CN103959117A - 光学连接器 - Google Patents

Abstract

描述了与光学连接器有关的技术。箍包括供光传输通过所述箍的光学通路。在示例中，子波长光栅(SWG)组件被集成在该箍中，并且与该光学通路的末端对准。

Description

光学连接器

背景技术

许多应用依赖于发送和接收相对多数量的数据。基于利用光进行数据传输的技术是一种提供高网络带宽的适宜替代选择。存在利用光进行信息传输的大量设备。例如，光纤能够跨很长距离传输数据，提供高网络带宽。此外，光子集成电路(PIC)集成了用于提供针对光信号的功能的多个光子功能元件。

光学连接器可以在光通信系统中需要连接/断开能力的情况下使用。例如，光学连接器可以用于在系统内连接装备、互相连接光纤或者交叉连接光缆。在光学连接器中，配合箍可以将光纤接收在固定位置，使两条光纤以同轴对准方式配合，以实现互连。箍是包括供光传输通过该箍的一条或多条光学通路的一块适合材料。例如，这种光学通路可以包括适于接收光纤供光通过该箍的孔。

在诸如数据通信和电信应用的许多应用中，存在一种朝向可以以降低的制造成本批量生产的小型连接器发展的趋势。此外，针对一些特殊应用，方便的是在连接器中提供促进连接器的可靠性或更多功能的附加光学部件。

附图说明

为了可以更好地理解本公开，现在将参照附图描述各个示例。

图1A是根据一示例的箍和从该箍分离的SWG组件的示意性透视图。图1B是根据一示例的包括具有联接至其上的SWG组件的箍的光学连接器子组件的示意性透视图。

图2A是根据一示例的连接器外壳和从该外壳分离的图1B的连接器子组件的示意性透视图。图2B是根据一示例的包括联接至外壳的连接器子组件的光学连接器的示意性透视图。

图3A是根据另一示例的箍和从该箍分离的SWG组件的示意性透视图。图3B是根据另一示例的包括具有联接至其上的SWG组件的箍的光学连接器子组件的示意性透视图。

图4A是根据又一示例的箍和从该箍分离的SWG组件的示意性透视图。图4B是根据又一示例的包括具有联接至其上的SWG组件的箍的光学连接器子组件的示意性透视图。

图5A是包括处于连接状态的连接器和互补光学设备的光学系统的透视图。图5B是沿在操作中的图5A所示光学系统的线A-A的剖视图。

图6是描述用于制造波导连接器的工艺流程的示意图。

图7示出根据一示例被配置有光栅图案的子波长(SWG)层的俯视图。

图8示出根据一示例的SWG的剖视图。

图9示出根据一示例的用于图示可以如何改变所传输的波前的处于操作中的SWG层的剖视图。

图10是根据另一示例的用于光束传输的处于操作中的互连光学系统的一部分的示意性剖视图。

在各图中，为了图示清楚起见，放大了层和区域的尺寸。

具体实施方式

在下文中，阐述了大量细节，来提供对本文公开的示例的理解。然而，应理解的是，在没有这些细节的情况下，也可以将这些示例付诸实践。此外，在下面的详细描述中，参考其中借助于图示示出各个示例的附图。在这点上，参照被描述的各图的方位使用诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”等之类的方向术语。由于所公开的部件可以以若干种不同方位来放置，因此方向术语是为了图示目的而使用，决不是限制性的。在各图中，为了图示清楚起见，放大了层和区域的尺寸。针对各图的相同和相应部分，使用相同的附图标记。尽管图示了有限数量的示例，但应理解的是，存在从这些示例引出的大量修改和改动。

在下文中，术语“光”是指波长位于电磁频谱的可见和不可见部分内的电磁辐射，包括电磁频谱的红外和紫外部分。术语“光束”是指包括一个或多个光谱成分的光的束。术语“波前”是指光束中具有相同相位的点的轨迹(即线或以三维方式传播的波的面)。术语“堆”是指层的有序堆积。隔离片可以介于堆的层之间。应理解的是，当一层或薄膜被提及或被示为位于两层或两个薄膜“之间”时，其可以是这两层或两个薄膜之间的唯一层或薄膜，或者也可以存在一个或多个中间层或薄膜。

如上所阐述的，存在一种朝向可以以降低的制造成本批量生产的小型连接器发展的趋势。此外，连接器可以包括用于促进可靠性或更多功能的附加光学部件。

例如，常规的装置可以包括被布置为实现光束扩展的透镜装置。这种透镜装置被配置为(i)扩展从输入光学通道发射的光束，并且(ii)将扩展的光束耦合到连接器的输出光学通道中。连接器可以包括用于机械封装光传输元件的箍。更为具体地，箍是包括供光传输通过该箍的一条或多条光学通路的一块适合材料(例如但不限于玻璃、陶瓷、塑料或金属)。箍可以通过浇铸或任何其它适合的制造方法来形成。如本文中使用的，“光学通路”是促使光信号传输通过箍的任何适合的箍结构或箍部件。作为示例，光学通路可以适于接收光纤或者任何其它类型的用于承载光信号的光波导。此外，光学通路可以适于接收有源设备，例如但不限于：垂直腔面发射激光器(VCSEL)、光电探测器(例如光电探测器)或任何其它有源光学设备。

