專利名稱：包括輸出光束改變的離面?zhèn)鬏敼庑盘栔C振耦合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括輸出光束改變的離面?zhèn)鬏敼庑盘栔C振耦合。
背景技術(shù)：
納米級集成光學器件正在迅速實現(xiàn)信號生成和處理功能，而這些功能在以前則一直限制在純電子領(lǐng)域。這些通常是平面的納米級器件一般包括由襯底支撐的平面波導(dǎo)，其中平面波導(dǎo)將光限制在襯底中。然而，可能難以在離面(out-of-plane)方向?qū)⒐庑盘枏钠矫娌▽?dǎo)耦合出去，以用于自由空間傳輸，或更典型地，以耦合到光纖。另外，在離面方向從平面襯底引出的光信號所具有的模式性質(zhì)取決于引出系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，并且模式性質(zhì)可能并不完全符合所希望的應(yīng)用。外部的體光學元件已經(jīng)被用來對引出光束成形，以獲得希望的發(fā)射特性。例如，諸如柱面或球面透鏡之類的外部透鏡可以被用來將引出光束聚焦到相鄰的光纖中。然而，體光學元件的尺寸和對準限制使得它們與集成光學元件一起使用時是有問題的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的光學系統(tǒng)包括在平面襯底中形成的光學諧振系統(tǒng)以及在光學諧振系統(tǒng)的表面上形成的光學結(jié)構(gòu)，其中光學諧振系統(tǒng)用于沿著相對于襯底的離面方向發(fā)射諧振光信號，光學結(jié)構(gòu)用于改變所發(fā)射的諧振信號的特性。例如，該光學結(jié)構(gòu)是被配置為向一部分諧振信號加入相移的電介質(zhì)層。因為諧振信號由具有軸對稱輻射圖的單個諧振模式組成，所以相移例如可以被用來對所發(fā)射的諧振信號的輸出特性進行準直、擴散、引導(dǎo)和一般成形。該光學結(jié)構(gòu)還可以被用來調(diào)諧光學諧振系統(tǒng)的品質(zhì)因子(Q)。


參考下列附圖可以更好地理解本發(fā)明。附圖中的部件不必是按比例的，而是著重于清楚地圖示本發(fā)明的原理。此外，在附圖中，在所有的視圖中相似的標號標示相應(yīng)的部件。
圖1是圖示了本發(fā)明的光學諧振系統(tǒng)的實施例的框圖。
圖2是圖示了本發(fā)明的光學諧振系統(tǒng)的另一實施例的框圖。
圖3是圖示了用于使用圖2的光學諧振系統(tǒng)的方法的流程圖。
圖4是本發(fā)明的光學諧振系統(tǒng)的實施例的示意圖。
圖5是圖2的光學諧振系統(tǒng)的橫截面視圖，示出了在光學襯底中形成的諧振腔。
圖6是圖示了圖5的光學諧振系統(tǒng)的第一功能的示意圖。
圖7是圖示了圖5的光學諧振系統(tǒng)的另一功能的示意圖。
圖8是圖示了圖5的光學諧振系統(tǒng)的另一功能的示意圖。
圖9是圖示了用于制作圖5的光學諧振系統(tǒng)的方法的流程圖。
圖10是圖示了用于制作圖5的光學諧振系統(tǒng)的另一方法的流程圖。
圖11是示出了圖5的光學諧振系統(tǒng)的工作的圖。
圖12是在不帶有光學諧振系統(tǒng)的頂部平板的情況下圖5的光學諧振系統(tǒng)的橫截面視圖。
圖13A示出了在光學諧振系統(tǒng)表面上形成以改變所發(fā)射的諧振信號特性的光學結(jié)構(gòu)的橫截面?zhèn)纫晥D。
圖13B示出了圖13A所示的同心環(huán)的立體圖。
圖14示出了光學諧振系統(tǒng)的一半的橫截面?zhèn)纫晥D，以及作為離光學諧振結(jié)構(gòu)的中心軸的距離ρ的函數(shù)的電場Eφ的振幅的相對的快照。
圖15示出了在頂部表面形成光學結(jié)構(gòu)的情況下光學諧振系統(tǒng)的一半的橫截面?zhèn)纫晥D，以及作為離光學諧振結(jié)構(gòu)的中心軸的距離ρ的函數(shù)的電場Eφ的振幅的相對的快照。
圖16示出了在光學諧振系統(tǒng)的表面處的歸一化輻射強度相對于離諧振腔的中心軸的距離ρ的關(guān)系的示例性曲線圖。
圖17示出了用于重定向光輻射的方法的過程流程圖。
具體實施例方式
下面參考附圖描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以實現(xiàn)為許多不同形式，并且不應(yīng)被理解為受限于這里所述的實施例；相反，這些實施例意在向本領(lǐng)域的技術(shù)人員傳達本發(fā)明的范圍。另外，這里給出的所有“示例”都應(yīng)該是非限制性的。
現(xiàn)在參考圖1，光輸入信號100被提供給光學諧振系統(tǒng)101。光學諧振系統(tǒng)101通過光學諧振系統(tǒng)101的諧振特性來捕獲光輸入信號101的能量。然后，光學諧振系統(tǒng)101發(fā)射光輸出信號102。作為示例，光輸出信號可以與光輸入信號100正交地被發(fā)射。
