CN115769022A - 光学装置 - Google Patents

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J·佐伊纳
C·格里安提
F·佩莱加塔
I·佩特修斯
R·奥赛莱米
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Vitrab Co ltd
Consiglio Nazionale delle Richerche CNR
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Abstract

本公开涉及一种光学装置(1)，包括：初级扇出波导(3)；至少一个次级扇出波导(4)；扇出光耦合器(5)，用于在初级扇出波导(3)和次级扇出波导(4)之间耦合光束；至少一个总线波导(6)，与至少一个次级扇出波导(4)相关联，并且与每个次级扇出波导(4)不同；其中，反射和耦合结构(7)连接次级扇出波导(4)和总线波导(6)。

Description

光学装置
技术领域
本公开涉及一种光学装置，包括：初级扇出波导；至少一个次级扇出波导；扇出光耦合器，用于在初级扇出波导和次级扇出波导之间耦合光束；以及至少一个总线波导，与至少一个次级扇出波导相关联并且不同于每个次级扇出波导。
背景技术
现有技术中已知一些装置，其将光均匀地分布在特定区域上或从分布在特定区域上的不同通道接收光。对于某些应用，例如用于LCD的背光单元，这些装置需要紧凑，特别是薄(在与特定区域正交的方向上)，并且包括围绕特定(有源)区域的最小边框。
Travis等人在Opt.Express 17,19714-19719(2009)中的论文“来自用于显示器背光的波导的准直光(Collimated light from a waveguide for a display backlight)”展示了这种背光单元的经典方法。其中，从点光源发出的光在波导板中呈扇形散开。光在板的一个侧面反射，基本上填满整个区域，随后必须从板的顶面发射。然而，已知此类装置缺乏均匀性、效率和紧凑性。
Ross在Glass Integrated Optics and Optical Fiber Devices:ACriticalReview,102750C(1994年7月25日)中的“离子交换玻璃波导传感器(Ion-exchanged glasswaveguide sensors)”中展示了一种用于传感应用的方法。该论文展示了一个具有四个平行马赫-曾德尔干涉仪的传感器阵列。为此，光通过单模光纤传输，该单模光纤耦合到集成光学芯片并被分成引导至四个传感器元件的四个波导通道。扇出到四个波导通道是通过第一个分路器和两个后续分路器实现的。随后，所有光束从集成光学芯片的与它们耦合到芯片中的一侧相反的一侧发射。然而，这样的扇出需要很大的面积，并且如果要覆盖的区域例如应该是矩形，则只能在扇出完成以达到完整的宽度和通道数量之后提供这个有源区域。
这种扇出的主要限制是耦合/分离机制的长度和取决于波导弯曲半径的弯曲损耗。相互分离的波导必须远离彼此弯曲才能达到所需的距离，例如显示器应用中的像素间距。
WO 2007/046100 A2中显示了一种替代方法。其中，从激光二极管引出的波导耦合到随后的波导，这些波导朝向相应的像素行弯曲90°。虽然这可能会将扇出长度限制为波导的弯曲半径，但它仍然需要围绕有源区域两侧的边框处于弯曲半径的数量级，这对于某些应用来说太大了。
此外，可以使用两次弯曲90°的波导，例如Van Acoleyen等人在IEEE PhotonicsJournal(卷：3，期号：5，2011年10月)，第789-798页发表的“在绝缘体上硅上制造的光学回射标记(Optical Retroreflective Marker Fabricated on Silicon-On-Insulator)”所展示的。然而，这些不允许在有源区域的所有侧都有小边框，并且这种弯曲波导会引入高光损耗。
发明内容
本发明的一个目的是防止或减轻现有技术的至少一个缺点。特别地，应该以紧凑的方式实现波导到/从某个有源区域的扇出或扇入，并且应该减少围绕这种有源区域的边框。可选地，还应减少由波导的扇出或扇入引起的光损耗。
这是通过如开头所述的光学装置实现的，该光学装置包括连接次级扇出波导和总线波导的反射和耦合结构。
通过使用连接次级扇出波导和总线波导的反射和耦合结构，光束可以以紧凑的方式扇出或扇入，因为不需要具有扇出波导弯曲半径大小的围绕(要被覆盖的)某个有源区域的边框，该大小受弯曲损耗的限制。特别是可以将光从初级扇出波导扇出到次级扇出波导，由于采用了反射和耦合结构，总线波导可以将光引导到次级扇出波导无法覆盖的部分。该部分可以例如靠近扇出光耦合器或挨着扇出光耦合器之前的初级扇出波导。因此，初级扇出波导和扇出光耦合器可以部分或完全地包含在应被照明的有源区域内，并且该区域周围不需要边框。此外，通过使用不同的波导来扇出或扇入光束，可以实现更高的均匀性和更低的损耗。
