介于所述反射层上部和所述光传输介质的自由传播区域之间。
根据权利要求1所述的设备，其中所述缓冲层与所述光传输介质上热生长的层一致。
根据权利要求1所述的设备，其中所述反射层包括一系列带台阶反射表面，每个反射表面包括主反射表面和阴影表面，
所述主反射表面反射光信号并被布置成使得与不同波长相关联的光信号在光信号通过自由传播区域行进时分离，
所述阴影表面物理地连接所述主反射表面，并且
所述缓冲层和所述反射层位于所述主反射表面和所述阴影表面两者上。

说明书反射光学光栅台阶的扩展
相关申请
本申请是2010年5月18日提交的题为“Extension of Steps in Reflective Optical Gratings”的美国专利申请序号为 12/800,600的延续，将其整体并入本文。本申请与2009年12月23日提交的，题为“Reducing Optical Loss in Reflective Gratings”的美国临时专利申请序号为 61/284,724相关，将其整体并入本文。
技术领域
本发明涉及光学设备，更具体而言涉及通信应用中使用的光学设备。
背景技术
通信应用中使用的光学设备常常具有定位于基座上的光传输介质。常常在光传输介质中形成用于分离不同波长光信号的光栅。也可以在光传输介质中界定用于引导光信号的波导。光传输介质一般包括波导和光栅之间的自由传播区域。
在这些光学设备工作期间，波导的一部分将光信号运送到光传输介质的自由传播区域。光信号通过自由传播区域行进到光栅。光栅包括反射表面，将接收的光信号反射回自由传播区域中。光信号被反射，使得不同波长的光信号在其通过自由传播区域行进时分离。波导的另一部分从自由传播区域接收分离的光信号并将分离的光信号运送离开光栅。
这些光栅与高到不希望有的水平的光损耗和/或取决于偏振的损耗相关联。结果，需要改进的光栅。
发明内容
一种光学设备包括位于基座上的光传输介质。光传输介质至少部分地界定光信号通过其行进的自由传播区域。反射光栅包括带台阶的反射表面，定位反射表面使得通过自由传播区域行进的光信号被反射表面接收。配置反射表面以将光信号反射回自由传播区域中，使得与不同波长相关联的光信号在光信号通过自由传播区域行进时分离。反射表面的至少一部分每个均包括重叠区域。此外，反射表面的至少一部分每个均包括被重叠区域和未被重叠区域。配置反射光栅，使得光信号在光信号被反射之前向被重叠区域和未被重叠区域行进。定位未被重叠区域，使得未被重叠区域接收光信号，但在被重叠区域和光信号之间定位重叠区域，使得重叠区域在被重叠区域能够接收光信号之前接收光信号。
附图说明
图1A到图1C图示出了包括输入波导的光学设备，输入波导被配置成向光栅运送多个光信号。光栅被配置成对光信号解多路复用。该设备包括输出波导，将其配置成运送解多路复用的光信号离开光栅。图1A是设备的顶视图。
图1B是图1A所示设备沿标记为B的线截取的截面。
图1C是图1B所示设备沿标记为C的线截取的截面。
图1D图示出了光栅中包括的反射表面结构。
图1E标记了根据图1A到图1D构造的反射表面的各种尺寸。
图1F标记了根据图1A到图1D构造的反射表面的另一实施例。
图1G图示出了形成于图1A到图1E的光学设备上的一个或多个次级包层。
图2A到图2C图示出了波导和光栅形成于其上的设备前体的一部分。在设备前体上形成第一掩模。第一掩模暴露设备前体的凹陷区域和设备前体的沟槽区域。图2A是设备前体的顶视图。
图2B是图2A中所示设备前体沿图2A中标记为B的线截取的截面。
图2C是图2A中所示设备前体沿图2C中标记为C的线截取的截面。
图3A到图3C图示出了图2A到图2C的设备前体上的第一掩模上方形成的第二掩模。图3A是设备前体的顶视图。
