JP2010535355A

JP2010535355A - 光信号をルーティングするためのシステムおよび方法

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Publication number: JP2010535355A
Application number: JP2010519237A
Authority: JP
Inventors: マイケルタン，; シー−ヤンワン，
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-11-18
Also published as: WO2009017862A1; US20090034906A1; EP2362949A1; KR20100066464A; EP2362949A4; CN101815961A; WO2009017768A1; KR101508619B1; US7499615B2; DE112008002076T5; CN101815961B

Abstract

【要約書】
光信号をルーティングするためのシステムおよび方法が開示される。システムは、導波路の内部を覆う反射コーティング（２１３）を有し、実質的に平行なマルチモードコヒーレント光ビーム（２０８）を誘導するように構成された第１の大きなコアの中空導波路（２０５）を含む。内部反射コーティングを有する第２の大きなコアの中空導波路（２０８）が、結合デバイス（２１０）によって第１導波路に結合される。結合デバイスは、結合デバイスを通るコヒーレント光のビームウォークオフが第１の大きなコアの中空導波路の幅の半分より小さくなるように十分に短い距離の光路を介して、少なくとも一部のコヒーレント光ビームの方向を第１の導波路から第２の導波路に変えるように構成される。
【選択図】図２

Description

回路基板上のコンピュータチップの速度が絶えずより速い速度へと上がっているため、チップ間通信における通信ボトルネックがより大きな問題となりつつある。１つの可能性のある解決策は、高速コンピュータチップを相互接続するのに光ファイバを使用することである。しかしながら、大半の回路基板は多くの層を含んでおり、その製造において１ミクロン未満の許容誤差が要求されることが多い。光ファイバの物理的配置およびファイバとチップの接続は、回路基板製造工程に広範に適合させるには精密度が低くすぎ、余りにも時間がかる。

光信号を回路基板の周囲および基板同士の間でルーティングすることは、複雑さを相当増すことになり得る。したがって、市場向きのチップ間の光学的相互接続は、ブロードバンドデータ転送に必要であるにも関わらず、架空であることが証明されてきた。

本発明の特徴および利点は、一例として本発明の特徴を共に例示する添付の図面と併せて、以下の詳細な記載から明らかであろう。

図１は、シングルモードレーザおよびビームスプリッタに結合された大きなコアの中空導波路の図である。図２は、本発明の一実施形態による、反射内部を有しコリメートレンズと結合デバイスとを備えた大きなコアの中空導波路に結合されたマルチモードレーザの図である。図３ａは、本発明の一実施形態による、部分的に反射するフィルムを備えたビーム窓領域を有する結合デバイスの図である。図３ｂは、本発明の一実施形態による、コヒーレント光の波長より小さいドットを有する金属被覆フィルムを備えたビーム窓領域を有する結合デバイスの図である。図３ｃは、本発明の一実施形態による、アパーチャを有する金属被覆フィルムを備えたビーム窓領域を有する結合デバイスの図である。図３ｄは、本発明の一実施形態による、格子を備えたビーム窓領域を有する結合デバイスの図である。図３ｅは、本発明の一実施形態による、複数の結合デバイスを有する結合バーの図である。図３ｆは、本発明の一実施形態による、バービーム窓を有する結合バーの図である。図３ｇは、本発明の一実施形態による、結合デバイスをスロット内に挿入することができるように所定の角度で切り取られたスロットを備えた大きなコアの中空導波路の図である。図４ａは、本発明の一実施形態による、結合バーに結合された基板上の同一線上の大きなコアの中空導波路のアレイの図である。図４ｂは、本発明の一実施形態による、面外に大きなコアの中空導波路のアレイをそれぞれ有する、ドータボードのアレイに結合された面内の同一線上の大きなコアの中空導波路のアレイの図である。図５は、本発明の一実施形態による光信号をルーティングするための方法を描くフローチャートである。

次に示される例示の実施形態について言及するが、本明細書では同じものを記載するのに特殊な言語が使用される。それでもなお、これにより本発明の範囲を制限することが目的ではないことを理解されたい。

回路基板上のコンピュータチップ間に光学的相互接続を形成するための１つの方法は、回路基板上に形成された光導波路を使用することである。リソグラフィ工程または同様の工程を使用して回路基板上に導波路を形成することができることから、光導波路は、電子機器の相互接続に関して光ファイバ通信より優れている可能性がある。導波路は典型的には、ポリマーおよび／または誘電体など実質的に光透過性の材料を使用して回路基板上に形成される。また、リソグラフィ工程または同様の工程を使用して形成された光導波路は、回路基板上に搭載されない他のタイプの基板上に形成することもできる。例えば光導波路は、１つまたは複数の光導波路を有するリボンケーブルを形成するために、可撓性の基板上に形成することができる。本出願に開示される光導波路は、リソグラフィ工程または同様の工程を使用して基板上に形成される。

