TW201403154A - 光學混洗技術 - Google Patents

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TW201403154A TW102121776A TW102121776A TW201403154A TW 201403154 A TW201403154 A TW 201403154A TW 102121776 A TW102121776 A TW 102121776A TW 102121776 A TW102121776 A TW 102121776A TW 201403154 A TW201403154 A TW 201403154A
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Abstract

此處描述光學混洗的相關技術。於一實施例中，描述混洗複數個光束之系統。該系統包括複數個光源以輸出個別光束。該系統進一步包括複數個接收器以接收個別光束。該系統進一步包括一混洗總成包括複數個次波長光柵(SWG)區段。該等複數個SWG區段各自係用以界定複數個光束之光徑。該等複數個SWG區段包括至少一個反射SWG區段以反射與導向來自該等複數個光源中之個別一者的光朝向該等複數個接收器中之個別一者。

Description

光學混洗技術
本發明係有關於光學混洗技術。
發明背景
許多申請案係有關發送與接收相當大量資料。根據使用光傳輸資料的技術乃提供高網路頻寬的方便選項。有多種裝置使用光以傳輸資料。
網路化設備可含有透過光纖耦接至同等大量光接收器的大量光源。光源諸如光引擎可經由光纖而耦接至光接收器。
經常期望交換或「混洗」在一多光纖連接器中載於光纖的該等光信號。此項工作常見係藉物理分開或「斷開」個別光纖與一個連接器，及重新路徑安排光纖成為於一或多個額外光連接器的不同組態。例如，於刀鋒式電腦系統中，可能期望將信號從一個處理器的輸出路徑安排至二或多個開關之輸入以提供冗餘。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種用以混洗複數個光束之系統包含複數個光源以輸出個別光束；複 數個接收器以接收個別光束；一混洗總成包括複數個次波長光柵(SWG)區段，該等複數個SWG區段各自係用以界定複數個光束之光徑；及其中該等複數個SWG區段包括至少一個反射SWG區段以反射與導向來自該等複數個光源中之個別一者的光朝向該等複數個接收器中之個別一者。
100、200、300、400‧‧‧光混洗系統
102a-102d、302、502a-b‧‧‧光束
104a-104d、202、304a-h‧‧‧光源
106a-106d‧‧‧輸入波導、通道
108a-108d、204、308a-h、310a-d、312a、506、508‧‧‧接收器
110a-110d‧‧‧輸出波導、通道
112、210、314、316、510、600‧‧‧SWG總成、SWG層
112a-112d、222、316-326、422、522-528‧‧‧SWG區段
230a-d‧‧‧光源群集
240a-240d‧‧‧接收器群集
242、402、410‧‧‧平面薄片
306‧‧‧輸入連接器
306a-h、328a-h、330a-d、332a‧‧‧通道
328、330、332‧‧‧輸出連接器
314a-f‧‧‧SWG元件
504‧‧‧軸
550‧‧‧致動器
552、554‧‧‧箭頭、方向
601-603‧‧‧光柵次圖樣
604‧‧‧端視圖
606-609、702-705‧‧‧線
701‧‧‧基體
712、714‧‧‧光波
802‧‧‧入射波前
804‧‧‧反射波前
900‧‧‧SWG區段
902、912‧‧‧光柵層
904、914‧‧‧焦點
1000‧‧‧流程圖
1010-1040‧‧‧方塊
1100‧‧‧計算裝置
1102‧‧‧處理器
1104‧‧‧顯示器
1106‧‧‧設計工具介面
1108‧‧‧網路介面
1110‧‧‧電腦可讀取媒體
1112‧‧‧匯流排
1114‧‧‧作業系統
1116‧‧‧網路應用程式
1118‧‧‧SWG圖樣化應用程式
為了更明確瞭解本文揭示，將參考下列圖式描述多個實施例。
圖1示意地顯示包括光學混洗系統之一實施例的一環境之透視圖。
圖2示意地顯示依據另一個實施例光學混洗系統的等角視圖。
圖3示意地顯示包括光學混洗系統之另一實施例的一環境之透視圖。
圖4示意地顯示依據另一個實施例光學混洗系統的等角視圖。
圖5A示意地顯示依據實施例由一SWG區段反射的光束之略圖。
圖5B及5C示意地顯示依據實施例通過SWG區段透射的光束之略圖。
圖5D示意地顯示依據實施例其中光束之方向的改變方式之略圖。
圖6示意地顯示依據實施例一SWG區段的頂視平面圖。
圖7示意地顯示依據實施例在操作中的二分開光柵次圖樣。
圖8示意地顯示依據實施例在操作中的二分開光柵次圖樣。
圖9A及9B示意地顯示在操作中的SWG區段之側視圖。
圖10顯示一流程圖例示說明光學混洗系統的製作方法之實施例。
圖11顯示計算裝置之實施例的示意代表圖，該計算裝置可用以從事圖10描繪之方法中的若干操作。
