CN105353464B - 分支波导配置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及分支波导配置。根据本公开的一种装置，包括波导输入耦合器、锥形的分支波导以及物理地连接至波导输入耦合器近端并物理地连接至分支波导近端的波导适配器。波导输入耦合器包括具有远端宽度的远端和具有近端宽度的近端。锥形的分支波导包括具有远端宽度的远端和具有近端宽度的近端，分支波导远端宽度大于分支波导近端宽度。波导输入耦合器、分支波导和波导适配器被配置成将具有基横波导模的输入信号转换成具有较高次波导模的输出光。

Description

分支波导配置
背景技术
热辅助磁记录(HAMR)数据存储介质使用能够耐受超顺磁效应(例如，热诱导的、随机的磁取向变化)的高磁矫顽性材料，所述超顺磁效应当前对传统硬驱动器介质的面数据密度构成限制。在HAMR设备中，磁性介质的小部分或“热点(hot spot)”被局部地加热至其居里温度，由此允许介质的磁取向在热点处改变并由此通过换能器写入。在将热撤去后，该区域保持其磁状态，由此可靠地存储数据以供之后检取。
发明内容
本公开针对适于使用在例如HAMR设备中的光传输系统。
本公开的一种具体实施方式是一种装置，该装置包括：波导输入耦合器，其包括具有远端宽度的远端和具有近端宽度的近端；锥形的分支波导，其包括具有远端宽度的远端和具有近端宽度的近端，分支波导远端宽度大于分支波导近端宽度；以及波导适配器，其物理地连接至波导输入耦合器近端和分支波导近端。波导输入耦合器、分支波导和波导适配器被配置成将具有基(base)横 (traverse)波导模的输入信号转换成具有较高次波导模的输出光。
本公开的另一具体实施方式是一种装置，该装置包括：波导输入耦合器，其包括具有近端宽度的近端，该波导输入耦合器被配置成接收具有第一横波导模的光；分支波导，其包括具有远端宽度的远端和具有近端宽度的近端，分支波导远端宽度大于分支波导近端宽度；以及波导适配器，其可操作地连接至波导输入耦合器近端并连接至分支波导近端，其中波导输入耦合器、分支波导和波导适配器被配置成防止光在第一波导模下的激发。
本公开的又一具体实施方式是一种方法，该方法包括：将具有第一横波导模的光耦合到波导输入耦合器内；经由波导输入耦合器和物理上与波导输入耦合器间隔开的锥形分支波导将具有第一波导模的光转换成具有较高次波导模的光；以及从被连接至波导输入耦合器和连接至锥形分支波导的波导适配器输出具有较高次波导模的光。
通过阅读下面的详细描述，这些以及各种其它的特征和优点将会显而易见。
附图说明
图1是数据存储设备的顶视图，其中示例性光传输系统被调出。
图2示意地示出用于近场换能器对准的光源的示例性光传输系统；图2A 是沿线A-A得到的横截面图；图2B是沿线B-B得到的横截面图；图2C是沿线C-C得到的横截面图；图2D是沿线D-D得到的横截面图。
图3示意地示出用于近场换能器对准的光源的另一示例性光传输系统。
图4示意地示出来自光传输系统的示例性分支波导。
图5A是矩形芯波导的示意性二维图；图5B是沿图5A的X方向观察到的波导的单板(single slab)结构的示意性一维图；图5C是沿图5A的Y方向观察到的波导的单板结构的示意性一维图。
图6是将光从一次波导模转换至较高次波导模的示例性操作的流程图。
具体实施方式
当前描述针对一种波导配置，该波导配置将在基(base)波导模或简正 (normal)波导模下提供的光转换至较高次波导模；该波导模可以是例如横电(TE) 的或横磁(TM)的。波导配置包括第一或主波导输入耦合器以及在波导适配器处接合的第二、锥形的分支波导。锥形的分支波导宽度控制模转换(例如从TE00波导模至TE10波导模,或例如从TM00波导模至TM10波导模)。另外，通过将波导输入耦合器锥形化，该输入耦合器耦合来自光源的光并同时消除一些模转换。另外，当分支波导的端部宽度等于或近似等于波导输入耦合器的端部宽度时，波导适配器中基础模的激发被最小化并在一些实施方式中被避免。
在以下描述中，参照了形成本说明书一部分的附图，其中通过图示示出了至少一个特定实施例。下面的描述提供附加的特定实施例。应当理解的是，可构想和作出其他实施例而不背离本发明的范围或精神。因此，以下详细描述不应按照限制性的意义来理解。虽然本发明不限于此，但通过对下文提供的示例的讨论将获得对本发明的各个方面的理解。
如本文中使用地，单数形式“一”、“一个”以及“该”涵盖具有复数引用的实施例，除非该内容另外明确地指出。如本说明书和所附权利要求书中使用地，术语“或”一般以包括“和/或“的意思来使用，除非该内容明确地指出相反情形。
