CN102792200A

CN102792200A - 光学星形耦合器

Info

Publication number: CN102792200A
Application number: CN2010800655944A
Authority: CN
Inventors: D.A.法塔尔; M.R.T.谭; M.菲奥伦蒂诺; H.P.扩; W.V.索林
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2012-11-21
Also published as: EP2548060A1; WO2011115624A1; US8678600B2; US20130003185A1; TWI447453B; EP2548060A4; TW201137418A

Abstract

光学器件（15；25；315；325；345；400；500；600；700；800）可以包括具有两侧的透光介质（450；550；650；750；850）。在一侧可以是高反射镜（430；530；630；830），而在另一侧可以是多个部分反射镜（460-466；560-566；662-666；860-870），这些部分反射镜可以是导模共振或纳米点镜。光学系统（25；315；325；345；500；600；700；800）可以具有多个光输入、透光介质（550；650；750；850）、以及来自透光介质（550；650；750；850）的多个光输出。透光介质（550；650；750；850）可以在一侧具有高反射镜（530；630；830）并在第二侧具有多个部分反射镜（560-566；662-666；860-870）。

Description

光学星形耦合器

背景技术

光学耦合器是可具有单个光输入和一个或多个光输出的光学器件。光学星形耦合器（或分光器）一般具有N（N≥2）个输出，并且通常称作1×N星形耦合器。其可以在用于将数据流从单个源分发至多个输出的应用中使用。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的1×N星形耦合器的概念图解；

图2A-2B是根据本发明的实施例的提供M×N个输出的星形耦合器的概念图解；

图3A-3C是根据本发明的实施例的星形耦合器系统的概念图解；

图4是根据本发明的实施例的星形耦合器的概念图解；

图5A-5B是根据本发明的其他实施例的星形耦合器的概念图解；

图6是根据本发明的其他实施例的星形耦合器的概念图解；

图7A-7B是图示根据本发明的实施例的设计参数的星形耦合器的概念图解；以及

图8A-8B描述了操作中的本发明的实施例的蒙特卡洛仿真的结果。

在被认为适当的情况下，可以在附图当中重复附图标记以指示对应或相似的元素。此外，可以将图中所示的一些框组合成单个功能。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，阐述了许多具体细节，以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他实例中，并未详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以便不使本发明晦涩难懂。

可以在多种应用中使用本发明的实施例。尽管本发明在该方面不受限制，可以在诸如光纤通信系统、光纤有线TV系统、大型计算机、服务器计算机、个人计算机（PC）、消费电子产品、以及许多产品和系统中的集成电路等之类的许多设备中使用这里公开的电路和技术。

现在参照图1，图1是根据本发明的实施例的1×N星形耦合器15的概念图解。单个输入被分为N个输出（该图示出了N=6）。该图中的线的粗度与输入和输出线的相对功率量相对应——每一个输出可以提供输入的功率的近似1/N。如以下将讨论的，根据星形耦合器的制造参数，输出不一定在功率上相等（或者甚至，在功率上基本相等）。

现在参照图2A-2B，图2A-2B是根据本发明的实施例的提供M×N个输出的星形耦合器25的概念图解。星形耦合器25具有M个输入（在图2A中被示为M=4），并且每个输入可以生成N个输出（在图2A中被示为N=6）。因此，星形耦合器25可以生成M×N个输出的阵列（在图2A和2B中被示为4×6=24）。图2B示出了星形耦合器25的输出面的正视图。注意，该M×N输出配置与具有M个输入和N个输出的通常称为“M×N星形耦合器”的配置（参见例如美国专利号5,140,655）不同。尽管所述输出以矩形阵列示出，但是不同形状的阵列也是可能的，诸如圆形、卵形、椭圆形等。

