CN100445798C - 具有可移动的全息光学元件的光开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种由全息光学元件(HOE)构成的光开关，该全息光学元件放置在衬底顶部表面的上方，并可相对于衬底而移动。光线在全内反射下通过衬底而行进，并产生了扩展到衬底的反射面之外的隐失场。在本发明的一个实施例中，HOE的特征在于：由多个可以在第一位置和第二位置之间移动的条带组成的，其中在第一位置上，条带位于隐失场之上，在第二位置上，条带位于隐失场之中。在第一位置上，在衬底中的光在传播的初始方向上传播就不受HOE的影响。在第二位置上，HOE改变了衬底中的光，并使其在与传播的初始的方向斜交的反射方向上传播。

Description

具有可移动的全息光学元件的光开关

相关申请的交叉参考

本申请要求以下优先权：美国临时申请序列号：60/223503，申请日：2001年8月7日、美国临时申请序列号：60/223508，申请日：2000年8月7日、和美国临时申请序列号：60/271103，申请日：2001年2月23日。

技术领域

本发明通常涉及一种光学元件，更具体地说，涉及一种用于实现光开关功能的光栅和全息光学元件。

背景技术

使用依靠衍射来影响传播波阵面的光学元件的衍射光学已为人所知。典型的衍射光学元件(DOE)的结构是衍射光栅、波带片透镜和全息镜面。通常将其中衍射元件尺寸接近或大致等于光波长的DOE称之为全息光学元件(HOE)。衍射光学的一个优点是可以将DOE透镜之类的构件结构(structure)在一个平面上，并且可以比相应的折射光学器件来得更小、更便宜和更容易校准。但是其缺点在于，由于衍射光学结构(structure)是由衍射元件的图样所组成的，因此，它们对所用的光的波长很敏感。

可将HOE记录在如像照相胶卷之类的光介质上，以便制作像透镜和棱镜之类的光学器件。全息图样是由记录两个激光束的干涉图样而产生的衍射图。所产生的衍射图的构成元件具有数量级为光波长的尺寸。HOE也能用机械装置来制造，这如像用钻石工具来雕刻，或者是用硬的金属靠模来进行光刻或浮雕。

由于各种原因，在某些应用中HOE是相当有利的。HOE可以有很薄的横截面，因此可以制造许多其尺寸比相应的传统光学元件更小的光学元件。进而，由于HOE是平面器件，与典型的多元件光学系统相比，可以用简单方式来组装复杂的光学系统，并且仅占用较少的空间。事实上，HOE可以自定位，因此，极大地减少了与光学系统，尤其是与复杂的光学系统相关的校准问题。

通常，设计HOE的衍射图样要能够将入射光透射到各种模式(波模)或方位之中。习惯上根据模式相对于入射光的位置将模式标记为m＝0，+1，-1，+2，-2等。如果要将HOE用作为透镜或镜面，通常涉及到m＝0和m＝-1这两个初始模式。在m＝0的模式中，入射光似乎不受HOE的影响，这就是说，如果HOE是反射元件，它将会把光反射到零级模式中，就好像该光束在平面镜的表面上反射的那样，和如果HOE是透射元件，光线将会透过这个元件而离开，就好像穿过透明的光学介质一样。m＝-1的模式是HOE的设计光学功能的直接结果。通常，由m＝0的模式来补偿这个模式。在典型的器件中，要选择HOE以便通过相消干扰(destructive interference)将处于m＝0的模式中的光的振幅减到最小，并通过相长干扰(constructive interference)将所希望的m＝-1的模式的光振幅增至最大。通常，还要选择入射光的角度和衍射元件的尺寸，以便消除可能会干扰所希望的光学性能的其它模式。

利用光学器件将光线从常规的通路(即与m＝o的模式相符合的通路)反射到反射模式(m＝-1)的能力，有指望在开关器件中使用HOE。当前的HOE设计限制了将HOE用作为光学开关。HOE通常制作在材料的块体中或者制作在材料的表面上。记录在全息材料的块体中的全息图具有低的损耗，但是难于批量生产。这方面的例子是制作在使用电全息材料的块体中的三维结构，这种材料可以通过施加电场来进行转换。另一方面，可以批量生产浮雕式(surface relief)的全息图，但它们的光学效率低。与这些浮雕式(surface relief)的全息图相关的另一个问题是它们是不能转换的。

尽管现有的HOE和DOE有上述的缺点，但仍然希望将HOE和DOE与光学介质一起作为开关使用。

发明内容

在一个实施例中，光开关有用于在其中传输光信号的衬底，在此衬底中，光信号在全内反射下在第一方向上传播，在此衬底的顶部表面上还安置有衍射光学元件，该衍射光学元件可以在第一位置和第二位置之间相对于衬底而移动，其中所述第一位置基本上是在与光信号耦合的隐失场(evanescentfield)之外，以便让光信号在第一方向上继续传播，和所述第二位置是在与光信号耦合的隐失场之中，以便将光信号的传播改变到第二方向上。在某些实施例中，该衍射光学元件是由构成衍射光栅的多个条带所组成的，这里每个条带都有大致相等的宽度，并且每个条带之间也隔开大致相等的距离。

在另一个实施例中，与光学衬底一起使用的全息光学元件有入射光信号，该光信号在衬底中在全内反射下在传播的初始方向上传播。该全息光学元件上有多个隔开的、由光学透明的材料制成的条带，所述条带被安置在衬底顶部表面的上方。而且，该全息光学元件有靠近条带的悬挂构件，其安置方式可让条带在第一位置和第二位置之间移动，其中，在第一位置上，全息光学元件改变入射光信号，在第二位置上，全息光学元件不改变入射光信号。在有些实施例中，悬挂构件还包括多个软臂，它们是用多个安装构件安装在衬底的顶部表面上并耦合到条带上。

