CN102105827B

CN102105827B - 光学互连

Info

Publication number: CN102105827B
Application number: CN200880130477.4A
Authority: CN
Inventors: D.A.法塔尔; D.斯图尔特; W.吴
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2028-05-23
Also published as: WO2009142646A1; JP5118772B2; JP2011521296A; US20110075966A1; EP2279440A4; KR101508029B1; KR20110014219A; CN102105827A; EP2279440A1

Abstract

一种光学互连具有基本上垂直的第一（101）和第二（103）光学波导和被设置在波导（101、103）之间并倏逝地耦合到波导（101、103）的光栅（105）。光栅（105）包括相对于第一（101）和第二（103）光学波导以约45度的角定向的多个穿孔行（107）。

Description

光学互连

背景技术

常常使用光束或光信号来在例如用于长距离电话和因特网通信的光纤系统中传送数字数据。另外，已经进行了关于使用光信号来在电路板上的电子部件之间传送数据的许多研究。

因此，光学技术在现代电信和数据通信中扮演重要角色。在此类系统中使用的光学部件的示例包括诸如发光二极管和激光器的光学源或光源、波导、光纤、透镜及其它光学装置、光检测及其它光学传感器、光学敏感半导体、光学调制器以及其它。

利用光学部件的系统常常依赖于对诸如光束的光能的精确操纵来实现期望的任务。在利用光进行两个节点之间的高速、低能量通信的系统中尤其如此。

常常使用波导来沿着预定路径路由已调制光学射束。光学波导通常能够使用全内反射的原理以最小的损耗将在波导的第一端处接收到的光学射束传送到第二端。另外，某些类型的光学波导（例如光纤）通常是柔性的，并且可以用来在拐角处或者沿着弯曲的或非直线的路径路由光学射束。

附图说明

附图示出本文所述原理的各种实施例且是本说明书的一部分。示出的实施例仅仅是示例且不限制权利要求的范围。

图1A和1B是根据本文所述原理的一个实施例的说明性光学互连的前视图和侧视图。

图2是根据本文所述原理的一个实施例的对应于光学互连的说明性动量矢量的图表。

图3是根据本文所述原理的一个实施例的光学互连中的说明性光栅图案的图表。

图4是根据本文所述原理的一个实施例的光学互连中的说明性倏逝场的侧视图图示。

图5A～5B是根据本文所述原理的一个实施例的不同配置中的说明性光学互连的前视图。

图6是根据本文所述原理的一个实施例的说明性光学互连的前视图。

图7是根据本文所述原理的一个实施例的说明性光学互连的前视图。

图8是根据本文所述原理的一个实施例的说明性光学互连的前视图。

图9是根据本文所述原理的一个实施例的说明性光学互连的前视图。

图10是根据本文所述原理的一个实施例的说明性光学系统的方框图。

图11是根据本文所述原理的一个实施例的传送光信号的说明性方法的流程图。

贯穿各图，相同的参考标号表示类似但不一定相同的元件。

具体实施方式

如上所述，光学射束可以在包括数字数据传输的多种应用中使用。在某些此类系统中，在其中由指定部件来接收或检测光学射束的光学路径中对光学射束进行引导或改向。在此类系统中，常常使用光学波导来沿着预定的路径路由已调制光学射束。

光学波导通常能够使用全内反射的原理以最小的损耗将在波导的第一端处接收到的光学射束传送到第二端。光纤是一种通常为柔性的且可以用来在拐角处或沿着弯曲或非直线的路径路由光学射束的光学波导。

在某些情况下，可能期望将通过第一光学波导传播的光学射束的一部分传输到第二光学波导中，以使得可以通过第一和第二波导两者来传送来自光学射束的数据和/或功率。还可能期望以来自光学阻抗、反射和自由空间辐射的最小损耗将光学射束耦合到第二光学波导。此外，可能期望的是提供能够容忍发送波导和接收波导之间的对准偏移的光学互连。

为了实现这些及其它目标，本说明书公开了说明性的系统和方法，在所述系统和方法中，在基本上相互垂直的第一光纤和第二光纤之间设置周期性光栅。该周期性光栅可被倏逝地耦合到第一和第二波导，并包括相对于两个波导以约45度的角定向的多个穿孔行。该光栅可以被配置为提供在不引起后向反射或自由空间辐射光学损耗的情况下将传播通过第一波导的光学能量耦合到第二波导中所需的角动量。