一般而言，如果包括附加光学元件，则需要使箍在几何学上适配于将这些光学元件集成在一起。集成光学部件可能会对箍的制作过程构成特定的几何约束，这可能严重影响连接器的制造成本。此外，集成附加光学部件可能导致连接器的设计庞大，当集成具有对箍构成限制性几何约束的形状的透镜时是这种情况。

本文的示例图示了在箍中集成子波长光栅(SWG)组件。SWG组件与箍的光学通路的末端对准。

SWG组件包括被布置为实现连接器中的特定光学功能的一个或多个SWG层，特定光学功能例如但不限于：光束聚焦、光束扩展、光束分离、光束频谱成分过滤、光束偏振或光束控制(例如光束的偏转)。SWG层是指包括栅距足够小以抑制除零级衍射之外的所有衍射的衍射光栅的层。与此相反，常规波长衍射光栅的特点在于栅距足够大以引入入射光的较高级衍射。换言之，常规的波长衍射光栅将光分离为沿不同方向行进的若干光束，并使光发生衍射。SWG层的栅距可以从10nm至300nm或从20nm至1μm范围内变化。通过在制造时适当地选择SWG衍射结构的尺寸，可以确定SWG层如何使入射光发生衍射。

SWG组件有助于在光学连接器中实现很多种光学功能。更为具体地，如在“配置子波长光栅”部分中例示的，SWG装置可以提供与常规光学设备(例如透镜、棱镜、光束分离器、光束滤波器或偏振器)类似的光学功能，而不破坏连接器的光学性能。

除提供光学功能之外，SWG光栅可以被制作为相对简单的形状，该形状有助于(a)箍的集成，而不强加明显增加制造成本的几何约束，以及(b)连接器的小型设计。更为具体地，SWG光栅可以由具有平面形状的薄层构造而成。具有薄平面形状特点的SWG装置有助于连接器的集成，如下面在“连接器”部分中例示的。与此相反，常规光学部件的特点可能在于比较难以集成的形状(例如透镜装置的凸状或凹状)。

将下面的描述分为多个部分。标为“连接器”的第一部分例示连接器和连接器部件的示例。标为“制造连接器”的第二部分描述制造连接器的方法的示例。标为“配置子波长光栅”的第三部分描述可以在如本文描述的连接器部件中实现的SWG的配置的示例。标为“SWG组件”的第四部分描述可以在如本文描述的连接器部件中实现的SWG组件的示例。

连接器：图1A和图1B图示光学连接器子组件104的示例，其中SWG组件100可以通过被引入到在箍102中建立的塞孔110而集成到该箍中。图1A是描述箍102与SWG组件100的示意性透视图。图1A图示了处于分离状态的这些元件。图1B是包括集成在箍102中的SWG组件100的光学连接器子组件104的示意性透视图。

箍102包括形成为适于接收光纤107的开口的光学通路106。在例示的示例中，光纤107被例示为安装在箍102中。应理解的是，可以提供在光学通路中没有接收波导元件(例如光纤)的箍。例如，光纤107可以在SWG组件100集成在箍102中之后被安装。此外，如上所述，通路106可适于接收各种波导类型，例如但不限于介质板波导、条形波导或脊形波导。介质板波导可以由具有不同介电常数的三层材料构成，材料被选择为使光通过内部全反射被限于中间层中。条形波导可以由限于覆层之间的一条光导层构成。在脊形波导中，光导层由具有叠加在其上的条形物(或若干个条形物)的平板构成。

在该示例中，箍102用于单端连接器。更为具体地，箍102被设计为在用于将一个输入通道和一个输出通道进行互连的连接器中实现。箍102被布置为在光学通路106处接收一条光纤107。

SWG组件100被设计为与箍102光学匹配。更为具体地，SWG组件100包括与光学通路106对应的光耦合区域108；耦合区域108被设置在SWG组件100处，使得当SWG组件100安装在箍102上时，耦合区域108可以与光纤107在箍102处对准。耦合区域108包括被布置为实现连接器104中的SWG组件100的特定光学功能的一个或多个SWG层(下面在“SWG组件”部分中例示)。可以通过SWG组件100实现的一些具体光学功能包括光束分开、光束分离、光谱成分的过滤、光束偏振或者光学连接器内这些光学功能的组合。

