DE3851421T2

DE3851421T2 - Holografische planare optische Verbindungen.

Info

Publication number: DE3851421T2
Application number: DE3851421T
Authority: DE
Inventors: Joanna Lenar Jannson; Tomasz Peotr Jannson; Peter Chung-Kit Yeung
Original assignee: Physical Optics Corp
Current assignee: Physical Optics Corp
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2008-12-22
Also published as: JPH07117618B2; US4838630A; EP0322218A3; ATE111275T1; DE3851421D1; EP0322218A2; EP0322218B1; JPH021802A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Benutzung

Diese Erfindung betrifft allgemein eine optische Verbindung, die eine extrem hohe Verbindbarkeit zwischen größtintegrierten (VLSI) mikroelektronischen Komponenten und Systemen vorsieht.

Beschreibung des Standes der Technik

Mit abnehmenden Merkmalsgrößen und zunehmenden Chip-Größen in der VLSI-Technologie wird die Fähigkeit, VLSI-Chips und die Schaltplatten, die sie tragen, zu verbinden, schnell von industrieller Wichtigkeit sein. Demzufolge wendet sich die Industrie zur optischen Technologie. Ein Überblick über dieses Gebiet wird in Goodman et al., Optical Interconnections for VLSI Systems, 72 IEEE Proc. 7 (1984) und in Kostuk et al., Optical Imaging Applied to Microelectronic Chipto-Chip Interconnections, 24 Applied Optics 17 (1985) gegeben. Eine Wertung des Standes der Technik von optischen Verbindungen für VLSI-Technologie wird von Bergman et al., Holographic Optical Interconnects for VLSI, 25 Optical Engineering 10, auf 1109, Fig. 1 bis 3, präsentiert. Die optischen Verbindungen, die von den oben genannten Autoren beschrieben werden, sind darauf ausgerichtet, die gegenwärtigen und zukünftigen Schwierigkeiten bei der Vorsehung einer ausreichenden Anzahl von Off-Chip-Verbindungen für große, integrierte Schaltungen (IC), beim Reduzieren von Übertragungsverzögerungen und insgesamt beim Eliminieren von RC-Zeitkonstanten, von induktivem Rauschen zwischen Leitungen und von Leitungskapazität, speziell bei elektronischen Verbindungen, zu verringern. Diese Autoren erkennen, daß es für zahlreiche verschiedene optische Signale möglich ist, sich durch dasselbe räumliche Volumen ohne Interferenz auszubreiten. Als ein Ergebnis machen sie Anmerkungen zu der Attraktivität einer optischen Verbindungsarchitektur und insbesondere zur Anwendung holografischer Technologie.
Die holografischen Verbindungen sind entwickelt worden, um den obigen Bedürfnissen nachzukommen, sie basieren jedoch auf einer konventionellen Transmissions- oder Reflexions- Bragg-Holografie mit oberflächengeätzten Gittern. Diese Typen von Hologrammen (und Holografie im allgemeinen) sind von R. Collier et al., Optical Holography (1971), und Kogelnik, 48 Bell Syst. Tech. J.M. 2909 (1969) und Weller et al., Analysis of Waveguide Gratings: A comparison of the results of Rouard's method and coupled-mode theory, 4 J. Opt. Soc. Am. 60 (1987) für oberflächengeätzte Gitter beschrieben. In einer konventionellen holografischen Verbindungsarchitektur sind der Wellenleiter, der die Signale trägt, die Eingabequellen, wie zum Beispiel Laserdioden, und die Ausgabeempfänger, wie zum Beispiel Fotodioden, Fasern oder andere Detektoren, nicht in der Ebene des Hologramms angeordnet, sondern entgegengesetzt dazu. Dieser Typ von holografischer optischer Freiraum-Verbindung, die in der oben zitierten Literatur durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, hat wichtige Beschränkungen. Erstens sind Ausrichtungsprobleme kritisch. Wenn die Quellen und Detektoren, und Wellenleiter nicht in exakter Ausrichtung mit dem gegenüberliegenden holografischen Element sind, wird die Funktion so sehr leiden, daß die Verbindung funktionsunfähig wird. Zweitens, und wichtiger, kann die konventionelle Braggsche holografische Verbindung, selbst wenn sie richtig funktioniert, weder theoretisch noch in der praktischen Benutzung die sehr große Zahl von Verbindungen, die in einem typischen VLSI-System benötigt werden, bereitstellen. Eine Diskussion von diesen wichtigen Begrenzungen wird in T. Tannson et al., "Real Time Signal Processing IX", 698, S.P.I.E. Proc. 157 (1986), aufgezeigt, die wie jede der anderen zitierten Referenzen durch Verweis aufgenommen wird. Oberflächengeätzte holografische Gitter sind insbesondere nicht in der Lage, eine große Zahl von Verbindungen vorzusehen. Es ist nicht möglich, in demselben Volumen zahlreiche unabhängige oberflächengeätzte Gitter (Gruppen von Braggschen Ebenen) ohne wechselseitige Kreuzkopplung zwischen Lichtwellen, die an den Oberflächengittern abgelenkt werden, aufzuzeichnen. Letzten Endes halten Verbindungen des Standes der Technik nicht mit dem wachsenden Bedürfnis nach hoher Verbindbarkeit zwischen VLSI-Komponenten Schritt.
Patent Abstracts of Japan, Vol. 11, No. 340 (P-634) (2787), 7. November 1987 und JP-A-62-123411 offenbaren eine optische Verbindung in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieses Dokument offenbart eine Reihe von mehrstufigen Gittern auf einem rechteckigen Wellenleiter mit Gittern, die die Lichtwellen in zwei verschiedene Richtungen, geradeaus und abgelenkt, aufspalten, so wie es für manchen Stand der Technik typisch ist. Jedes einzelne Gitter in einer Reihe von Gittern trennt eine einzelne Wellenlänge des Lichts zur Transmission zu einem Fotosensor heraus. Die vorliegende Erfindung, so wie sie in Anspruch 1 bestimmt ist, benutzt ein Volumenhologramm, welches die Lichtwellen in viele verschieden Richtungen ablenkt, um so ein hohes Fan-Out zu erreichen und dem Bedürfnis nach einer Anzahl von mehrstufigen Gittern zu begegnen.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 24, No. 7B, Dezember 1981, Seite 3881, offenbart die Benutzung von Volumenholografie, um ein integriertes optisches System mit einem Gitter zu bilden. Dieses Dokument offenbart jedoch nur die Benutzung von einem einfachen holografischen Gitter, welches nicht die Vorteile eines planaren Braggschen Volumenholgramms bietet, das in einen planaren optischen Pfad für ebene Lichtwellen eingefügt ist.
