CN100529936C - 包括输出光束改变的离面传输光信号谐振耦合 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包括输出光束改变的离面传输光信号谐振耦合。在光学谐振系统(1310)的表面(1304)上形成了一种光学结构(1302)，以改变所发射的谐振信号的特性。该光学结构可以配置为向一部分谐振信号加入相移。因为谐振信号由具有轴对称辐射图的单个谐振模式组成，所以相移例如可以被用来对所发射的谐振信号的输出特性进行准直、扩散、引导和一般成形。该光学结构还可以被用来调谐光学谐振系统的品质因子(Q)。

Description

包括输出光束改变的离面传输光信号谐振耦合

技术领域

本发明涉及包括输出光束改变的离面传输光信号谐振耦合。

背景技术

纳米级集成光学器件正在迅速实现信号生成和处理功能，而这些功能在以前则一直限制在纯电子领域。这些通常是平面的纳米级器件一般包括由衬底支撑的平面波导，其中平面波导将光限制在衬底中。然而，可能难以在离面(out-of-plane)方向将光信号从平面波导耦合出去，以用于自由空间传输，或更典型地，以耦合到光纤。另外，在离面方向从平面衬底引出的光信号所具有的模式性质取决于引出系统的具体结构，并且模式性质可能并不完全符合所希望的应用。外部的体光学元件已经被用来对引出光束成形，以获得希望的发射特性。例如，诸如柱面或球面透镜之类的外部透镜可以被用来将引出光束聚焦到相邻的光纤中。然而，体光学元件的尺寸和对准限制使得它们与集成光学元件一起使用时是有问题的。

发明内容

本发明的光学系统包括在平面衬底中形成的光学谐振系统以及在光学谐振系统的表面上形成的光学结构，其中光学谐振系统用于沿着相对于衬底的离面方向发射谐振光信号，光学结构用于改变所发射的谐振信号的特性。例如，该光学结构是被配置为向一部分谐振信号加入相移的电介质层。因为谐振信号由具有轴对称辐射图的单个谐振模式组成，所以相移例如可以被用来对所发射的谐振信号的输出特性进行准直、扩散、引导和一般成形。该光学结构还可以被用来调谐光学谐振系统的品质因子(Q)。

附图说明

参考下列附图可以更好地理解本发明。附图中的部件不必是按比例的，而是着重于清楚地图示本发明的原理。此外，在附图中，在所有的视图中相似的标号标示相应的部件。

图1是图示了本发明的光学谐振系统的实施例的框图。

图2是图示了本发明的光学谐振系统的另一实施例的框图。

图3是图示了用于使用图2的光学谐振系统的方法的流程图。

图4是本发明的光学谐振系统的实施例的示意图。

图5是图2的光学谐振系统的横截面视图，示出了在光学衬底中形成的谐振腔。

图6是图示了图5的光学谐振系统的第一功能的示意图。

图7是图示了图5的光学谐振系统的另一功能的示意图。

图8是图示了图5的光学谐振系统的另一功能的示意图。

图9是图示了用于制作图5的光学谐振系统的方法的流程图。

图10是图示了用于制作图5的光学谐振系统的另一方法的流程图。

图11是示出了图5的光学谐振系统的工作的图。

图12是在不带有光学谐振系统的顶部平板的情况下图5的光学谐振系统的横截面视图。

图13A示出了在光学谐振系统表面上形成以改变所发射的谐振信号特性的光学结构的横截面侧视图。

图13B示出了图13A所示的同心环的立体图。

图14示出了光学谐振系统的一半的横截面侧视图，以及作为离光学谐振结构的中心轴的距离ρ的函数的电场E_φ的振幅的相对的快照。

图15示出了在顶部表面形成光学结构的情况下光学谐振系统的一半的横截面侧视图，以及作为离光学谐振结构的中心轴的距离ρ的函数的电场E_φ的振幅的相对的快照。

图16示出了在光学谐振系统的表面处的归一化辐射强度相对于离谐振腔的中心轴的距离ρ的关系的示例性曲线图。

图17示出了用于重定向光辐射的方法的过程流程图。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明。然而，本发明可以实现为许多不同形式，并且不应被理解为受限于这里所述的实施例；相反，这些实施例意在向本领域的技术人员传达本发明的范围。另外，这里给出的所有“示例”都应该是非限制性的。

