CN103959119A - 光学连接 - Google Patents

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Abstract

本发明描述与光学设备有关的技术。在示例中，一种光学设备包括(a)输入光通道和对应的输出光通道，和(b)被对准来将输入光通道光学地耦合至输出光通道的亚波长光栅层的组件。

Description

光学连接
背景技术
多种应用依赖光学互连。例如，高分辨率视频通过互联网的传输需要高网络带宽。光纤可以用于越过提供高网络带宽的广阔距离传输数据。进一步，用光纤供应数据促进了在不累及功耗的情况下向终端用户一直保持高带宽。为了服务大量用户，可以使用多端子(MT)光通信系统传输数据。实施MT光通信系统的一种方法是使用光纤束。每个光纤可以携带用于向多个用户(例如，64个终端用户)传输数据的信号。另一种方法是使用多芯光纤，其中光纤包括多个芯，每个芯携带用于向多个用户传输数据的信号。例如，多芯设计可以包括七个芯，一个芯可以携带给64个终端用户的信号，使得多芯可以携带给448个终端用户的信号。
在光通信系统中的需要连接/断开能力的情况中，可以使用光纤连接器。光学连接器可以用来例如连接器材、互连光纤或交叉连接系统内的光缆。在光学连接器中，配合箍可以在固定的位置中容纳光纤，使得两个光纤以同轴对准方式配合来实施互连。这样的连接器可能需要光纤的点对点接触或使用附加光学部件(例如，透镜)进行光学对准。可以为MT光通信系统设计光学连接器。例如，MT光学连接器可以被设计为互连多芯光纤、光纤束或者MT光学器材。
光学连接器可能易受环境条件或机械不稳定影响。进一步地，光学连接器中的至少一些类型可能制造起来相对昂贵，如果它们包括附加光学单元，如透镜时尤其如此。此外，为了确保高的互连精度，连接器可能要求将多个高精度部件装配在一起。尤其当使用透镜实施光对准时。光学连接器可能易受污染物影响。MT光学连接器通常比单端子连接器更易受这些问题影响。
附图说明
为了使本公开内容可以容易理解，现在将参考下面的附图描述各示例。
图1是根据本文示例的光学设备的示意剖视图。
图2是根据本文示例的MT光学设备的示意剖视图。
图3A是根据示例的断开的多芯光纤连接器的示意剖视图；图3B是连接状态下的图3A的多芯光学连接器的示意剖视图。
图4是根据示例的在操作中用以控制光束的光学连接器的一部分的示意剖视图。
图5是根据另一示例的在操作中用以控制光束的光学连接器的一部分的示意剖视图。
图6是根据又一示例的在操作中用以控制光束的光学连接器的一部分的示意剖视图。
图7示出根据示例的配置有光栅图案的亚波长(SWG)层的俯视平面图。
图8示出根据示例的SWG的剖视图。
图9示出根据示例的图示透射波前可以如何变化的、在操作中的SWG层的剖视图。
图10A示出根据示例配置的SWG层的俯视平面图；图10B示出在操作中的图10A的SWG层的剖视图。
图11示出在操作中用以分离多成分波前的图10A的SWG层的剖视图。
图12示出在操作中用以过滤多成分波前的谱成分的SWG层的另一示例的剖视图。
图13A示出根据另一示例配置的SWG层的俯视平面图；图13B示出在操作中的图13A的SWG层的剖视图。
图14示出根据示例的图示用于制造光纤连接器的过程流程的图。
图15A是根据示例的用于MT连接的箍和与该箍解耦合的SWG组件的示意等轴侧图。
图15B是根据示例的包括箍的MT光学连接器的示意等轴测图，其中SWG组件耦合至箍。
在附图中，为了例示清楚，放大了层和区域的尺寸。
具体实施方式
在下面的描述中，阐述许多细节，以提供对本文公开的示例的理解。然而，将理解，示例可以在没有这些细节的情况下实践。进一步，在下面的详细描述中，参考附图，在附图中通过例示示出多个示例。在这一方面，诸如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”等之类的方向术语，是关于所描述的图的方向使用的。由于所公开的部件能够被放置在多个不同的朝向，所以方向术语是为说明目的使用的，而绝不是限制。对各个附图中相同和对应的部分使用相同的附图标记。尽管图示有限多个示例，但是将理解有由此产生的多个修改和变化。
在下面的描述中，术语“光”指具有处于电磁频谱的可见和不可见部分，包括电磁频谱的红外部分和紫外部分中的波长的电磁辐射。术语“光束”指包括一个或多个谱成分的光线。术语“波前”指光束中具有相同相位的点的轨迹(locus)(即线，或者在三维中传播的波中的面)。术语“堆叠”指SWG层的有序堆积。在堆的SWG层之间可以插入间隔件。将理解，当一层或一膜被称为或被示出为位于两层或膜“之间”时，其可以是这两层或膜之间的唯一层或膜，也可以还存在一个或多个中间层或膜。
如上面提到的，光学设备可以实施用于促进互连性的光学部件。例如，束扩展连接器中的透镜布置可以提高连接器的适应力。然而，这种光学部件可导致连接器的笨重设计。进一步，这样的光学部件可以显著地提高制造成本。最后但并非最不重要的是，这种光学部件可能容易遭受污染。例如，透镜之间的无用空间易于被污染。
本文描述了光学设备，其包括被布置为方便地促进光通道之间的互连的亚波长光栅(SWG)层。更具体地，如图1所示，光学设备100可以包括下列单元：(i)输入光通道102，(ii)堆叠的SWG光栅层108、110的组件104，以及(iii)输出光通道106。
在所图示的示例中，输入光通道102和输出光通道106具有不同的尺寸，即它们具有不同的直径。SWG组件104被布置为方便地调整耦合至输出光通道106的束直径。