不同實施例中的光輸入信號100可以在許多不同的介質(zhì)中傳輸，這些介質(zhì)包括光纖波導(dǎo)、電介質(zhì)波導(dǎo)、自由空間等。所發(fā)射的光輸出信號102可能被衰減，但是通常保留可能已被編碼在光輸入信號100中的任何“信息內(nèi)容”。在多個實施例中的一個實施例中，光輸出信號102具有軸對稱的輻射圖，這對于將輸出信號耦合到光纖或其他集成光學器件中而言是理想的。
現(xiàn)在參考圖2，其示出了本發(fā)明另一實施例的框圖。在該實施例中，光輸入信號200傳輸進靠近光學諧振系統(tǒng)202的襯底區(qū)域201。光學諧振系統(tǒng)202捕獲一部分信號，并生成光輸出信號204。作為示例，光輸入信號在基本上與襯底區(qū)域的頂部和底部表面220、221相平行的方向傳輸，而光輸出信號可以在與光輸入信號200正交的方向被發(fā)射。
光學諧振系統(tǒng)通過捕獲光學諧振系統(tǒng)202中與光輸入信號200相關(guān)聯(lián)的瞬逝場203來工作。瞬逝場是當信號在波導(dǎo)中傳播時創(chuàng)建的。光輸入信號由于其電磁本質(zhì)在波導(dǎo)周圍自然地產(chǎn)生瞬逝場。光輸入信號200在光學諧振系統(tǒng)附近所創(chuàng)建的瞬逝場203與光學諧振系統(tǒng)202的至少一個模式發(fā)生諧振，導(dǎo)致光能被轉(zhuǎn)移到光學諧振系統(tǒng)202中。然后，光學諧振系統(tǒng)202優(yōu)選地在希望方向發(fā)射光能，以產(chǎn)生光輸出信號204。由光學諧振系統(tǒng)202創(chuàng)建的光輸出信號204可能被衰減，但是通常保留可能已被編碼在光輸入信號200中的任何“信息內(nèi)容”。在多個實施例中的一個實施例中，輸出信號204具有軸對稱的輻射圖，這種輻射圖對于將光輸出信號耦合到光纖或其他集成光學器件中而言是理想的。
現(xiàn)在參考圖3，其示出了使用圖2的光學諧振系統(tǒng)的一種方法的實施例。在方框300，光學諧振系統(tǒng)接收光信號。在方框301中，諧振特性被用來生成第二光信號。然后，在方框302中，發(fā)射第二信號。
作為示例，光學諧振系統(tǒng)通常通過波導(dǎo)來接收光信號。該波導(dǎo)可以終止于光學諧振系統(tǒng)，或者，波導(dǎo)可以繼續(xù)穿過光學諧振系統(tǒng)。在任一種情形中，延伸到波導(dǎo)外的瞬逝場允許光信號耦合到光學諧振系統(tǒng)。光學諧振系統(tǒng)的非對稱限制外形(containment profile)可以允許光學諧振系統(tǒng)選擇性地發(fā)射第二光信號。所發(fā)射的光信號然后可以被耦合到另一集成光學器件，或者只是光纖，以將所發(fā)射的光信號傳輸?shù)搅硪晃恢谩?br> 現(xiàn)在參考圖4，其示出了光學諧振系統(tǒng)的實施例的示意圖。在自由空間中示出的光學諧振系統(tǒng)的本實施例包括電介質(zhì)結(jié)構(gòu)400。電介質(zhì)結(jié)構(gòu)400包括電介質(zhì)平行平板401a～401f的第一結(jié)構(gòu)、電介質(zhì)同軸圓筒402a～402c的第二結(jié)構(gòu)。光學諧振系統(tǒng)的第一結(jié)構(gòu)與第二結(jié)構(gòu)交疊，并且兩者互相光學連通，以捕獲至少一部分光輸入信號。然后，第一和第二結(jié)構(gòu)工作以發(fā)射輸出信號。作為示例，光輸出信號可以在與光輸入信號正交的方向發(fā)射。
現(xiàn)在參考圖5，其示出了本發(fā)明的光學諧振系統(tǒng)的多個實施例中一個實施例的截面圖。光學諧振系統(tǒng)400包括多個平板401a～401f和多個圓筒402a～402c，它們彼此交叉，形成了具有諧振特性的中央腔500。平板401a～401f中每一個都位于x-y平面，并且沿著與x-y平面正交的z軸部分地反射光能。圓筒402a～402c中每一個都在與x-y平面平行的徑向部分地反射光。通常，平板401a～401f和圓筒402a～402c是由相同的電介質(zhì)材料或類似的電介質(zhì)材料形成的。例如，可以使用的一種這樣的電介質(zhì)材料是硅。周圍材料或光學襯底501具有基本平行的表面420和421，并且通常是由介電常數(shù)比構(gòu)成平板401a～401f和圓筒402a～402c的材料低的電介質(zhì)材料構(gòu)成。在示例性實施例中，平板和圓筒的典型介電常數(shù)大約是11，周圍材料的典型介電常數(shù)大約是2。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，許多不同的介電常數(shù)對可以用來形成光學諧振系統(tǒng)，并且本發(fā)明不僅僅限于所公開的介電常數(shù)。當平板401a～401f和圓筒402a～402c如圖5一樣組合時，平板401a～401f和圓筒402a～402c可以工作來捕獲特定波長的光。根據(jù)光學諧振系統(tǒng)400的尺寸和材料來捕獲這些波長的光，如在2002年4月16日提交的題為“RESONANT COUPLING OF OPTICALSIGNALS FOR OUT-OF-PLANE TRANSMISSION”(用于離面?zhèn)鬏數(shù)墓庑盘柕闹C振耦合)、序列號為10/123,656的美國專利申請中所描述的一樣，該專利申請已被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人，并被結(jié)合于此用作參考。
