專利名稱：光學(xué)波導(dǎo)用的反射耦合陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)通信，尤其涉及分離波長的光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
輸入和輸出通常被耦合到平面波導(dǎo)的端部，與光通過波導(dǎo)傳播的方向相對準(zhǔn)。例如，光纖輸入和輸出通常通過使每個光纖的纖芯層與平面波導(dǎo)的芯層對準(zhǔn)而耦合的。環(huán)繞光纖纖芯的包層沿波導(dǎo)的端部分離纖芯。能夠被耦合到波導(dǎo)一個端部的光纖的數(shù)目是由光纖的直徑限制的。
盡管平面波導(dǎo)內(nèi)的特征得到進一步小型化，但是，為了給輸入和輸出光纖的耦合提供足夠的空間，波導(dǎo)的尺寸常常明顯增大。光纖直徑通常測得約為125微米，能夠?qū)⑵錅p小到僅70至75微米，而結(jié)構(gòu)或功能不會產(chǎn)生明顯劣化。對諸如激光光源和光電探測器的其它類型的輸入和輸出，出現(xiàn)類似的問題，激光光源和光電探測器在橫向尺寸(即，直徑)通常比光纖都更大。
在各個和共用輸入或輸出(例如光纖)之間傳送光學(xué)信號的平面波導(dǎo)復(fù)用器/分用器裝置中尤其會出現(xiàn)這一問題。在許多這種平面波導(dǎo)中，諸如衍射光柵的色散機構(gòu)使不同波長的信號從角度上分開，諸如透鏡的會聚機構(gòu)將角度上分開的信號轉(zhuǎn)換為空間上分開的信號。輸入或輸出陣列沿平面波導(dǎo)的一端與空間分開的信號對準(zhǔn)。
緊密組合在一起的輸入或輸出更需要比不組合在一起的大得多的平面波導(dǎo)以實現(xiàn)其功能。無論色散機構(gòu)還是會聚機構(gòu)都必須增大尺寸，以便使信號在空間上分開，與輸入或輸出之間的間隔相匹配，或者必須增加一個中間耦合，以擴展信號的分離，與輸入或輸出間隔相匹配。中間耦合增加了至平面波導(dǎo)的長度和降低了耦合效率。
利用平面外的反射鏡還實現(xiàn)了平面波導(dǎo)的相互耦合和與諸如激光器和光電探測器等外部器件的耦合，反射鏡在垂直于光在平面波導(dǎo)中傳播的方向上反射光。例如，授予Kawachi等人的第4,750,799號美國專利在平面波導(dǎo)的導(dǎo)引頭之間安裝一個微反射的反射鏡，使光以直角折轉(zhuǎn)到安裝在平面波導(dǎo)上部的外部器件。微反射的反射鏡是由鍍膜玻璃或塑料單獨制造的并被安裝在導(dǎo)引頭之間，使反射鏡的反射表面的取向與光傳播方向呈45度。
授予Blonder等人的第5,182,787號和授予Nurse等人的第5,263,111號美國專利說明了與平面波導(dǎo)總體結(jié)構(gòu)中類似的平面外反射鏡的制備。這兩項專利都涉及平面波導(dǎo)中的蝕刻腔體和用反射材料涂覆腔體的傾斜側(cè)壁。Blonder等人蝕刻接近垂直的相對的側(cè)壁，使輻射到腔體中的光學(xué)的衍射減至最小。Nurse等人除了傾斜側(cè)壁之外還涂覆一部分腔體底層和擱板，以提高反射表面的均勻性。
然而，已經(jīng)提議的將外部器件或其它平面波導(dǎo)耦合到平面波導(dǎo)上下表面的安排中沒有一個承擔(dān)減小多個輸入或輸出的間隔要求的任何建議。
發(fā)明概要本發(fā)明對于縮小光學(xué)裝置的尺寸是特別有用的，這些光學(xué)裝置涉及信號的耦合或者由波長區(qū)分信號各部分。不改變這些裝置的輸入或輸出的外部尺寸，有效地使輸入或輸出更緊密地定位在一起，以降低波長在裝置中空間散開的要求。
根據(jù)光在光學(xué)裝置中傳播的方向，相同的耦合元件通常既能起輸入的功能又能起輸出的功能。由于本發(fā)明與改善多個波長的耦合有關(guān)，不管光傳播的方向怎樣，輸出“輸入/輸出”被用于表示可以起輸入、輸出或者二者功能的這些元件。
本發(fā)明的一個例子包括一個波導(dǎo)中的波長分離器，它使不同波長射到位于波導(dǎo)傳播平面內(nèi)沿焦線的各焦點上。也位于波導(dǎo)內(nèi)的反射表面使波長折轉(zhuǎn)到傳播平面之外而與輸入/輸出陣列相對準(zhǔn)。反射表面中至少有一些偏離焦線，以致于間隔開的輸入/輸出在沿焦線的方向上能夠更緊密地靠在一起。
較佳地，反射表面位于以某一角度與焦線相交的中心線上。輸入/輸出沿相應(yīng)的中心線排列并能夠作為一組安裝在波導(dǎo)的表面上。輸入/輸出沿中心線的間隔是由輸入/輸出的外部尺寸限制的，而它們沿焦線的有效間隔被減小為中心線與焦線之間夾角的余弦的倍數(shù)。
不同波長聚焦的焦深至少與反射表面偏離焦線的量值一樣大是較佳的，因此，偏離量對會聚波長的模場尺寸或者對產(chǎn)生的耦合效率產(chǎn)生微乎其微的影響。然而，通過反射表面的形狀變化使波長重新聚焦在所需尺寸內(nèi)能夠容納更大的偏離量。此外，可以使每個反射表面分別相對于它們的公共中心線傾斜，以增強耦合效率。