本文描述的技术的实施方式可在数据存储系统的场景下采用，尽管也可考虑将这种技术用于光传输的其它应用场合。
图1示出具有示例性光传输系统的数据存储设备100，该示例性光传输系统在分解区域102中被更详细地示出。尽管可考虑其它实施方式，然而在图示实施方式中，数据存储设备100包括存储介质104(例如磁性数据存储盘)，在其上可使用磁写入极(pole)记录数据位并可使用磁阻元件从中读取数据位。存储介质104在转动期间绕主轴中心或盘转动轴线105转动，并包括内径106和外径 108，数个同心数据轨道110在内径106和外径108之间。应当理解，所描述的技术可与多种存储格式一起使用，包括连续磁性介质、离散轨道(DT)介质、叠瓦(shingled)介质等。
信息可被写入至和读取自存储介质104上的数据轨道中的数据位位置。具有致动器转动轴线122的致动器组件120在其远端经由悬置件126支承换能器头组件124。换能器头组件124在盘转动期间贴近存储介质104的表面之上“飞行”。致动器组件120在“寻道”操作期间绕致动器转动轴线122转动。寻道操作将换能器头组件124定位在目标数据轨道上以进行读和写操作。
在采用热辅助磁记录(HAMR)的实施方式中，通过被作用至存储介质104 上的位位置(bit location)的热源来辅助记录动作。数据位(例如用户数据位、伺服位等)被存储在嵌入存储介质104的各个层内的非常小的磁颗粒(grain)中。数据位被记录在存储介质上的轨道110内的磁颗粒中。
总地来说，HAMR技术采用具有非常高的磁各向异性的存储介质(例如存储介质104)，非常高的磁各向异性对于存储介质104中的小磁颗粒的磁化的热稳定性有帮助。通过在记录过程期间暂时地加热存储介质104，紧聚焦区(tightly focused area)内的磁颗粒的磁矫顽性可选择性地降低至低于所施加的磁写入场，该紧聚焦区基本对应于各个数据位。被加热区然后在所施加的磁写入场存在时快速冷却，这基于所施加的磁写入场的极性对被加热区内的经记录数据进行编码。冷却后，磁矫顽性基本恢复到其加热前的水平，由此使该位的磁化稳定。对存储介质104上的多个数据位重复这种写过程，并且这些数据位能使用磁阻读头来读取。
图1中的分解图102示意地示出换能器头组件124的立体图，主面是下轨或者后缘，组件124的侧面。换能器头组件124通过从致动器组件120的臂延伸出的悬置件126支承。在分解图102所示的实施方式中，换能器头组件124 包括，除别的特征外，滑动件128、光源130(例如激光器)、波导配置132以及等离激元(plasmonic)换能器134(例如近场换能器(NFT))。当介质104转动时，滑动件128的气载表面(ABS)136跨存储介质104的表面“飞行”，由此从存储介质104的表面内的磁颗粒读取数据位和将数据位写至磁颗粒。
光源130将光导入波导配置132中，该波导配置132在波导芯和其包层之间具有高折射率对比。传播通过波导配置132的光被聚集到近场换能器 (NFT)134。(NFT 134中的)近场光学器件利用孔腔和/或天线以造成存储介质104 表面上的数据位位置的热增加(例如经由表面等离激元效应)。结果，表面上的数据位位置被加热，由此相对于表面的其它区域选择性地减少在该数据位位置的磁颗粒的磁矫顽性。因此，被施加至加热的数据位位置的磁场(当其冷却时) 足以将数据位记录在该位置而不会干扰相邻的非加热位位置中的数据位。在一个实施方式中，磁场被提供给位于NFT 134的邻近处的写入极。如此，加热区能基本上确定可写区域(例如数据位尺寸)。
存在多种将光发射到滑动件(例如滑动件128)中的方法。在一种实施方式中，自由空间光传输牵涉到将光从自由空间引导至滑动件中构造的光栅(grating) 耦合器。在图1所示的实施方式中，诸如激光二极管的光源130被平接耦合至波导配置132；这一实施方式被称为滑动件上激光器(laser-on-slider)光传输。被称为滑动件内激光器(laser-in-slider)光传输的另一配置也利用平接耦合(butt coupling)，尽管也可采用其它光传输方法。
通过光源130传输的光经常具有简正波导模或基波导模。对于某些系统，π(pi)相移的较高次模是优选的。波导配置132将光转换至较高次波导模。
在一些实施方式中，通过光源130传输的光具有简正或基横电(TE)波导模 TE00。波导配置132将光转换至较高次横电(TE)波导模，例如TE10，它是第一较高次波导模。作为附加或替代，通过光源130传输的光具有简正或基横磁(TM) 波导模TE00。波导配置132将光转换至较高次横磁(TM)波导模，例如TM10，它是第一较高次波导模。