在另一个实施例中，1xN光开关有一个衬底，用于在该衬底中传送光信号，这里，所述光信号在衬底中在全内反射下在第一方向上传播。1xN光开关上也有N个衍射光学元件，它们被安置在衬底的顶部表面上，并且每个衍射光学元件都可以在第一位置和第二位置之间相对于衬底而独立移动，其中，第一位置基本上是在与光信号耦合的隐失场(evanescent field)之外，以便让光信号在第一方向上继续传播，和第二位置是在与光信号耦合的隐失场之中，以便将光信号的传播改变到第二方向上。

还是在此另一个实施例中，配备了与衬底一起使用的光开关，该光开关有多个安置在衬底的顶部表面上方的条带，以便相对于衬底顶部表面而移动，每个条带都有条带宽度，并彼此间用间隔距离分开。要对间隔距离和条带宽度的相加和“a”加以选择，以便使在衬底中的在全内反射下传播的光信号并且入射在条带下的顶部表面上一个区域上的光信号被反射到第一衍射级中，并在衬底中、在全内反射下传播和在衬底中与传播的入射方向成角α的传播的反射方向上传播。

附图说明

图1是HOE的横截面视图，该HOE上具有与光学衬底的顶部表面物理接触的条带。

图2是另一个可供选择的HOE横截面视图，根据光开关的一个实施例，在该HOE中，构成HOE的条带放置在光学衬底的上方，并可相对于衬底而移动。

图3是曲线图，该图根据典型的光学开关示出了HOE的间隙高度和HOE效率之间的关系。

图4A是图2中的结构的透视图，该图示出了入射信号的切换。

图4B是图2中的结构的顶视图，该图示出了将入射光信号以角α反射成反射信号。

图5是曲线图，该图根据示范性的光开关示出了角θp与由波长分开的HOE光栅周期之间的关系。

图6是曲线图，该图根据典型的光开关示出了HOE的条带厚度与HOE效率之间的关系。

图7是侧面图，该图根据一个实施例示出了全内反射的耦合光进入衬底的示范性方式。

图8是侧面图，该图根据一个实施例示出了全内反射的耦合光进入衬底的另一个可供选择的方式。

图9是图2的HOE的透视图，该图示出了典型的悬臂式安装装置，该装置用锚定部分来悬挂HOE的条带，以便于条带移动。

图10是图9的HOE的顶视图，该图根据光开关示出了安装在HOE的条带上方的电极，以便条带相对于衬底的顶部表面而移动。

图11是根据光开关的实施例示出了另一个HOE的典型的部分顶视图。

图12是图11中所示的HOE的侧视图，该图进一步示出了安装结构和安装在条带上方的电极。

图13是根据光开关的优选实施例，示出了HOE的透视图，该HOE具有由软臂和支撑脚组成的启动构件。

图14是根据1xN光开关的实施例，示出了由HOE构成的1x2光开关的顶视图。

具体实施方式

本发明通过提出一个HOE解决了上述的问题，该HOE易于制造并可与光学衬底一起使用来构成光开关。最好的是，下文中所描述的HOE是光栅结构的，它可以相对于其中有光信号传播的衬底而移动。HOE的移动起着使HOE和衬底耦合和去耦的作用，因此，当光信号在衬底中传播时，HOE可以有选择地与光信号相互作用。为了达到最大的效率，可使光线在全内反射(TIR)下在光衬底中传播，正如将会了解到的那样，这样的全内反射包括行进在衬底中的光线的一系列的传播通路。全内反射是众所周知的现象，它允许光线在两个光学材料的界面上反射而没有损耗发生。如果光线在其折射率高于周围光学介质的折射率的材料中传播，并以大于临界角的角度(从光线与界面的法线(normal)来测量)投射到界面上，就会发生全内反射。

在TIR条件下，由于在反射边界上产生了隐失场，因此，TIR也能使得将HOE耦合入位或耦合出位置就变得更为容易。通过将HOE移入隐失场和从隐失场耦合中移出，可以使HOE与衬底耦合或者去耦，以及通过改变HOE移入隐失场中的深度，可以控制HOE和衬底之间的耦合量。

为了利用背景材料来说明与光学衬底一起使用的HOE的常规操作，图1示出了HOE 100的横截面视图。在题名为“集成透明衬底和衍射光学元件(Integrated Transparent Substrate and Diffractive Optical Element)，”、序列号.02816812.7、提交日2004年2月27日、转让相同的发明人中国专利申请中，详细地描述了HOE 100。现将其引用在此，以供参考。在优选的实施例中，将HOE安置在光学衬底102上，该衬底在红外区中，至少在1550nm或1310nm(真空波长)波长附近是光学透明的，这是光通信所希望的传输波长。然而，HOE 100在任何所希望的波长上都可能是光学透明的。衬底102可以用石英材料或其它适合于在TIR下传播信号的衬底材料，以及适合于在光刻处理中用作为抗刻蚀(etch-stop)表面的衬底材料所制成。在此优选的实施例中，衬底102是用蓝宝石制成的。

如所知的那样，在全内反射下，入射光束104行进在衬底102中，并在衬底102的外表面界面上以大于入射临界角的角度发生全内反射。图1中示出了入射角θ，它是从顶表面106的法线(normal)开始测量并扩展到衬底102之中。对于由空气边界围绕的蓝宝石衬底102而言，其顶部表面106与空气界面相接触，临界角大约为35度，因此入射角θ应当等于或大于此值。可让光束104从大于临界角的各个角度上入射到顶部表面106上，从而使HOE 100的操作变得容易。尽管在优选实施例中，空气是在顶部表面106之上，但也可将其它的材料放在衬底102之上，只要为了建立TIR条件，这些材料的折射率应当小于衬底102的折射率。进而，在TIR从顶部表面106上移开并且衬底102的底部表面107以最低的成本提供最有效的设计时，一个可供选择的办法是，在顶部表面106形成TIR并在底部表面107上使用镜面或反射涂覆层来反射光束104。同样地，也可以在底部表面107的下面使用覆盖层。

