專利名稱：用于路由光學(xué)信號的系統(tǒng)和方法
用于路由光學(xué)信號的系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
隨著電路板上的計算機芯片速度增大到越來越快的速度，芯片間通信的通信瓶頸正變成更大的問題。一種可能的解決方案是使用光纖來互連高速計算機芯片。然而，大部 分的電路板包含許多層并且通常要求它們的制造公差(tolerance)小于一微米。物理放置 光纖并且將該光纖連接到芯片可能太不精確并且太費時而不能在電路板制造工藝中被廣 泛采用。在電路板附近及之間路由光學(xué)信號會顯著增加額外的復(fù)雜度。盡管需要寬帶數(shù)據(jù) 傳輸，但是因此已經(jīng)證實了可銷售的芯片之間的光學(xué)互連是不牢靠的。


參考附圖，根據(jù)以下詳細描述將清楚明白本發(fā)明的特征和優(yōu)點，該附圖一起通過 示例的方式示出了本發(fā)明的特征；并且在附圖中圖1是耦合到單模激光器和分束器的大芯徑(large core)中空波導(dǎo)的圖示；圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的用準直透鏡和耦合裝置來耦合到具有反射內(nèi)部的大 芯徑中空波導(dǎo)的多模激光器的圖示；圖3a是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有帶有半反射膜的光束窗口區(qū)域的耦合裝置的圖 示；圖3b是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有帶有金屬化膜的光束窗口區(qū)域的耦合裝置的圖 示，該金屬化膜具有小于相干光的波長的點；圖3c是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有帶有金屬化膜的光束窗口區(qū)域的耦合裝置的圖 示，該金屬化膜具有孔；圖3d是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有帶有光柵的光束窗口區(qū)域的耦合裝置的圖示；圖3e是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有多個耦合裝置的耦合條的圖示；圖3f是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有條形光束窗口的耦合條的圖示；圖3g示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的具有縫(slot)的大芯徑中空波導(dǎo)，該縫是以預(yù) 定角度切割的以便使耦合裝置能夠被插入該縫中；圖4a是根據(jù)本發(fā)明實施例的耦合到耦合條的在襯底上的直排(collinear)的大 芯徑中空波導(dǎo)的陣列的圖示；圖4b是根據(jù)本發(fā)明實施例的耦合到子板陣列的在一平面中的直排的大芯徑中空 波導(dǎo)的陣列的圖示，每個子板具有在該平面外部的大芯徑中空波導(dǎo)陣列；以及圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的描述用于路由光學(xué)信號的方法的流程圖?，F(xiàn)在將參考所示出的示例性實施例，并且在本文中將使用專用語言來描述該示例 性實施例。然而將理解并不意圖由此來限制本發(fā)明的范圍。
具體實施例方式用于形成電路板上的計算機芯片之間的光學(xué)互連的一種方法是使用在該電路板上形成的光學(xué)波導(dǎo)。光學(xué)波導(dǎo)可能優(yōu)于用于互連電子裝置的光纖通信，因為能夠使用光刻 或類似的工藝在電路板上形成波導(dǎo)。通常用基本上光學(xué)透明的材料(例如聚合物和/或電 介質(zhì))來在電路板上形成波導(dǎo)。使用光刻或類似工藝制作的光學(xué)波導(dǎo)還可以形成于沒有安 裝在電路板上的其它類型襯底上。例如，(一個或多個)光學(xué)波導(dǎo)可以形成于柔性襯底上 以便創(chuàng)建具有一個或多個光學(xué)波導(dǎo)的帶狀線纜。在本申請中公開的光學(xué)波導(dǎo)是使用光刻或 類似工藝形成于襯底上的。用這種方式形成光學(xué)波導(dǎo)可以提供這樣的互連，所述互連被構(gòu)造成具有必需的物理公差，以便在現(xiàn)代的多層電路板上使用。然而，可在芯片和電路板制造中被用來形成板上 波導(dǎo)的聚合物、電介質(zhì)和其它材料通常有比光纖明顯更大的損耗。實際上，在板上波導(dǎo)中的 損耗量已經(jīng)是限制對光學(xué)波導(dǎo)互連的認可的因素之一。