Eine optische Verbindung, die eine planare Braggsche Volumenhologramm-Technologie in zwei Dimensionen (2D) verwendet, wird präsentiert. Im einzelnen wird ein planares Braggsches Volumenhologramm in einem planaren optischen Pfad angeordnet, um bis zu ungefähr 10³ Verbindungen zwischen VLSI-Chips oder VLSI-Platinen vorzusehen. Ein planarer optischer Pfad sieht eine Einrichtung für informationstragende Lichtsignale vor, wie Sprech-, Bild- oder Computerdatensignale, von einer außerhalb des optischen Pfades gelegenen Quelle, z. B. einer LED oder Laserdiode oder einer Diodenmatrix, die außerhalb des optischen Pfades angeordnet und mit einem sendenden Chip oder einer Schaltung von Chips verbunden ist, um sich zu einem planaren Hologramm auszubreiten, welches in dem optischen Pfad angeordnet ist. Das planare Volumenhologramm enthält multiplexte Gruppen von Braggschen Ebenen, die die Lichtwellen ablenken, die sich durch den planaren optischen Pfad zu einem anderen Abschnitt des optischen Pfads und zu Detektoren ausbreiten, die mit einem empfangenden Chip oder einer Schaltung von Chips verbunden sind, die sich entweder auf oder außerhalb der Ebene des planaren optischen Pfads befinden. Bis zu 1000 verschiedene Gruppen Braggscher Ebenen können in dem planaren Hologramm aufgezeichnet sein, wobei jede Gruppe in einer einzelnen holografischen Belichtung aufgezeichnet ist, siehe T. Jannson, Information Capacity of Bragg Holograms in Planar Optics, 71 Journal of Optical Soc. of Amer. 342 (1981), und auf diese Weise bis zu 1000 Verbindungen zwischen VLSI-Komponenten vorsieht.
In einer Ausführungsform kann eine Lichtwelle einer einzelnen Wellenlänge in viele getrennte und verschiedene Richtungen zu verschiedenen Lichtdetektoren abgelenkt werden, die außerhalb des planaren optischen Pfads angeordnet sind. In einer anderen Ausführungsform enthält eine Lichtwelle viele verschiedene Wellenlängensignale (ein wellenlängenmultiplextes Signal), die so abgelenkt werden können, daß jedes Signal als eine Funktion der Wellenlänge in eine andere Richtung und zu einem bestimmten Ort in dem planaren optischen Pfad abgelenkt wird. Die verschiedenen abgelenkten Lichtsignale können dann nach Bedarf zu empfangenden Chips oder anderen mikroelektronischen Komponenten geleitet werden. Die vorige Ausführungsform ist zum Beispiel nützlich bei der Verteilung eines Taktsignals zu VLSI-Komponenten und die letztere beim Wellenlängen-Divisions-Multiplexen (WDM) eines Lichtsignals von einem Chip zu vielen anderen Chips oder sogar, wenn notwendig, beim Vorsehen einer Verbindung innerhalb einzelner Mikrochips.
Eine optische Verbindung in Übereinstimmung mit dieser Erfindung kann eine extrem hohe Verbindbarkeit für VLSI-Chipzu-Chip und Platine-zu-Platine Kommunikation erreichen, ungefähr in der Größenordnung von hundert Mal größer als existierende optische holografische und nichtholografische Verbindungen. Des weiteren, anders als die Verbindungen, die den Stand der Technik bilden, macht die monolithische Natur der hierin offenbarten Verbindung es gut geeignet, integrierte mikroelektronische Anwendungen zu verdichten und die Ausrichtungsprobleme zu eliminieren, die bei der Herstellung und im Betrieb holografischer optischer Verbindungen auftreten.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die optische Verbindung der vorliegenden Erfindung nicht auf die Diffraktion von Lichtsignalen in die Ebene des optischen Pfads begrenzt. Kopplungseinrichtungen, die in vielfachen, parallelen planaren optischen Pfaden angeordnet sind, können Licht zwischen jeden von ihnen ablenken, Informationen in einer vertikalen Ebene weitergeben, die transversal zu der Ebene von jedem der planaren optischen Pfade ist. Die Fähigkeit der holografischen planaren optischen Verbindung extrem hohe und zuverlässige Verbindbarkeit in einem extrem schmalen Raum zu schaffen, ist offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine optische Verbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in ihrer Chip- zu- Chip-Verbindungsfähigkeit in einem VLSI-System;
Fig. 2 stellt die optische Verbindung in ihrer Chip-zu- Chip-Verbindungsfähigkeit entsprechend zu Fig. 1 dar;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht der optischen Verbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einem Gehäuse;
Fig. 4 (a) und (b) geben jeweils ein Schema einer Transformation von sphärischer zu ebener Welle und einer Transformation von ebener zu ebener Welle an;
Fig. 5 veranschaulicht die Struktur der optischen Verbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 veranschaulicht die optische Verbindung von Fig. 1 im Gebrauch als ein Vielkanal-Dichte-Wellenlängen- Multiplexer (WDM);