现在参考图1，光输入信号100被提供给光学谐振系统101。光学谐振系统101通过光学谐振系统101的谐振特性来捕获光输入信号101的能量。然后，光学谐振系统101发射光输出信号102。作为示例，光输出信号可以与光输入信号100交地被发射。

不同实施例中的光输入信号100可以在许多不同的介质中传输，这些介质包括光纤波导、电介质波导、自由空间等。所发射的光输出信号102可能被衰减，但是通常保留可能已被编码在光输入信号100中的任何“信息内容”。在多个实施例中的一个实施例中，光输出信号102具有轴对称的辐射图，这对于将输出信号耦合到光纤或其他集成光学器件中而言是理想的。

现在参考图2，其示出了本发明另一实施例的框图。在该实施例中，光输入信号200传输进靠近光学谐振系统202的衬底区域201。光学谐振系统202捕获一部分信号，并生成光输出信号204。作为示例，光输入信号在基本上与衬底区域的顶部和底部表面220、221相平行的方向传输，而光输出信号可以在与光输入信号200正交的方向被发射。

光学谐振系统通过捕获光学谐振系统202中与光输入信号200相关联的瞬逝场203来工作。瞬逝场是当信号在波导中传播时创建的。光输入信号由于其电磁本质在波导周围自然地产生瞬逝场。光输入信号200在光学谐振系统附近所创建的瞬逝场203与光学谐振系统202的至少一个模式发生谐振，导致光能被转移到光学谐振系统202中。然后，光学谐振系统202优选地在希望方向发射光能，以产生光输出信号204。由光学谐振系统202创建的光输出信号204可能被衰减，但是通常保留可能已被编码在光输入信号200中的任何“信息内容”。在多个实施例中的一个实施例中，输出信号204具有轴对称的辐射图，这种辐射图对于将光输出信号耦合到光纤或其他集成光学器件中而言是理想的。

现在参考图3，其示出了使用图2的光学谐振系统的一种方法的实施例。在方框300，光学谐振系统接收光信号。在方框301中，谐振特性被用来生成第二光信号。然后，在方框302中，发射第二信号。

作为示例，光学谐振系统通常通过波导来接收光信号。该波导可以终止于光学谐振系统，或者，波导可以继续穿过光学谐振系统。在任一种情形中，延伸到波导外的瞬逝场允许光信号耦合到光学谐振系统。光学谐振系统的非对称限制外形(containment profile)可以允许光学谐振系统选择性地发射第二光信号。所发射的光信号然后可以被耦合到另一集成光学器件，或者只是光纤，以将所发射的光信号传输到另一位置。

现在参考图4，其示出了光学谐振系统的实施例的示意图。在自由空间中示出的光学谐振系统的本实施例包括电介质结构400。电介质结构400包括电介质平行平板401a～401f的第一结构、电介质同轴圆筒402a～402c的第二结构。光学谐振系统的第一结构与第二结构交叠，并且两者互相光学连通，以捕获至少一部分光输入信号。然后，第一和第二结构工作以发射输出信号。作为示例，光输出信号可以在与光输入信号正交的方向发射。