用來構(gòu)造波導(dǎo)的聚合物可能具有每 厘米0. IdB的損耗。相比之下，光纖中的損耗是每千米大約O.ldB。因此，聚合物波導(dǎo)可能 具有比光纖中的損耗大若干數(shù)量級的損耗。另外，典型的波導(dǎo)通常被制造成具有與它們被設(shè)計來傳送的光的波長大致成 比例的尺寸。例如，被配置為傳送IOOOnm光的單模波導(dǎo)的最大尺寸可以為IOOOnm到 5000nm(l μ m到5 μ m)。連接該大小的波導(dǎo)會是昂貴的和有挑戰(zhàn)性的。在歷史上創(chuàng)建和連 接波導(dǎo)的成本減少了它們在大部分普通應(yīng)用中的使用。多模波導(dǎo)可以具有更大的尺寸，其 中核芯區(qū)大約為20-60 μ m。單模和多模波導(dǎo)都具有相對較高的數(shù)值孔徑(NA)，對于0.01 至0.02的核芯和包層折射率對比度(refractiveindex contrast)，所述數(shù)值孔徑大約為 0.2至0.3。數(shù)值孔徑確定來自發(fā)射光纖的光束的發(fā)散。因此，較大的NA將導(dǎo)致作為光纖 到光纖間距的函數(shù)的較差的耦合。使用這些波導(dǎo)還難以實現(xiàn)所導(dǎo)向的光學(xué)束的分離和分接 (tapping)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，已經(jīng)認識到需要一種便宜的光子導(dǎo)向裝置，其更易于 與其它波導(dǎo)和光學(xué)裝置互連并且會顯著地減少光學(xué)波導(dǎo)中的損耗量。對使用聚合物或電介質(zhì)材料形成的傳統(tǒng)光學(xué)波導(dǎo)的顯著改進是使用如圖1所示 的被配置為對相干光104進行導(dǎo)向的大芯徑中空波導(dǎo)100。大芯徑中空波導(dǎo)的直徑(或?qū)?度和/或高度)可以為該波導(dǎo)被配置成對其導(dǎo)向的相干光的波長的大約50到150或更多 倍。大芯徑中空波導(dǎo)的截面形狀可以為方形、矩形、圓形、橢圓形或被配置為對光學(xué)信號進 行導(dǎo)向的某種其它形狀。此外，由于波導(dǎo)是中空的，因此光基本上以空氣或真空中的光速行 進。圖1示出了將單模光束104發(fā)射到波導(dǎo)106中的激光器102。分束器108被用來 使該光束的一部分(被稱為反射光束114)重定向到正交的波導(dǎo)112中。剩余的光(被稱 為透射光束110)可以在與原始光束104相同的方向上繼續(xù)。該單模光束可以在波導(dǎo)的壁 之間反彈(bounce)。在每個反射處，可能發(fā)生光束的顯著損耗。為了減少波導(dǎo)內(nèi)的損耗，可以增加反射涂層213來覆蓋波導(dǎo)200的內(nèi)部，如圖2所 示?？梢允褂缅兎蟆R射或類似工藝來形成反射涂層，如可以理解的。如果中空波導(dǎo)包括具 有低熔點的聚合物或其它材料，則可以使用低溫工藝(例如濺射、電鍍或熱蒸發(fā))來施加反 射涂層。反射涂層213可以由在相干光的波長處充分(substantially)反射的金屬、電介 質(zhì)或其它材料的一層或多層組成?？梢愿鶕?jù)金屬的反射率來選擇金屬。覆蓋通道的高度反 射層是期望的。例如，可以使用銀、金、鋁或能夠形成高度反射層的某種其它金屬或合金來形成該反射層?？蛇x地，反射層可以是電介質(zhì)疊層(stack)，該電介質(zhì)疊層可以由在所選波 長處充分反射的電介質(zhì)材料的一層或多層形成。在沉積反射層之前，未涂敷的中空的通道 可以經(jīng)受熱回流以弄平任何表面粗糙。反射層也可以經(jīng)歷熱回流或類似工藝來平滑在沉積 工藝期間可能發(fā)生的該反射層中的表面粗糙。還可以使用電拋光來弄平反射金屬表面。如果光子導(dǎo)向裝置不是密封的，則反射涂層213可能隨時間氧化。反射涂層的氧 化會顯著地減小其反射率。為了減少或消除金屬涂層的反射率的下降，可以在反射涂層之 上形成保護層211來充當保護體。保護層可以包括在相干光的波長處基本上透明的材料。 例如，保護層可以由二氧化硅或者可以在反射涂層之上形成基本氣密結(jié)合物的某種其它材 料形成。該保護層還將通過進一步將傳播的光與有損耗的反射層分開來減少傳播損耗。具有反射表面的中空波導(dǎo)與固體波導(dǎo)的操作不同。中空波導(dǎo)使用衰減的全內(nèi)反射 的原理來工作，通過來自(一個或多個)反射層的反射來對光進行導(dǎo)向，而不是如通常在諸 如光纖的固體波導(dǎo)中發(fā)生的那樣通過在較高折射率核芯區(qū)與較低折射率包覆區(qū)之間的全 內(nèi)反射來對光進行導(dǎo)向。如可以明白的，在中空波導(dǎo)內(nèi)的光可以以除全內(nèi)反射所必需的角 度之外的角度反射。