根据一些示例，箍可以包括用于使SWG组件与光学通路的末端在该箍处对准的定位装置。如本文中所使用的，定位装置是指被设置在箍中以当在箍中集成SWG组件时固定SWG组件的位置的一个或多个元件。当SWG组件被放置在箍上定位装置处时，SWG组件的光耦合区域与箍的光学通路对准，如图1B所示。定位装置可以包括被布置为接收SWG组件的塞孔。例如，箍102包括被形成为内置于箍102中的塞孔的插座110。插座110的尺寸被设计为接收并保持SWG组件100。插座110适于接收SWG组件100，使得该组件在安装于插座110上时与光学通路106自动对准。亦即，插座110的尺寸可以被设计为并且位置可以被放置为，使得当SWG组件100插入在插座110中时，耦合区域108与光学通路106对准。一般而言，定位装置可以包括适合于固定SWG组件100的位置的任何结构。定位装置的示例包括但不限于插座、斜角、销(例如参见图3A和图3B)、夹具或者这种元件的组合。

如图1B所示，集成在箍100中的SWG组件100形成连接器子组件104。连接器子组件104可以形成诸如图2A和图2B所示的连接器200的光学连接器的一部分。图2A是根据一示例的连接器外壳200和连接器子组件104的示意性透视图。图2A图示了处于分离状态的这些元件。图2B是包括联接至连接器外壳200的连接器子组件104的光学连接器202的示意性透视图。连接器202被构造为具有有助于其与对应的配合部件(未示出)之间的联接的配合几何形状。在例示的示例中，外壳200被形成为具有有助于连接器202插入到对应的配合结构中的凹形前部204和导轨206。

连接器202可以包括有助于与配合部件之间的光学连接的附加元件，例如偏动簧片、更多导轨、狭缝、固定元件(例如闩锁)或者机械止动器。此外，连接器202可以包括有助于光纤107的适当支撑的更多元件，例如纤维配件(例如弯曲环或纤维套管裸露(boot bare))。

应理解的是，所示出的连接器202的设计仅仅是例示性的。预期光学连接器的各种形状例如为但不限于与FC连接器、FDDI连接器、LC连接器、LuxCis连接器、MT-RJ连接器、SC连接器、ST连接器或TOSLINK连接器类似的连接器形状。此外，尽管连接器200被图示为单端连接器，但其适于互连特定光学应用所需的任意数量的端子。亦即，箍102可以适于接收任意数量的光纤，并且SWG组件100可以包括任意的对应数量的光耦合区域。更为具体地，本文描述的光学连接器可以是多端(MT)连接器，如关于图4A和图4B所图示的。此外，连接器202可以被配置为用于连接多芯光纤。

图3A至图4B图示了在箍中集成SWG装置的其它示例。

根据一些示例，利用箍的元件作为基准点，可以使SWG组件与箍中的光学通路的末端对准。自动对准可以利用连接至用于自动定位与光学通路对准的SWG组件的电动驱动器的机器视觉系统来执行。自动对准可以用作诸如插座110的定位装置的替代或者附加，尤其是不为SWG组件在箍中的滑动配合提供定位装置的情况。在后者情况中，定位装置本身，可选择地与箍的其它元件结合，可以用作基准点。

参照图3A和图3B，箍300包括对准销302、304。对准销302、304是集成在箍中用于将箍与另一光学设备联接的配合元件的示例。例如，箍300可以形成用于将箍与光子集成设备(PIC)互连的连接器的一部分。PIC(未示出)可以包括与箍中的元件对应的配合元件。例如，PIC可以包括适于配合对准销302的两个孔。如图示的配合元件还有助于使箍中的光学通路与互补设备中的对应光学通路(例如集成在PIC中的用于承载光信号的波导)光学对准。箍中的配合装置不限于本示例中例示的对准销。箍中的配合装置可以包括适于实现箍与互补光学设备对准的任何元件，诸如适当布置的孔、狭缝或插座。

存在用于在箍300上实现对准销302、304的多种方式。在一些示例中，对准销302、304首先被形成为单独元件(例如通过精密加工)，并且通过任何适当的制造工艺集成在箍300中。例如，可以在箍中制造导轨销孔，并且可以将对准销302、304插入到导轨销孔中。可以通过结合或者借助于联接至箍的销定位器元件，使销保持在适当的位置。对准销302、304的位置可以通过光刻限定在箍300上。从而，有助于销位置的高精度限定。可替代地，对准销302、304可以整体地形成在箍300中。例如，可以将销注塑到箍的主体中或者从箍的主体加工而成。对准销302、304突出足够长的距离，以啮合与箍300互补的光学设备的配合几何形状(例如孔)。另外，诸如销302、304的配合元件可以在边缘处包括斜面等，以有助于对准，并且防止在连接期间磨损和碎片的形成。

在例示的示例中，SWG组件100可以通过以下过程集成在箍300中：(i)使SWG组件100或更具体地是SWG组件100的耦合区域108与箍300的光学通路106自动对准，使得SWG组件100可以将通路106和与箍300互补的光学设备进行光学联接；和(ii)通过例如在SWG组件100与箍300之间的界面涂覆合适的粘胶剂或者通过激活布置在箍300上的适当的紧固元件，将SWG组件100结合至箍300。