このような方法で光導波路を形成することにより、最新の多層式回路基板上で使用するのに必要な物理的許容誤差を有して構築される相互接続を実現することができる。しかしながら、ポリマー、誘電体、および基板に実装された導波路を形成するためにチップおよび回路基板の製作で使用することができる他の材料は典型的に、光ファイバと比べて著しく損失が大きい。当然のことながら、基板に実装された導波路の損失の大きさは、光導波路相互接続の許容を制限する要因の１つである。導波路を構築するのに使用されるポリマーは、センチメートル当たり０．１ｄＢの損失を有し得る。対称的に、光ファイバでの損失は、キロメートル当たりおよそ０．１ｄＢである。したがって、ポリマー導波路は、光ファイバにおける損失と比べて数桁大きな損失を有する可能性がある。

さらに、典型的な導波路は通常、それらが担持するように設計された光の波長に概ね比例する寸法を有するように製作される。例えば、１０００ｎｍの光を担持するように構成されたシングルモード導波路は、１０００ｎｍから５０００ｎｍ（１μｍから５μｍ）の最大寸法を有してよい。このサイズの導波路の接続は、費用がかかり困難であり得る。導波路の形成および接続にかかるコストは、大半の一般的な用途において歴史的にその使用を縮小してきた。マルチモード導波路は、中心領域に関して２０−６０μｍ程のより大きな寸法を有してよい。シングルモードおよびマルチモード導波路は共に、０．０１対０．０２のコアとクラッドの屈折率対比に関しておよそ０．２から０．３の比較的高い開口数（ＮＡ）を有する。開口数は、放出ファイバからのビームの発散量を決定する。したがって、ＮＡが大きくなると、ファイバ同士の分離に応じて脆弱な結合となる。またこれらの導波路を使用して、誘導された光ビームの分割および分岐を実現するのは困難である。本発明の一態様によって、より簡単に他の導波路および光学デバイスと相互接続され、光導波路における損失量を大幅に減少させることができる費用の安いフォトニック誘導デバイスが必要であることが理解される。

ポリマーまたは誘電材料を使用して形成される従来の光導波路に対する実質的な改良は、図１に示されるように、コヒーレント光１０４を誘導するように構成された大きなコアの中空導波路１００を使用することである。大きなコアの中空導波路は、導波路がこれを誘導するように構成されたコヒーレント光の波長の５０から１５０倍程度、またはそれ以上の直径（または幅および／または高さ）を有することができる。大きなコアの中空導波路は、正方形、矩形、円形、楕円形、または光信号を誘導するように構成された何らかの他の形状の断面を有してよい。さらに、導波路が中空であることから、光は基本的に空気中または真空中を光の速度で進む。

図１は、導波路１０６内にシングルモードビーム１０４を放出するレーザ１０２を示す。スプリッタ１０８は、一部の光ビームの方向を変えるのに使用され、これは、直交する導波路１１２への反射ビーム１１４と称される。残りの光は、伝送ビーム１１０と称され、元のビーム１０４として同一方向に継続してよい。シングルモードビームは、導波路の壁の間で跳ね返ることがある。各反射において、相当のビームの損失が発生し得る。

導波路内の損失を減少させる目的で、図２に示されるように、導波路２００の内部を覆うために反射コーティング２１３が付加されてよい。反射コーティングは、理解することができるように、めっき、スパッタリングまたは同様の工程を使用して形成することができる。中空導波路が、ポリマーまたは低い溶解点の他の材料を有する場合、反射コーティングは、スパッタリング、電気めっきまたは熱蒸発など低温工程を使用して付加されてよい。

反射コーティング２１３は、金属、誘電体、またはコヒーレント光の波長で実質的に反射する他の材料のから成る１つまたは複数の層で構成することができる。金属は、その反射率に基づいて選択することができる。チャネルを覆う高い反射率の層が望ましい。例えば反射層は、銀、金、アルミニウム、または何らかの他の金属、あるいは高い反射率の層を形成することができる合金を使用して形成されてよい。あるいは反射層は、選択された波長で実質的に反射する誘導材料の１つまたは複数の層から形成することができる誘電スタックであってよい。反射層が堆積される前に、被覆されない中空のチャネルは、いかなる表面の粗さも完全に滑らかにするために加熱リフローを受ける場合がある。反射層はまた、その蒸着工程において生じる恐れのある反射層内の表面荒さを滑らかにするために、加熱リフローまたは同様の工程を受ける場合がある。また、電解研磨を使用して反射金属面を完全に滑らかにすることもできる。

フォトニック誘導デバイスが気密密閉されない場合、反射コーティング２１３が、経時的に酸化する場合がある。反射コーティングの酸化は、その反射率を大いに低下させるおそれがある。金属コーティングの反射率の低下を減少させるまたはなくすために、保護材として作用するように保護層２１１を反射コーティング上にわたって形成することができる。保護層は、コヒーレント光の波長で実質的に透過である材料を有することができる。例えば保護層は、二酸化けい素、または反射コーティングの上にほぼ気密な接着を形成することができる何らかの他の材料で形成することができる。この保護層はまた、損失の多い反射層から伝播する光をさらに分離することによって伝播損失を減少させる。