對于圓形的中空波導(dǎo)，TE01模具有可以根據(jù)公式1確定的每單位長度衰減<formula>formula see original document page 6</formula>(1)，其中α是波導(dǎo)半徑，ω是光的頻率，單位為弧度，ω。是TEtl截止頻率，δ是光在 金屬中的穿透深度，μ是金屬的磁導(dǎo)率，而n是自由空間的阻抗。在中空波導(dǎo)中的衰減是 由于金屬壁的有限電導(dǎo)率。Rs是金屬的表面電阻率并且由如下給出<formula>formula see original document page 6</formula>⑵’其中σ是電導(dǎo)率而f是光的頻率。可以看出Rs隨著f的平方根而增大。根據(jù)上面的公式(1)，可以看出TEtll模的衰減隨著頻率增大而減小。出現(xiàn)衰減隨 著頻率增大而減小是因為該模在高頻率處未耦合到導(dǎo)向壁。在中空金屬波導(dǎo)中還存在更高 階模。然而，這些模有非常大的損耗，因為它們更多地耦合到金屬壁(即由于它們的數(shù)值孔 徑更高，它們遭受更多反射)。在波導(dǎo)彎曲和不連續(xù)處，TEOl模將被衰減，因為模轉(zhuǎn)換到更 高階模?？梢酝ㄟ^以與法線成陡峭角度地僅僅掠過反射壁從而導(dǎo)致在它沿著波導(dǎo)傳播時較 少數(shù)目的反彈的一組射線來描述最低損耗模。為此，低損耗模與常規(guī)波導(dǎo)相比具有非常小 的數(shù)值孔徑。理想地，單模激光器通常用來將相干光引導(dǎo)到中空波導(dǎo)中。然而，單模激光器可 能相對較昂貴。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，更便宜的多模激光器(例如垂直空腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)) 在使用具有反射內(nèi)表面的中空波導(dǎo)將高數(shù)據(jù)率信號傳遞通過相對短距離中會是有用的。例 如，多模激光器可用于將高數(shù)據(jù)率信號引導(dǎo)通過使用大芯徑中空反射波導(dǎo)的芯片間和電路 板間連接。使用多模激光器可以顯著地減少光學(xué)互連的成本，使它們能夠用于互連更多樣的各種電子裝置。然而，多模激光器輸出在直接耦合到中空金屬波導(dǎo)時由于以大角度傳播 的較高模的多次反射而可能具有大得多的損耗。為了克服從多模激光器202發(fā)射的較高模的衰減，可以將準直儀204放置在從該 激光器發(fā)射的多模相干光射線206的路徑內(nèi)。準直儀可以是準直透鏡或者一系列透鏡。在 一個實施例中，準直儀可以被配置為球透鏡。球透鏡可以具有抗反射涂層。準直儀204被配置為準直多模光束以使多個多模，或從激光器202發(fā)射的射線206 形成準直光束208，其中所述多模在大芯徑中空波導(dǎo)200內(nèi)基本上平行地行進。多模光束的 準直可用于通過發(fā)射與中空金屬波導(dǎo)幾乎平行的射線從而顯著減少在該波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生的反 射數(shù)目來將多模激光器高效地耦合到該波導(dǎo)的低損耗模。確實發(fā)生在波導(dǎo)內(nèi)的準直光束的 反射通常將處于關(guān)于波導(dǎo)壁的相對較淺的 角度，因此使波導(dǎo)內(nèi)的反射數(shù)目最小化，并因此 減少中空波導(dǎo)內(nèi)光的衰減。例如，850nm光的相干多模光束可以以大約0. 07dB/cm的損耗通過具有反射涂層 的150 μ m大芯徑波導(dǎo)傳輸。離開波導(dǎo)的光的數(shù)值孔徑被確定為小于0.05。波導(dǎo)的損耗可 以隨其尺寸縮放。較小尺寸的波導(dǎo)由于在波導(dǎo)中較多數(shù)目的內(nèi)反射(反彈)而具有較高的 損耗。因此，較大的波導(dǎo)可以用來減少損耗。如果通過波導(dǎo)的光學(xué)通路不是充分直的，則在該波導(dǎo)內(nèi)可能發(fā)生顯著的損耗。在 波導(dǎo)中發(fā)生的彎曲或轉(zhuǎn)彎可能使光具有不希望數(shù)目的反彈，從而引起相當大量的衰減。為 了使光學(xué)信號能夠在不同方向上路由，可以使用鏡子、分束器和透鏡；例如參見圖1。在圖1的圖示中可以看出，在分束器108內(nèi)可能發(fā)生顯著量的光束走離 (walk-off)。光束走離是由于在(具有空氣或真空的折射率的)中空波導(dǎo)與具有1. 5的折 射率的分束器之間的折射率改變而發(fā)生的現(xiàn)象。當光束進入分束器時它被折射。折射發(fā)生 的角度取決于波導(dǎo)與分束器之間的折射率之差。光束走離是由于該折射而引起的光束行進 的橫向距離。