CN104272618B - 光学混洗 - Google Patents

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Abstract

本文描述了涉及光学混洗的技术。在一个示例中，描述了用于混洗多个光束的系统。该系统包括用于输出相应光束的多个源。该系统进一步包括用于接收相应光束的多个接收机。该系统进一步包括具有多个亚波长光栅(SWG)部的混洗组件。多个SWG部中的每一个用于限定多个光束的光学路径。多个SWG部包括至少一个反射式SWG部，其用于将来自多个源中相应的一个源的光反射并且射向多个接收机中相应的一个接收机。

Description

光学混洗
背景技术
许多应用依赖于发送和接收相对大量的数据。基于利用光传输数据的技术是提供高网络带宽的传统选择。存在许多使用光传输信息的的设备。
网络设备可包括大量的光源，大量的光源通过光纤耦合至同样大量的光接收机。光源，例如光引擎，可通过光纤耦合至光接收机。
通常期望在多光纤光连接器内切换或“混洗(shuffle)”在光纤内承载的光信号。这个任务通常通过将个别光纤与一个连接器物理分开或“分接”并且将这些光纤重新路由至一个或多个附加光学连接器的不同结构来实现。例如，在板式计算机系统中，可能期望将信号从一个处理器的输出路由至两个或更多开关的输入以提供冗余。
附图说明
为了可以很好地理解本公开，现在将参考附图来描述各种示例。
图1示意性地示出了包括光学混洗系统的示例的环境的透视图。
图2示意性地示出了根据另一示例的光学混洗系统的等距视图。
图3示意性地示出了包括光学混洗系统的另一示例的环境的透视图。
图4示意性地示出了根据另一示例的光学混洗系统的等距视图。
图5A示意性地示出了根据示例的由SWG部反射的光束的示图。
图5B和图5C示意性地示出了根据示例的通过SWG部透射的光束的示图。
图5D示意性地示出了根据示例的光束方向被改变的方式的示图。
图6示意性地示出了根据示例的SWG组件的俯视平面图。
图7示意性地示出了根据示例的在操作中的两个分开的光栅子图案。
图8示意性地示出了根据示例的在操作中的两个分开的光栅子图案。
图9A和图9B示意性地示出了在操作中的SWG部的侧视图。
图10示出了例示用于制造光学混洗系统的方法的示例的流程图。
图11示出了计算设备的示例的示意性表示，其可用于执行图10中所描绘的方法中的一些操作。
具体实施方式
在下面，给出大量细节，以提供对本文所公开的示例的理解。然而，应理解的是，没有这些细节也可实施这些示例。此外，在下面的详细描述中，参考附图，在附图中作为例示示出了各种示例。尽管例示了有限数量的示例，但将理解的是，存在由其衍生的多个变形和变化。
关于这一点，方向性术语，例如“顶”、“底”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”等用于对所描述的示图的方向的参考。因为所公开的组件能够在多个不同方向上定位，所以方法术语用于例示的目的并且不用于限制。在示图中，为了清楚的例示，层和区域的尺寸和某些表面角度被放大。不同的图中，相同的附图标记用于相同和相应的部件。
另外，应理解的是，示图中所例示的系统不是按比例绘制，而是绘制成清楚地示出本文所例示的系统的各种部件之间的关系。
尽管例示了有限数量的示例，但将理解的是，存在由其衍生的多个变形和变化。
如上面所给出的，经常期望切换或“混洗”光信号。在某些系统中，混洗会产生用于承载数据的非常密集的光信号集的复杂路由。这种复杂路由的示例可在计算机和开关柜的内部见到。系统结构可包括插入底板或中间板内的印刷电路板(PCB)集。这种复杂路由的其他示例可在板式服务器之间的通信中见到，该路由可通过板式反射器中的许多或全部所连接至的开关集来管理。
在某些光学通信系统中，通过光纤来实现对光学混洗的路由和管理。可以通过用于将连接器中的多个光纤分成更小的光纤组的接线光缆和各个光纤来实现光学连接，从而将信号路由至特定位置。例如，在光通信的某些系统中，接线盒和接插板用于产生期望的光缆路由图案。例如，多光纤光连接器可插入附接至接线盒的连接器中。在该盒内，几个或各个光纤可与输入连接器分开并且路由至该盒中的其他连接器。各个光纤可以路由回输入连接器上的另一位置。在利用光学连接构建特定系统中，光缆的放置实质上促成开销。
在其它光学通信系统中，通过透镜阵列来实现对光学混洗的路由和管理，该透镜阵列能够用于将转到第二透镜和连接器组件的自由空间光信号准直并且偏转。透镜阵列可能是昂贵的，并且功能上限于在特定环境下，它们不能实现复杂的混洗。此外，透镜会引起大体积设计并且可引入光学损耗。
设计并且构建混洗系统的过程会是高成本的。此外，至少在某些情况下，设计和构建可能不适合于自动化。最后但同样重要的，混洗系统还能够是大的并且耗费有用空间。在许多系统中，例如，在计算机或开关柜内，空间会是高昂的。
