專利名稱：光學星形耦合器的制作方法
光學星形耦合器
背景技術：
光學耦合器是可具有單個光輸入和一個或多個光輸出的光學器件。光學星形耦合器(或分光器)一般具有N (NS 2)個輸出，并且通常稱作IXN星形耦合器。其可以在用于將數(shù)據(jù)流從單個源分發(fā)至多個輸出的應用中使用。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的實施例的IXN星形耦合器的概念圖解；
圖2A-2B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的提供MXN個輸出的星形耦合器的概念圖解；
圖3A-3C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的星形耦合器系統(tǒng)的概念圖解；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的星形耦合器的概念圖解；
圖5A-5B是根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的星形耦合器的概念圖解；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的星形耦合器的概念圖解；
圖7A-7B是圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的設計參數(shù)的星形耦合器的概念圖解；以及 圖8A-8B描述了操作中的本發(fā)明的實施例的蒙特卡洛仿真的結(jié)果。在被認為適當?shù)那闆r下，可以在附圖當中重復附圖標記以指示對應或相似的元素。此外，可以將圖中所示的一些框組合成單個功能。
具體實施例方式在以下具體實施方式
中，闡述了許多具體細節(jié)，以提供對本發(fā)明的實施例的透徹理解。然而，本領域普通技術人員將理解，可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實施本發(fā)明的實施例。在其他實例中，并未詳細描述公知的方法、過程、組件和電路，以便不使本發(fā)明晦澀難懂?？梢栽诙喾N應用中使用本發(fā)明的實施例。盡管本發(fā)明在該方面不受限制，可以在諸如光纖通信系統(tǒng)、光纖有線TV系統(tǒng)、大型計算機、服務器計算機、個人計算機(PC)、消費電子產(chǎn)品、以及許多產(chǎn)品和系統(tǒng)中的集成電路等之類的許多設備中使用這里公開的電路和技術?，F(xiàn)在參照圖1，圖I是根據(jù)本發(fā)明的實施例的I XN星形耦合器15的概念圖解。單個輸入被分為N個輸出(該圖不出了 N=6)。該圖中的線的粗度與輸入和輸出線的相對功率量相對應——每ー個輸出可以提供輸入的功率的近似1/N。如以下將討論的，根據(jù)星形耦合器的制造參數(shù)，輸出不一定在功率上相等(或者甚至，在功率上基本相等)?，F(xiàn)在參照圖2A-2B，圖2A-2B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的提供MXN個輸出的星形耦合器25的概念圖解。星形耦合器25具有M個輸入(在圖2A中被示為M=4)，并且每個輸入可以生成N個輸出(在圖2A中被示為N=6)。因此，星形耦合器25可以生成MXN個輸出的陣列(在圖2A和2B中被示為4X6=24)。圖2B示出了星形耦合器25的輸出面的正視圖。注意，該MXN輸出配置與具有M個輸入和N個輸出的通常稱為“MXN星形耦合器”的配置(參見例如美國專利號5，140，655)不同。盡管所述輸出以矩形陣列示出，但是不同形狀的陣列也是可能的，諸如圓形、卵形、橢圓形等。現(xiàn)在參照圖3A-3C，圖3A-3C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的不同規(guī)模(scale)的星形耦合器系統(tǒng)的概念圖解。在圖3A中，星形稱合器系統(tǒng)310可以是具有光源312、光纖輸入314、星形耦合器315、光纖輸出316a-f和目的地318a-f的廣播網(wǎng)絡(例如電話、TV、互聯(lián)網(wǎng)等)。