扇出是指光从一个波导(或多个波导)分布到另外的波导(或另外数量的波导，其中该数量优选地大于初始数量)。其中，可选地，波导可以是单模光波导。可选地，波导可以具有低折射率对比度(n2-n1<<1)。光可以但不需要从总线波导耦合输出到多个像素。光学装置主要旨在用总线波导(或更多总线波导)覆盖某些区域，光可以从该总线波导(或更多总线波导)耦合输出到多个像素。该后续耦合输出可以通过本光学装置或以任何其他方式实现，例如通过不作为本公开的一部分的另一装置实现。
扇出上下文中的描述在反向操作模式中类似地指代扇入，其可以例如用于传感应用，例如触摸识别装置。如果光学装置用于扇入，则初级扇出波导、次级扇出波导和扇出耦合器同样是初级扇入波导、次级扇入波导和扇入耦合器。
反射和耦合结构是指(例如，通过定向耦合器)在两个波导之间耦合光的结构并且其中光束至少在一个点处被反射，使得光束沿着至少一个波导的传播方向被反向。可选地，反射和耦合结构将光束：
-(特别是在扇出的情况下：)从次级扇出波导耦合到总线波导，使得光束在总线波导中至少在与其在耦合前在次级扇出波导中传播的方向相反的方向上传播，或
-(特别是在扇入的情况下：)从总线波导耦合到次级扇出波导，使得光束在次级扇出波导中至少在与其在耦合前在总线波导中传播的方向相反的方向上传播。反向特别是指次级扇出波导和总线波导的部分，其中两个波导基本上彼此并排延伸。
可选地，次级扇出波导和/或总线波导包括由包层材料包围的芯，并且可以提供至少一个面，其包括大于芯和包层材料之间的折射率对比度的折射率对比度。因此，即使光束在该面上的入射角不大于芯-包层材料边界的临界反射角，也可以实现足够的反射。可选地，光束在总线波导和次级扇出波导中的(至少)一个的第一部分中至少在一个方向上被引导，并且光束在总线波导和次级扇出波导中的该一个的第二部分中至少在相反方向上被引导。
可选地，初级扇出波导、次级扇出波导和总线波导彼此不同。可选地，初级扇出波导不同于次级扇出波导和/或总线波导。可选地，总线波导的至少一部分平行于次级扇出波导的一部分。可选地，扇出光耦合器包括这样的部分，其中初级扇出波导和次级扇出波导彼此靠近并且可选地在每个波导的耦合部分上彼此接近地延伸。可选地，初级扇出波导和次级扇出波导的耦合部分的长度小于500μm，进一步可选地小于100μm，进一步可选地小于20μm。初级扇出波导和次级扇出波导在耦合部分中以彼此之间的耦合距离延伸，该耦合距离可选地小于200μm，进一步可选地小于60μm，进一步可选地小于20μm。可选地，耦合距离至少为1μm。
所述光学装置包括任选地至少10个、进一步任选地至少100个、进一步任选地至少1,000个、进一步任选地至少10,000个次级扇出波导，其中提供：每个用于在初级扇出波导和相应的次级扇出波导之间耦合光束或用于在两个次级扇出波导之间耦合光束的扇出耦合器；至少一个总线波导，与每个次级扇出波导相关联并且不同于每个次级扇出波导；以及连接每个次级扇出波导和相应的至少一个总线波导的反射和耦合结构。
可选地，反射和耦合结构是干涉式结构，用于可选地将在次级扇出波导中传播的光束耦合到总线波导中或将在总线波导中传播的光束耦合到次级扇出波导中，使得至少一部分耦合光束在离开干涉式结构后沿相反方向传播。干涉式结构是指光从次级扇出波导和总线波导中的一个耦合到次级扇出波导和总线波导中的另一个，使得它与在次级扇出波导和总线波导中的另一个中传播的光和在次级扇出波导和总线波导中的另一个中先前反射的光发生干涉。沿相反方向传播是指光束到达总线波导和次级扇出波导中的一个中的干涉式结构时，它沿与初始方向的夹角大于90°的方向离开总线波导和次级扇出波导中的另一个中的干涉式结构波导。因此，以有效和紧凑的方式实现了方向的反转，并且没有为此目的使用弯曲波导的缺点。干涉式结构可选地包括：分束器，其可以是用于在次级扇出波导和总线波导之间耦合光的光耦合器，和/或合束器，其可以是用于在次级扇出波导和总线波导之间耦合光的光耦合器，其中特别地，分束器和合束器由同一光耦合器形成。干涉式结构可以是迈克尔逊干涉式结构(即，光束由同一元件分裂和组合)。可选地，干涉式结构是平衡的迈克尔逊干涉式结构和/或折叠的马赫-曾德尔干涉式结构。可选地，干涉式结构是无源的，即干涉式结构中的光路长度是固定的。可选地，干涉式结构包括至少四个臂，其中两个臂由次级扇出波导和总线波导中的每一个形成。次级扇出波导和总线波导中的每一个的一个臂是输入和输出臂。次级扇出波导和总线波导中的每一个的另一臂可以任意短。可选地，设置光路长度使得对于在一个输入和输出臂处进入干涉式结构的光束，该光束的大部分(即，超过50强度-％)在另一个输入和输出臂处离开干涉式结构。