本文的各种示例在于混洗多个光束，使得来自多个光源中相应的一个光源的光被反射并且射向多个接收机中相应的一个接收机。本文的示例利用被配置成反射光的亚波长光栅(SWG)部实现这种混洗。反射式SWG部在实现混洗的同时有助于灵活性，而不会在成本和/或空间方面妥协。此外，反射式SWG部便于执行混洗，其中源和接收机在混洗系统的同一侧，如在下面进一步例示的。
SWG指包括衍射光栅的光栅，该衍射光栅的间距足够小以抑制0级衍射之外的所有衍射。相反，传统波长衍射光栅特征在于间距足够高以引入入射光的更高级衍射。换言之，传统波长衍射光栅将光分开并且衍射成在不同方向行进的几个光束。SWG部如何改变入射光和其光学路径可在制造时通过适当地选择SWG的物理参数，更具体地选择其衍射元件的尺寸(例如脊宽、脊厚、脊段间距)来确定。
如下面在配置亚波长光栅部分所详细描述的，SWG部可被布置成以预定方式控制入射在其上的波前。更具体地，具有非周期亚波长图案的光栅可以配置成使任意相前碰撞对撞束。因此，可以实现任意衍射或折射元件。通过SWG的波前控制可在本文所描述的器件中通过包括一个或多个SWG层来实现，以执行特定波前控制功能。
SWG部可被配置成偏转入射波前，从而改变其行进方向。具体地，SWG可被配置成反射具有特定输出波前形状的入射光。SWG可被配置成透射具有特定输出波前形状的入射光。能够用SWG实现的其他功能包括将入射波前分成光谱成分，或对入射波前的特定光谱成分进行滤波。此外，用于波前控制的这种SWG可以与被配置成准直、聚焦或扩散受控波前的SWG层结合。
在下面的描述中，术语“光”指代电磁辐射，其波长位于电磁频谱的可见光和不可见光部分内，包括电磁频谱的红外和紫外部分。术语“波前”指光束中具有相同相位的点的轨迹(即，线或在三维中传播的波中的表面)。术语“栈”指SWG层的有序堆。垫片可插入栈的SWG层之间。应理解的是，当层或膜被称为或被示出为在两个层或膜之间时，它能够是两个层或膜之间唯一的层或膜，或者还可以存在一个或多个中间层或膜。
混洗系统：提供下面描述的光学混洗系统，以例示用于混洗多个光束的多种多样的可能布置的一些示例，其中多个SWG部中的至少一个将多个光束中的一个反射并且射向特定方向。然而，应理解的是，认为光学混洗系统不限于在本文的示例中例示的特定混洗结构。认为光学混洗系统具有适于特定光学连接应用的任何混洗结构。
图1示出了环境的透视图，其中例示了混洗多个光束102a至102d的光学混洗系统100的示例(通过特征线图案来例示每个单独光束)。系统100包括输出相应的光束102a-102d的源104a-104d。源104a至104d光耦合至输入波导106a-106d，以将波导承载的光信号(未示出)输出到系统100。
系统100还包括多个接收机108a-108d，以接收相应的光束。接收机108a-108d与源104a-104d分开。接收机108a-108d光耦合至输出波导110a至110d，以将输入波导106a-106d承载的光信号(未示出)输入到输出波导110-110d中。
系统100还包括混洗组件112。混洗组件112包括SWG部112a-112d。SWG部112a-112d配置成限定光束102a-102d的光学路径。
根据本文所公开的至少一个示例，混洗系统包括配置成反射光的SWG部。在图1中例示的特定示例中，SWG部112b和112d是反射式SWG部，其在系统100的操作中，将来自源106b、106d中相应的一个的光反射并且射向接收机108b、108c中相应的一个。
根据本文所公开的至少一个示例，混洗系统可包括至少一个透射式SWG部，以将光向特定方向透射。在图1中例示的特定示例中，SWG部112a和112c是透射式SWG部，其在系统100的操作中，将来自源106a、106c中相应的一个的光向接收机108a、108c中相应的一个透射。
尽管图1中未示出，但应理解的是，系统100还可以包括用于机械支持和定位上述元件的元件。更具体地，系统100可包括通过多个机械连接封装所描绘的元件并且支持所描绘的元件的盒体。
术语“源”指混洗系统的、被配置成光耦合至输入波导(例如，输入波导106a至106d中的任意一个)的部分，或被配置成将光输出到源中的任意其他元件，例如光引擎(例如，垂直腔表面发射激光器)。术语“接收机”指混洗系统的、被配置成接受来自源的光的部分。通常，接收机光耦合至输出波导(例如，输出波导110a至110d中的任意一个)。源和接收机可包括在操作中分别与用于透射光的输入元件和输出元件光学对准的开口或透明材料。源或接收机可包括光学元件，例如，用于改变从其透过的光的波前的透镜或SWG部。更具体地，这些光学元件可准直、聚焦或偏转从其透过的光。