光源312可以是有線TV系統(tǒng)的首端(或頭端)、電話系統(tǒng)的本地局、或者因特網(wǎng)廣播系統(tǒng)中的因特網(wǎng)服務提供商(ISP)的局、或者現(xiàn)場的中間光源。在每ー種情況下，可以是激光器或其他光源的光源312可以將光(或光脈沖)提供給光纖輸入314，光纖輸入314可以是光纖線纜或其他纖維介質(zhì)或波導。根據(jù)光源312與星形耦合器315之間的距離，沿途可以存在光或電放大器。星形耦合器315可以是I XN耦合器或者具有MXN個輸出，不過為了容易圖示，其在圖3A中示為1X6耦合器，其中，單個光纖輸入314被分為六個輸出316a-f。然后，將六個輸出316a_f中的每ー個路由至目的地318a_f，目的地318a_f可以是住宅或局或者甚至另一星形耦合器，如FTTx架構(gòu)中可能發(fā)現(xiàn)的。圖3B圖示了星形耦合器系統(tǒng)330，其規(guī)模比系統(tǒng)310小。系統(tǒng)330包括計算機320，計算機320容納光源322、星形耦合器325和目的地328a_f。例如，計算機320可以是 臺式或膝上型PC或者大型計算機或服務器計算機。與在系統(tǒng)310中一祥，星形耦合器325可以是I XN耦合器或者具有MXN個輸出。光源322可以是激光器，其輸出由想要將數(shù)據(jù)發(fā)送至計算機的其他部分的微處理器控制。光源322可以經(jīng)由光纖輸入324 (諸如波導或光纖)耦合至星形耦合器325。目的地328a-f可以是計算機中的模塊(例如存儲模塊、顯示模塊、存儲器模塊等)、単獨芯片或集成電路、或者其他星形耦合器。目的地328a-f還可以直接耦合至計算機320的光輸出(或者經(jīng)由緩沖器耦合至計算機輸出)，使得可以使光輸出在計算機外可用，例如作為CD或DVD播放器的輸入。星形耦合器系統(tǒng)330的ー個示例可以是光背板配置。圖3C圖示了星形耦合器系統(tǒng)350，其規(guī)模比系統(tǒng)330小。在這種情況下，可以在集成電路340內(nèi)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)350。系統(tǒng)350可以包括光源342、星形耦合器345和目的地348a_f。集成電路340可以是單個集成電路芯片、片上系統(tǒng)(SoC)、系統(tǒng)級封裝(SiP)或其他小規(guī)模系統(tǒng)。與在系統(tǒng)310和330中一祥，星形耦合器345可以是I XN耦合器或者具有MXN個輸出。光源342可以是激光器或LED，其輸出可以由處理器或控制器控制，該處理器或控制器期望將數(shù)據(jù)或信息發(fā)送至集成電路340的其他部分。光源342可以經(jīng)由光纖輸入344耦合至星形I禹合器345,光纖輸入344可以是光波導或光纖。目的地348a-f可以是集成電路中的模塊(例如，存儲塊、I/O塊等)或者其他星形耦合器。目的地348a-f還可以直接耦合至集成電路340的光輸出(或者經(jīng)由緩沖器耦合至集成電路輸出)，使得可以使光輸出在集成電路外可用。現(xiàn)在參照圖4，圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的星形耦合器400的概念圖解。該圖示出了星形稱合器如何使用夾在透光介質(zhì)周圍的高反射鏡(high reflectivity mirror)和部分反射鏡(partial reflectivity mirror)來針對單個輸入生成多個輸出。更具體地，透光介質(zhì)450被示為在ー側(cè)具有高反射鏡430并在另ー側(cè)具有部分反射鏡460-466。鏡的ー種布置可以是部分反射鏡460-466在Z方向上具有漸進降低的反射率或反射比(或者可替換地，漸進提高的透射比或透射率)，以使得輸出480-488可以具有基本上相等的功率，如果如此期望的話。鏡的其他布置得到不同的輸出光功率。在圖4中還示出了透鏡410，透鏡410可以用于聚焦和準直(collimate)從光源405輸出的光。部分反射鏡可以是與偏振無關的并可以處理單模式或多模式輸入。透光介質(zhì)450 (有時稱為襯底或平板)可以由石英或玻璃(SiO2)制成，石英或玻璃(SiO2)具有等于約I. 5的折光率(折射率)n。