包括輸出光束改變的離面傳輸光信號諧振耦合的製作方法

2023-09-16 21:07:00 4

專利名稱：包括輸出光束改變的離面傳輸光信號諧振耦合的製作方法
技術領域：
本發明涉及包括輸出光束改變的離面傳輸光信號諧振耦合。
背景技術：
納米級集成光學器件正在迅速實現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，其中平面波導將光限制在襯底中。然而，可能難以在離面(out-of-plane)方向將光信號從平面波導耦合出去，以用於自由空間傳輸，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取決於引出系統的具體結構，並且模式性質可能並不完全符合所希望的應用。外部的體光學元件已經被用來對引出光束成形，以獲得希望的發射特性。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。

發明內容
本發明的光學系統包括在平面襯底中形成的光學諧振系統以及在光學諧振系統的表面上形成的光學結構，其中光學諧振系統用於沿著相對於襯底的離面方向發射諧振光信號，光學結構用於改變所發射的諧振信號的特性。例如，該光學結構是被配置為向一部分諧振信號加入相移的電介質層。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射的諧振信號的輸出特性進行準直、擴散、引導和一般成形。該光學結構還可以被用來調諧光學諧振系統的品質因子(Q)。


參考下列附圖可以更好地理解本發明。附圖中的部件不必是按比例的，而是著重於清楚地圖示本發明的原理。此外，在附圖中，在所有的視圖中相似的標號標示相應的部件。
圖1是圖示了本發明的光學諧振系統的實施例的框圖。
圖2是圖示了本發明的光學諧振系統的另一實施例的框圖。
圖3是圖示了用於使用圖2的光學諧振系統的方法的流程圖。
圖4是本發明的光學諧振系統的實施例的示意圖。
圖5是圖2的光學諧振系統的橫截面視圖，示出了在光學襯底中形成的諧振腔。
圖6是圖示了圖5的光學諧振系統的第一功能的示意圖。
圖7是圖示了圖5的光學諧振系統的另一功能的示意圖。
圖8是圖示了圖5的光學諧振系統的另一功能的示意圖。
圖9是圖示了用於製作圖5的光學諧振系統的方法的流程圖。
圖10是圖示了用於製作圖5的光學諧振系統的另一方法的流程圖。
圖11是示出了圖5的光學諧振系統的工作的圖。
圖12是在不帶有光學諧振系統的頂部平板的情況下圖5的光學諧振系統的橫截面視圖。
圖13A示出了在光學諧振系統表面上形成以改變所發射的諧振信號特性的光學結構的橫截面側視圖。
圖13B示出了圖13A所示的同心環的立體圖。
圖14示出了光學諧振系統的一半的橫截面側視圖，以及作為離光學諧振結構的中心軸的距離ρ的函數的電場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構的情況下光學諧振系統的一半的橫截面側視圖，以及作為離光學諧振結構的中心軸的距離ρ的函數的電場Eφ的振幅的相對的快照。
圖16示出了在光學諧振系統的表面處的歸一化輻射強度相對於離諧振腔的中心軸的距離ρ的關係的示例性曲線圖。
圖17示出了用於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明。然而，本發明可以實現為許多不同形式，並且不應被理解為受限於這裡所述的實施例；相反，這些實施例意在向本領域的技術人員傳達本發明的範圍。另外，這裡給出的所有「示例」都應該是非限制性的。
現在參考圖1，光輸入信號100被提供給光學諧振系統101。光學諧振系統101通過光學諧振系統101的諧振特性來捕獲光輸入信號101的能量。然後，光學諧振系統101發射光輸出信號102。作為示例，光輸出信號可以與光輸入信號100正交地被發射。
不同實施例中的光輸入信號100可以在許多不同的介質中傳輸，這些介質包括光纖波導、電介質波導、自由空間等。所發射的光輸出信號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，這對於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。
現在參考圖2，其示出了本發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202的襯底區域201。光學諧振系統202捕獲一部分信號，並生成光輸出信號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正交的方向被發射。