如本文所使用的，波导指被配置成承载光信号的光学元件。波导包括但不限于光纤、介质平板波导、条形光波导或脊波导。介质平板波导可包括三层具有不同介电常数的材料，该材料被选择为使得通过内部全反射将光限制在中间层。条形波导可包括限制在包层之间的一条导光层。在脊波导中，导光层包括板，该板具有叠加在其上的条(或几个条)。
如本文在下面更详细地描述的，SWG部可具有各种物料参数(例如，脊间距、脊宽度、脊厚度等)，这些参数被选择成引起入射在SWG部上的光的相移的特定变化。更具体地，以使得特定SWG部有助于以预定方式混洗的方式选择这些物理参数。
SWG图案可设计成使光在特定SWG部(例如，SWG部112b、112d)以预定空间模式反射。在本文的至少一些示例中，反射式SWG部由多个脊形成，脊具有脊宽度、脊厚度以及脊段间距，它们被选择为控制光束的不同部分的相位变化，使得光束沿特定方向被反射式SWG部反射，如接下来在下面的部分中进一步详细描述的。
SWG图案还可设计成使光以预定空间模式透过特定SWG部并且被该特定SWG部(例如，SWG部112a，112c)射出。在本文的至少一些示例中，透射式SWG部由多个脊形成，脊具有脊宽度、脊厚度以及脊段间距，它们被选择为控制光束的不同部分的相位变化，使得光束朝着特定方向透过透射式SWG部。如下面在下一部分中进一步详细描述的。
如从图1能够理解的，SWG组件的不同SWG部可配置成以不同方式修改输入光束的光学路径，以实现混洗。在本文的至少一些示例中，混洗组件中的多个SWG部中的至少两个相对于彼此具有不同的脊宽度、脊厚度或脊段间距，以将光束射向相对于彼此不同的方向。尽管SWG部112a-112d在图1中示出为在组件112中分开形成，但应理解的是，两个或更多SWG部可如本文中所描述的在SWG组件上连续地形成，每个SWG部实现不同的混洗功能(例如，一个用于反射光，另一个用于透射光)。
根据某些示例，光学混洗系统可形成多光纤光学混洗系统的一部分。例如，参考图1中的示例，信道106a-106d、信道110a和110c或信道110b和110d中的至少一个可分别构成三个不同的多光纤连接器中的各个光纤。例如，混洗系统100可以实现输入多光纤(具有信道106a-106d)与两个输出多光纤之间的混洗，两个输出多光纤为：第一输出多光纤(具有信道110a和110c)和第二输出多光纤(具有信道110b和110d)。
如能够从图2所理解的，根据本文的示例的光学混洗系统可实现多维混洗。换言之，源和接收机不必一定共面。图2示出了根据一个示例的光学混洗系统200的等距视图。混洗系统200包括多个源202和多个接收机204，它们相对于彼此处于间隔关系。混洗系统200还包括位于源202与接收机204之间的混洗组件210。
多个SWG部222描绘成在混洗组件210处形成。尽管未示出，但混洗组件210可通过使用任意合适的机械支持相对于源202和接收机204保持在大致固定的位置。混洗组件210可连接至致动器(未示出)，致动器用于改变混洗组件210相对于源202和接收机204的位置。下面相对于图5D例示了用于改变混洗组件的位置的致动器。
源202被描述为布置在多个源群230a-230d中，并且接收机204被描述为布置在多个接收机群240a-240d中。根据一个示例，包含在特定的源群中的源202包括用于特定设备(未示出)的源，包含在特定的接收机群中的接收机204包括用于另一特定设备(未示出)的接收机。接收机群240c和240d被放置在源群230a-230d的同一侧(A侧)。
如能够从图2理解的，混洗组件210包括基本平面的材料板242，其中SWG部222形成为以二维阵列布置。平面板242可如下面进一步详述的利用平板印刷技术按传统制造。应理解的是，板242大致是平面的，其平面性限于在其制造过程中所使用的特定技术的制造容差。SWG部222中的至少一些配置成反射式SWG，以便于在位于混洗组件200同一侧的源和接收机之间，并且更具体地，在源群230a-230d与接收机群240c和240d之间的混洗。
相对于图3例示在源和接收机之间进行混洗的混洗系统的另一示例。图3例示了SWG组件可如何紧凑地实现各种混洗功能。图3例示了包括光混洗系统300的环境。混洗系统300用于混洗一组光束302。混洗系统300包括源304a-304h、接收机308a-308h、310a-310d、312a以及包括混洗元件314a-314f的混洗组件314。每个混洗元件包括配置成实现源与接收机之间的混洗的SWG部316、318、320、322、324、326。
如在图中能够理解的，多个SWG部的一部分可设置在光学混洗系统的第一侧，多个SWG部的另一部分可设置在光学混洗系统的第二侧。第二侧与第一侧相对。在图3的具体示例中，SWG部316、318以及320在系统300的侧A，而SWG部322、324、326在系统300的B侧。如从下面的描述中能够理解的，在相对侧放置SWG部便于混洗功能的多样性。此外，在相对侧上的结合放置和反射式SWG还便于执行其中源与接收机在混洗系统的同一侧的混洗。