可以采用各種方法，包括容納集成、混合和整體設(shè)計的各種方法，能夠制成反射表面。例如，通過蝕刻一個腔體，其側(cè)壁與傳播平面通過一公共角度傾斜，能夠?qū)⒎瓷浔砻婕稍谄矫娌▽?dǎo)內(nèi)。腔體可以是空的，以支持來自一個傾斜側(cè)面的全反射，或者，另一個側(cè)面能夠涂覆一層反射表面，腔體能夠填充折射率匹配材料，支持來自被涂覆側(cè)面的外反射。
在平面波導(dǎo)中也能夠形成一種更常見的腔體并填充一種不同的材料，形成反射表面。例如，腔體內(nèi)能夠填充有機材料，通過照射紫外光能夠?qū)⑵錈g，留下一個傾斜表面。也能夠采用光敏材料來填充腔體。采用對光敏材料的有選擇的曝光和接著進行的顯影能夠產(chǎn)生類似的傾斜表面。其它光敏材料與干涉光束能在由多個部分反射表面組成的腔體中產(chǎn)生一個全息光柵。全息光柵起具有反射所需波長的通帶的干涉濾光片的作用。
反射表面也能作為一個或多個反射光具單獨形成和插入到在平面波導(dǎo)中形成的腔體或槽中。例如，能夠?qū)⒕哂腥墙孛娴谋」饫w安裝在波導(dǎo)中形成的槽中。光纖的一個側(cè)表面能夠被涂覆，形成一個連續(xù)反射表面，將其定向為使波長折轉(zhuǎn)到傳播平面之外并與各個輸入/輸出相對準(zhǔn)。也能夠安裝一個類似的光纖，提供傳播平面與輸入/輸出陣列之間的內(nèi)全反射。
在絕大多數(shù)情況中，希望輸入/輸出是光纖，在這些光纖的里端上能夠形成反射表面。例如，輸入/輸出光纖的里端能夠被切割成45度角度并涂覆成反射表面。一個共用安裝塊體支撐光纖相對于波長分離器的有角度端部，以縮小沿分離器焦線波長之間的所需空間間隔。
附圖簡述

圖1是依照本發(fā)明排列的混合分用器的平面示意圖。
圖2是沿圖1線2-2截取的分用器的截面圖。
圖2A-2B是能夠被耦合到圖1和2的分用器上的兩種不同光纖的放大截面圖。
圖3是分用器的部分放大俯視圖，表示沿圖面法向延伸的輸入和輸出光纖之間的各種關(guān)系。
圖4與圖3相似，但是輸入和輸出光纖被移開，以展示嵌埋在平面波導(dǎo)中的反射器陣列。
圖5A-5C是一個相似的平面波導(dǎo)的部分放大截面圖，表示在蝕刻腔的相對側(cè)面上形成的兩種反射表面型式。
圖6A-6D是另一個波導(dǎo)的類似圖，通常腔中填充有進一步被處理而形成反射表面的材料。
圖7A-7C是平面波導(dǎo)的類似圖，腔體中填充有立體光柵，圖7D是該光柵的進一步放大圖。
圖8是依照本發(fā)明排列的另一混合多路分解器的平面示意圖。
圖9是沿圖8線9-9截取的另一分用器的截面圖。
圖10A-10C是在支持三角形截面光纖的另一分用器的平面波導(dǎo)中形成的槽的部分放大圖。
圖11是依照本發(fā)明排列的塊體分用器的平面示意圖。
圖12是沿圖11線12-12截取的塊體分用器的截面圖。
詳細描述圖1-4示出本發(fā)明第一實施例，為一個波長分用器10。通過使輸入光纖12與輸出光纖陣列14a-14e之間光束傳輸?shù)姆较虻罐D(zhuǎn)，同樣的裝置也可以被當(dāng)作一個復(fù)用器。在這個實施例中，輸入光纖12將多個不同波長的信號(也稱為通道)輸送到分用器；每個輸出光纖14a-14e從分用器10中輸送出不同波長信號之一。
分用器10作為混合光學(xué)裝置而構(gòu)造，具有反射式衍射光柵16，被連接到平面波導(dǎo)18的一端，平面波導(dǎo)含有裝置的其余元件。衍射光柵16包括用一個單獨光學(xué)元件能夠很方便地形成的反射特征。例如，能夠機械蝕刻、浮雕蝕刻、或復(fù)制或利用垂直于其表面的光刻曝光能夠形成衍射光柵16的特征。
平面波導(dǎo)18有襯底20，其上依次淀積芯層22和上包層24。在本實施例中，襯底20起下包層的作用。然而，也可以在襯底20與芯層22之間淀積一層單獨的下包層。通常，芯層22的折射率高于周圍襯底20和上包層24的折射率，從而限定光束通過平面波導(dǎo)18在傳播平面25中傳播?？梢钥刂菩緦?2的厚度以限制多模傳輸。
平面波導(dǎo)18中的空氣腔28形成平面透鏡26。所示的透鏡26是穿透蝕刻芯層和上包層22和24而形成的。然而，通過僅蝕刻上包層24能夠形成類似的透鏡，使其成為一個裝有介質(zhì)的截面。腔體28中也能夠填充高折射率的材料和作適當(dāng)?shù)男螤钭兓跃S持所需的聚焦特性。
衍射光柵16和平面透鏡26合起來起波長分離器的作用。衍射光柵16從角度上分散輸入光纖12注入的不同波長信號，平面透鏡26通過把每個角度上散開信號聚焦在焦線30的不同位置上從空間上分開不同波長信號。更具體地說，平面透鏡26首要功能是作為一個準(zhǔn)直器，把從表現(xiàn)點源(輸入光纖12)出射的一組球形波前的信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤M平行平面波前。衍射光柵16使根據(jù)它們的波長而相對傾斜的一組平面波前返回。然后，平面透鏡26以單一角度將各個波長聚焦在焦線30的不同位置上。