自动对准可以由适当的对准系统基于机器视觉来执行，如图3A示例所图示的。对准系统306包括可操作地联接至对准控制器312的自动设备308和测量系统310。自动设备308被图示为包括自动臂314，自动臂314具有适合于支持并运载SWG组件100的自动夹316。测量系统310被布置为为自动设备308提供光学制导。测量系统310可以包括被布置为在对准过程期间获取箍300和SWG组件100的图像的一个或多个摄像机。可替代地或除此之外，测量系统310可以包括适合于检测SWG组件100和箍300中各元件的位置的位置检测元件。对准控制器312被布置为接收由测量系统310获取的图像和/或位置数据，并处理所接收的信息，以便(a)识别SWG组件100和箍300的元件，(b)确定这些元件的相对空间位置，(c)确定为了对准自动设备308将执行的动作，以及(d)使自动设备308执行所确定的动作。

对准控制器312可以例如由一个或多个分立模块(或数据处理部件)来实现，这些模块不限于任何特定的硬件、固件或软件(即机器可读指令)配置。控制器312可以在任何计算或数据处理环境中实现，包括在数字电子电路(例如专用集成电路(ASIC))、可编程数字信号处理器(DSP)中或在计算机硬件、固件、设备驱动器或软件(即机器可读指令)中。

在图3A图示的特定示例中，对准系统306利用对准销302、204作为执行对准的参照。更为具体地，可以预先定义或者在连接至或集成到对准控制器312中的存储设备(未示出)中存储销与光学通路106之间的相对位置以及通路和SWG组件100的尺寸。对准控制器312可以在对准期间从测量系统310所获取的图像中提取与销302、304和SWG组件100之间的相对位置有关的实时位置数据。然后，对准控制器312可以结合该实时位置数据与预定义的位置和尺寸，来确定由自动设备308为执行自动对准而将执行的对准路径。在对准过程期间，可以获取并处理更多图像，作为使SWG组件100对准的进一步制导。图3B示出了对准过程的结果：SWG组件100被集成在箍300中，以便形成光学连接器子组件318。

根据一些示例，在连接器中，箍可以包括配合元件，并且SWG组件可以包括对应的配合元件。位于箍和SWG组件处的这些配合元件被布置为，使SWG组件与箍中的光学通路的末端对准。关于图4A、4B借助于示例例示了这种布置。

图4A是描述箍400与SWG组件402的示意性透视图。图4A图示了处于分离状态的这些元件。图4B是包括集成在箍400中的SWG组件402的光学连接器子组件404的示意性透视图。

箍400用于多端(MT)连接器。MT连接器是指可以对多个输入光学通道和多个对应的输出光学通道进行互连的连接器。在本文的示例中，用于MT连接器的箍可以包括多个光学通路。在这种情况下，定位装置用于使SWG组件与光学通路的末端对准。在图示的示例中，箍400用于三端连接器，因此包括光学通路106a-106c。对应地，SWG组件402包括对应数量的耦合区域108a-108c。此外，箍400包括对准销406、408，对准销406、408可以以类似于上面关于销302、304描述的方式(参见上面关于图3A的描述)形成。销406、408被布置为与位于SWG组件402处的配合孔410、412合作，使SWG组件402(或更具体为耦合区域108a-108c)与通路106a-106c对准。因此，销406、408可以被视为执行与上面关于图1A图示的定位装置(参见插座110)相同的功能。

上面关于图3A和图4B图示的对准销可以是牺牲元件。亦即，对准销可以用于完成SWG组件与对应箍中的通路的对准，在对准之后，SWG组件可以被结合至箍，并且在结合之后，可以去除对准销。在一些示例中，对准销被布置为与配合元件的尺寸匹配。例如，在图4A图示的示例中，销406、408可以具有与孔410、412相同的长度，使得当SWG组件402与箍400集成时，销的前端与SWG组件402的前表面齐平。

如上阐述的，光学连接器可以提供光束扩展，如在图5A和5B的示例中图示的。光束扩展便于促进弹性光耦合，即与例如点到点连接相比，对所连接部件之间的相对位移具有较低灵敏度的光耦合。在一些应用中，光束扩展尤其适用于单模光纤的连接。

图5A是包括处于连接状态的连接器501和互补光学设备502的光学系统500的透视图。图5B是沿处于操作中的所示光学系统500一部分的线A-A的剖视图。互补光学设备502被图示为包括光波导504的PIC。连接器500被布置为将光纤506光学互连至波导504。更为具体地，连接器500包括具有其中接收光纤506的光学通路510的箍508。通路510终止于透明部512，透明部512可以是填满空气的腔或者是填满诸如二氧化硅的透明材料的实心部。

SWG组件514与腔512相交，其中SWG层516与通路510对准，从而与光纤506对准。波导504的末端被布置为与连接器500重合。耦合元件518被布置在波导504的该末端，以将光耦合至波导504中。耦合元件518可以包括被配置为将光光学耦合至波导504中的其它SWG组件(未示出)。这种SWG可以被布置为通过遵循“配置子波长光栅”部分中的指导方针而实现该功能。用于实施光至波导504中的耦合的其它替代元件包括常规的光栅、锥形光纤或者平面渐变折射率(GRIN)透镜。