图3B是图3A中所示设备前体沿图3A中标记为B的线截取的截面。
图3C是图3A中所示设备前体沿图3C中标记为C的线截取的截面。
图4A到图4C图示出了在移除第二掩模之后在图3A到图3C的设备前体上形成第三掩模。图4A是该设备前体的顶视图。
图4B是图4A中所示设备前体沿图4A中标记为B的线截取的截面。
图4C是图4A中所示设备前体沿图4C中标记为C的线截取的截面。
图5A到图5C图示出了在移除第三掩模和第一掩模之后在图4A到图4C的设备前体上形成包层。图5A是该设备前体的顶视图。
图5B是图5A中所示设备前体沿图5A中标记为B的线截取的截面。
图5C是图5A中所示设备前体沿图5C中标记为C的线截取的截面。
图6A到图6C图示出了形成于图5A到图5C的设备前体上的反射层。图6A是该设备前体的顶视图。
图6B是图6A中所示设备前体沿图6A中标记为B的线截取的截面。
图6C是图6A中所示设备前体沿图6C中标记为C的线截取的截面。
具体实施方式
光学设备包括位于基座上的光栅和光传输介质。在光传输介质中界定波导和自由传播区域，使得自由传播区域位于波导和光栅之间。在光学设备工作期间，波导的一部分将光信号运送到光传输介质的自由传播区域。光信号通过自由传播区域行进到光栅。光栅包括一系列带台阶的反射表面，其每个都将接收的光信号反射回自由传播区域中。光信号被反射，使得不同波长的光信号在其通过自由传播区域行进时分离。波导的另一部分从自由传播区域接收分离的光信号并将分离的光信号运送离开光栅。
在某些情况下，配置带台阶的反射表面，使得反射表面的一部分均与反射表面的另一个重叠。例如反射表面的至少一部分能够均包括位于反射表面的另一个和一个或多个输入波导之间的重叠部分。结果，反射表面的重叠部分接收光信号，而不是反射表面的被重叠部分接收光信号。因此，反射表面的被重叠部分在光栅工作期间将不会接收光信号。
现有技术反射光栅中每对带台阶的反射表面都由阴影表面连接。在制造过程期间使用蚀刻造成反射表面和阴影表面之间的交点被抹圆。在反射光栅工作期间，这些抹圆交点可能入射光信号。抹圆的交点导致光沿不希望方向被反射。结果，抹圆的形状充当了这些光栅中光损耗和取决于偏振的损耗的源。当前的反射光栅消除了接收光信号的抹圆交点的至少一部分。例如，在当前的反射光栅中，光信号并非入射在反射表面和阴影表面之间的交点上，光信号可以入射在反射表面的被重叠部分和反射表面其余部分之间的界面上。可以构造这个界面，使得反射表面的被重叠部分具有从反射表面其余部分的轮廓线继续的轮廓线。相对于现有技术的反射光栅，这种连续的轮廓线减少了反射光栅中光损耗和/或取决于偏振的损耗的水平。
光栅任选地包括反射层，其将光信号反射回自由传播区域中。适当的反射层包括金属。由于制造这些设备的过程中的不精确性，将这种金属的一部分定位在光传输介质的自由传播区域顶部。自由传播区域顶部的金属从自由传播区域吸收光，因此是光学设备光损耗的源。此外，由于这种光损耗通过自由传播区域的顶部，所以这种损耗是取决于偏振的损耗（PDL）的源。为了减少这种光损耗，当前的光学设备任选地包括自由传播区域顶部和自由传播区域顶部金属一部分之间的缓冲层。由于光信号入射到缓冲层这个部分上的角度的原因，缓冲层的这个部分充当着波导包层，并且能够相应地减少光信号与自由传播区域顶部金属的交互作用。结果，缓冲层的这个部分减少了来自自由传播区域的光吸收，并且能够相应地减少与光学设备相关联的取决于偏振的光损耗。
图1A到图1D图示出了一种光学设备。图1A是该设备的顶视图。图1B是图1A中所示设备沿标记为B的线截取的截面。图1C是图1B所示的设备沿标记为C的线截取的截面。图1D图示出了光学设备上光栅包括的反射表面的结构。该设备处于称为平面光学设备的光学设备类别之内。这些设备典型地包括相对于衬底或基座静止不动的一个或多个波导。光信号沿波导的传播方向一般平行于设备的平面。设备平面的示例包括基座的顶侧，基座的底侧，衬底的顶侧和/或衬底的底侧。