被示為形成在光學襯底501中的光學諧振系統(tǒng)400通常可以被描述為用來將光信號重定向到離面方向的離面耦合器，更具體地說，被描述為三維分布布拉格反射器?；\統(tǒng)地說，光學諧振系統(tǒng)400通過系統(tǒng)的諧振特性來捕獲光。光學諧振系統(tǒng)的特性是根據(jù)系統(tǒng)的尺寸以及組成系統(tǒng)的電介質(zhì)材料的折射性質(zhì)定義的。
在圖5所示的實施例中，光學諧振系統(tǒng)400具有對稱的輻射圖，其基本上向所有方向輻射所捕獲的光能。這種輻射圖可以通過改變光學諧振系統(tǒng)400的結(jié)構(gòu)來改變。這種光學諧振結(jié)構(gòu)的改變可以通過改變光學諧振系統(tǒng)400的制作或者通過在制作后改變光學諧振系統(tǒng)來實現(xiàn)。
制作者可以通過形成非對稱結(jié)構(gòu)來改變光學諧振系統(tǒng)400的輻射圖，這種非對稱結(jié)構(gòu)選擇性地通過光學諧振系統(tǒng)400的非對稱部分來輻射光能。可以通過利用非對稱結(jié)構(gòu)建立光學諧振系統(tǒng)400來實現(xiàn)這種非對稱結(jié)構(gòu)。換言之，在光學諧振系統(tǒng)400的制作期間，平板401a～401f或圓筒402a～402c中至少一個，或者它們的一部分可以省略，以使光學諧振系統(tǒng)400選擇性地輻射。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，這種非對稱結(jié)構(gòu)也可以通過在制作后去除平板401或圓筒402或者去除平板401或圓筒402的一部分來實現(xiàn)。
如圖5所示，本發(fā)明的光學諧振系統(tǒng)400例如通過將光學諧振系統(tǒng)構(gòu)建為軸對稱諧振結(jié)構(gòu)并將光學諧振系統(tǒng)400嵌入到集成光學器件中，也可以被用作離面耦合器。在一個實施例中，通過在光學諧振系統(tǒng)400中使用相對于圓筒的數(shù)目而言較少的平板對，從而實現(xiàn)使在光學襯底中形成的光學諧振系統(tǒng)400發(fā)射離開襯底表面的輻射。光學諧振系統(tǒng)具有相對高的Q因子，并且耦合到在鄰近的平面波導(dǎo)核心外延伸的多個瞬逝場。光學諧振系統(tǒng)400還被構(gòu)建為在與鄰近的平面波導(dǎo)正交的方向發(fā)射光輻射。鄰近的平面波導(dǎo)和中央腔之間的諧振耦合可以通過適當?shù)脑O(shè)計以及這兩個組件之間的相對放置來匹配，如上面引用的專利申請中所述。選擇光學諧振系統(tǒng)在所有維數(shù)中的反射器(平板401a～401f和圓筒402a～402c)的周期數(shù)，以獲得光學諧振系統(tǒng)400和鄰近平板波導(dǎo)之間的足夠耦合。還可以進一步選擇光學諧振系統(tǒng)的反射器的周期數(shù)，以使得離面輻射是光學諧振系統(tǒng)400的主要能量損耗機制。
使用其中限制特性是非對稱結(jié)構(gòu)來從平面波導(dǎo)中引出能量具有這樣的優(yōu)點按照單個諧振模式發(fā)射離面信號，該信號具有反映該諧振模式的徑向?qū)ΨQ性的軸對稱輻射圖。
現(xiàn)在參考圖6，其示出了圖5的光學諧振系統(tǒng)的第一功能的示意圖。對于理解光學諧振系統(tǒng)400的基本操作，下述物理過程是有用的該物理過程是這樣一種機制，通過這種機制，在光襯底602中光輸入信號600從鄰近波導(dǎo)601被耦合到光學諧振系統(tǒng)400。圖6和圖7示出了典型的幾何形狀，其中波導(dǎo)模式可以是行波或駐波。
圖6圖示了光輸入信號600通過波導(dǎo)601周圍的瞬逝場被耦合到光學諧振系統(tǒng)400的實施例。這些瞬逝場激發(fā)光學諧振系統(tǒng)400的諧振腔模式，并且將光能從波導(dǎo)601轉(zhuǎn)移到光學諧振系統(tǒng)400內(nèi)。然后，光學諧振系統(tǒng)400從襯底的表面輻射光能，以形成第二信號。
圖7圖示了光輸入信號600形成駐波的實施例，在襯底701中，該駐波經(jīng)由波導(dǎo)700周圍的瞬逝場將能量耦合到光學諧振系統(tǒng)400。光學諧振系統(tǒng)400通過系統(tǒng)的諧振性質(zhì)來捕獲光輸入信號600的光能，并且使用該光能來創(chuàng)建光輸出信號。光學諧振系統(tǒng)400然后通過襯底表面發(fā)射第二光信號。對于這些幾何形狀中的每一種，都假設(shè)波導(dǎo)模式是空間可歸一化的，并且將它們的大部分能量限制在波導(dǎo)601和700的核心，在核心外部有可計算的瞬逝場。