光學諧振系統通過捕獲光學諧振系統202中與光輸入信號200相關聯的瞬逝場203來工作。瞬逝場是當信號在波導中傳播時創建的。光輸入信號由於其電磁本質在波導周圍自然地產生瞬逝場。光輸入信號200在光學諧振系統附近所創建的瞬逝場203與光學諧振系統202的至少一個模式發生諧振，導致光能被轉移到光學諧振系統202中。然後，光學諧振系統202優選地在希望方向發射光能，以產生光輸出信號204。由光學諧振系統202創建的光輸出信號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，這種輻射圖對於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。
現在參考圖3，其示出了使用圖2的光學諧振系統的一種方法的實施例。在方框300，光學諧振系統接收光信號。在方框301中，諧振特性被用來生成第二光信號。然後，在方框302中，發射第二信號。
作為示例，光學諧振系統通常通過波導來接收光信號。該波導可以終止於光學諧振系統，或者，波導可以繼續穿過光學諧振系統。在任一種情形中，延伸到波導外的瞬逝場允許光信號耦合到光學諧振系統。光學諧振系統的非對稱限制外形(containment profile)可以允許光學諧振系統選擇性地發射第二光信號。所發射的光信號然後可以被耦合到另一集成光學器件，或者只是光纖，以將所發射的光信號傳輸到另一位置。
現在參考圖4，其示出了光學諧振系統的實施例的示意圖。在自由空間中示出的光學諧振系統的本實施例包括電介質結構400。電介質結構400包括電介質平行平板401a～401f的第一結構、電介質同軸圓筒402a～402c的第二結構。光學諧振系統的第一結構與第二結構交疊，並且兩者互相光學連通，以捕獲至少一部分光輸入信號。然後，第一和第二結構工作以發射輸出信號。作為示例，光輸出信號可以在與光輸入信號正交的方向發射。
現在參考圖5，其示出了本發明的光學諧振系統的多個實施例中一個實施例的截面圖。光學諧振系統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中每一個都位於x-y平面，並且沿著與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是由相同的電介質材料或類似的電介質材料形成的。例如，可以使用的一種這樣的電介質材料是矽。周圍材料或光學襯底501具有基本平行的表面420和421，並且通常是由介電常數比構成平板401a～401f和圓筒402a～402c的材料低的電介質材料構成。在示例性實施例中，平板和圓筒的典型介電常數大約是11，周圍材料的典型介電常數大約是2。然而，本領域的技術人員將認識到，許多不同的介電常數對可以用來形成光學諧振系統，並且本發明不僅僅限於所公開的介電常數。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。根據光學諧振系統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」(用於離面傳輸的光信號的諧振耦合)、序列號為10/123,656的美國專利申請中所描述的一樣，該專利申請已被轉讓給本申請的受讓人，並被結合於此用作參考。
被示為形成在光學襯底501中的光學諧振系統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。籠統地說，光學諧振系統400通過系統的諧振特性來捕獲光。光學諧振系統的特性是根據系統的尺寸以及組成系統的電介質材料的折射性質定義的。
在圖5所示的實施例中，光學諧振系統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400的結構來改變。這種光學諧振結構的改變可以通過改變光學諧振系統400的製作或者通過在製作後改變光學諧振系統來實現。
製作者可以通過形成非對稱結構來改變光學諧振系統400的輻射圖，這種非對稱結構選擇性地通過光學諧振系統400的非對稱部分來輻射光能。可以通過利用非對稱結構建立光學諧振系統400來實現這種非對稱結構。換言之，在光學諧振系統400的製作期間，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400選擇性地輻射。本領域的普通技術人員應該理解，這種非對稱結構也可以通過在製作後去除平板401或圓筒402或者去除平板401或圓筒402的一部分來實現。