詳細說明
於後文中，陳述無數細節以供瞭解此處揭示之實施例。但須瞭解可無此等細節而具現該等實施例。又復，於後文詳細說明部分中參考附圖，其中係顯示多個實施例以供例示說明。雖然舉例說明有限數目的實施例，但須瞭解可從其中做出無數修正及變異。
就此方面而言，方向術語諸如「頂」、「底」、「前」、「後」、「左」、「右」、「縱向」等係參考所描述的圖式之方向性使用。由於所揭示的組件可定位於多個不同方向，故方向術語係用於例示說明目的而絕非限制性。於附圖中，各層及各區的尺寸以及某些表面角度係經誇大以求例示說明的清晰。相似的元件符號係用於各幅圖間之相似及相對應的部件。
此外，須瞭解圖式中例示說明的系統並非照比例繪製，反而係繪製成明白地顯示此處例示說明之系統的各個組件間之關係。
雖然舉例說明有限數目的實施例，但須瞭解從其中可有無數修正及變異。
如前文陳述，經常期望切換或「混洗」光信號。於有些系統中，混洗可產生攜載資料的光信號之極為緊密集合的複雜路由。在電腦及開關箱內部可能遭遇此等複雜路由之實施例。一種系統架構可由印刷電路板(PCB)集合插入一底板或一中間平面組成。此等複雜路由的其它實施例可遭逢於刀鋒型伺服器間之通訊，其可由一開關集合管理，該等刀鋒型伺服器中之多者或全部係連結至該開關集合。
於某些光通訊系統中，光學混洗的路徑安排及管理係透過光纖體現。光連結可藉接線線纜體現，該線纜將一連接器中的多個光纖分開成光纖小組，及個別光纖以路徑安排信號至特定位置。舉例言之，於某些光通訊系統中，接線盒及接線板用以產生期望的纜線路由圖樣。舉例言之，多光纖光連接器可插入附接至該接線盒的一連接器內。於該盒內，數根或個別光纖可從該輸入連接器分開及路由至該盒內的其它連接器。個別光纖可安排路徑返回該輸入連接器上的另一位置。該等光纜的設置可實質上促成使用光連結而建構特定系統的費用。
於針對光通訊的其它系統中，光學混洗的路徑安 排及管理係透過透鏡陣列體現，該等透鏡陣列係可用以準直及偏向光信號用於自由空間移轉入第二透鏡及連接器總成。透鏡陣列可能價格昂貴而功能有限，在於某些情況下，透鏡陣列可能無法體現複雜混洗。又復，透鏡可能導致龐大設計而可能導入光學損耗。
設計與堆積混洗系統的過程成本可能昂貴。又，至少於某些情況下，設計與堆積可能不適用於自動化。最後但非最不重要地，混洗系統也龐大而耗用寶貴的空間。於許多系統中諸如電腦或開關箱內部，空間可能是首要考慮因素。
此處多個實施例係有關於混洗複數個光束，使得來自複數個來源中之個別一者的光係被反射及導向朝向複數個接收器中之個別一者。此處實施例體現利用組配以反射光的次波長光柵(SWG)而體現此種混洗。反射SWG區段有助於在體現混洗時的彈性而不有損成本及/或空間。又，反射SWG區段有助於執行混洗，其中來源及接收器係在該混洗系統的同側，例示說明於容後詳述之實施例。
次波長光柵(SWG)係指一光柵，其包括一繞射光柵，具有間距夠小以遏止全部繞射，但零級繞射除外。相反地，習知波長繞射光柵其特徵為具有一間距，該間距夠高以感應更高級的入射光繞射。換言之，習知波長繞射光柵將光分束成於不同方向行進的數個光束及繞射該光束。SWG區段如何修正一入射束及其光徑可在製造時藉由適當選擇SWG的物理參數決定，及更明確言之，選擇其繞射元 件(例如脊寬度、脊厚度、及脊週期間距)的尺寸決定。
於章節組配次波長光柵容後詳述，SWG區段可經配置以控制波前以預定方式入射於其上。更明確言之，具有非週期性次波長圖樣的光柵可經組配以提供任意相位波前在該衝擊束上。藉此可實現一任意繞射或折射元件。使用SWG的波前控制藉含括一或多個SWG層以執行特定波前控制功能可在此處描述的裝置實現SWG。
SWG區段可經組配以偏轉一入射波前以改變其行進方向。更明確言之，SWG可經組配以特定輸出波前形狀而反射入射光。SWG可經組配以特定輸出波前形狀而發射入射光。可以SWG體現的進一步功能包括將一入射波前分束成光譜成分，或過濾一入射波前的特定光譜成分。又復，用於波前控制的此等SWG層可組合經組配以準直、聚焦、或擴大受控制的波前之SWG層。
於後文詳細說明部分中，「光」一詞係指電磁輻射，具有波長在電磁頻譜的可見光及不可見光部分，含電磁頻譜的紅外光及超紫外光部分。「波前」一詞係指在一光束中具有相同相位的多點位置(亦即一線，或波係在三維傳播時，一面)。「堆疊體」一詞係指SWG層的有序堆。隔件可插置在一堆疊體的SWG層間。須瞭解當一層或一膜係指稱為或顯示為在二層或二膜「間」時，其可為該等二層或二膜間的唯一層或唯一膜，或者也可存在有一或多個中間層或中間膜。
混洗系統：後文中描述的光學混洗系統係供例示 說明用以混洗複數個光束之寬廣多種可能配置的若干實施例，其中複數個SWG區段中之至少一者係用以反射及導向複數光束中之一者朝向一特定方向。但須瞭解光學混洗系統涵蓋並不限於實施例中舉例說明的該特定混洗架構。光學混洗系統涵蓋適用於特定光學連結應用的任何混洗架構。
圖1顯示一環境的透視圖，其中例示說明欲混洗複數個光束102a至102d(各個個別光束係以一特性線圖樣舉例說明)的光學混洗系統100之一實施例。系統100包括輸出個別光束102a-102d的光源104a-104d。光源104a-104d係光耦合輸入波導106a-106d以輸出由該等波導所載的光信號(圖中未顯示)至系統100。