反射和耦合结构可以有许多不同的布局。例如，反射和耦合结构或干涉式结构的每个臂可以再次通向反射和耦合结构或干涉式结构，即例如再次分裂到干涉仪中(使用或不使用)。因此，复杂性可以增加很多。
可选地，总线波导的至少一部分与次级扇出波导的至少一部分并排延伸，特别是基本上平行于次级扇出波导的一部分。
可选地，反射和耦合结构包括用于在次级扇出波导和总线波导之间耦合光束的光耦合器(标记为“总线光耦合器”)，其中可选地基本上50％的光束在沿一个方向通过光耦合器时耦合在次级扇出波导和总线波导之间。可选地，总线光耦合器包括这样的部分，其中次级扇出波导和总线波导彼此靠近并且可选地在每个波导的耦合部分上彼此靠近地延伸。可选地，次级扇出波导和总线波导的耦合部分的长度小于500μm，进一步可选地小于100μm，进一步可选地小于20μm。次级扇出波导和总线波导在耦合部分中以彼此之间的耦合距离延伸，该耦合距离可选地小于200μm，进一步可选地小于60μm，进一步可选地小于20μm。总线波导和次级扇出波导均沿至少一个方向从总线光耦合器延伸。可选地，它们各自从光耦合器沿两个方向延伸。
可选地，反射和耦合结构包括用于至少部分地反射总线波导中的光束的总线反射面和用于至少部分地反射次级扇出波导中的光束的次级扇出反射面。因此，反射和耦合结构中在总线波导和次级扇出波导之间耦合的光可以在每个波导中反射，使得它可以在相反方向上再次耦合在波导之间，从而特别导致干涉效应。可选地，总线光耦合器与总线反射面之间以及总线光耦合器与次级扇出反射面之间的光路设置为，使得光束在正向经过总线光耦合器一次和反向经过总线光耦合器一次后，基本上在总线波导和次级扇出波导中的一个中传播，光束最初(在总线光耦合器之前)没有在该一个中传播。可以在光耦合器与总线反射面和相应的次级扇出反射面之间任意缩短光路，从而缩短总线波导和次级扇出波导。总线反射面和/或次级扇出反射面可以直接跟着总线光耦合器，即在反射发生之前不需要将总线波导和次级扇出波导分开。这样就实现了长度小于100μm的反射和耦合结构。还可以具有多个层，包括在不同小面(facet)处的多于一个反射，用于分布光，并且可选地，沿途监测或分析光。这可能会略微增加光学装置的厚度，但是仍然不需要围绕有源区域的边框。例如，除了由次级扇出波导和总线波导形成的两个层之外，还可以具有至少一个附加层。即，可以存在将总线波导连接到另外的总线波导的另外的反射和耦合结构。这种进一步的反射和耦合结构可以例如由界面(例如下面提到的基板的界面)形成，该界面还包括输入面，其中光可以(例如从光源)耦合到初级扇出波导中。该界面可以包括反射涂层。然后可以从另外的反射和耦合结构通过另外的总线波导沿与初级扇出波导中基本相同的方向引导光。可选地，在该另外的总线波导的端部，其可以与总线反射面和/或扇出反射面在同一面上，可以定位检测器，特别是光电二极管，以测量光功率。在这种情况下，如果总线反射面和/或扇出反射面由反射涂层提供，则该涂层可选地不在另外的总线波导的该端部提供。另一种选择是从连续的面反射，因此彼此之间呈90°。
可选地，反射和耦合结构的光耦合器和总线波导中的反射面之间的光路长度与反射和耦合结构的光耦合器和次级扇出波导中的反射面之间的光路长度相同。一般而言，如果光学装置与光源一起使用，则以光源的波长为模的光路长度是相同的。因此，可以在光束最初传播的波导(即，在该波导中，光束即将到达反射和耦合结构)中实现相消干涉，并且可以在另一个波导中实现相长干涉。因此，在一个波导中进入反射和耦合结构的光束将在另一个波导中离开反射和耦合结构，特别是反向(即以相反的方向)。当然，这也可以通过其他结构，特别是干涉式结构来实现。
可选地，次级扇出波导和总线波导被提供在(特别是透明的)基板中，进一步可选地，它们通过飞秒激光直写产生。因此，可以实现特别紧凑的设计。通过飞秒激光直写波导，可以在基板内的任意深度创建波导，并且可以以任何方向弯曲。由于3D波导轨迹的这种可能性，可以实现更紧凑的设计(即每体积的高密度波导)以及此外具有低光学损耗的波导。可选地，基板在三个维度上延伸，其中基板在一个维度(“深度”)上的延伸是基板在其他两个维度(“长度”和“宽度”)上的延伸的至少1/5，进一步可选地至少1/10。尺寸可以是25乘以25乘以0.5mm3。可选地，基板表面的一部分是有源区域，该区域将被照亮或应从该处收集光。可选地，有源区域位于基板表面中在深度方向上界定基板的一个表面上。可选地，光学装置的初级扇出波导和/或任何其他波导也设置在透明基板中。可选地，透明基板包括铝硼硅酸盐玻璃，例如Corning(R)Eagle XG(R)。可选地，总线波导基本上平行于有源区域。可选地，总线波导与次级扇出波导基本平行，并且在其大部分长度上在宽度和深度维度上都与次级扇出波导间隔开，除了靠近反射和耦合结构的地方。在反射和耦合结构处，使得总线波导和次级扇出波导可以处于相同的深度水平，然而，它们可以在宽度维度上保持间隔开。对于次级扇出波导和总线波导之间的耦合，它们可以在宽度维度上接近以实现耦合。