現(xiàn)在參考圖8，由于光學諧振系統(tǒng)400的無源本質(zhì)而可適用的互換原理，該系統(tǒng)也可以被用來將能量從襯底表面之上的光源耦合到集成光學器件的波導(dǎo)中。這里，光輸入信號800被引導(dǎo)到光學諧振系統(tǒng)400中。光學諧振系統(tǒng)400然后從光輸入信號捕獲能量，并生成光輸出信號801，并且將光輸出信號801引導(dǎo)到在襯底803中形成的波導(dǎo)802中。該實施例中的光學諧振系統(tǒng)可以具有基本上都輻射進波導(dǎo)802的非對稱限制特性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認識到，這可以通過利用徑向非對稱結(jié)構(gòu)形成光學諧振系統(tǒng)400來實現(xiàn)。
現(xiàn)在參考圖9，其示出了用于制造圖5的光學諧振系統(tǒng)的方法的流程圖。第一步驟900是提供襯底。在提供了襯底后，下一步驟901是形成諧振腔。在該過程中步驟901被壓縮了，但是通常包括一系列以中間光刻步驟為標志的填充和回填步驟，這對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的。為了制作光學諧振系統(tǒng)400，用戶還可以在本方法的步驟901期間制作波導(dǎo)，以制造光學諧振系統(tǒng)400。
這些刻蝕和回填步驟通常可以包括使用逐層方法來制作光學諧振系統(tǒng)。作為上述逐層方法的第一步驟，制作者可以在由第一材料(諸如二氧化硅)構(gòu)成的光學襯底中刻蝕至少一個環(huán)。接著，制作者可以填充該環(huán)(或多個環(huán))，并且用第二材料(諸如硅)沉積平板。然后，制作者可以在該平板上沉積第一材料，并且重復(fù)該過程，直至制作了希望數(shù)目的圓筒和平板。
或者，制作者可以首先在襯底上沉積一層第二材料。然后，制作者可以刻蝕第二材料層，以在襯底上形成至少一個環(huán)。接著，制作者可以沉積一層襯底的第一材料，以填充環(huán)層的縫隙。制作者然后可以沉積第二材料的平板層，刻蝕該平板，并填充平板層中的縫隙。然后，制作者可以重復(fù)這些步驟中每一步驟，直至形成了希望數(shù)目的圓筒和平板。然而，這些制作方法只是可以使用的制作方法的示例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認識到，還有許多不同的方法來制作給定的結(jié)構(gòu)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員還會認識到，平板和圓筒的數(shù)目定義了光學諧振系統(tǒng)的限制強度。限制強度定義了光學諧振系統(tǒng)400在捕獲諧振信號后將諧振信號限制在光學諧振系統(tǒng)中的能力。這種限制強度可以根據(jù)光學諧振系統(tǒng)中包括的平板或圓筒數(shù)目而被增加或減小。這樣，可以調(diào)節(jié)平板或圓筒的數(shù)目，以補償每種應(yīng)用的具體設(shè)計考慮。另外，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認識到，制作者可以刻蝕完整的光學諧振系統(tǒng)400，以便調(diào)節(jié)從諧振腔輻射的光能。
現(xiàn)在參考圖10，其示出了用于制造圖5的光學諧振系統(tǒng)的另一方法的流程圖。第一步驟與圖9所示的前一實施例相同。然而，第二步驟1000不同。步驟1000允許用戶形成具有非對稱結(jié)構(gòu)的光學諧振系統(tǒng)。在制作期間不是形成完全對稱的結(jié)構(gòu)，而是至少省略一個或多個外側(cè)平板或圓筒的一部分。這樣，形成了非對稱光學諧振系統(tǒng)，其將優(yōu)選地向結(jié)構(gòu)中的非對稱部分輻射。
現(xiàn)在參考圖11，其示出了圖5的光學諧振系統(tǒng)的工作示例。第一結(jié)構(gòu)1100包括多個平行平板401a～401f。這些平板401a～401f位于x-y平面中，并且沿與x-y平面正交的z軸方向部分地反射光能。這樣，第一結(jié)構(gòu)可以被稱作一維(1-D)反射器。第二結(jié)構(gòu)1101包括多個同軸圓筒402a～402c。圓筒402a～402c沿圓筒402a～402c的徑向部分地反射光輻射。這樣，第二結(jié)構(gòu)可以被稱作二維(2-D)反射器。
第一和第二結(jié)構(gòu)1100、1101可以一起工作，而不會干擾彼此的相干行為。通過寫出描述組合結(jié)構(gòu)的橫向電(TE)模式的方位角電場的波動方程，從而可以最好地觀察到這一現(xiàn)象▿2Eφ(ρ,z)+ko2ϵ⊥(ρ,z)Eφ(ρ,z)=0---(1)]]>其中，ko是指定頻率的自由空間k矢量，ρ是徑向距離(x-y平面中)，z是沿著與徑向軸正交的軸的距離，Eφ(ρ，z)是極坐標中的電場，ε(ρ，z)是第一和第二結(jié)構(gòu)1100、1101的材料的相對介電常數(shù)(假設(shè)它們相同)。相對介電常數(shù)ε(ρ，z)由如下公式給出ε(ρ，z)＝1+(ε′-1)(f1(ρ)+f2(z)-f1(ρ)f2(z)) (2)其中 并且，ε′是第一和第二結(jié)構(gòu)1100、1101的介電常數(shù)的常數(shù)值。注意，方程(1)除了方程(2)中的最后一項之外是完全可分離的，而這一項描述了組合的第一和第二結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)。需要該項(正比于f1(ρ)f2(z))，從而在平板401a～401f和圓筒402a～402c的交叉區(qū)域中不會兩次計算介電常數(shù)值。如果方程(1)在ρ和z維度之間不能分離，則組成1-D反射器的平板401a～401f集合與組成2-D反射器的圓筒402a～402c集合不會獨立工作。這樣，1-D和2-D反射器不能被簡單地組合來創(chuàng)建3-D限制結(jié)構(gòu)。