现在参考图5，其示出了本发明的光学谐振系统的多个实施例中一个实施例的截面图。光学谐振系统400包括多个平板401a～401f和多个圆筒402a～402c，它们彼此交叉，形成了具有谐振特性的中央腔500。平板401a～401f中每一个都位于x-y平面，并且沿着与x-y平面正交的z轴部分地反射光能。圆筒402a～402c中每一个都在与x-y平面平行的径向部分地反射光。通常，平板401a～401f和圆筒402a～402c是由相同的电介质材料或类似的电介质材料形成的。例如，可以使用的一种这样的电介质材料是硅。周围材料或光学衬底501具有基本平行的表面420和421，并且通常是由介电常数比构成平板401a～401f和圆筒402a～402c的材料低的电介质材料构成。在示例性实施例中，平板和圆筒的典型介电常数大约是11，周围材料的典型介电常数大约是2。然而，本领域的技术人员将认识到，许多不同的介电常数对可以用来形成光学谐振系统，并且本发明不仅仅限于所公开的介电常数。当平板401a～401f和圆筒402a～402c如图5一样组合时，平板401a～401f和圆筒402a～402c可以工作来捕获特定波长的光。根据光学谐振系统400的尺寸和材料来捕获这些波长的光，如在2002年4月16日提交的题为“RESONANT COUPLING OF OPTICALSIGNALS FOR OUT-OF-PLANE TRANSMISSION”(用于离面传输的光信号的谐振耦合)、序列号为10/123,656的美国专利申请中所描述的一样，该专利申请已被转让给本申请的受让人，并被结合于此用作参考。

被示为形成在光学衬底501中的光学谐振系统400通常可以被描述为用来将光信号重定向到离面方向的离面耦合器，更具体地说，被描述为三维分布布拉格反射器。笼统地说，光学谐振系统400通过系统的谐振特性来捕获光。光学谐振系统的特性是根据系统的尺寸以及组成系统的电介质材料的折射性质定义的。

在图5所示的实施例中，光学谐振系统400具有对称的辐射图，其基本上向所有方向辐射所捕获的光能。这种辐射图可以通过改变光学谐振系统400的结构来改变。这种光学谐振结构的改变可以通过改变光学谐振系统400的制作或者通过在制作后改变光学谐振系统来实现。

制作者可以通过形成非对称结构来改变光学谐振系统400的辐射图，这种非对称结构选择性地通过光学谐振系统400的非对称部分来辐射光能。可以通过利用非对称结构建立光学谐振系统400来实现这种非对称结构。换言之，在光学谐振系统400的制作期间，平板401a～401f或圆筒402a～402c中至少一个，或者它们的一部分可以省略，以使光学谐振系统400选择性地辐射。本领域的普通技术人员应该理解，这种非对称结构也可以通过在制作后去除平板401或圆筒402或者去除平板401或圆筒402的一部分来实现。

如图5所示，本发明的光学谐振系统400例如通过将光学谐振系统构建为轴对称谐振结构并将光学谐振系统400嵌入到集成光学器件中，也可以被用作离面耦合器。在一个实施例中，通过在光学谐振系统400中使用相对于圆筒的数目而言较少的平板对，从而实现使在光学衬底中形成的光学谐振系统400发射离开衬底表面的辐射。光学谐振系统具有相对高的Q因子，并且耦合到在邻近的平面波导核心外延伸的多个瞬逝场。光学谐振系统400还被构建为在与邻近的平面波导正交的方向发射光辐射。邻近的平面波导和中央腔之间的谐振耦合可以通过适当的设计以及这两个组件之间的相对放置来匹配，如上面引用的专利申请中所述。选择光学谐振系统在所有维数中的反射器(平板401a～401f和圆筒402a～402c)的周期数，以获得光学谐振系统400和邻近平板波导之间的足够耦合。还可以进一步选择光学谐振系统的反射器的周期数，以使得离面辐射是光学谐振系统400的主要能量损耗机制。

使用其中限制特性是非对称结构来从平面波导中引出能量具有这样的优点：按照单个谐振模式发射离面信号，该信号具有反映该谐振模式的径向对称性的轴对称辐射图。

现在参考图6，其示出了图5的光学谐振系统的第一功能的示意图。对于理解光学谐振系统400的基本操作，下述物理过程是有用的：该物理过程是这样一种机制，通过这种机制，在光衬底602中光输入信号600从邻近波导601被耦合到光学谐振系统400。图6和图7示出了典型的几何形状，其中波导模式可以是行波或驻波。

图6图示了光输入信号600通过波导601周围的瞬逝场被耦合到光学谐振系统400的实施例。这些瞬逝场激发光学谐振系统400的谐振腔模式，并且将光能从波导601转移到光学谐振系统400内。然后，光学谐振系统400从衬底的表面辐射光能，以形成第二信号。

