專利名稱：光學互連的制作方法
光學互連
背景技術：
常常使用光束或光信號來在例如用于長距離電話和因特網(wǎng)通信的光纖系統(tǒng)中傳 送數(shù)字數(shù)據(jù)。另外，已經(jīng)進行了關于使用光信號來在電路板上的電子部件之間傳送數(shù)據(jù)的 許多研究。因此，光學技術在現(xiàn)代電信和數(shù)據(jù)通信中扮演重要角色。在此類系統(tǒng)中使用的光 學部件的示例包括諸如發(fā)光二極管和激光器的光學源或光源、波導、光纖、透鏡及其它光學 裝置、光檢測及其它光學傳感器、光學敏感半導體、光學調(diào)制器以及其它。利用光學部件的系統(tǒng)常常依賴于對諸如光束的光能的精確操縱來實現(xiàn)期望的任 務。在利用光進行兩個節(jié)點之間的高速、低能量通信的系統(tǒng)中尤其如此。常常使用波導來沿著預定路徑路由已調(diào)制光學射束。光學波導通常能夠使用全內(nèi) 反射的原理以最小的損耗將在波導的第一端處接收到的光學射束傳送到第二端。另外，某 些類型的光學波導(例如光纖)通常是柔性的，并且可以用來在拐角處或者沿著彎曲的或非 直線的路徑路由光學射束。


附圖示出本文所述原理的各種實施例且是本說明書的一部分。示出的實施例僅僅 是示例且不限制權利要求的范圍。圖IA和IB是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的說明性光學互連的前視圖和側視圖。圖2是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的對應于光學互連的說明性動量矢量的 圖表。圖3是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的光學互連中的說明性光柵圖案的圖表。圖4是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的光學互連中的說明性倏逝場的側視圖 圖示。圖5A 5B是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的不同配置中的說明性光學互連的 前視圖。圖6是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的說明性光學互連的前視圖。圖7是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的說明性光學互連的前視圖。圖8是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的說明性光學互連的前視圖。圖9是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的說明性光學互連的前視圖。圖10是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的說明性光學系統(tǒng)的方框圖。圖11是根據(jù)本文所述原理的一個實施例的傳送光信號的說明性方法的流程圖。貫穿各圖，相同的參考標號表示類似但不一定相同的元件。
具體實施例方式如上所述，光學射束可以在包括數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩喾N應用中使用。在某些此類系統(tǒng)中，在其中由指定部件來接收或檢測光學射束的光學路徑中對光學射束進行引導或改 向。在此類系統(tǒng)中，常常使用光學波導來沿著預定的路徑路由已調(diào)制光學射束。光學波導通常能夠使用全內(nèi)反射的原理以最小的損耗將在波導的第一端處接收 到的光學射束傳送到第二端。光纖是一種通常為柔性的且可以用來在拐角處或沿著彎曲或 非直線的路徑路由光學射束的光學波導。在某些情況下，可能期望將通過第一光學波導傳播的光學射束的一部分傳輸?shù)降?二光學波導中，以使得可以通過第一和第二波導兩者來傳送來自光學射束的數(shù)據(jù)和/或功 率。