图5B示意了处于操作中的将光纤506发出的光束519耦合至波导504的连接器500。更为具体地，光纤506发出发散光束519到透明部512中。发散光束519传播通过部512，并且射至SWG组件514上，更具体地，射至SWG层516上。SWG层516被布置为将光束519光学处理为指向耦合元件518的准直光束519’，相对于与波导504垂直的轴520形成角度α。SWG层516可以被布置为遵循在“配置子波长光栅”部分中例示的指导方针实现光束准直和光束偏转。

SWG层516被图示为实现这些功能的单层。在其它示例中，SWG组件514可以包括用于实现上述功能的两个或更多个层。此外，SWG组件514可以包括用于在对光束519进行处理过程中实现更多光学功能(例如在“配置子波长光栅”部分中例示的光束偏振、光谱成分过滤或者其它光束形状整形)的其它层。

连接器500被图示为处于将光纤506发出的光束519耦合至波导504的操作。应理解的是，连接器500可以反向操作，即将互补光学设备502处理后的并由耦合元件518朝向SWG组件514发出的光束耦合至光纤506。

制造连接器：图6图示了用于制造波导连接器(例如连接器202、501(参见图2B、5B)或者其中实现子组件104、318、404(参见图1B、3B、4B)的连接器)的方法600的示例。然而，方法600的实现不限于连接器的这些示例。

在602处，将SWG组件联接至包括一个或多个光学通路的箍。作为示例，SWG组件可以对应于SWG组件100、402、514；箍和光学通路可以对应于箍102、300、400、508以及它们各自的光学通路106、106a-106c、506。上面关于图1A至5B例示了这些部件。框602可以包括使SWG组件与一个或多个光学通路的末端对准604。上面关于图1A-1B、3A-3B和4A-4B例示了将SWG组件联接至箍以及通路对准。

在一些示例中，如上所例示的，联接(602)SWG组件可以包括将SWG组件插到形成于箍处的塞孔中，以便使SWG组件与光学通路末端对准。上面关于图1A和1B例示了这种联接的非限制性示例，其中SWG组件100插入插座110中。插座110和SWG组件100的尺寸被设计为使得在插入之后SWG组件110(更具体是耦合区域108)与光学通路106的末端对准。

在一些其它示例中，如上例示的，联接602SWG组件可以包括利用箍的元件作为基准点自动对准SWG组件与该箍的光学通路的末端。上面关于图3A和图3B例示了这种联接的非限制性示例，其中利用销302、304作为基准点通过对准系统306自动对准SWG组件100。在该特定示例中，箍中被用作基准点的元件(即销302、304)实现别的功能(在该示例中，将箍机械联接至互补光学部件)。在其它示例中，箍中被用作基准点的元件是为该功能专门提供的元件，例如位于箍上预定位置处的标记。

在其它一些示例中，如上所例示的，联接602SWG组件可以包括将形成在箍处的互补元件与SWG组件联接，以便使SWG组件与光学通路的末端对准。上面关于图4A和4B例示了这种联接的非限制性示例，其中销406、408被布置为将互补元件联接至充当与销406、408对应的导轨的配合孔410、412。如图4B所例示的，当SWG组件402插入到销406、408中时，SWG组件402(更具体为耦合区域108a-108c)与通路106a-106c对准。

配置子波长光栅：图7示出根据一示例被配置为具有光栅图案的SWG层700的俯视图。在该示例中，SWG层700包括多个一维光栅子图案。放大绘出了三个光栅子图案701-703。每个光栅子图案包括多个规则地布置的衍射结构。在所图示的示例中，将衍射结构图示为间隔开的SWG层材料线状部分(下文中称为“线”)。这些线沿y方向延伸，且沿x方向间隔开。还示出光栅子图案702的放大端部图704。如端部图704所示，SWG层700可以是具有由形成在层中的沟槽分离的线(如线706-709)的单个层。

SWG层的子图案的特征在于衍射结构的一个或多个周期性尺寸特征。在所图示的示例中，周期性尺寸对应于(a)线的间距和(b)线沿x方向的宽度。更具体地，子图案701包括以周期p1周期性地间隔开的具有宽度w1的线，子图案702包括以周期p2周期性地间隔开的具有宽度w2的线，并且子图案703包括以周期p3周期性地间隔开的具有宽度w3的线。如果光栅子图案的特征尺寸(例如，周期p1、p2或p3)小于设计其进行操作所针对的特定入射光的波长，则光栅子图案形成子波长光栅。例如，SWG的特征尺寸(例如，周期p1、p2或p3)的范围可以是从大约10nm至大约300nm或者从大约20nm至大约1μm。通常，根据设计特定波前控制设备进行操作所针对的光的波长，选择SWG的特征尺寸。