系統100進一步包含多個接收器108a-108d以接收個別光束。接收器108a-108d係與光源104a-104d分開。接收器108a-108d光耦合至輸出波導110a-110d而將由輸入波導106a-106d所載的光信號(圖中未顯示)輸入輸出波導110a-110d。
系統100進一步包含混洗總成112。混洗總成112包括SWG區段112a-112d。SWG區段112a-112d係經組配來界定光束102a-102d的光路徑。
依據此處揭示的至少若干實施例，混洗系統包括組配以反射光的SWG區段。於圖1例示說明之特定實施例中，SWG區段112b及112d係為反射SWG區段，其於系統100之操作中反射且導引光從光源106b、106d之個別者朝向接 收器108b、108c的個別者。
依據此處揭示之至少若干實施例，一混洗系統可包括至少一個發射SWG區段以朝向特定方向發射光。於圖1例示說明的特定實施例中，SWG區段112a及112c為發射SWG區段，在系統100的操作中，發射來自輸入波導106a、106c中個別一者的光朝向接收器108a、108c中之個別一者。
雖然未顯示於圖1，須瞭解系統100可進一步包含針對前述機械式支承與定位元件的元件。更明確言之，系統100可包括罩住所描繪的元件及透過複數個機械鏈路支承所描繪的元件之一機殼。
「光源」一詞係指部分混洗系統經組配以光耦合至一輸入波導(例如輸入波導106a-106d中之任一者)，或任何其它元件經組配以將光輸入光源，例如光引擎(例如豎腔表面發射雷射)。「接收器」一詞係指部分混洗系統經組配以接收來自光源的光。概略言之，接收器係光耦合至一輸出波導(例如輸出波導110a-110d中之任一者)。光源及接收器可包含一開口或透明材料，於操作中係分別地光對齊用於光傳輸的輸入元件及輸出元件。光源及接收器可包含光學元件，諸如透鏡或SWG部分用以修正貫穿其中傳輸的光波前。更明確言之，此等光學元件可準直、聚焦、或偏向貫穿其中傳輸的光。
如此處使用，波導一詞係指經組配以攜載光信號的光學元件。波導包括但非僅限於光纖、介電厚塊波導、條狀波導、或肋狀波導。介電厚塊波導可包含具有不同介 電常數的三層材料，該材料可經選擇使得光係藉總內部反射而被侷限在中層。條狀波導可包含一光導層侷限在包絡層間的一長條。於肋狀波導中，光導層係由一厚塊有一長條(或數個長條)疊置其上組成。
容後詳述，SWG區段可有多個物理參數(例如脊間隔、脊寬度、脊厚度等)經選擇而造成衝擊其上的特定相移變化。更明確言之，此等物理參數可經選擇使得特定SWG區段係以預定方式促成該混洗。
SWG圖樣可設計成在特定SWG區段(例如SWG區段112b、112d)以預定空間模式反射光。於此處揭示之至少若干實施例中，一反射SWG區段係由多個脊形成，該等脊具有脊寬度、脊厚度、及脊週期間隔選用以控制在光束不同部分的相位變化，使得光束係藉該反射SWG區段而於一特定方向反射，如於隨後章節容後詳述。
SWG圖樣也可設計成橫跨特定SWG區段以預定空間模式透射光，且由特定SWG區段(例如SWG區段112a、112c)導向。於此處揭示之至少若干實施例中，一透射SWG區段係由多個脊形成，該等脊具有脊寬度、脊厚度、及脊週期間隔選用以控制在光束不同部分的相位變化，使得光束係藉該透射SWG區段而朝向一特定方向透射，如於隨後章節容後詳述。
如從圖1可瞭解，SWG總成的不同SWG區段可經組配以不同方式修正輸入光束的光徑以體現混洗。於此處揭示之至少若干實施例中，於一混洗總成中複數個SWG區 段中之至少二者具有相對於彼此不同的脊寬度、脊厚度、或脊週期間隔，以導引光束進入相對於彼此之不同方向。雖然SWG區段112a-112d於圖1係顯示為在總成112中離散式地形成，但須瞭解二或多個SWG區段可在如此處描述的SWG總成上連續地形成，各個SWG區段體現不同混洗功能(例如一個用於反射光，另一個用於透射光)。
依據若干實施例，光混洗系統可構成多光纖光混洗系統的一部分。舉例言之，參考圖1中之實施例，通道106a-106d中之至少一者、通道110a及110c、或通道110b及110d可個別地組成在三不同多光纖連接器中之個別光纖。舉例言之，混洗系統100可體現一輸入多光纖(通道106a-106d)與二輸出多光纖間的混洗：一第一輸出多光纖(具有通道110a及110c)、及一第二輸出多光纖(具有通道110b及110d)。
如從圖2可瞭解，依據此處實施例的光混洗系統可體現多維混洗。換言之，光源與接收器並不共面。依據一個實施例，圖2顯示光混洗系統200之等角視圖。混洗系統200包括多個光源202及多個接收器204，係相對於彼此呈隔開關係。混洗系統200也包括在光源202與接收器204間的一混洗總成210。
複數個SWG區段222係描繪為形成於混洗總成210。透過任何適當機械支承件的使用，混洗總成210可維持於相對於光源202及接收器204的實質上固定位置。混洗總成210可連結至致動器(圖中未顯示)，其係用以變更混洗 總成210相對於光源202及接收器204的位置。變更混洗總成的位置之致動器將就圖5D容後詳述。