图2示出具有用于近场换能器对准的光源的光传输系统202的换能器头组件200的示例性实施方式。如图所示，光传输源(在该实施方式中为激光二极管 204)被固定在滑动件206上。从激光二极管204射出的光通过波导配置210被传输到NFT 208上。NFT 208例如藉由表面等离激元效应致使在存储介质 104(图1)中的位位置处加热。波导配置210包括被标识为波导输入耦合器220 的第一或主波导、被标识为分支波导230的第二或辅助波导，以及波导适配器 240。
在所示附图中，波导配置210耦合来自激光二极管204的光，所述光具有简正或基横电(TE)波导模TE00，并将光转换至较高次横电(TE)波导模，例如 TE10。来自激光二极管204的基础模TE00通过波导输入耦合器220，在分支波导230的辅助下，被转换成第一较高次模TE10。波导适配器240针对NFT激发效率被优化，以使NFT 208由此通过TE10波导模光被激发。在一些实施方式中，波导配置210将简正或基横磁(TM)波导模TM00光转换成较高次横磁(TM) 波导模，例如TM10。
由于波导配置210由两个波导(即波导输入耦合器220和分支波导230)构成，因此存在两个系统模，对于如果两个波导结构沿传播方向不变的输出光, 通常被称为简正模；其中一个简正模具有类对称(或偶)空间分布而另一个是类非对称(或奇)空间分布。如果两个波导是相异的并且是适当地间隔开的，如图2 所示的实施方式那样，则类对称(类非对称)简正模的场主要位于较大(较小)传播常数的波导中。如果光从较低传播常数的波导输入并且两个波导结构沿传播方向的转变足够慢(经常被称为“绝热的(adiabatic)”)，则在经耦合系统中只有奇简正模被激发，这最终形成TE10或TM10波导模。在一些实施方式中，要求设计一种绝热耦合器/分光器以最小化两个简正模之间的转换。
波导输入耦合器220具有第一端222和第二相对端224。第一端222在这里被称为远端，因为它远离NFT 208和存储介质104(图1)，而第二端224在这里被称为近端，因为它靠近NFT 208和存储介质104(图1)。波导输入控制器 220具有沿其整个长度的宽度，在该图示实施方式中，宽度从远端222向近端 224反向锥变；也就是近端224比远端222更宽。远端222的宽度被标识为W11而近端224的宽度被标识为W12。
类似地，分支波导230具有第一端232和第二相对端234。第一端232在这里被称为远端，因为它远离NFT 208和存储介质104(图1)，而第二端234在这里被称为近端，因为它靠近NFT 208和存储介质104(图1)。分支波导230具有沿其整个长度的宽度，在该图示实施方式中，宽度从远端232向近端234锥变。远端232的宽度被标识为W21而近端234的宽度被标识为W22。
波导适配器240可操作地位于波导输入耦合器220及分支波导230和NFT 208之间。在图2的这个实施方式中，波导适配器240从波导输入耦合器近端 224且从分支波导近端234延伸至NFT 208。
波导输入耦合器220在其远端222平接耦合至激光二极管204，并在其近端224物理地连接至波导适配器240。分支波导230也在其近端234物理地连接至波导适配器240。波导输入耦合器220和分支波导230在它们重叠的长度的至少一部分上彼此间隔开；也就是说，对于它们重叠长度的至少一部分，波导输入耦合器220和分支波导230彼此物理地隔开。在图2所示的实施方式中，波导输入耦合器220和分支波导230在两者之间具有变化的间隔或距离；也就是说，波导输入耦合器220和分支波导230之间的距离沿波导输入耦合器220 和分支波导230的长度而变化。在一种实施方式中，波导输入耦合器远端222 和分支波导远端232之间的距离大于波导输入耦合器近端224和分支波导近端 234之间的距离。同样在图2所示的实施方式中，波导输入耦合器220和分支波导230在它们的整个长度上，包括在波导输入耦合器近端224和分支波导近端234之处，彼此隔开。在其它实施方式中，波导输入耦合器近端224和分支波导近端234在两者之间没有间距或具有最小的间距。
图2A-2D 是在激光二极管204和NFT 208之间沿波导配置210的各个位置所取的横截面图，其示出波导输入耦合器220、分支波导230和波导适配器240 的相对宽度，以及波导输入耦合器220和分支波导230之间的距离。