图示出的设备包括从顶侧14延伸到底侧16的横向侧面12（或边缘）。光信号沿平面光学设备上的波导长度的传播方向一般通过设备的横向侧面12延伸。设备的顶侧14和底侧16是非横向侧面。
该设备包括定位于基座20上的光传输介质18。基座20与光传输介质18相邻的部分被配置成将来自光传输介质18的光信号反射回光传输介质中，以便将光信号约束在光传输介质18中。例如，基座20与光传输介质18相邻的部分可以是光学绝缘体22，其具有比光传输介质18低的折射率。折射率指数的下降可能导致来自光传输介质18的光信号反射回光传输介质18中。适当的光传输介质包括，但不限于硅、聚合物、二氧化硅、SiN、GaAs、InP和LiNbO3。
基座20可以包括位于衬底24上的光学绝缘体22。从下文将显而易见的是，可以配置衬底24以透射光信号。例如，可以用与光传输介质18不同或与光传输介质18相同的第二光传输介质构造衬底24。图示出的设备被构造在绝缘体上硅晶片上。绝缘体上硅晶片包括充当光传输介质18的硅层。绝缘体上硅晶片还包括位于硅衬底24上的二氧化硅层。二氧化硅层可以充当光学绝缘体22，并且硅衬底24可以充当衬底24。
该设备包括波导26。延伸到光传输介质18中一部分的沟槽28均包括一个或多个波导表面30。每个波导表面30都界定脊32，其界定波导26的一部分。例如，脊32和基座20界定光信号运送区域的一部分，其中光信号被约束在每个波导26之内。当在绝缘体上硅晶片上构造该设备时，充当绝缘体22的二氧化硅的折射率指数小于硅光传输介质18的折射率指数。减小的折射率指数防止光信号从硅进入衬底24中。设备上的不同波导26可以具有不同尺寸或相同尺寸。
第一包层33位于波导上。第一包层33可以具有比光传输介质18更低的折射率指数。折射率指数的下降可能导致来自光传输介质18的光信号反射回光传输介质18中。如果外来物质，例如灰尘或来自设备制造的材料能够直接接触光传输介质18，这些外来物质可能是波导中光损耗的源。结果，第一包层33可以保护波导并能够减少与这些外来物质相关联的光损耗。适当的包层33包括，但不限于硅、聚合物、二氧化硅、SiN、GaAs、InP和LiNbO3。在某些情况下，第一包层33材料与光学绝缘体22是相同材料。例如，光学绝缘体22和第一包层33都可以是二氧化硅。
该设备包括诸如反射光栅的光栅34。波导26的第一部分充当输入波导，输入波导被配置成向光栅34运送包括多个光信号的光束。波导26的第二部分充当输出波导，其被配置成从光栅34运送光信号。波导26的第一部分可以包括一个或多个波导，并且波导26的第二部分可以包括一个或多个波导。
光栅34被配置成从一个或多个输入波导接收包括多路复用光信号的光束。光栅34对光信号解多路复用，从而使得在不同的输出波导处接收不同的光信号。可以构造该设备，使得在每个输出波导处仅接收解多路复用光信号之一，或使得在在一个或多个输出波导处接收超过一个解多路复用光信号。适当的光栅34包括，但不限于反射光栅。反射光栅的特定示例是中阶梯光栅。图示出的光栅34是中阶梯光栅。
光栅包括自由传播区域40和光栅凹陷42。光栅凹陷42部分由包括在光传输介质18中界定的入射表面44的表面界定。例如，光学设备可以包括延伸到光传输介质18中的光栅凹陷42。在设备工作期间，来自输入波导的射束进入自由传播区域40。射束包括多个光信号。在图1A中将光通过自由传播区域40的路径图示为虚线，以便区分来自该设备其他特征的光。光信号通过自由传播区域40行进并入射到入射表面44上。由于可以通过入射表面44传输光信号，所以入射表面44充当自由传播区域的小面。