光源202係描繪成配置成複數個光源群集230a-230d，及接收器204係描繪成配置成複數個接收器群集240a-240d。依據一實施例，含在一特定光源群集的光源202包括針對一特定裝置(圖中未顯示)的光源，及含在一特定接收器群集240的接收器204包括針對另一特定裝置(圖中未顯示)接收器。接收器群集240c及240d係設置於光源群集230a-230d的同側。
如從圖2可知，混洗總成210包括一實質上平面材料薄片242，其中SWG區段222係以二維陣列配置。平面薄片242可方便地使用光刻術製造，容後詳述。須瞭解薄片242為實質上平面，其平面性係限於其製造上使用的特定技術的製造容差。至少部分SWG區段222係經組配以反射SWG而協助在混洗總成200同側的光源與接收器間，及更明確言之，光源群集230a-230d與接收器群集240c及240d間之混洗。
混洗系統以在光源與接收器間混洗的又一實施例係就圖3例示說明。圖3例示說明SWG總成如何可精簡地體現多個混洗功能。圖3例示說明其中包括一光混洗系統300的環境。混洗系統300係混洗一光束302集合。混洗系統300包括光源304a-304h、接收器308a-308h、310a-310d、312a，及由混洗元件314a-314f組成的混洗總成314。混洗元件各自包括組配以體現光源與接收器間混洗的SWG區段316、318、320、322、324、326。
如於圖式可瞭解，複數個SWG區段之一部分可配置於一光混洗系統的第一側，而複數個SWG區段之另一部分可配置於一光混洗系統的第二側。第二側係與第一側相對。於圖3之特例中，SWG區段316、318、及320係在系統300的A側，而SWG區段322、324、及326係在系統300的B側。由後文詳細說明部分將可瞭解，將SWG區段置於相對兩側有助於混洗功能的分集。此外，組合配置於相對兩側及反射SWG進一步輔助執行混洗，其中光源及接收器係在該混洗系統的同側。
混洗系統302係依據一特定混洗圖樣耦合來自一輸入連接器306的通道306a-306h之光信號至輸出連接器328、330、及332的通道。輸入連接器306的通道306a-306h係攜載個別光信號。攜載此等光信號之光束302係從通過光源304a-304h的輸入連接器之通道輸出進入混洗系統300。
如於圖式中例示說明，混洗系統300直接地耦合來自光源304a-304h的光信號進入接收器308a-308h。接收器308a-308h將此等光信號耦合入連接器328的通道328a-328d。
混洗系統302係進一步廣播來自通道306e的光信號進入通道328e-328h。如圖例示說明，於混洗元件314d的SWG區段322係經組配以將衝擊光束分裂成四道不同光束。SWG區段322係光對齊光源304e及接收器308e-308h以體現混洗系統300的此種廣播功能。接收器308e-308h耦合光信號至連接器328的通道328e-328h。
混洗系統302係進一步耦合來自在連接器306的通道306f及306g的光信號至在連接器330的通道330a及330b。連接器306及330係在混洗系統300的同側(A側)。此等光信號的混洗係藉三個不同SWG區段的協作體現：從光源304f及304g發射的光射由在SWG元件314a的SWG區段316朝向在SWG元件314e的SWG區段324偏向；SWG區段316反射來自SWG區段316的光束朝向在SWG元件314b的SWG區段318；SWG區段318準直來自SWG區段324的光束進入接收器310a、310b。接收器310a-310b耦合光信號至於連接器330的通道330a及330b。
混洗系統302係進一步廣播來自連接器306通道306h的光信號至於連接器330的通道330c及330d及於連接器332的通道332a。連接器330與連接器332係在混洗系統300的相對側。此等光信號的混洗係藉三個不同SWG區段的協作體現：從光源304h發射的光射由在SWG元件314a的SWG區段316朝向在SWG元件314f的SWG區段326偏向；SWG區段316反射來自SWG區段316的光束朝向在SWG元件314C的SWG區段320，及發射與準直光束之另一部分進入接收器312a；SWG區段320將來自SWG區段326的光束分束成二個別光束，光束準直至接收器310c、310c。接收器312a耦合光信號至通道332a，及接收器310c-310d耦合光信號至在連接器330的通道330c及330d。
於此處若干實施例中，一種混洗總成包括(i)一第一實質上平面材料薄片其中至少複數個SWG區段的一第一 部分係形成為排列成二維陣列，及(ii)一第二實質上平面材料薄片其中至少複數個SWG區段的一第二部分也係形成為排列成二維陣列。此等實施例係就圖4例示說明。
圖4顯示依據另一個實施例一種光學混洗系統400之等角視圖。混洗系統400包括排列成複數個光源群集230a-230b的光源202，及排列成複數個接收器群集240a-240f的接收器204(此等元件係於前文就圖2例示說明)。接收器群集240e-240f係排列在混洗系統400的與光源群集230a-230b同側(A側)。