反射面を有する中空導波路は、中実の導波路とは作動が異なる。中空導波路は、光ファイバなど中実の導波路で典型的に生じるように、より高い屈折率のコア領域とより低い屈折率のクラッド領域の間の総体的内部反射によってではなく、反射層からの反射によって減衰された総体的内部反射によって光を誘導する原理を利用して作用する。中空導波路内の光は、理解することができるように、総体的内部反射に必要とされるものより浅い角度で反射されてよい。

円形の中空導波路に関して、ＴＥ₀₁モードは、式１によって決定することができるユニット長さ当たりの一定の減衰を有する。

ここで、αは導波路半径であり、ωはラジアンでの光の周波数であり、ω_cはＴＥ₀カットオフ周波数であり、δは光が金属に侵入する深さであり、μは金属の透過性であり、ηは自由空間のインピーダンスである。中空導波路における減衰は、金属壁の有限伝導率に起因する。Ｒ_sは、金属の表面抵抗率であり、以下によって求められる。

ここで、σは伝導率であり、ｆは光の周波数である。Ｒ_sは、ｆの平方根として増加することがわかる。

上記の式（１）から、ＴＥ₀₁モードに関する減衰は周波数の増加と共に低下することがわかる。このモードは高周波数で誘導壁に結合されないという理由で、周波数が大きくなるときの減衰の低下が生じる。また、中空の金属導波路内に存在するより高次のモードもある。しかしながら、これらのモードは、それらが金属壁により結合されるため、極めて損失が大きい（すなわち、それらは、そのより大きな開口数に起因してより多くの反射を受ける）。導波路の曲がりおよび切れ目で、より高次のモードへのモード変換に起因してＴＥ０１モードは減衰される。最低の損失モードは、それが導波路を下方に伝播する際、垂線から急勾配の角度で反射壁に軽く触れるのみであり、その結果、跳ね返りの回数がより少なくなる１セットの光線によって描くことができる。この理由に関して、低損失モードは、従来の導波路と比較して極めて小さい開口数を有する。

理想的には、シングルモードレーザは典型的に、中空導波路にコヒーレント光を誘導するのに使用される。しかしながら、シングルモードレーザは、相対的に高価であり得る。反射内面を有する中空導波路を使用する比較的短距離を通る高いデータレート信号を伝達するのに、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などのより安価なマルチモードレーザが有益であり得ることが分かってきた。例えば、マルチモードレーザは、チップ間および回路基板間の接続で使用される大きなコアの中空の反射導波路内に高いデータレート信号を誘導するのに使用することができる。マルチモードレーザを使用することで、光学的相互接続のコストを有意に減少させることができ、それらの使用によりさらに広範な種類の電子デバイスを相互接続することが可能になる。しかしながら、マルチモードレーザ出力は、大きな角度で伝播するより高いモードの多数の反射に起因して、中空の金属導波路に直接結合される際、有意により大きな損失を生じる場合がある。

マルチモードレーザ２０２から放出されるより高いモードの減衰を克服するために、レーザから放出されたマルチモードコヒーレント光線２０６の経路内にコリメータ２０４を配置することができる。コリメータは、１つのコリメートレンズまたは一連のレンズであってよい。一実施形態において、コリメータは、ボールレンズとして構成することができる。ボールレンズは、反射防止コーティングを有することができる。

コリメータ２０４は、複数の多数のモード、またはレーザ２０２から放出された複数の光線２０６が平行ビーム２０８を形成し、マルチモードが、大きなコアの中空導波路２００内をほぼ平行に進むようにマルチモードビームを平行にするように構成される。マルチモードビームの平行化を使用して、導波路に対してほぼ平行な光線を発射することによってマルチモードレーザを中空の金属導波路の低損失モードに有効に結合し、導波路内に生じる反射の回数をかなり減少させることができる。導波管内に生じる平行ビームの反射は、典型的には導波路壁に対して比較的浅い角度であり、したがって導波管内の反射回数を最小限にし、これにより中空の導波管内の光の減衰を減少させる。

例えば、８５０ｎｍの光のコヒーレントマルチモードビームを、０．０７ｄＢ／ｃｍ程度の損失で、反射コーティングを有する１５０μｍの大きなコアの導波路を介して伝送することができる。導波路を出る光の開口数は、０．０５より小さくなるように決められた。導波路の損失は、そのサイズによって調整することができる。より小さなサイズの導波路は、導波路内の内部反射（跳ね返り）の回数が大きくなることに起因して損失がより大きくなる。したがって、より大きな導波路を使用して損失を減少させることができる。

導波路を通る光路が実質的に直線でない場合、大きな損失が導波路内に生じ得る。導波路内に生じる曲がりまたは曲がり角によって、光が好ましくない回数跳ね返ることになり、かなりの大きさの減衰を生じさせるおそれがある。光信号の経路を異なる方向に定めることができるように、ミラー、スプリッタおよびレンズを使用することができる。例えば、図１を参照されたい。