图7图示了光输入信号600形成驻波的实施例，在衬底701中，该驻波经由波导700周围的瞬逝场将能量耦合到光学谐振系统400。光学谐振系统400通过系统的谐振性质来捕获光输入信号600的光能，并且使用该光能来创建光输出信号。光学谐振系统400然后通过衬底表面发射第二光信号。对于这些几何形状中的每一种，都假设波导模式是空间可归一化的，并且将它们的大部分能量限制在波导601和700的核心，在核心外部有可计算的瞬逝场。

现在参考图8，由于光学谐振系统400的无源本质而可适用的互换原理，该系统也可以被用来将能量从衬底表面之上的光源耦合到集成光学器件的波导中。这里，光输入信号800被引导到光学谐振系统400中。光学谐振系统400然后从光输入信号捕获能量，并生成光输出信号801，并且将光输出信号801引导到在衬底803中形成的波导802中。该实施例中的光学谐振系统可以具有基本上都辐射进波导802的非对称限制特性。本领域的技术人员会认识到，这可以通过利用径向非对称结构形成光学谐振系统400来实现。

现在参考图9，其示出了用于制造图5的光学谐振系统的方法的流程图。第一步骤900是提供衬底。在提供了衬底后，下一步骤901是形成谐振腔。在该过程中步骤901被压缩了，但是通常包括一系列以中间光刻步骤为标志的填充和回填步骤，这对本领域的技术人员是公知的。为了制作光学谐振系统400，用户还可以在本方法的步骤901期间制作波导，以制造光学谐振系统400。

这些刻蚀和回填步骤通常可以包括使用逐层方法来制作光学谐振系统。作为上述逐层方法的第一步骤，制作者可以在由第一材料(诸如二氧化硅)构成的光学衬底中刻蚀至少一个环。接着，制作者可以填充该环(或多个环)，并且用第二材料(诸如硅)沉积平板。然后，制作者可以在该平板上沉积第一材料，并且重复该过程，直至制作了希望数目的圆筒和平板。

或者，制作者可以首先在衬底上沉积一层第二材料。然后，制作者可以刻蚀第二材料层，以在衬底上形成至少一个环。接着，制作者可以沉积一层衬底的第一材料，以填充环层的缝隙。制作者然后可以沉积第二材料的平板层，刻蚀该平板，并填充平板层中的缝隙。然后，制作者可以重复这些步骤中每一步骤，直至形成了希望数目的圆筒和平板。然而，这些制作方法只是可以使用的制作方法的示例，本领域的技术人员会认识到，还有许多不同的方法来制作给定的结构。

本领域的技术人员还会认识到，平板和圆筒的数目定义了光学谐振系统的限制强度。限制强度定义了光学谐振系统400在捕获谐振信号后将谐振信号限制在光学谐振系统中的能力。这种限制强度可以根据光学谐振系统中包括的平板或圆筒数目而被增加或减小。这样，可以调节平板或圆筒的数目，以补偿每种应用的具体设计考虑。另外，本领域的技术人员会认识到，制作者可以刻蚀完整的光学谐振系统400，以便调节从谐振腔辐射的光能。

现在参考图10，其示出了用于制造图5的光学谐振系统的另一方法的流程图。第一步骤与图9所示的前一实施例相同。然而，第二步骤1000不同。步骤1000允许用户形成具有非对称结构的光学谐振系统。在制作期间不是形成完全对称的结构，而是至少省略一个或多个外侧平板或圆筒的一部分。这样，形成了非对称光学谐振系统，其将优选地向结构中的非对称部分辐射。

现在参考图11，其示出了图5的光学谐振系统的工作示例。第一结构1100包括多个平行平板401a～401f。这些平板401a～401f位于x-y平面中，并且沿与x-y平面正交的z轴方向部分地反射光能。这样，第一结构可以被称作一维(1-D)反射器。第二结构1101包括多个同轴圆筒402a～402c。圆筒402a～402c沿圆筒402a～402c的径向部分地反射光辐射。这样，第二结构可以被称作二维(2-D)反射器。