衍射光柵16和透鏡26的總尺寸大小主要是由焦線30上波長信號之間的所需間隔“S”確定的，在本實施例中，它被減小到小于輸出光纖14a-14e的外直徑“D”。這一減小之所以可能是因為對輸出光纖14a-14e的傳統(tǒng)取向作了兩種變化。首先，輸出光纖14a-14e延伸到傳播平面25之外，較佳地垂直于該傳播平面。其次，輸出光纖14a-14e的里端沿中心線32排成一行，該中心線32在傳播平面25中相對于焦線30傾斜一角度“α”。按照以下的數(shù)學(xué)表達式，相對于直徑“D”減小不同波長信號之間的所需間隔“S”S＝D cosα因此，間隔“S”的減小僅僅是傳播平面25內(nèi)的傾斜角“α”的函數(shù)。輸出光纖14a-14e延伸到傳播平面25之外使得這一角度變化成為可能。然而，從傳播平面25到達輸出光纖14a-14e，信號在從傳播平面出來和進入輸出光纖必須折向與輸出光纖14a-14e的新取向相對準(zhǔn)。
這是通過在平面波導(dǎo)18內(nèi)各個腔體36a-36e中形成的輸出反射表面陣列34a-34e實現(xiàn)的。與輸出光纖14a-14e相類似，輸出反射表面34a-34e沿中心線32排成一行。然而，每個輸出反射表面34a-34e也相對于傳播平面25傾斜約45度角度，較佳地在傳播平面25內(nèi)以可變角度“β”相對于中心線32傾斜。角度“β”的大小隨離開平面透鏡26的光軸38的距離而變化，使得反射表面34a-34e面向透鏡26的中心40。
同樣在平面波導(dǎo)18的腔體44中形成輸入反射表面42，將輸入光纖12耦合到平面波導(dǎo)18。輸入光纖12平行于輸出光纖14a-14e延伸。輸入反射表面42相對于傳播平面25傾斜約45度，其中心位于焦線30上。
輸出反射表面34a-34e中只有反射表面34c位于焦線30上。其它所有輸出反射表面34a、34b、34d和34e在光軸38的方向上都偏離焦線30不同量值。較佳地，最大偏移量“Om”在平面透鏡26的焦深之內(nèi)，以致于通過偏移距離僅出現(xiàn)不同波長信號模場半徑的微小變化。此外，腔體36a-36e和44的尺寸最好盡可能地保持小，以限制平面波導(dǎo)18與光纖14a-14e和12之間的傳播長度，通過它會發(fā)生進一步的信號發(fā)散。
對于給定的焦距，通過使平面透鏡26的數(shù)值孔徑減至最小，可以增大焦深，平面透鏡的數(shù)值孔徑必須足夠大從而基本上收集輸入光纖12所發(fā)射的全部光束。光纖12和14a-14e的數(shù)值孔徑可以通過控制光纖12和14a-14e的芯層與包層46與48之間的折射率差來調(diào)節(jié)。在光纖端部增大芯層46相對于包層48的尺寸也能夠用于提高傳輸效率。利用反射表面作為第二會聚光具能夠進一步控制信號的發(fā)散度。例如，可以把反射表面34a-34e和42形成為凹形表面，對信號進行再次焦距。
也能夠?qū)饫w12和14a-14e的里端進行改進，提供控制信號發(fā)散度的聚焦性。圖2A和2B示出兩個例子。圖2A的光纖13端接于光纖GRIN(梯度折射率)透鏡15，調(diào)節(jié)其長度以提供所需的聚焦性。通常，光纖GRIN透鏡15的長度約為四分之一節(jié)距，但是最好略長一些，從而將發(fā)散光束會聚到光纖13內(nèi)。在題目為“梯度折射率光纖透鏡的分析和評價”、發(fā)表在“Journal of LightwaveTechnology”Vol.LT-5，No.9，September 1987、這里引作參考的文章中揭示了有關(guān)光纖GRIN透鏡設(shè)計的更詳細的信息。
圖2B的光纖17端接于微透鏡19，以提供類似的聚焦性。較佳地，凸面形狀的微透鏡19是通過蝕刻在光纖17的端部形成的。在題目為“形成在VAD單模光纖端部上的微透鏡”、發(fā)表在“Electronics Letters”Vol.18，January 1982，71-72頁、這里引作參考的文章中揭示了形成這種透鏡的化學(xué)蝕刻/精密拋光技術(shù)的進一步細節(jié)。
回到圖1和2，輸出光纖14a-14e的里端在公共安裝塊50內(nèi)最好是準(zhǔn)直的，公共安裝塊50附著到平面波導(dǎo)18的表面52上?？梢岳酶鞣N各樣的已知手段，包括激光焊接、采用環(huán)氧樹脂膠合或者玻璃料密封，將塊50附著到平面波導(dǎo)18上。這種塊本身可以含有限定光纖的V形槽，在一般取向上安裝光纖是眾所周知的。