来自子区域的第0级衍射光获取由线厚度t和占空比η确定的相位φ，占空比η由定义，

其中w是线宽度，p是与该区域关联的线的周期。

由于与光栅子图案701-703中的每个光栅子图案关联的占空比和周期不同，光栅子图案701-703中的每个光栅子图案对入射光进行不同的衍射。通过调整线的周期、线宽和线厚度，可以将SWG层700配置为以特定的方式协调入射光。

图8示出根据一示例的处于操作中的SWG800的剖视图。该图示出了SWG800的两个分离的光栅子图案802和804的部分。子图案802和804可以位于SWG800的不同区域。子图案802的线的厚度t1大于子图案804的线的厚度t2，并且与子图案802中的线关联的占空比η1大于与子图案804的线关联的占空比η2。

图7和图8图示基于具有非周期性子波长图案的光栅的SWG。这种SWG的特征在于空间上变化的折射率，这有助于实现任意的衍射元件。该基本原理是入射在非周期性SWG(例如，SWG800)上的光可以被捕获在其中，并且在光栅的部分内振荡一段时间。光最终透射穿过SWG，但是透射穿过子区域(例如，子区域802)的光的那部分比透射穿过具有不同特征尺寸的子区域(例如，相对于子区域802的子区域804)的光的那部分获得较大的相移。

如图8的示例中所示，入射波前816和818以相同的相位射在SWG800上，但是透射穿过子图案802的波前820具有比透射穿过子图案804的波前822获得的相移相对较大的相移

在一些示例中，SWG层可以具有与SWG平行且与其相对侧相邻布置的反射层。从而，可以在SWG的两侧形成谐振腔。然后，光可以被捕获在这些谐振腔上，并且以类似于图8所示那样在光束中以不同的相位最终透射穿过反射层。

SWG层可以被布置有所谓的偏振衍射元件(下文中称为偏振SWG层)。在偏振SWG层中，光如何反射或透射穿过SWG层取决于入射光的具体偏振。更具体地，SWG的元件可以被布置为对入射光的偏振敏感。如在具有公开号WO2011/136759的国际专利申请中描述的那样，SWG的厚度和栅距可以被选择为对偏振敏感，其中就该文献与本公开内容、具体为其中描述SWG设计的那些部分相一致的内容，通过引用将该申请并入本文。

可替代地，SWG层可以布置有所谓的非偏振衍射元件，使得光如何反射或透射基本上不依赖于入射光的具体偏振。更具体地，SWG的元件可以被布置为对入射光的偏振不敏感。这种SWG层被称为非偏振SWG。

通过适当选择图案尺寸来设计非偏振SWG。可以利用表示针对SWG特定特征尺寸的谐振的透射曲线来设计非偏振SWG。更具体地，为了布置具有非偏振衍射元件的SWG层，可以得到作为SWG层特定设计的占空比的函数的透射率和相移的曲线图。在这些曲线图中可以识别针对特定占空比值的谐振。(谐振对应于占空比值，其中在经历相位跳变的同时反射率达到峰值且透射率下降)。一般而言，在这两个谐振之间，透射率高，并且透射相位平滑地变化。使用该数据，可以设计非偏振透射SWG。更具体地，SWG层中衍射元件的尺寸可以选择为，使得光栅子图案的透射特性包含在透射率曲线中的谐振之间，使得SWG对入射波前的偏振不敏感。

在上面的过程之后，可以将非偏振SWG层布置为控制入射到其上的波前或者执行其它光学功能，如对入射到其上的波前进行聚焦、准直或扩展。该基本原理是选择SWG中衍射元件的尺寸，使得光栅子图案的透射特性包含在透射率曲线中的谐振之间。此外，使用这种设计方法，可以布置具有低纵横比的SWG层，如低于10:1的纵横比，或者更具体地，低于5:1的纵横比，或者更具体地，低于1:1的纵横比。从而，有助于利用诸如深度UV或纳米印刷光刻之类的微加工工艺来直接批量生产SWG层。

具有非偏振衍射元件的SWG层的一些示例，被例示在法塔勒(Fattal)等人在“Integrated Photonics Research,Silicon and Nanophotonics,OSA Technical Digest(CD)(Optical Society of America,2011),(OSA技术汇编(CD)，硅和纳米光子学，集成光子研究(美国光学协会，2011年))”中发表的题目为“A Silicon Lens forIntegrated Free-Space Optics(用于集成的自由空间光学设备的硅透镜)”的文章中，其中就该文献与本公开内容、具体为其中描述SWG设计的那些部分相一致的内容，通过引用将该文章并入本文。

图9示出根据一些示例的处于操作中的SWG层900的用于图示可以如何改变透射波前的剖视图。在该示例中，具有基本一致的波前902的入射光射在SWG层900上，SWG层900产生具有弯曲的透射波前906的透射光。透射波前906产生自入射波前902的一部分，其中与入射波前902中与SWG800的具有相对较小占空比η2和厚度t2的子区域804相互作用的部分相比，入射波前902的该部分与SWG800的具有相对较大占空比η₁和厚度t₁的子区域802相互作用。相对于由与子区域804相互作用的光获取的较小相移，透射波前906的形状与由与子区域802相互作用的光获取的较大相移相一致。