部分反射鏡460-466和高反射鏡430可以由折射率大于透光介質(zhì)450的折射率的介電材料制成。這種材料的示例是硅(Si)，其中，rT3.4;以及氮化硅(Si3N4),其中，rT2?？梢酝ㄟ^調(diào)整介電層的數(shù)目來針對鏡實現(xiàn)不同反射率——典型地，更多層提供更高反射率。這些介電鏡可以沉積在襯底上或膠合在襯底上。存在制造部分反射鏡的其他方式。部分反射鏡 460-466可以是導模共振(GMR)鏡。GMR鏡可以通過在襯底上沉積或生長折射率比該襯底的折射率更高的材料(例如Si或Si3N4)來構(gòu)造。更高折射率層具有比該鏡預期反射的光的波長更小的厚度。然后，對高折射率層進行蝕刻，以形成子波長光柵，該子波長光柵可以是ー維的(例如，槽的集合)或ニ維的(例如，孔或柱的陣列)。根據(jù)期望使光束傾斜還是聚焦，該光柵可以是周期性的或非周期性的。此外，不同的光柵可以產(chǎn)生不同的反射率。因此，這些GMR鏡不同于以上以多種方式提及的介電鏡并相對于這些介電鏡具有特定優(yōu)勢。首先，典型地，GMR鏡具有僅ー層?？梢愿鶕?jù)光柵圖案以不同角度從GMR鏡反射光，可以使用包括平面硅技術的平面技術來構(gòu)造GMR鏡，并可以在光刻エ藝期間產(chǎn)生GMR鏡的不同反射率。此外，GMR鏡可以被設計為充當曲面、拋物面鏡以及“傾斜”鏡，以便引導和/或聚焦光束。這些特征簡化了星形耦合器的布局和鏡的對準，從而使得星形耦合器的制造更便宜。例如，在序列號為PCT/US2009/051026、名稱為“Non-Periodic GratingReflectors With Focusing Power And Methods For Fabricating The Same，，、于2009年7月17日提交的共有專利申請中公開了制造這些GMR鏡的方法，該共有專利申請的公開以參考的方式并入于此。制造部分反射鏡的另ー種方法是使用“納米點”技木?！凹{米點”(有時稱為“量子點”)是由可沉積在襯底(諸如，透光介質(zhì)450)上的金屬或介電材料制成的子波長點(納米量級)，其中，這些點的開放區(qū)域提供了透射，而相反，這些點的閉合區(qū)域提供了反射。可替換地，可以從沉積在襯底上的材料中蝕刻出納米點，以創(chuàng)建納米點光柵。例如，納米點可以由Si或Ge或ZnO制成。納米點鏡提供了對光波的最小擾動(與波長上點圖案相比)。與可以制造部分反射鏡的方式類似，可以以多種方式制造高反射鏡430。這些方式包括沉積介電材料層以形成鏡，沉積連續(xù)的金屬層或者使用GMR技木，如上所述。圖4的圖示出了 IXN星形耦合器，其中N=5，但是N可以是大于I的任何數(shù)字。N的典型數(shù)字可以是6至8，但是，根據(jù)輸入激光功率、期望輸出光功率、以及部分反射鏡的相對反射率，N沒有理由不可以多達12或15。此外，星形耦合器400被示為具有彼此均勻間隔的輸出。例如在來自星形耦合器的光耦合至用于將輸出光傳輸至目的地的均勻間隔的光纖中的情況下，這是設計選擇。典型間隔可以是250 Um (0. 25 mm)，不過其他間隔也是可能的，并且尤其依賴于對輸出纖維可用的空間量、輸出纖維的大小等等因素。如從圖4中可見，輸出的數(shù)目與部分反射鏡的數(shù)目相對應——輸出一般比部分反射鏡多ー個，但是可以存在與部分反射鏡相同數(shù)目的輸出。此外，星形耦合器可以包括多個輸入M，多個輸入M可以產(chǎn)生MXN個輸出，其實施例在圖5A和5B中示出。圖5A示出了具有通過M=4個透鏡510a_d來透射光的M=4個光源505a-d的星形耦合器500，然后，該光進入透光介質(zhì)550。圖5B示出了向高反射鏡530部分地反射光并將部分光透射至輸出(為了清楚，其被示為簡單的箭頭)的部分反射鏡560a-d至566a-d。如上所討論，鏡的反射率可以在Z方向上漸進降低，以使得輸出處的相對功率可以被控制，并且如果需要可以基本上相同。此外，圖5B示出了 MXN輸出陣列可以在ー個或兩個維度上具有均勻間隔，其中，水平間隔可以但不必等于垂直間隔。因此，具有250 間隔的6個輸入和6X 12個輸出的生產(chǎn)中的星形耦合器可以具有大約為5_ X 5 mm X Imm厚的大小。如從圖5B中可見，輸出的數(shù)目與部分反射鏡的數(shù)目和輸入的數(shù)目相對應。