也能夠以包括相似的尺寸減小的各種不同方法構(gòu)造分用器10。例如，可以用更常見的方式將輸入光纖12安裝為與傳播平面25相準(zhǔn)直或者與同一安裝塊50內(nèi)的輸出光纖14a-14e相準(zhǔn)直。也能夠以各種圖案，如按照曲線或鋸齒形的圖案使輸出光纖14a-14e相對于焦線30而偏移。在交錯圖案中，所有的輸出光纖能夠以離開焦線的相同距離產(chǎn)生最小偏移。另一方面能夠?qū)⒀苌涔鈻?6作為平面波導(dǎo)18內(nèi)的一個集成結(jié)構(gòu)而形成，在傳播平面25內(nèi)形成曲線，也執(zhí)行平面透鏡26的部分或全部會聚功能。
圖5A-7D示出在將平面外反射表面集成到相似的平面波導(dǎo)中的各種方法。在圖5A中，平面波導(dǎo)60以角度“σ”傾斜于照射光束62的法向，形成腔體64，腔體具有相對的側(cè)面66和68，它們同樣傾斜于傳播平面65。光束62可以由電離等離子體形成，將其照射在兩個電極(未示出)之間，通過反應(yīng)性離子蝕刻形成腔體64。諸如鉻的可除去材料70掩蓋平面波導(dǎo)60的其余部分不受光束62照射。
相對側(cè)面66和68的任何一面都可以用于確定反射表面的方向。在圖5B中，腔體64為空腔，側(cè)面66形成具有“內(nèi)全反射”反射表面功能的邊界表面。側(cè)面66以足夠的角度“σ”相交于波導(dǎo)60的上表面71，使得沿波導(dǎo)芯層74傳播的信號72反射到傳播平面65之外和進入垂直于傳播平面65延伸的準(zhǔn)直的光纖78芯層76。
在圖5C中，側(cè)面68涂覆有起反射表面作用的反射涂層。采用折射率匹配的材料84(如環(huán)氧樹脂)填充空余腔體64，以阻止由芯層74與腔體64之間折射率差引起的來自側(cè)面66的反射。移動光纖78，使得其芯層76通過側(cè)面68上的反射涂層82與平面波導(dǎo)的芯層74相通。側(cè)面66與68之間的間隔最好盡可能小(例如10-30微米)，限制光學(xué)信號72的路徑長度，在這一路徑上會發(fā)生超出芯層74和76的發(fā)散。
在圖6A-6D中，在平面波導(dǎo)90中形成更一般的腔體88并填充材料92，材料92與相對于傳播平面95以相似角度“σ”傾斜的照射光束94相互作用。包括相對側(cè)面96和97的腔體88較佳地形成一個矩形截面，使得側(cè)面96垂直于傳播平面95延伸，以使來自其表面的不希望有的反射或折射減至最小。
照射光束與填充腔體88的材料92相互作用，形成一個傾斜表面98，該表面接著可以涂覆反射材料100，形成一個超出平面的反射表面。例如，材料92可以是有機材料，如丙烯酸或聚酰亞胺；照射光束94可以是例如由激元激光器產(chǎn)生的高強度的紫外光光束，從腔體88中光致燒蝕不想要的部分材料92。平面波導(dǎo)90的其它部分是由諸如玻璃或硅酸鹽的不同材料形成的，在同樣的能量范圍內(nèi)不會被燒蝕。
另一方面，材料92可以是諸如正光致抗蝕劑的光敏材料，通過對其曝光可以使其變?yōu)榭扇艿?。Shipley 1400系列光致抗蝕劑或其它厚膜光致抗蝕劑是較佳的。顯影液可除去曝光區(qū)的材料92，留下相似的傾斜表面98。紫外光仍然可以用于對材料92曝光，但是，所需的能量密度比光致燒蝕所用的要低得多。
從傾斜表面98上涂層100的反射使信號102從平面波導(dǎo)90芯層104內(nèi)的傳播平面95轉(zhuǎn)向到與光纖108的芯層106準(zhǔn)直。與前面的實施例相似，腔體88最好盡可能小，以限制信號102的發(fā)散；可以采用折射率匹配材料(未示出)填充腔體88的其余部分，消除來自側(cè)面96的表面效應(yīng)。
在圖7A-7D中，平面波導(dǎo)110中的一般腔體112也填充有光敏材料114。然而，本實施例的光敏材料114是通過改變其折射率對光產(chǎn)生相互作用的。這種材料產(chǎn)生全息光柵是眾所周知的。
兩束光束116和118在部分反射表面120上相結(jié)合，以具有平面波前的駐波形式產(chǎn)生干涉光束122。干涉光束122也以角度“σ”傾斜于傳播平面125，它照射光敏材料114的空間間隔的平面部分124，改變被照平面部分124相對于其余平面部分126的折射率。使得交替的平面部分124和126具有“高”和“低”折射率，形成一個立體光柵130，它具有一系列的以光柵周期“∧”在空間上隔開的部分反射表面128。立體光柵130可以用作替代前面實施例中的反射鏡型的反射器，起一個寬帶濾光片的作用，反射所需波段的信號波長“λ”。
光柵周期“∧”與信號波長“λ”的關(guān)系為

式中“n有效”是光柵介質(zhì)衍射的折射率，“θ”是沿傳播平面125傳播的信號132落在立體光柵130的反射表面132上的入射角。角度“θ”也等于干涉光122傾斜于傳播平面125的角度“σ”。這些角度等于45度是較佳的，此時，上述的光柵周期“∧”的表達式可以簡化為