输入光通道102和输出光通道106可以对应于例如光纤末端、光子集成电路或光收发器的输入或输出或多芯光纤的芯的末端。如图3至图6所示，本文描述的光学设备可以是用于光纤的连接器。本文描述的光学设备不局限于光纤连接器。可想到实施光通道之间互联的任何光学设备，如光子集成电路(PIC)的多个互连部分、光换能器或用于其它类型波导的连接器。在一些示例中，图示出多端子(MT)光学连接器，其互连与多个端子对应的光通道。
继续参考图1，SWG组件104包括第一SWG层108、第二SWG层110和介于二者之间的间隔件112。SWG层108、110彼此平行布置。进一步，间隔件112限定SWG层之间的相对布置，SWG层被对准来光学地耦合输入光通道102和输出光通道106。SWG层可以由任何适合的材料组成，如包括硅(“Si”)、砷化镓(“GaAs”)、磷化铟(“InP”)、碳化硅(“SiC”)或它们的组合的半导体。在本文的示例中，间隔件由用于分开相邻SWG层的固体材料制成。间隔件可以由适合的聚合物或别的介电材料(如透明的二氧化硅)制成。间隔件可以具有比相邻SWG层的折射率低的折射率。如下面详细介绍的，间隔件可以包括其上形成有一个或多个SWG层的基板。
SWG层指包括具有足够小到抑制除第0阶衍射以外的所有衍射的间距的衍射光栅的层。与此相比，传统波长衍射光栅的特性是，充分高到引入入射光的更高阶衍射的间距。换言之，传统的波长衍射光栅将光分离并衍射成沿不同方向传播的几个束。SWG层的间距的范围可以是10nm至300nm或20nm至1μm。SWG层如何折射入射光束可以在制造时通过适当地选择SWG的衍射结构的尺寸来确定。
如下面在“配置亚波长光栅”部分中详细描述的，可以将SWG层布置为对入射光束进行控制和/或整形。更具体地，可以将具有非周期性的亚波长图案的SWG配置为对入射光束传递任意相前。因而，SWG层可以用来实施与其它更传统的光部件(例如，透镜、棱镜、镜子、偏振器，光束分离器或光过滤器)类似的很多光学功能。
返回参考图1，设备100可以如下操作。输入光通道102可以发出发散光束114。光束114可以源自与输入光通道102耦合的光纤(未示出)。发散光束114传播通过介质116。介质116可以包含在SWG组件104中集成的固体层(例如，透明氧化物层)。包含固体层的介质116防止污染物进入设备100的光路内。在一些示例中，介质116是空气或适当地透射光的任何其它材料。
发散束114入射在第一SWG层108上。第一SWG层108被布置为将发散束114准直成准直束118。准直束118传播通过间隔件112并且入射到第二SWG层110上。第二SWG层110被布置为向输出光通道106会聚准直束118。会聚束120传播通过介质122并且入射到输出光通道106上，介质122可以与介质116类似地构成。如所图示的，输出通道106处的会聚束120的直径对应于通道直径。
SWG层108、110被实施为堆叠层。从而，促进在设备100中的特定光学功能的紧凑实施。此外，本文描述的光学设备使用能够批量生产的SWG组件来实施这些特定的光学功能。此外，SWG组件104不损害准确的光学对准，因为SWG层可以使用微制造过程和高容量生产方法(如标准的CMOS过程或卷对卷压印)来容易地制造。
一些示例实施MT光学设备。作为示例，可以针对下列应用中的任何应用设计MT光学设备：互连多芯光纤；互连光纤束；将MT光纤布置(例如，实施多芯光纤或光纤束)连接至PIC或光学收发器；接合MT光纤布置；或者将PIC或光学收发器与多个端子互连。
MT光学设备包括多个输入光通道和多个对应的输出光通道。一个输入光通道和其对应的输出光通道实施一个端子。图2是根据本文示例的MT光学设备200的示意剖视图。MT光学设备200包括输入光通道202-204、SWG组件208和输出光通道210-212。输入光通道202-204和输出光通道210-212可以对应于例如光纤束的光纤末端、多芯光纤的芯的末端、光子集成电路的输入或输出。在所图示的示例中，输入光通道202-204具有与输出光通道210-212不同的尺寸，即它们具有不同的直径。SWG组件208被布置为方便地调整耦合至输出光通道210-212的束直径。
根据一些示例，MT光学设备可以包括如上面描述的SWG组件。SWG组件208包括SWG层218-220的第一阵列216和SWG层226-228的第二阵列224。阵列216和224被堆叠，间隔件232设置在二者之间。在所图示的示例中，SWG层之一中的SWG层彼此分开形成。在替代示例中，SWG阵列之一中的SWG层作为与间隔件232相邻的单个层连续地形成。
根据本文中的示例，MT设备中的SWG组件被对准，以将输入光通道光学地耦合至输出光通道，以便为每个端子实施光连接。如图2中图示的，SWG层可以彼此相对布置，以便与上面关于图1描述那样类似地互连一个端子中的对应通道。例如，SWG层218与SWG层226相对布置，间隔件232的一部分建造在中间。进一步，SWG组件208被对准，以将输入光通道202-204光学地耦合至输出光通道210-212。更具体地，第一阵列216中的每个SWG层对应于输入光通道之一并且与其对准(例如，SWG层218与输入光通道202对准)；第二阵列224中的每个SWG层对应于输出光通道之一并且与其对准(例如，SWG层226与输出光通道210对准)。
在图2所示的特定示例中，SWG阵列216对应于被布置为将从输入光通道202-204发出的发散束234-236准直成束240-242的SWG子组件；SWG阵列216对应于被布置为将准直束240-242会聚成指向输出光通道210-212的会聚束244-246的SWG子组件。