還可能期望以來自光學阻抗、反射和自由空間輻射的最小損耗將光學射束耦合到第二 光學波導。此外，可能期望的是提供能夠容忍發(fā)送波導和接收波導之間的對準偏移的光學 互連。為了實現(xiàn)這些及其它目標，本說明書公開了說明性的系統(tǒng)和方法，在所述系統(tǒng)和 方法中，在基本上相互垂直的第一光纖和第二光纖之間設置周期性光柵。該周期性光柵可 被倏逝地耦合到第一和第二波導，并包括相對于兩個波導以約45度的角定向的多個穿孔 行。該光柵可以被配置為提供在不引起后向反射或自由空間輻射光學損耗的情況下將傳播 通過第一波導的光學能量耦合到第二波導中所需的角動量。如本說明書和隨附權利要求中所使用的，術語“光學能量”指的是具有一般在10 納米與500微米之間的波長的輻射能量。這樣定義的光學能量包括但不限于紫外線、可見 光和紅外光。光學能量束在本文中可以稱為“光束”或“光學射束”。如本說明書和隨附權利要求所使用的，術語“光學源”指的是光學能量所發(fā)源的器 件。這樣定義的光學源的示例包括但不限于發(fā)光二極管、激光器、燈泡和燈。如本說明書和隨附權利要求所使用的，術語“光柵”指的是其中折射率隨著主體中 的距離周期性地變化的主體。如本說明書和隨附權利要求所使用的，術語“倏逝地耦合”指的是至少兩個對象的 物理接近和取向，其中使得在每個對象中的倏逝光學傳輸場之間發(fā)生可感知的量的重疊。在以下說明中，出于解釋的目的，闡述了許多特定細節(jié)以便提供對本系統(tǒng)和方法 的透徹理解。然而，對于本領域技術人員來說將顯而易見的是，可以在沒有這些特定細節(jié)的 情況下實施本系統(tǒng)和方法。本說明書中的對“實施例”、“示例”或類似語言的提及意指結合 該實施例或示例描述的特定特征、結構或特性被包括在至少那一個實施例中，但不一定被 包括在其它實施例中。本說明書中各處的短語“在一個實施例中”或類似短語的各種實例 不一定全部指代同一實施例?，F(xiàn)在將相對于說明性光學互連、說明性系統(tǒng)、說明性方法來討論本文公開的原理。說明性光學互連
現(xiàn)在參考圖IA 1B，示出了說明性光學互連(100)。圖IA示出說明性光學互連(100) 的前視圖，并且圖IB示出說明性光學互連(100)的側視圖。說明性光學互連(100)可以包括基本上相互垂直的第一光學波導(101)和第二光 學波導(103)。在某些實施例中，第一和第二光學波導(101、103)可以是單獨的光纖?？梢栽诘谝缓偷诙鈱W波導(101、103)之間設置光柵(105)。光柵(105)可以包 括任何非吸收性(即不吸收發(fā)射的輻射)的電介質(zhì)材料。可以用來制造光柵(105)的適當材 料的示例包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅等。
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光柵(105)還可以被倏逝地耦合到每個波導(101、103)。因此，當在波導(101、 103)中的一者或兩者中存在光學能量時，對應于每個波導(101、103)的光模傳輸或傳播的 倏逝區(qū)與光柵(105)的若干周期重疊。光柵(105)可以包括相對于第一和第二光學波導(101、103)以約45度的角定向的 多個穿孔行(107)。第一和第二光學波導(101、103)的垂直定向?qū)⒃试S徑直的穿孔行(107) 相對于兩個光學波導(101、103)具有約45度的角，盡管光學波導(101、103)不是相互平行 的。每行(107)可以包括被基本上直線地布置的多個穿孔(109)。穿孔(109)和行 (107)的尺寸、間距和周期性可以影響光柵(105)的光學性質(zhì)。在本示例中，可以將光柵 (105)配置為允許來自第一光學波導(101)的具有某一波長X1的光學射束(111)耦合到 第二光學波導(103)，因此產(chǎn)生傳播通過第二光學波導(103)的具有同一波長X1的二次光 學射束(113)。