該橫向距離通常與光學(xué)裝置(在該情況下為分束器)的厚度成比例。光束走 離將導(dǎo)致在中空金屬波導(dǎo)內(nèi)的模的橫向位移，從而由于激勵較高階模而導(dǎo)致?lián)p耗。因此重 要的是最小化光束走離。當使用比較小的波導(dǎo)時光束走離可能顯得被擴大。例如，即使當在50 μ m波導(dǎo)中 使用厚度約250 μ m(l/4毫米)的相對薄的分束器108時，行進通過分束器的透射光束的光 束走離可以是大約75 μ m的橫向偏移(shift)，即波導(dǎo)厚度的1. 5倍。為了補償光束走離的 橫向偏移，可以將波導(dǎo)橫向偏移以便形成偏移的波導(dǎo)113，如圖1所示。然而，在每個結(jié)處都 橫向偏移波導(dǎo)以補償光束走離可能使得制造大為復(fù)雜化并且顯著地增大成本。圖2示出了其中多模激光器202發(fā)射多模相干光束206的系統(tǒng)。所述多模相干光 束包括角度增大的多個射線。如先前所討論的，將這些射線發(fā)送通過準直儀204以使所述 射線在大芯徑中空波導(dǎo)200內(nèi)能夠基本上平行。準直儀可以是單個透鏡?？蛇x地，準直儀 可以由被配置為使得多模相干光束中的射線能夠基本上平行的多個透鏡組成。另外，可以 由準直儀來縮減光束的直徑以便不充滿波導(dǎo)。換句話說，準直的光束可具有小于波導(dǎo)的直 徑、寬度或高度的直徑?？s減準直的光束以便不充滿波導(dǎo)可減少外側(cè)的(outer)?；蛏渚€ 與中空的大芯徑波導(dǎo)的內(nèi)部上的反射涂層的相互作用，并且還允許更大的未對準公差。即使相干光束208被準直和縮減成不充滿大芯徑中空波導(dǎo)200，光束的寬度或直 徑也可以填充波導(dǎo)的相當大一部分。例如，準直的光束可以具有大于波導(dǎo)寬度的一半的直徑。相對于單模光束而言，多模準直光束的寬度會減少在波導(dǎo)內(nèi)多模光束的未對準公差。 使用光學(xué)耦合到第一大芯徑中空波導(dǎo)205和第二大芯徑中空波導(dǎo)209的耦合裝 置210可以將基本上準直的多模相干光束從該第一波導(dǎo)重定向(redirect)到該第二波導(dǎo) 209。耦合裝置可以被配置為將該光束的至少一部分從第一波導(dǎo)重定向到第二波導(dǎo)，而使剩 余的能量能夠留在第一波導(dǎo)中。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以形成這樣的耦合 裝置210，其提供用來將多模準直光束208從第一波導(dǎo)205耦合到第二波導(dǎo)209的光路，該 光路足夠短以使得通過該耦合裝置的多模相干光的光束走離小于第一大芯徑中空波導(dǎo)205 的寬度的一半。如先前所討論的，光束走離是由光在耦合裝置內(nèi)的折射而引起的光束在波導(dǎo)內(nèi)的 橫向移動。由于準直的多模相干光填充波導(dǎo)的相當大一部分，使走離最小化可以使單個波 導(dǎo)能夠用于原始多模光束208和透射的多模光束212，同時將原始光束的一部分引導(dǎo)為被 引導(dǎo)到第二大芯徑中空波導(dǎo)209中的反射的多模光束214?？梢曰诒粚?dǎo)向通過耦合裝置的光束的所選幾何形狀并且使用Snell定律來確 定在從第一介質(zhì)(例如空氣或真空)傳遞到第二介質(zhì)(在耦合裝置中使用的材料)時光束 的角度將改變多少來計算在光束經(jīng)過耦合裝置時發(fā)生的光束走離量。Snell定律規(guī)定<formula>formula see original document page 8</formula>其中ηι是第一介質(zhì)的折射率，η2是第二介質(zhì)的折射率，θ工和θ 2分別是光束在第 一介質(zhì)和第二介質(zhì)中相對于法線的角度。由如下表達式給出光束走離h
<formula>formula see original document page 8</formula>其中t是分束器的厚度。圖3a中示出了示例性的耦合裝置300?？梢詫Ⅰ詈涎b置形成為足夠地薄以便限制 光束走離小于波導(dǎo)寬度的一半。耦合裝置可以包括襯底302。所述襯底可以被配置為形成 光束窗口區(qū)域304。光束窗口區(qū)域可以大于中空金屬波導(dǎo)的截面的最大尺寸。在光束窗口 區(qū)域內(nèi)可以使用各種不同的裝置以便允許一部分相干光束被透射而一部分光束被反射。例 如，半透明膜306或多個膜(例如電介質(zhì)膜或疊層)可以由襯底承載并且位于光束窗口區(qū) 域304之上。該膜可以被配置為透射和反射相干光束的期望部分。該膜可以在窗口區(qū)域之 上粘附性地耦合到襯底?？