選擇適當?shù)哪Ｊ剑梢詫⒖煞蛛x性恢復(fù)到極高級別的精確度。該模式選擇是TE0諧振模式，該模式在遵循光學諧振系統(tǒng)400的相干設(shè)計規(guī)則時在所有平板401a～401f和圓筒402a～402c的內(nèi)表面具有零電場。當電場值在光學諧振系統(tǒng)400的平板401a～401f和圓筒402a～402c交叉的非可分離區(qū)域中經(jīng)歷“雙零”(從ρ和z維度)時，可分離性被恢復(fù)。這樣，可以從方程中刪除非可分離項。通過使用微擾(perturbative)技術(shù)，與這種近似相關(guān)聯(lián)的數(shù)值誤差可以表現(xiàn)得極小。
然而，上述方程計算了如圖4所示的自由空間中的光學諧振系統(tǒng)。為了計算圖5的光學諧振系統(tǒng)400的相關(guān)諧振模式，我們限制在TE0模式，并且可以從麥克斯韋方程得到磁場 的方程。該推導(dǎo)的完整描述可以在上述專利申請中找到。
再參考圖4和圖5，光學諧振系統(tǒng)400的結(jié)構(gòu)可以被用于希望從襯底表面引出光能的任何應(yīng)用中。通過瞬逝場，光能實質(zhì)上可以從任何集成光學器件耦合到光學諧振系統(tǒng)400，并且最終以光能的形式引導(dǎo)出襯底表面。這些集成光學結(jié)構(gòu)可以是從波導(dǎo)到諧振結(jié)構(gòu)之類的結(jié)構(gòu)，并且可以以可計算的方式來精確控制與光學諧振系統(tǒng)的耦合。從襯底表面輻射出來的光能可以經(jīng)由自由空間被引導(dǎo)到其他器件或檢測器，或者被光纖有效地收集。所輻射的光能理想地適于耦合進光纖，這是因為輸出光束具有圓對稱性，并且光束直徑與輸出波長相當。另外，多個光學諧振系統(tǒng)400可以被制作在單個集成光學器件上。由于這些光學諧振系統(tǒng)400的波長特有本質(zhì)，所以所有的耦合器可以在相同的波長或者在一系列波長處工作。在所有這些應(yīng)用中，生產(chǎn)光學諧振系統(tǒng)400所涉及的制作步驟與通常的集成光學器件的標準生長過程一致?？梢栽谙嚓P(guān)集成光學器件的制作期間通過選擇性刻蝕和回填來生長雙材料結(jié)構(gòu)。
在上述專利申請中描述了光學諧振系統(tǒng)的詳細設(shè)計規(guī)則。光學諧振系統(tǒng)的一個示例包括三個圓筒和六個平板，這些平板和圓筒是由硅(κ＝11.56)制成的，而光學襯底是由二氧化硅(κ＝2.25)制成的。為了捕獲具有1.55μm波長的光信號，第一圓筒402a的內(nèi)徑為1.140μm，并且外徑為1.265μm。第二圓筒402b的內(nèi)徑為1.737μm，并且外徑為1.860μm。最后，第三圓筒的內(nèi)徑為2.329μm，并且外徑為2.452μm。每個平板的厚度是0.1175μm，并且除了作為中央腔邊界的平板之外，每個平板之間的間距是0.310μm。作為中央腔邊界的平板401c、401d之間的間隔是0.620μm。這樣，在多個實施例中的一個實施例中，諧振光學腔的高度是0.620μm，半徑是1.140μm，以便捕獲1.55μm波長的光信號。
現(xiàn)在參考圖12，其示出了非對稱光學諧振腔。為了使得光學諧振系統(tǒng)400能夠選擇性地將光從襯底表面平面1220輻射出去，通過形成具有奇數(shù)個平板401a～401e的光學諧振系統(tǒng)，從而形成非對稱的光學諧振系統(tǒng)。這樣，非對稱光學諧振系統(tǒng)1201的主要輻射機制不再是進入襯底501的徑向方向，而是離開相對于襯底表面1220和1221的平面方向，如圖12中輻射1202所示。
由于多種原因，計算非對稱光學諧振系統(tǒng)1201的光輻射是困難的。在上表面去除限制邊界條件排除了輻射諧振模式的解析解法。另外，輻射諧振模式是不能歸一化的，這使得近似模式匹配過程行不通。結(jié)果，近似地計算圖12的結(jié)構(gòu)的輻射性質(zhì)的最佳方法是微擾。