如圖5所示，本發明的光學諧振系統400例如通過將光學諧振系統構建為軸對稱諧振結構並將光學諧振系統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400中使用相對於圓筒的數目而言較少的平板對，從而實現使在光學襯底中形成的光學諧振系統400發射離開襯底表面的輻射。光學諧振系統具有相對高的Q因子，並且耦合到在鄰近的平面波導核心外延伸的多個瞬逝場。光學諧振系統400還被構建為在與鄰近的平面波導正交的方向發射光輻射。鄰近的平面波導和中央腔之間的諧振耦合可以通過適當的設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。選擇光學諧振系統在所有維數中的反射器(平板401a～401f和圓筒402a～402c)的周期數，以獲得光學諧振系統400和鄰近平板波導之間的足夠耦合。還可以進一步選擇光學諧振系統的反射器的周期數，以使得離面輻射是光學諧振系統400的主要能量損耗機制。
使用其中限制特性是非對稱結構來從平面波導中引出能量具有這樣的優點按照單個諧振模式發射離面信號，該信號具有反映該諧振模式的徑向對稱性的軸對稱輻射圖。
現在參考圖6，其示出了圖5的光學諧振系統的第一功能的示意圖。對於理解光學諧振系統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601被耦合到光學諧振系統400。圖6和圖7示出了典型的幾何形狀，其中波導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601周圍的瞬逝場被耦合到光學諧振系統400的實施例。這些瞬逝場激發光學諧振系統400的諧振腔模式，並且將光能從波導601轉移到光學諧振系統400內。然後，光學諧振系統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，該駐波經由波導700周圍的瞬逝場將能量耦合到光學諧振系統400。光學諧振系統400通過系統的諧振性質來捕獲光輸入信號600的光能，並且使用該光能來創建光輸出信號。光學諧振系統400然後通過襯底表面發射第二光信號。對於這些幾何形狀中的每一種，都假設波導模式是空間可歸一化的，並且將它們的大部分能量限制在波導601和700的核心，在核心外部有可計算的瞬逝場。
現在參考圖8，由於光學諧振系統400的無源本質而可適用的互換原理，該系統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中。這裡，光輸入信號800被引導到光學諧振系統400中。光學諧振系統400然後從光輸入信號捕獲能量，並生成光輸出信號801，並且將光輸出信號801引導到在襯底803中形成的波導802中。該實施例中的光學諧振系統可以具有基本上都輻射進波導802的非對稱限制特性。本領域的技術人員會認識到，這可以通過利用徑向非對稱結構形成光學諧振系統400來實現。
現在參考圖9，其示出了用於製造圖5的光學諧振系統的方法的流程圖。第一步驟900是提供襯底。在提供了襯底後，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誌的填充和回填步驟，這對本領域的技術人員是公知的。為了製作光學諧振系統400，用戶還可以在本方法的步驟901期間製作波導，以製造光學諧振系統400。
這些刻蝕和回填步驟通常可以包括使用逐層方法來製作光學諧振系統。作為上述逐層方法的第一步驟，製作者可以在由第一材料(諸如二氧化矽)構成的光學襯底中刻蝕至少一個環。接著，製作者可以填充該環(或多個環)，並且用第二材料(諸如矽)沉積平板。然後，製作者可以在該平板上沉積第一材料，並且重複該過程，直至製作了希望數目的圓筒和平板。
或者，製作者可以首先在襯底上沉積一層第二材料。然後，製作者可以刻蝕第二材料層，以在襯底上形成至少一個環。接著，製作者可以沉積一層襯底的第一材料，以填充環層的縫隙。製作者然後可以沉積第二材料的平板層，刻蝕該平板，並填充平板層中的縫隙。然後，製作者可以重複這些步驟中每一步驟，直至形成了希望數目的圓筒和平板。然而，這些製作方法只是可以使用的製作方法的示例，本領域的技術人員會認識到，還有許多不同的方法來製作給定的結構。
本領域的技術人員還會認識到，平板和圓筒的數目定義了光學諧振系統的限制強度。限制強度定義了光學諧振系統400在捕獲諧振信號後將諧振信號限制在光學諧振系統中的能力。這種限制強度可以根據光學諧振系統中包括的平板或圓筒數目而被增加或減小。這樣，可以調節平板或圓筒的數目，以補償每種應用的具體設計考慮。另外，本領域的技術人員會認識到，製作者可以刻蝕完整的光學諧振系統400，以便調節從諧振腔輻射的光能。
現在參考圖10，其示出了用於製造圖5的光學諧振系統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構的光學諧振系統。在製作期間不是形成完全對稱的結構，而是至少省略一個或多個外側平板或圓筒的一部分。這樣，形成了非對稱光學諧振系統，其將優選地向結構中的非對稱部分輻射。