混洗系统302根据特定混洗图案将来自信道306a-306h的光信号从输入连接器306耦合至输出连接器328、330以及332的信道中。输入连接器306的信道306a-306h用于承载各个光信号。承载这些光信号的光束302从输入连接器的信道通过源304a-304h输出到混洗系统300中。
如在图中所例示的，混洗系统300将来自源304a-304d的光信号直接耦合至接收机308a-308d。接收机308a-308d将这些光信号耦合到连接器328的信道328a-328d。
混洗系统302还将光信号从信道306e播送到信道328e-328h。如图中所例示，在混洗元件314d处的SWG部322配置成将入射光束分成四个不同光束。SWG部322与源304e和接收机308e-308h光学对准，以实现混洗系统300的广播功能。接收机308e-308h将光信号耦合到连接器328的信道328e-328中。
混洗系统302还将来自在连接器306处的信道306f和306g的光信号分别耦合到在连接器330处的信道330a和330b中。连接器306和330在混洗系统300的同一侧(A侧)。这些光信号的混洗通过三个不同SWG部的合作来实现：从源304f和304g发射的光束被在SWG元件314a处的SWG部316朝着在SWG元件314e处的SWG部324偏转；SGW部316将来自SWG部316的光束朝着在SWG元件314b处的SWG部318反射；SWG部318将来自SWG部324的光束准直到接收机310a、310b中。接收机310a-310b将光信号耦合到在连接器330处的信道330a和330b中。
混洗系统302还将来自在连接器306处的信道306h的信号播送到在连接器330处的信道330c和330d和在连接器332处的信道332a中。连接器330和332位于混洗系统300的相对侧。通过三个不同SWG部的合作来实现光信号的混洗：从源304h发射的光束通过在SWG元件314a处的SWG部316朝着在SWG元件314f处的SWG部326偏转，SWG部316将来自SWG部316的光束的一部分朝着在SWG元件314c处的SWG部320反射，并且将光束的另一部分透射并且准直到接收机312a中；SWG部320将来自SWG部326的光束分成两个被准直到接收机310c、310c中的两个独立光束。接收机312a将光信号耦合到信道332a中，接收机310c-310d将光信号耦合到在接收机330处的信道330c和330d中。
在本文的示例中，混洗组件包括(i)基本平面的第一材料板，其中多个SWG部中的至少第一部分形成为以二维阵列布置，以及(ii)基本平面的第二材料板，其中多个SWG部的至少第二部分也形成为以二维阵列布置。相对于图4例示这些示例。
图4示出了根据另一示例的光学混洗系统400的等距视图。混洗系统400包括布置在多个源群230a-230b中的源202和布置在多个接收机群240a-240f中的接收机204(上面相对于图2例示了这些元件)。接收机群240e-240f布置在混洗系统的与源群230a-230b相同的一侧(A侧)。
混洗系统400还包括基本平面的第一材料板402，其中多个SWG部422中的第一部分形成为以二维阵列布置。在例示的示例中，SWG部422的第一部分配置为透射式SWG部，用于将从源群230a-230b发射的光信号朝着SWG的第二部分透射，或者将光信号耦合到接收机群240e-240f中。SWG部422的第二部分的SWG可以实现其他光学功能，例如，聚焦、偏转或准直，以实现特定混洗方案。
混洗系统400还包括基本平面的第二材料板410，其中多个SWG部422的第二部分被形成为以二维阵列布置。SWG部422中的至少一些被配置为反射式SWG，以便于在位于混洗组件400的同一侧处的源和接收机之间，更具体地，在源群230a-230d与接收机群240e和240f之间的混洗。SWG部222的另一部分可配置为透射式SWG，或者用于实现某些其他光学功能，例如，聚集、偏转或准直，以实现特定混洗方案。
尽管SWG部222、422已描绘为在相应平面板210、410上在分开的位置形成，但应理解的是，在不背离如本文所公开的光学混洗系统的范围的情况下，平面板的附加部可由SWG部形成。因此，例如，大致整个表面区域，例如大于平面板的表面区域的约75％可包括SWG。
图5A示出了SWG部522将沿SWG部522的轴504传播的光束502a反射为偏离轴504的光束502b的方式的示例。
图5B示出了当从左至右观看时SWG部524将来自接收机506的光束502a准直为沿SWG部524的轴504的光束502b的方式的示例。类似地，当从右至左观看时，在图5B中描绘的图还描绘了其中SWG部524将光束502b沿轴504聚集到接收机508中的示例。