第一和第二结构1100、1101可以一起工作，而不会干扰彼此的相干行为。通过写出描述组合结构的横向电(TE)模式的方位角电场的波动方程，从而可以最好地观察到这一现象

${\▿}^2{E}_{\mathrm{\φ}}(\mathrm{\ρ},z)+k_o^2{\mathrm{\ϵ}}_{\⊥}(\mathrm{\ρ},z)E_{\mathrm{\φ}}(\mathrm{\ρ},z)=0---\left(1\right)$

其中，k_o是指定频率的自由空间k矢量，ρ是径向距离(x-y平面中)，z是沿着与径向轴正交的轴的距离，E_φ(ρ，z)是极坐标中的电场，ε_⊥(ρ，z)是第一和第二结构1100、1101的材料的相对介电常数(假设它们相同)。相对介电常数ε_⊥(ρ，z)由如下公式给出

ε_⊥(ρ，z)＝1+(ε′_⊥-1)(f₁(ρ)+f₂(z)-f₁(ρ)f₂(z))              (2)

其中

                              (3)

并且，ε′_⊥是第一和第二结构1100、1101的介电常数的常数值。注意，方程(1)除了方程(2)中的最后一项之外是完全可分离的，而这一项描述了组合的第一和第二结构的介电常数。需要该项(正比于f₁(ρ)f₂(z))，从而在平板401a～401f和圆筒402a～402c的交叉区域中不会两次计算介电常数值。如果方程(1)在ρ和z维度之间不能分离，则组成1-D反射器的平板401a～401f集合与组成2-D反射器的圆筒402a～402c集合不会独立工作。这样，1-D和2-D反射器不能被简单地组合来创建3-D限制结构。

选择适当的模式，可以将可分离性恢复到极高级别的精确度。该模式选择是TE₀谐振模式，该模式在遵循光学谐振系统400的相干设计规则时在所有平板401a～401f和圆筒402a～402c的内表面具有零电场。当电场值在光学谐振系统400的平板401a～401f和圆筒402a～402c交叉的非可分离区域中经历“双零”(从ρ和z维度)时，可分离性被恢复。这样，可以从方程中删除非可分离项。通过使用微扰(perturbative)技术，与这种近似相关联的数值误差可以表现得极小。

然而，上述方程计算了如图4所示的自由空间中的光学谐振系统。为了计算图5的光学谐振系统400的相关谐振模式，我们限制在TE₀模式，并且可以从麦克斯韦方程得到磁场

的方程。该推导的完整描述可以在上述专利申请中找到。

再参考图4和图5，光学谐振系统400的结构可以被用于希望从衬底表面引出光能的任何应用中。通过瞬逝场，光能实质上可以从任何集成光学器件耦合到光学谐振系统400，并且最终以光能的形式引导出衬底表面。这些集成光学结构可以是从波导到谐振结构之类的结构，并且可以以可计算的方式来精确控制与光学谐振系统的耦合。从衬底表面辐射出来的光能可以经由自由空间被引导到其他器件或检测器，或者被光纤有效地收集。所辐射的光能理想地适于耦合进光纤，这是因为输出光束具有圆对称性，并且光束直径与输出波长相当。另外，多个光学谐振系统400可以被制作在单个集成光学器件上。由于这些光学谐振系统400的波长特有本质，所以所有的耦合器可以在相同的波长或者在一系列波长处工作。在所有这些应用中，生产光学谐振系统400所涉及的制作步骤与通常的集成光学器件的标准生长过程一致。可以在相关集成光学器件的制作期间通过选择性刻蚀和回填来生长双材料结构。