Fig. 7 ist eine Prinzipskizze einer mehrfachplanaren optischen Verbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 ist eine Prinzipskizze der optischen Verbindung in ihrer elementaren Form, die ein 1 : 2 Fan-Out vorsieht;
Fig. 9 ist eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Verbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 veranschaulicht die vorliegende Erfindung als ein holografisches optisches Element.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 10 die Architektur eines VLSI-Systems mit einer metallischen, leitungskühlenden Grundfläche 11, die vier planare optische Pfade 12 in der Form von optischen Substraten für die Transmission von Licht-Zickzack-Wellen mit Standard VLSI-Chips 13, einem planaren Hologramm 14, welches zentral zwischen den Chips 13 angeordnet ist, und einem optoelektronischen Transceiver 15, der mit jedem Chip verbunden ist, trägt. Der Transceiver 15 weist eine Vielzahl von optoelektronischen Quellen und Detektoren auf, wie sie unten beschrieben werden. Wie man in Fig. 2 sieht, ist das planare Hologramm 14 auf dem planaren optischen Pfad 12 angeordnet, so daß sich Lichtwellen ungehindert zwischen dem planaren Hologramm und jedem optoelektronischen Transceiver 15 an jedem VLSI-Chip hin- und herbewegen.
Die metallische leitungskühlende Grundfläche 11 ist Standard. Die vier planaren optischen Pfade 12, die die Grundfläche aufweist, sind rechteckig und aus einem transparenten optischen, wellenleitenden Material hergestellt, so wie Glas oder ein Polymer oder ein Halbleiter oder lichtbrechendes Material, welches bei kontinuierlicher Bestrahlung von Laserlicht relativ unbeeinflußt bleibt.
Das planare Hologramm 14 ist aus einer härtbaren Gelatine, wie z. B. dichromatischer Gelatine (DCG). DCG hat einen Brechungsindex von ungefähr 1,55, was seine Kombination mit einem planaren optischen Pfad aus einfachem Glas wegen der sehr ähnlichen Brechungsindizes der zwei Materialien besonders vorteilhaft macht. Eine andere attraktive Kombination von Materialien mit dem planaren optischen Pfad und planarem Hologramm ist ein monolithisches Polymer aus lichtbrechendem Material, welches lokal dotiert (sensibilisiert) ist, wo das planare Hologramm angeordnet ist. Wie oben beschrieben, ist das planare Hologramm 14 unter Benutzung des aktuellen Standes der Technik der holografischen Aufzeichnungstechniken in dem planaren optischen Pfad hergestellt. Das planare Hologramm hat dieselbe Form wie der planare optische Pfad. Die Dicke der DCG-Lage beträgt vorzugsweise zwischen 1 um und 5 um und geht sogar bis zu 50 um.
Wie unten ausführlicher beschrieben wird, ist die effektive Dicke der DCG-Schicht als ein planares Braggsches Hologramm nicht seine Ablagerungsdicke, wie es bei beiden konventionellen Reflektions- und Transmissions-Braggschen Hologrammen der Fall ist, sondern die Länge der kürzesten Seite seiner rechteckigen Begrenzungslinie unter Annahme eines Ein-Moden Wellenleiter-Falls. Dieses Phänomen ist ein Resultat der zweidimensionalen (2D) Natur von planaren Hologrammen; die Lichtwellen, die sich durch planare Hologramme hin- und herbewegen, sind auf den zweidimensionalen Raum beschränkt, der durch das Hologramm bestimmt ist, weil ihre Wellenfrontstruktur fest in die Richtung transversal zu dem planaren optischen Pfad und Hologramm gerichtet ist. Deshalb, wie unten diskutiert, übertrifft das planare Braggsche Volumenhologramm bei weitem erwartete Verbindbarkeitsgrenzen bei Benutzung konventioneller, nichtplanarer Braggscher Hologramme, weil die effektive Braggsche Dicke des planaren Hologramms in Bezug auf die Dicke der DCG-Lage um ein Vielfaches erhöht ist. Natürlich kann die Erfindung auch bei Niederverbindbarkeitsanwendungen genauso gut verwendet werden.
Die VLSI-Chips 13 sind integrierte Schaltkreise vom aktuellen Stand der Technik mit einer großen Zahl von Anschlußbelegungen an ihrer Peripherie. Der optoelektronische Transceiver 15 für jeden Chip ist eine Kombination von Lichtquellen und Detektoren. Die Quellen sind einzelne Laserdioden oder LEDs. Die Quellen sind als eine Lichtmatrix aufgebaut, wenn zahlreiche nichtmultiplexte Lichtsignale in die optische Verbindung hineingekoppelt werden müssen. Die Detektoren sind typischerweise einzelne Hochgeschwindigkeits- Fotodioden, die bei Bedarf als Detektormatrix aufgebaut sind.
Die Verbindungsarchitektur der Fig. 1 und 2 kann auch in einem Fan-Out- oder Fan-In Verbindungssystem, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, angewandt werden. In einem Fan-Out-System dient ein mit 17 bezeichneter VLSI-Chip als die Quelle einer Signalinformation. Das elektronische Signal von diesem Chip wird durch eine optoelektronische Quelle 18 in dem Transceiver 15 (der genauso wie Transceiver 15 in Fig. 2 funktioniert), der mit dem Chip verbunden ist, in ein Lichtsignal konvertiert und dann in den planaren optischen Pfad gekoppelt. Das Lichtsignal breitet sich in dem planaren optischen Pfad als eine Zickzack-Welle, die von der oberen und unteren inneren planaren Oberfläche des planaren optischen Pfads total reflektiert wird, in Richtung des planaren Hologramms 14 aus. Nach Erreichen des planaren Hologramms 14 wird das Signal durch die Braggschen Ebenen (inklusive gekrümmter Braggscher Oberflächen für holografische optische Elemente (HOE), die zur Fokussierung, Konzentration, Kollimation und anderer linsenartiger Operationen benutzt werden), die in dem planaren Hologramm aufgezeichnet sind, zu dem empfangenden Chip oder den verschiedenen empfangenden Chips abgelenkt. Die Signallichtwelle, die sich zu einem empfangenden Chip 19 bewegt, fällt auf einen Detektor 20 in dem Transceiver 15, der mit diesem Chip verbunden ist. Der Detektor konvertiert das Lichtsignal in ein Elektronisches zur Benutzung in dem empfangenden VLSI-Chip oder Platine.