混洗系統400進一步包含一第一實質上平面材料薄片402其中至少複數個SWG區段422的一第一部分係形成為排列成二維陣列。於該具體實施例中，SWG區段422之第一部分係組配成發射SWG區段，以發射來自光源群集230a-230b的光信號朝向SWG之第二部分，或耦合光信號至接收器群集240e-240f。SWG區段422之第二部分的SWG可體現其它光學功能，諸如聚焦、偏向、或準直以體現特定混洗方案。
混洗系統400進一步包含一第二實質上平面材料薄片410其中至少複數個SWG區段422的一第二部分係形成為排列成二維陣列。SWG區段422中之至少部分係經組配反射SWG以輔助在混洗總成400同側的光源與接收器間之混洗，及更明確言之，光源群集230a-230d與接收器群集240e及240f間之混洗。SWG區段222的另一部分可經組配為發射SWG，或體現若干其它光學功能諸如聚焦、偏向、或準直 以體現特定混洗方案。
雖然SWG區段222、422已經描繪為形成於個別平面薄片210、410上的離散位置，須瞭解平面薄片的額外區段可由SWG區段形成而不背離如此處揭示的光學混洗系統之範疇。如此，舉例言之，實質上一平面薄片的全部表面積，例如大於約75%的表面積可包括SWG。
圖5A顯示其中SWG區段522將沿SWG區段522之傳播的光束502a反射成偏離軸504的光束502b的一種方式實例。
圖5B顯示一種方式實例，當從左至右觀看時，SWG區段524將來自接收器506的光束502a準直成為沿SWG區段524之軸504的光束502b。同理，圖5B描繪之略圖當從右至左觀看時，也描繪一個實施例其中SWG區段524將光束502b聚焦至沿軸504的接收器508。
圖5C顯示一種方式實例，當從左至右觀看時，SWG區段526將來自光源506的光束502a準直成為光束502b，且改變其方向使得光束502b係偏離SWG區段112之軸504。同理，圖5C描繪之略圖當從右至左觀看時，也描繪一個實施例其中SWG區段526將光束502b聚焦成光束502a，且改變其方向使得光束502a沿軸504傳播而傳播至接收器508上。
依據此處揭示之至少若干實施例，至少複數個SWG區段的一部分係相對於光源移動以變更複數個光束的個別光徑。參考圖5D，SWG總成510包括一反射SWG區段 528可附接至一致動器550以於一或多個特定方向移動SWG總成510，如箭頭552標示。SWG區段528係將輸入發散光束502a反射成於特定方向傳播的平行光束502b。SWG總成510的移動通常造成反射光束502b的方向變更，如箭頭554標示。如此，如圖5D描繪的光束502b可於由箭頭552、554指示的方向中之任一者或二者移動，造成由光束132a所載之光信號耦合入混洗系統中接收器104中之不同者。同理，致動器可附接至包括一發射SWG區段的SWG總成，以控制其中經由該SWG區段發射的一光束耦合的接收器。致動器550可包含例如編碼器、微機電系統(MEMS)、或任何其它適用以致動SWG總成510的元件。
依據若干實施例，當活動式SWG區段係於第一位置時，從複數個光源發射的光束可被導向至複數個接收器之第一子集；及當活動式SWG區段係於第二位置時，來自複數個光源的光束可被導向至複數個接收器之第二子集。
舉例言之，參考就圖1至圖4例示說明之實施例，元件112、210、314、402、410中之任一者可為活動式(例如透過圖5D描繪的致動器)以變更由個別總成所體現的混洗功能。當一或多個SWG區段與光源的相對位置時，SWG區段的不同集合將位在光束的光徑。又，SWG區段的不同集合具有不同物理特性，如此造成光束的光徑修正，使得光束被導向不同特定方向。因此，活動式SWG區段輔助不同接收器藉致動而接收來自不同光源的光束。但另外，如 此可藉以另一個SWG總成來置換一SWG區段達成，該另一總成具有SWG區段而其具有與被置換的SWG總成不同物理特性。
組配次波長光柵：圖6顯示依據一實施例組配有含括一光柵圖樣的一SWG區段之一SWG總成600的頂視平面圖。於本實施例中，SWG總成600包括多個一維光柵次圖樣。三個光柵次圖樣601-603係放大顯示。各個光柵次圖樣包括多個規則排列的繞射結構。於所描繪的實施例中，繞射結構係例示說明為SWG層材料的間隔線狀部分(後文稱作為「線」)。線係於y方向延伸及於x方向隔開。也描繪光柵次圖樣602的放大端視圖604。如端視圖604之例示說明，SWG層600可為具有線諸如線606-609由形成於層中的凹槽所分開的單層。
須瞭解於SWG區段的繞射結構並非限於就圖6舉例說明的一維光柵。一SWG區段可組配成二維非週期性SWG，使得SWG層可操作以體現特定波前控制功能或其它光學功能，諸如聚焦、擴大、反射、準直入射光束、或其組合。於實施例中，非週期性SWG係由柱而非線所組成，該等柱係由凹槽隔開。工作循環及工作週期可藉變更柱大小而於x及y方向改變。於其它具體實施例中，非週期性SWG層係由孔被實心部分隔開所組成。工作循環及工作週期可藉變更孔大小而於x及y方向改變。此等柱或孔可依據不同形狀諸如圓形或矩形排列。進一步幾何配置之實施例係例示說明於此處所述參考文獻且爰引於此並融入本說明書的 揭示。