HOE 100包括直接安放在衬底102的顶部表面106上的条带108。条带108是由光学透明的材料制成的，如下所述，条带108的几何形状将会影响HOE 100的性能和操作。图1中的实施例表明，条带108直接与顶部表面106相物理接触。条带108可以由单晶硅、多晶硅或其它光学透明材料制成。图中只是示范性地示出了几个条带108，但是在实际操作中可能会有大量的条带108，以确保光束104入射到HOE 100的某些部分上。此外，在图上示出了条带108的横截面，但实际情况会与图中所示的有所出入。

条带108的宽度为“b”，间隔距离宽度为“c”。光栅周期“a”等于这两个值的和。HOE110将入射光束104反射到光束114之中。宽度“a”影响光波长，要对HOE加以优化，以便在反射光的出射角上进行反射。在此优选的实施例中，宽度“b”等于宽度“c”，然而，如果需要的话，这些宽度也可以是不相等的。能够调节条带的厚度和宽度以使反射光的强度达到最大。此外，还可能会有亚宽度(infra-Width)变化，其中，宽度“b”会发生改变(即b1、b2、b3等)，宽度“c”也能发生改变(即c1、c2、c3等)。例如，可以用不同的可以连续变化的“a”值(a1、a2、a3等)来形成HOE”，使得a1＞a2＞a3＞其它的值。可用示范性的装置来减少反射信号中的弥散或增加其中的弥散量，这可能在多路分用应用中是有用的。由于条带108构成了HOE 100的光栅图样，因此，在生产功能器件时不必要有严格的尺寸精确度。条带108的总体效果是要最大限度地减少任何特定条带108的尺寸测量的不准确性。HOE 100最好有周期性“a”，这就是说，在整个HOE 100中，”a”是基本上相同的。照此看来，“a”比“b”或“c”对HOE 100的操作更有影响。在一个示范性的结构中，宽度”a”将在1.5μm的级别上，即约为介质中入射光波长的两倍。

为了大体说明HOE 100的操作，用条带108与顶部表面106来共同限定衍射光栅的图样。入射光104投射到衍射光栅图样上并如图进行反射，如下所述，从而创建了HOE 100，来作为倾斜的反射镜面元件。条带108之间的间隔“c”共同构成了界面层110，该界面层110是空气-衬底的界面层。在全内反射下，由于光束104是行进在衬底102之中，因此，在全内反射下，光束104的一部分在界面层110上发生衍射。这就是说，光束104的第一部分入射到空气-衬底的界面层上，并由条带间的衬底间隔的折射作用而发生衍射。由于这些间隔是在入射光波长的阶(order)上，因此出现了衍射而非是平面波反射。入射到HOE 100上的光束104的第二部分被入射到顶部表面106的直接位于条带108下面的部分上。这里，条带108将吸收来自衬底的光能，并起着低损耗波导共振器(resonator)的作用，该共振器是用折射率较低的材料(在此优选的实施例中是空气)束缚在顶部表面112和侧面上的。在条带108中，实质上产生了一个驻波(standing wave)，所吸收的光最终将离开条带108并作为衍射光重新进入到衬底102中，相对于在条带108之间的界面层110上衍射的光而言，该衍射光的相位被相移了。如果条带108的折射率高于衬底102的折射率，就能进一步提高效率，这是因为驻波也被以较低的折射率转变的较低表面所束缚(bind)。条带108和界面层110的作用是有效地将光束104衍射到在衬底102中传播的、m＝-1的模式中去。光束114代表了此反射信号。如果不受条带108影响的话，通路116是光束104在衬底102中行进的路径。下面将参照图4A和4B更为详细地讨论所公开的HOE的反射光束的性能。条带108被设置来与衬底102的顶部表面106直接物理接触。在其它的实施例中它们却没有直接的物理接触。

图1和其它将要讨论的图与已知的器件相反，这些器件表明，在使用昂贵的掺杂(dopting)技术和其它生成技术的衬底中，TIR仅存在于分别生成在所述衬底中的波导之中。由于各种原因，使用衬底来传播信号比用波导来传播信号更为可取。衬底中的信号传播并不像用波导来传播信号那样受到限制，从而使开关的设计有较大的灵活性，并能大大地减少波导结构中固有的耦合问题。例如，为了进行传播，必须将一个波导中的信号作切换以用于另一个波导之中。此外，使用TIR衬底可为信号提供准自由的空间传播，从而可为将切换的输出信号耦合到输出光纤、多路复用器和其它的光学器件中提供极大的灵活性。况且，使用衬底可以免除在衬底材料中或在衬底材料上生成波导所需的额外的加工制作，从而能减少开关设计、加工制作和成本。在证实了这些优点之后，尽管推荐使用具有空气界面的衬底来进行传播，但仍然可将衬底102加以改造以便包含波导在内，从而达到诸如将光信号耦合到光纤中之类的目的。

图1示出了与衬底物理接触的HOE。图2示出了放在衬底202上方的(即没有与衬底物理接触的)HOE 200，它可以从去耦位置(或“关”的位置)和耦合位置(或“开”的位置)上相对于衬底而移动，其中在去耦位置上，光线204可以自由地通过衬底202，在耦合位置上，光线204则会受到HOE200的影响。这样，HOE200就能起到开关的作用。