作為典型的示例，使用設(shè)計規(guī)則規(guī)定的結(jié)構(gòu)包括十個圓筒區(qū)域和三個平板對區(qū)域，并且光學諧振系統(tǒng)1201和本底區(qū)域501的介電常數(shù)分別為11.56和2.25。對于沒有任何非對稱結(jié)構(gòu)來增強離面輻射的完整光學諧振系統(tǒng)400，，在沒有考慮材料損耗時計算得到的諧振器的Q是1.0×108。這一計算得到的Q僅僅是由于進入襯底501中的徑向輻射損耗所致。當然，由于材料損耗，測量得到的Q將遠遠低于該計算值。如果光學諧振系統(tǒng)400被構(gòu)建為沒有頂部高電介質(zhì)平板區(qū)域的非對稱結(jié)構(gòu)，則由于計算了離開襯底的輻射，所以得到的Q為2×106。換言之，由于非對稱光學諧振系統(tǒng)1201的諧振模式，通過非對稱光學諧振系統(tǒng)1201的上表面逃逸的能量可能比泄漏進入襯底501的能量多大約50倍。如果光學諧振系統(tǒng)1201被構(gòu)建為沒有頂部兩個高電介質(zhì)平板區(qū)域的非對稱結(jié)構(gòu)，則由于計算了離開襯底的輻射，所以得到的Q為5.7×104。對于該配置，可以看到，非對稱光學諧振系統(tǒng)1201在離開襯底的方向輻射非常強烈，輻射出襯底的能量大約是進入襯底能量的2000倍。從該示例可以清楚看到，可以在非常寬的范圍上調(diào)節(jié)非對稱光學諧振系統(tǒng)諧振模式與離開襯底的輻射場之間的耦合。
總之，通過使用帶有可以形成在集成光學器件中的諧振腔的光學諧振系統(tǒng)，實現(xiàn)了有效的離面耦合器。光學諧振系統(tǒng)可以從集成光學器件的鄰近部件(例如波導(dǎo))轉(zhuǎn)移光能，并且以可計算的耦合效率將其引導(dǎo)出光學諧振系統(tǒng)。另外，光學諧振系統(tǒng)的輸出具有這樣的優(yōu)點軸對稱，并且光束直徑與輻射波長相當。
在某些應(yīng)用中，希望改變從光學諧振系統(tǒng)發(fā)射的諧振信號的至少一個特性。在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，在光學諧振系統(tǒng)的表面形成光學結(jié)構(gòu)，以改變所發(fā)射的諧振信號的特性。例如，光學結(jié)構(gòu)被配置為向一部分諧振信號加入相移。因為諧振信號由具有軸對稱輻射圖的單個諧振模式組成，所以相移例如可以被用來對所發(fā)射的諧振信號的輸出特性進行準直、擴散、引導(dǎo)和一般成形。光學結(jié)構(gòu)也可以被用來調(diào)諧光學諧振系統(tǒng)的Q。
圖13A示出了光學結(jié)構(gòu)1302的橫截面?zhèn)纫晥D，該光學結(jié)構(gòu)形成在光學諧振系統(tǒng)1310的表面1304上，以改變所發(fā)射諧振信號的發(fā)射特性。在圖13A的示例中，光學結(jié)構(gòu)1302由在光學諧振系統(tǒng)的頂部表面上生長的電介質(zhì)材料的同心環(huán)1312a和1312b組成，其中光學諧振系統(tǒng)1310形成在襯底1314中。圖13B示出了圖13A所示的同心環(huán)1312a和1312b的立體圖。選擇同心環(huán)1312a和1312b的大小和放置位置，以選擇性地向所發(fā)射的諧振信號的一部分加入相移。在一個實施例中，光學結(jié)構(gòu)1302是通過使用與用來形成光學諧振結(jié)構(gòu)1310相同的光刻制作技術(shù)，用二氧化硅形成的。
這里，參考圖14～圖16描述光學結(jié)構(gòu)的設(shè)計考慮。圖14的上半部分示出了上面參考圖1～圖12描述的光學諧振系統(tǒng)1310的一半的橫截面?zhèn)纫晥D。為了描述的目的，所示出的光學諧振系統(tǒng)1310不帶有參考圖13A和圖13B描述的光學結(jié)構(gòu)1302。圖14所示的光學諧振系統(tǒng)1310被設(shè)計為使輸入光信號1316在1.55μm處諧振，并且其被形成在二氧化硅的襯底1314中(二氧化硅的介電常數(shù)為2.25)。光學諧振系統(tǒng)的第一和第二結(jié)構(gòu)401a～401e和402a～402c由純硅構(gòu)成(純硅的介電常數(shù)是11.56)。在圖14的示例性實施例中，組成光學諧振系統(tǒng)1310的第一結(jié)構(gòu)401a～401e的圓形平板的直徑大約是3μm，厚度大約是0.1175μm，并且內(nèi)側(cè)兩個平板在y方向的間隔大約是0.620μm，而其余平板之間在y方向的間隔是0.310μm。組成光學諧振系統(tǒng)1310的第二結(jié)構(gòu)402a～402c的同軸圓筒內(nèi)外直徑分別是大約1.140/1.265、1.737/1.860和2.239/2.452μm。同軸圓筒的間隔限定了相鄰?fù)S圓筒之間的環(huán)形二氧化硅區(qū)域。如上所述，響應(yīng)于輸入光信號1316(例如，1.55μm的光信號)，在離面方向從光學諧振系統(tǒng)發(fā)射出諧振信號1320。在光學諧振系統(tǒng)的表面1304處的電場分量Eφ所具有的振幅的相位隨時間振蕩，并且該振幅作為離中央腔1322的中心軸1324的距離ρ的函數(shù)而指數(shù)下降。在圖14的下半部分中相對于光學諧振結(jié)構(gòu)1310圖示了作為離中央腔1322的中心軸1324的距離ρ的函數(shù)的電場Eφ的振幅的快照。對于諧振場模式，電場振蕩在光學諧振系統(tǒng)的每個同軸圓筒的內(nèi)表面處具有零值。在場零值兩側(cè)的電場振幅符號相反，這形成了與光學諧振系統(tǒng)的同軸圓筒之間的環(huán)形區(qū)域相對應(yīng)的具有交替極性的電場的同軸環(huán)形區(qū)域。作為電場Eφ的交替極性的結(jié)果，在垂直于襯底表面和圓形平板的方向，電場從相鄰且相反極化的環(huán)形區(qū)域接收到破壞性的干涉作用。這種破壞性的干涉作用使得諧振信號的光束外形偏離襯底表面的法向平面，并且其分布是由各個環(huán)形區(qū)域的場振幅和相位支配的。