如將相對于圖2更詳細地解釋的，這可以通過光柵(105)在光學波導(101、103) 的倏逝區(qū)中向光學能量提供補償角動量來實現(xiàn)。通過改變光柵(105)中的穿孔(109)和行 (107)的尺寸、間距和/或周期性，可以選擇性地調(diào)諧由光柵(105)提供此補償效果的光學 能量的波長?？梢允褂谜f明性光學互連(100)來沿著期望的路徑選擇性地路由光信號。例如， 傳播通過第一光學波導(101)的承載數(shù)據(jù)的光學射束(111)可以被部分地耦合到第二波導 (103)中，以使得除耦合到第一光學波導(101)的光學部件之外或作為其替代，由被耦合到 第二光學波導(103)的光學部件來接收數(shù)據(jù)。因此，在各種實施例中，還可以使用光學互連 (100)來在波導(101、103)之間分割光學功率?，F(xiàn)在參考圖2，示出了示出光柵(105，圖1)的補償效果的矢量圖(200)。這些補償 效果允許第一和第二光學波導(101、103，圖1)之間的光學能量的耦合。已知的是周期性光柵(105，圖1)能夠在光學射束之間的相互作用中供應“虛擬光 子”。這些虛擬光子本質(zhì)上是光柵(105，圖1)可以向光子之間的相互作用供應角動量而不 是能量的思想的表達。對于將被成功地從第一光學波導(101，圖1)耦合到第二光學波導 (103，圖1)的光學能量而言，在相互作用的光子中能量和角動量必須是守恒的。光柵(105，圖1)可以被配置為提供補償?shù)慕莿恿苛?，其允許角動量和以擴展方式 的被傳輸?shù)墓鈱W能量的守恒。光柵(105，圖1)的周期性可以定義可用于耦合相互作用的動 量。如圖2所示，傳播通過第一光學波導(101，圖1)并被接收到第二光學波導(103，圖 1)中的光學射束(111、113，圖1)中的光子的角動量可以分別被模擬為矢量1^和1^2。由光 柵(105，圖1)施加給相互作用的角動量可以被模擬為矢量kg。用于特定模的Ic1和1 的幅值可以等于用于該特定模的有效折射率η的2 π倍的 乘積除以光學能量的波長X1，如下
矢量Ic1和1 指向傳播的方向，并因此分別指向與第一和第二光學波導(101、103，圖1) 相同的方向。 光柵動量矢量1^可以指向與光柵(105，圖1)中的行(107，圖1)的取向相對應的方向。根據(jù)以下等式，幅值可以等于2 π除以光柵周期Ag的商
如圖2所示，可以將光柵周期/ 選擇為使得kg可以在幅值方面等于組合的矢量Ic1和1 并在方向上與之相反，由此使得能夠?qū)⒐鈱W能量從第一光學波導(101，圖1)傳輸?shù)降诙?學波導(103，圖1)，盡管光學波導(101、103，圖1)之間存在取向方面的差異。此外，可以通 過保證ki k2是最小倒易點格矢量來將光柵周期選擇為避免在每個波導中傳播的光的相干
后向散射?，F(xiàn)在參考圖3，示出了光柵(105)中的穿孔(109)的更近視圖。光柵(105)的相鄰 穿孔(109)之間的最小距離通常與光柵(105)能夠以自由空間輻射的方式支持的光學能量 的最小波長相關。與傳播通過第一和第二光學波導(101、103，圖1)的光學能量的波長X1 相比較地示出了此距離Xg。如圖3所示，光柵(105)所支持的最小自由空間波長Xg顯著 大于傳播通過第一和第二光學波導(101、103，圖1)的光學能量的特征波長入工。因此，可以選擇光柵(105)的尺寸和光學射束的波長X1以便光柵(105)使得能夠 在防止由于通過光柵(105)的主體的光學能量的自由空間輻射和后向反射而引起的損耗的 同時實現(xiàn)第一和第二光學波導(101、103，圖1)之間的光學耦合?，F(xiàn)在參考圖4，示出了說明性光學互連(100)的側視圖以及分別來自第一和第二 光學波導(101、103)的近似倏逝區(qū)(401、403)?？梢詫①渴艆^(qū)(401、403)表征為其中從傳 播通過光學波導(101、103)的光學射束(111、113，圖1)形成倏逝波的區(qū)域。