蛇x地，該膜可以耦合到或者嵌入襯底的較大部分內(nèi)并且然后可 以刻蝕掉該襯底以留下該膜并形成光束可以通過的窗口區(qū)域。耦合裝置300可以通過以預(yù)定角度切割到波導(dǎo)中的縫352而插入大芯徑中空波導(dǎo) 200(圖2)中，如圖3g示出的示例性實施例所示。例如，耦合裝置可以以45度的角度插入 并且用粘合劑固定到波導(dǎo)和/或襯底。如可以理解的，還可以使用其它類型的結(jié)合?；氐綀D3a，可以將膜306或光束將經(jīng)過的該膜的一部分形成為足夠地薄以使得 通過該膜的光束的任何橫向偏移將小于波導(dǎo)寬度的一半。然而，該膜或其它重定向裝置通 常將被配置為提供甚至更小的橫向偏移。例如，可以在襯底302上形成包括電介質(zhì)疊層的 膜。然后可以刻蝕掉襯底以形成包括光束可以通過其透射的膜的窗口區(qū)域304。電介質(zhì)膜 可以具有預(yù)定的厚度。在一個示例實施例中，膜厚度可以小于0.5 μ m，不過可以使用厚度為 5ym或更多的膜。對于光路長度為5μπι的膜，光束走離為大約1.5ym。在寬度或直徑為50 μ m的波導(dǎo)中，多模相干光在經(jīng)過耦合裝置時的1. 5 μ m的橫向移動將提供極少的由于模 損耗或波導(dǎo)內(nèi)反射數(shù)目的增大而引起的相干光束的總功率的減小，或甚至沒有減小。膜306可以是包括高折射率材料和低折射率材料的多個涂層的電介質(zhì)疊層。例 如，高折射率材料和低折射率材料的3到7個交替層可以用來形成疊層。多層涂層可以具 有大約04到1.5μπι的厚度，這取決于設(shè)計參數(shù)。典型的高折射率材料由硒化鋅或二氧化 鈦組成，具有約2. 2的折射率。典型的低折射率材料是氟化鎂，具有約1. 38的折射率。還可以使用附加類型的耦合裝置。例如，圖3b示出了具有金屬化膜的耦合裝置 300，其包括襯底302、透明膜308和覆蓋透明膜的多個亞波長直徑的點。該點可以是圓形、 方形、矩形、橢圓形，或者具有不規(guī)則的形狀，只要每個點的主要尺寸具有小于光波長的長 度。所述點的填充因數(shù)(即點覆蓋了多少膜區(qū)域)可以部分地確定多少光被反射和多少光 被透射。反射的光的量還取決于點的反射率。例如，該點可以由高度反射的金屬(例如鋁、 銀、金等等)制成。在一個實施例中，可以將波長約為SOOnm的相干光束引導(dǎo)通過金屬化膜308。該 膜可以耦合到用來支撐該膜的襯底302。該襯底和膜可以以期望的角度放置在大芯徑中空 波導(dǎo)內(nèi)以便反射行進通過該波導(dǎo)的準直相干多模光束的一部分。該膜可以包括直徑小于 500nm的金屬點?？梢愿鶕?jù)該點的反射率以及要被透射和反射的光束的量來配置透明膜上 的點的填充因數(shù)。可以根據(jù)透明膜在所選波長處的透明度并且還可以根據(jù)其折射率來選擇 透明膜?？梢允褂镁哂邢鄬^低折射率的膜來減少角度的改變，由此減少發(fā)生的光束走離 的量。該膜可以被配置為具有允許小于波導(dǎo)寬度的一半的由光束走離引起的橫向偏移的厚 度。更確切地說，該膜通常被配置為具有允許小于波導(dǎo)寬度的十分之一的光束走離的厚度。金屬化膜313也可以用來在該膜的中心附近形成孔311以便形成具有孔的耦合裝 置300，如圖3c中所示出的。該孔可以是基本上透明的而金屬化膜區(qū)域可以部分地或基本 上不透明。金屬化膜中的孔可以用來使較低模通過該孔而將較高階模完全地或部分地從金 屬化膜反射。該孔的尺寸和形狀確定了多少光被耦合出去以及被透射。在另一實施例中，可以在襯底302的窗口區(qū)域304內(nèi)構(gòu)造凹槽以便形成具有光柵 的耦合裝置300，如圖3d所示。不同于先前描述的如圖3a-3c的示例圖示中所示的耦合裝 置，光柵耦合裝置不依賴于均勻膜來反射相干光束。作為替代，光柵耦合裝置可以被放置在 波導(dǎo)路徑內(nèi)并且被配置為以與光柵表面的法線成90度的角度反射光。光柵可以由多個反 射附加物(appendage) 322組成，該反射附加物322可以被構(gòu)造在窗口區(qū)域內(nèi)。反射附加物 可以連接到襯底302以提供機械強度?？梢酝ㄟ^刻蝕附加物之間的區(qū)域而由襯底形成反射 附加物。然后剩余的襯底附加物可以用高度反射材料涂敷，所述高度反射材料例如金屬、電 介質(zhì)或電介質(zhì)疊層?？蛇x地，附加物可以完全由不同于襯底的材料(例如反射金屬或膜) 來構(gòu)造。因為準直的相干多模光束的經(jīng)過孔的那部分在附加物之間的自由空間中行進，所 以在使用孔時不發(fā)生光束走離。因此，孔的厚度不會由于如在透射光束經(jīng)過另一種材料時 所發(fā)生的光束走離而受到限制。附加物可以具有足夠的厚度以反射期望量的光并且提供優(yōu) 選水平的機械強度。例如，附加物可以為20μπι厚?？