在衬底202中，光束204以TIR方式传播。通过使光耦合到衬底之中可以在衬底202中实现TIR传播，见下面的图7和图8。而且，如图1所示，尽管TIR最好既出现在顶部表面206上又出现在底部表面207上，但是，仅需在有镜面的衬底202的顶部表面206上或者是在衬底的底部表面207的反射层上建立TIR。

HOE200是由其位置最好在衬底202的顶部表面206上方的条带208构成的。像在HOE 100中的条带108那样，条带208与衬底202合作，图2中的差别仅在于条带208不需要与顶部表面206有直接的物理接触，而最好是通过隐失场(evanescent field)与衬底202发生耦合接触。当条带208位于展开在顶部表面206上方的隐失场中(即在“开”的位置上)时，光束204的一部分将被耦合到条带208中。可将条带208的这个耦合看作是类似于受到破坏(frustrated)的全内反射的耦合。条带的作用是破坏(frustrate)光信号的全内反射，并使信号改变方向。当条带208位于隐失场耦合距离之外(即处于“关”的位置上)时，光束204就不受条带208的影响，并该光束204将继续作为信号214而传播。照此方式，调节条带208的气隙高度，就能将入射(incoming)光束204从通路214上切换到反射光束通路216之中。

可以认为条带208和衬底202共同生成HOE200的衍射图样，就如像图1的结构生成的衍射图样那样。光束204的一部分入射到位于顶部表面206之上的界面层210上，但是仅仅入射到与条带208之间的空隙相一致的那部分顶部表面206上。条带208受到顶部表面212的约束，在此顶部表面上是空气包裹层。在优选的实施例中，条带208的共振器的操作与图1的条带108的操作相似，只不过在图2中条带208通过隐失耦合来接收能量，而不是通过物理界面上的接触折射来接收能量。条带208和界面210的作用是共同将光束204衍射到m＝-1的模式中，在图2中它是由反射通道216来表示的。由于最小化的m＝0的模式与正常的通路相一致(coincide with)，因此，如果不受到条带208(即光束214)的影响，光束204就会继续传播。

在顶部表面206上方的隐失场的深度决定了在条带208和顶部表面206之间的气隙高度，这个高度决定了“开”和“关”的位置。图3是曲线图，该图示出了在衬底202的顶部表面206和条带208的底部之间有不同间隙时，在蓝宝石衬底上生成的HOE的硅条带的效率。该效率代表了在m＝-1的模式中的功率与入射功率之比。在下列的参数条件下：即“a”＝1.5μm，条带高度＝2.15μm，波长λ＝1.55μm，TE模式传播，θ＝36度，和φ＝59.8度(即α＝60.4度)(在这些参数中，有一些将详细说明如下，有一些已在上文中说明过了)，起着光栅作用的HOE的效率如图所示。HOE的效率通常按指数方式与气隙成反比。这就可以通过最少量的移动使开关位于完全“关”的位置上。可以看出，当气隙高度接近0.11μm时，达到了最高的效率。这样，就可把图1看作是移动到最高效率的气隙高度上的、可移动的HOE的说明图。

然而，由于静摩擦(stiction)，希望要制作的条带不要与衬底的顶部表面发生物理接触，最好是按所希望的量位于衬底的上方。这有利于使用制作在条带的底部表面上的小的凸起物(small bumps)218。在这样的结构中，常用这些小的凸起物来减少接触区域受到的静摩擦力。

图3也示出HOE在耦合接触之上约2μm，也就是说，HOE将处于“关”的位置。在图2所优选的实施例中，将处于“关”的位置上的气隙设置为大约12μm，以确保能满足工业标准，例如Telecordia GR 1073标准。这些标准有效地限制了能通过在“关”位置上的开关泄漏的信号量。由于隐失场的深度取决于许多参数，因此，图3中的气隙范围只是示范性的。其实，随着θ的增加，展开在衬底上方的隐失场变得更浅，而最大的隐失场出现在TIR的临界角上或在其附近。结果是，在此所发布的实施例中，优选的角θ的范围是从临界角到临界角以上的大约10度。

HOE200的一个特征在于，反射光束216是在平面中行进的，这个平面与光束204传播的平面之间的角为α。这样，反射光束216行进在平面中，这个平面扩展到了图2所示的说明图之外。根据图4A和图4B，就更易于明了光线的传播。通过将第一检测器或耦合装置放置在接收未切换的信号214的位置上，并将第二检测器或耦合装置放置在接收切换过的信号216的角度上，这个特征将会更加有利于将HOE 200当作为光学开关来使用。

由HOE 200产生的反射角α或θp取决于许多因素，包括条带周期“a”、入射角θ以及光波长λ。图5示出了采样曲线图作为例子，该图示出了θp和这些变量之间的关系。图5画出了在各种入射角θ的情况下，在x轴上的角θp和y轴上的‘a’/λ。λ是在衬底材料中传播的光波长，它等于由真空中的光波长除以衬底材料的折射率。对于蓝宝石而言，假设在1.55μm的光通信信道上的内部光波长λ约为0.89μm，那么，折射率就大约为1.74。由此可知，若θ＝35度，数值为1.5的‘a’/λ将产生约为110度的θp。相似地，若θ＝45度，数值为1.5的‘a’/λ将产生约为125度的θp。该曲线图也表明，根据这些参数，对于给定的入射角θ而言，θp的数值范围可从约90度变化到约145度。该图假设，切换光束在衬底表面上的入射角与入射光束相同，尽管它们是在不同的传播平面上。虽然，按照不同的参数，“a”的范围通常可从大约0.5λ扩展到3λ，但是该曲线图也表明了对“a”的一些典型限制。图5上的曲线图也示出了延伸到曲线F之上的禁区，在此区域中，光被反射入更多的模式，而不仅仅是m＝-1的模式。