光栅凹陷任选地包括入射表面44和反射层46之间的缓冲层45。在图1A中，缓冲层45、入射表面44和反射层46之间关系的细节不明显，但可以容易从图1B和图1D中看出。入射到入射表面44的光信号通过入射表面44传输，然后通过缓冲层45行进，并被反射层46的表面反射，如图1B和图1D中的箭头所示。中阶梯光栅反射光信号处的表面包括一系列带台阶的反射表面47。在某些情况下，如图1B所示，反射表面47基本垂直于基座。反射表面47是反射层46的表面，并且在反射层46和缓冲层45的界面处。反射层46的适当材料包括，但不限于电介质和诸如Al和Au的金属。
配置反射表面47，使得不同波长的光在其离开反射层46行进时分离。因此，中阶梯光栅将离开反射层46的光束解多路复用成个体光信号或信道。在输出波导处接收信道。图1A图示出了输出波导，配置其从而使得在输出波导的不同一个上接收每个信道。
图1D图示出了光栅中包括的反射表面47的结构。反射表面47均包括主反射表面48。尽管主反射表面48被图示为基本平坦，但主反射表面48可以是曲线，诸如椭圆形曲线。从图1D明显看出，主反射表面48是被设计成反射光信号以使得光信号分离的表面。
图1E示出了光栅上不同表面之间关系的细节。尽管图1E中示出了反射表面，但未示出缓冲层45和反射层46以便简化附图。图示的主反射表面48均具有被重叠区域和重叠区域。图1E中将主反射表面48之一的被重叠区域的宽度标记为OLPD。图1E中将主反射表面48之一的重叠区域的宽度标记为OLPG。主反射表面48的重叠区域位于入射的光信号和另一主反射表面48的被重叠区域之间。结果，主反射表面48的重叠区域接收光信号并防止另一反射表面的被重叠区域接收光信号。因此，主反射表面48的被重叠区域不接收光信号，而是主反射表面48的未被重叠区域接收光信号。图1E中将主反射表面48之一的未被重叠区域的宽度标记为UOR。从图1D和图1E中显然看出，主反射表面48的未被重叠区域可以包括主反射表面48的重叠区域。
在某些情况下，主反射表面48的被重叠区域的轮廓线与主反射表面48其余部分的轮廓线是连续的。例如，在某些情况下，在主反射表面48的其余部分基本平坦时，主反射表面48的被重叠区域基本平坦。作为另一示例，在某些情况下，在主反射表面48的其余部分基本为椭圆形时，主反射表面48的被重叠区域基本为椭圆形。此外或替代地，在某些情况下，主反射表面48的重叠区域的轮廓线与主反射表面48其余部分的轮廓线是连续的。例如，在某些情况下，在主反射表面48的其余部分基本平坦时，主反射表面48的重叠区域基本平坦。作为另一示例，在某些情况下，在主反射表面48的其余部分基本为椭圆形时，主反射表面48的被重叠区域基本为椭圆形。
主反射表面48的至少一部分均包括被重叠区域，并且主反射表面48的至少一部分均包括重叠区域。例如，在将图1D或图1E中所图示的主反射表面48的布置扩展到诸如图1A的光栅的光栅时，主反射表面48中除掉一个之外全部都包括被重叠区域，并且主反射表面48中除掉一个之外全部都包括重叠区域。
阴影表面49被直接连接到图1E和图1D中所示的每个主反射表面48。光信号将与这些阴影表面49具有一些交互作用。这些阴影表面49上的反射层46能够吸收入射光信号，并且因此是光学设备光损耗的源。然而，一个或多个次表面50能够将主反射表面48连接到阴影表面49。次表面50位于主反射表面48后方，因此光信号不与次表面50交互作用。例如，主反射表面48位于输入波导和次表面50之间。图1D和图1E示出了位于主反射表面48之间的次表面50。