图5C示出了当从左至右观看时SWG部526将来自源506的光束502a准直为光束502b并且改变其方向使得光束502b偏离SWG部112的轴504的方式的示例。类似地，在图5C中描绘的图中，当从右至左观看时，描绘了其中SWG部526将光束502b聚焦为光束502a并且改变其方向使得光束502a沿轴504传播并且到达接收机508上的示例。
根据本文的至少一些示例，多个SWG部的至少一部分相对于源是可移动的，以改变多个光束的相应光学路径。参考图5D，包括反射式SWG部528的SWG组件510可附接至致动器550，以在如通过箭头552所指示的一个或多个特定方向上移动SWG组件510。SWG部528用于将入射的发散光束502a反射成在特定方向传播的准直光束502b。SWG组件510的移动通常使反射的光束502b的方向改变，如通过箭头554所指示的。如此，如图5D中所描绘的光束502b可在通过箭头552、554表示的方向中的任意一个方向或两个方向上移动，从而使光束132a所携带的光信号耦合到该混洗系统中的接收机104的不同接收机中。类似地，致动器可附接至包括透射式SWG部的SWG组件，以控制透过SWG部的光束耦合到哪个接收机中。致动器550可包括例如编码器，微机电系统(MEMS)或适合于致动SWG组件510的任意其他元件。
根据一些示例，从多个源发射的光束在可移动SWG部处于第一位置时可射向多个接收机的第一子集，并且其中来自多个源的光束在可移动SWG部处于第二位置时射向多个接收机的第二子集。
例如，参考相对于图1至图4例示的示例，元件112、210、314、402、410中任意一个可以是可移动的(例如，通过如图5D中描绘的致动器)，以改变通过相应组件实现的混洗功能。当一个或多个SWG部和源的相对位置时，不同组的SWG部将定位在光束的光学路径上。此外，不同组的SWG部可具有不同的物理特征，因此使得光束的光学路径被改变，从而光束射向不同的具体方向。因此，可移动SWG部便于不同接收机通过致动可接收来自不同光源的光束。然而，替代地，这可以通过用另一SWG组件代替SWG组件来实现，另一SWG组件的SWG部具有与被代替的SWG组件的SWG部不同的物理特征。
配置亚波长光栅：图6示出了根据示例的配置有包括光栅图案的SWG部的SWG组件600的俯视平面图。在此示例中，SWG组件600包括多个一维光栅子图案。放大地描绘了三个光栅子图案601-603。每个光栅子图案包括多个规则布置的衍射结构。在描绘的示例中，衍射结构例示为SWG层材料的间隔开的线状部(下文中称为“线条”)。这些线条在y方向上延伸并且在x方向上间隔开。还描绘了光栅子图案602的放大端视图604。如通过端视图604所例示的，SWG层600可以是具有线条(例如，通过形成在层中的沟槽分开的线条606-609)的单个层。
应理解的是，SWG部中的衍射结构不限于相对于图6例示的一维光栅。SWG部可配置有二维非周期SWG，使得能够操作SWG层，以实现特定波前控制功能或其他光学功能，例如，聚焦、扩散、反射或准直入射光，或其结合。在示例中，非周期SWG由柱(post)而不是线条组成，柱被沟槽分开。能够通过改变柱尺寸在x方向和y方向上改变占空因素和周期。在其他示例中，非周期SWG层由通过固体部分分开的孔构成。能够通过改变孔尺寸在x方向和y方向上改变占空比和周期。可根据各种形状例如圆形或长方形来布置这种柱或孔。其他几何配置的示例在本文提及的参考文献中例示，并且通过引用结合。
SWG层的子图案的特征在于衍射结构的一个或多个周期性维度特征。在图6的示例中，周期性维度对应于(a)线条的间距和(b)x方向上的线条宽度。更具体地，子图案601包括以周期p1周期分开的宽度为w1的线条；子图案602包括以周期p2周期分开的宽度为w2的线条；以及子图案603包括以周期p3周期分开的宽度为w3的线条。光栅子图案在其特征尺寸(例如，周期p1、p2、或p3)小于针对其设计以进行操作的特定入射光的波长时形成亚波长光栅。例如，SWG的特征尺寸(例如，周期p1、p2、或p3)能够在从约10nm至约300nm或从约20nm至约1μm的范围内。通常，根据针对其设计特定波前控制器件以进行操作的光的波长来选择SWG的特征尺寸。
来自子区域的第0级衍射光获取了通过线条厚度t和占空比η确定的相位φ，其定义为：
其中w是线条宽度，p是与该区域相关联的线条周期。
由于与每个子图案相关联的不同占空比和周期，光栅子图案601-603中的每一个以不同方式衍射入射光。SWG部600可配置成通过调节线条的周期、线条宽度以及线条厚度以特定方式作用入射光。