在横截面线A-A的位置，只存在波导输入耦合器220，如图2A所示。当远离而激光二极管204前进时，分支波导230开始。在横截面线B-B，如图2B 所示，波导输入耦合器220和分支波导230二者存在，其中分支波导230在该位置具有比波导输入耦合器220更大的宽度。在线C-C，在波导输入耦合器近端224和分支波导近端234与波导适配器240接合位置的远处，波导输入耦合器近端224和分支波导近端234具有基本相同的宽度W12、W22，并且具有两者之间比在线B-B处更小的间距，如图2C所示。在线D-D处的图2D，在波导输入耦合器近端224和分支波导近端234与波导适配器240接合位置的近处，波导适配器240具有比波导输入耦合器近端224和分支波导近端234的组合宽度W12、W22更大的宽度。另外，波导适配器240的宽度几乎等于或大于波导输入耦合器近端224和分支波导近端234的组合宽度W12、W22以及它们之间的间隙。对于这种实施方式，波导适配器240的宽度在线E-E处减小，尽管在其它实施方式中可以是相同的或增加的，因为适配器240被设计成优化NFT 208效率。
波导输入耦合器220、分支波导230和波导适配器240一起将输出光提供给NFT208，该输出光比由激光二极管204提供的光(即TM00或TE00)具有更高次TE或TM波导模(例如TE10或TM10)。另外，在一些实施方式中，波导输入耦合器220、分支波导230和波导适配器240一起至少最小化基波导输入光的激发，优选地防止基波导输入光的激发。
总体来说，分支波导230在其远端232比在其近端234具有更宽的横截面宽度，并在分支波导远端232与波导输入耦合器220适当地分隔开。通过这种构造，只有奇简正模优势性地(dominantly)被激发。另外，波导输入耦合器220 和分支波导230两者的尺寸和形状(沿其宽度)被选取为仅支持基横模。随着两个波导(例如波导输入耦合器220和分支波导230)被缓慢地聚合在一起(即波导输入耦合器220和分支波导230之间的距离从它们的远端222、232至它们的近端224、234而减小)，来自激光二极管204、经由波导输入耦合器220的光场被逐渐地耦合入分支波导230。在它们的近端224、234，波导输入耦合器220 和分支波导230在波导适配器240被组合，该波导适配器240支持两种模，基础波导模和较高次波导模，例如TE10或TM10。
在一些实施方式中，为了有效地在波导适配器240中激发较高次波导模，波导输入耦合器近端224和分支波导近端234在适配器耦合器240处具有几乎相等的宽度(即W12接近等于或等于W22)。此外，为了最大化在波导输入耦合器近端224的局部奇简正模与波导适配器240的TE10或TM10模之间的模重叠，波导适配器240的宽度被优化，该宽度通常略宽于波导输入耦合器近端224的宽度W12、波导输入耦合器近端24和分支波导近端234之间的间隙、以及分支波导近端宽度W22之和。输入耦合器和分支波导之间的间隙是对于制造能力、两波导(例如波导输入耦合器220和分支波导230)之间的相互作用、从波导输入耦合器220至接合的适配器240的散射/辐射损失转变的妥协。另外，分支波导 230的形状被选为使得在接近近端224、234处两波导之间的间隔缓慢地减小，这使任何波前倾斜效应最小化。
图3示出具有固定在滑动件306上的近场换能器对准的 (near-field-transducer-aligned)光源(例如激光二极管304)的光传输系统302的换能器头组件300的另一实施方式。从激光二极管304射出的光通过光传输系统 302被耦合并聚焦至NFT 308。除非另有说明，图3实施方式中的相同特征与图2实施方式中的那些相同特征相同或相似。
如图2那样，图3的光传输系统302具有由波导输入耦合器320和分支波导330构成的波导配置310。波导输入耦合器320包括具有宽度W11的远端322 以及具有宽度W12的相对近端324。分支波导330包括具有宽度W21的远端332 和具有宽度W22的近端334。波导输入耦合器320和分支波导330的总体形状和配置与图2中的波导输入耦合器220和分支波导230是相同的。
波导适配器340位于波导输入耦合器320及分支波导330和NFT 308之间。然而，在该实施方式中，固体浸没镜(solid immersion mirror,SIM)350被置于波导适配器340和NFT 308之间。尽管可使用多种形状，然而在图示实施方式中， SIM 350的形状是椭圆的或基本抛物线形的。在一些实施方式中，光束扩张器可附连在波导适配器340端部以有效地激发NFT 308。输入耦合器320、分支波导330、波导适配器340和SIM 350一起将光聚焦至NFT308以使中央聚焦点纵向地极化。
