CN113302532A - 光致光学互连部 - Google Patents

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Abstract

光致折射率改变材料直接耦合到第一端口和第二端口两者。通过选择性地曝光光致折射率改变材料的一部分，可以在光致折射率改变材料中形成光学互连结构(用于将第一端口光耦合到第二端口)。选择性曝光引起光致折射率改变材料中的折射率改变。折射率改变提供了光学互连结构的波导特性。

Description

光致光学互连部
相关申请的交叉引用
本申请要求在2019年1月15日Ahmad的、题为“Reconfigurable Self-WritingOptical Devices as Efficient Optical Interconnects”的美国临时申请62/792,663的权益，并通过引用将全部内容在此并入。
技术领域
本发明一般涉及光学器件，更具体地，涉及光学互连部。
背景技术
光纤与集成电路(IC)芯片之间的互连部通常基于具有V形槽的连接器，这允许光纤芯与芯片波导对准。两根光纤之间的机械互连部通常使用高精度套圈，该套圈精确地对准互连的光纤的纤芯。
因为未对准导致损耗，所以控制互连部中的机械公差以及模场的尺寸和形状是重要的。
发明内容
本公开提供了光致光学互连部。简要地描述，本系统的一个实施例包括直接耦合到第一端口和第二端口两者的光致折射率改变材料。通过选择性地曝光光致折射率改变材料的一部分，可以在光致折射率改变材料中形成光学互连结构(用于将第一端口光耦合到第二端口)。选择性曝光引起光致折射率改变材料中的折射率改变。折射率改变提供了光学互连结构的波导特性。
在研究了以下附图和详细描述之后，其它系统、设备、方法、特征和优点对本领域技术人员而言将是或将变得显而易见。所有这些附加的系统、方法、特征和优点都旨在包括在本说明书中，在本公开的范围内，并且由所附权利要求保护。
附图说明
参考以下附图可以更好地理解本公开的许多方面。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在清楚地示出本公开的原理上。此外，在附图中，相同的附图标记在所有附图中表示相应的部件。
图1是示出了具有可动态形成的光学互连结构的系统的一个实施例的图，该光学互连结构由其中第一端口和第二端口未对准的双向发射光形成。
图2是示出了具有可动态形成的光学互连结构的系统的一个实施例的图，该光学互连结构由其中第一端口和第二端口对准的双向发射光形成。
图3是示出具有可动态形成的光学互连结构的系统的一个实施例的图，该光学互连结构由单向发射光形成。
具体实施方式
已知有几种制造光学互连部的方法。光纤和芯片(无论是发射器还是平面波导)之间的互连部通常基于连接器，该连接器包含用于光纤的V形槽，用于将光纤以光纤的波导芯与发射器或芯片波导对准的方式定位。可以使用芯片或锥形波导上的布拉格反射器来获得光耦合。机械光纤到光纤耦合使用高精度套圈的光纤固定，所述套圈机械地彼此精确对准。
然而，这些解决方案缺乏抑制由于波导的由简单机械公差以及模场尺寸或形状的不匹配引起的未对准而引起的损耗。例如，标准单模光纤中的纤芯偏移可能高达一(1)微米(μm)，从而限制了无源纤芯对准的精度。而且，传统的方法在没有折射率匹配凝胶或抗反射涂层的情况下不会抑制菲涅耳反射，因此，对于实现无损耦合解决方案表现出有限的性能。因为需要极高的精度来实现足够低的光损耗，所以使用传统方法的固定不能在体积或成本上扩展。这个问题与多芯光纤、多波导光子集成芯片和多光纤电缆相混合。
一种改进互连部的方法涉及使用光敏材料作为桥(或中间)波导，其中任意尺寸和折射率分布的波导或全息设备可以在(一个或多个)波导已经被定位之前或之后通过曝光来产生。中间或桥波导的使用本质上是串行的，因此也是不可扩展的。
诸如Aljada等人，在其它技术在使用光-VLSI处理器的高速(2.5Gbps)可重新配置的芯片间光学互连部中(2006年7月24日，第14卷，第15号，Optics Express 6823)，使用标准数字相位全息术，其中液晶被用作可重新配置的材料，用于控制光束的反射模式。当用于低损耗、大规模和完全可重新配置的应用时，这种方法存在许多限制，因为Aljada中使用的材料导致不同的效果。
本公开通过提供光纤和其它光电子器件之间的高体积、低成本、高密度、可扩展的互连部来改善这些缺点中的几个，这种互连部能够容忍波导的物理位移和失配。例如，本公开教导了利用光诱导响应来引导、转向和/或引导光，这在概念上不同于使用液晶的标准数字相位全息术。
简言之，本公开教导了一种平台，其为多个光学端口提供可重新配置的光学互连部，例如，光纤内的纤芯、芯片上的波导、线缆内的光纤、激光源等。该平台便于无源配置中的光路的创建和控制，提供用于低损耗和高密度光学互连部的动态可重新配置的光学线路。
光学互连部的制造是通过由于光自陷而引起的基于强度的折射率改变来实现的，这是由发射光的衍射和自聚焦之间的平衡而产生的。在一个实施例中，光从待被互连的一个波导发射。在其它实施例中，光从待被互连的两个波导发射。在其它实施例中，波导中的一个发射光，而另一个波导背向反射光。经背向反射的光是由于来自其远端终端的菲涅耳反射或由于基于全息图的基于干涉的光学结构，例如光栅和透镜。