Wenn ein Transceiver 15 in demselben planaren optischen Pfad angeordnet ist, um so die Lichtsignale direkt aufzunehmen, wird entweder keine Kopplungseinrichtung benötigt oder konventionelle planare Kopplung kann angewandt werden.
Wo vertikale Kopplung der Lichtsignale zwischen dem Transceiver 15 und dem planaren optischen Pfad 12 notwendig ist, kann es durch Benutzung von Kopplungseinrichtungen, wie Totalreflektions-(TIR) Hologrammen, die mit dem planaren optischen Pfad verbunden sind, oder Kopplungsprismen oder holografischen Gittern, deren Funktion die Umformung der Lichtwellen von einer Bewegung im dreidimensionalen Raum zu der im zweidimensionalen Raum ist, ausgeführt werden. Fig. 4 (a) stellt spezifisch die Transformation von Lichtwellen dar, wie sie in und aus dem planaren optischen Pfad 12 durch Kopplungseinrichtungen 16 und 16', die an der Unterseite von einem planaren optischen Pfad 12 befestigt sind, gekoppelt werden. Sphärische 3D-Wellen, die von der Quelle an der Linken ausgestrahlt werden, fallen auf die Kopplungseinrichtung 16. Nach Eintreten in die Kopplungseinrichtung werden die Wellen in Zickzack-Wellen umgeformt, die an der oberen und unteren inneren Oberfläche des planaren optischen Pfads 12 total reflektiert werden, wenn sie sich entlang des planaren optischen Pfads ausbreiten.
Wenn sich die Zickzack-Wellen in den Abschnitt des planaren optischen Pfads fortpflanzen, der eine Kopplungseinrichtung 16' aufweist, findet der umgekehrte Vorgang statt. Die Wellen werden vom planaren 2D-Raum in 3D-Wellen transformiert, die sich etwas zerstreuen, wenn sie die Kopplungseinrichtung 16' verlassen. Aus Fig. 4 (b) wird ersichtlich, daß das Lichtsignal, welches sich in dem planaren optischen Pfad 12 ausbreitet, eine planare 2D-Welle bleibt, während sie sich hindurchbewegt und das planare Hologramm 14 verläßt.
Wie am besten in Fig. 5 ersichtlich wird, enthält eine optische Verbindung 21 ein planares Hologramm 22, welches zentral in dem planaren optischen Pfad 24 gelegen ist. Eine Quelle, spezifisch eine Laserdiodenmatrix 26, ist unter der Unterseite des planaren optischen Pfads angeordnet. Eine Kopplungseinrichtung 28, speziell ein TIR-Hologramm, ist zwischen der Laserdiodenmatrix und dem planaren optischen Pfad angeordnet und ist an die Unterseite des planaren optischen Pfads angebondet. Die Laserdiodenmatrix ist von dem VLSI-Typ und konvertiert elektronische Signale von VLSI- Chips (nicht dargestellt) in Lichtsignale. Das Licht, welches von der Laserdiodenmatrix 26 ausgestrahlt wird, wird in der Form von sphärischen Wellen nach außen von der Diodenmatrix abgestrahlt und fällt auf eine Kopplungseinrichtung 28. Die Kopplungseinrichtung formt die sphärischen Lichtwellen in ebene 2D-Wellen mit einer Wellenfront 32, die sich durch den planaren optischen Pfad in die Richtung der ebenen Wellenvektoren 30 und ebenen Wellenfront 32 zu dem planaren Hologramm 22 ausbreitet. Die Lichtwellen, die als Wellenvektoren 30 dargestellt sind, werden nach dem Auftreffen auf das planare Hologramm 22 durch die Braggschen Ebenen abgelenkt, welche darin während der Fabrikation oder holografischen Aufzeichnung des Hologramms aufgezeichnet wurden. Die gebeugten Lichtwellen breiten sich von dem planaren Hologramm als Wellenfront 35 nach außen in die Richtung von ebenen Wellenvektoren 34 zu einer anderen Kopplungseinrichtung 38 aus, die mit der unteren Oberfläche des planaren optischen Pfads 24 angebondet ist. Eine Kopplungseinrichtung 38 formt das ebene Wellensignal, das durch Wellenvektoren 34 und Wellenfront 35 dargestellt ist, von einer ebenen Welle in eine sphärische Welle um, die aus der Kopplungseinrichtung 38 austritt. Die austretende sphärische Welle wird von der Hochgeschwindigkeits-Fotodetektorenmatrix 36 nachgewiesen, die unter der Unterseite des planaren optischen Pfads 24 auf derselben Fläche, aber getrennt von der Laserdiodenquelle, der Quellenmatrix 26, sitzt. Eine Fotodetektormatrix 36 wandelt danach die sphärische Welle in ein elektronisches Signal um, welches sich zu einem VLSI-Chip oder einer Platine ausbreitet.
Die optische Verbindung 21 aus Fig. 5 kann in einem Einzelwellenlängen- und einem Multiwellenlängensystem benutzt werden. In einem Einzelwellenlängensystem würde z. B. ein Taktsignal mit einer Lichtwelle einer einzelnen Wellenlänge, die von einer Laserdiode 26 geliefert wird, in den planaren optischen Pfad 24 durch die Kopplungseinrichtung 28 eingekoppelt werden. Nach einem Auftreffen auf ein planares Hologramm 22 wird das Einzelwellenlängensignal in bis zu ungefähr 1000 verschiedene Richtungen abgelenkt, was von der Zahl von Gruppen Braggscher Ebenen abhängt, die in dem Hologramm während der Herstellung aufgezeichnet werden. Jede gebeugte Lichtwelle wird von einer einzelnen Fotodiode in einer Hochgeschwindigkeits-Fotodetektormatrix 36 aufgenommen, um an bis zu 1000 verschiedene VLSI-Chips oder andere Komponenten, die das Taktsignal benötigen, verteilt zu werden. Diese extrem hohe Zahl von Verbindungen, vordem unerreichbar, ist durch die extrem hohe Selektivität mit Braggschen Winkeln möglich, die durch die planare volumenholographische Struktur der optischen Verbindung 21, wie sie unten weiter beschrieben wird, geliefert wird. Darüber hinaus wird der Taktbetrieb bei hohen Frequenzen (> 1 GHz) nicht verschlechtert, wie es beim elektronischen Takt der Fall ist.