图4示出锥形分支波导，特别是分支波导400的实施方式。分支波导400 包括具有远端宽度W1的远端402、具有近端宽度W2的近端404，以及从远端 402至近端404的标称长度L。分支波导400具有中线M。分支波导400从远端402向近端404锥形化；也就是说，远端宽度W1大于近端宽度W2。在一些实施例中，这种从远端402至近端404的锥化或减小通过线性函数定义。替代地，锥形率或减小率可从远端402至近端404沿长度L改变。
分支波导400图示为具有非线性的、弯曲的形状，尽管在其它实施方式中它可以是线性的或直的。由于分支波导400的锥变(tapering)性质，其形状可容易地通过其中线M的曲率(或线性度)来定义。线性分支波导将具有线性的中线 M，即使分支波导的总宽度从其远端向其近端锥变亦是如此。非线性分支波导将具有非线性的中线M，例如相对于波导输入耦合器凹进、相对于波导输入耦合器凸出，或者可以是各种弧形部分的组合。下面描述的数值建模表明类余弦形状是分支波导的一种适宜选择。
遵循耦合模理论，描述两个局部简正模之间的耦合的微分方程可被写成：
Figure GDA0002295230700000081
其中
Figure GDA0002295230700000091
其中As(Aa)表示在传播方向z上的局部类对称(类非对称)简正模的复数振幅，而βs(βa)表示局部类对称(类非对称)简正模的传播常数。N是矩阵并且其非对角线元素描述两个局部简正模之间的耦合。如果忽略波前倾斜和波导锥变的话，N可被写成：
Figure GDA0002295230700000092
为了获得上述的耦合方程的近似解，考虑简化的振幅αs和αa，以将传播相位分别从As和Aa中去除：
Figure GDA0002295230700000093
Figure GDA0002295230700000094
耦合方程，即方程(1a)、(1b)、(1c)变为：
Figure GDA0002295230700000095
Figure GDA0002295230700000096
其中
Figure GDA0002295230700000097
其中u是两个简正模之间的传播相位差的积分，而z0表示分支波导开始所在的z坐标。对于绝热波导耦合器和分光器，两个简正模之间的耦合通常是弱的。对于耦合的二阶次，对方程(2a)、(2b)得到近似解：
Figure GDA0002295230700000101
Figure GDA0002295230700000102
对于TE00-TE10模阶次转换器，as(z0)≈0,aa(z0)≈1，
Figure GDA0002295230700000103
模阶次转换器的设计目标是最小化两简正模之间的转换，即最小化偶次模振幅as。理念是在相位项中具有最快振荡exp(-ju)，通过使(βs-βa)(即两个简正模之间的传播常数之差)在每个z处尽可能大以抵销转换。为了进一步理解方程 (5)，使用简正耦合模理论，其忽略了两个波导之间的端射(end-fire)耦合。简正模耦合系数N12和传播常数差(βs-βa)被近似为：
Figure GDA0002295230700000104
Figure GDA0002295230700000105
其中：
Figure GDA0002295230700000106
Δβ＝β1-β2 (7b)
这里，β1和β2分别表示两个相隔离的波导(即分支波导和输入波导耦合器) 的传播常数。k是两个波导之间的平均耦合系数。
对于绝热模阶次转换器，N12和Δβsa通常是传播z的缓变函数。方程(5)被进一步近似为：
Figure GDA0002295230700000111
根据方程(8)找出来自该不等式的最大模转换：
Figure GDA0002295230700000112
用方程(6a)、(6b)代入方程(9)获得方程(10)，该方程(10)奠定了设计短模阶次转换器的基础：
Figure GDA0002295230700000113
为了获得耦合系数k和传播常数β1和β2，使用有效折射率方法；将有效折射率方法施加至图5A所示的一般波导耦合器的步骤示出于图5B和图5C中。首先从厚度t的板计算出TE0模的模折射率(该模折射率被定义为传播常数除以自由空间波数)并形成有效折射率nx。通过这两个厚度为d2和d4(相隔d3)的平行板所形成的复合波导的TM0(TM1)的传播常数，如图5C所示，则被用来近似求解原始二维耦合器的类对称(类非对称)TE简正模的传播常数，并且两个板之间的耦合也被用来近似求解原始二维耦合器的耦合。