飞秒激光直写(FDLW，通常也称为飞秒激光直刻)可选地包括以下步骤的一个或多个：
-提供包含透明介电材料和/或包含玻璃、陶瓷、聚合物和/或晶体材料的基板；
-使用多光子(即多于2个光子)吸收，光子能量低于基板材料的带隙和/或其中脉冲是低频到中频的飞秒脉冲，例如在20kHz和10MHz之间，可选地在80kHz和5MHz之间，特别是在100kHz和2MHz之间，甚至更特别是在500kHz和1.5MHz之间，和/或其中脉冲具有中等脉冲宽度，例如在40fs和2ps之间，可选地在100fs和1ps之间，特别是在200fs和400fs之间。
另一种激光写入技术是2PP(2光子聚合)激光写入，它可以包括两个光子光刻或多光子光刻。与飞秒激光直写相比，它可包含以下步骤或属性的一个或多个：
-使用典型的高频(例如80MHz)以及低脉冲宽度<100fs的飞秒脉冲；
-双光子吸收对于三阶磁化率是三阶过程，对于光强是二阶过程；
-提供特殊的抗蚀剂(光敏材料)，它对波长λ的光子高度透明，但对波长λ/2的光子高度吸收。
可选地，总线反射面和/或次级扇出反射面由透明基板的小面和/或透明基板的小面的(反射)涂层提供。涂层可以包括例如银、铝、金和/或介电涂层。
可选地，光学装置包括至少一个像素波导(或特定于像素的波导)，其接收来自至少一个总线波导的光束或将光束引导至至少一个总线波导，其中可选地，像素波导远离总线波导弯曲。可选地，提供与总线波导相关联的多于一个像素波导(如上所述)，进一步可选地，提供与总线波导相关联的至少10个像素波导。可选地，所述至少一个像素波导形成于所述基板中。可选地，至少一个像素波导从总线波导朝着基板的表面弯曲，特别是朝着有源区域弯曲。可以提供用于在总线波导和像素波导之间耦合光的像素光耦合器。优选地，每个像素波导与有源区域的像素或彩色子像素(或覆盖有源区域的液晶层的像素或彩色子像素，在有源区域和液晶层之间具有可选层或膜)相关联。具体地，每个像素波导与有源区域的像素之间可存在一对一的关系。
可以耦合已经从次级扇出波导出来的光。可选地，提供至少一个另外的像素波导，其从至少一个次级扇出波导接收光束或将光束引导到至少一个次级扇出波导，其中进一步可选地，另外的像素波导远离次级扇出波导弯曲。因此，可以减少波导中的平均光路长度，从而减少传输损耗。
可选地，光学装置包括相位调节元件，用于调节反射和耦合结构中的次级扇出波导和总线波导的相对光路长度，其中所述相位调节元件还可选地包括移相器和/或压电镜。因此，总线波导中的光束强度以及随后有源区域的某个部分的强度是可调节的。这对于在显示器或传感应用中实现局部调光特别有用，例如当在光检测和测距(LIDAR)系统或光学触摸识别中使用光学装置时。
可选地，光学装置包括与次级扇出波导相关联并且不同于每个次级扇出波导的至少另外的总线波导，其中反射和耦合结构还连接次级扇出波导和另外的总线波导。因此，每个次级扇出波导可用于将光束耦合到多于一个总线波导。即，更多数量的总线波导不仅可以通过如上所述提供更多的次级扇出波导来实现，而且还可以通过将更多的总线波导与每个次级扇出波导连接来实现。因此，实现了紧凑的布局。
可选地，将这两种措施结合起来。反射和耦合结构可以包括用于在次级扇出波导与总线波导和另外的总线波导之间耦合光的三分器。因此，实现了特别紧凑的设计。此外，扇出光耦合器可以是三分器，使得光束可以在一个点(或更准确地说，一个相互作用长度)从初级扇出波导耦合到多于一个的次级扇出波导。
三分器特别是包括一个输入波导和三个输出波导的功率分配装置。其功能是将光功率(光)从一个或多个输入波导(输入端口)分配到三个输出波导(输出端口)。该功能性也可以反转。其物理特性和工作原理类似于常规定向耦合器。三分器允许在更小的物理空间内将光功率传播到其他波导，从而减少步骤和波导的数量。可选地，三分器将功率基本上均等地分配到每个输出端口，即在每个输出端口基本上是33％。可选地，使用三分器的级联，其中初级扇出波导通过三分器耦合到多于一个次级扇出波导，并且这些次级扇出波导各自通过三分器连接到多于一个另外的次级扇出波导。实验表明，可以实现分光比变化小于5％的三分器，其中三分器中波长的相互作用距离为5μm，相互作用长度为140μm。通常，相互作用距离可以是波导芯的尺寸(例如至少1μm)到30μm和/或相互作用长度小于300μm。已经制造了四个三分器结构的级联，导致分成1x81个输出。因此，可以覆盖输出像素间距为50μm且总输出宽度和长度尺寸分别为4.05mm和21.31mm的有源区域。
可选地，光学装置包括：
附加的初级扇出波导；
至少一个附加的次级扇出波导；