因此，SWG层可被配置为提供任意的相前形状调制。从而，在本文描述的光学设备中可以实现SWG层，来实现各种各样的光学功能。这些功能可以包括但不限于：使光束偏转、将光束分离成光谱成分、过滤光束中的一个或多个光谱成分、使光束偏振、使光束聚焦或散焦或者对具有非平行波前的光束进行准直。下面，说明被配置为实现这些功能的SWG层的一些示例。

非周期性SWG可以被配置为，使得SWG层像棱镜那样操作，即通过产生相对于入射光偏转的透射光来对入射光进行控制。这种SWG可以通过形成具有沿一个方向逐渐变化的占空比的图案来实现。

在示例中，当包括多种光谱成分的光射到被配置为像棱镜那样操作的非周期性SWG上时，该非周期性SWG可以充当光束分离器。更具体地，SWG层可以被布置为引起依赖于波长的相变。从而，SWG层可以分离入射到其上的多成分波前。此外，根据相似原理，非周期性SWG可以被配置为，在包括多种光谱成分的光射到非周期性SWG上时，通过像过滤元件一样操作来控制入射波前。更具体地，SWG层可以被设计为控制入射多成分波前，使得具有一些特定波长的光谱成分被阻挡，而具有其它波长的光谱成分透射穿过SWG层。

在一些示例中，SWG层的非周期性SWG可以被配置为，使得该SWG层像透镜那样操作，其可被配置为例如聚焦、准直或扩展入射光束。像透镜一样操作的这种SWG层可以通过形成具有相对于对称轴线对称地变化的占空比的SWG图案来实现，该对称轴线限定SWG层的光轴。

SWG层可以被配置为具有二维非周期性SWG，使得SWG层可以被操作为实现具体的波前控制功能或者其它光学功能，如对入射光束进行聚焦、扩展或准直。在关于图7例示的示例中，非周期性SWG由线组成。在其它示例中，非周期性SWG由柱线组成，这些柱由沟槽分离。占空比和周期可以通过改变柱的尺寸而沿x方向和y方向变化。在其它示例中，非周期性SWG层由被实体部分分离的孔组成。通过改变孔的尺寸，占空比和周期可以沿x方向和y方向改变。这种柱或孔可以根据各种形状(如圆形或矩形)布置。

此外，SWG层可以通过由同心环组成的衍射图案被布置为像透镜一样操作。更具体地，这种SWG层包括由介电材料形成的同心环，其中介电材料由用于分离多个同心环的多个间隙隔开。此外，这种SWG层可以包括大致形成在由介电材料形成的透镜中央处的圆盘。该圆盘可以具有与多个同心环的厚度相似的厚度。该介电材料层可以包括二氧化硅。可以选择厚度、间隙间距、环宽度以及环数量，来确定与透镜相关的光学特性(例如焦距)。

如上所例示的，SWG层可以被布置为通过适当地设计对入射波前引起的相变来实现特定的光学功能。有多种方式来设计所引起的相变。在示例中，为了配置SWG层，可以使用适当的计算工具，如用于对电磁系统进行建模的应用程序“MITElectromagnetic Equation Propagation(MIT电磁方程传播(“MEEP”))仿真包”或者能够用来对多种物理和工程应用进行仿真的COMSOL(其是有限元分析和求解器软件包)，来确定透射率分布。所确定的透射率分布可以用来均匀地调整整个SWG层的几何参数，以便产生透射波前的特定变化。

SWG组件：图10绘出了互连光学系统1002内操作期间的SWG组件1000的示例。上面关于图5B例示了处于操作中的SWG组件的另一示例。不过，实施方式不限于这些示例。如本公开所例示的，可以将各种SWG组件集成在箍中。

在例示的示例中，光学系统1002包括光纤连接器1004和对应的光学部件1006。对应的光学部件1006的示例是PIC。光纤连接器1004包括用于接收包括三个芯1010a-1010c的多芯光纤1010的通路1008。通路1008被嵌入在箍1012中。多芯光纤根据其应用的特定环境可以包括任意数量的芯。

SWG组件1000用于将光纤1010的芯1010a-1010c与部件1006的光学通道1006a-1006c进行光学互连。可以遵循根据关于图6例示的过程的示例，将SWG组件1000集成在箍1012中。

SWG组件1000包括以下SWG子组件：(i)用于分别将传播通过介质1040的光束1002a-1002c扩展为光束1026a-1026c的SWG扩展子组件1024，和(ii)用于分别将传播通过介质1044的光束1026a-1026c准直为传播通过介质1042的准直光束1034a-1034c的SWG准直子组件1032。SWG组件1016进一步包括插入在SWG组件1024与1032之间的间隔片1044。介质1040、1042可以被提供为集成在SWG组件1000中的固体透明层。