図１の図において、ビームスプリッタ１０８内で、かなり大きなビームウォークオフが生じ得ることを見ることができる。ビームウォークオフは、中空導波路（空気または真空の屈折率を有する）と１．５の屈折率を有するビームスプリッタとの屈折率の変化によって生じる現象である。ビームは、それがビームスプリッタに進入する際に屈折する。屈折が起こる角度は、導波路とビームスプリッタとの屈折率の差に依存する。ビームウォークオフは、屈折によってビームが進む水平方向の距離である。水平方向の距離は典型的には、光学デバイス、この場合ビームスプリッタの厚みに比例する。ビームウォークオフは、結果として中空の金属導波路内のモードの水平方向の変位となり、より高次のモードの励起に起因して損失が生じることになる。したがって、ビームウォークオフを最小限にすることが重要である。

ビームウォークオフは、比較的小型の導波路を使用する際に大きくなるように見えることがある。例えば、５０μｍの導波路内で、およそ２５０μｍ（１／４ミリメートル）の厚みの比較的薄いビームスプリッタ１０８が使用されるときでさえ、ビームスプリッタ内を進む伝送ビームのビームウォークオフは、７５μｍ程度、すなわち導波路の厚みの１．５倍の水平方向のシフトであり得る。ビームウォークオフの水平方向のシフトを補償するために、導波路は、図１に示されるように、シフトされた導波路１１３を形成するために、導波路を水平方向にシフトさせることができる。しかしながら、ビームウォークオフを補償するために各結合部で水平方向に導波路をシフトさせることは、実質的に製作するのが難しく、コストを大幅に増加させ得る。

図２は、マルチモードレーザ２０２が、マルチモードコヒーレント光ビーム２０６を放出するシステムを示す。マルチモードコヒーレント光ビームは、広がる角度での複数の光線を有する。光線は、先に考察したように、大きなコアの中空導波路２００内で光線を実質的に平行にすることができるようにコリメータ２０４を介して送られる。コリメータは、単一のレンズであってよい。あるいはコリメータは、マルチモードコヒーレントビーム内の光線を実質的に平行にすることができるように構成された複数のレンズで構成されてよい。さらに、ビームの直径は、導波路をアンダーフィルするために上記コリメータによって凝縮されてよい。換言すると、平行ビームは、導波路の直径、幅または高さより小さい直径を有することができる。導波路をアンダーフィルするために平行ビームを凝縮することで、外部モードまたは光線の中空の大きなコアの導波路の内部の反射コーティングとの相互作用を減少させることができ、またより大きな調整不良による許容誤差を許容することが可能になる。

大きなコアの中空導波路２００をアンダーフィルするために平行化され凝縮されたコヒーレントビーム２０８でさえも、ビームの幅または直径は導波路のかなりの部分を満たすことができる。例えば、平行ビームは、導波路の幅の半分より大きな直径を有することができる。マルチモード平行ビームの幅は、シングルモードビームに対して、導波路内のマルチモードビームの調整不良による許容誤差を縮小することができる。

実質的に平行なマルチモードコヒーレント光ビームは、第１の導波路と第２の導波路に光学式に結合された結合デバイス２１０を使用して、第１の大きなコアの中空導波路２０５から第２の大きなコアの中空導波路２０９に方向を変えられてよい。結合デバイスは、光ビームの少なくとも１部の方向を第１の導波路から第２の導波路に変える一方で、残りのエネルギーが、第１の導波路内に残ったままなることを可能にするように構成することができる。本発明の一態様によって、マルチモードの平行な光ビーム２０８を第１の導波路２０５から第２の導波路２０９に結合するのに使用される光路を実現する結合デバイス２１０を形成することができ、この光路は、結合デバイスを通るマルチモードコヒーレント光のビームウォークオフが第１の大きなコアの中空導波路２０５の幅の半分より小さくなるように十分に短いことが見いだされた。

先に考察したように、ビームウォークオフは、結合デバイス内の光の屈折によって生じる導波路内のビームの水平方向の移動である。導波路のかなりの部分を満たす平行マルチモードコヒーレント光の場合、ウォークオフを最小限にすることによって、第２の大きなコアの中空導波路２０９に誘導された反射マルチモードビーム２１４として元のビームの一部を誘導する一方で、元のマルチモードビーム２０８と伝送されたマルチモードビーム２１２に対して単一の導波路を使用することが可能になる。

空気または真空など第１の媒体から、第２の媒体、すなわち結合デバイス内で使用される物質に進む際、ビームの角度がどの位変化するかを決めるために、結合デバイスを通って誘導されるビームの選択された幾何学形状に基づいて、またスネルの法則を使用して、ビームが結合デバイスを通過する際に生じるビームウォークオフの大きさを計算することができる。スネルの法則は、

であり、ここで、ｎ₁は第１の媒体の屈折率であり、ｎ₂は第２の媒体の屈折率であり、θ₁およびθ₂は、第１および第２の媒体の垂線に対するそれぞれのビームの角度である。ビームウォークオフｈは、式