In einer Multiwellenlängenanwendung kann die optische Verbindung 21 z. B. als Vielkanal-Wellenlängenmultiplexer oder Demultiplexer benutzt werden, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Eine zusammengesetzte multiplexte Welle mit Wellenlängen
λ&sub1; + λ&sub2; + λ&sub3; . . . λn,
die sich durch den planaren optischen Pfad 42 ausbreitet und auf das multiplexende planare Hologramm 44 trifft, kann in Fig. 6 gesehen werden. Die einzelnen Wellenlängenkomponenten der zusammengesetzten, multiplexten Welle werden zu ihren jeweiligen Kopplungseinrichtungen 46 abgelenkt und aus dem planaren optischen Pfad 42 in Faseroptiken 43 eingekoppelt.
Das multiplexende planare Hologramm 44 enthält in einem solchen Fall eine Gruppe von Braggschen Ebenen für jede Wellenlängenkomponente der zusammengesetzten Lichtwelle. Die Gruppen Braggscher Ebenen 45 werden in dem multiplexenden planaren Hologramm 44 durch Fabrikationstechniken nach dem aktuellen Stand der Technik getrennt aufgezeichnet. Jede Gruppe von Braggschen Ebenen mit einem einzelnen planaren Braggschen Gitter in dem planaren Hologramm spricht nur auf eine Wellenlänge der zusammengesetzten, multiplexten Welle an und lenkt diese Wellenlänge des Lichtsignals zu einem diskreten Ort auf dem planaren optischen Pfad 42, so daß sie durch ein diskretes Empfangselement aufgenommen werden kann, wie eine Kopplungsreinrichtung 46 und durch eine Faseroptik 43 zu einem empfangenen VLSI-Chip oder einer Platine geführt werden kann.
Die multiplanare optische Verbindung 49, wie in Fig. 7 gezeigt wird, enthält eine Vielzahl von beabstandeten, parallelen planaren optischen Pfaden, die mit 50, 52, 54 und 56 bezeichnet sind, wobei jede eine Kopplungseinrichtung wie ein TIR oder ein konventionelles Kopplungselement aufweist, welches jeweils darin an Knotenpunkten 51, 53, 55, 57 und 59 angeordnet ist. Lichtwellen können sowohl in der Ebene des planaren optischen Pfads 50, 52, 54 und 56 durch planare Braggsche Volumenhologramme und in der vertikalen Ebene transversal zu diesen planaren optischen Pfaden durch die Kopplungseinrichtung abgelenkt werden. Z.B. trifft die Signallichtwelle 51', die sich von rechts nach links in dem obersten planaren optischen Pfad ausbreitet, nachdem sie in diesem planaren optischen Pfad durch ein planares Hologramm 50' abgelenkt wurde, auf die Kopplungseinrichtung, die darin an dem Knotenpunkt 51 angeordnet ist. Die Lichtwelle wird vertikal abwärts durch den zweitobersten planaren optischen Pfad 52 in die Kopplungseinrichtung, die an dem Knotenpunkt 55 in dem drittobersten planaren optischen Pfad 54 angeordnet ist, geleitet. Die Kopplungseinrichtung am Knotenpunkt 55 lenkt danach die Lichtwelle 51' horizontal nach rechts zur Ausbreitung entlang eines planaren optischen Pfads 54 ab. Zur gleichen Zeit trifft eine Lichtwelle 53', die sich in dem planaren optischen Pfad 52 von links nach rechts bewegt, auf die Kopplungseinrichtung in dem Knotenpunkt 53 und wird vertikal abwärts durch den planaren optischen Pfad 54 zu der Kopplungseinrichtung, die am Knotenpunkt 57 in dem planaren optischen Pfad 56 angeordnet ist, abgelenkt. Danach wird die Lichtwelle 53' durch die Kopplungseinrichtung am Knotenpunkt 57 nach links zur Ausbreitung entlang des untersten planaren optischen Pfads 56 abgelenkt. Außerdem trifft eine Lichtwelle, die von der Laserdiodenquelle 58 aufwärts durch den untersten planaren optischen Pfad 56 und den planaren optischen Pfad 54 unmittelbar über diesem abgestrahlt wird, auf die Kopplungseinrichtung, die am Knotenpunkt 59 in dem planaren optischen Pfad 52 angeordnet ist und wird zur Ausbreitung entlang dieses planaren optischen Pfads nach rechts abgelenkt. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, kann dann eine extrem hohe und flexible Verbindbarkeit durch die optische Verbindung 49 in einem extrem kleinen Raum erreicht werden.
Jede der obigen Ausführungsformen kann durch Benutzung von Optiken und holographischer Herstellungstechnologie nach dem aktuellen Stand der Technik ausgeführt werden. Bezugnehmend auf Fig. 8 wird der elementare Fall der optischen Verbindung mit dem Ziel einer Beschreibung der Physik einer optischen Verbindung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die optische Verbindung, die allgemein mit 62 bezeichnet ist, weist einen planaren optischen Pfad 64 mit einer Quellenkopplungseinrichtung 66, die an der Unterseite des planaren optischen Pfads angeordnet oder damit verbunden ist, einem planaren Hologramm 68 mit dem zugehörigen planaren Gittervektor 69, der in einer vertikal aufwärtigen Form senkrecht zu der Ebene von jeder Braggschen Ebene gerichtet ist, und zwei Ausgangskopplungseinrichtungen 72 und 74 auf.