為了實現(xiàn)平面波導(dǎo)110與在傳播平面125外延伸的光纖134之間所需耦合效率，立體光柵130較佳地包含約15至20個由平面層124和126形成的折射率變化約0.1至0.2的反射表面128。更多的層和更大的“高”與“低”折射率之間差值能夠提高效率。然而，再一次表明，腔體112的尺寸應(yīng)當(dāng)盡可能地小，以限制平面波導(dǎo)110與光纖134之間的波長色散。
盡管立體光柵130最好制作在腔體112內(nèi)的適當(dāng)位置中，但是，立體光柵也可以作為單獨的光具制作并接著插入到平面波導(dǎo)110內(nèi)的適當(dāng)位置中。也可以采用其它類型的光柵，包括平行于傳播平面125延伸的平面光柵。
圖8-10C示出另一種分用器140，其中輸入/輸入光纖陣列142a-142e垂直于平面波導(dǎo)144被耦合。反射衍射光柵146安裝在波導(dǎo)144的一端，平面透鏡148集成在波導(dǎo)144之中。在截面圖中，波導(dǎo)144包括通常的襯底150、芯層152和外包層154。
然而，不是形成安裝反射光具陣列的各個腔體，而是在波導(dǎo)中形成一個連續(xù)的槽158，支撐具有單個反射表面162的光纖160。輸入/輸出光纖142a-142e的里端沿光纖160位于接收不同波長信號的位置中，不同波長信號沿透鏡148的焦線164散開。光纖160相對于焦線164傾斜角度“α”，使光纖142a-142e的里端能夠更密集地位于沿焦線164的維度中。
在平面波導(dǎo)144中能夠蝕刻或切割出的槽l58具有矩形截面；光纖160具有三角形截面。反射表面162位于三角形截面的直角三角斜邊上并含有反射涂層163。在涂覆前可以采用壓延或拋光來平滑反射表面162。其余的直角邊166和168使光纖160嚴(yán)格地定向在矩形槽158內(nèi)?？梢圆捎铆h(huán)氧樹脂或膠體將光纖160固定在位置中。
不是用圖10A所示的反射涂層覆蓋反射表面162，而是如圖10B所示使光纖160繞其軸旋轉(zhuǎn)180度并重新裝入槽158中，通過內(nèi)全反射而反射信號。也可以采用其它的截面形狀，只要光纖的一端起所需反射表面的作用。此外，可以將光纖160裝在具有縱向彎曲形狀的另一種槽中，更有效地耦合平面波導(dǎo)144與輸入/輸出光纖142a-142e之間的信號。
如圖10C所示，另一種光纖160a能夠代替提供輔助的聚焦特性。形成的反射表面162a具有被吸入到光纖160a中的彎曲截面和淀積在光纖160a上的反射涂層163a。在其它陣列實施例的反射表面上可以設(shè)置類似的曲率。
諸如圖11和12所示的塊體分用器170的塊體光學(xué)裝置也能夠從本發(fā)明中得益。反射光柵172、準(zhǔn)直透鏡174和輸入/輸出光纖陣列176a-176e都裝在一個公共支承178上。折射率與光纖176a-176e包層(未示出)相匹配的中間塊體180與光纖176a-176e相對準(zhǔn)直并將它們安裝在該公共支承178上。
與上述實施例相似，光纖位于中心線186上，中心線相對于準(zhǔn)直透鏡174的焦線188傾斜角度“α”。然而，不是利用單獨的反射光具使沿焦線188散開的信號與光纖176a-176e相耦合，而是以某一角度切割光纖176a-176e的里端192a-192e并涂覆執(zhí)行類似功能的反射涂層。
最好對里端192a-192e進行拋光以增強反射率，里端192a-192e可以類似圖1-4的反射表面分別定向和成形，以提高耦合效率。不是利用反射涂層，里端192a-192e可以暴露于具有極低折射率的媒介(較佳地為空氣)，以支持內(nèi)全反射。
沿透鏡174的光軸194向焦線188上各個焦點傳播的不同波長的信號被里端192a-192e直接反射到輸入/輸出光纖176a-176e中。里端192a-192e的角度對準(zhǔn)減小了沿焦線188不同波長之間所需的色散量。由于焦線188基本上垂直于光軸194，因此，裝置170垂直于光軸194的尺寸受這一變化的影響最大。
盡管在僅涉及分用器的實施例中對本發(fā)明作了說明，但是，其它的光學(xué)設(shè)計也能夠從本發(fā)明中得益。例如，本發(fā)明對于提高耦合到攝譜儀和波長色散補償裝置是有用的，它們需要這種耦合來發(fā)射一部分連續(xù)光譜。此外，不同實施例的各種特征可以相互替換或組合。例如，可以將具有斜角端部的光纖插入平面波導(dǎo)內(nèi)的腔體中。
權(quán)利要求