附加的扇出光耦合器，用于在附加的初级扇出波导和附加的次级扇出波导之间耦合光束。因此，光可以从不同的光源耦合进来，或者可以耦合到不同的传感装置。上面在初级扇出波导、(另外的)次级扇出波导和扇出耦合器的上下文中提到的可选特征也可以用于附加的初级扇出波导、至少一个附加的次级扇出波导和附加的扇出耦合器。因此，可以通过将次级扇出波导和附加的次级扇出波导相互堆叠，然后在它们必须到达它们各自的总线波导(假设总线波导布置在有源区域下方相同的深度)的点处将它们交错来实现多波长/颜色的扇出或扇入。以这种方式，每种颜色的每个反射和耦合结构都保持相互独立，因此在单一波长上工作，从而实现低光学损耗。
可选地，初级扇出波导耦合到光源，用于接收来自光源的光束。光源可以是激光器，尤其是单模激光二极管。可选地，光源被配置为发射光，其中心波长在300nm和700nm之间，并且进一步可选地高达2000nm(特别是用于传感)。可以提供多于一个的光源，其中每个光源耦合到不同的(附加的)初级扇出波导。可选地，光源(或光源中的相应一个)被配置为发射具有460nm、530nm或630nm的中心波长的光。其中，多于一个光源可以发射相同范围内的光，特别是当光源照亮有源区域的不同区域时。可选地，如果多于一个光源照亮有源区域的相同区域(特别是相同像素但不同颜色的子像素)，则它们发射不同中心波长的光。
此外，本公开涉及一种用于显示器的背光单元，其包括根据本文描述的任何实施例的光学装置。因此，实现了紧凑的、特别是扁平的显示器。背光单元可用于LCD显示器。
附图说明
作为示例，关于附图中所示的一些选定实施例进一步解释了本公开。然而，这些实施例不应被认为是对本公开的限制。
图1示意性地示出了现有技术光学装置的俯视图。
图2示意性地示出了另一个现有技术光学装置的俯视图。
图3示意性地示出了根据本公开的光学装置的实施例的俯视图。
图4示意性地示出了与图3相同的光学装置的实施例的侧视图。
图5示意性地示出了根据本公开的光学装置的另一个实施例的俯视图。
图6示意性地示出了与图5相同的光学装置的实施例的侧视图。
图7示意性地示出了根据本公开的光学装置的又一实施例的俯视图。
图8示意性地示出了与图7相同的光学装置的实施例的侧视图。
图9示意性地示出了由像素波导的数量引起的光损耗的估计模型。
图10示意性地示出了关于反射和耦合结构的考虑。
图11示意性地示出了光学装置的另一个实施例的侧视图。
具体实施方式
图1示出了用于扇出光的现有技术光学装置101的俯视图。光学装置101具有将光耦合到扇出波导103的光源102。从那里，光随后以级联方式耦合输出到另外的扇出波导103。为了耦合，首先扇出波导103必须平行传播以允许光从第一扇出波导103耦合到第二扇出波导103。然后第二扇出波导103开始弯曲远离第一扇出波导以达到所需的距离，例如，显示器应用中的像素间距。在实现达到光学装置101的完整宽度的扇出之后，可以开始对某个有源区域104进行照明。然而，光学损耗限制了扇出波导103的最小弯曲半径。使用仍然允许低传播损耗的弯曲半径，例如10mm，目标距离为100μm(相当于预期的像素间距)，对于一个光耦合器而言，在z方向上所需的传播距离约为2mm。因此，如果在有源区域的至少一侧没有相当大的边框105，就不可能实现扇出。
图2示出了用于扇出光的替代现有技术光学装置101的俯视图。其中，光源102相对于扇出波导103在某个有源区域104上的延伸方向以90°定向。然而，这仍然需要围绕有源区域104的边框105在显示器两侧大约为弯曲半径。特别是对于移动显示器应用，这是不期望的。
图3以俯视图(y-z平面)示意性地示出了根据本公开的光学装置1的实施例，并且图4以侧视图(x-z平面)示出了同一实施例。光学装置1包括一个初级扇出波导3、两个次级扇出波导4、以及一个用于在初级扇出波导3和次级扇出波导4之间耦合光束的扇出耦合器5。在本实施例中，扇出耦合器5是三分器，使得光可以通过一个耦合器耦合到两个次级扇出波导4。然而，光学装置1同样可以仅包括一个次级扇出波导4，并且扇出光耦合器5不需要是三分器。图4是在初级扇出波导3延伸的平面中的侧视图。然而，应当理解，次级扇出波导4的侧视图看起来相似，除了它在z方向上向左的延伸将仅到达扇出光耦合器5，可以正如图3所示。
此外，光学装置1包括与每个次级扇出波导4相关联的一个总线波导6，并且还提供了一个与初级扇出波导3相关联的总线波导6。光学装置1包括反射和耦合结构7，反射和耦合结构7连接每个次级扇出波导4和相应的总线波导6。类似的反射和耦合结构也连接初级扇出波导3和相应的总线波导6。从图中可以看出，总线波导6的大部分基本平行于次级扇出波导4的一部分延伸，次级扇出波导4的该部分占到次级扇出波导4的长度的大于50％。
每个反射和耦合结构7是干涉式结构8，用于将在次级扇出波导4中传播的光束耦合到相应的相关联的总线波导6中(或者，特别是如果光学装置1用于传感应用，则将在总线波导6中传播的光束耦合到相应的相关联的次级扇出波导4)中，使得耦合光束的至少一部分在离开干涉式结构8之后沿相反方向传播。在波导4、6近旁的箭头是光束在相应波导中传播的方向的理想化图示。