によって得られ、ここで、ｔは、ビームスプリッタの厚みである。

例示の結合デバイス３００が、図３ａに示される。ビームウォークオフを導波路の幅の半分より小さくなるように制限するために、十分薄くなるように結合デバイスを形成することができる。結合デバイスは、基板３０２を含んでよい。基板は、ビーム窓領域３０４を形成するように構成することができる。ビーム窓領域は、中空の金属導波路の断面の最大直径より大きくてよい。コヒーレントビームの一部を伝送しビームの一部を反射することができるように、ビーム窓領域内で多様な異なる手段を使用することができる。例えば、誘電フィルムまたはスタックなどの半透過性フィルム３０６またはフィルム群が基板によって担持され、ビーム窓領域３０４を覆って配置されてよい。フィルムは、コヒーレントビームの所望の一部を伝送し反射するように構成することができる。フィルムは、接着剤によって窓領域を覆って基板に結合することができる。あるいはフィルムは、基板のより大きな部分に結合される、またはその中に埋め込まれてよく、次いで基板は、フィルムを残すようにエッチング除去され、ビームが通過することができる窓領域を形成することができる。

結合デバイス３００は、図３ｇに示される例示の実施形態に示されるように、所定の角度で導波路内の切り取られたスロット３５２を介して大きなコアの中空導波路２００（図２）の中に挿入されてよい。例えば、結合デバイスは４５度の角度で挿入され、接着剤によって導波路および／または基板に固定されてよい。理解することができるように、他のタイプの接合を使用してもよい。

図３ａに戻ると、フィルム３０６、またはビームが通過するフィルムの一部は、フィルムを通るビームのいかなる水平方向のシフトも導波路の幅の半分より小さくなるように十分に薄くなるように形成することができる。しかしながら、フィルムまたは他の方向を変える手段は典型的には、さらにより小さな水平方向のシフトを実現するように構成される。例えば、誘電スタックを構成するフィルムを基板３０２上に形成することができる。次いで、ここを通ってビームを伝送することができるフィルムを含む窓領域３０４を形成するために基板をエッチング除去することができる。誘電フィルムは、所定の厚みを有することができる。例示の一実施形態において、フィルムの厚みは０．５μｍより小さくてよいが、５μｍ以上の厚みを有するフィルムが使用されてもよい。長さ５μｍの光路を有するフィルムに関して、ビームウォークオフは、１．５μｍ程である。５０μｍの幅または直径の導波路において、結合デバイスを通過する際のマルチモードコヒーレント光の１．５μｍの水平方向の移動は、モード損失によってコヒーレント光ビームの全体のパワーを低下させたり導波路内の反射の回数を増やしたりすることはほとんどない。

フィルム３０６は、高屈折率と低屈折率の材料の多重コーティングを備える誘電スタックであってよい。例えば、高屈折率材料と低屈折率材料の３層から７層の交互の層を使用して１つのスタックを形成することができる。多層コーティングは、設計パラメータによって０．４から１．５μｍほどの厚みを有することができる。典型的な高屈折率材料は、およそ２．２の屈折率のセレン化亜鉛または二酸化チタンから成る。典型的な低屈折率材料は、およそ１．３８の屈折率のフッ化マグネシウムである。

他のタイプの結合デバイスを使用することもできる。例えば、図３ｂは、基板３０２、透過フィルム３０８、および透過フィルムを覆う波長より小さい直径の複数のドットを備える金属で被覆されたフィルムを備える結合デバイス３００を示す。ドットは、円形、四方形、矩形、楕円形、または各ドットの主要な寸法が光の波長より短い長さである限り不規則な形状であってよい。ドットの充填要因、すなわちドットによってフィルム領域がどのくらい覆われるかによって、光がどのくらい反射され、どのくらい伝送されるかを一部決定することができる。また反射される光の量は、ドットの反射率に依存する。例えば、ドットは、アルミニウム、銀、金など高反射率の金属で形成されてよい。

一実施形態において、およそ８００ｎｍの波長を有するコヒーレント光ビームを、金属被覆フィルム３０８内に誘導することができる。フィルムは、フィルムを支持するのに使用される基板３０２に結合することができる。基板およびフィルムは、導波路内を進む平行コヒーレントマルチモードビームの一部を反射させる目的で、所望の角度で大きなコアの中空導波路内に配置することができる。フィルムは、５００ｎｍより小さい直径の金属ドットを含んでよい。透明フィルム上のドットの充填要因は、ドットの反射率、および伝送および反射されるビームの量に基づいて構成することができる。透過フィルムは、選択された波長でのその透過性に基づいて、またその屈折率に基づいて選択することができる。比較的低い屈折率のフィルムを使用して角度の変化を減少させ、これにより生じるビームウォークオフの大きさを小さくすることができる。フィルムは、導波路の幅の半分より小さいビームウォークオフによる水平方向のシフトを可能にする一定の厚みを有するように構成することができる。より正確には、フィルムは典型的には、導波路の幅の１／１０より小さいビームウォークオフを可能にする一定の厚みを有するように構成される。