这种光学互连部的制造可以通过使用单光子吸收工艺、多光子吸收工艺或这两者来实现。这是因为光敏材料可能由于单光子和/或多光子吸收而经历折射率改变，这导致形成可以在其长度上引导和传输光的自写入结构。这种自写入结构可以是光可擦除和可重写、电可擦除和可重写、或热可擦除和可重写。使用多光子吸收的优点是在某些频率下高功率光源的可用性，这些频率可以落在或可以不落在平台材料的吸收频率窗口内。
在提供了对技术问题的广泛技术解决方案之后，现在详细参考如附图中所示的实施例的描述。虽然结合这些附图描述了若干实施例，但是不旨在将本公开限制于本文公开的一个或多个实施例。相反，意图是覆盖所有的替代例、修改例和等同例。
图1是示出了具有可动态形成的光学互连结构的系统的一个实施例的图，该系统由其中第一端口和第二端口未对准的双向发射光形成。与图1不同，图2的实施例是由其中第一端口和第二端口对准的双向发射光形成的系统。
如图1的系统所示，该系统的一个实施例包括第一端口110(例如输入端口)。第一端口可以是激光源、包括波导的集成电路(IC)芯片、光纤或任何其它光学光源。该系统还包括第二端口120(例如输出端口)，其也可以是激光源、具有波导的IC芯片、光纤等。根据技术应用，光纤可以是单芯光纤或多芯光纤。
图1的实施例还包括直接耦合到第一端口110的光致折射率改变材料130。光致折射率改变材料130可以是光敏聚合物、硫族化物、电介质或在暴露于光时改变其折射率的许多其它材料。光致折射率改变材料130还直接耦合到第二端口120，从而提供第一端口110与第二端口120之间的光学路径。
具体地，在图1所示的双向实施例中，用从第一端口110发射的光来曝光光致折射率改变材料130的第一部分142，而用从第二端口120发射的光来曝光光致折射率改变材料130的第二部分144。来自第一端口110和第二端口120的光的选择性曝光导致在第一端口110和第二端口120之间的可动态形成的光学互连结构130。
对于一些实施例，光的选择性曝光引起百分之0.01(％)和百分之十(10％)之间的折射率改变，这产生由折射率改变限定的波导区域150。优选地，波导区域150具有在大约0.5微米(μm)和二十微米(20μm)之间的直径(D)。此外，在一个实施例中，波导150具有小于约一(1)厘米(cm)的长度(L)。如本领域所公知的，所得到的结构可以被设计成传播在期望的频率范围内的光。另外，优选地，可动态形成的光学互连结构130包括小于两(2)分贝(dB)的损耗。
对于一些实施例，光致折射率改变材料130是膜，而在其它实施例中，材料130是呈圆柱体或块的形式的块体材料。不管确切的材料如何，光致折射率改变材料130可以被沉积在包含一个或多个纤芯的两根光纤之间；在各自包含一个或多个波导的两个IC芯片之间；在各自包括具有一个或多个纤芯的多根光纤的两个光纤带之间；在包括具有一个或多个纤芯的光纤带与包括一个或多个波导的集成芯片之间；在一个激光发射器与一根光纤和/或IC芯片波导之间；在一组紧密定位的激光发射器与具有一个或多个线芯的一根或多根光纤之间；在一组紧密定位的激光发射器和具有一个或多个波导的一个或多个IC芯片之间；等等。
波导区域150(或全息图案)可以沿其长度具有均匀或非均匀的直径(图1所示的非均匀直径)；沿其长度表现出均匀或不均匀的折射率对比度(图1所示的不均匀的折射率对比度)；在位于自写入装置的起点和终点处的两个横向平面之间沿着直线路径(如图2所示)或倾斜路径(如图1所示)或卷曲路径或其任意组合对准；等等。
图3是示出具有以单向发射光形成的可动态形成的光学互连结构的系统的一个实施例的图。与图1和图2类似，图3的实施例还包括直接耦合到第一端口110和第二端口120的光致折射率改变材料130。然而，与图1和图2不同，图3的实施例示出了通过从第一端口310单向地发射光342而形成的可动态形成的光学互连结构340。光342的这种单向发射产生与图1或图2的波导150不同的波导350。
广义上来说，图1、图2和图3的实施例还提供了一种处理，其中光342从第一端口110发射并且进入光致折射率改变材料330中。所发射的光使光致折射率改变材料的一部分曝光，从而引起折射率改变。优选地，在曝光部分中折射率改变在大约0.01％和10％之间。所引起的折射率改变形成可动态形成的光学互连结构340，其光学耦合第一端口110和第二端口120。如图1和图2进一步所示，光244也可以从第二端口120发射，以进一步引起折射率改变。
如上所述，折射率改变可以通过施加单光子吸收或多光子吸收来引起。对于图3的实施例，该处理还包括平衡从第一端口110发射的光的衍射和自聚焦，以形成可动态形成的光学互连结构340。或者，对于图3，可动态形成的光学互连结构340通过背向反射从第一端口110发射的光而形成。
对于图1和图2的实施例，所述处理还包括平衡从第一端口110发射的光和从第二端口120发射的光的衍射和自聚焦，以形成可动态形成的光学互连结构140。
尽管已经示出和描述了示例性实施例，但是本领域普通技术人员将清楚，可以对所描述的本公开进行许多改变、修改或变更。因此，所有这些改变、修改和变更应被视为在本公开的范围内。