SWG層之次圖樣係以繞射結構的一或多個週期性維度特性加以特徵化。於圖6之實施例中，週期性維度係相對應於(a)線的間隔，及(b)於x方向的線寬度。更明確言之，次圖樣601包括寬度w1以週期p1隔開的線；次圖樣602包括寬度w2以週期p2隔開的線；及次圖樣603包括寬度w3以週期p3隔開的線。若一光柵次圖樣的特性維度(例如週期p1、p2、或p3)係小於其設計來操作的特定入射光波長，則該光柵次圖樣形成次波長光柵。舉例言之，SWG的特性維度(例如週期p1、p2、或p3)可為約10奈米至約300奈米或約20奈米至約1微米。一般而言，SWG的特性維度係根據該特定波前控制裝置設計來操作的特定光波長選擇。
來自亞區的第零級繞射光獲得由線厚度t及工作週期η所決定的相位，係定義為： 於該處w為與該區相聯結的線寬度，及p為線週期。
由於與光柵次圖樣601-603各自相聯結的不同工作循環及工作週期，各個次圖樣差異地繞射入射光。SWG區段600可組配成藉調整線週期、線寬度及線厚度而以特定方式介接入射光。
圖7顯示依據實施例來自二分開光柵次圖樣的線之剖面圖，顯示由反射光獲得的相位。光柵係設置於基體 701上。線702及703可為於第一次圖樣的線，線704及705可為於基體701上它處第二次圖樣的線。線702及703之厚度t1係大於線704及705之厚度t2，及線702及703相聯結的工作週期η1也係大於線704及705相聯結的工作週期η2。於x方向偏極化且入射在線702-705上之光變成被線702及703所捕集歷經比較由線704及705所捕集的光部分相對更長的時間週期。結果，從線702及703反射光部分獲得比從線704及705反射光部分更大的相移。如圖7之實施例所示，入射光波708及710以約略相同相位撞擊線702-705，但從線702及703反射的光波712獲得比從線704及705反射的光波714所獲得相位相對更大的相移。
圖8顯示線702-705之剖面圖，顯示依據本發明之實施例波前如何改變。如圖8之實施例所示，具有實質上一致波前802的入射光碰撞線702-705及基體701而產生具有彎曲反射波前804的反射光。從入射波前802部分所得彎曲反射波前804與線702及703以相對較大工作週期η1及厚度t1而互動，相較於相同入射波前802部分與線704及705以相對較大工作週期η2及厚度t2而互動。反射波前804之形狀係與碰撞線702及703的光獲得較大相位而碰撞線704及705的光獲得較小相位一致。
SWG區段可經組配以施用特定相位變化至反射光，同時維持極高反射性。更明確言之，組配有一維光柵圖樣的SWG施用一相位變化至垂直該等線偏振的反射光，如前文參考圖7及8所述。
圖9A顯示依據本發明之實施例具有組配以聚焦入射光至一焦點904的一光柵層902之SWG區段900的側視圖。於圖9A之實施例中，光柵層902係經組配有光柵圖樣，使得於x方向偏振的入射光係以相對應於聚焦反射光在焦點904的一波前反射。另一方面，圖9B顯示依據本發明之實施例具有一光柵層912組配成且操作為發散鏡的SWG區段910之側視圖。於圖9B之實施例中，光柵層912係經組配有光柵圖樣，使得於x方向偏振的入射光係以相對應於從焦點914發射的一波前反射。
圖7至9B例示說明藉SWG區段反射波前。另外地或組合地，SWG區段可經組配以透射波前。SWG區段可設有平行設置的反射SWG層而形成共振腔。然後，光變成捕陷在此等共振腔內。然後，共振腔可經組配以光變成最終透過反射層透射而光束有不同相位。更明確言之，於SWG層中的繞射元件的尺寸可經選擇使得光柵次圖樣的透射特性係包含在透射曲線的共振間，讓SWG對入射波前的偏振不敏感。於一個實施例中，對650奈米波長的非偏振透射繞射SWG區段可根據具有475奈米固定間距及140奈米至380奈米柱直徑的130奈米高矽柱陣列設計。
透射波前的SWG區段之更特定實施例係舉例說明於文章「用於集積式自由空間光學裝置的矽透鏡」，作者Fattal等人公開於集積式光子學研究，矽及奈米光子學，OSA技術文摘(CD)(美國光學會，2011)及公告號碼WO 2011/093893的國際申請案，該等文獻係爰引於此並融入本 說明書的揭示至此等文獻並非與本文揭示不一致的程度，特別為描述用於光透射的SWG設計之該等部分。
設計光學混洗系統：製造光學混洗系統之方法的多個實施例係例示說明於後文。但須瞭解本文揭示並不限於此等方法，多個方法為可行，特別可用於SWG區段的設計。
圖10顯示流程圖1000例示說明光學混洗系統之製作方法。須瞭解流程圖1000為通用說明，可不背離本文揭示之範疇而加入額外方塊及/或修正或移除既有方塊。
於方塊1010，可計算橫跨複數個SWG區段各自的一目標相位變化，目標相位變化各自可相對應於在欲透射或反射通過複數個SWG區段的個別光束中之期望的波前形狀。SWG區段當於操作混洗系統中體現時協作而體現一特定混洗。
此種目標相位變化可視為在透射光或反射光由SWG所感應的特定相位變化。此種目標相位變化可使用透射比或反射比曲線計算，該等曲線聯結歷經針對一特定SWG區段的入射光波長範圍，一入射波前及所導致的相移之透射比或反射比。求出的透射比或反射比曲線可用以一致地調整整個SWG區段之幾何參數以在透射波前產生期望的變化。(此等曲線之若干實施例容後詳述)。