當產(chǎn)生倏逝區(qū)(401、403)之間的重疊區(qū)(405)且光柵(105)提供允許角動量守恒 的補償動量kg時，在第二光學波導(103)內(nèi)可以從傳播通過第一光學波導(101)的光學射 束(111)引發(fā)光學射束。這樣，可以將光學能量從第一光學波導(101)耦合或傳輸?shù)降诙?學波導(103)?，F(xiàn)在參考圖5A 5B，示出了根據(jù)本文所述的原理的說明性光學互連(500)。在圖 5A和5B中，以相對于光柵(105)的不同對準示出了第一和第二光學波導(101、103)。如果滿足以下條件，則光學互連(100)可以在處于各種相對位置處的波導(101、 103)之間有效地耦合光學能量a)光學波導(101、103)基本上相互垂直地被定向，b)光柵 (105)上的穿孔(109)行以相對于光學波導(101、103)成大約45度角的方式存在，c)光柵 (105)被設置在光學波導(101、103)之間，以及d)在光學波導(101、103)之間被耦合的光 學能量具有特征頻率，光柵(105)被配置為提供用于該特征頻率的補償角動量。因此，光學互連(500)可以容忍光學波導(101、103)相對于光柵(105)的各種對 準?，F(xiàn)在參考圖6，示出了根據(jù)本文所述原理的使用光柵(105)的另一說明性光學互 連(600 )。在本示例中，光學互連(600 )可以用作分束器，使得傳播通過源光學波導(603 )的 光學射束(601)可以被耦合到多個接收光學波導(605、607、609)中，從而引發(fā)與每個接收 波導(605、607、609)中的原始光學射束(601)相對應的二次光學射束(611、613、615)。現(xiàn)在參考圖7，示出了另一說明性光學互連(700)。本示例的光學互連(700)可以 包括被周期性地劃分成三個不同區(qū)域(703、705、707)的光柵(701)。不同區(qū)域(703、705、 707)中的每一個可以符合關于先前所述的光柵所描述的原理。然而，穿孔(709)的周期性方面的差異可以導致每個區(qū)域具有不同的kg值，并因此使得能夠?qū)崿F(xiàn)不同特征波長下的光
登規(guī)A
子袖口。說明性光學互連(700)可以包括被配置為傳播一個或多個光學射束(713)并相 應地在接收光學波導(721、723、725)內(nèi)引發(fā)二次光學射束(715、717、719)的源光學波導 (711)?？梢允姑總€接收波導(721、723、725)與光柵(701)的區(qū)域(703、705、707)中的一個 相關聯(lián)。因此，可以將每個接收波導(721、723、725)配置為接收不同特征波長下的來自源 波導(711)的耦合的光學能量。在某些實施例中，可以將源光學波導(711)配置為傳播每個區(qū)域(703、705、707) 所需的特征波長下的多個單獨的光學射束(713)，并將來自每個光學射束(713)的光學能 量與其相對應的接收波導(721、723、725)耦合。在其它實施例中，可以使用光學互連(700)作為一種波分復用器。在此類實施例 中，可以通過選擇性地改變通過源光學波導傳播的光學射束(713)的特征波長來選擇性地 將光學功率和/或數(shù)據(jù)從源波導(711)路由到接收波導(721、723、725)?，F(xiàn)在參考圖8，示出了另一說明性光學互連(800)。本示例的光學互連(800)非 常類似于上述光學互連(700，圖7)，其中添加了兩個源波導(801、803)。本光學互連(800) 可以用來選擇性地將光學能量從源波導(711、801、803)路由到接收光學波導(721、723、