使用堆叠的SWG层作为互连光学单元促进了MT设备的小型设计。此外，这样堆叠的SWG层可以以简单的方式制造，而不损害一个端子中的光学对准。进一步，因为减少了光学单元之间的无效空间，因此SWG布置中的间隔件防止MT设备中的污染物。例如，在输入光通道202-204和SWG层218-220中间可以提供固体层250；在SWG层226-228和输出光通道210-212中间可以提供固体层252。固体层250、252和SWG组件208可以使用微制造技术被制造为单个集成结构。
如上面提到的，本文描述的MT光学设备可以被配置为将多芯光纤与其它光学设备(例如，另一光纤、PIC或光学收发器、或接合器中的单个光纤)互连。
图3A是根据示例的断开的多芯光纤连接器300的示意剖视图；图3B是连接状态下的多芯光学连接器300的示意剖视图。在该示例中，连接器300包括第一连接器单元302和第二连接器单元304。第一连接器单元302包括箍306，箍306具有用于容纳多芯光纤310的开口308。多芯光纤310包括芯312-315。开口308被布置为使得当将多芯光纤310安装到箍306内时，芯312-315可以抵靠SWG组件322的第一端面320。第二连接器单元304包括箍324，箍324具有用于容纳多芯光纤328的开口326。多芯光纤328包括芯330-333。开口326被布置为使得当连接器300处于连接状态时(见图3B)，芯330-333可以抵靠SWG组件322的第二端面336。
第一连接器单元302和第二连接器单元304可以包括用于在连接器300处于连接状态时将这些单元彼此连接的配合单元。这样的配合单元可以协作来光学地对准光纤308、SWG布置322和光纤328。配合单元可以被实施为销-孔组件。在所图示的示例中，孔340、342形成在第一连接器单元302的箍306中，并且销344、346(与孔340、342互补)形成在第二连接器单元304的箍324中。将理解，为耦合连接器单元可以提供其它适合的配合布置。例如，配合连接器部分可以通过托架被固定至箍，并且被用来耦合连接器单元302、304。
图3A和图3B在上面图示了用于互连多芯光纤的MT光学连接器。更具体地，SWG组件322被布置在箍306处，以光学地耦合对应的光纤芯310、328(例如，SWG组件322被对准以将多芯光纤310的芯312耦合至多芯光纤328的芯330)。
在一些应用中，控制被耦合到MT连接器中的束是方便的。特别地，待互连的光通道之间的间隔和/或布置可以在间隔和/或布置方面不同。如图4至图6中图示的，本文想到包括用来控制从多个通道发出的光束的SWG组件的MT光学连接器。下面关于多芯光纤例示这样的MT光学连接器。将理解，这样的MT光学连接器可以用来互连任何的MT光学设备。
在图4至图6图示的示例中，特别地将SWG组件配置为分开和准直多个束。这种SWG组件可能对将输入通道与具有不同相对空间分离的输出通道光学地耦合是特别方便的。这种情况可能例如在将多芯光纤与诸如PIC或光学收发器之类的光学设备互连时发生。
图4是根据示例的光学连接器400的一部分的示意剖视图。光学连接器400示出为在操作中以控制从多芯光纤406发出的光束402a、402b。在该示例中，两芯光纤被图示为包括通过SWG组件401光学地耦合至光通道430a、430b的芯408a、408b。将理解，光纤连接器400可以适于控制从具有任何数量和任何布置的芯的多芯光纤发出的光束。光纤406可以被与SWG组件401机械地耦合的箍(未示出)支撑，以便与芯408a、408b的末端409a、409b光学地对准。
SWG组件401包括以下SWG子组件：(i)SWG准直子组件412，用以将从芯408a、408b发射出的束402a、402b单独地准直成准直束414a、414b；(ii)第一SWG偏转子组件418，用以对在SWG准直子组件412处被准直的束414a、414b单独地进行偏转，以便将准直束414a、414b分开成偏转束420a、420b；(iii)第二SWG偏转子组件424，将在第一SWG偏转子组件418处偏转的束420a、420b进一步偏转成指向光通道430a、430b的平行束426a、426b。光通道430a、430b可以对应于或者光学地连接至通过连接器400与光纤406互连的光学设备(未示出)的输入。
如图4所示，每个SWG子组件可以包括用于对单独的束进行控制或整形的一个或多个SWG层。例如，SWG准直子组件412包括被布置为对入射束402a、402b进行准直的SWG层434；第一SWG偏转子组件418包括被布置为使入射束412a、414a偏转的SWG层436；第二SWG偏转子组件424包括两个水平对准的SWG层438、440，SWG层438、440中的每一个被配置为分别使入射束420a、420b偏转。
SWG组件401包括在SWG子组件之间插入的间隔件442、444。进一步，介质446可以插入在SWG准直子组件412和芯408a、408b的末端409a、409b之间；介质448可以插入在第二SWG偏转子组件424和光通道430a、430b之间。介质446、448可以被提供为与间隔件442、444类似的固体层，以便减少连接器400中的自由空间。如上面介绍的，这样的自由空间可能易遭受污染物，污染物会降低连接器的光学性能。可替代地，介质446、448可以是空气或任何其它适合的流体。在光学连接器的通道之间插入的介质(例如，介质446、448)的折射率可以与相邻光学单元(如相邻的芯或光通道)的折射率匹配，以便预设定束如何在介质中传播。