Eine Signallichtwelle von einer Laserdiode (nicht dargestellt) wird in den planaren optischen Pfad 64 durch eine Kopplungseinrichtung 66 eingekoppelt. Die planare Welle, die die Kopplungseinrichtung 66 verläßt, wird durch einen Wellenvektor und eine Wellenfront 67 gekennzeichnet. Die Lichtwelle, die durch Wellenvektor und Wellenfront 67 dargestellt ist, wird durch das planare Hologramm 68 in eine Richtung abgelenkt, die Wellenvektor und Wellenfront 70 entspricht. Der zweite Wellenvektor und die Wellenfront 71 entsprechen dem nicht abgelenkten Teil der Lichtwelle 67. Die abgelenkte Welle, die sich zu der Kopplungseinrichtung 72 ausbreitet, wird von einer ebenen Welle in eine sphärische Welle umgewandelt und aus dem planaren optischen Pfad 64 durch eine Kopplungseinrichtung 72 ausgekoppelt. Die nicht abgelenkte Lichtwelle, die durch Wellenvektor und Wellenfront 71 dargestellt wird, breitet sich zur Kopplungseinrichtung 74 aus und wird von einer planaren Welle in eine sphärische Welle umgeformt und aus dem planaren optischen Pfad 64 durch eine Kopplungseinrichtung 74 ausgekoppelt.
Der planare optische Pfad 64 ist ein transparenter optischer Standardwellenleiter in einer verlängerten, rechtekkigen Niederquerschnittsform und vorzugsweise aus Glas hergestellt. Seine Dicke beträgt für einen Einzel-Moden-Fall ungefähr 10 um. Das planare Hologramm 68 ist ein Volumenhologramm, welches vorzugsweise aus dichromatischer Gelatine (DCG) hergestellt ist. Wegen dieser dünnen, planaren Struktur der optischen Verbindung ist die Struktur der Wellen, die sich durch den planaren optischen Pfad 64 transversal zu der Ebene eines planaren optischen Pfads 64 ausbreiten, feststehend (bei Annahme eines Ein-Moden-Falls). Mit anderen Worten wird die gewöhnliche dreidimensionale (3-D) Wellenbewegung auf eine planare 2-D Bewegung reduziert, wie es vollständig in T. Jannson, Information Capa- City of Bragg Holograms and Planar Optics, 71 Journal of Optical Soc. of Amer. 342 (1981) beschrieben wird. Nimmt man an, daß die Dicke des planaren optischen Pfads 64 auf mehr als 10 um erhöht wird, wird ein Multi-Moden-Fall dargestellt. In dem letzteren Fall werden viele Wellenleitermoden von dem planaren optischen Pfad akzeptiert. Wenn die Dicke des planaren optischen Pfads auf mehr als 100 um erhöht wird, wird die Modenstruktur kontinuierlich.
Verber et al., 10 Ferroelectronics 253 (1976) and Vahey et al., 139 Signal Processing I.E. 151 (1976) beschreibt zusätzlich die Aufzeichnung von planaren Hologrammen durch die Interferenz von zwei wellenleitergeführten Wellen, wie es während einer Herstellung des planaren Hologramms 68 geschieht. Die Aufzeichnung Braggscher Hologramme in dem Fall einer 2-D ebenen Wellenbewegung wird auch von T. Jannson in Information capacity of Bragg Holograms in Planar Optics, wie oben zitiert, beschrieben. Die Fotochemie und Optiken zur Aufzeichnung von DCG Hologrammen wird in Topics in Appl. Phys., Vol. 20, "Holographic Recording Materials" (H. Smith, Ed. 1977) beschrieben. Wie oben festgelegt, wird jede dieser Referenzen durch Verweis darauf hierin eingeschlossen.
"Braggsche Dicke", TB' ist ein wichtiger Parameter der holographischen planaren optischen Verbindung. Unter der Annahme, daß das planare Hologramm 68 so angeordnet ist, daß es den planaren optischen Pfad 64 füllt, kann die Länge der kürzesten Seite der Begrenzungslinien des planaren Hologramms, vorzugsweise in der Größenordnung von 1 mm bis 1 cm, als die Braggsche Dicke, TB' des Hologrammes betrachtet werden. Wichtig ist, daß die Braggsche Dicke eines konventionellen Braggschen Hologramms durch die Auftragungsdicke des Hologramms und nicht durch die Umfangsgröße bestimmt wird. Die Auftragungsdicke ist bei konventioneller Braggscher Holographie in dem Bereich von 20 um bis 30 um und ist deutlich kleiner als die Umfangsgröße eines planaren Braggschen Hologramms, woraus im konventionellen Fall eine kleinere Braggsche Dicke resultiert. Wie es vollständig in T. Jannson, Information Capacity of Bragg Holograms and Planar Optics, beschrieben wird, bestimmt die Braggsche Dicke zwei Parameter, die wiederum die Zahl der Verbindungen direkt beeinflussen, die die optische Verbindung 62 vorsehen kann. Die zwei Parameter sind Braggsches (Winkel-) Auflösungsvermögen und Wellenlängenauflösungsvermögen des planaren Hologramms 68.
Das Braggsche Auflösungsvermögen wird durch den Braggschen Auflösungswinkel, ΔRB' bestimmt, der der kleinste Winkel ist, der zwischen den Referenzstrahlen während der Aufzeichnung der Gruppen Braggscher Ebenen in dem planaren Hologramm während der Herstellung aufrechterhalten werden muß, um Querkopplung zwischen benachbarten Gruppen Braggscher Ebenen zu vermeiden, die eine unerwünschte Kreuzkopplung zwischen Informationskanälen verursachen. Wie man aus der Beziehung zwischen dem minimalen Braggschen Auflösungswinkel ΔRB und der Dicke eines planaren Hologramms sieht,
muß sich der minimale Braggsche Auflösungswinkel für eine vorgegebene Wellenlänge des Lichts verringern, wenn sich die Braggsche Dicke, TB erhöht.
Für z. B. TB = 1 cm, n = 1,55 (DCG) und
λ = 1 um folgt ΔRB < 10&supmin;&sup4;.
Im Einzelwellenlängenfall bedeutet dies, daß mehr unabhängige holographische Braggsche Ebenen in dem planaren Hologramm 68 aufgezeichnet werden können, wenn sich TB erhöht. Dies erhöht wiederum die Zahl von Verbindungen, die die optische Verbindung zwischen VLSI-Komponenten mit einem Minimum an Kreuzkopplung vorsehen kann. In dem Multi-Wellenlängenfall ist die Verbindbarkeit im wesentlichen durch das Wellenlängenauflösungsvermögen bestimmt, das durch
definiert ist. Für z. B. λ = 1 um, n = 1,55
und Δn = 0,001 folgt Δλ = 0,6 nm.