图7示出了根据示例的来自两个分离的光栅子图案的线条显示反射光所获得的相位的截面图。光栅设置在基板701上。线条702和703可以是第一子图案中的线条，线条704和705可以是位于基板701上其他地方的第二子图案中的线条。线条702和703的厚度t1大于线条704和705的厚度t2，并且与线条702和703相关联的占空比η1也大于与线条704和705相关联的占空比η2。沿x方向偏振并且入射在线条702-705上的光，被线条702和703捕获的时间周期相对长于被线条704和线条705捕获的部分入射光的时间周期。结果，从线条702和线条703反射的部分光获得的相移大于从线条704和线条705反射的部分光获得的相移。如图7的示例中所示，入射波708和710以近似相同的相位射入线条702-705，但是从线条702和703反射的波712获得的相移相对大于从线条704和线条705反射的波714获得的相位。
图8示出了根据本发明示例的揭示波前如何变化的线条702-705的横截面视图。如图8的示例中所示，具有基本均匀的波前802的入射光射入线条702-705和基板701，产生具有弯曲的反射波前804的反射光。弯曲的反射波前804是由入射波前802的与具有相对较大的占空比η1和厚度t1的线条702和线条703相互作用的部分以及相同的入射波前802的与具有相对较小的占空比η2和厚度t2的线条704和线条705相互作用的部分造成的。反射波前804的形状与射入线条702和线条703的光所获得的较大相位相对于射入线条704和线条705的光所获得的较小的相位相一致。
SWG部可被配置为施加给反射光特定的相变，而维持相当高的反射率。具体地，被配置有一维光栅图案的SWG可向垂直于线条偏振的反射光施加相变，如上参照图7和图8所述的。
图9A示出了根据本发明示例的具有被配置成将入射光聚集于焦点904的光栅层902的SWG部900的侧视图。在图9A的示例中，光栅层902被配置为具有光栅图案，使得沿x方向偏振的入射光反射，其中波前与将反射光聚焦在焦点904处对应。另一方面，图9B示出了根据本发明示例的被配置并作为发散镜工作的SWG部910的侧视图。在图9B的示例中，光栅层912被配置为具有光栅图案，使得沿x方向偏振的入射光反射，其中波前与光从焦点904发射的光对应。
图7至图9B例示波前通过SWG部的反射。替代地，或结合地，SWG部可配置成透射波前。SWG部可设置有平行设置的反射式SWG层，从而形成谐振腔。然后，光可以被捕获在这些谐振腔上。然后，这些谐振腔配置成使得光最终在光束中以不同的相位透过反射层。更具体地，可以选择SWG层中衍射元件的尺寸，使得光栅的子图案的传输特性包括在传输曲线中的谐振之间，使得SWG对入射波前的偏振不敏感。在示例中，可基于固定间距为475nm并且柱直径在140nm与380nm之间变化的130nm高硅柱的阵列，来设计用于650nm波长的非偏振透射衍射SWG部。
用于传输波前的SWG部的更具体的示例在公开于“集成光子学，研究硅和纳米光子学，OSA技术文摘(CD)(美国光学学会，2011)(Integrated Photonics Research,Siliconand Nanophotonics,OSA Technical Digest(CD)(Optical Society of America,2011))”中的、作者为法塔勒(Fattal)等人的文章“用于集成自由空间光学的硅透镜(A SiliconLens for Integrated Free-Space Optics)”以及公开号为WO2011/093893的国际申请中例示，这些文献作为参考结合在本文中，在某种程度上，这些文献与本公开，特别是本公开中描述用于传输光的SWG设计的那些部分并非不一致。
设计光学混洗系统：下面例示了用于制造光学混洗系统的方法的各种示例。然而，应理解的是，本公开不限于这些方法，并且特别是对于SWG部的设计可以用各种方法。
图10示出了例示用于制造光学混洗系统的方法的流程图1000。应理解的是，流程图1000是概括例示，并且在不背离本公开的范围的情况下，可以添加附加的块和/或可以修改或去除现有的块。
在块1010，可计算多个SWG部中的每个SWG部上的目标相位变化，目标相位变化中的每一个可对应于将通过多个SWG部透射或反射的相应光束的期望波前形状。SWG部当在操作混洗系统中被实现时进行合作以实现具体混洗。
此目标相位变化可看作在透射光或反射光中通过SWG引入的特定相位变化。这种目标相位变化可利用透射率或反射率曲线来计算，该曲线将在一系列入射光波长内的射入波前针对特定SWG部的透射率和反射率与获得的相移相关联。计算的透射率和反射率曲线可用于一致地调节整个SWG部的几何参数，以在透射的波前中产生期望的变化。(下面还例示了这样的曲线的某些示例)