如图4所示，连接器400可以如下操作。芯408a、408b可以发出发散束402a、402b。发散束402a、402b传播通过介质446，并且入射在SWG准直子组件412上。SWG准直子组件412将发散束402a、402b准直成准直束414a、414b。准直束414a、414b传播通过间隔件442并且入射在第一SWG偏转子组件418上。第一SWG偏转子组件418将准直束414a、414b偏转成并从而分开成偏转束420a、420b。偏转束420a、420b传播通过间隔件444并且入射在第二SWG偏转子组件424上。第二SWG偏转子组件424使光束420a、420b偏转，从而生成指向光通道430a、430b的平行束426a、426b。
在一些示例中，如图5和图6所示，SWG组件可以不仅起到对束进行分开的作用，还起到对束进行扩展的作用，以便提高光连接的适应力。如上面提到的，光学连接器可能易受环境条件或机械不稳定影响。例如，改变环境条件或机械不稳定性，可能影响连接器中的光通道的对准。这样的问题可以使用束扩展来解决。束扩展提供光连接中的适应力，使得防止光连接被连接器部件的相对移位中断。因此，通过扩展连接器内的束，光学互连不太易受改变环境条件或机械不稳定性影响。
传统上，束扩展连接器可以包括透镜布置，该透镜布置使束扩展并且将被扩展的束耦合到输出光通道内。然而，这样的透镜布置可能特别易受在透镜之间形成的自由空间中的污染物影响。污染物可能扩散和/或衰减光信号，从而恶化连接器的光学性能。此外，透镜布置可能导致连接器的笨重设计。最后但并非最不重要的是，实施透镜布置可以显著地提高制造成本。所图示的SWG组件促进解决这样的问题。
图5是根据示例的光学连接器500的一部分的示意剖视图。光学连接器500被示出为在操作中用以控制从多芯光纤508发出的光束502a-502c。在该示例中，三芯光纤被图示出包括外侧芯510a、510c和中间芯510b。SWG组件516将芯510a-510c光学地耦合至光通道518a-518c。
SWG组件516包括以下SWG子组件：(i)SWG扩展子组件524，用以将传播通过介质540的束502a-502c单独地扩展成束526a-526c，以及(ii)SWG准直子组件532，用以将束526a-526c单独地准直成准直束534a-534c。SWG组件516进一步包括在SWG子组件524、532之间插入的间隔件544。介质540、542可以被提供为在SWG组件516中集成的固体透明层。
如图5中图示的，SWG扩展子组件524除进行束扩展以外，还使从外侧芯510a、510c发出的束502a、502c偏转，以便将外侧束502a、502c与中间束502b分开。从而，防止了被扩展的束之间的干扰。进一步，SWG准直子组件532被附加地布置为使束526a、526c偏转，使得准直束534a-534c彼此平行地传播通过介质542。
SWG子组件524、532中的每个包括被布置为实施上面的光学功能的SWG层。更具体地，扩展SWG子组件524包括SWG层546、548、550；SWG层546、550被布置为分别使外侧束502a、502c扩展和偏转，SWG层548被布置为扩展中间束502b。进一步，SWG准直子组件532包括SWG层552、554、556；SWG层552、556被布置为分别使外侧束526a、526c准直和偏转，SWG层554被布置为使中间束526b准直。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层可以被集成在具有实现每个单独的SWG层的光学功能的区域的单个SWG层中。
根据一些示例，如图6中所示，连接器可以适合于对从具有有角度的面的多芯光纤末端发出的光进行光学地耦合。有角度的面指光纤的被切割的末端，使得其表面相对于芯末端的纵轴(例如图6中的轴614)形成倾斜的角。有角度的面防止芯端部处的模态回反射。本文中描述的SWG组件促进这样的光纤与其它光学设备的容易互连，而不损害耦合效率。
图6是根据示例的光学连接器600的一部分的示意剖视图。光学连接器600用于包括具有芯末端610a-610c的三个芯608a-608c的多芯光纤606。光学连接器600图示为在操作中以控制从与多芯光纤606的有角度的面604相邻的芯末端610a-610c发出的束602a-602c。有角度的面604相对于由芯末端610a-610c的纵轴614限定的发光面612形成角度α。
连接器600包括被布置为将芯608a-608c光学地耦合至光通道616a-616c的SWG组件618。SWG组件616与SWG组件516类似地布置：(i)SWG扩展子组件620被布置为将传播通过介质540的束602a-602c单独地扩展成束626a-626c，(ii)SWG扩展子组件620还被布置为将外侧束602a、602c与中间束602b分开，(iii)SWG准直子组件632被布置为将束626a-626c单独地准直成指向光通道616a-616c的准直束634a-634c，并且(iv)SWG准直子组件632还被布置为使外侧被扩展的束626a、626c偏转，使得准直束643a-634c平行地传播。