現在參考圖11，其示出了圖5的光學諧振系統的工作示例。第一結構1100包括多個平行平板401a～401f。這些平板401a～401f位於x-y平面中，並且沿與x-y平面正交的z軸方向部分地反射光能。這樣，第一結構可以被稱作一維(1-D)反射器。第二結構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，第二結構可以被稱作二維(2-D)反射器。
第一和第二結構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構的橫向電(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象2E(,z)+ko2(,z)E(,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)是第一和第二結構1100、1101的材料的相對介電常數(假設它們相同)。相對介電常數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 並且，ε′是第一和第二結構1100、1101的介電常數的常數值。注意，方程(1)除了方程(2)中的最後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構的介電常數。需要該項(正比於f1(ρ)f2(z))，從而在平板401a～401f和圓筒402a～402c的交叉區域中不會兩次計算介電常數值。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建3-D限制結構。
選擇適當的模式，可以將可分離性恢復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400的相干設計規則時在所有平板401a～401f和圓筒402a～402c的內表面具有零電場。當電場值在光學諧振系統400的平板401a～401f和圓筒402a～402c交叉的非可分離區域中經歷「雙零」(從ρ和z維度)時，可分離性被恢復。這樣，可以從方程中刪除非可分離項。通過使用微擾(perturbative)技術，與這種近似相關聯的數值誤差可以表現得極小。
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。為了計算圖5的光學諧振系統400的相關諧振模式，我們限制在TE0模式，並且可以從麥克斯韋方程得到磁場 的方程。該推導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400的結構可以被用於希望從襯底表面引出光能的任何應用中。通過瞬逝場，光能實質上可以從任何集成光學器件耦合到光學諧振系統400，並且最終以光能的形式引導出襯底表面。這些集成光學結構可以是從波導到諧振結構之類的結構，並且可以以可計算的方式來精確控制與光學諧振系統的耦合。從襯底表面輻射出來的光能可以經由自由空間被引導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於耦合進光纖，這是因為輸出光束具有圓對稱性，並且光束直徑與輸出波長相當。另外，多個光學諧振系統400可以被製作在單個集成光學器件上。由於這些光學諧振系統400的波長特有本質，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。在所有這些應用中，生產光學諧振系統400所涉及的製作步驟與通常的集成光學器件的標準生長過程一致。可以在相關集成光學器件的製作期間通過選擇性刻蝕和回填來生長雙材料結構。
在上述專利申請中描述了光學諧振系統的詳細設計規則。光學諧振系統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矽(κ＝11.56)製成的，而光學襯底是由二氧化矽(κ＝2.25)製成的。為了捕獲具有1.55μm波長的光信號，第一圓筒402a的內徑為1.140μm，並且外徑為1.265μm。第二圓筒402b的內徑為1.737μm，並且外徑為1.860μm。最後，第三圓筒的內徑為2.329μm，並且外徑為2.452μm。每個平板的厚度是0.1175μm，並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，通過形成具有奇數個平板401a～401e的光學諧振系統，從而形成非對稱的光學諧振系統。這樣，非對稱光學諧振系統1201的主要輻射機制不再是進入襯底501的徑向方向，而是離開相對於襯底表面1220和1221的平面方向，如圖12中輻射1202所示。
由於多種原因，計算非對稱光學諧振系統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。結果，近似地計算圖12的結構的輻射性質的最佳方法是微擾。