如本说明书和随附权利要求中所使用的，术语“光学能量”指的是具有一般在10纳米与500微米之间的波长的辐射能量。这样定义的光学能量包括但不限于紫外线、可见光和红外光。光学能量束在本文中可以称为“光束”或“光学射束”。

如本说明书和随附权利要求所使用的，术语“光学源”指的是光学能量所发源的器件。这样定义的光学源的示例包括但不限于发光二极管、激光器、灯泡和灯。

如本说明书和随附权利要求所使用的，术语“光栅”指的是其中折射率随着主体中的距离周期性地变化的主体。

如本说明书和随附权利要求所使用的，术语“倏逝地耦合”指的是至少两个对象的物理接近和取向，其中使得在每个对象中的倏逝光学传输场之间发生可感知的量的重叠。

在以下说明中，出于解释的目的，阐述了许多特定细节以便提供对本系统和方法的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可以在没有这些特定细节的情况下实施本系统和方法。本说明书中的对“实施例”、“示例”或类似语言的提及意指结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少那一个实施例中，但不一定被包括在其它实施例中。本说明书中各处的短语“在一个实施例中”或类似短语的各种实例不一定全部指代同一实施例。

现在将相对于说明性光学互连、说明性系统、说明性方法来讨论本文公开的原理。

说明性光学互连

现在参考图1A～1B，示出了说明性光学互连（100）。图1A示出说明性光学互连（100）的前视图，并且图1B示出说明性光学互连（100）的侧视图。

说明性光学互连（100）可以包括基本上相互垂直的第一光学波导（101）和第二光学波导（103）。在某些实施例中，第一和第二光学波导（101、103）可以是单独的光纤。

可以在第一和第二光学波导（101、103）之间设置光栅（105）。光栅（105）可以包括任何非吸收性（即不吸收发射的辐射）的电介质材料。可以用来制造光栅（105）的适当材料的示例包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅等。

光栅（105）还可以被倏逝地耦合到每个波导（101、103）。因此，当在波导（101、103）中的一者或两者中存在光学能量时，对应于每个波导（101、103）的光模传输或传播的倏逝区与光栅（105）的若干周期重叠。

光栅（105）可以包括相对于第一和第二光学波导（101、103）以约45度的角定向的多个穿孔行（107）。第一和第二光学波导（101、103）的垂直定向将允许径直的穿孔行（107）相对于两个光学波导（101、103）具有约45度的角，尽管光学波导（101、103）不是相互平行的。

每行（107）可以包括被基本上直线地布置的多个穿孔（109）。穿孔（109）和行（107）的尺寸、间距和周期性可以影响光栅（105）的光学性质。在本示例中，可以将光栅（105）配置为允许来自第一光学波导（101）的具有某一波长λ₁的光学射束（111）耦合到第二光学波导（103），因此产生传播通过第二光学波导（103）的具有同一波长λ₁的二次光学射束（113）。

如将相对于图2更详细地解释的，这可以通过光栅（105）在光学波导（101、103）的倏逝区中向光学能量提供补偿角动量来实现。通过改变光栅（105）中的穿孔（109）和行（107）的尺寸、间距和/或周期性，可以选择性地调谐由光栅（105）提供此补偿效果的光学能量的波长。

可以使用说明性光学互连（100）来沿着期望的路径选择性地路由光信号。例如，传播通过第一光学波导（101）的承载数据的光学射束（111）可以被部分地耦合到第二波导（103）中，以使得除耦合到第一光学波导（101）的光学部件之外或作为其替代，由被耦合到第二光学波导（103）的光学部件来接收数据。因此，在各种实施例中，还可以使用光学互连（100）来在波导（101、103）之间分割光学功率。

现在参考图2，示出了示出光栅（105，图1）的补偿效果的矢量图（200）。这些补偿效果允许第一和第二光学波导（101、103，图1）之间的光学能量的耦合。

已知的是周期性光栅（105，图1）能够在光学射束之间的相互作用中供应“虚拟光子”。这些虚拟光子本质上是光栅（105，图1）可以向光子之间的相互作用供应角动量而不是能量的思想的表达。对于将被成功地从第一光学波导（101，图1）耦合到第二光学波导（103，图1）的光学能量而言，在相互作用的光子中能量和角动量必须是守恒的。

光栅（105，图1）可以被配置为提供补偿的角动量量，其允许角动量和以扩展方式的被传输的光学能量的守恒。光栅（105，图1）的周期性可以定义可用于耦合相互作用的动量。