於方塊1020，決定SWG物理參數。更明確言之，於方塊1020，相對應於目標相位變化的脊寬度、脊週期間距、及脊厚度諸如於方塊1010計算得者，可針對複數個SWG 區段各自計算。於若干實施例中，方塊1020可包括決定部分SWG區段的工作週期。為了執行此項決定，可運用針對有特定波長光的透射比或反射比及相移呈SWG工作週期之函數作圖。又復，SWG物理參數可藉考慮透射通過一SWG區段的光相位呈該SWG區段的脊週期間隔及工作週期之函數決定。本函數可反映在相位變化呈週期及工作週期之函數的輪廓圖。輪廓脊係相對應於由透射通過一SWG區段的光所獲得的特定相位，一SWG層係組配有位在沿該輪廓全一處的一週期及工作週期。決定SWG物理參數之實施例係於此處引述的參利文獻中之任一者描述且就此方面而言也爰引於此並融入本說明書的揭示。
前述透射比及反射比曲線之若干實施例係顯示於國際專利申請案，公告號碼WO 2011/093893，該案係爰引於此並融入本說明書的揭示，特別描述針對反射SWG區段的目標相位變化之計算的該等章節。此等反射比曲線之實施例係顯示於國際專利申請案，公告號碼WO 2011/129814，該案係爰引於此並融入本說明書的揭示，特別描述針對透射SWG區段的目標相位變化之計算的該等章節。
透射比或反射比曲線以及相變輪廓圖可利用得自康索多物理(COMSOL Multiphysics®)的模型化電磁系統之應用程式「MIT電磁方程式傳播(MEEP)」模擬套裝軟體獲得。此套裝軟體乃有限元素分析及解算器套裝軟體，可用以模擬各個物理及工程應用程式或其它適當模擬應用程 式。但須瞭解如於此處引述之專利申請案中之任一者所述，計算SWG區段的目標相位變化有多種方法，就此方面而言係爰引於此並融入本說明書的揭示。
於方塊1030，SWG區段係製作成具有於方塊1020決定的SWG物理參數，及更明確言之，脊寬度、脊週期間距、及脊厚度。須瞭解有多種SWG區段之製作方法。舉例言之，輸出SWG區段112及輸入SWG區段122的脊可透過光刻術的使用諸如反應性離子蝕刻、聚焦離子束研磨奈米壓印光刻術等製作。舉個特定實施例，個別SWG區段的脊可在第一層材料上直接製作圖樣。至於另一個實施例，於其上界定脊的壓印壓模可用以將脊壓印至第一層。在單一製作操作期間，SWG區段各自可成形於平面材料片(例如片242、402、或410)。此外，在單一製作操作期間，此處例示說明的輸入SWG區段各自可成形為平面材料片。
於方塊1040，SWG區段(例如於方塊1030製作的SWG區段)係定位用以界定複數個光束之光徑。該等SWG區段中之至少一者係將反射及導引複數個光束中之一者朝向特定方向(反射SWG區段之實施例係參考圖1至4說明如前)。複數個SWG區段中之至少另一者係透射複數個光束中之一者穿透其中朝向特定方向(反射SWG區段之實施例係參考圖1至4說明如前)。
SWG區段的特定定位實施例係於前文就圖1至4例示說明。定位可自動地、半自動地、或手動地完成。須瞭解有多種方式可用以實現定位，可涉及定位元件諸如但 非僅限於夾緊元件、定位槽、或固定元件的使用。
現在轉向參考圖11，顯示依據一實施例可用以執行流程圖1000的各項操作之計算裝置1100的示意代表圖。計算裝置1100包括一處理器1102諸如中央處理單元；一顯示裝置1104諸如監視器；一設計工具介面1106；一網路介面1108，諸如區域網路(LAN)、無線802.11xLAN、3G行動WAN或WiMax WAN；及一電腦可讀取媒體1110。此等組件各自係操作式地耦接至一匯流排1112。舉例言之，匯流排1412可為EISA、PCI、USB、FireWire、NuBus、或PDS。
電腦可讀取媒體1110可為任一種適當媒體參與提供指令給處理器1102用於執行。舉例言之，電腦可讀取媒體1110可為非依電性記憶體諸如光碟或磁碟。電腦可讀取媒體1110也可儲存作業系統1114諸如Mac OS、MS Windows、Unix或Linux；網路應用程式1116；及一SWG圖樣化應用程式1118。網路應用程式1116包括用以建立與維持網路連結的各個組件，諸如體現通訊協定的軟體包括TCP/IP、HTTP、乙太網路、USB、及FireWire。
SWG圖樣化應用程式1118提供前文就圖10之方法1000討論的針對相對應於該計算得的目標相位變化之SWG區段，提出用於計算目標相位變化與決定脊寬度、脊週期間距、及脊厚度的多個機器可讀取指令。於某些實施例中，由應用程式1118執行的部分或全部方法可集積入作業系統1114。於某些實施例中，該等方法可於數位電子電路，或於電腦硬體、機器可讀取指令(含韌體及軟體)或其全 工頑組合至少部分體現，也如前文討論。
於前文詳細說明部分中，陳述無數細節以供瞭解如此處揭示之實施例。但須瞭解可無此等細節而實施此等實施例。又，須瞭解此處描繪之系統可包括額外組件，及此處描述的部分組件可被去除及/或修正。雖然已經揭示有限數目的實施例，但預期涵蓋對其所做無數修改及變化。意圖隨附之申請專利範圍各項涵蓋此等修改及變化。申請專利範圍各項中就一特定元件述及「一(a)」或「一(an)」，意圖結合一或多個此等元件，既不要求也不排除二或多個此等元件。又復，「包括」及「包含」等術語係作為開發式過渡使用。