如图10所示，SWG扩展子组件1024，除了光束扩展之外，还偏转从外层芯1010a、1010c发出的光束1002a、1002c，以便将外层光束1002a、1002c与中间光束1002b分开。从而，防止扩展后光束之间的干扰。此外，SWG准直子组件1032另外被布置为偏转光束1026a、1026c，使得准直光束1034a-1034c彼此平行地传播通过介质1042。

SWG子组件1024、1032中的每一个包括被布置为实现上面光学功能的SWG层。更具体地，扩展SWG子组件1024包括SWG层1046、1048、1050：SWG层1046、1050被布置为分别扩展并偏转外层光束1002a、1002c；SWG层1048被布置为扩展中间光束1002b。此外，SWG准直子组件1032包括SWG层1052、1054、1056：SWG层1052、1056被布置为分别准直并偏转外层光束1026a、1026c；SWG层1054被布置为准直中间光束1026b。子组件中的SWG层被示出为彼此分开形成。可替代地，子组件中的SWG层可以集成在单个SWG层中，其中单个SWG层具有用于实现每个单独SWG层的光学功能的区域。

SWG组件1000具体被配置为将多个光束分开并准直。这种SWG组件尤其可便于将具有不同的相对空间分隔的输入通道与输出通道进行光学联接。例如在将多芯光纤与诸如PIC或如图10的示例中例示的光学收发器之类的光学设备互连时，这种情况可能发生。

SWG组件1000是包括被布置为实现光学部件之间的特定可连接性的堆叠SWG层的组件的具体示例。应理解的是，根据其中SWG组件将被操作的连接器的特定应用，可以实现具有不同层数和功能的各种SWG层配置。此外，作为光束整形和诸如光谱成分的过滤、光束分离或者光束偏振之类的控制的附加或替代，SWG组件中的SWG层可以提供其它光学功能。

结论：上述示例例示了箍和连接器以及制造技术。如上所论述的，示例可成功应用于光纤连接器中。然而，示例还可以应用于能够承载光信号的任何类型的连接器设备中，例如具有任何类型光波导的连接器。本文所预期的连接器包括但不限于塞子、适配器、互连件或光学接口设备。

在前面的描述中，阐述许多细节来提供对本文公开的示例的理解。然而，将理解，这些示例可以在没有这些细节的条件下实现。尽管已经公开了有限数量的示例，但是可以预期由此产生的许多修改和变化。所附权利要求旨在覆盖这种修改和变化。记载有关特定要素的“一个”的权利要求预期包括一个或多个这样的要素，既不要求也不排除两个或更多个这样的要素。此外，术语“包括”用作开放式过渡词。

Claims (15)

1.一种光纤连接器，包括：

箍，包括供光传输通过所述箍的光学通路；以及

子波长光栅(SWG)组件，集成在所述箍中并且与所述光学通路的末端对准。

2.根据权利要求1所述的连接器，其中所述连接器是扩展的光束连接器。

3.根据权利要求1所述的连接器，其中所述SWG组件被放置在所述箍的塞孔中，所述塞孔与所述光学通路的末端对准。

4.根据权利要求1所述的连接器，进一步包括位于所述箍处的配合元件和位于所述SWG组件处的对应配合元件，所述配合元件被布置为将所述SWG组件与所述光学通路的末端对准。

5.根据权利要求1所述的连接器，进一步包括集成在所述箍中的配合元件，所述配合元件用于将所述箍联接至互补光学设备。

6.一种光纤箍，包括：

箍主体，包括用于光传输的光学通路；和

定位装置，用于将SWG组件与所述光学通路的末端对准。

7.根据权利要求6所述的箍，其中所述定位装置包括用于接收SWG组件的塞孔。

8.根据权利要求6所述的箍，其中所述定位装置包括配合元件，所述配合元件被配置为将SWG组件定位在所述箍处并与所述光学通路对准。

9.根据权利要求8所述的箍，所述定位装置包括形成在所述箍处的销，所述销用于将SWG组件定位在所述箍处并与所述光学通路对准。

10.根据权利要求6所述的箍，包括多个光学通路，所述定位装置用于将SWG组件与所述光学通路的末端对准。

11.一种用于制造波导连接器的方法，所述方法包括：

将SWG组件联接至箍，所述箍包括用于光传输的光学通路，

联接包括将所述SWG组件与所述光学通路的末端对准。

12.根据权利要求11所述的方法，其中联接所述SWG组件包括将所述SWG组件插到形成于所述箍处的塞孔中，以便将所述SWG组件与所述光学通路的末端对准。

13.根据权利要求11所述的方法，其中联接所述SWG组件包括利用所述箍的元件作为基准点，将所述SWG组件与所述箍的光学通路的末端自动对准。

14.根据权利要求11所述的方法，其中联接所述SWG组件包括将形成在所述箍处的互补元件与所述SWG组件联接，以便将所述SWG组件与所述光学通路的末端对准。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述互补元件包括形成在所述箍处的销和形成在所述SWG组件处的对应导轨。