如图2所示，传播通过第一光学波导（101，图1）并被接收到第二光学波导（103，图1）中的光学射束（111、113，图1）中的光子的角动量可以分别被模拟为矢量k₁和k₂。由光栅（105，图1）施加给相互作用的角动量可以被模拟为矢量k_g。

用于特定模的k₁和k₂的幅值可以等于用于该特定模的有效折射率n的2π倍的乘积除以光学能量的波长λ₁，如下：

矢量k₁和k₂指向传播的方向，并因此分别指向与第一和第二光学波导（101、103，图1）相同的方向。

光栅动量矢量k_g可以指向与光栅（105，图1）中的行（107，图1）的取向相对应的方向。根据以下等式，k_g的幅值可以等于2π除以光栅周期Λ_g的商：

如图2所示，可以将光栅周期

选择为使得k_g可以在幅值方面等于组合的矢量k₁和k₂并在方向上与之相反，由此使得能够将光学能量从第一光学波导（101，图1）传输到第二光学波导（103，图1），尽管光学波导（101、103，图1）之间存在取向方面的差异。此外，可以通过保证

是最小倒易点格矢量来将光栅周期选择为避免在每个波导中传播的光的相干后向散射。

现在参考图3，示出了光栅（105）中的穿孔（109）的更近视图。光栅（105）的相邻穿孔（109）之间的最小距离通常与光栅（105）能够以自由空间辐射的方式支持的光学能量的最小波长相关。与传播通过第一和第二光学波导（101、103，图1）的光学能量的波长λ₁相比较地示出了此距离λ_g。如图3所示，光栅（105）所支持的最小自由空间波长λ_g显著大于传播通过第一和第二光学波导（101、103，图1）的光学能量的特征波长λ₁。

因此，可以选择光栅（105）的尺寸和光学射束的波长λ₁以便光栅（105）使得能够在防止由于通过光栅（105）的主体的光学能量的自由空间辐射和后向反射而引起的损耗的同时实现第一和第二光学波导（101、103，图1）之间的光学耦合。

现在参考图4，示出了说明性光学互连（100）的侧视图以及分别来自第一和第二光学波导（101、103）的近似倏逝区（401、403）。可以将倏逝区（401、403）表征为其中从传播通过光学波导（101、103）的光学射束（111、113，图1）形成倏逝波的区域。

当产生倏逝区（401、403）之间的重叠区（405）且光栅（105）提供允许角动量守恒的补偿动量k_g时，在第二光学波导（103）内可以从传播通过第一光学波导（101）的光学射束（111）引发光学射束。这样，可以将光学能量从第一光学波导（101）耦合或传输到第二光学波导（103）。

现在参考图5A～5B，示出了根据本文所述的原理的说明性光学互连（500）。在图5A和5B中，以相对于光栅（105）的不同对准示出了第一和第二光学波导（101、103）。

如果满足以下条件，则光学互连（100）可以在处于各种相对位置处的波导（101、103）之间有效地耦合光学能量：a）光学波导（101、103）基本上相互垂直地被定向，b）光栅（105）上的穿孔（109）行以相对于光学波导（101、103）成大约45度角的方式存在，c）光栅（105）被设置在光学波导（101、103）之间，以及d）在光学波导（101、103）之间被耦合的光学能量具有特征频率，光栅（105）被配置为提供用于该特征频率的补偿角动量。

因此，光学互连（500）可以容忍光学波导（101、103）相对于光栅（105）的各种对准。

现在参考图6，示出了根据本文所述原理的使用光栅（105）的另一说明性光学互连（600）。在本示例中，光学互连（600）可以用作分束器，使得传播通过源光学波导（603）的光学射束（601）可以被耦合到多个接收光学波导（605、607、609）中，从而引发与每个接收波导（605、607、609）中的原始光学射束（601）相对应的二次光学射束（611、613、615）。

现在参考图7，示出了另一说明性光学互连（700）。本示例的光学互连（700）可以包括被周期性地划分成三个不同区域（703、705、707）的光栅（701）。不同区域（703、705、707）中的每一个可以符合关于先前所述的光栅所描述的原理。然而，穿孔（709）的周期性方面的差异可以导致每个区域具有不同的k_g值，并因此使得能够实现不同特征波长下的光学耦合。