在上述专利申请中描述了光学谐振系统的详细设计规则。光学谐振系统的一个示例包括三个圆筒和六个平板，这些平板和圆筒是由硅(κ＝11.56)制成的，而光学衬底是由二氧化硅(κ＝2.25)制成的。为了捕获具有1.55μm波长的光信号，第一圆筒402a的内径为1.140μm，并且外径为1.265μm。第二圆筒402b的内径为1.737μm，并且外径为1.860μm。最后，第三圆筒的内径为2.329μm，并且外径为2.452μm。每个平板的厚度是0.1175μm，并且除了作为中央腔边界的平板之外，每个平板之间的间距是0.310μm。作为中央腔边界的平板401c、401d之间的间隔是0.620μm。这样，在多个实施例中的一个实施例中，谐振光学腔的高度是0.620μm，半径是1.140μm，以便捕获1.55μm波长的光信号。

现在参考图12，其示出了非对称光学谐振腔。为了使得光学谐振系统400能够选择性地将光从衬底表面平面1220辐射出去，通过形成具有奇数个平板401a～401e的光学谐振系统，从而形成非对称的光学谐振系统。这样，非对称光学谐振系统1201的主要辐射机制不再是进入衬底501的径向方向，而是离开相对于衬底表面1220和1221的平面方向，如图12中辐射1202所示。

由于多种原因，计算非对称光学谐振系统1201的光辐射是困难的。在上表面去除限制边界条件排除了辐射谐振模式的解析解法。另外，辐射谐振模式是不能归一化的，这使得近似模式匹配过程行不通。结果，近似地计算图12的结构的辐射性质的最佳方法是微扰。

作为典型的示例，使用设计规则规定的结构包括十个圆筒区域和三个平板对区域，并且光学谐振系统1201和本底区域501的介电常数分别为11.56和2.25。对于没有任何非对称结构来增强离面辐射的完整光学谐振系统400，，在没有考虑材料损耗时计算得到的谐振器的Q是1.0×10⁸。这一计算得到的Q仅仅是由于进入衬底501中的径向辐射损耗所致。当然，由于材料损耗，测量得到的Q将远远低于该计算值。如果光学谐振系统400被构建为没有顶部高电介质平板区域的非对称结构，则由于计算了离开衬底的辐射，所以得到的Q为2×10⁶。换言之，由于非对称光学谐振系统1201的谐振模式，通过非对称光学谐振系统1201的上表面逃逸的能量可能比泄漏进入衬底501的能量多大约50倍。如果光学谐振系统1201被构建为没有顶部两个高电介质平板区域的非对称结构，则由于计算了离开衬底的辐射，所以得到的Q为5.7×10⁴。对于该配置，可以看到，非对称光学谐振系统1201在离开衬底的方向辐射非常强烈，辐射出衬底的能量大约是进入衬底能量的2000倍。从该示例可以清楚看到，可以在非常宽的范围上调节非对称光学谐振系统谐振模式与离开衬底的辐射场之间的耦合。

总之，通过使用带有可以形成在集成光学器件中的谐振腔的光学谐振系统，实现了有效的离面耦合器。光学谐振系统可以从集成光学器件的邻近部件(例如波导)转移光能，并且以可计算的耦合效率将其引导出光学谐振系统。另外，光学谐振系统的输出具有这样的优点：轴对称，并且光束直径与辐射波长相当。

在某些应用中，希望改变从光学谐振系统发射的谐振信号的至少一个特性。在根据本发明的实施例中，在光学谐振系统的表面形成光学结构，以改变所发射的谐振信号的特性。例如，光学结构被配置为向一部分谐振信号加入相移。因为谐振信号由具有轴对称辐射图的单个谐振模式组成，所以相移例如可以被用来对所发射的谐振信号的输出特性进行准直、扩散、引导和一般成形。光学结构也可以被用来调谐光学谐振系统的Q。

图13A示出了光学结构1302的横截面侧视图，该光学结构形成在光学谐振系统1310的表面1304上，以改变所发射谐振信号的发射特性。在图13A的示例中，光学结构1302由在光学谐振系统的顶部表面上生长的电介质材料的同心环1312a和1312b组成，其中光学谐振系统1310形成在衬底1314中。图13B示出了图13A所示的同心环1312a和1312b的立体图。选择同心环1312a和1312b的大小和放置位置，以选择性地向所发射的谐振信号的一部分加入相移。在一个实施例中，光学结构1302是通过使用与用来形成光学谐振结构1310相同的光刻制作技术，用二氧化硅形成的。