例如，對于每個輸入，輸出可以比部分反射鏡多ー個(例如，對于N個輸出，可以存在N-I個部分反射鏡，而對于MXN個輸出，可以存在M X (N-I)個部分反射鏡)，但是可以存在與部分反射鏡相同數(shù)目的輸出?，F(xiàn)在參照圖6，圖6是根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的星形耦合器600的概念圖解。星形耦合器600與星形耦合器400類似，但代替透鏡410，星形耦合器600包括還充當準直儀的高反射鏡660。高反射鏡660可以是GMR鏡，GMR鏡可以被設計為對光進行準直和引導。鏡662-666和630可以分別與鏡462-468和430相同。該實施例的一個優(yōu)勢在于其可以·比包括準直透鏡(諸如透鏡410)的情況更容易、更便宜且更堅固地制造高反射鏡660。注意，由于輸出鏡之ー現(xiàn)在是高反射鏡，因此少ー個來自星形I禹合器的輸出。如果需要，可以通過修改鏡662-666的反射率來調(diào)整從輸出680-686發(fā)射的功率以占用更少的輸出。在星形耦合器600的情況下，N個輸出與N-I個部分反射鏡相對應。正如可以通過使用高反射鏡660代替透鏡410和部分反射鏡460來修改I XN星形耦合器400以產(chǎn)生I XN星形耦合器600那樣，可以修改MXN輸出耦合器500以使用高反射鏡。ー個這種實施例可以具有還替代部分反射鏡560a_d和透鏡510a_d充當準直儀的高反射鏡。注意，由于對于每個輸入而言輸出鏡之ー現(xiàn)在是高反射鏡，因此對于每個星形耦合器輸入而言少ー個輸出?？梢酝ㄟ^修改鏡562-566的反射率來調(diào)整從這些輸出發(fā)射的功率。在修改后的星形耦合器500的情況下，MXN個輸出與MX (N-I)剩余部分反射鏡相對應?，F(xiàn)在參照圖7A-7B，圖7A-7B是圖示根據(jù)本發(fā)明的實施例的設計參數(shù)的星形耦合器700的概念圖解。星形耦合器700可以具有折射率為I. 5的透光介質(zhì)750，并可以是I XN耦合器或者具有MXN輸出。如果知道輸出之間的垂直間隔d和透光介質(zhì)750的寬度L，則可以求解光束的入射角Qi和et如下。從圖7A中可見
0, = tan 1 -—M(1)
I "7/
\ し J
斯涅耳定律使兩個折射率之間的界面處的入射角與折射角相關，并陳述為
Wf sin = /I, sin 0t (2}
其中n=相應介質(zhì)的折射率，并且0 =光的入射角(在這種情況下，下標i代表空氣，而下標t代表透光介質(zhì))。因此，根據(jù)斯涅耳定律
沒,=sin—1 (H1 sliif Oj) / Hi) (3)。對于Iii=I和nt=1.5以及L和d的具體值，可以從等式(I)和(3)導出表I中的以
權利要求
1.ー種光學器件(15 ；25 ；315 ；325 ；345 ；400 ；500 ；600 ；700 ;800)，包括 具有第一側(cè)和第二側(cè)的透光介質(zhì)(450 ；550 ；650 ；750 ；850)； 高反射鏡(430 ；530 ；630 ;830)，布置在所述透光介質(zhì)(450 ；550 ；650 ；750 ;850)的所述第一側(cè)上；以及 多個部分反射鏡(460-466 ；560-566 ;662_666 ;860_870)，沿所述透光介質(zhì)(450 ；550 ；650 ；750 ；850)的所述第二側(cè)布置， 其中，所述部分反射鏡(460-466 ；560-566 ;662_666 ;860_870)包括導模共振或納米點鏡。
2.根據(jù)權利要求I所述的器件，還包括布置在所述第二側(cè)上的高反射鏡(660)，用于將光反射和準直至所述透光介質(zhì)(450 ；550 ；650 ；750 ;850)。
3.根據(jù)權利要求I所述的器件，還包括透鏡(410；510 ;810)，用于將光準直至所述透光介質(zhì)(450 ；550 ；650 ；750 ;850)。
4.根據(jù)權利要求I所述的器件，其中，所述部分反射鏡(460-466；560-566 ;662_666 ；860-870)中的至少ー個充當傾斜鏡(圖7)。
5.根據(jù)權利要求I所述的器件，其中，所述部分反射鏡(460-466；560-566 ;662_666 ；860-870)中的至少ー個充當曲面鏡。