再回到图4A，可以看出，为了将入射光束204反射到传播通路216中，条带208并不与光束204的传播平面成直角，而是与它成一个角度。具体地说，条带208垂直于平分角θp的线。如果条带208与光束204的传播平面成直角，反射光也会在光束204的传播平面上。同样，还能看出，在优选的实施例中，条带208是平行的线状条带。也可以使用其它的条带，如用于聚焦的弯曲条带。事实上，如果给出了所希望的条件和参数，也可用已知的光栅软件程序来开发多种类型的光栅设计。

条带208的厚度确定了在从界面层210上反射的光和从共振器条带208上反射的光之间的相移。在优选的实施例中，条带208的厚度都是同样的。条带208的厚度最好在1μm以上，以确保条带208具有足够的结构刚度，从而能在“开”的位置和“关”的位置之间移动。当然，条带208也可以有较小的厚度。

图6示出了HOE的效率和硅条带厚度之间的关系曲线图。在此示范性的曲线图中，衬底是由蓝宝石制成的，入射光束是TE偏振光，“a”＝1.5μm，λ＝1.55μm，气隙高度为500埃，θ＝36度，φ＝59.8(即α＝60.4度)。如图所示，有许多能产生极高效率的条带厚度。在图中已画出的例子中，效率峰值大约出现在1.87μm和2.12μm上。事实上，需要对条带208的厚度加以选择，以使所吸收的光产生适当的相移。特定厚度的多谐波也会产生相同的相移。此优选的实施例的一个优点是能够选择条带厚度以便使HOE开关的效率基本上与入射光束的偏振态无关。这是称之为偏振相关损耗的设计参数，它是由Telecordia GR 1073标准提出来的。

HOE200的另一个特征在于，从它上面反射到m＝-1模式中的光在某个角度上发生反射，以便使反射光216在衬底中仍然以TIR的方式传播。如图5中的曲线图所示，通过调整光栅周期“a”能够将入射光束204反射到全内反射的通路中。

再回到图2，衬底202可以是前述的、用于制作衬底102的任何材料，最好是单晶蓝宝石。在红外波段上，蓝宝石是光学透明的，并常用于1550nm和1310nm的光通信。此外，蓝宝石是坚硬的耐刻蚀(etch resistant)材料，适合于为可淀积在衬底202上的任何材料提供蚀刻停止处理(processing etchstop)，以生成条带208。

条带208和凸起物(bump)218最好由多晶硅制成，但也可由其它的光学透明的材料构成，这如像各种形态的硅(晶态的和非晶态的)、氧化铝、蓝宝石、氮化硅、硅化锗和其它适合于微电子机械系统(MEMS)加工技术的光学透明材料。

如上所述，有许多将光信号耦合到利用TIR传播的衬底202中以及将光信号从衬底202中去耦合的方式，这些方式中最容易的方式包括劈开输入光纤，劈开衬底的边缘，在光纤和衬底之间提供劈开的元件，或者是上述方式的某些组合。劈开光纤的优点在于这种耦合方法便宜，尽管其它的方法也是节省成本的。

图7示出了将光束204耦合到衬底202中以及将光束204从该衬底202中去耦合的方式，在此，通过衍射元件220使光纤217与衬底202耦合。衍射元件220是由光学透明的材料制成的，其折射率低于衬底202的折射率。折射元件220折射光束204以便让其在衬底202中以TIR方式传播，校准元件219是用来校准光束204的。校准元件219可以是任何已知的和适合的HOE结构，或者是根据上述的、其上具有示于截面图中的条带221的HOE 100制成的。生成如像HOE 100上那样的校准元件219的优点在于，能使器件的加工制作变得容易。

图8中示出了另一个可采用的结构，该结构使用外部的校准元件，例如，梯度折射率透镜(GRIN)-光纤组件。在此，衬底202有裂开(cleaved)的侧面222。在切口(cut)为45度的情况下，表面222将接收来自GRIN透镜元件224的校准光信号204，以便在衬底202中进行TIR传播。GRIN透镜224可以接收来自光纤透镜224的输入。GRIN透镜224也可以直接与折射元件或者是可以使反射损耗减到最小的减反射覆盖层226的薄层耦合。图8所示的耦合将允许使用市售的元件来校准和聚集光束。如图7所示，这样的耦合可让插入(incoming)的光纤在侧面上耦合，而不是通过衬底的顶部表面或底部表面进行耦合。

现在谈谈开关操作，有各种方法将HOE从“开”的位置转换到“关”的位置上。通常，能够由HOE条带来引起移动HOE所需要的弯曲，在此，要使条带能自己弯入到隐失场耦合中或者是从隐失场耦合中退出来。或者，要能使支撑HOE条带的结构或框架弯曲。在任何一种情况下，弯曲结构都应当能偏离“开”的位置或“关”的位置而弹跳，以便使开关操作变得容易。

为了说明通用的HOE致动器，图9示出了为了便于移动而安装条带208的典型方法。在此，条带208是从刚性的锚定部分(anchor portion)224上悬吊起来的，而此锚定部分224是固定地安装在顶部表面206上的。这是悬臂式的构造，其中条带从锚定部分224上向外延伸，并自由地悬吊在衬底202的上方。条带208与衬底202应有足够近的距离，以使HOE 200能在“开”的位置上偏移，这就是说，条带208是位于以TIR方式行进在衬底202中的1550nm或1310nm光波的隐失场之中。为了增加条带208的结构的刚性，在多个条带之间形成十字接头(cross connection)226。利用十字接头226，可以使条带一齐移动，从而能够避免可能影响如此之小体积的结构的扭转力。对于较长的条带而言，在两个条带之间可以有多个横向连接。对于结构设计而言，重要的是不要把十字接头226放在紧密形成的周期样式中，然而，十字接头226将共同起着与由条带208所构成的光栅正交的衍射光栅的作用。