现在参照图3A-3C，图3A-3C是根据本发明的实施例的不同规模（scale）的星形耦合器系统的概念图解。在图3A中，星形耦合器系统310可以是具有光源312、光纤输入314、星形耦合器315、光纤输出316a-f和目的地318a-f的广播网络（例如电话、TV、互联网等）。光源312可以是有线TV系统的首端（或头端）、电话系统的本地局、或者因特网广播系统中的因特网服务提供商（ISP）的局、或者现场的中间光源。在每一种情况下，可以是激光器或其他光源的光源312可以将光（或光脉冲）提供给光纤输入314，光纤输入314可以是光纤线缆或其他纤维介质或波导。根据光源312与星形耦合器315之间的距离，沿途可以存在光或电放大器。星形耦合器315可以是1×N耦合器或者具有M×N个输出，不过为了容易图示，其在图3A中示为1×6耦合器，其中，单个光纤输入314被分为六个输出316a-f。然后，将六个输出316a-f中的每一个路由至目的地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架构中可能发现的。

图3B图示了星形耦合器系统330，其规模比系统310小。系统330包括计算机320，计算机320容纳光源322、星形耦合器325和目的地328a-f。例如，计算机320可以是台式或膝上型PC或者大型计算机或服务器计算机。与在系统310中一样，星形耦合器325可以是1×N耦合器或者具有M×N个输出。光源322可以是激光器，其输出由想要将数据发送至计算机的其他部分的微处理器控制。光源322可以经由光纤输入324（诸如波导或光纤）耦合至星形耦合器325。目的地328a-f可以是计算机中的模块（例如存储模块、显示模块、存储器模块等）、单独芯片或集成电路、或者其他星形耦合器。目的地328a-f还可以直接耦合至计算机320的光输出（或者经由缓冲器耦合至计算机输出），使得可以使光输出在计算机外可用，例如作为CD或DVD播放器的输入。星形耦合器系统330的一个示例可以是光背板配置。

图3C图示了星形耦合器系统350，其规模比系统330小。在这种情况下，可以在集成电路340内发现系统350。系统350可以包括光源342、星形耦合器345和目的地348a-f。集成电路340可以是单个集成电路芯片、片上系统（SoC）、系统级封装（SiP）或其他小规模系统。与在系统310和330中一样，星形耦合器345可以是1×N耦合器或者具有M×N个输出。光源342可以是激光器或LED，其输出可以由处理器或控制器控制，该处理器或控制器期望将数据或信息发送至集成电路340的其他部分。光源342可以经由光纤输入344耦合至星形耦合器345，光纤输入344可以是光波导或光纤。目的地348a-f可以是集成电路中的模块（例如，存储块、I/O块等）或者其他星形耦合器。目的地348a-f还可以直接耦合至集成电路340的光输出（或者经由缓冲器耦合至集成电路输出），使得可以使光输出在集成电路外可用。

现在参照图4，图4是根据本发明的实施例的星形耦合器400的概念图解。该图示出了星形耦合器如何使用夹在透光介质周围的高反射镜（high reflectivity mirror）和部分反射镜（partial reflectivity mirror）来针对单个输入生成多个输出。更具体地，透光介质450被示为在一侧具有高反射镜430并在另一侧具有部分反射镜460-466。镜的一种布置可以是：部分反射镜460-466在Z方向上具有渐进降低的反射率或反射比（或者可替换地，渐进提高的透射比或透射率），以使得输出480-488可以具有基本上相等的功率，如果如此期望的话。镜的其他布置得到不同的输出光功率。在图4中还示出了透镜410，透镜410可以用于聚焦和准直（collimate）从光源405输出的光。部分反射镜可以是与偏振无关的并可以处理单模式或多模式输入。

透光介质450（有时称为衬底或平板）可以由石英或玻璃（SiO₂）制成，石英或玻璃（SiO₂）具有等于约1.5的折光率（折射率）n。部分反射镜460-466和高反射镜430可以由折射率大于透光介质450的折射率的介电材料制成。这种材料的示例是：硅（Si），其中，n~3.4；以及氮化硅（Si₃N₄），其中，n~2。可以通过调整介电层的数目来针对镜实现不同反射率——典型地，更多层提供更高反射率。这些介电镜可以沉积在衬底上或胶合在衬底上。