図３ｃに示されるように、アパーチャを有する結合デバイス３００を形成するために、金属被覆フィルム３１３を使用してフィルムのほぼ中心にアパーチャ３１１を形成してもよい。アパーチャは、実質的に透過性であってよく、一方、金属被覆フィルム領域は部分的にまたは実質的に光を通さなくてよい。金属被覆フィルム内のアパーチャは、金属被覆フィルムからより高次のモードを完全にまたは部分的に反射する際、アパーチャ内をより低いモードを通過させるために使用されてよい。アパーチャのサイズおよび形状は、光がどのくらい完全に結合され、どのくらい伝送されるかを決定する。

別の実施形態において、図３ｄに示されるように、格子を有する結合デバイス３００を形成するために基板３０２の窓領域３０４内に溝を構築することができる。図３ａ−図３ｃの例示の図に示されるように、先に記載した結合デバイスと異なり、格子結合デバイスは、コヒーレント光ビームを反射させるのに均一のフィルムに頼らない。むしろ、格子結合デバイスは導波路経路内に配置され、格子面の垂線から９０度で光を反射するように構成される。格子は、窓領域内に構築することができる複数の反射付属物３２２で構成することができる。反射付属物は、機械的強度を与えるために基板３０２に接続することができる。反射付属物は、付属物の間の領域をエッチングすることによって基板を形成することができる。次いで残りの基板付属物は、金属、誘電体、または誘電スタックなど高反射材料によって被覆されてよい。あるいは、付属物は、反射金属またはフィルムなど基板と異なる材料で全体を構築されてよい。

アパーチャを通過する平行なコヒーレントマルチモードビームの一部は、付属物の間の自由空間に進むため、アパーチャを使用する際ビームウォークオフは全く生じない。したがって、伝送されたビームが別の物質を通過する際に生じるように、アパーチャの厚みはビームウォークオフによって制限されない。付属物は、所望の量の光を反射させるのに十分な厚みを有し、好ましいレベルの機械的強度を与えることができる。例えば、付属物は、２０μｍの厚みであってよい。付属物の数および幅は、ビームのサイズおよび所望されるビームの反射量に基づいて選択することができる。

図３ａ−図３ｆに示される結合デバイスは、本発明の例示の実施形態を表す。先に考察した実施形態の組み合わせを表す他の結合デバイス、ならびにコヒーレントビームの一部が別々の方向に反射され、大きなコアの中空導波路の幅の半分より小さい大きさのビームウォークオフでビームの一部を伝送することができる他の実施形態は、本発明の範囲内にあると見なされる。

図３ａ−図３ｆに示される例示の結合デバイスのそれぞれは、所望の量のビームを切り離して第２導波路に結合することができるように、導波路を通過するコヒーレント光ビームに対して所望の角度で大きなコアの中空導波路内に配置することができる。第２導波路は、第２導波路を介して導波路壁と実質的に平行な方向に反射ビームを誘導することができる一定の角度で第１導波路に光学式に結合することができる。反射ビームを導波路のほぼ中心に誘導することにより、マルチモード光における平行な光線からの反射の回数を最小限にすることによって最適な光学パワーを提供することができる。

別の実施形態において、結合デバイスのアレイを形成することができる。例えば、図３ｅは、結合バー３０５を形成するために単一の基板３０２内に形成された複数のビーム窓領域３０４を示す。ビーム窓領域は、図３ａに示されるように部分的な反射フィルム、図３ｂおよび図３ｃに示されるように部分的に金属被覆されたフィルム、図３ｄに示されるように格子、または大きなコアの中空導波路を通って進むコヒーレントビームの一部が部分的に反射され部分的に伝送されることを可能にし、ビームウォークオフが導波路の幅の半分より小さくなるように制限する任意の他の構造体を有してよい。あるいは、図３ｆに示されるように、単一の大きなビーム窓領域３５２を有するバービーム窓領域が基板３０２上に形成されてよい。単一の大きな窓の使用により、結合バーが結合デバイスのアレイ内に挿入される際の許容誤差を小さくすることができる。

一実施形態において、図４ａに示されるように、結合デバイスのアレイまたはバービーム窓領域を含む結合バー３５０を、実質的に同一直線上の大きなコアの中空導波路４３０のアレイ４１０内に挿入することができる。同一直線上の導波路のアレイは、回路基板など基板４２５上に形成することができる。結合バーを挿入することができるように、それぞれの導波路内に収容領域を形成することができる。例えば、各導波路内の４５度の角度のスロット切り込みによって、アレイ内の大きなコアの中空導波路に結合バーを挿入することが可能になる。基板４２５上の導波路に対しておよそ９０度の角度に置かれた第２導波路４４０を介して誘導される反射コヒーレントビームを実現するために、各導波路を通過するコヒーレント光が各結合デバイス内の窓領域から部分的に反射されることを可能にするために、結合バー内の窓領域３０４（または図３ｆのバービーム窓領域３５２）を導波路のアレイと一列に並べることができる。これにより、中空導波路４１０の第１アレイに直交して配置することができる大きなコアの中空導波路の第２のアレイ４３５の配置が可能になる。第２アレイは、光ビームに対して結合バーの角度のおよそ２倍の角度で第１アレイに対して角度を付けて置くことができる。