Der spezielle Fall von Lippman-Bragg Hologrammen wird für beide Gleichungen 1 und 2 betrachtet, um eine Schätzung der Zahl von Verbindungen zu erhalten, die ein planares Braggsches Volumenhologramm in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorsehen kann. Lippman-Bragg Hologramme weisen Braggsche Ebenen auf, die parallel zu mindestens einer Kante des Hologramms sind. Obwohl Gleichungen 1 und 2 speziell für Lippman-Bragg Hologramme gelten, gelten sie näherungsweise für Braggsche Reflexionshologramme im allgemeinen, weil sich in beiden Fällen Winkel- und Wellenlängenauflösungsvermögen erhöht, wenn sich TB erhöht. Zuerst bestimmt der Wirkungsgrad, D, des Hologramms welcher Prozentsatz von Licht, der in das Hologramm eintritt, gebrochen wird. Er wird im Braggschen Fall durch die Kopplungskonstante γ bestimmt; in der Kogelnik's Gleichung angibt,
D = tanh²γ (3)
und
Für einen holographischen Wirkungsgrad von 99% wird 0,99 für D in Gleichung 3 eingesetzt, um γ = π zu erhalten. Einsetzen von π statt γ in Gleichung 4 führt zu der Beziehung
was bedeutet, daß das Produkt aus der Brechungsindexmodulation und Braggscher Dicke geteilt durch die Wellenlänge größer sein muß als 1, um einen extrem hohen Wirkungsgrad in Lippman-Bragg Hologrammen zu erreichen. Wenn Δn abnimmt, kann man bei gegebener Wellenlänge sehen, daß sich T erhöhen muß, um einen hohen Diffraktionswirkungsgrad zu erhalten. Unter der Annahme, daß die 2-D-Braggsche Dicke TB 1000 Mal größer ist als TB in einem konventionellen Braggschen Hologramm, ist die Brechungsindexmodulation 1000 Mal kleiner in dem 2-D-Fall als in dem Freiraum-3-D-Fall. Darum bewirkt eine Abnahme von Δn ein Wellenlängenauflösungsvermögen, welches durch Gleichung 2 definiert ist. Wenn Δn in Gleichung 2 erniedrigt wird, erhöht sich das Wellenlängenauflösungsvermögen, woraus eine Erhöhung der Zahl von Verbindungen folgt, die die optische Verbindung in dem Multi-Wellenlängenfall vorsehen kann.
In dem Einzel-Wellenlängenfall, in dem die Verbindbarkeit durch Gleichung 1 bestimmt ist und in dem Multi-Wellenlängenfall, in dem die Verbindbarkeit im wesentlichen durch Gleichung 2 bestimmt ist und der Wirkungsgrad bei beiden näherungsweise durch Gleichung 5 bestimmt ist, kann man erkennen, daß TB erhöht werden sollte, um die Verbindbarkeit der optischen Verbindung 62 in beiden Fällen zu verbessern. Diese Gleichungen ergeben bis zu ungefähr 1000 Verbindungen für eine optische Verbindung im Einzel-Wellenlängenfall und bis zu ungefähr 1000 Verbindungen für eine optische Verbindung im Multi-Wellenlängenfall. Die Verbindbarkeit fällt in beiden Fällen ab, wenn das planare Hologramm 62 weniger in den planaren optischen Pfad hinein angeordnet ist.
Mit Bezug auf Fig. 9 wird eine optische Reflektionsverbindung 80 gezeigt. Die Verbindung weist einen planaren optischen Pfad 82 und ein planares Bragg-Lippmann Hologramm 84 mit parallelen Braggschen Ebenen 86 auf. Vertikale Projektionen der Braggschen Ebenen 86 sind mit 88 bezeichnet. Man sieht, daß die Schichtdicke des planaren DCG Hologramms gleich der Dicke d, bezeichnet mit 81, des planaren optischen Pfads 82 ist. Mit anderen Worten füllt das planare Hologramm die vertikale Projektion des planaren optischen Pfads.
Der ebene Wellenvektor 90 und die ebene Wellenfront 92, die auf das planare Hologramm 84 treffen, werden durch das planare Hologramm abgelenkt. Die Diffraktion spaltet die ebene Wellenfront 92 in eine ebene Wellenfront 96 und eine Wellenfront 100 mit Wellenvektoren 94 und 98. Die Lichtwelle, die durch einen Wellenvektor 94 dargestellt wird, ist der abgelenkte oder reflektierte Teil der Lichtwelle, die durch Wellenvektor 90 dargestellt wird. Die Lichtwelle, die durch einen Wellenvektor 98 dargestellt wird, ist der durchgelassene Teil der Lichtwelle, der durch Wellenvektor 90 dargestellt wird. Die vertikalen Projektionen der Wellenfront 96, die dem Wellenvektor 94 zugeordnet sind, sind Zickzack- Wellen 102, die von dem planaren Hologramm 84 zurückreflektiert werden. Die vertikalen Projektionen der Wellenfront 100, die dem Wellenvektor 98 zugeordnet sind, werden als Zickzack-Wellen 104 gezeigt, die durch das planare Hologramm 84 durchgehen oder durchgeleitet werden. Die vertikalen Projektionen der ursprünglich einfallenden Wellenfront 92, die dem Wellenvektor 90 zugeordnet sind, sind Zickzack- Wellen 106. Entsprechend zu Fig. 9 sollte betont werden, daß die Braggsche Hologrammdicke, TB, wie sie in Gleichung 5 benutzt wird, nur dann gleich der Länge der kürzesten horizontalen Seite, T, des Hologramms ist, wenn das planare Hologramm die planare optische Pfaddicke d total füllt und nur im Einzel-Modenfall. Wie dem auch sei, in anderen Fällen, in denen TB kleiner T ist, werden sich sowohl Winkel- als auch Wellenlängenauflösungsvermögen gemäß Gleichung 5 verkleinern.
Mit Bezug auf Fig. 10 wird als elementare optische Fan-Out- Verbindung ein holografisches optisches Element (HOE) 108 als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das planare Hologramm 110, welches in dem planaren optischen Pfad 112 angeordnet ist, weist gekrümmte Braggsche Oberflächen 114 auf, die mit Techniken nach dem aktuellen Stand der Technik aufgezeichnet werden. Die gekrümmten Braggschen Oberflächen des planaren Hologramms 110 fokussieren die einfallenden Lichtwellen 116 und lenken sie ab. Der abgelenkte Teil der Lichtwelle 116, der mit 118 bezeichnet ist, wird durch die gewölbten Braggschen Oberflächen 114 fokussiert. Demgemäß sieht die HOE-Ausführungsform der optischen Verbindung nicht nur Fan-Out sondern auch Fokussierung und andere linsenartige Fähigkeiten vor.