从图1D和图1E中明显看出，使用次反射表面将主反射表面48连接到阴影表面49能够减小阴影表面49的长度（图1E中标记为W）。阴影表面49的长度减小减少了光信号与阴影表面49的交互作用，并且因此降低了与阴影表面49相关联的光损耗水平。
在图1E中将阴影表面49和主反射表面48之间的角度标记为φ。随着角度φ减小，主反射表面48和阴影表面49之间的点变得更尖锐。在下文中将显而易见，这些设备的制造过程典型地包括蚀刻表面，诸如主反射表面48和阴影表面49。这些刻蚀过程的局限导致尖锐的点变成圆的。结果，随着角度φ减小，主反射表面48和阴影表面49之间的交点变得更圆。因为光信号从这个交点反射开。这个交点的抹圆导致光信号将沿非期望方向反射，并且因此是光损耗的源。因此，角度φ的增大可能与光损耗水平减小相关联。结果，在某些情况下，为了在主反射表面和关联阴影表面之间产生基本尖锐，而不是圆形的交点，可以选择每个均与特定主反射表面48相关联的角度φ的至少一部分，使得阴影表面49基本平行于光信号在主反射表面48与关联阴影表面49相交的位置入射在主反射表面48上的方向。与不同主反射表面48相关联的角度φ可能是不同的。
上文讨论的表面交点的抹圆可能导致次表面50和阴影表面49和/或阴影表面49和主反射表面形成单个表面，如图1F所示。主反射表面48后方的单个曲线类似于上文公开的次表面50。单个表面然后混合到第二主反射表面48的被重叠区域中。可以在如下意义上将第二主反射表面48的被重叠区域与单个表面区分：其中第二主反射表面48的被重叠区域循着第二主反射表面48其余部分的轮廓线，而单个表面不那样。
图1E中将主反射表面48之一的被重叠区域的宽度标记为OLPD。在某些情况下，光栅中被重叠区域的至少一部分宽度大于0.2μm、0.5μm或1μm和/或小于1.5μm、2μm或3μm。图1E中将主反射表面48之一的重叠区域的宽度标记为OLPG。重叠区域的宽度可以与这些关联被重叠区域的宽度相同或不同。在某些情况下，光栅中重叠区域的至少一部分宽度大于0.2μm、1μm或2μm和/或小于3μm、4μm或5μm。主反射表面48的宽度在图1E中标记为L。在某些情况下，主反射表面48的至少一部分宽度大于1μm、2μm或3μm和/或小于4μm、8μm或10μm。这些尺寸能够提供具有以上台阶形状优点的光栅。
图1E中将阴影表面49的宽度标记为W。在某些情况下，阴影表面的至少一部分宽度大于0.2、1或2和/或小于3、4或5。在某些情况下，主反射表面的至少一部分具有分离（图1E中标记为D）大于1、2或4和/或小于6、8或10。在某些情况下，构造阴影表面的至少一部分，使得阴影表面的宽度（图1E中标记为W）小于相邻主反射表面48之间距离（图1E中标记为D）的50%、40%或30%。
从图1A和图1D明显看出，主反射表面是被设计成反射光信号以使得光信号分离的表面。反射层46位于主反射表面48上，但也可以位于阴影表面49上。缓冲层45的一部分位于入射表面44和阴影表面49上反射层46该部分之间。由于光信号入射到缓冲层45这个部分上的角度的原因，缓冲层45的这个部分充当着波导包层，并且相应地减少光信号与阴影表面49上金属的交互作用。结果，缓冲层45的这个部分减少了来自自由传播区域的光吸收，并且进一步减少与光学设备相关联的光损耗。
从图1B明显看出，反射层46的上部位于光传输介质18上方。例如，定位反射层46的一部分，使得光传输介质18介于基座20和反射层46之间。此外，自由传播区域的一部分介于基座20和反射层46之间。然而，缓冲层45位于反射层上部和光传输介质18之间。结果，自由传播区域中的光信号未直接暴露于反射层46上部。因此，减少了与这些光信号暴露于反射层46上部相关联的光吸收。
缓冲层45可以是与第一包层33不同的材料或可以是与第一包层33相同的材料。