第１導波路４３０に光学式に結合された第２導波路４４０は、基板４２５上に配置されたアレイ４１０内の各第１導波路に結合することができる複数の導波路を可能にするために、基板４２５の面外に配置することができる。これにより、単一の光信号の方向を複数回変えることが可能になる。例えば、第１導波路４３０に進入する光信号のほんの一部、例えばその１０％は、それぞれの結合部４２２で方向を変えられてよい。一実施形態において、導波路への元々のエネルギー入力のおよそ１０％が、それぞれの場所で方向を変えられるまたは分岐されるように各結合部での結合は増大されてよい。一実施形態において、図４ｂに示されるように、光学的背面４４５を複数のドータボード４２０に光学式に結合されるように構成することができる。光学的背面上に配置された第１導波路アレイ４１０は、各ドータボード上に配置された第２導波路アレイ４３５に結合することができる。

別の実施形態は、図５のフローチャートに示されるように、光信号をルーティングするための方法５００を提供する。方法は、実質的に平行なマルチモードコヒーレント光ビームを、中空導波路の内部を覆う反射コーティングを有する第１の大きなコアの中空導波路に誘導する動作５１０を含む。大きなコアの導波路は、光の波長のおよそ５０倍またはそれ以上の直径（または幅および／または高さ）を有することができる。例えば、コヒーレント光は、８５０ｎｍの波長を有することができる。導波路は、およそ５０μｍの幅を有してよい。導波路は、光の波長の５０倍に限定されない。それは、２５０μｍ以上の直径または幅を有してよい。

方法５００はさらに、結合デバイスによって、光ビームを中空導波路の内部を覆う反射コーティングを有する第２の大きなコアの中空導波路に結合する動作５２０を含む。結合デバイスは、マルチモードコヒーレント光の少なくとも一部を第１導波路から第２導波路に誘導するのに十分な角度で、第１導波路と第２導波路に光学式に結合される。ブロック５３０に記載されるように、結合デバイスを通るマルチモードコヒーレント光のビームウォークオフが第１の大きなコアの中空導波路の幅の半分より小さくなるように、結合デバイスを通る光路が十分に短くなるように、結合デバイスを構成することができる。

また光信号ルーティングシステムを形成する方法も開示される。方法は、中空導波路の内部を覆う反射コーティングを有し、実質的に平行なマルチモードコヒーレント光ビームを誘導するように構成された第１の大きなコアの中空導波路を形成する動作を含む。別の動作は、中空導波路の内部を覆う反射コーティングを有する第２の大きなコアの中空導波路を形成するステップを含む。

第１および第２の大きなコアの中空導波路の所望の結合部で、結合デバイスを挿入することができる。結合デバイスは、少なくとも一部の光ビームの方向を第２導波路に向けるためにマルチモードコヒーレント光ビームの経路に対して選択された角度で挿入することができる。平行マルチモードコヒーレント光ビームの少なくとも一部を、第１の大きなコアの中空導波路から第２の大きなコアの中空導波路に結合することができるように、第１および第２の導波路は結合デバイスに光学式に結合されてよい。第１および第２の導波路は、第２導波路内のコヒーレント光ビームの反射（すなわちより高いモードの励起）を最小限にするように選択された誘導角度で互いに対して配置される。ビームは公平に平行にされるため、この角度は、結合デバイスから第２導波路に鏡面的に反射されたビームに対応する。

１つまたは複数の回路基板上に配置された電子デバイスを相互接続するのに、大きなコアの中空導波路を使用することができる。電子デバイスは、光導波路を介して伝送されるように、光学出力に変換される電気出力および入力を有することができる。あるいは電子デバイスは、変換する必要なしに、光信号を伝送および受信する光学デバイスであってよい。導波路の内部に反射コーティングを有する大きなコアの中空導波路は、中実の導波路に対して、導波路を介して誘導される光信号の損失をかなり減少させることができる。中空導波路の内部の反射コーティングは、導波路内の光信号の反射によって生じる損失を最小限にすることができる。

シングルモードレーザは典型的に、反射を最小限にするために中空導波路と併用して使用される。しかしながら、平行な光線を有するマルチモードコヒーレント光源を提供するために、マルチモードレーザをコリメータと組み合わせることが判明した。マルチモードレーザの使用は、製造コストを大幅に削減することができる。

平行マルチモードコヒーレント光ビームは、大きなコアの中空導波路のかなりの部分を満たすことができる。ビームは、導波路とマルチモードレーザビームの接触を最小限にして反射の回数を減少させるために、導波路のほぼ中心に向けられてよい。ビームの一部は、結合デバイスを使用して隣接する導波路内に方向を変えることができる。ビームウォークオフを最小限にするために、結合デバイスを通るマルチモードコヒーレント光のビームウォークオフが第１の大きなコアの中空導波路の幅の半分より小さくなるように、結合デバイスを通る光路が十分に短い結合デバイスを使用することができる。

このような結合デバイスによって、ビームが結合デバイスを通って進む際のビームウォークオフを補償するために、導波路をシフトさせる必要なしに、マルチモード信号の方向を隣接する導波路に変えることを可能にすることができる。導波路をシフトさせる必要なしに少なくとも一部のマルチモードビームの方向を変えることができるため、有意に削減されたコストで光学的相互接続を製作し形成することが可能になる。