上面关于图5和图6说明的连接器是扩展束连接器的示例。与可能要求易受环境变化或机械不稳定性影响的通道准确对准的点对点接触连接器相比，这种扩展束连接器对光通道或连接器的其它部件之间的相对侧向偏移有适应力。进一步，这些连接器实施束分开以及束扩展，从而防止束之间的干扰。由于上面的连接器基于堆叠的SWG层，因此它们可以被小型地建造，尽管它们实施相对复杂的光学功能。尽管上面的示例图示用于MT连接器的束扩展，但是将理解，对实施单个端子的连接器可以类似地实施束扩展。(例如，这种单端子连接器可以实施具有SWG层548、554的SWG组件516的光学功能，以如关于束502b图示那样类似地在没有束偏转的情况下扩展束)。
配置亚波长光栅：图7示出根据示例的配置有光栅图案的SWG层700的俯视平面图。在该示例中，SWG层700包括多个一维光栅子图案。三个光栅子图案701-703被放大绘出。每个光栅子图案包括多个规则布置的衍射结构。在所绘出的示例中，衍射结构为图示为SWG层材料的间隔开的类线部分(下文中称为“线条”)。线条沿y方向延伸，且在x方向间隔开。还绘出光栅子图案702的放大的端视图(end-on view)704。如端视图704所示，SWG层700可以是具有由在层中形成的槽分开的线条(如线条706-709)的单层。
SWG层的子图案的特性在于衍射结构的一个或多个周期尺寸特性。在所图示的示例中，周期性尺寸对应于(a)线条的间隔和(b)在x方向上的线条宽度。更具体地，子图案701包括具有以周期p1周期性地隔开的宽度w1的线条；子图案702包括具有以周期p2周期性地隔开的宽度w2的线条，并且子图案703包括具有以周期p3周期性地隔开的宽度w3的线条。如果光栅子图案的特性尺寸(例如，周期p1、p2或p3)小于其被设计来操作的特定入射光的波长，则光栅子图案形成亚波长光栅。例如，SWG的特性尺寸(例如，周期p1、p2或p3)的范围可以是10nm至300nm或者20nm至1μm。通常，SWG的特性尺寸根据特定光学设备被设计来操作的光的波长来选择。
来自子区域的第0阶衍射光取得由线条厚度t和占空比η确定的相位φ，该占空比可以由下式限定：
η = w p
其中w为线条宽度，p为与该区域关联的线条的周期。
由于与光栅子图案701-703中每个光栅子图案关联的不同占空比和周期，光栅子图案701-703中每个光栅子图案对入射光不同地衍射。可以将SWG层700配置为通过调整线条的周期、线条宽度和线条厚度以特定的方式与入射光相互作用。
图8示出根据示例的SWG800的剖视图。该图绘出SWG800的两个分开的光栅子图案802和804的多个部分。子图案802和804可以位于SWG800的不同区域。子图案802的线条的厚度t1大于子图案804的线条的厚度t2，并且与子图案802中的线条关联的占空比η1大于与子图案804的线条关联的占空比η2。
图7和图8图示基于具有非周期亚波长图案的光栅的SWG。这样的SWG的特性在于空间变化的折射率，这帮助实现任意的衍射单元。基本原理是入射在非周期SWG(例如，SWG800)上的光可以俘获在其中并且在光栅的多个部分内振荡一段时间。光最终透射通过SWG，但是透射通过子区域(例如，子区域802)的光的部分获得比透射通过具有不同特性尺寸的子区域(例如，子区域804相对于子区域802)的光的部分更大的相移。
如图8的示例中所示，入射波前816和818以相同的相位入射在SWG800上，但是波前820以比透射通过子图案804的波前822获得的相移φ′相对更大的相移φ透射通过子图案802。
在一些示例中，SWG层可以被提供有与SWG平行且与SWG的相对侧相邻布置的反射层。从而，在SWG的两侧都可以形成谐振腔。然后，光可以俘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相位最终透射通过反射层。
SWG层可以布置有所谓的偏振衍射单元(下文中称为偏振SWG层)。在偏振SWG层中，光如何反射或透射通过偏振SWG层取决于入射光的特定偏振。更具体地，SWG的单元可以被布置为对入射光的偏振敏感。如在公开号WO2011/136759的国际专利申请中描述的那样，SWG的厚度和间距可以被选择为对偏振敏感，该国际专利申请以该文件与本公开无不一致，特别是该文件的描述SWG设计的那些部分的程度引用并入本文。
可替代地，SWG层可以布置有所谓的非偏振衍射单元，使得光如何反射或透射不主要取决于入射光的特定偏振。更具体地，SWG的单元可以被布置为对入射光的偏振不敏感。这样的SWG层被称为非偏振SWG。
非偏振SWG通过图案尺寸的适当选择来设计。表示与SWG的特定特性尺寸相关的谐振的透射曲线可以被用来设计非偏振SWG。更具体地，为了布置具有非偏振衍射单元的SWG层，可以获得透射率和相移作为与SWG层的特定设计相关的占空比的函数的图。在这些图中，可以识别针对特定占空比值的谐振。(谐振对应于占空比值，其中当经历相位跳跃时，反射达到峰值，透射下降。)通常，在这两个谐振之间，透射高，且透射相位平滑地变化。使用该数据，能够设计非偏振的透射SWG。更具体地，可以选择SWG层中的衍射单元的尺寸，使得在透射曲线中的谐振之间包含光栅的子图案的透射特性，使得SWG对入射波前的偏振不敏感。
在上面的过程中，可以将非偏振的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。基本原则是选择SWG中的衍射单元的尺寸，使得在透射曲线中的谐振之间包含光栅的子图案的透射特性。此外，使用这样的设计方法，SWG层可以被布置有低的纵横比(aspectratio)，如低于10:1的纵横比，或更具体地，低于5:1的纵横比，或者甚具体地，低于1:1的纵横比。从而，促进使用像深度UV或纳米印刷光刻这样的微制造过程来直接批量生产SWG层。