反射层46和入射表面44之间的缓冲层45厚度能够影响反射表面处的反射率。反射层46和入射表面44之间缓冲层45的适当厚度包括，但不限于大于5nm或10nm或15nm和/或小于50nm、100nm或1000nm的厚度。缓冲层45上部（光传输介质18顶部和反射层46上部之间的缓冲层部分）的厚度可能影响由反射层46上部吸收光信号的量。例如，减小缓冲层45上部的厚度能够增大光信号吸收。缓冲层45上部的适当厚度包括，但不限于大于5nm或10nm或15nm和/或小于50nm、100nm或1000nm的厚度。
缓冲层45可以具有比光传输介质18的折射率指数更小的折射率指数。结果，缓冲层45的上部能够充当波导包层或自由传播区域的包层，其减少光损耗。因此，在某些情况下，第一包层33充当缓冲层45，并且与缓冲层是连续的。例如，缓冲层33能够从自由传播区域上方延伸到光栅凹陷42中，使得缓冲层33位于反射层46和入射表面44之间。使用第一包层33作为缓冲层通过允许在单个步骤中将同时形成缓冲层45和第一包层33，减少了制造光学设备所需的步骤数量。在一个示例中，缓冲层45、绝缘体22和第一包层33每个均由同样材料制成。例如，缓冲层45、绝缘体22和第一包层33均可以是二氧化硅。
可以任选地在图1A到图1F中图示出的光学设备部分上形成一个或多个次级包层。例如，图1G图示出了形成于图1A到图1E的光学设备上方的次级包层。具体而言，图1G示出了形成于图1B和图1C所图示光学设备部分上方的次级包层。次级包层的示例包括二氧化硅和氮化硅。在一个示例中，一个或多个次级包层包括二氧化硅层和氮化硅层。二氧化硅层可以介于光学设备和氮化二氧化硅（silicon nitride）层之间。在一种情况下，二氧化硅层和氮化硅层均大约为1微米厚。
如上所述，缓冲层45是任选的。在排除缓冲层45情况下，入射到入射表面44上的光信号通过入射表面44透射并被反射层46的表面反射。反射层46也是任选的。在排除反射层46和缓冲层45的情况下，由于入射表面44和光栅凹陷中介质之间界面处折射率指数下降，入射到入射表面44上的光信号可能被入射表面反射。替换地，在排除反射层46的情况下，入射到入射表面44上的光信号通过入射表面44透射，并且然后通过缓冲层45行进并被缓冲层45和光栅凹陷中介质之间界面处折射率指数的下降反射。光栅凹陷中适当介质的示例包括设备所处的大气，诸如环境空气。
图2A到4C图示出了形成根据图1A到1C的光学设备的方法，但其中第一包层33充当缓冲层45并与缓冲层45是连续的。在绝缘体上硅芯片的一部分上图示出了该方法；然而，也可以使用其他平台、芯片和/或晶片执行该方法。因此，芯片和/或晶片能够充当设备前体。该方法采用了2009年1月16日提交的题为“Optical Component Having Features Extending Different Depths into a Light Transmitting Medium”的美国专利申请序号为 12/321,368中描述的波导26和光栅34间的自对准，将其全文并入本文。
图2A到图2C图示出了在其上形成波导26和光栅34的设备前体的部分。图2A是该设备前体的顶视图。图2B是图2A中所示设备前体沿图2A中标记为B的线截取的截面。图2C是图2A中所示设备前体沿图2C中标记为C的线截取的截面。
在设备前体上形成第一掩模60。第一掩模60暴露出设备前体的光栅凹陷区域和设备前体的沟槽区域64。光栅凹陷区域62是要形成光栅凹陷42的设备前体区域。沟槽区域64是要形成沟槽28的光传输介质18的区域。第一掩模60还保护设备前体的自由传播区域40。自由传播区域40跨越沟槽区域64和光栅凹陷区域62之间的间隙。从下文将显而易见的是，相继蚀刻波导表面30和入射表面44。然而，第一掩模60将界定波导表面30和入射表面44的位置。由于单个掩模界定波导26和光栅34的位置，所以将存在于第一掩模60上的波导26和光栅的对准传递到最终的设备。