两个板之间的耦合系数被定义为：
Figure GDA0002295230700000114
Figure GDA0002295230700000121
在这些方程中，ε0是真空的介电常数，ω是光的角频率，P1(P2)是表示隔离的板1(板2)中的功率单位的归一化常数。
Figure GDA0002295230700000122
和
Figure GDA0002295230700000123
分别是板1和板2的电场矢量。注意，对于相异的波导，k12≠k21。在自洽的(self-consistent)简正耦合模理论中，耦合系数k取k12和k21的平均值：
Figure GDA0002295230700000124
对于图5C所示的一般的五层板，方程(11)是直接可得的，即便它是冗长的，并且方程(11)导致对耦合系数的下列表达(方程(13a)和(13b)，如下)。
Figure GDA0002295230700000125
Figure GDA0002295230700000126
Figure GDA0002295230700000131
Figure GDA0002295230700000132
其中
Figure GDA0002295230700000133
Figure GDA0002295230700000134
以及
Figure GDA0002295230700000135
Figure GDA0002295230700000136
Figure GDA0002295230700000137
Figure GDA0002295230700000138
Figure GDA0002295230700000139
Figure GDA00022952307000001310
为了取得低简正模转换，通过如图4和图2所示将分支波导从宽的始端至窄的末端锥变，方程(10)中的第一括号中的项减小。作为示例，波导(例如，图 2的分支波导230)具有带氧化硅包层(nt＝1.46)的折射率nc＝2.36的120nm厚 TiOx芯。辅助层是700nm厚的SiONx，其折射率na＝1.70。光源(例如图2的光源204)是边缘发射激光二极管，它是TE极化的并具有发射波长λ＝830nm。二极管的慢轴平行于波导平面并且TE00模将在波导输入耦合器中被激发。波导输入耦合器(例如图2的波导输入耦合器220)在始端为170nm宽(例如在远端222的W11)并朝向其端部线性地越来越宽(例如在近端224的W12)。对于效率和模阶次转换两者而优化端部宽度(例如在近端224的W12)。从波导输入耦合器的始端(例如波导输入耦合器220的远端222)至转换器的末端(例如至近端224)的传播长度为120μm。
回到图4，如所指出的那样，分支波导400具有遵循类余弦形状的中线M：
Figure GDA0002295230700000141
其中分支偏移O和L如图4所示，而m是控制形状斜率的参数。当m＝2 时，得出余弦形状，而当m＜2时，在转换器端部(即近端404)给予更为平滑的改变。
方程(10)的第一括号中的项是分支波导起始宽度(即图4中的W1)的传播长度的函数。随着分支起始宽度增加，该项显著地减小。在远端402附近，该项对于所有情形都接近零，因为X非常大；在转换器末端(即在近端404)，该项对于起始宽度是相等的，因为分支波导近端宽度与波导输入耦合器近端宽度一样宽，因此X＝0。
至于该项在方程(10)中的第二括号中的作用，即
Figure GDA0002295230700000142
发现方程(16):
Figure GDA0002295230700000143
在方程(16)中，第一项来自于相位速度的锥变
Figure GDA0002295230700000144
而第二项起因于两个波导之间的耦合的锥变
Figure GDA0002295230700000145
这两个项可以不被抵销，因为
Figure GDA0002295230700000146
且
Figure GDA0002295230700000147
为了展示
Figure GDA0002295230700000148
如何关联于波导宽度及它们的间隔的改变，使用有效折射率方法来获得下列方程：
Figure GDA0002295230700000151
Figure GDA0002295230700000152
Figure GDA0002295230700000153
Figure GDA0002295230700000154