具有非偏振衍射单元的SWG层的一些示例在法塔勒(Fattal)等人在“IntegratedPhotonics Research,Silicon and Nanophotonics,OSA Technical Digest(CD)(OpticalSociety 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))”中发表的标题为“A Silicon Lens for IntegratedFree-Space Optics(用于集成的自由空间光学器件的硅透镜)”的文章中说明，该文章以该文件与本公开内容无不一致特别是该文件描述SWG设计的那些部分的程度引用并入本文。将理解，本文章中说明的示例可以针对许多SWG几何尺寸(如关于图7、图10A或图13A说明的SWG几何尺寸)被推广。
图9示出根据一些示例的图示透射波前可如何变化的、操作中的SWG层900的剖视图。在示例中，具有基本均匀的波前902的入射光入射在SWG层900上，产生具有弯曲的透射波前906的透射光。透射波前906是由入射波前902的与具有相对较小占空比η2和厚度t2的子区域804相互作用的部分和入射波前902的与具有相对较大占空比η1和厚度t1的SWG800的子区域802相互作用的部分造成的。相对于由与子区域804相互作用的光所获得的较小相移，透射波前906的形状与由与子区域802相互作用的光所获得的较大相位相一致。
因此，可以将SWG层配置为提供任意相前形状调制。从而，SWG层可以如本文中描述的那样被实现在光学设备中，以实现很多光学功能。这些功能可以包括但不限于：使束偏转、将束分离成谱成分、对束中的一个或多个谱成分进行过滤、使束偏振、对束进行聚焦或离焦或者对具有非平行波前的束进行准直。下面，说明被配置实施这些功能的SWG层的一些示例。
可以配置非周期SWG，使得SWG层像棱镜那样工作，即通过产生相对于入射光偏转的透射光对入射光进行控制。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。
图10A示出SWG层1000的一维光栅图案的俯视平面图，该SWG层1000被配置为作为针对具有适当波长的常规入射光的棱镜工作；图10B示出操作中的SWG层的剖视图。SWG层1000的非周期SWG包括区域1001-1004，每个区域由沿y方向延伸的具有相同周期但占空比从区域1001至区域1004逐渐下降的线条形成。放大图1006-1008示出，线条周期间距p全都相同，但区域1001的线条比区域1002的线条具有相对较大的占空比，区域1002的线条比区域1003的线条具有相对较大的占空比。区域1001-1004的占空比被选择为使得透射的光中的最终相位变化对区域1001来说是最大的并且从区域1001至区域1004减小。
如图10B中所示，相位变化导致平行波前1010(对应于与SWG层1000的输入面1012垂直指向的具有波长λ的光束)透射通过SWG层1000的输出表面1016，作为以距表面法线1020的角度α行进的透射波前1010’。
在示例中，当包括多个谱成分的光入射到被配置为像棱镜那样工作的非周期SWG上时，该非周期SWG可以充当束分离器。
图11示出在操作中用以分离包括多个谱成分的波前1102的SWG层1000的剖视图。在所图示的示例中，波前1102包括(i)与波长λ1的光对应的第一谱成分1104(用细线示出)和(ii)与波长λ2的光对应的第二谱成分1106(用粗线示出)。SWG层1000对入射波前的不同谱成分引入不同的相位变化，因为光与光栅图案的相互作用是波长相关的。
SWG层1000的衍射特征可被设计为对其特定应用按需要控制多成分波前。在图11绘出的示例中，SWG层1000被设计为控制波前1102，使得其谱成分以对称的角度α偏转，更具体地，由SWG层1000引起的相位变化导致(i)与具有波长λ1的光束对应的波前1102的谱成分1104透射通过输出面1016，作为以沿顺时针方向距表面法线1020的角度α传播的透射波前1104’，以及(ii)与具有波长λ2的光束对应的波前1102的谱成分1106透射通过输出面1016，作为以沿逆时针方向距表面法线1020的角度α传播的透射波前1106’。将理解，可以将SWG层设计为按需要以任何方式分离多成分波前，以实施光学设备中的特定功能。在示例中，SWG层的非周期SWG可以被配置为，在包括多个谱成分的光入射到其上时通过像过滤器单元那样操作，控制入射波前。
图12示出在操作中用以过滤包含关于图11描述的谱成分1104、1106的波前1102的特定谱成分的SWG层1200的剖视图。因为光与光栅图案的相互作用是波长相关的，因此SWG层1200对入射波前的不同谱成分引入不同相位变化。可以对SWG层1200的衍射特征具体地进行选择，以对其特定应用按需要选择性地过滤多成分波前。在图12绘出的示例中，将SWG层1200设计为控制波前1102，使得具有波长λ2或与其接近的谱成分被阻挡，并且具有其它波长的谱成分被透射通过。更具体地，由SWG层1200引起的相位变化导致(i)与具有波长λ1的光束对应的波前1102的谱成分1104在没有偏转的情况下透射通过输出面1116，以及(ii)与具有波长λ2的光束对应的波前1102的谱成分1106被光栅吸收。将理解，可以将SWG层设计为按需要以任何方式过滤多成分波前，以实施光学设备中的特定功能。例如，SWG层可以过滤一些谱成分，同时分离其它谱成分。