7邪)。在某些實施例中，可以將每個源光學波導(711、801、803)配置為耦合到接收波導 (721、723、725)中的僅一個?？商鎿Q地，可以將每個源光學波導(711、801、803)配置為傳播 多個波長的光學能量?，F(xiàn)在參考圖9，示出了具有多個源光學波導(901、903、905)和多個接收光學波導 (907,909,911)的根據(jù)本文所述原理的說明性光學互連(900)。設置在源光學波導(901、 903、905)與接收光學波導(907、909、911)之間并倏逝地與它們相耦合的光柵(913)可以包 括多個區(qū)域(915-1至915-9)，區(qū)域(915-1至915-9)中的每個具有特有的穿孔(917)周期性。區(qū)域(915-1至915-9)中的每個可以對應于單個源波導(901、903、905)與單個接 收波導(907、909、911)的交叉點且被設置在其之間。因此，可以使用光學能量的特有波長來 在每個交叉點處在源波導(901、903、905)與接收波導(907、909、911)之間耦合光學能量。 這樣，可以使用本光學互連(900)來實現(xiàn)利用每個源波導(901、903、905)與每個接收波導 (907、909、911)之間的特有尋址的光學復用器。說明性光學系統(tǒng)
現(xiàn)在參考圖10，示出了說明性光學系統(tǒng)(1000)的方框圖。說明性系統(tǒng)(1000)包括被 耦合到光學互連(1005)的多個光學源(1001-1至1001-4)和多個光學接收機(1003-1至 1003-4)。光學互連(1005)可以被配置為將由光學源(1001-1至1001-4)產(chǎn)生的光學射束 選擇性地路由和/或分離到光接收器(1003-1至1003-4)中?？梢詫⒚總€光學源(100-1至1001-4)配置為以特有的特征波長產(chǎn)生光學射束。光 學源(1001-1至1001-4)可以包括但不限于發(fā)光二極管、二極管激光器、垂直腔表面發(fā)射激 光器(VCSEL)以及可以適合特定應用的任何其它光學源。光學源(1001-1至1001-4)可以 被耦合到調(diào)制元件(未示出)，該調(diào)制元件選擇性地對光學源(1001-1至1001-4)進行激活和去激活以將數(shù)據(jù)編碼到由光學源(1001-1至1001-4)產(chǎn)生的光學射束上。每個光接收器(1003-1至1003-4)可以被配置為檢測光學能量并輸出與接收到 的光學能量的強度、持續(xù)時間和/或波長相對應的電信號。在某些實施例中，光接收器 (1003-1至1003-4 )可以包括光電二極管和/或可以適合特定應用的任何其它光學傳感器。 可以使用解調(diào)電路來從由光接收器(1003-1至1003-4)產(chǎn)生的電信號的變化提取數(shù)字數(shù) 據(jù)。光學互連(1005)可以與在本說明書中描述的其它光學互連一致，因為互連 (1005)被配置為使用符合關于圖1 9所述的原理的光柵(913)在源波導與接收波導之間 無源地耦合光信號。每個光學源(1001-1至1001-4)可以被耦合到光學互連(1005)中的相 應的源光學波導，并且每個光接收器(1003-1至1003-4)可以被耦合到光學互連(1005)中 的相應的接收光學波導。說明性方法
現(xiàn)在參考圖11，示出了光學傳輸?shù)恼f明性方法(1100)的方框圖。方法(1100)包括提 供(步驟1101)第一光學波導和提供(步驟1103)與第一光學波導垂直的第二光學波導。在 某些實施例中，光學波導可以包括一股或多股光纖。然后提供光柵(步驟1105)。該光柵可以被設置在第一和第二光學波導之間并倏逝 地與它們相耦合，該光柵具有與光學波導成約45度角的穿孔行。然后可以通過第一光學波導來傳送(步驟1107)第一光學射束，并且可以在第二光 學波導中接收(步驟1109)相應的第二光學射束。提出前述說明僅僅是為了示出和描述所述原理的實施例和示例。本說明并不意圖 是排他性的或使這些原理局限于所公開的任何精確形式。根據(jù)上述講授內(nèi)容，可以有許多 修改和變更。
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權利要求