在块1020，确定SWG物理参数。更具体地，在块1020，可针对多个SWG部中的每一个计算与目标相位变化(例如，如在块1010处计算的那些)对应的脊宽度、脊段间距以及脊厚度。在某些示例中，块1020可包括确定SWG部的部分的占空比。为了执行该确定，可以针对特定波长的光使用作为SWG占空比的函数的透射率或反射率和相移的曲线。此外，可以通过考虑作为SWG部的脊段间距和占空比的函数的透过SWG部的光的相位变化，来确定SWG物理参数。该函数可以作为周期和占空比的函数反映在相位变化的轮廓曲线中。轮廓脊对应于通过SWG部透射的光获得的特定相位，其中SWG层配置有沿轮廓任何位置分布的周期和占空比因素。确定SWG物理参数的示例在本文所引用的专利文献中的任意文献中描述并且关于这方面还通过引用结合。
上面提及的透射率和反射率曲线的某些示例在公开号为WO 2011/093893的国际申请中示出，该国际申请，特别是其描述对反射式SWG部的目标相位变化的计算的那些部分，结合在本文中。这种反射率曲线的示例例如在公开号为WO2011/129814的国际申请中示出，该国际申请，特别是其描述对透射式SWG部的目标相位变化的计算的那些部分，结合在本文中。
可利用应用“MIT电磁方程传播”(“MEEP”)模拟软件包获得透射率和反射率曲线以及相位变化的轮廓曲线，以模拟COMSOL的电磁系统。该软件包是能够用于模拟各种物理和工程应用程序或其他合适的模拟应用程序的有限元分析求解器软件包。应理解的是，存在如在本文所引用的专利申请中的任意一个所描述的用于计算SWG部的目标相位的各种方法，并且关于这方面也通过引用来结合。
在块1030，SWG部被制造为具有在块1020处确定的SWG物理参数，更具体地，具有所确定的脊宽度、脊段间距以及脊厚度。应理解的是，存在用于制造SWG部的各种方法。例如，输出SWG部112和输入SWG部122的脊可通过使用平板印刷技术(例如，反映离子蚀刻、聚焦离子束研磨，纳米压印光刻技术等)来制造。借助于特定的示例，可在第一材料层上直接图案化相应SWG部的脊。作为另一示例，其上限定有脊的压印模具可用于将脊压印到第一层中。在单个制造操作中，可将SWG部中的每一个形成在平面材料板(例如，板242、402或410)中。另外，在单个制造操作中，本文中所例示的每个输入SWG部可形成在平面材料板中。
在块1040，定位SWG部(例如，在块1030制造的SWG部)，以限定多个光束的光学路径。SWG部中的至少一个用于将多个光束中的一个反射并且射向特定方向(上面相对于图1至图4例示了反射式SWG部的示例)。多个SWG部中的至少另一个用于透射多个光束中的一个从其透向特定方向(上面相对于图1至图4例示的透射式SWG部的示例)。
上面相对于图1至图4例示了SWG部的特定定位的示例。定位可以自动、半自动或手动地完成。将理解的是，存在各种可用于实现定位的方式，其可涉及使用定位元件，例如，但不限于，夹持件、定位槽、或保持件。
现在转到图11，示出了根据示例的计算设备1100的示意性表示，可采用该计算设备来执行流程1000中的各种操作。设备1100包括：处理器1102，例如，中央处理器；显示设备1104，例如，监视器；设计工具接口1106；网络接口1108，例如，局域网LAN，无线802.11xLAN，3G移动WAN或WiMax WAN；以及计算机可读介质1110。这些部件中的每一个以可操作的方式耦接至总线1112。例如，总线1412可以是EISA、PCI、USB、FireWire、NuBus或PDS。
计算机可读介质1110可以是参与向用于执行的处理器1102提供指令的任意合适介质。例如，计算机可读介质1110可以是非易失性介质，例如，光盘或磁盘。计算机可读介质1110还可以存储操作系统1114(例如，Mac OS，MS Windows，Unix或Linux)，网络应用程序1116；以及SWG图案化应用程序1118。网络应用程序1116包括用于建立和保持网络连接的各种组件，例如用于实现包括TCP/IP、HTTP、以太网、USB以及FireWire的通信协议的软件。
SWG图案化应用程序1118提供各种机器可读指令，用于计算目标相位变化并且针对SWG部确定脊宽度、脊段间距以及脊厚度，如上面相对于图10中的方法1000讨论的，脊宽度、脊段间距以及脊厚度对应于所计算的目标相位变化。在某些示例中，应用程序1118所执行的一些处理或所有处理可集成到操作系统1114中。在某些示例中，处理可至少部分地以数字电路或以计算机硬件，机器可读指令(包括固件和软件)或以其结合来实现，如上面所公开的。
在前面的描述中，给出了大量细节，以提供对本文所公开的示例的理解。然而，应理解的是，可以在无这些细节的情况下实现示例。此外，应理解的是，本文所描绘的系统可包括附加的组件，本文所描述的一些组件可被去除和/或修改。尽管公开了有限数量的示例，但能够想到大量的修改和变化。所附权利要求旨在涵盖这些修改和变化。关于特定元件，权利要求列举“一个”意思是包括一个或多个这样的元件，既不是要求也不是排除两个或更多这样的元件。此外，术语“包括”用作开放式变换。

Claims (15)

1.一种用于混洗多个光束的系统，包括：
多个源，用于输出相应光束；