说明性光学互连（700）可以包括被配置为传播一个或多个光学射束（713）并相应地在接收光学波导（721、723、725）内引发二次光学射束（715、717、719）的源光学波导（711）。可以使每个接收波导（721、723、725）与光栅（701）的区域（703、705、707）中的一个相关联。因此，可以将每个接收波导（721、723、725）配置为接收不同特征波长下的来自源波导（711）的耦合的光学能量。

在某些实施例中，可以将源光学波导（711）配置为传播每个区域（703、705、707）所需的特征波长下的多个单独的光学射束（713），并将来自每个光学射束（713）的光学能量与其相对应的接收波导（721、723、725）耦合。

在其它实施例中，可以使用光学互连（700）作为一种波分复用器。在此类实施例中，可以通过选择性地改变通过源光学波导传播的光学射束（713）的特征波长来选择性地将光学功率和/或数据从源波导（711）路由到接收波导（721、723、725）。

现在参考图8，示出了另一说明性光学互连（800）。本示例的光学互连（800）非常类似于上述光学互连（700，图7），其中添加了两个源波导（801、803）。本光学互连（800）可以用来选择性地将光学能量从源波导（711、801、803）路由到接收光学波导（721、723、725）。

在某些实施例中，可以将每个源光学波导（711、801、803）配置为耦合到接收波导（721、723、725）中的仅一个。可替换地，可以将每个源光学波导（711、801、803）配置为传播多个波长的光学能量。

现在参考图9，示出了具有多个源光学波导（901、903、905）和多个接收光学波导（907、909、911）的根据本文所述原理的说明性光学互连（900）。设置在源光学波导（901、903、905）与接收光学波导（907、909、911）之间并倏逝地与它们相耦合的光栅（913）可以包括多个区域（915-1至915-9），区域（915-1至915-9）中的每个具有特有的穿孔（917）周期性。

区域（915-1至915-9）中的每个可以对应于单个源波导（901、903、905）与单个接收波导（907、909、911）的交叉点且被设置在其之间。因此，可以使用光学能量的特有波长来在每个交叉点处在源波导（901、903、905）与接收波导（907、909、911）之间耦合光学能量。这样，可以使用本光学互连（900）来实现利用每个源波导（901、903、905）与每个接收波导（907、909、911）之间的特有寻址的光学复用器。

说明性光学系统

现在参考图10，示出了说明性光学系统（1000）的方框图。说明性系统（1000）包括被耦合到光学互连（1005）的多个光学源（1001-1至1001-4）和多个光学接收机（1003-1至1003-4）。光学互连（1005）可以被配置为将由光学源（1001-1至1001-4）产生的光学射束选择性地路由和/或分离到光接收器（1003-1至1003-4）中。

可以将每个光学源（100-1至1001-4）配置为以特有的特征波长产生光学射束。光学源（1001-1至1001-4）可以包括但不限于发光二极管、二极管激光器、垂直腔表面发射激光器（VCSEL）以及可以适合特定应用的任何其它光学源。光学源（1001-1至1001-4）可以被耦合到调制元件（未示出），该调制元件选择性地对光学源（1001-1至1001-4）进行激活和去激活以将数据编码到由光学源（1001-1至1001-4）产生的光学射束上。

每个光接收器（1003-1至1003-4）可以被配置为检测光学能量并输出与接收到的光学能量的强度、持续时间和/或波长相对应的电信号。在某些实施例中，光接收器（1003-1至1003-4）可以包括光电二极管和/或可以适合特定应用的任何其它光学传感器。可以使用解调电路来从由光接收器（1003-1至1003-4）产生的电信号的变化提取数字数据。

光学互连（1005）可以与在本说明书中描述的其它光学互连一致，因为互连（1005）被配置为使用符合关于图1～9所述的原理的光栅（913）在源波导与接收波导之间无源地耦合光信号。每个光学源（1001-1至1001-4）可以被耦合到光学互连（1005）中的相应的源光学波导，并且每个光接收器（1003-1至1003-4）可以被耦合到光学互连（1005）中的相应的接收光学波导。

说明性方法

现在参考图11，示出了光学传输的说明性方法（1100）的方框图。方法（1100）包括提供（步骤1101）第一光学波导和提供（步骤1103）与第一光学波导垂直的第二光学波导。在某些实施例中，光学波导可以包括一股或多股光纤。