1.一種光學互連，包括基本上垂直的第一(101)和第二( 103)光學波導；以及光柵(105)，其被設置在所述第一(101)和第二(103)光學波導之間并倏逝地耦合到所 述第一(101)和第二(103)光學波導；其中，所述光柵(105)包括相對于所述第一(101)和第二( 103)光學波導以約45度的 角定向的多個穿孔行(107)。
2.權利要求1的光學互連，其中，所述光柵(105)包括周期性，所述周期性被配置為提 供補償?shù)慕莿恿苛恳栽谒龅谝?101)和第二( 103)光學波導之間耦合具有某波長的光學 能量°
3.權利要求1的光學互連，其中，所述第一(101)和第二(103)光學波導中的每一個包括至少一股光纖。
4.權利要求1的光學互連，其中，所述光柵(105)包括非吸收性的電介質(zhì)材料。
5.權利要求1的光學互連，還包括被耦合到所述第一光學波導(101)的光學源(1001)。
6.一種光學互連，包括至少一個源光學波導(603);多個基本平行的接收光學波導(605、607、609)，所述接收波導(605、607、609)基本上 垂直于所述源波導(603)；以及光柵(105)，其被設置在所述源光學波導(603)和接收光學波導(605、607、609)之間并 倏逝地耦合到所述源光學波導(603)和接收光學波導(605、607、609)中的每一個，所述光 柵(105)包括多個穿孔(109)行(107)，所述行(107)相對于所述源波導(603)和接收波導 (605,607,609)以約45度的角被定向；其中，所述光柵(105)包括具有特有周期性的多個區(qū)域(915)，所述多個區(qū)域(915)被 配置為在各個源波導(603)和接收波導(605、607、609)之間耦合光學能量。
7.權利要求6的光學互連，其中，所述光柵(105)包括被配置為提供補償?shù)慕莿恿苛恳?在所述至少一個源波導(603)與所述接收波導(605、607、609)中的至少一個之間耦合具有 某波長的光學能量的周期性。
8.權利要求7的光學互連，其中，所述光柵(105)包括小于所述波長的周期性尺寸。
9.權利要求6的光學互連，其中，所述光學波導(603、605、607、609)中的每一個包括至 少一股光纖。
10.權利要求6的光學互連，其中，所述光柵(105)包括非吸收性的電介質(zhì)材料。
11.權利要求6的光學互連，其中，所述互連被配置為將來自所述至少一個源波導 (603)的光信號復用到所述接收波導(605、607、609)。
12.一種方法，包括提供基本上相互垂直的第一(1101)和第二(1103)光學波導；提供被設置在所述第一(1101)與第二(1103)波導之間并倏逝地耦合到所述第一 (1101)與第二(1103)波導的光柵(1105)，所述光柵(105)包括相對于所述第一(101)和第 二(103)光學波導以約45度的角定向的多個穿孔(109)行(107)；以及通過所述第一光學波導(101)來傳送光學射束(111)。
13.權利要求12的方法，其中，用數(shù)據(jù)來調(diào)制所述光學射束(111)。
14.權利要求12的方法，還包括在所述第二波導(103)中接收(1109)與傳送通過所述 第一光學波導(101)的所述光學射束(111)相對應的二次光學射束(113)。
15.權利要求12的方法，其中，所述光柵(105)包括被配置為提供補償?shù)慕莿恿苛恳栽?所述第一(101)和第二(103)光學波導之間耦合具有某波長的光學能量的周期性。
全文摘要
一種光學互連具有基本上垂直的第一(101)和第二(103)光學波導和被設置在波導(101、103)之間并倏逝地耦合到波導(101、103)的光柵(105)。光柵(105)包括相對于第一(101)和第二(103)光學波導以約45度的角定向的多個穿孔行(107)。
文檔編號G02B6/26GK102105827SQ200880130477
公開日2011年6月22日 申請日期2008年5月23日 優(yōu)先權日2008年5月23日
發(fā)明者A. 法塔爾 D., 斯圖爾特 D., 吳 W. 申請人:惠普開發(fā)有限公司