适当的第一掩模60包括，但不限于硬掩模，诸如二氧化硅掩模。可以通过在设备前体顶侧上热生长二氧化硅，接着在二氧化硅上形成光刻胶来在设备前体上形成二氧化硅掩模。可以将光刻胶形成为具有二氧化硅期望的图案。然后可以蚀刻设备前体，并移除光刻胶以提供图案化二氧化硅，其充当第一掩模60。适当的蚀刻包括，但不限于干法或湿法蚀刻以及各向同性或各向异性蚀刻。
如图3A到图3C所示，在图2A到图2C的设备前体上形成第二掩模68。图3A是该设备前体的顶视图。图3B是图3A中所示设备前体沿图3A中标记为B的线截取的截面。图3C是图3A中所示设备前体沿图3C中标记为C的线截取的截面。
从图3A到图3C明显可以看出，第二掩模68保护设备前体的光栅凹陷区域62，同时暴露沟槽区域64。在形成第二掩模68期间，第一掩模60在设备前体上保持不动。结果，原来受到第一掩模60保护的设备前体的区域保持受到第一掩模60保护。此外，形成第二掩模68，使得第一掩模60继续界定沟槽区域64的位置。从图3B明显可看出，第二掩模68的至少一部分位于第一掩模60上方。
在形成第二掩模68之后，通过将设备前体蚀刻到沟槽28期望的深度来形成波导表面30。例如，可以蚀刻设备前体，以便提供图3A到图3C中所示的设备前体。从图3C中最明显看出，蚀刻形成沟槽28，并相应地界定设备前体上的波导26位置。由于第一掩模60界定这些沟槽28的位置，所以第一掩模60界定波导26的位置。适当的蚀刻包括，但不限于干法或湿法蚀刻以及各向同性或各向异性蚀刻。
移除第二掩模68。在移除第二掩模68之后，如图4A到图4C所示，在设备前体上形成第三掩模70。图4A是该设备前体的顶视图。图4B是图4A中所示设备前体沿图4A中标记为B的线截取的截面。图4C是图4A中所示设备前体沿图4C中标记为C的线截取的截面。
从图4A到图4C明显可知，第三掩模70保护波导26，同时暴露光栅凹陷区域62。在形成第三掩模70期间，第一掩模60在设备前体上保持不动。结果，原来受到第一掩模60保护的设备前体的区域保持受到第一掩模60保护。此外，配置第三掩模70，使得第一掩模60继续界定光栅凹陷42的位置。从图4B明显可看出，第三掩模70的至少一部分位于第一掩模60上方。
在形成第三掩模70之后，将设备前体蚀刻到光栅凹陷42的期望深度。例如，可以蚀刻设备前体，以便提供图4A到图4C中所示的设备前体。从图4C中最明显看出，蚀刻形成光栅凹陷42并相应地界定设备前体上的光栅的位置。由于在蚀刻期间第一掩模60界定光栅凹陷42的位置，所以第一掩模60界定光栅凹陷42和波导26两者在光学设备上的位置。适当的蚀刻包括，但不限于干法或湿法蚀刻以及各向同性或各向异性蚀刻。
用于第二掩模68和/或第三掩模70的适当掩模包括，但不限于光刻胶。可以为第二和/或第三掩模70采用其他掩模。在某些情况下，第三掩模是硬掩模。例如，可以从多个层产生第三掩模70，如2009年1月16日提交的题为“Optical Component Having Features Extending Different Depths into a Light Transmitting Medium”的美国专利申请序号为 12/321,368中公开的那样，并且其全文被并入本文。可以用于第二掩模68和/或第三掩模70的其他掩模示例包括金属和/或聚酰亚胺或由金属和/或聚酰亚胺构成。适当金属的示例包括铝。所选掩模的类型可能受到处理参数的影响，处理参数取决于所用的蚀刻类型，或者用于实现可行的工艺流程，用于如上所讨论的向同一衬底上集成额外的部件。能够影响掩模选择的参数示例包括蚀刻角度、被蚀刻材料期望的平滑水平、蚀刻选择性和特征分辨率。