6.根據(jù)權利要求I所述的器件，其中，所述部分反射鏡(460-466；560-566 ;662_666 ；860-870)具有漸進降低的光反射率。
7.ー種光學系統(tǒng)(25 ；315 ；325 ；345 ；500 ；600 ；700 ;800)，包括 用于接收光的多個光輸入(圖2A ;圖5A)； 具有第一側(cè)和第二側(cè)的透光介質(zhì)(550 ；650 ；750 ;850)，所述透光介質(zhì)(550 ；650 ；750 ；850)經(jīng)由所述光輸入(圖2A ;圖5A)來接收光； 高反射鏡(530 ；630 ;830)，布置在所述透光介質(zhì)(550 ；650 ；750 ；850)的所述第一側(cè)上； 多個部分反射鏡(560-566 ；662-666 ;860_870)，沿所述透光介質(zhì)(550 ；650 ；750 ；850)的所述第二側(cè)布置；以及 來自所述透光介質(zhì)(550 ；650 ；750 ；850)的多個光輸出(圖2A-2B ;圖5B)，與所述多個部分反射鏡(560-566 ；662-666 ;860_870)相對應。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，還包括多個透鏡(510a-d)，每個透鏡用于將光準直至所述多個光輸入(圖5A)中的姆ー個。
9.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，還包括多個高反射鏡(660)，布置在所述透光介質(zhì)(550 ；650 ；750 ；850)的所述第二側(cè)上，用于將光反射和準直至所述透光介質(zhì)(550 ；650 ；750 ;850)。
10.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述多個光輸出(圖2A-2B;圖5B)以ニ維MXN陣列(圖2A-2B ;圖5B)布置。
11.根據(jù)權利要求I所述的系統(tǒng)，其中，所述光輸出(圖2A-2B;圖5B)處的功率基本上均勻。
12.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述部分反射鏡(560-566;662_666 ;860_870)包括導模共振鏡。
13.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述導模共振鏡中的至少ー個充當傾斜鏡(圖7)。
14.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述導模共振鏡中的至少ー個充當曲面鏡。
15.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述部分反射鏡(560-566;662_666 ;860_870)包括納米點鏡。
全文摘要
光學器件(15；25；315；325；345；400；500；600；700；800)可以包括具有兩側(cè)的透光介質(zhì)(450；550；650；750；850)。在一側(cè)可以是高反射鏡(430；530；630；830)，而在另一側(cè)可以是多個部分反射鏡(460-466；560-566；662-666；860-870)，這些部分反射鏡可以是導模共振或納米點鏡。光學系統(tǒng)(25；315；325；345；500；600；700；800)可以具有多個光輸入、透光介質(zhì)(550；650；750；850)、以及來自透光介質(zhì)(550；650；750；850)的多個光輸出。透光介質(zhì)(550；650；750；850)可以在一側(cè)具有高反射鏡(530；630；830)并在第二側(cè)具有多個部分反射鏡(560-566；662-666；860-870)。
文檔編號G02B6/28GK102792200SQ201080065594
公開日2012年11月21日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權日2010年3月19日
發(fā)明者D.A.法塔爾, H.P.擴, M.R.T.譚, M.菲奧倫蒂諾, W.V.索林 申請人:惠普發(fā)展公司，有限責任合伙企業(yè)