反射和耦合结构7包括光耦合器9(标记为“总线光耦合器”)，用于将光束在延一个方向通过总线光耦合器9时在次级扇出波导4和总线波导6之间耦合，其中，基本上50％的光束在沿一个方向通过总线光耦合器9时耦合在次级扇出波导4和总线波导6之间。其中使次级扇出波导4和总线波导6彼此靠近的总线光耦合器9的长度可以小于1mm。此外，反射和耦合结构7包括用于至少部分地反射总线波导6中的光束的总线反射面10和用于至少部分地反射次级扇出波导4中的光束的次级扇出反射面11。总线光耦合器9和总线反射面10之间的光路长度与总线光耦合器9和次级扇出反射面11之间的光路长度相同。这样，反射和耦合结构7形成平衡的迈克尔逊干涉式结构和/或折叠的马赫-曾德尔干涉式结构，并且次级扇出波导4中基本上所有进入反射和耦合结构7的光在总线波导6中以相反的方向离开反射和耦合结构7(由于第二次通过总线光耦合器9时总线波导6中的相长干涉和第二次通过总线光耦合器9时次级扇出波导4中的相消干涉)。
初级扇出波导3、次级扇出波导4和总线波导6设置在透明基板12中。它们是通过飞秒激光直写产生的，这是一种实现波导3D轨迹的方法。从图3和图4可以看出，总线波导6和次级扇出波导4或初级扇出波导分别沿z方向基本平行延伸，并且它们的大部分长度在x方向和y方向上彼此间隔开。因此，在俯视图中它们看起来的交叉点不存在干涉问题。在反射和耦合结构7附近，它们在x方向上处于同一水平，并且在总线光耦合器9处，它们也在y方向上彼此靠近。总线反射面10和次级扇出反射面11由透明基板12的小面13提供。
光学装置1包括多个像素波导14，每个像素波导14接收来自总线波导6之一的光束(或者，特别是当将光学装置1用于传感应用时，将光束引导到总线波导6之一)。像素波导14远离相应的总线波导6弯曲并朝向基板12的顶面15弯曲，顶面15包括将由光学装置1照明的有源区域。如果光学装置1用作背光单元，例如每个像素波导14可以照亮例如液晶显示器(LCD)的一个像素或一个彩色子像素。像素波导14可以通过光耦合器，例如通过使像素波导14靠近相应的总线波导6，接收来自相应总线波导6的光。
光学装置1包括光源2，其中从光源2发出的光束被耦合到初级扇出波导3中，随后通过次级扇出波导4和总线波导6分配到像素波导14。通过使用反射和耦合结构7在次级扇出波导4和总线波导6之间耦合光，基板12在y方向和z方向上的整个延伸可以用于扇出，有源区域可以基本上覆盖整个顶面15，并且没有必要在有源区域周围设置边框。
图5以俯视图(y-z平面)示意性地示出了光学装置1的另一个实施例，并且图6以侧视图(x-z平面)示出了同一实施例。该实施例在大部分方面与图3和图4所示的实施例相同，然而，一些像素波导14被不同地放置。特别地，在总线光耦合器9的两侧提供连接到次级扇出波导4和初级扇出波导3的像素波导14。因此，即使是耦合器的区域也可以是有源区域的一部分。
图7以俯视图(y-z平面)示意性地示出了光学装置1的实施例，并且图8以侧视图(x-z平面)示出了同一实施例。光学装置1包括三个光源2，这三个光源2分别将光耦合到不同的初级扇出波导3中。每个光源2可以被配置为发射不同的波长，例如红色、蓝色和绿色的光。从每个初级扇出波导3到相应的像素波导14(图7中未示出)的光束分布以与在图3和图4的上下文中描述的相同方式进行。然而，每个光源2的初级扇出波导3和次级扇出波导4在它们的大部分长度上处于基板12中的不同深度水平(x轴)上(见图8)，使得它们可以交错。特别地，使初级扇出波导3和次扇出波导4仅刚好就在反射和耦合结构7之前处于相同的水平。因此，每个光源2的扇出，特别是每种颜色的光源2的扇出，独立于其它光源2，特别是其它颜色的光源2。因此，反射和耦合结构7对于不同的光源2也保持独立，并且可以分别在单个波长(不同的波长，取决于它们连接到哪个光源)上工作。这样，实现了低损耗，同时不同的颜色分布在有源区域上。
图9示意性地示出了由像素波导的数量引起的光损耗的估计模型。当使用其中许多像素波导连接到单个总线波导的建议架构时，耦合中的波导损耗变得很重要。由于波导在渐逝耦合期间非常接近，可能会发生小损耗，如果其中很多是顺序发生的，则会发生指数功率损耗。以下将显示这些损耗足够低以使本公开起作用。
典型的像素行由承载功率的总线波导(即总线线路)和多个耦合器(即像素)组成，它们将总线线路承载的部分功率移除/重定向到基板的输出小面，特别是玻璃。用于以下计算的简化模型如图9所示。
在这种布置中，功率P0耦合到总线线路并从左向右传播。总线线路(从P0到Pbus的波导)耦合到参考耦合器和串联的N个耦合器(即像素，在这种情况下是直线对角平行线)。在每个耦合器之后，由总线线路承载的一部分功率被移除。此外，耦合到总线线路的参考波导终止于右侧的输出小面(Pref)。参考波导朝向输出小面的转向以50mm的弯曲半径执行，高到足以忽略来自该区域的弯曲损耗，并允许忠实估计耦合C。假设没有其他功率损耗，总线线路的输出端的功率(Pbus)是耦合器数量(N)及其耦合系数C的函数。因此，通过了解N和C，并通过监测Pref，可以计算Pbus并估计由于渐逝耦合机制引起的损耗。