為了產(chǎn)生在表面法向(即，垂直于光學諧振系統(tǒng)和襯底的表面)更為突起的發(fā)射外形，在具有相同極性的環(huán)形區(qū)域上面形成由一組電介質(zhì)環(huán)組成的光學結(jié)構(gòu)。例如，如圖15所示，在表現(xiàn)出負極性(如圖14所示)的環(huán)形區(qū)域上面形成三個二氧化硅的扁平同心環(huán)結(jié)構(gòu)1312a～1312c。選擇同心環(huán)的厚度，使其為諧振信號的波長的函數(shù)。在圖15的實施例中，同心環(huán)所形成的厚度使得向通過這些同心環(huán)的諧振信號部分加入了180度的相移(即，極性的時間相位的移動)。假設(shè)輸入信號波長為1.55μm，并且這些環(huán)的介電常數(shù)是2.25，則將環(huán)的厚度設(shè)置為1.55μm，以加入180度相移。由同心環(huán)導(dǎo)致的180度相移有效地反轉(zhuǎn)了相應(yīng)環(huán)形區(qū)域中的極性，如圖15的下半部分的曲線圖所示。作為相移的結(jié)果，在垂直于光學諧振系統(tǒng)1310和襯底1314的表面1304的方向上，所發(fā)射的輻射場從所有環(huán)形區(qū)域接收到有助益的干涉作用。由于這些有助益的干涉，所發(fā)射的諧振信號的角向分布變?yōu)樵谝r底表面的法向更為突出。
圖16示出了在光學諧振系統(tǒng)的表面1304處的歸一化輻射強度1330和1332相對于離諧振腔的中心軸的距離ρ的關(guān)系的示例性曲線圖。該示例性曲線圖包括無光學結(jié)構(gòu)的情形(即，環(huán)厚度＝0μm，由強度曲線1330標識)以及具有厚度為1.55μm的二氧化硅扁平同心環(huán)的光學結(jié)構(gòu)的情形(由強度曲線1332標識)。如圖16所示，當存在同心環(huán)時，輻射強度1332更加緊緊地集中在垂直于襯底表面的方向周圍。
上述在光學諧振系統(tǒng)的頂部表面上形成的同心環(huán)可以被不同地配置，以獲得不同的結(jié)果。例如，光學結(jié)構(gòu)可以包括部分環(huán)，或者具有不同或可變厚度的環(huán)。具體地說，環(huán)與環(huán)的厚度可以不同，或者同一環(huán)的厚度可變。在圖15的實施例中，選擇同心環(huán)1312a～1312c的厚度，以使得從光學諧振系統(tǒng)的表面發(fā)出并且通過同心環(huán)的輻射除了它們在真空中傳播所應(yīng)該具有的相移之外，還獲得180度的額外相移。雖然在該實施例中選擇了180度的相移，但是可以取決于所希望的發(fā)射特性，來選擇不同度數(shù)的相移。另外，同心環(huán)可以具有任何材料成分，這些材料成分影響所希望的發(fā)射特性。
使用在光學諧振系統(tǒng)的表面上形成的光學結(jié)構(gòu)來改變所發(fā)射的輻射場還影響光學諧振結(jié)構(gòu)的耦合效率。具體地說，光學結(jié)構(gòu)影響相對于鄰近集成光學波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學諧振系統(tǒng)的Q。例如，參考圖14和圖15所描述的光學諧振系統(tǒng)1310的Q在添加了同心環(huán)1312a～1312c時大大增加。因此，諸如在光學諧振系統(tǒng)的表面上形成的同心環(huán)之類的光學結(jié)構(gòu)也可以被用在制作的最后階段中，以調(diào)諧光學諧振系統(tǒng)的耦合特性。
圖17示出了一種用于重定向光輻射的方法的過程流程圖。在方框1702，接收到第一光信號，其具有方向分量(directional component)，并且包括至少一個波長。在方框1704，激發(fā)了具有在所述至少一個波長處的第一光信號的諧振信號。在方框1706，發(fā)射具有與第一光信號的方向分量不同的離面方向分量的諧振信號。在方框1708，一部分諧振信號被相移，以改變諧振信號的特性。
應(yīng)該強調(diào)，本發(fā)明的上述實施例僅僅是實現(xiàn)方式的可能示例，闡述它們只是為了清楚地理解本發(fā)明的原理。在本質(zhì)上不脫離本發(fā)明的原理的情況下，可以對本發(fā)明的上述實施例許多改變和修改。所有這些修改和改變都應(yīng)該包括在本公開及本發(fā)明的范圍之內(nèi)，并且受所附權(quán)利要求的保護。
本申請涉及于2002年4月16日提交的題為“RESONANTCOUPLING OF OPTICAL SIGNALS FOR OUT-OF-PLANETRANSMISSION”(用于離面?zhèn)鬏數(shù)墓庑盘柕闹C振耦合)、序列號為10/123,656的美國專利申請。