梢愿鶕?jù)光束尺寸和所期望的光束的 反射量來選擇附加物的數(shù)量和寬度。圖3a_3f中示出的耦合裝置代表本發(fā)明的示例實施例。代表附加實施例以及先前討論實施例的組合的附加耦合裝置被認為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，其中所述附加實施例允許 相干光束的一部分被在分開的方向上反射而光束的一部分被透射且光束走離的量小于大 芯徑中空波導(dǎo)寬度的一半。在圖3a_3f中示出的示例耦合裝置中的每一個可以以相對于經(jīng)過大芯徑中空波 導(dǎo)的相干光束的期望角度而定位在該波導(dǎo)內(nèi)以便允許期望量的光束被離開耦合到(couple off to)第二波導(dǎo)。第二波導(dǎo)可以以允許反射光束在基本上與波導(dǎo)壁平行的方向上被導(dǎo)向 通過第二波導(dǎo)的角度而光學(xué)耦合到第一波導(dǎo)。基本上在波導(dǎo)中心附近弓丨導(dǎo)反射光束可以通 過使來自多模光中的準直射線的反射數(shù)目最小化而提供最佳的功率。
在另一實施例中，可以形成耦合裝置的陣列。例如，圖3e示出了多個光束窗口區(qū) 域304，其被形成在單個襯底302中以形成耦合條350。光束窗口區(qū)域可以具有如圖3a所 示的部分反射膜、如圖3b和3c中所示出的部分金屬化膜、如圖3d所示的光柵、或者允許行 進通過大芯徑中空波導(dǎo)的相干光束的一部分被部分反射和部分透射而同時限制光束走離 小于該波導(dǎo)寬度的一半的某種其它結(jié)構(gòu)?？蛇x地，包括單個大光束窗口區(qū)域352的條形光 束窗口區(qū)域可以形成于襯底302上，如圖3f中所示出的。使用單個大窗口可以減少在耦合 條被插入耦合裝置陣列時的公差。在一個實施例中，包含耦合裝置陣列或條形光束窗口區(qū)域的耦合條350可以被插 入基本上直排的大芯徑中空波導(dǎo)430的陣列410中，如圖4a中所示出的。直排波導(dǎo)的陣 列可以形成于襯底425(例如電路板)上?？梢栽诿恳徊▽?dǎo)中制作容納區(qū)域以允許耦合條 被插入。例如，在每個波導(dǎo)中以45度角切割的縫可以允許耦合條被插入陣列中的大芯徑中 空波導(dǎo)中。在耦合條中的窗口區(qū)域304(或圖3f的條形光束窗口區(qū)域352)可以與波導(dǎo)陣 列對齊(lined up with)以便允許經(jīng)過每個波導(dǎo)的相干光被從相應(yīng)耦合裝置中的窗口區(qū)域 部分反射，從而提供被導(dǎo)向通過與襯底425上的波導(dǎo)成約90度的第二波導(dǎo)440的反射相干 光束。這允許形成可以與中空波導(dǎo)的第一陣列410正交定位的大芯徑中空波導(dǎo)的第二陣列 435。第二陣列與第一陣列所成角度可以約為耦合條相對于光束的角度的兩倍。光學(xué)耦合到第一波導(dǎo)430的第二波導(dǎo)440可以位于襯底425的平面之外以實現(xiàn)可 以耦合到位于襯底425上的陣列410中的每個第一波導(dǎo)的多個波導(dǎo)。這允許單個光學(xué)信號 被重定向多次。例如，可以在每個結(jié)422處將進入第一波導(dǎo)430的光學(xué)信號的一小部分(例 如10% )重定向。在一個實施例中，可以增大在每個結(jié)處的耦合以使得在每個位置處輸入 到波導(dǎo)中的原始能量的約10%被重定向或分接。在一個實施例中，光學(xué)底板445可以被配 置為光學(xué)耦合到多個子板420，如圖4b中所示出的。位于光學(xué)底板上的第一波導(dǎo)陣列410 可以耦合到位于每一子板上的第二波導(dǎo)陣列435。另一個實施例提供了用于路由光學(xué)信號的方法500，如圖5中的流程圖所示出的。 該方法包括將基本上準直的多模相干光束引導(dǎo)510到第一大芯徑中空波導(dǎo)中的操作，第一 大芯徑中空波導(dǎo)具有覆蓋該中空波導(dǎo)的內(nèi)部的反射涂層。所述大芯徑波導(dǎo)可以具有為光波 長的約50倍或更多倍的直徑(或?qū)挾群?或高度)。例如，相干光可以具有850nm的波長。 波導(dǎo)可以具有約50 μ m的寬度。波導(dǎo)不限于光波長的50倍。它可以具有250 μ m或更大的 直徑或?qū)挾?。方?00還包括用耦合裝置將光束耦合520到第二大芯徑中空波導(dǎo)中的操作，第 二大芯徑中空波導(dǎo)具有覆蓋該中空波導(dǎo)的內(nèi)部的反射涂層。耦合裝置以足以將該多模相干光的至少一部分從第一波導(dǎo)引導(dǎo)到第二波導(dǎo)的角度而光學(xué)耦合到第一和第二波導(dǎo)。耦合裝 置可以被配置為使得通過該耦合裝置的光路足夠地短以使得通過該耦合裝置的該多模相 干光的光束走離小于第一大芯徑中空波導(dǎo)的寬度的一半，如塊530中所描述的。