然后提供光栅（步骤1105）。该光栅可以被设置在第一和第二光学波导之间并倏逝地与它们相耦合，该光栅具有与光学波导成约45度角的穿孔行。

然后可以通过第一光学波导来传送（步骤1107）第一光学射束，并且可以在第二光学波导中接收（步骤1109）相应的第二光学射束。

提出前述说明仅仅是为了示出和描述所述原理的实施例和示例。本说明并不意图是排他性的或使这些原理局限于所公开的任何精确形式。根据上述讲授内容，可以有许多修改和变更。

Claims

1.一种光学互连，包括：

基本上垂直的第一（101）和第二（103）光学波导；以及

光栅（105），其被设置在所述第一（101）和第二（103）光学波导之间并倏逝地耦合到所述第一（101）和第二（103）光学波导；

其中，所述光栅（105）包括相对于所述第一（101）和第二（103）光学波导以约45度的角定向的多个穿孔行（107），以及其中，所述光栅（105）具有周期性，所述周期性被配置为提供补偿的角动量量以在所述第一（101）和第二（103）光学波导之间耦合具有某波长的光学能量，其中所述周期性被选择为使得在所述第一（101）和第二（103）光学波导之间耦合光学能量时光子在所述第一（101）和第二（103）光学波导中的角动量之差为所述光栅（105）的最小倒易点格矢量。

2.权利要求1的光学互连，其中，所述第一（101）和第二（103）光学波导中的每一个包括至少一股光纤。

3.权利要求1的光学互连，其中，所述光栅（105）包括非吸收性的电介质材料。

4.权利要求1的光学互连，还包括被耦合到所述第一光学波导（101）的光学源（1001）。

5.一种光学互连，包括：

至少一个源光学波导（603）；

多个基本平行的接收光学波导（605、607、609），所述接收光学波导（605、607、609）基本上垂直于所述源光学波导（603）；以及

光栅（105），其被设置在所述源光学波导（603）和接收光学波导（605、607、609）之间并倏逝地耦合到所述源光学波导（603）和接收光学波导（605、607、609）中的每一个，所述光栅（105）包括多个穿孔（109）行（107），所述行（107）相对于所述源光学波导（603）和接收光学波导（605、607、609）以约45度的角被定向；

其中，所述光栅（105）包括具有特有周期性的多个区域（915），所述多个区域（915）被配置为在单个源光学波导（603）和接收光学波导（605、607、609）之间耦合光学能量，以及其中，所述周期性被配置为提供补偿的角动量量以在所述至少一个源光学波导（603）与所述接收光学波导（605、607、609）中的至少一个之间耦合具有某波长的光学能量，其中所述周期性被选择为使得在所述至少一个源光学波导（603）与所述接收光学波导（605、607、609）中的所述至少一个之间耦合光学能量时光子在所述至少一个源光学波导（603）与所述接收光学波导（605、607、609）中的所述至少一个中的角动量之差为所述光栅（105）的最小倒易点格矢量。

6.权利要求5的光学互连，其中，所述光栅（105）包括小于所述波长的周期性尺寸。

7.权利要求5的光学互连，其中，所述光学波导（603、605、607、609）中的每一个包括至少一股光纤。

8.权利要求5的光学互连，其中，所述光栅（105）包括非吸收性的电介质材料。

9.权利要求5的光学互连，其中，所述互连被配置为将来自所述至少一个源光学波导（603）的光信号复用到所述接收光学波导（605、607、609）。

10.一种光学互连方法，包括∶

提供基本上相互垂直的第一（1101）和第二（1103）光学波导；

提供被设置在所述第一（1101）与第二（1103）光学波导之间并倏逝地耦合到所述第一（1101）与第二（1103）光学波导的光栅（1105），所述光栅包括相对于所述第一和第二光学波导以约45度的角定向的多个穿孔（109）行（107），其中，配置所述光栅的周期性来提供补偿的角动量量，以在所述第一和第二光学波导之间耦合具有某波长的光学能量；以及

通过所述第一光学波导来传送光学射束（111），

其中，所述周期性被选择为使得在所述第一和第二光学波导之间耦合光学能量时光子在所述第一和第二光学波导中的角动量之差为所述光栅的最小倒易点格矢量。

11.权利要求10的方法，其中，用数据来调制所述光学射束（111）。

12.权利要求10的方法，还包括在所述第二光学波导中接收（1109）与传送通过所述第一光学波导的所述光学射束（111）相对应的二次光学射束（113）。