Figure GDA0002295230700000155
c12＝-γx32 (17f)
Figure GDA0002295230700000161
Figure GDA0002295230700000162
c22＝-γx31 (17i)
Figure GDA0002295230700000171
Figure GDA0002295230700000172
Figure GDA0002295230700000173
将诸个方程(17)代入方程(16)，得到：
Figure GDA0002295230700000174
在方程(18)中，括号中的第一项起因于分支波导的锥变
Figure GDA0002295230700000175
但它对
Figure GDA0002295230700000176
的作用小，因为其系数中的两个项的抵销。括号中的第二项起因于两个波导之间的耦合的锥变
Figure GDA0002295230700000177
因为两个波导之间的间距有改变，而第三项起因于波导输入耦合器的锥变
Figure GDA0002295230700000178
最后两个项将某种程度地被抵销。波长输入耦合器经常被设计成具有来自光源的有效耦合并且没有很多自由度可用以修正转换器的设计。最终，耦合中的锥变对
Figure GDA0002295230700000181
的作用是占优势的。
最佳分支锥变是其对方程(10)中的第一括号中的项、方程(10)中的第二括号中的项、以及方程(5)中指数相位项的影响的妥协。分支波导宽度中的锥变导致两个波导之间的耦合系数k的更快速变化，并因此导致更大的
Figure GDA0002295230700000182
的幅度随着增加的锥变而增大。分支锥变的效应以不同方式影响方程(10)的第一个括号中的项和方程(10)的第二个括号中的项：
Figure GDA0002295230700000183
的增大主要在转换器始端附近，在那里第一个括号中的项接近零。根据方程(10)，|as(z)|max是z的函数，并确认对分支波导的锥变减小了简正模转换。
图6中示出使用具有锥形分支波导的波导配置的实施方式。过程600包括第一操作602，该第一操作602提供具有波导输入耦合器和锥形分支波导的波导配置。在操作604，光在基础波导模(例如TE00或TM00)下被输入到波导输入耦合器。在操作606，第一横波导模通过分支波导被转换至较高次波导模(例如 TE10或TM10)。在操作608，具有较高次波导模的光被输出。
概括地说，本公开提供一种包括波导配置的光传输系统，该波导配置包括将光从基波导模或简正波导模耦合至较高次波导模的波导输入耦合器。该波导配置包括分支波导，该分支波导将输入耦合器中的受激基础波导模(例如TE00或TM00)转换成较高次模(例如TE10或TM10)。分支波导从其始端至其末端从宽到窄地锥变，并在一些实施方式中，在其末端处的分支波导宽度近似等于或等于波导输入耦合器的宽度，从而防止接合波导中TE00的激发。在一些实施方式中，波导输入耦合器针对从光源与倒锥形的耦合效率而被优化。接合的波导宽度(例如波导适配器)可被设计成仅允许两个模(例如TE00和TE10，或例如TM00和TM10)并可被优化以使接合波导的较高次模(例如TE10和TM10模)和在耦合波导末端处的奇简正模之间的模场重叠最大化。
上述的说明、示例和数据给出本发明的示例性实施例的结构、特征和用途的完整描述。由于可作出本发明的许多实施例而不偏离本发明的精神和范围，因此本发明基于下面所附的权利要求书。此外，不同实施例的结构特征可被组合在又一实施例中而不背离所述权利要求书。

Claims (21)

1.一种用于数据存储的装置，包括：
波导输入耦合器，其包括具有远端宽度的远端和具有近端宽度的近端；
锥形的分支波导，其包括具有远端宽度的远端和具有近端宽度的近端，所述分支波导远端宽度大于所述分支波导近端宽度；以及
波导适配器，其物理地连接至所述波导输入耦合器近端并物理地连接至所述分支波导近端；