尽管图2A到图4C示出在光栅凹陷42之前形成波导26，但可以按照相反次序形成波导26和光栅凹陷42。例如，可以按照与上文公开的相反次序形成第二掩模68和第三掩模70。作为示例，可以在第二掩模68之前形成上文公开的第三掩模70。此外，可以在形成第二掩模68之前形成并移除第三掩模70。
可以从图4A到图4C的设备前体移除第三掩模70和第一掩模60，并且可以在光传输介质18上形成第一包层33以提供图5A到图5C的设备前体。图5A是该设备前体的顶视图。图5B是图5A中所示设备前体沿图5A中标记为B的线截取的截面。图5C是图5A中所示设备前体沿图5C中标记为C的线截取的截面。
用于在光传输介质18上形成第一包层33的适当方法包括，但不限于在光传输介质18上沉积第一包层33，在光传输介质18上生长第一包层33。在光传输介质18是硅且第一包层33是二氧化硅时，可以通过在有氧的情况下加热设备前体以将一部分硅转换成二氧化硅在硅上热生长二氧化硅。在光传输介质上热生长第一包层33可以是在光传输介质18上形成第一包层33的优选方法，因为这样生成的第一包层33遵循入射表面44的形状，并且因此，遵循带台阶反射表面47的形状。相反，沉积方法能够导致在入射表面44上形成具有不均匀厚度的第一包层33。
在图5A到图5C的设备前体上形成反射层46以便提供图6A到图6C的设备前体。图6A是该设备前体的顶视图。图6B是图6A中所示设备前体沿图6A中标记为B的线截取的截面。图6C是图6A中所示设备前体沿图6C中标记为C的线截取的截面。图6A到6C图示出了图1A到1C的光学设备，但其中第一包层33充当缓冲层45并与缓冲层45是连续的。
可以通过蒸镀和溅镀在第一包层33上形成反射层46。然后可以使用传统的集成电路制造技术对反射层46构图。例如，可以蚀刻设备前体，在适当位置具有图案化第四掩模。适当的第四掩模包括，但不限于光刻胶和氧化物。用于第四掩模的适当蚀刻包括，但不限于湿法蚀刻和干法蚀刻。
可以任选地在图6A到图6C中图示出的光学设备部分上形成一个或多个次级包层。次级包层的范例包括二氧化硅和氮化硅。在一个示例中，一个或多个次级包层包括二氧化硅层和氮化硅层。二氧化硅层可以介于光学设备和氮化二氧化硅层之间。在光学设备上沉积二氧化硅层的适当方法包括，但不限于等离子体增强的化学沉积（PECVD）。在光学设备上沉积氮化硅层的适当方法包括，但不限于等离子体增强的化学沉积（PECVD）。在一个示例中，在图6A到图6C所图示光学设备的整个部分的上表面上方相继沉积二氧化硅层和氮化硅层。二氧化硅层和氮化硅层每个均可以约为1微米厚。
尽管以上光学设备被图示为仅有波导、自由空间区域和光栅34，但仅示出了光学设备的一部分。结果，光学设备能够包括各种其他部件。在某些情况下，一个或多个波导26向和/或从这些其他部件运送光信号。这些部件的示例包括，但不限于解多路复用器、多路复用器、滤波器、开关、放大器、衰减器、激光器和其他光源、星形耦合器和其他波导。此外或替代地，该设备能够包括电气部件。例如，该设备能够包括电气连接，用于向波导施加电势或电流和/或用于控制光学设备上的其他特征。
尽管将光栅34被描述为像解多路复用器那样工作，但光栅可以相反作为多路复用器工作。例如，可以将输出波导作为输入波导操作，并且可以将输入波导作为输出波导操作。
本领域的普通技术人员考虑到这些教导将容易想到本发明的其他实施例、组合和修改。因此，本发明将仅受以下权利要求的限制，在结合以上说明书和附图观看时，其包括所有这样的实施例和修改。