1.一種傳送多個不同波長的光學(xué)裝置，其特征在于所述裝置包括在平面內(nèi)傳播不同波長的波導(dǎo)；將不同波長射到沿位于所述平面內(nèi)焦線的各焦點上的波長分離器；使波長折轉(zhuǎn)到所述平面之外并與輸入/輸出陣列相準(zhǔn)直的多個反射表面部分；以及所述反射表面部分中至少有一些偏離所述平面內(nèi)的所述焦線，從而使所述輸入/輸出的空間間隔在沿焦線的維度上能夠靠得更近。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的反射表面部分位于以某一角度與所述焦線相交的中心線上。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于輸入/輸出的定位更靠近一個中心線與焦線之間夾角余弦的倍數(shù)。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述的反射表面部分以一個共同角度相對于所述平面共同傾斜和以不同的角度相對于所述中心線分別傾斜。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的反射表面部分是彎曲的，使不同波長重新聚焦，與輸入/輸出的所需模場尺寸更好地匹配。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述波導(dǎo)是平面波導(dǎo)，具有一層被包層包圍的芯層。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于至少一個腔體是通過波導(dǎo)的所述芯層形成的，用于安裝所述的反射表面部分。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述腔體包括面向通過平面波導(dǎo)波長傳播方向的第一和第二表面。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于所述第一和第二表面通過一個共同角度相對于所述平面而定向。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述第一表面具有一個邊界表面，通過來自所述第一表面的內(nèi)反射使波長折轉(zhuǎn)到該平面之外。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于所述的第二表面包括一層反射涂層，用于把波長折轉(zhuǎn)到該平面之外。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于所述腔體中填充有折射率匹配的材料，以阻止來自所述第一表面的內(nèi)反射。
13.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述的反射表面部分是由裝在所述腔體內(nèi)的一個連續(xù)光纖形成，具有一個把波長反射到平面之外的平面的側(cè)表面。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的連續(xù)光纖具有三角形截面。
15.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述腔體包括一個反射光柵，起把波長折轉(zhuǎn)到平面之外的至少一個所述反射表面部分的功能。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述的反射光柵是一個立體光柵，具有多個折射率變化的層，產(chǎn)生一系列部分反射。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其特征在于所述的多層以一個共同的角度相對于所述平面定向。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于所述的反射光柵還起一個濾光片的作用，反射有限波段的波長。
19.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于所述的腔體中填充有斜坡形式的第一種材料并覆蓋有增強反射率的第二種材料。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其特征在于所述的第一種材料不同于用于形成所述芯層和包層的材料。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于所述的第一種材料是易于受紫外輻射的光致燒蝕影響的有機材料。
22.如權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于所述的第一種材料是通過顯影可以有選擇地除去的光敏材料。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的輸入/輸出是具有與所述多個反射表面對準(zhǔn)的里端的光纖。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于所述的光纖的里端裝入提高所述光纖與所述反射表面之間耦合效率的會聚光具。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于所述會聚光具是纖維GRIN透鏡。