還公開了一種用于制作光學(xué)信號路由系統(tǒng)的方法。該方法包括形成第一大芯徑中 空波導(dǎo)的操作，該第一大芯徑中空波導(dǎo)具有覆蓋該中空波導(dǎo)的內(nèi)部的反射涂層并且被配置 為對基本上準直的多模相干光束進行導(dǎo)向。附加的操作包括形成第二大芯徑中空波導(dǎo)，該 第二大芯徑中空波導(dǎo)具有覆蓋該中空波導(dǎo)的內(nèi)部的反射涂層。可以在第一和第二大芯徑中空波導(dǎo)的期望的結(jié)處插入耦合裝置?？梢砸韵鄬τ诙?模相干光束的路徑的所選角度插入該耦合裝置，以便將該光束的至少一部分重定向到第二 波導(dǎo)。第一和第二波導(dǎo)可以與耦合裝置光學(xué)耦合以便使準直的多模相干光束的至少一部分 能夠被從第一大芯徑中空波導(dǎo)耦合到第二大芯徑中空波導(dǎo)。第一和第二波導(dǎo)相對于彼此以 導(dǎo)向角度定位，其中該導(dǎo)向角度被選擇為使相干光束在第二波導(dǎo)中的反射(即較高模的激 勵)最小化。因為該光束是相當準直的，所以該角度對應(yīng)于從耦合裝置到第二波導(dǎo)的鏡面 反射的光束。大芯徑中空波導(dǎo)可用于互連位于一個或多個電路板上的電子裝置。電子裝置可以 具有電輸出和輸入，它們被轉(zhuǎn)換為光學(xué)輸出以通過光學(xué)波導(dǎo)傳輸?？蛇x地，電子裝置可以是 在不需要轉(zhuǎn)換的情況下發(fā)送與接收光學(xué)信號的光學(xué)裝置。在波導(dǎo)內(nèi)部上具有反射涂層的大 芯徑中空波導(dǎo)相對于固體波導(dǎo)而言可以顯著減少被導(dǎo)向通過波導(dǎo)的光學(xué)信號的損耗。在中 空波導(dǎo)內(nèi)部上的反射涂層可以使由光學(xué)信號在波導(dǎo)內(nèi)的反射所引起的損耗最小化。單模激光器通常結(jié)合中空波導(dǎo)使用以便使反射最小化。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，多模激光 器可以與準直儀結(jié)合以提供具有準直射線的多模相干光源。使用多模激光器可以顯著地降 低生產(chǎn)成本。準直的多模相干光束可以填充大芯徑中空波導(dǎo)的相當大一部分?？梢栽诓▽?dǎo)的中 心附近引導(dǎo)光束以便使波導(dǎo)與多模激光束之間的接觸最小化并且減少反射數(shù)目?？梢允褂?耦合裝置將光束的一部分重定向到相鄰波導(dǎo)中。為了使光束走離最小化，可以使用耦合裝 置，其中通過該耦合裝置的光路足夠地短以使得通過該耦合裝置的多模相干光的光束走離 小于第一大芯徑中空波導(dǎo)的寬度的一半。這種耦合裝置可以允許將多模信號重定向到相鄰波導(dǎo)而不要求波導(dǎo)偏移來補償 光束行進穿過耦合裝置時的光束走離。重定向多模光束的至少一部分而不要求波導(dǎo)偏移的 能力使得能夠以顯著降低的成本制造和生產(chǎn)光學(xué)互連。雖然上述示例在一個或多個特定應(yīng)用中說明了本發(fā)明的原理，但是本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員將顯而易見的是，可以在不運用創(chuàng)造力才能的情況下進行許多在實現(xiàn)的形式、用途 和細節(jié)上的修改，并且不脫離本發(fā)明的原理和概念。因此，并不意圖限制本發(fā)明，除了如下 面陳述的權(quán)利要求書所限制的之外。
權(quán)利要求
一種用于路由光學(xué)信號的系統(tǒng)，包括第一大芯徑中空波導(dǎo)，其具有覆蓋該第一中空波導(dǎo)的內(nèi)部的反射涂層并且被配置為對基本上準直的多模相干光束進行導(dǎo)向；第二大芯徑中空波導(dǎo)，其具有覆蓋該第二中空波導(dǎo)的內(nèi)部的反射涂層；以及耦合裝置，其光學(xué)耦合到該第一和第二波導(dǎo)，并且被配置為將該多模相干光束的至少一部分從該第一波導(dǎo)重定向到該第二波導(dǎo)，其中通過該耦合裝置的光路足夠地短以使得通過該耦合裝置的該多模相干光的光束走離小于該第一大芯徑中空波導(dǎo)的寬度的一半。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中通過該耦合裝置的光路足夠地短以使得通過該耦 合裝置的該多模相干光的光束走離小于第一大芯徑中空波導(dǎo)的寬度的十分之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該耦合裝置包括具有光束窗口區(qū)域的襯底。