构成条带208的多晶硅在红外区中是透明的，并易于用标准的0.5μm到1μm线宽的光刻MEMS制造工艺来制作。利用例子中的方式，可以通过在蓝宝石衬底202上淀积多晶硅薄膜或者是在蓝宝石202上外延生长单晶硅来制作条带208。标准的光刻技术能够在光致抗蚀剂层上形成所希望的图样，并能用标准的MEMS刻蚀技术将图样刻蚀到硅层上，这种刻蚀技术类似于市售的多用户MEMS工艺(MUMPs^TM)。在制造时，在衬底顶部表面上，在硅和蓝宝石之间要淀积一个牺牲层或隔离层，它通常是二氧化硅，并要对它进行刻蚀或溶解，以便从衬底上显露出硅结构。蓝宝石衬底是抗刻蚀的，它可以让牺牲层溶解掉而不会让衬底受到刻蚀。任何衬底的刻蚀都会在衬底上产生模糊的HOE图样，从而不会让开关像所需要的那样完全关掉。通常的做法是，在淀积多晶硅层之前将若干个小凹槽以图案形式制作到牺牲层中，以便在硅结构的下面生成一个个小的凸起物。如上所述，这些凸起物在显露操作(releaseoperation)和其后的转换操作中能够最大限度地减少粘结。可以使牺牲层具有所需的尺寸，以便将多晶硅HOE放在“开”的位置上，或者是用多晶硅弹性元件来建造器件，以使其偏移到“开”的位置上。更好的办法的是，用相同的材料来制作条带208、凸起物218、刚性锚定部分224、十字接头226，最好的材料是多晶硅材料。可用上述的任何条带材料来制作刚性锚定部分224和十字接头226。

为了将HOE200从偏移的“开”的位置移到“关”的位置上，可以通过放在条带208上方的电极施加电场。由于条带208是部分导电的，在加了电场的情况下，它们会偏离衬底202的顶部表面。由于隐失场不会在顶部表面206的上方延伸很远，更具体地说，隐失场按指数逐渐缩减，因此，条带208只需要偏移很小的距离就能把HOE200放到“关”的位置上。

图10示出了用电极230来偏移条带208的方法。该电极至少要放在条带208远端的上方，并跨越所有的条带而在说明图的内外延伸。电极230是装配在绝缘安装板232的底部表面上，而绝缘安装板232是制作在支撑构件234上。支撑构件234可由与锚定部件224相同的材料制成，但在此图中是用不同的材料制成的。电极230接收来自驱动电路的指令，并把电场加到条带208上，以作为对该指令的响应。为了便于执行起见，可将条带208与地电压相连接。进而，如图所示，电极230也可在长度方向上一直延伸到条带208的长度。

图12和图13示出了另一个起动HOE以便进行转换的手段。在这些实施例中，用于进行转换的弯曲并不在如图10所示的、构成HOE的条带之中，而是一种将条带与衬底顶部表面相连的结构。例如，可以按图12所示的方式来起动图11中的典型的HOE结构300，在此结构中有条带302、横向连接303、侧面部分304和306，并且可以用相同的材料以及与图2中所述的、制作HOE结构的类似方式来制作。图12示出了装配结构，该结构具有两个制作在衬底311上的安装基座308和310以及制作在基座308和310上的安装板312。HOE300通过软连接314与安装基座308和310相耦合。软连接314可以是任何数量的、用MEMS加工过的弹簧或者是其它至少可在朝上的方向上弯曲的结构。软连接314可以在上下两个方向上交替地进行双向偏转。将电极316装配到安装板312上，在此实施例中，电极316跨越要接地的条带302并在横向和纵向上延伸。在这样的构造中，在电极316的电场的作用下，HOE300可以偏离“开”的位置向“关”的位置移动。或者相反，在电极316的控制下，HOE300也可以偏离“关”的位置，或者是作向上和向下的偏离移动。在HOE300的底部表面上可以制作凸起物318，以防止操作时HOE300和衬底311之间发生粘结。

图13示出了HOE400的另一种可以采用的起动结构。HOE400是由相同的材料并按照上述的类似方式制成的。HOE400的横向典型尺寸为250到1000μm。条带402沿着HOE400的长度方向延伸，并具有横向连接以增加结构的刚性。有多个弹簧臂406与HOE400相连。弹簧臂406也与衬底408的顶部表面相连，衬底408的顶部表面与上述的衬底相类似。具体而言，脚410起着支撑弹簧臂406的作用，并且，在此实施例中，其高度足够地小，可以使HOE400在“开”的位置上偏移。要选择弹簧臂的几何形状和尺寸，以便在所加的电场下让HOE400偏移到“关”的位置上。对于那些一般熟悉工艺技术的人而言，应当知道的是，还可以使用许多其它的几何图形来达到HOE400开关操作所希望的弯曲和弹性偏离。为了影响起动，可将电极安装在使用适当安装结构的HOE400的上方，其中，类似于图12所示的结构就是一个例子。

尽管，在此优选的实施例中，为了移动HOE300使用了静电起动，但是，作为替代的方法，也可以用热起动、压电起动、电光起动等方法来起动。

从图13可以看出，由于HOE是微米级的尺寸，并且，在实际应用中的HOE有许多条带和许多横向连接。因此，上面的图形应看作是具有普通条带数的HOE的一个例子，但是，应当了解的是，事实上可以使用许多条带，就如像在HOE400中的那样。