存在制造部分反射镜的其他方式。部分反射镜460-466可以是导模共振（GMR）镜。GMR镜可以通过在衬底上沉积或生长折射率比该衬底的折射率更高的材料（例如Si或Si₃N₄）来构造。更高折射率层具有比该镜预期反射的光的波长更小的厚度。然后，对高折射率层进行蚀刻，以形成子波长光栅，该子波长光栅可以是一维的（例如，槽的集合）或二维的（例如，孔或柱的阵列）。根据期望使光束倾斜还是聚焦，该光栅可以是周期性的或非周期性的。此外，不同的光栅可以产生不同的反射率。

因此，这些GMR镜不同于以上以多种方式提及的介电镜并相对于这些介电镜具有特定优势。首先，典型地，GMR镜具有仅一层。可以根据光栅图案以不同角度从GMR镜反射光，可以使用包括平面硅技术的平面技术来构造GMR镜，并可以在光刻工艺期间产生GMR镜的不同反射率。此外，GMR镜可以被设计为充当曲面、抛物面镜以及“倾斜”镜，以便引导和/或聚焦光束。这些特征简化了星形耦合器的布局和镜的对准，从而使得星形耦合器的制造更便宜。例如，在序列号为PCT/US2009/051026、名称为“Non-Periodic Grating Reflectors With Focusing Power And Methods For Fabricating The Same”、于2009年7月17日提交的共有专利申请中公开了制造这些GMR镜的方法，该共有专利申请的公开以参考的方式并入于此。

制造部分反射镜的另一种方法是使用“纳米点”技术。“纳米点”（有时称为“量子点”）是由可沉积在衬底（诸如，透光介质450）上的金属或介电材料制成的子波长点（纳米量级），其中，这些点的开放区域提供了透射，而相反，这些点的闭合区域提供了反射。可替换地，可以从沉积在衬底上的材料中蚀刻出纳米点，以创建纳米点光栅。例如，纳米点可以由Si或Ge或ZnO制成。纳米点镜提供了对光波的最小扰动（与波长上点图案相比）。

与可以制造部分反射镜的方式类似，可以以多种方式制造高反射镜430。这些方式包括沉积介电材料层以形成镜，沉积连续的金属层或者使用GMR技术，如上所述。

图4的图示出了1×N星形耦合器，其中N=5，但是N可以是大于1的任何数字。N的典型数字可以是6至8，但是，根据输入激光功率、期望输出光功率、以及部分反射镜的相对反射率，N没有理由不可以多达12或15。此外，星形耦合器400被示为具有彼此均匀间隔的输出。例如在来自星形耦合器的光耦合至用于将输出光传输至目的地的均匀间隔的光纤中的情况下，这是设计选择。典型间隔可以是250 μm（0.25 mm），不过其他间隔也是可能的，并且尤其依赖于对输出纤维可用的空间量、输出纤维的大小等等因素。如从图4中可见，输出的数目与部分反射镜的数目相对应——输出一般比部分反射镜多一个，但是可以存在与部分反射镜相同数目的输出。

此外，星形耦合器可以包括多个输入M，多个输入M可以产生M×N个输出，其实施例在图5A和5B中示出。图5A示出了具有通过M=4个透镜510a-d来透射光的M=4个光源505a-d的星形耦合器500，然后，该光进入透光介质550。图5B示出了向高反射镜530部分地反射光并将部分光透射至输出（为了清楚，其被示为简单的箭头）的部分反射镜560a-d至566a-d。如上所讨论，镜的反射率可以在Z方向上渐进降低，以使得输出处的相对功率可以被控制，并且如果需要可以基本上相同。此外，图5B示出了M×N输出阵列可以在一个或两个维度上具有均匀间隔，其中，水平间隔可以但不必等于垂直间隔。因此，具有250 μm间隔的6个输入和6×12个输出的生产中的星形耦合器可以具有大约为5mm × 5 mm × 1 mm厚的大小。如从图5B中可见，输出的数目与部分反射镜的数目和输入的数目相对应。例如，对于每个输入，输出可以比部分反射镜多一个（例如，对于N个输出，可以存在N-1个部分反射镜，而对于M×N个输出，可以存在M × (N-1)个部分反射镜），但是可以存在与部分反射镜相同数目的输出。