權(quán)利要求
1.一種用于重定向光信號的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括襯底(1314)，其具有基本與一個平面平行的第一和第二表面；形成在所述襯底中的光學諧振系統(tǒng)(1310)，其被配置為捕獲基本上平行于所述平面?zhèn)鞑サ牡谝还庑盘柕闹辽僖徊糠?，并沿著相對于所述襯底的離面方向發(fā)射諧振信號；和形成在所述光學諧振系統(tǒng)的表面上的光學結(jié)構(gòu)(1302)，其被配置為改變所發(fā)射的諧振信號的特性。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光學結(jié)構(gòu)(1302)包括同心環(huán)結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光學結(jié)構(gòu)(1302)包括多個同心環(huán)結(jié)構(gòu)(1312a、1312b)。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光學諧振系統(tǒng)包括第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)所述第一結(jié)構(gòu)(401)基本上平行于所述平面存在，并且沿著基本上與所述平面正交的方向反射光輻射；所述第二結(jié)構(gòu)(402)與所述第一結(jié)構(gòu)交疊且光學連通，并且沿著基本平行于所述平面的方向反射光輻射；其中所述第一和第二結(jié)構(gòu)工作來通過利用所述第一和第二結(jié)構(gòu)的諧振特性在諧振腔中激發(fā)諧振信號，從而捕獲基本上平行于所述平面?zhèn)鞑サ牡谝还庑盘柕闹辽僖徊糠?，并且還工作來沿著基本上與所述平面正交的第二方向發(fā)射所述諧振信號。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述光學結(jié)構(gòu)(1302)包括多個同心環(huán)結(jié)構(gòu)(1312a、1312b)。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述同心環(huán)結(jié)構(gòu)(1312a、1312b)被配置為所述第二結(jié)構(gòu)(402)的函數(shù)。
7.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述第二結(jié)構(gòu)(402)包括同軸圓筒結(jié)構(gòu)，并且其中所述同心環(huán)結(jié)構(gòu)(1312a、1312b)被配置為所述同軸圓筒結(jié)構(gòu)的函數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中在共同極性的環(huán)形區(qū)域上面形成所述同心環(huán)結(jié)構(gòu)(1312a、1312b)，其中所述環(huán)形區(qū)域是所述同軸圓筒結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域。
9.一種用于重定向光輻射的方法，該方法包括在具有基本上與一個平面平行的第一和第二表面的光學系統(tǒng)中接收第一光信號(1702)，所述第一光信號具有基本上與所述平面平行的方向分量，并且包括至少一個波長；響應(yīng)于所述至少一個波長的所述第一光信號，激發(fā)諧振信號(1704)；沿著相對于襯底的離面方向發(fā)射所述諧振信號(1706)；和對沿著所述離面方向被發(fā)射的所述諧振信號的一部分進行相移，以改變所述諧振信號的特性。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括對所述諧振信號(1320)的在共同極性的區(qū)域處的部分進行相移。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種包括輸出光束改變的離面?zhèn)鬏敼庑盘栔C振耦合。在光學諧振系統(tǒng)(1310)的表面(1304)上形成了一種光學結(jié)構(gòu)(1302)，以改變所發(fā)射的諧振信號的特性。該光學結(jié)構(gòu)可以配置為向一部分諧振信號加入相移。因為諧振信號由具有軸對稱輻射圖的單個諧振模式組成，所以相移例如可以被用來對所發(fā)射的諧振信號的輸出特性進行準直、擴散、引導(dǎo)和一般成形。該光學結(jié)構(gòu)還可以被用來調(diào)諧光學諧振系統(tǒng)的品質(zhì)因子(Q)。
文檔編號G02F1/377GK1763619SQ20051010585
公開日2006年4月26日 申請日期2005年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月23日
發(fā)明者科特·阿蘭·弗洛里 申請人:安捷倫科技有限公司