图14示出了典型的光开关500的顶视图，它可以使用上述的、通常由HOE502a和HOE502b代表的任何一种HOE来构成1x2的光开关。可以将图14中的概念加以扩展，以制作1xN的光开关。图中示出了两个HOE，即HOE502a和HOE502b，并且它们都和进入的光信号504的传播通路校准。进入的光信号504以TIR的方式行进在衬底506中，该衬底与以前描述过的衬底相类似。HOE502a和HOE502b都安放在衬底506的上方，并且都可以通过上述的任何起动结构在“开”和“关”位置之间相对于衬底而独立活动。具体地说，如果HOE502a在“开”的位置上，光信号504就沿着第一反射通路508而反射。通路508不与光信号504的传播平面垂直，而是与该传播平面成角度α。如果HOE502a在“开”的位置上，最好是让几乎所有的光信号504都沿着通路508反射，只让最少量的m＝0模式的光信号入射到HOE502b上。如果开关HOE502b在“关”的位置上，该最少量的光信号将继续沿着通道512传播并被吸收，要不然，就通过适当的手段防止其反射回器件中去。需要注意的是，由于隐失场的指数性质，开关HOE502b是完全关闭的，因此，m＝0模式的光信号并不传播到输出通路510中。如上所述，对于市售的开关而言，这是一个重要的参数。

如果HOE502a在“关”的位置上，光信号504就不会受到影响，并在衬底506中继续以TIR方式传播，直到达到第二个HOE502b为止。如果HOE502a在“开”的位置上，光信号504就在与其传播方向成α角的方位上被反射到第二个反射通路510中。HOE502a和HOE502b最好是相同的，并且通路508和510也最好是平行的。此外，尽管图中没有示出，通路508和510可以导致输出光纤的输出与反射光耦合，以便将图示的结构用作为通到光纤开关的光纤。并且，如果HOE502a和HOE502b都在“关”的位置上，也可能耦合到其它的光学器件中，而光信号504将继续通过衬底506在信号通路512上传播而不发生改变。也能将信号通路512耦合到输出光纤中，以供监控目的之周。由于m＝0模式的不完全抑制，在信号通路512上总是存在代表输入信号的小信号。通过将HOE气隙控制到“开”和“关”之间的中间位置上，也能将该器件构造成可变的分光器或衰减器。例如，可以把HOE502a放在只有50％效率的位置上，而让其余的50％的入射信号504投射到HOE502b上，而HOE502b可以放在接近100％效率的位置上。这个设计有些像1x2分光器，其沿通路508和510上的输出信号，每个都有大约为50％的入射光束能量。

尽管上面示出的结构都有由条带构成的HOE，但是，对于一般熟悉工艺技术的人而言，应当了解的是，所示的这些结构可以是更为通用的DOE结构，它比HOE具有更大的尺寸，例如，可以比图5中画出的‘a’/λ值大许多倍。因此，可认为DOE结构也包含在本发明所发布的内容和下面的权利要求之中。

在不偏离本发明的合理范围和本发明的精神的情况下，可以对所公开的实施例进行许多其它的变动和修改。上文中讨论了某些改变的范围。从所附的权利要求中可以更明显地看出其它可以改变的范围。

Claims (42)

1.一种光开关包括：

衬底，用于在该衬底中传输光信号，其中所述光信号在全内反射下沿第一平面以第一传播方向在该衬底中传播；和

衍射光学元件，由多个其每一个都由空气间隙隔离的基本为矩形的条带组成且放在该衬底的顶部表面上，并能在第一位置和第二位置之间相对于衬底而移动，其中所述第一位置基本上在与光信号耦合的隐失场之外，以便使光信号继续在第一传播方向上传播，第二位置在与光信号耦合的隐失场之中，以便将该衬底中的光信号的传播改变到沿第二平面的第二传播方向上且在全内反射之下以及其中所述第二平面与所述第一平面形成锐角，其中所述条带基本上垂直于将角θp对分的线，角θp是第一平面和第二平面之间的夹角。

2.根据权利要求1的光开关，其中所述衬底是由石英或蓝宝石制成的。

3.根据权利要求1的光开关，其中所述衍射光学元件是全息光学元件。

4.根据权利要求1的光开关，其中每个条带都有大致相等的宽度，以及其中每个条带由大致相等的间隔分开来，以及其中所述多个矩形条带形成衍射光栅。

5.根据权利要求4的光开关，其中所述宽度大致等于所述间隔。

6.根据权利要求4的光开关，其中所述衍射光栅具有光栅周期‘a’，其大致等于衬底中光信号的光波长。

7.根据权利要求4的光开关，其中所述衍射光栅具有在0.5λ和3λ之间的光栅周期‘a’，其中λ是衬底中光信号的波长。

8.根据权利要求4的光开关，其中所述条带是柔软的，以便在所述第一位置和所述第二位置之间移动所述衍射光学元件。

9.根据权利要求8的光开关，其中所述条带是从固定地安装在衬底上的锚定部件上悬挂起来的。

10.根据权利要求4的光开关，其中所述条带是用软构件从第一锚定部件和第二锚定部件上悬挂起来的，其中所述第一锚定部件和所述第二锚定部件都被固定地安装在衬底上，其中软构件可让衍射光学元件在所述第一位置和所述第二位置之间移动。