通过在上述布置中制造多条总线线路，并通过改变耦合器的数量N，可以识别和测量耦合损耗的存在，从而识别和测量光传输“t”。参考波导用于表征耦合器的耦合系数，并验证制造过程的可重复性和稳定性。
在本研究中，制造了具有N＝1、20、40和80个耦合器的总线线路(N＝1是仅具有参考波导来评估耦合系数的装置，而其它装置由1个参考波导和N-1个像素波导组成)。为了获得足够的统计数据，针对每个N制造了12个装置(针对每个N有4个装置可实现最小统计有效性)。耦合器-波导被制造为：相互作用距离为7.75μm，相互作用长度为0μm，弯曲半径为10mm。与像素波导和耦合器相关的弯曲半径应在10mm至50mm的范围内，以保持低于0.2dB的低光传输损耗。
具体来说，对于N＝1的装置，耦合系数测量为C＝0.0132的值。对于N＝20，tavg＝0.9800±0.0278，对于N＝40，tavg＝0.9969±0.0113，对于N＝80，tavg＝0.9968±0.0015。结果彼此一致，并且对于更高的N值，具有更高的统计确定性。所有结果都在t＝1内，因此由于波导之间的渐逝场耦合，似乎没有引起明显的光功率损耗。
图10示意性地示出了关于反射和耦合结构的考虑，然而其不应被视为限制本公开的一般概念。其输出小面是金属涂层的集成定向耦合器已经被制造和表征，对应于图3和图4，但为了制造方便，所有波导都位于同一x平面中。
特别是，耦合器的相互作用区域位于距离输出表面1mm处，使其对抛光材料的量(300μm至600μm)不敏感，同时证明了其紧凑性。耦合器的相互作用区域与输出(涂层并因此反射的)表面的距离可以小于1mm。在抛光作为后处理的情况下，去除厚度小于600μm的输出表面。可以避免该后处理步骤。
两个臂的长度差异导致装置的光功率不平衡，即从正向波导到反向波导的功率传输减少。例如，为了将90％的输入功率传送到反向波导，可选地，反射小面可以垂直，精度为0.1度。机械抛光工艺可以很容易地在输出小面产生相似的角度。为了尽量减少这种影响，耦合器的臂应尽可能靠近放置。耦合器臂的距离通常设置在15μm到100μm的范围内。同时，臂不应相互作用以保持干涉仪的行为。为了符合这些要求，耦合器的两个臂之间的距离设置为15μm。值得注意的是，靠近臂可以缩小整个装置的长度。假设有一个完全垂直的小面，臂之间的距离可能会增加到例如100μm。
该光学回路采用25乘以25乘以0.5mm3的铝硼硅酸盐玻璃(Eagle XG，Corning)，通过一种称为“飞秒激光直写”的技术构建而成。该过程利用聚焦的超短光脉冲和介电基板之间的非线性相互作用，在材料内产生永久性修改。通过调整样品的辐照条件，这种方法可以制造出芯约为3μm、折射率对比度约为5*10^-3的单模波导。测量采用的波长为638nm，在该波长处，这些波导的模场直径为4.2μm，传播损耗为0.1dB/cm，弯曲损耗为0.45dB/cm，弯曲半径为10mm。
表征分为两部分：首先，评估没有涂层的定向耦合器的操作。在这个阶段，光以一种模式在输入小面通过光纤耦合，并用功率计测量两种输出模式之间的功率分布。然后获取分光比。
之后，通过其金属化实现输出小面上的反射：在样品的侧面溅射了厚度约为50nm的镀金层。然后，使用显微镜物镜(NA＝0.20)以一种输入模式耦合光并收集通过装置来回传播的光功率。平衡的外部分束器放置在物镜前面，以将输出功率与输入光束隔离。输入小面上的菲涅耳反射，与两种输出模式之一重叠，在评估装置行为时会被测量和考虑。
在我们的测试中，从输入模式传输到反射耦合模式的相对功率为92.64％，在10个相同装置中的标准偏差为0.91％。这一工作原理也被证明与臂距和长度无关。定向耦合器的不平衡(分光比为50.24％，标准偏差为0.96％)阻碍了完整的功率传输，输出小面的倾斜更严重地阻碍了完整的功率传输。后者是在抛光过程中随机产生的，会导致两个臂的路径长度不同，从而导致装置性能不完善，这可以通过使用更精确的(目前可用的)抛光/切割技术(例如激光切割)轻松避免。
图11示出了根据本公开的光学装置1的另一实施例的侧视图。该实施例包括多层布局。光学装置1在直到总线波导6的光源2和通向顶面15的像素波导14(图11中未示出)之间以与在图3和图4所示实施例的上下文中描述的方式基本相同的方式起作用(只是将所示的x维度反转了)。然而，在至少一个总线波导6的末端，提供了另一个反射和耦合结构7a，特别是另一个干涉式结构，具有另一个总线光耦合器9a和在另一个小面13a处的反射。另一个反射和耦合结构7a在总线波导6和另一个总线波导或检测波导16之间耦合光。为简单起见，图11显示了连接到初级扇出波导3的总线波导6。然而，这可以还(或替代地)为连接到相应次级扇出波导4的至少一个总线波导6提供。在相应波导中传播的光的方向由箭头示意性地示出。检测波导16与初级扇出波导3或次级扇出波导4中相应的一个的交叉通过在点17周围在y维度上绕过初级扇出波导3或相应的次级扇出波导4来避免。检测波导16通向相应的检测器18，特别是光电二极管，其使得可以分析到达那里的光。由于总线波导6靠近顶面15，该实施例对于触摸传感应用特别有用。