所述波导输入耦合器、所述分支波导和所述波导适配器被配置成将具有基横波导模的输入信号转换成具有较高次波导模的输出光，其中所述波导输入耦合器远端宽度小于在所述波导输入耦合器近端连接至所述波导输入适配器之处的所述波导输入耦合器近端宽度。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分支波导具有弧形中线。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分支波导具有由余弦或类余弦曲线定义的中线。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分支波导从所述分支波导远端向所述分支波导近端线性地锥变。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在每个近端连接至所述波导耦合器之处，所述波导输入耦合器近端宽度基本等于所述分支波导近端宽度。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导输入耦合器和所述分支波导具有在它们之间的，从所述远端的每一个至所述近端的每一个的间隙。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在每个近端连接至所述波导适配器之处，所述波导输入耦合器和所述分支波导具有在其间的间隙。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括被配置成将从所述波导适配器输出的较高次横波导模光聚焦至目标的固体浸没镜。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导适配器被配置成将从所述波导输入耦合器和所述分支波导输出的较高次横波导模光引导至目标。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述锥形分支波导的中线由余弦或类余弦曲线定义；以及
所述波导输入耦合器近端宽度与所述分支波导近端宽度相同。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述波导输入耦合器、所述分支波导和所述波导适配器被配置成将具有横电TE或横磁TM波导模TE00或TM00的输入光转换成具有较高次TE或TM波导模的输出光。
12.一种用于数据存储的装置，包括：
包括具有近端宽度的近端的波导输入耦合器，所述波导输入耦合器被配置成接收具有第一横波导模的光；
分支波导，其包括具有远端宽度的远端和具有近端宽度的近端，所述分支波导远端宽度大于所述分支波导近端宽度；以及
波导适配器，其可操作地连接至所述波导输入耦合器近端并可操作地连接至所述分支波导近端，其中所述波导输入耦合器、所述分支波导和所述波导适配器被配置成防止所述光在所述第一横波导模下的激发，所述波导输入耦合器进一步具有包括远端宽度的远端，并且所述波导输入耦合器远端宽度小于所述波导输入耦合器近端宽度。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述波导输入耦合器、所述分支波导和所述波导适配器被进一步配置成允许所述光在较高次波导模下的激发。
14.如权利要求13所述的装置，还包括光源和等离激元换能器，其中所述波导适配器被配置成将所述较高次波导模光引导至目标。
15.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述波导适配器具有近似等于或大于所述波导输入耦合器近端宽度和所述分支波导近端宽度之和的输入宽度。
16.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述波导输入耦合器被配置成接收具有第一横电(TE)或横磁(TM)波导模的光。
17.一种用于数据存储的方法，包括：
将具有第一横波导模的光耦合到波导输入耦合器中；
经由所述波导输入耦合器和与所述波导输入耦合器物理地间隔开的锥形的分支波导将具有所述第一横波导模的光转换成具有较高次波导模的光；以及
将具有所述较高次波导模的光从连接至所述波导输入耦合器且连接至所述锥形的分支波导的波导适配器输出，
其中所述波导输入耦合器远端宽度小于在所述波导输入耦合器近端连接至所述波导输入适配器之处的所述波导输入耦合器近端宽度。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一横波导模是TE00且所述较高次波导模是TE10。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一横波导模是TM00且所述较高次波导模是TM10。
20.如权利要求17所述的方法，还包括：
使所述输出的较高次模光撞击到目标上。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述目标是等离激元换能器。
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