这里，参考图14～图16描述光学结构的设计考虑。图14的上半部分示出了上面参考图1～图12描述的光学谐振系统1310的一半的横截面侧视图。为了描述的目的，所示出的光学谐振系统1310不带有参考图13A和图13B描述的光学结构1302。图14所示的光学谐振系统1310被设计为使输入光信号1316在1.55μm处谐振，并且其被形成在二氧化硅的衬底1314中(二氧化硅的介电常数为2.25)。光学谐振系统的第一和第二结构401a～401e和402a～402c由纯硅构成(纯硅的介电常数是11.56)。在图14的示例性实施例中，组成光学谐振系统1310的第一结构401a～401e的圆形平板的直径大约是3μm，厚度大约是0.1175μm，并且内侧两个平板在y方向的间隔大约是0.620μm，而其余平板之间在y方向的间隔是0.310μm。组成光学谐振系统1310的第二结构402a～402c的同轴圆筒内外直径分别是大约1.140/1.265、1.737/1.860和2.239/2.452μm。同轴圆筒的间隔限定了相邻同轴圆筒之间的环形二氧化硅区域。如上所述，响应于输入光信号1316(例如，1.55μm的光信号)，在离面方向从光学谐振系统发射出谐振信号1320。在光学谐振系统的表面1304处的电场分量E_φ所具有的振幅的相位随时间振荡，并且该振幅作为离中央腔1322的中心轴1324的距离ρ的函数而指数下降。在图14的下半部分中相对于光学谐振结构1310图示了作为离中央腔1322的中心轴1324的距离ρ的函数的电场E_φ的振幅的快照。对于谐振场模式，电场振荡在光学谐振系统的每个同轴圆筒的内表面处具有零值。在场零值两侧的电场振幅符号相反，这形成了与光学谐振系统的同轴圆筒之间的环形区域相对应的具有交替极性的电场的同轴环形区域。作为电场E_φ的交替极性的结果，在垂直于衬底表面和圆形平板的方向，电场从相邻且相反极化的环形区域接收到破坏性的干涉作用。这种破坏性的干涉作用使得谐振信号的光束外形偏离衬底表面的法向平面，并且其分布是由各个环形区域的场振幅和相位支配的。

为了产生在表面法向(即，垂直于光学谐振系统和衬底的表面)更为突起的发射外形，在具有相同极性的环形区域上面形成由一组电介质环组成的光学结构。例如，如图15所示，在表现出负极性(如图14所示)的环形区域上面形成三个二氧化硅的扁平同心环结构1312a～1312c。选择同心环的厚度，使其为谐振信号的波长的函数。在图15的实施例中，同心环所形成的厚度使得向通过这些同心环的谐振信号部分加入了180度的相移(即，极性的时间相位的移动)。假设输入信号波长为1.55μm，并且这些环的介电常数是2.25，则将环的厚度设置为1.55μm，以加入180度相移。由同心环导致的180度相移有效地反转了相应环形区域中的极性，如图15的下半部分的曲线图所示。作为相移的结果，在垂直于光学谐振系统1310和衬底1314的表面1304的方向上，所发射的辐射场从所有环形区域接收到有助益的干涉作用。由于这些有助益的干涉，所发射的谐振信号的角向分布变为在衬底表面的法向更为突出。

图16示出了在光学谐振系统的表面1304处的归一化辐射强度1330和1332相对于离谐振腔的中心轴的距离ρ的关系的示例性曲线图。该示例性曲线图包括无光学结构的情形(即，环厚度＝0μm，由强度曲线1330标识)以及具有厚度为1.55μm的二氧化硅扁平同心环的光学结构的情形(由强度曲线1332标识)。如图16所示，当存在同心环时，辐射强度1332更加紧紧地集中在垂直于衬底表面的方向周围。