在示例中，可以配置SWG层的非周期SWG，使得SWG层像可被配置为例如对入射束进行聚焦、准直或扩展的透镜那样工作。这种作为透镜工作的SWG层可以通过形成具有关于对称轴对称地变化的占空比的SWG图案来实现，该对称轴限定SWG层的光轴。这样的SWG层的示例关于图13A-图13B说明。
图13A和图13B图示被布置为作为透镜工作的SWG层1300。更具体地，SWG层1300可以作为用于聚焦入射光的凸透镜工作。图13A示出SWG层1300的一维光栅图案的俯视图，SWG层1300被配置为通过使光栅的线条从SWG层1300中心开始向外适当地逐渐变细而将入射光聚焦至焦点1336；图13B示出操作中的SWG层1300的剖视图。
SWG层1300包括具有由环形阴影区1302-1305表示的光栅图案的非周期SWG。每个环形阴影区表示不同线条光栅子图案。放大图1308-1311示出SWG包括具有沿x方向的恒定线条周期间隔p的、在y方向上逐渐变细的线。更具体地，放大图1308-1310是沿y方向与虚线1314平行行进的相同线的放大图。放大图1308-1310表明，线条周期间距p保持恒定，但线条的宽度在y方向上从SWG中央向外变窄或变细。每个环形区具有相同的占空比和周期。例如，放大图1308-1311表明，环形区1304的部分包括具有基本相同占空比的不同线条的部分。因此，环形区的每个部分在透射通过SWG层1300的光中产生相同的近似相移。例如，虚线圆1316表示单个相移等值线，其中沿圆1316在任意处透射通过SWG层的光获取基本相同的相位φ。
如图13B中所绘，相位变化导致平行波前1318(对应于与SWG层1300的输入面1312垂直指向的具有波长λ的光束)透射通过SWG层1300的输出面1322，作为向焦点1336会聚的输出波前1318’。
SWG层不局限于关于图7、图10A-13B说明的一维光栅。SWG层可以被配置有二维非周期SWG，使得该SWG层可以被操作来实现特定波前控制功能或其它光学功能，如对入射束进行聚焦、扩展或准直。在示例中，非周期SWG包含柱而非线条，柱通过槽分离。通过改变柱的尺寸，占空比和周期可以沿x方向和y方向变化。在其它示例中，非周期的SWG层包含由固体部分分离的孔。通过改变孔的尺寸，占空比和周期可以沿x方向和y方向变化。这种柱或孔可以根据像圆形或矩形这样的多种形状布置。
进一步，可以将SWG层布置为通过包含同心圆环的衍射图案而作为透镜工作。更具体地，这样的SWG层包括同心圆环，同心圆环形成自被对多个同心圆环进行分离的多个间隙所交织的介电材料。进一步，这样的SWG层可以包括大约在透镜的中央形成的由介电材料形成的盘。盘可以具有与多个同心圆环的厚度类似的厚度。介电材料层可以包括二氧化硅。厚度、间隙间隔、环宽度和环数量被选择以确定与透镜关联的光学特性(例如，焦距)。
如上面图示的，SWG层可被布置为，通过适当地设计对入射波前引入的相变，实施特定光学功能。存在用于设计所引入的相变的多种方式。在示例中，为了配置SWG层，可以使用适当的计算工具，如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”或者可以用来对多种物理和工程应用进行模拟的COMSOL(其是有限元分析和求解器软件包)，来确定透射分布。所确定的透射分布可以被用来均匀地调整整个SWG层的几何参数，以便产生透射波前中的特定变化。
制造光纤连接器：图14图示用于制造光纤连接器的方法1400的示例。光纤连接器用于将束光学地耦合到光纤内或从光纤耦合出。在讨论图14时，参考图15A和图15B中的示意图来提供上下文示例。然而，方法1400的实现方式不局限于这些示例。图15A是绘出(i)用于MT连接器的箍1500以及(ii)与箍1500解耦合的SWG组件1502的示意轴测图。图15B是包括箍1500的MT光学连接器1504的示意轴测图，其中SWG组件1502耦合至箍1500。
在该示例中，连接器1504是三端子连接器。布置箍1500来容纳三个光纤1506-1508。进一步，SWG组件1502包括三个光学耦合区1510-1513，每个区对应于连接器1504的端子。每个耦合区1510-1513包括，与上面描述那样类似地，被布置为执行适于将来自对应光纤的光耦合到连接器1504的对应光通道(未示出)的光学功能的组合的SWG层堆叠。耦合区被布置在SWG组件1502处，使得它们可以在箍1500处与各自的光纤对准。(例如，耦合区1510被设置为在将SWG组件1502安装到箍1500上时与光纤1506对准。)
尽管连接器1504被图示为用于三个端子的MT连接器，但是连接器1504可以适合于互联对特定光学应用所需的任何数量的端子。也就是说，箍1500可以适合于容纳任何数量的光纤，并且SWG组件1502可以包括任何对应数量的光学耦合区。进一步，连接器1504可以用于单个光纤。单个光纤可以包括单个芯或多个芯。
在1402处，SWG组件1502耦合至箍1500。在1404处，使SWG组件1502对准，以将光纤1506-1508光学地耦合至1504的对应光通道(未示出)。在所图示的示例中，半同时地执行耦合1402和对准1404。更具体地，箍1500可以包括适合于容纳SWG组件1502的窝1514，使得当其被安装到窝1514上时，其与光纤1506-1508自动地对准。也就是说，可以对窝1514进行尺寸设计以及进行定位，使得当将SWG组件1502插入其内时，耦合区1510-1512与对应的光纤1506-1508对准。除这些步骤以外，耦合1402可以包括将SWG组件1502固定至箍。固定可以包括将组件接合至箍，或者触动固定设备，如夹具等。