11.根据权利要求4的光开关，其中所述条带在第二位置上偏移，和其中电极被安放在相邻条带的地方，以便将条带移动到第一位置上。

12.根据权利要求4的光开关，其中所述条带是线状的。

13.根据权利要求4的光开关，还包括形成在所述条带之间的十字接头。

14.根据权利要求4的光开关，其中所述条带是从由无定形硅、晶态硅和多晶硅构成的组合中选出的材料组成的。

15.根据权利要求4的光开关，其中所述条带是从由氧化铝、蓝宝石、氮化硅、多晶硅/多晶锗合金构成的组合中选出的材料制成的。

16.根据权利要求4的光开关，其中所述条带的折射率高于衬底的折射率。

17.根据权利要求4的光开关，其中所述条带的厚度大于1μm。

18.根据权利要求17的光开关，其中所述条带具有选择来使第二传播方向上的光信号的强度达到最大的厚度。

19.根据权利要求4的光开关，其中选择条带宽度来使第二传播方向上的光信号的强度达到最大。

20.根据权利要求1的光开关，其中当衍射光学元件在第二位置上时，所述衍射光学元件与衬底的顶部表面有物理接触。

21.根据权利要求1的光开关，其中光信号在全内反射下从衬底的顶部表面上反射出去。

22.根据权利要求1的光开关，其中光信号在全内反射下从衬底的顶部表面和底部表面上反射出去。

23.根据权利要求1的光开关，其中所述衍射光学元件是由基本上透明的光学材料组成的。

24.根据权利要求1的光开关，其中所述衍射光学元件是由多个形成衍射光栅的条带形成的，其中每个条带都有相互关联的宽度和间隔距离，使得条带的宽度和间隔距离可以变化。

25.一种与光学衬底一起使用的全息光学元件，其中入射光信号在衬底中以初始的传播方向传播，并在全内反射下从衬底的顶部表面上反射出去，该全息光学元件包括：

多个由光学透明材料制成且其每一个都由空气间隙隔离的分隔条带，被放置在衬底的顶部表面的上方，以便该多个条带共同接收光信号的第一部分，并产生从光信号的第二部分上移相的输出信号，该光信号的第二部分从衬底的顶部表面反射出去，以便在衬底中产生衍射图样，其中将沿第一平面在全内反射下在衬底中传播并入射到所述条带下的衬底的区域上的光信号反射到第一衍射级中，该第一衍射级沿相对于第一平面成锐角θp的第二平面以传播的反射方向在衬底中传播以及在全内反射下在衬底中传播；以及

与该多个条带相邻的悬挂构件，其安放的位置可以让条带从第一位置和第二位置上移动，在第一位置上全息光学元件改变入射光信号，在第二位置上全息光学元件不改变入射光信号，其中所述衍射图样有在0.5λ和3λ之间的光栅周期‘a’，λ是入射光信号的波长。

26.根据权利要求25的全息光学元件，其中悬挂构件包括用多个安装构件安装在衬底的顶部表面上的多个软臂，这些软臂是与所述条带相耦合。

27.根据权利要求26的全息光学元件，其中安装构件的高度可以使所述条带在第一位置上偏移。

28.根据权利要求26的全息光学元件，其中使软臂有所偏移，以使在第二位置上的条带回到第一位置上。

29.根据权利要求26的全息光学元件，其中软臂与条带相耦合，以便让条带一致移动到第一和第二位置上。

30.根据权利要求25的全息光学元件，其中衬底是由蓝宝石制成的。

31.根据权利要求25的全息光学元件，还包括安置在条带上方的电极，以便将条带移动到第一和第二位置上。

32.根据权利要求25的全息光学元件，其中条带是线状的，并且大致垂直于将角θp对分的线。

33.根据权利要求25的全息光学元件，还包括形成在条带之间的十字接头。

34.根据权利要求25的全息光学元件，其中条带是从由非定形硅、晶态硅和多晶硅组成的组合中选出的材料制成的。

35.根据权利要求25的全息光学元件，其中条带是从由氧化铝、蓝宝石、氮化硅、多晶硅和锗组成的组合中选出的材料制成的。

36.根据权利要求25的全息光学元件，其中条带的折射率高于衬底的折射率。

37.根据权利要求25的全息光学元件，其中所述条带具有选择来使在输出传播方向上的光信号的幅度达到最大的厚度。

38.一种1xN的光学开关包括：

衬底，用于在该衬底中传输光信号，其中所述光信号在全内反射下沿第一方向在该衬底中传播；以及

每一个都由多个由空气间隙隔离的大致为矩形的隔开条带组成且安置在衬底的顶部表面上方的N个衍射光学元件，每个衍射光学元件都可以在第一位置和第二位置之间相对于该衬底而单独移动，第一位置基本上在与光信号耦合的隐失场之外，以便让光信号继续在第一方向上传播，第二位置在与光信号耦合的隐失场之中，以便将光信号的传播改变到第二方向上，其中N是大于0的整数，其中所述条带基本上垂直于将角θp对分的线，角θp是在第一方向和第二方向之间的夹角。

39.根据权利要求38的1xN的光学开关，其中每个衍射光学元件是由组成衍射光栅的多个条带构成的，其中每个条带都有大致相同的宽度，并其中每个条带都以大致相等的间距分开。

40.一种与衬底一起使用的光开关，该光开关包括：

安置在衬底的顶部表面上方以便相对于该衬底而移动的多个条带，每个条带都定义了空气间隙的间隔距离相隔离且有条带宽度，从而选择条带宽度和间隔距离之和‘a’，以便将沿第一平面在全内反射下在衬底中传播并入射到所述条带下的顶部表面的区域上的光信号反射到第一衍射级中，该第一衍射级沿相对于第一平面成锐角θp的第二平面以传播的反射方向在衬底中传播以及在全内反射下在衬底中传播。

41.根据权利要求40的光开关，其中所述和‘a’是在0.5λ和3λ之间，其中λ是衬底中光信号的波长。

42.根据权利要求40的光开关，其中所述多个条带形成衍射光栅，其中光信号以角θ入射到衍射光栅上，角θ等于或大于35度，角θ是依据延伸到衬底中的衬底顶部表面的法线来测量的，其中选择所述和‘a’，以使角θp在大约90度到大约145度之间。

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