26.如權(quán)利要求24所述的裝置，其特征在于所述會聚光具是微透鏡。
27.一種相對于光軸分開多個波長的光學(xué)裝置，其特征在于所述裝置包括在傳播平面內(nèi)從空間上區(qū)分不同波長與光軸的波長分離器；在所述傳播平面之外延伸的輸入/輸出陣列；使不同波長折轉(zhuǎn)到與所述輸入/輸出陣列相準(zhǔn)直的反射器陣列；以及所述反射器陣列包括在所述傳播平面內(nèi)偏離垂直于光軸的直線的各個反射器，使得所述輸入/輸出的空間間隔在垂直于光軸的維度上靠得更近。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于所述輸入/輸出是光纖。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于所述反射器陣列是由所述光纖的傾斜端形成的。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其特征在于所述傾斜端有一個反射表面，使不同波長在所述傳播平面與含有所述光纖的另一平面之間產(chǎn)生折疊。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于所述傾斜端被裝在一個公共光學(xué)支撐中。
32.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于所述輸入/輸出沿單條直線排列，該直線在所述傳播平面內(nèi)傾斜于垂直于所述光軸的所述線。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于所述輸入/輸出被裝在一個公共光學(xué)支撐中。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于包括一個沿所述傳播平面引導(dǎo)波長的平面波導(dǎo)。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于所述平面波導(dǎo)包括上、下表面，所述公共光學(xué)支撐被附著到所述平面波導(dǎo)的所述上表面上。
36.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于所述反射器陣列是為了把整個連續(xù)光譜范圍上的波長傳送到所述輸入/輸出陣列而排列的。
37.如權(quán)利要求36所述的裝置，其特征在于所述輸入/輸出在垂直光軸的維度上被足夠緊密地定位在一起，以傳送連續(xù)光譜。
38.如權(quán)利要求37所述的裝置，其特征在于所述光學(xué)裝置是色散補償器。
39.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于所述反射器陣列的所述各個反射器是由連續(xù)反射表面的不同部分形成的。
40.如權(quán)利要求39所述的裝置，其特征在于所述連續(xù)反射表面是由一根具有反射光的平表面的光纖形成的。
41.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于所述反射器陣列由至少一個反射光柵形成。
42.如權(quán)利要求41所述的裝置，其特征在于所述反射光柵是一個由不同折射率的材料層交替組成的體積光柵。
43.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于所述反射器陣列是在波導(dǎo)中由至少一個邊界表面形成的，該表面提供波長在所述傳播平面與所述輸入/輸出陣列之間的內(nèi)全反射。
44.如權(quán)利要求43所述的裝置，其特征在于所述邊界表面由波導(dǎo)中形成的腔體的底切表面形成。
45.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于所述反射器陣列是在波導(dǎo)的至少一個腔體中形成的，所述波導(dǎo)具有以約45度角度共同傾斜于所述傳播平面的相對表面。
46.如權(quán)利要求45所述的裝置，其特征在于所述相對表面中一個被反射材料所覆蓋，所述腔體的其余部分填充有折射率匹配的材料。
47.如權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于所述反射器陣列在波導(dǎo)的至少一個腔體中形成，所述腔體部分填充有不同于周圍波導(dǎo)的材料。
48.如權(quán)利要求47所述的裝置，其特征在于所述材料是易于被紫外輻射光致燒蝕的有機材料。
49.如權(quán)利要求47所述的裝置，其特征在于所述材料是通過顯影可以有選擇地除去的光敏材料。