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，還包括基本上覆蓋該光束窗口區(qū)域的半透明膜，其中 該半透明膜具有提供通過該半透明膜的如下光路的厚度，該光路足夠地短以使得經(jīng)過該半 透明膜的該多模相干光的光束走離小于第一大芯徑中空波導(dǎo)的寬度的一半。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，還包括被配置為基本上覆蓋該光束窗口區(qū)域的金屬化 膜，其中該金屬化膜包括對于該相干光束基本上透明的膜，還包括覆蓋該基本上透明的膜 的一部分的多個金屬點，其中該點具有小于該相干光束的波長的主要尺寸并且其中該基本 上透明的膜具有提供通過該基本上透明的膜的如下光路的厚度，該光路足夠地短以使得經(jīng) 過該基本上透明的膜的該多模相干光的光束走離小于第一大芯徑中空波導(dǎo)的寬度的一半。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，還包括在該金屬化膜內(nèi)的基本上透明的孔，其被配置 為使相干光的至少一部分透射通過該孔區(qū)域并且在該孔區(qū)域之外反射該相干光。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，還包括被配置為基本上覆蓋該光束窗口區(qū)域的光柵耦 合裝置，其中該光柵耦合裝置包括被配置為反射光的多個反射附加物，每個反射附加物由 被配置為透射光的開口區(qū)域分隔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該耦合裝置還包括具有條形光束窗口區(qū)域的耦合器.
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中該耦合條被配置為光學(xué)耦合到位于一平面內(nèi)的基 本上直排的大芯徑中空波導(dǎo)的第一陣列。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括基本上直排的大芯徑中空波導(dǎo)的第二陣列，其 位于第一陣列的平面之外并且光學(xué)耦合到該耦合條，其中第一陣列中的每個波導(dǎo)通過該耦 合條中的該條形光束窗口區(qū)域而光學(xué)耦合到第二陣列中的波導(dǎo)。
11.一種用于路由光學(xué)信號的方法，包括將基本上準直的多模相干光束引導(dǎo)到第一大芯徑中空波導(dǎo)中，該第一大芯徑中空波導(dǎo) 具有覆蓋該第一大芯徑中空波導(dǎo)的內(nèi)部的反射涂層；以及用耦合裝置將該光束耦合到第二大芯徑中空波導(dǎo)中，該第二大芯徑中空波導(dǎo)具有覆蓋 該第二中空波導(dǎo)的內(nèi)部的反射涂層；其中該耦合裝置光學(xué)耦合到該第一和第二波導(dǎo)，并且被配置為將該多模相干光束的至 少一部分從該第一波導(dǎo)重定向到該第二波導(dǎo)，其中通過該耦合裝置的光路足夠地短以使得 通過該耦合裝置的該多模相干光的光束走離小于該第一大芯徑中空波導(dǎo)的寬度的一半。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，還包括用該耦合裝置將該相干光束耦合到第二大芯徑中空波導(dǎo)中，其中該耦合裝置包括具有光束窗口區(qū)域的襯底，其中該光束窗口區(qū)域包括光束重定向裝置，該光束重定向裝置選自由如下項組成的組中半透明膜、電介質(zhì)膜、電介 質(zhì)疊層、具有包括主要尺寸小于該相干光的波長的金屬點的金屬覆蓋物的金屬化膜、金屬 化膜孔以及光柵耦合裝置。
全文摘要
公開了一種用于路由光學(xué)信號的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)包括第一大芯徑中空波導(dǎo)(205)，該第一大芯徑中空波導(dǎo)(205)具有覆蓋該波導(dǎo)內(nèi)部的反射涂層(213)并且被配置為對基本上準直的多模相干光束(208)進行導(dǎo)向。用耦合裝置(210)將具有內(nèi)部反射涂層的第二大芯徑中空波導(dǎo)(208)耦合到第一波導(dǎo)。該耦合裝置被配置為通過光路使該相干光束的至少一部分從第一波導(dǎo)重定向到第二波導(dǎo)，該光路足夠地短以使得通過該耦合裝置的該相干光的光束走離小于第一大芯徑中空波導(dǎo)的寬度的一半。
文檔編號G02B6/26GK101815961SQ200880109804
公開日2010年8月25日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月1日
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