上述在光学谐振系统的顶部表面上形成的同心环可以被不同地配置，以获得不同的结果。例如，光学结构可以包括部分环，或者具有不同或可变厚度的环。具体地说，环与环的厚度可以不同，或者同一环的厚度可变。在图15的实施例中，选择同心环1312a～1312c的厚度，以使得从光学谐振系统的表面发出并且通过同心环的辐射除了它们在真空中传播所应该具有的相移之外，还获得180度的额外相移。虽然在该实施例中选择了180度的相移，但是可以取决于所希望的发射特性，来选择不同度数的相移。另外，同心环可以具有任何材料成分，这些材料成分影响所希望的发射特性。

使用在光学谐振系统的表面上形成的光学结构来改变所发射的辐射场还影响光学谐振结构的耦合效率。具体地说，光学结构影响相对于邻近集成光学波导结构的光学谐振系统的Q。例如，参考图14和图15所描述的光学谐振系统1310的Q在添加了同心环1312a～1312c时大大增加。因此，诸如在光学谐振系统的表面上形成的同心环之类的光学结构也可以被用在制作的最后阶段中，以调谐光学谐振系统的耦合特性。

图17示出了一种用于重定向光辐射的方法的过程流程图。在方框1702，接收到第一光信号，其具有方向分量(directional component)，并且包括至少一个波长。在方框1704，激发了具有在所述至少一个波长处的第一光信号的谐振信号。在方框1706，发射具有与第一光信号的方向分量不同的离面方向分量的谐振信号。在方框1708，一部分谐振信号被相移，以改变谐振信号的特性。

应该强调，本发明的上述实施例仅仅是实现方式的可能示例，阐述它们只是为了清楚地理解本发明的原理。在本质上不脱离本发明的原理的情况下，可以对本发明的上述实施例许多改变和修改。所有这些修改和改变都应该包括在本公开及本发明的范围之内，并且受所附权利要求的保护。

本申请涉及于2002年4月16日提交的题为“RESONANTCOUPLING OF OPTICAL SIGNALS FOR OUT-OF-PLANETRANSMISSION”(用于离面传输的光信号的谐振耦合)、序列号为10/123,656的美国专利申请。

Claims (7)

1.一种用于重定向光信号的系统，所述系统包括：

衬底(1314)，其具有基本与一个平面平行的第一和第二表面；

形成在所述衬底中的光学谐振系统(1310)，其被配置为捕获基本上平行于所述平面传播的第一光信号的至少一部分，并沿着相对于所述衬底的离面方向发射谐振信号；和

形成在所述光学谐振系统的表面上的光学结构(1302)，其被配置为改变所发射的谐振信号的特性。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述光学结构(1302)包括同心环结构(1312a、1312b)。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述光学谐振系统包括第一结构和第二结构：

所述第一结构(401)基本上平行于所述平面存在，并且沿着基本上与所述平面正交的方向反射光辐射；

所述第二结构(402)与所述第一结构交叠且光学连通，并且沿着基本平行于所述平面的方向反射光辐射；

其中所述第一和第二结构通过利用所述第一和第二结构的谐振特性在谐振腔中激发谐振信号，从而捕获基本上平行于所述平面传播的第一光信号的至少一部分，并且还沿着基本上与所述平面正交的第二方向发射所述谐振信号。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述光学结构(1302)包括同心环结构(1312a、1312b)。

5.如权利要求4所述的系统，其中在具有共同电场极性的环形区域上面形成所述同心环结构(1312a、1312b)，其中所述环形区域是同轴圆筒结构之间的区域。

6.一种用于重定向光辐射的方法，该方法包括：

在具有基本上与一个平面平行的第一和第二表面的光学系统中接收第一光信号(1702)，所述第一光信号具有基本上与所述平面平行的方向分量，并且包括至少一个波长；

响应于所述至少一个波长的所述第一光信号，激发谐振信号(1704)；

沿着相对于衬底的离面方向发射所述谐振信号(1706)；和

对沿着所述离面方向被发射的所述谐振信号的一部分进行相移，以改变所述谐振信号的输出特性。

7.如权利要求6所述的方法，还包括对所述谐振信号(1320)的在共同电场极性区域处的部分进行相移。

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