100‧‧‧光混洗系統
102a-d‧‧‧光束
104a-d‧‧‧光源
106a-d‧‧‧輸入波導、通道
108a-d‧‧‧接收器
110a-d‧‧‧輸出波導、通道
112‧‧‧次波長光柵(SWG)總成
112a-d‧‧‧SWG區段

Claims (15)

  1. 一種用以混洗複數個光束之系統，其係包含：複數個光源以輸出個別光束；複數個接收器以接收從該等複數個光源發射的個別光束；包括複數個次波長光柵(SWG)區段的一混洗總成，該等複數個SWG區段各自係用以界定複數個光束之光徑；及其中該等複數個SWG區段包括至少一個反射SWG區段以反射與導向來自該等複數個光源中之一個別一者的光朝向該等複數個接收器中之一個別一者。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學混洗系統，其中該至少一個反射SWG區段係由複數個SWG脊形成，具有脊寬度、脊厚度、及脊週期間距係經選擇以控制於一光束之不同部分的相位變化，使得該光束於一特定方向係由的該反射SWG區段反射。
  3. 如申請專利範圍第2項之光學混洗系統，其中該等複數個SWG區段係包括由複數個SWG脊形成的至少一個透射SWG區段，具有脊寬度、脊厚度、及脊週期間距係經選擇以控制通過透射SWG區段透射的一光束之不同部分的相位變化，使得該光束於一特定方向係由由該透射SWG區段透射。
  4. 如申請專利範圍第1項之光學混洗系統，其中該等複數 個SWG區段中之至少二者係具有相對於彼此的不同脊寬度、脊厚度、或脊週期間距以導引光束成為相對於彼此的不同方向。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學混洗系統，其中該等複數個SWG區段中之一部分係設置在該光學混洗系統之一第一側，及該等複數個SWG區段中之另一部分係設置在該光學混洗系統之一第二側，該第二側係與該第一側相對。
  6. 如申請專利範圍第1項之光學混洗系統，其中該混洗總成係包括一第一實質上平面的材料片，其中該等複數個SWG區段中之一第一部分係排列成形為一二維陣列。
  7. 如申請專利範圍第6項之光學混洗系統，其中該混洗總成係包括一第二實質上平面的材料片，其中該等複數個SWG區段中之一第二部分係排列成形為一二維陣列。
  8. 如申請專利範圍第1項之光學混洗系統，其中該等複數個SWG區段中之至少一部分可相對於該等光源移動以變更該等複數個光束之個別光徑。
  9. 如申請專利範圍第8項之光學混洗系統，其中當該可移動式SWG區段係在一第一位置時，從該等複數個光源發射之該等光束係導向至該等複數個接收器之一第一子集，及其中當該可移動式SWG區段係在一第二位置時，來自該等複數個光源之該等光束係導向至該等複數個接收器之一第二子集。
  10. 如申請專利範圍第1項之光學混洗系統，其中該光學混 洗系統構成一多光纖光學混洗系統的一部分。
  11. 一種用以製作一光學混洗系統以混洗來自複數個光源的複數個光束至複數個接收器，該方法係包含：定位複數個次波長光柵(SWG)區段用以界定該等複數個光束之光徑，其中該等複數個SWG區段中之至少一者係反射與導引該等複數個光束中之一者朝向一特定方向；及該等複數個SWG區段中之至少一者係透射該等複數個光束中之一者穿透其中朝向一特定方向。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其係進一步包含：計算橫跨該等複數個SWG區段中各自的一目標相位變化，其中該等目標相位變化各自係相對應於將透射或反射通過該等複數個SWG區段的一個別光束中的一期望波前形狀；針對該等複數個SWG區段中之各者決定相對應於該等目標相位變化的脊寬度、脊週期間距、及脊厚度；及製作該等複數個SWG區段以具有該等所決定的脊寬度、脊週期間距、及脊厚度。
  13. 一種用以混洗複數個光束之光學混洗系統，其係包含：一第一側及相對於該第一側的一第二側；輸出一光束之一光源；接收該光束之一接收器，該光源及接收器係在該第一側； 在該第二側之一反射SWG區段；及在該第一側之一透射SWG區段，該反射SWG區段及該透射SWG區段界定該光束之一光徑的至少一部分，使得於操作中，該接收器係接收來自該光源之該光束。
  14. 如申請專利範圍第13項之光學混洗系統，其中該反射SWG區段係由複數個SWG脊形成，具有脊寬度、脊厚度、及脊週期間距係經選擇以控制於一光束之不同部分的相位變化，使得該光束於一特定方向係由該反射SWG區段反射。
  15. 如申請專利範圍第13項之光學混洗系統，其中該透射SWG區段係由複數個SWG脊形成，具有脊寬度、脊厚度、及脊週期間距係經選擇以控制通過透射SWG區段透射的一光束之不同部分的相位變化，使得該光束於一特定方向係由該SWG區段偏向。
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