作為典型的示例，使用設計規則規定的結構包括十個圓筒區域和三個平板對區域，並且光學諧振系統1201和本底區域501的介電常數分別為11.56和2.25。對於沒有任何非對稱結構來增強離面輻射的完整光學諧振系統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僅僅是由於進入襯底501中的徑向輻射損耗所致。當然，由於材料損耗，測量得到的Q將遠遠低於該計算值。如果光學諧振系統400被構建為沒有頂部高電介質平板區域的非對稱結構，則由於計算了離開襯底的輻射，所以得到的Q為2×106。換言之，由於非對稱光學諧振系統1201的諧振模式，通過非對稱光學諧振系統1201的上表面逃逸的能量可能比洩漏進入襯底501的能量多大約50倍。如果光學諧振系統1201被構建為沒有頂部兩個高電介質平板區域的非對稱結構，則由於計算了離開襯底的輻射，所以得到的Q為5.7×104。對於該配置，可以看到，非對稱光學諧振系統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，可以在非常寬的範圍上調節非對稱光學諧振系統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，實現了有效的離面耦合器。光學諧振系統可以從集成光學器件的鄰近部件(例如波導)轉移光能，並且以可計算的耦合效率將其引導出光學諧振系統。另外，光學諧振系統的輸出具有這樣的優點軸對稱，並且光束直徑與輻射波長相當。
在某些應用中，希望改變從光學諧振系統發射的諧振信號的至少一個特性。在根據本發明的實施例中，在光學諧振系統的表面形成光學結構，以改變所發射的諧振信號的特性。例如，光學結構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射的諧振信號的輸出特性進行準直、擴散、引導和一般成形。光學結構也可以被用來調諧光學諧振系統的Q。
圖13A示出了光學結構1302的橫截面側視圖，該光學結構形成在光學諧振系統1310的表面1304上，以改變所發射諧振信號的發射特性。在圖13A的示例中，光學結構1302由在光學諧振系統的頂部表面上生長的電介質材料的同心環1312a和1312b組成，其中光學諧振系統1310形成在襯底1314中。圖13B示出了圖13A所示的同心環1312a和1312b的立體圖。選擇同心環1312a和1312b的大小和放置位置，以選擇性地向所發射的諧振信號的一部分加入相移。在一個實施例中，光學結構1302是通過使用與用來形成光學諧振結構1310相同的光刻製作技術，用二氧化矽形成的。
這裡，參考圖14～圖16描述光學結構的設計考慮。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1310的一半的橫截面側視圖。為了描述的目的，所示出的光學諧振系統1310不帶有參考圖13A和圖13B描述的光學結構1302。圖14所示的光學諧振系統1310被設計為使輸入光信號1316在1.55μm處諧振，並且其被形成在二氧化矽的襯底1314中(二氧化矽的介電常數為2.25)。光學諧振系統的第一和第二結構401a～401e和402a～402c由純矽構成(純矽的介電常數是11.56)。在圖14的示例性實施例中，組成光學諧振系統1310的第一結構401a～401e的圓形平板的直徑大約是3μm，厚度大約是0.1175μm，並且內側兩個平板在y方向的間隔大約是0.620μm，而其餘平板之間在y方向的間隔是0.310μm。組成光學諧振系統1310的第二結構402a～402c的同軸圓筒內外直徑分別是大約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同軸圓筒之間的環形二氧化矽區域。如上所述，響應於輸入光信號1316(例如，1.55μm的光信號)，在離面方向從光學諧振系統發射出諧振信號1320。在光學諧振系統的表面1304處的電場分量Eφ所具有的振幅的相位隨時間振蕩，並且該振幅作為離中央腔1322的中心軸1324的距離ρ的函數而指數下降。在圖14的下半部分中相對於光學諧振結構1310圖示了作為離中央腔1322的中心軸1324的距離ρ的函數的電場Eφ的振幅的快照。對於諧振場模式，電場振蕩在光學諧振系統的每個同軸圓筒的內表面處具有零值。在場零值兩側的電場振幅符號相反，這形成了與光學諧振系統的同軸圓筒之間的環形區域相對應的具有交替極性的電場的同軸環形區域。作為電場Eφ的交替極性的結果，在垂直於襯底表面和圓形平板的方向，電場從相鄰且相反極化的環形區域接收到破壞性的幹涉作用。這種破壞性的幹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，並且其分布是由各個環形區域的場振幅和相位支配的。