上記の例は、１つまたは複数の特定の用途における本発明の原理の例示であり、独創的な技能を発揮することなく、また本発明の原理および概念から逸脱することなく、形態、使用法および実装の詳細において多くの修正を行うことができることは当業者には明白であろう。したがって、本発明は、以下に記載される特許請求の範囲による限定以外は、限定されることを目的としない。

Claims

光信号をルーティングするためのシステムであって、
第１の中空導波路の内部を覆う反射コーティングを有し、実質的に平行なマルチモードコヒーレント光ビームを誘導するように構成された第１の大きなコアの中空導波路と、
第２の中空導波路の内部を覆う反射コーティングを有する第２の大きなコアの中空導波路と、
前記第１導波路と第２導波路に光学式に結合され、前記マルチモードコヒーレント光ビームの少なくとも一部の方向を前記第１導波路から前記第２導波路に変えるように構成された結合デバイスとを備え、
前記結合デバイスを通る前記マルチモードコヒーレント光のビームウォークオフが、前記第１の大きなコアの中空導波路の幅の半分より小さくなるように前記結合デバイスを通る光路が十分に短いことを特徴とするシステム。
前記結合デバイスを通る前記マルチモードコヒーレント光のビームウォークオフが、前記第１の大きな中空の導波路の幅の１／１０より小さくなるように、前記結合デバイスを通る光路が十分に短い距離であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記結合デバイスが、ビーム窓領域を有する基板を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記ビーム窓領域をほぼ覆う半透過性フィルムをさらに備え、
前記半透過性フィルムを通過する前記マルチモードコヒーレント光のビームウォークオフが、前記第１の大きなコアの中空導波路の幅の半分より小さくなるように十分に距離が短い、前記半透過性フィルム内を通る光路を提供する一定の厚みを前記半透過性フィルムが有することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
前記ビーム窓領域をほぼ覆うように構成された金属被覆フィルムをさらに備え、
前記金属被覆フィルムが、前記コヒーレント光ビームに対して実質的に透過性のフィルムを備え、前記実質的に透過性のフィルムの一部を覆う複数の金属ドットをさらに備え、
前記ドットが、前記コヒーレント光ビームの波長より小さい主要な寸法を有し、前記実質的に透過性のフィルムが、前記実質的に透過性のフィルムを通過する前記マルチモードコヒーレント光のビームウォークオフが前記第１の大きなコアの中空導波路の幅の半分より小さくなるように十分に短い、前記実質的に透過性のフィルムを通る光路を提供する一定の厚みを有することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
アパーチャ領域内の前記コヒーレント光の少なくとも一部を伝送し、前記アパーチャ領域外の前記コヒーレント光を反射するように構成された、前記金属被覆フィルム内に実質的に透過なアパーチャをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
前記ビーム窓領域をほぼ覆うように構成された格子結合デバイスをさらに備え、
前記格子結合デバイスが、光を反射するように構成された複数の反射付属物を備え、
光を伝送するように構成された開口領域によって各反射付属物が分離されることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
前記結合デバイスが、バービーム窓領域を有する結合バーをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
前記結合バーが、面内に配置された実質的に同一直線上の大きなコアの中空導波路の第１アレイに光学式に結合されるように構成されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
前記第１アレイの面外に配置され、前記結合バーに光学式に結合された実質的に同一直線上の大きなコアの中空導波路の第２アレイをさらに備え、
前記第１アレイ内の各導波路が、前記結合バー内の前記バービーム窓領域を介して前記第２アレイ内の導波路に光学式に結合されることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
光信号をルーティングするための方法であって、
実質的に平行なマルチモードコヒーレント光ビームを、第１の大きなコアの中空の導波管の内部を覆う反射コーティングを有する第１の大きなコアの中空導波管に誘導し、
結合デバイスによって、前記光ビームを第２の中空導波路の内部を覆う反射コーティングを有する第２の大きなコアの中空導波路に結合することを含み、
前記結合デバイスが前記第１および第２導波路に光学式に結合され、前記マルチモードコヒーレント光ビームの少なくとも一部の方向を前記第１導波路から前記第２導波路に変えるように構成され、
前記結合デバイスを通る前記マルチモードコヒーレント光のビームウォークオフが前記第１の大きなコアの中空導波路の幅の半分より小さくなるように前記結合デバイスを通る光路が十分に短いことを特徴とする方法。
前記結合デバイスによって、前記コヒーレント光ビームを前記第２の大きなコアの中空導波管に結合することをさらに含み、
前記結合デバイスが、ビーム窓領域を有する基板を備え、
前記ビーム窓領域が、半透過性フィルム、誘電フィルム、誘電スタック、前記コヒーレント光の波長より小さい主要な寸法を有する金属ドットを備えた金属の被覆を有する金属被覆フィルム、金属被覆フィルムアパーチャおよび格子結合デバイスから成る群から選択されたビームの方向を変えるデバイスを含むことを特徴とする請求項１１に記載の方法。