现在参照图6，图6是根据本发明的其他实施例的星形耦合器600的概念图解。星形耦合器600与星形耦合器400类似，但代替透镜410，星形耦合器600包括还充当准直仪的高反射镜660。高反射镜660可以是GMR镜，GMR镜可以被设计为对光进行准直和引导。镜662-666和630可以分别与镜462-468和430相同。该实施例的一个优势在于：其可以比包括准直透镜（诸如透镜410）的情况更容易、更便宜且更坚固地制造高反射镜660。注意，由于输出镜之一现在是高反射镜，因此少一个来自星形耦合器的输出。如果需要，可以通过修改镜662-666的反射率来调整从输出680-686发射的功率以占用更少的输出。在星形耦合器600的情况下，N个输出与N-1个部分反射镜相对应。

正如可以通过使用高反射镜660代替透镜410和部分反射镜460来修改1×N星形耦合器400以产生1×N星形耦合器600那样，可以修改M×N输出耦合器500以使用高反射镜。一个这种实施例可以具有还替代部分反射镜560a-d和透镜510a-d充当准直仪的高反射镜。注意，由于对于每个输入而言输出镜之一现在是高反射镜，因此对于每个星形耦合器输入而言少一个输出。可以通过修改镜562-566的反射率来调整从这些输出发射的功率。在修改后的星形耦合器500的情况下，M×N个输出与M×(N-1)剩余部分反射镜相对应。

现在参照图7A-7B，图7A-7B是图示根据本发明的实施例的设计参数的星形耦合器700的概念图解。星形耦合器700可以具有折射率为1.5的透光介质750，并可以是1×N耦合器或者具有M×N输出。如果知道输出之间的垂直间隔d和透光介质750的宽度L，则可以求解光束的入射角θ_i和θ_t如下。从图7A中可见：

斯涅耳定律使两个折射率之间的界面处的入射角与折射角相关，并陈述为：

其中n=相应介质的折射率，并且θ=光的入射角（在这种情况下，下标i代表空气，而下标t代表透光介质）。因此，根据斯涅耳定律：

。

对于n_i=1和n_t=1.5以及L和d的具体值，可以从等式（1）和（3）导出表1中的以下值：

。

在图7B中，星形耦合器700可以以一定角度放置，以使得输入和输出射线是水平的。光从透光介质750的一侧行进至另一侧的距离这一参数s等于，产生表2中的以下值：

。

将坐标A、B、C和D添加至图。如果假定A的坐标为(0,0)，则B的坐标为

且C的坐标为

。图7A和7B示出了例如如何倾斜介电或纳米点镜可以提供本发明的实施例的优点。GMR镜还可以以一定角度放置，或者可以被设计为在实际上其本身不倾斜的情况下使光束倾斜。

现在参照图8A-8B，图8A-8B描述了操作中的本发明的实施例（1×7星形耦合器800）的蒙特卡洛仿真的结果（不过可以对具有M×N个输出的耦合器执行仿真）。光源805是R=10 μm、数值孔径（NA）为0.12且输出功率为1 mW的垂直腔面发射激光器（VCSEL）（在生产中，星形耦合器可以从具有0.5-100 mW范围内的输出功率的源接收光）。透镜810可以是型号为P1L12A-C2的OMRON透镜。下表示出了仿真中使用的部分反射镜860-870中的每一个的反射比以及输出880-892处的所得输出功率（注意，尽管在抽头7（输出892）处不存在镜，但是透光介质850与空气之间的反射比为4%）：

最高输出功率与最低输出功率之比为116/80 = 1.45，这可以被视为基本上均匀。

图8B示出了作为蒙特卡洛仿真的结果的星形耦合器800的第一输出（输出880）的输出图案。检测器840的大小为0.2 mm × 0.2 mm，并且所有光落在中心0.1 mm × 0.1 mm内，因此，使星形耦合器800的输出间隔开250 μm（0.25 mm）不会使输出降级。该标度示出了较高辐照点出现在距中心约0.025 mm且0.0125 mm宽的环面中。