Claims

1. Eine optische Verbindung mit einem planaren optischen Pfad (12) für ebene Lichtwellen, mit Eingabe- und Ausgabeabschnitten (16, 16') und einer Braggschen Oberfläche (14), die in dem planaren optischen Pfad zur Diffraktion von Lichtwellen, die im Eingabeabschnitt empfangen werden, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Braggschen Oberflächen durch ein planares Braggsches Volumenhologramm vorgesehen ist, das so angeordnet ist, um Ausgaben in verschiedene Richtungen zu ermöglichen.

2. Eine Verbindung nach Anspruch 1, wobei das Braggsche Hologramm (68) aus dichromatischer Gelatine hergestellt ist.

3. Eine Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der planare optische Pfad (64) aus Glas hergegestellt ist.

4. Eine Verbindung nach Anspruch 1, wobei der planare optische Pfad (82) und das planare Braggsche Volumenhologramm (84) das gleiche optische Material aufweisen und das Material im Bereich des Braggschen Hologramms zusätzlich sensibilisiert ist.

5. Eine Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das planare Braggsche Volumenhologramm (110) gekrümmte Braggsche Oberflächen (114) aufweist, die die Lichtwellen von dem Eingabeabschnitt zum Ausgabeabschnitt fokussieren und ablenken.

6. Eine Verbindung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das planare Braggsche Volumenhologramm (84) Gruppen von Braggschen Ebenen (86) aufweist, die ein Einzel- Wellenlängen-Taktsignal zu diskreten Stellen in dem Ausgabeabschnitt ablenken.

7. Eine Verbindung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das planare Braggsche Volumenhologramm (44) Gruppen von Braggschen Ebenen (45) aufweist, die jede Wellenlängenkomponente des Lichts in einem multiplexten Multiwellenlängen-Lichtsignal zu diskreten Stellen in dem Ausgabeabschnitt ablenken.

8. Eine Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Einrichtung (16) vorgesehen ist, die 3D-Lichtwellen, die im Eingabeabschnitt einfallen, in den planaren optischen Pfad einkoppelt und die 3D-Lichtwellen in ebene Lichtwellen umformt, und eine Einrichtung (16') vorgesehen ist, um die abgelenkten ebenen Lichtwellen an dem Ausgabeabschnitt in 3D- Lichtwellen umzuformen und die 3D-Lichtwellen aus dem planaren optischen Pfad auszukoppeln.

9. Eine Verbindung nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zur Kopplung und Umformung ein Totalreflexionshologramm (28) ist.

10. Eine Verbindung nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zur Umformung und Kopplung ein Totalreflexionshologramm (38) ist.

11. Eine Verbindung nach Anspruch 1, wobei eine Quelle für 3D-Lichtwellen (18) mit dem Eingabeabschnitt funktionsverbunden ist, und eine Einrichtung (20) zur Detektion der abgelenkten ebenen Lichtwellen mit dem Ausgabeabschnitt funktionsverbunden ist.

12. Eine Verbindung nach Anspruch 11, wobei die Signallichtquelle nicht in der Ebene des planaren optischen Pfads angeordnet ist.

13. Eine Verbindung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Einrichtung zur Detektion eine Fotodiode (36) ist.

14. Eine Verbindung nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung zur Detektion nicht in der Ebene des optischen Pfads ist.

15. Eine Verbindung nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14, wobei die Signallichtquelle eine Laserdiode (26) ist.

16. Eine Verbindung nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14 wobei die Signallichtquelle (15) eine LED ist.

17. Eine Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Verbindung in einem System vorgesehen ist, das eine Vielzahl von VLSI-integrierten Komponenten enthält und die Komponenten funktionsmäßig verbindet.

18. Eine optische Verbindungsstruktur mit einer Vielzahl von beabstandeten, parallelen, planaren optischen Pfaden (50), die die Verbindung nach Anspruch 1 aufweist, zur Übertragung von ebenen Lichtwellen zwischen Eingabe- und Ausgabeabschnitten, mit Einrichtungen (50'), die in jeden planaren optischen Pfad zur Diffraktion der ebenen Lichtwellen von dem Eingabeabschnitt zu dem Ausgabeabschnitt eines planaren optischen Pfads angeordnet sind, und zur Diffraktion der ebenen Lichtwellen von der Einrichtung in einem planaren optischen Pfad zu der Einrichtung in einem anderen planaren optischen Pfad.

19. Verfahren zur Ankopplung elektronischer Signale, die durch eine Vielzahl von VLSI-integrierten Komponenten erzeugt sind, mit den Schritten

Umwandlung der elektronischen Signale in Lichtsignale,

Kopplung der Lichtsignale in einen planaren optischen Pfad (12) und Diffraktion der gekoppelten Lichtsignale an einen Empfangspunkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffraktion unter Verwendung eines planaren Braggschen Volumenhologramms (14) durchgeführt wird, welches mit einer Vielzahl von Gruppen Braggscher Ebenen aufgezeichnet ist, und in dem planaren optischen Pfad angeordnet ist, und

daß Lichtsignale aus dem planaren optischen Pfad herausgebeugt werden und in elektronische Signale umgewandelt werden, die zu VLSI-Komponenten (13) geleitet werden.