多个接收机，用于接收从所述多个源发射的相应光束；
混洗组件，包括多个亚波长光栅(SWG)部，所述多个SWG部中的每一个用于限定所述多个光束的光学路径；以及
其中所述多个SWG部包括至少一个反射式SWG部，所述至少一个反射式SWG部用于将来自所述多个源中相应的一个源的光反射并且射向所述多个接收机中相应的一个接收机，并且
其中所述多个SWG部实现不同的相应混洗功能，并且所述多个SWG部中的至少一部分一起连续地形成为平面板。
2.根据权利要求1所述的光学混洗系统，其中所述至少一个反射式SWG部由多个脊形成，所述脊具有脊宽度、脊厚度以及脊段间距，所述脊宽度、脊厚度以及脊段间距被选择为控制光束的不同部分的相位变化，使得所述光束沿特定方向被所述反射式SWG部反射。
3.根据权利要求2所述的光学混洗系统，其中所述多个SWG部包括至少一个透射式SWG部，所述至少一个透射式SWG部由多个脊形成，所述脊具有脊宽度、脊厚度以及脊段间距，所述脊宽度、脊厚度以及脊段间距被选择为控制通过所述透射式SWG部透射的光束的不同部分的相位变化，使得所述光束沿特定方向被所述SWG部透射。
4.根据权利要求1所述的光学混洗系统，其中所述多个SWG部中的至少两个具有相对于彼此不同的脊宽度、脊厚度以及脊段间距，以将光束射向相对于彼此不同的方向。
5.根据权利要求1所述的光学混洗系统，其中所述多个SWG部中的一部分被布置在所述光学混洗系统的第一侧，并且所述多个SWG部中的另一部分被布置在所述光学混洗系统的第二侧，所述第二侧与所述第一侧相对。
6.根据权利要求1所述的光学混洗系统，其中所述混洗组件包括基本平面的第一材料板，其中所述多个SWG部的至少第一部分被形成为以二维阵列排列。
7.根据权利要求6所述的光学混洗系统，其中所述混洗组件包括基本平面的第二材料板，其中所述多个SWG部中的至少第二部分被形成为以二维阵列排列。
8.根据权利要求1所述的光学混洗系统，其中所述多个SWG部中的至少一部分相对于所述源可移动，以改变所述多个光束的相应光学路径。
9.根据权利要求8所述的光学混洗系统，其中当可移动的SWG部处于第一位置时，从所述多个源发射的光束射向所述多个接收机的第一子集，并且其中当可移动的SWG部处于第二位置时，来自所述多个源的光束射向所述多个接收机的第二子集。
10.根据权利要求1所述的光学混洗系统，其中所述光学混洗系统形成多光纤光学混洗系统的一部分。
11.一种制造用于将来自多个源的多个光束混洗至多个接收机的光学混洗系统的方法，所述方法包括：
对用于限定所述多个光束的光学路径的多个亚波长光栅(SWG)部进行定位，其中
所述多个SWG部实现不同的相应混洗功能，并且所述多个SWG部中的至少一部分一起连续地形成为平面板；
所述多个SWG部中的至少一个用于将所述多个光束中的一个反射并且射向特定方向；以及
所述多个SWG部中的至少一个用于使所述多个光束中的一个向特定方向透射。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
计算所述多个SWG部中的每一个上的目标相位变换，其中所述目标相位变化中的每一个对应于将通过所述多个SWG部透射或反射的相应光束的期望波前形状；
确定与所述多个SWG部中的每一个的目标相位变换对应的脊宽度、脊段间距以及脊厚度；以及
制造具有所确定的脊宽度、脊段间距以及脊厚度的所述多个SWG部。
13.一种用于混洗多个光束的光学混洗系统，包括：
第一侧和与所述第一侧相对的第二侧；
源，用于输出光束；
接收机，用于接收所述光束，所述源和所述接收机位于所述第一侧；
位于所述第二侧的包括至少一个反射式SWG部的多个第一SWG部；以及
位于所述第一侧的包括至少一个透射式SWG部的多个第二SWG部，
所述反射式SWG部和所述透射式SWG部限定所述光束的光学路径的至少一部分，使得在操作中所述接收机接收来自所述源的光束，并且
其中所述多个第一SWG部实现不同的相应混洗功能，所述多个第二SWG部实现不同的相应混洗功能，并且其中所述多个第一SWG部中的至少一部分一起连续地形成为平面板，所述多个第二SWG部中的至少一部分一起连续地形成为平面板。
14.根据权利要求13所述的光学混洗系统，其中所述反射式SWG部由多个脊形成，所述脊包括脊宽度、脊厚度以及脊段间距，所述脊宽度、脊厚度以及脊段间距被选择为控制光束的不同部分的相位变化，使得所述光束沿特定方向被所述反射式SWG部反射。
15.根据权利要求13所述的光学混洗系统，其中所述透射式SWG部由多个脊形成，所述脊具有脊宽度、脊厚度以及脊段间距，所述脊宽度、脊厚度以及脊段间距被选择为控制通过所述透射式SWG部透射的光束的不同部分的相位变化，使得所述光束沿特定方向被所述SWG部偏转。
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