Claims (18)

1.一种系统，包括：
第一端口，所述第一端口选自由以下组成的组：
激光源；
包括波导的集成电路IC芯片；以及
光纤；
第二端口，所述第二端口选自由以下组成的组：
激光源；
包括波导的IC芯片；以及
光纤；
直接耦合到所述第一端口的光致折射率改变材料，所述光致折射率改变材料直接耦合到所述第二端口，所述光致折射率改变材料选自由以下各项组成的群组：
光聚合物；
硫族化物；以及
电介质；以及
可动态形成的光学互连结构，用于在所述第一端口与所述第二端口之间光学耦合光，所述可动态形成的光学互连结构能够通过选择性地曝光所述光致折射率改变材料的一部分而在所述光致折射率改变材料中形成，所述选择性曝光引起百分之0.01(％)与百分之十(10％)之间的折射率改变，所述可动态形成的光学互连结构包括：
由所述折射率改变限定的波导区域，所述波导区域具有在0.5微米(μm)与二十(20)μm之间的直径；
小于两(2)分贝(dB)的损耗；以及
小于一(1)厘米(cm)的长度。
2.一种系统，包括：
第一端口；
第二端口；
光致折射率改变材料，直接耦合到所述第一端口，所述光致折射率改变材料进一步直接耦合到所述第二端口；以及
用于将所述第一端口光学耦合到所述第二端口的光学互连结构，所述光学互连结构能够通过选择性地曝光所述光致折射率改变材料的一部分而在所述光致折射率改变材料中形成，所述选择性地曝光在所述光致折射率改变材料中引起折射率改变。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述折射率改变在百分之0.01(％)和百分之十(10％)之间。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光学互连结构包括由所述折射率改变限定的波导区域，所述波导区域具有在0.5微米(μm)与二十(20)μm之间的直径。
5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光学互连结构包括小于两(2)分贝(dB)的损耗。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光学互连结构包括小于一(1)厘米(cm)的长度。
7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一端口是从由以下各项组成的组中选择的一个：
激光源；
包括波导的集成电路(IC)芯片；以及
光纤。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述光纤包括多个纤芯。
9.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一端口是从由以下各项组成的组中选择的一个：
激光源；
集成电路(IC)芯片，包括波导；以及
光纤。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光纤包括多个纤芯。
11.根据权利要求2所述的系统，其中，所述光致折射率改变材料选自由以下组成的群组：
光聚合物；
硫族化物；以及
电介质。
12.一种在包括第一端口、第二端口和直接耦合到第一端口的光致折射率改变材料的系统中的处理，所述光致折射率改变材料进一步直接耦合到所述第二端口，所述处理包括：
将光从所述第一端口发射到所述光致折射率改变材料中；
用所发射的光曝光所述光致折射率改变材料的一部分；
在所曝光的部分中引起百分之0.01(％)和百分之十(10％)之间的折射率改变；以及
由所引起的折射率改变来形成光学互连部，所述光学互连部光学地耦合所述第一端口和所述第二端口。
13.根据权利要求12所述的处理，还包括：
将光从所述第二端口发射到所述光致折射率改变材料中。
14.根据权利要求13所述的处理，其中，引起所述折射率改变包括：施加单光子吸收以引起折射率改变。
15.根据权利要求13所述的处理，其中，引起所述折射率改变包括：施加多光子吸收以引起折射率改变。
16.根据权利要求13所述的处理，进一步包括：
平衡从所述第一端口发射的光的衍射和自聚焦，以形成所述光学互连部。
17.根据权利要求13所述的处理，进一步包括：
平衡从所述第一端口发射的光和从所述第二端口发射的光的衍射和自聚焦，以形成所述光学互连部。
18.根据权利要求13所述的处理，进一步包括：
将从所述第一端口发射的光背向反射以形成所述光学互连部。
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