50.一種在平面波導(dǎo)中產(chǎn)生光學(xué)耦合的方法，平面波導(dǎo)有一個沿焦線在空間上區(qū)分不同波長的機構(gòu)，所述方法包括步驟使平面波導(dǎo)相對于定向光束相對定向，使得該定向光束以非法向的入射角傾斜于平面波導(dǎo)的表面；從平面波導(dǎo)中去除一塊材料，露出平面波導(dǎo)的芯層；通過平面波導(dǎo)的芯層形成與定向光束對準(zhǔn)的傾斜表面部分；將輸入/輸出陣列安裝到平面波導(dǎo)的表面上，使得在平面波導(dǎo)的芯層中傳播并被傾斜表面部分反射的波長耦合到輸入/輸出陣列；以及使所述反射表面部分中至少有一些的取向偏離所述平面內(nèi)的所述焦線，使得所述輸入/輸出的空間間隔在沿焦線的維度上靠得更近。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，其特征在于所述的去除步驟包括蝕刻多個腔體，它們具有以非法向入射角共同傾斜的相對側(cè)面。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其特征在于所述的傾斜表面部分是由以非法向入射角傾斜的相對側(cè)面中的一個形成的。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于進一步包括將掩膜施加到平面波導(dǎo)的表面上、留下露出平面波導(dǎo)表面上多個區(qū)域的開孔的步驟。
54.如權(quán)利要求53所述的方法，其特征在于所述的去除步驟包括以非法向的入射角將一束等離子體射在平面波導(dǎo)的表面上。
55.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于相對側(cè)面中的一個底切平面波導(dǎo)的表面并形成傾斜表面部分。
56.如權(quán)利要求52所述的方法，其特征在于進一步包括步驟將一層反射涂層施加到相對側(cè)面的一個上以形成傾斜表面部分；以及用折射率與芯層相匹配的材料填充腔體，避免來自相對側(cè)面中另一個的內(nèi)反射。
57.如權(quán)利要求50所述的方法，其特征在于所述的去除步驟包括在使平面波導(dǎo)相對定向的步所述驟前蝕刻多個腔體。
58.如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于進一步包括用有機材料填充腔體的步驟。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其特征在于定向光束是由紫外光組成的，形成傾斜表面部分的所述步驟包括利用定向光束去除一部分有機材料。
60.如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于包括用光敏材料填充腔體的進一步的步驟。
61.如權(quán)利要求60所述的方法，其特征在于形成傾斜表面部分的所述步驟包括利用定向光束對一部分光敏材料顯影，接著去除顯影后的部分。
62.一種在平面波導(dǎo)中形成平面外反射鏡的方法，所述方法包括步驟將掩膜施加到平面波導(dǎo)的表面上，留下露出平面波導(dǎo)表面上多個區(qū)域的開孔；使平面波導(dǎo)相對于等離子體的定向射束相對定向，使得定向射束以非法向的入射角相對平面波導(dǎo)的露出表面傾斜；利用定向射束在平面波導(dǎo)中蝕刻一個腔體，該平面波導(dǎo)具有以非法向入射角度共同傾斜的相對的側(cè)面；以及使所述相對側(cè)面中至少一個定向，支持在平面波導(dǎo)內(nèi)傳播的光的內(nèi)全反射。
63.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于所述相對側(cè)面中至少有一個形成平面外反射鏡。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于相對側(cè)面中有一個底切平面波導(dǎo)的表面并形成平面外反射鏡。
65.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于進一步包括在相對側(cè)面中的一個上施加反射涂層以形成平面外反射鏡的步驟。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于進一步包括用折射率與平面波導(dǎo)的芯層相匹配的材料填充腔體以避免來自相對側(cè)面中另一個的內(nèi)反射的步驟。
全文摘要
使波長沿焦線散開的耦合光學(xué)裝置,包括使光折轉(zhuǎn)到傳播平面之外并與輸入或輸出陣列相對準(zhǔn)的反射表面。有些反射表面偏離焦線,以致于分開的輸入或輸出在沿焦線的維度上能夠更緊密地靠在一起。
文檔編號G02B6/136GK1241262SQ97180890
公開日2000年1月12日 申請日期1997年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月4日
發(fā)明者V·A·巴格瓦圖拉 申請人:康寧股份有限公司