总之，描述了可提供来自单个输入的N个输出或在2D阵列中来自M个输入的M×N个输出的光学星形耦合器。可以使用具有随着光传播通过星形耦合器而渐进降低的反射率的部分反射镜来创建输出抽头。这些部分反射镜可以是介电导模共振（GMR）镜或纳米点镜。GMR镜具有恒定厚度，并且可以通过在其上蚀刻子波长光栅来调谐其反射率。根据本发明的实施例的星形耦合器可以更简易、更坚固且更便宜地制造。GRM镜可以对光进行准直，因此，一个GMR镜可以用作高反射准直镜，以消除对使用单独准直透镜的需要或期望。此外，GMR镜可以被倾斜或引导光束的曲率或相前，以便在物理上不改变镜的定向的情况下改变从耦合器的出射角。还可以实现其他或不同优点。

以上讨论意在说明本发明的原理和各个实施例。一旦充分理解了以上公开，许多变型和修改对本领域技术人员来说将变得显而易见。意在将以下权利要求解释为涵盖所有这些变型和修改。

Claims

1.一种光学器件（15；25；315；325；345；400；500；600；700；800），包括：

具有第一侧和第二侧的透光介质（450；550；650；750；850）；

高反射镜（430；530；630；830），布置在所述透光介质（450；550；650；750；850）的所述第一侧上；以及

多个部分反射镜（460-466；560-566；662-666；860-870），沿所述透光介质（450；550；650；750；850）的所述第二侧布置，

其中，所述部分反射镜（460-466；560-566；662-666；860-870）包括导模共振或纳米点镜。

2.根据权利要求1所述的器件，还包括布置在所述第二侧上的高反射镜（660），用于将光反射和准直至所述透光介质（450；550；650；750；850）。

3.根据权利要求1所述的器件，还包括：透镜（410；510；810），用于将光准直至所述透光介质（450；550；650；750；850）。

4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述部分反射镜（460-466；560-566；662-666；860-870）中的至少一个充当倾斜镜（图7）。

5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述部分反射镜（460-466；560-566；662-666；860-870）中的至少一个充当曲面镜。

6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述部分反射镜（460-466；560-566；662-666；860-870）具有渐进降低的光反射率。

7.一种光学系统（25；315；325；345；500；600；700；800），包括：

用于接收光的多个光输入（图2A；图5A）；

具有第一侧和第二侧的透光介质（550；650；750；850），所述透光介质（550；650；750；850）经由所述光输入（图2A；图5A）来接收光；

高反射镜（530；630；830），布置在所述透光介质（550；650；750；850）的所述第一侧上；

多个部分反射镜（560-566；662-666；860-870），沿所述透光介质（550；650；750；850）的所述第二侧布置；以及

来自所述透光介质（550；650；750；850）的多个光输出（图2A-2B；图5B），与所述多个部分反射镜（560-566；662-666；860-870）相对应。

8.根据权利要求7所述的系统，还包括：多个透镜（510a-d），每个透镜用于将光准直至所述多个光输入（图5A）中的每一个。

9.根据权利要求7所述的系统，还包括：多个高反射镜（660），布置在所述透光介质（550；650；750；850）的所述第二侧上，用于将光反射和准直至所述透光介质（550；650；750；850）。

10.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个光输出（图2A-2B；图5B）以二维M×N阵列（图2A-2B；图5B）布置。

11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述光输出（图2A-2B；图5B）处的功率基本上均匀。

12.根据权利要求7所述的系统，其中，所述部分反射镜（560-566；662-666；860-870）包括导模共振镜。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述导模共振镜中的至少一个充当倾斜镜（图7）。

14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述导模共振镜中的至少一个充当曲面镜。

15.根据权利要求7所述的系统，其中，所述部分反射镜（560-566；662-666；860-870）包括纳米点镜。