Claims (15)

1.光学装置(1)，包括：
初级扇出波导(3)；
至少一个次级扇出波导(4)；
扇出光耦合器(5)，用于在所述初级扇出波导(3)和所述次级扇出波导(4)之间耦合光束；和
至少一个总线波导(6)，与所述至少一个次级扇出波导(4)相关联并且不同于每个次级扇出波导(4)；
其特征在于
反射和耦合结构(7)，其连接所述次级扇出波导(4)和所述总线波导(6)。
2.根据权利要求1所述的光学装置(1)，其特征在于，所述反射和耦合结构(7)是干涉式结构(8)，用于将在所述次级扇出波导(4)中传播的光束耦合到所述总线波导(6)中或将在所述总线波导(6)中传播的光束耦合到所述次级扇出波导(4)中，使得耦合光束的至少一部分在离开所述干涉式结构(8)后沿相反方向传播。
3.根据权利要求1或2所述的光学装置(1)，其特征在于，所述总线波导(6)的至少一部分与所述次级扇出波导(4)的至少一部分并排延伸，特别是基本上平行于所述次级扇出波导(4)的一部分。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于，所述反射和耦合结构(7)包括用于在所述次级扇出波导(4)与所述总线波导(6)之间耦合光束的光耦合器(9)，其中可选地基本上50％的光束在沿一个方向通过所述光耦合器(9)时耦合在所述次级扇出波导(4)和所述总线波导(6)之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于，所述反射和耦合结构(7)包括用于至少部分地反射所述总线波导(6)中的光束的总线反射面(10)和用于至少部分地反射所述次级扇出波导(4)中的光束的次级扇出反射面(11)。
6.根据权利要求4和5所述的光学装置(1)，其特征在于，所述反射和耦合结构(7)的光耦合器(9)与所述总线反射面(10)之间的光路长度与所述反射和耦合结构(7)的所述光耦合器(9)与所述次级扇出反射面(11)之间的光路长度相同。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于，所述次级扇出波导(4)和所述总线波导(6)设置在透明基板(12)中，可选地，所述次级扇出波导(4)和所述总线波导(6)由飞秒激光直写产生。
8.根据权利要求5和7所述的光学装置(1)，其特征在于，所述总线反射面(10)和/或所述次级扇出反射面(11)由所述透明基板(12)的小面(13)和/或所述透明基板(12)的小面(13)的涂层提供。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于至少一个像素波导(14)，其接收来自所述至少一个总线波导(6)的光束或将光束引导至所述至少一个总线波导(6)，并且其特征在于，所述像素波导(14)远离所述总线波导(6)弯曲。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于相位调节元件，其用于调节所述反射和耦合结构(7)中的所述次级扇出波导(4)和所述总线波导(6)的相对光路长度，其中，所述相位调节元件可选地包括移相器和/或压电镜。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于，至少另外的总线波导与所述次级扇出波导(4)相关联并且不同于每个次级扇出波导(4)，其中所述反射和耦合结构(7)还连接所述次级扇出波导(4)和所述另外的总线波导。
12.根据权利要求11所述的光学装置(1)，其特征在于，所述反射和耦合结构(7)包括用于在所述次级扇出波导(4)、所述总线波导(6)和所述另外的总线波导之间耦合光束的三分器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于
附加的初级扇出波导(3)；
至少一个附加的次级扇出波导(4)；以及
附加的扇出光耦合器(5)，用于在所述附加的初级扇出波导(3)和所述附加的次级扇出波导(4)之间耦合光束。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光学装置(1)，其特征在于，所述初级扇出波导(3)耦合到光源(2)，用于接收来自所述光源(2)的光束。
15.用于显示器的背光单元，其特征在于根据前述权利要求中任一项所述的光学装置(1)。
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