耦合1402和对准1404可以以多种不同的方式执行。进一步，对准1404可以在不使用箍中的窝的情况下执行。例如，可以使SWG组件1502与箍1500的光纤1506-1508结束处的平整表面接触，然后可以使用主动对准系统(例如，使用箍处的基准布置和机器视觉系统的组合)使SWG组件与光纤1506-1508对准。
有制造本文描述的SWG组件的多种方式。例如，SWG组件可以使用诸如光刻、压印工艺、层沉积或它们的组合之类的微制造技术来制造。
在一些示例中，可以使用这样的微制造技术在透明基板上形成一个或多个SWG层。例如，可以在基板的一侧上形成第一SWG层。通过将膜沉积和光刻进行组合的工艺，可以在第一SWG层上形成附加的SWG层。
在进一步的示例层，可以在基板的第一侧上形成第一SWG层，可以在基板的与第一侧相对的第二侧上形成第二SWG层。在第一SWG层或第二SWG层中任何SWG层上可以形成附加的SWG层。
在其它示例中，第一SWG层和第一基板形成第一集成结构的部分；在第二基板上形成第二SWG层，并且第二SWG层和第二基板形成第二集成结构的部分。为了形成本文描述的SWG组件，可以接合第一集成结构和第二集成结构，以形成单个集成设备。通过另外的集成结构的接合，在设备中可以集成另外的SWG层。
在前面的描述中给出了许多细节以提供对本文公开的示例的理解。然而，将理解，示例可以在没有这些细节的情况下实践。尽管已经公开了有限多个示例，但可想到由此产生的多种修改和变化。期望所附权利要求覆盖被图示的示例的修改和变形。具体地，上面说明的SWG层的数量和布置被选择以描述一些特定示例。可想到光学连接器包含适合于实施光学部件之间的特定连接能力的任何数量和布置的SWG层。进一步，本文中的一些示例说明束扩展连接器，然而将理解，本文想到的光学连接器不局限于此类连接器。根据示例的连接器可以实施多种功能，如束分开、束分离、谱成分的过滤、束偏振或这样的光学功能在光学连接器中的组合。
记载与特定单元有关的单数形式关联的权利要求记载，预期包括一个或多个这样的单元，既不需要也不排除两个或更多个这样的单元。进一步，术语“包括”和“包含”被用作开放式语次转变。

Claims (15)

1.一种光学设备，包括：
输入光通道和对应的输出光通道；以及
被对准以将所述输入光通道光学地耦合至所述输出光通道的堆叠的亚波长光栅(SWG)层的组件。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述光学设备是包括多个输入光通道和多个对应的输出光通道的多端子光学设备，所述SWG组件被对准来将所述多个输入光通道光学地耦合至所述多个输出光通道。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述设备是多芯光纤光学连接器。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述SWG组件被布置为使从所述输入光通道发出的束偏转，以将光束分开。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述SWG组件包括对从所述输入光通道发出的束进行准直的SWG子组件。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述SWG组件包括使从所述输入光通道发出的束偏转的SWG子组件。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备是扩展束连接器。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述SWG组件包括将堆叠的SWG层分开的透明固体层。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述SWG组件的SWG光栅层包括：被布置为对来自所述输入光通道的束进行整形或控制的非周期SWG层。
10.一种多芯光纤连接器，包括：
箍，用于容纳多芯光纤；
多个光通道；以及
包括多个堆叠的SWG光栅层的SWG组件，每个SWG层包括非周期SWG层，所述SWG组件被布置为将所述多芯光纤的芯光学地耦合至所述多个光通道的通道。
11.根据权利要求10所述的连接器，其中所述SWG组件包括：
SWG扩展子组件，用以对从多个芯发出的束单独地进行扩展，以及
SWG准直子组件，用以对在所述SWG扩展子组件处扩展的束单独地进行准直。
12.根据权利要求10所述的连接器，其中所述SWG组件包括：
SWG准直子组件，用以对从多个芯发出的束单独地进行准直，以及
第一SWG偏转子组件，用以使在所述SWG准直子组件处准直的束单独地偏转，以使准直束分开，以及
第二SWG偏转子组件，用以使在所述第一SWG偏转子组件处偏转的束进一步向所述多个光通道偏转。
13.根据权利要求10所述的连接器，其中所述连接器适于对从具有有角度的面的多芯光纤末端发出的光进行光学地耦合。
14.一种制造用于将束光学地耦合到光纤内或从光纤耦合出的光纤连接器的方法，所述方法包括：
将堆叠的SWG层的组件耦合至箍，所述箍用于容纳光纤；
对准所述SWG组件，以通过所述SWG组件将所述光纤光学地耦合至所述连接器的光通道。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述连接器用于将多个束单独地耦合到多芯光纤的芯内或从多芯光纤的芯耦合出，所述箍用来容纳所述多芯光纤。
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