為了產生在表面法向(即，垂直於光學諧振系統和襯底的表面)更為突起的發射外形，在具有相同極性的環形區域上面形成由一組電介質環組成的光學結構。例如，如圖15所示，在表現出負極性(如圖14所示)的環形區域上面形成三個二氧化矽的扁平同心環結構1312a～1312c。選擇同心環的厚度，使其為諧振信號的波長的函數。在圖15的實施例中，同心環所形成的厚度使得向通過這些同心環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)。假設輸入信號波長為1.55μm，並且這些環的介電常數是2.25，則將環的厚度設置為1.55μm，以加入180度相移。由同心環導致的180度相移有效地反轉了相應環形區域中的極性，如圖15的下半部分的曲線圖所示。作為相移的結果，在垂直於光學諧振系統1310和襯底1314的表面1304的方向上，所發射的輻射場從所有環形區域接收到有助益的幹涉作用。由於這些有助益的幹涉，所發射的諧振信號的角向分布變為在襯底表面的法向更為突出。
圖16示出了在光學諧振系統的表面1304處的歸一化輻射強度1330和1332相對於離諧振腔的中心軸的距離ρ的關係的示例性曲線圖。該示例性曲線圖包括無光學結構的情形(即，環厚度＝0μm，由強度曲線1330標識)以及具有厚度為1.55μm的二氧化矽扁平同心環的光學結構的情形(由強度曲線1332標識)。如圖16所示，當存在同心環時，輻射強度1332更加緊緊地集中在垂直於襯底表面的方向周圍。
上述在光學諧振系統的頂部表面上形成的同心環可以被不同地配置，以獲得不同的結果。例如，光學結構可以包括部分環，或者具有不同或可變厚度的環。具體地說，環與環的厚度可以不同，或者同一環的厚度可變。在圖15的實施例中，選擇同心環1312a～1312c的厚度，以使得從光學諧振系統的表面發出並且通過同心環的輻射除了它們在真空中傳播所應該具有的相移之外，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，但是可以取決於所希望的發射特性，來選擇不同度數的相移。另外，同心環可以具有任何材料成分，這些材料成分影響所希望的發射特性。
使用在光學諧振系統的表面上形成的光學結構來改變所發射的輻射場還影響光學諧振結構的耦合效率。具體地說，光學結構影響相對於鄰近集成光學波導結構的光學諧振系統的Q。例如，參考圖14和圖15所描述的光學諧振系統1310的Q在添加了同心環1312a～1312c時大大增加。因此，諸如在光學諧振系統的表面上形成的同心環之類的光學結構也可以被用在製作的最後階段中，以調諧光學諧振系統的耦合特性。
圖17示出了一種用於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)，並且包括至少一個波長。在方框1704，激發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。
應該強調，本發明的上述實施例僅僅是實現方式的可能示例，闡述它們只是為了清楚地理解本發明的原理。在本質上不脫離本發明的原理的情況下，可以對本發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該包括在本公開及本發明的範圍之內，並且受所附權利要求的保護。
本申請涉及於2002年4月16日提交的題為「RESONANTCOUPLING OF OPTICAL SIGNALS FOR OUT-OF-PLANETRANSMISSION」(用於離面傳輸的光信號的諧振耦合)、序列號為10/123,656的美國專利申請。
權利要求
1.一種用於重定向光信號的系統，所述系統包括襯底(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(1310)，其被配置為捕獲基本上平行於所述平面傳播的第一光信號的至少一部分，並沿著相對於所述襯底的離面方向發射諧振信號；和形成在所述光學諧振系統的表面上的光學結構(1302)，其被配置為改變所發射的諧振信號的特性。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述光學結構(1302)包括同心環結構。
3.如權利要求1所述的系統，其中所述光學結構(1302)包括多個同心環結構(1312a、1312b)。
4.如權利要求1所述的系統，其中所述光學諧振系統包括第一結構和第二結構所述第一結構(401)基本上平行於所述平面存在，並且沿著基本上與所述平面正交的方向反射光輻射；所述第二結構(402)與所述第一結構交疊且光學連通，並且沿著基本平行於所述平面的方向反射光輻射；其中所述第一和第二結構工作來通過利用所述第一和第二結構的諧振特性在諧振腔中激發諧振信號，從而捕獲基本上平行於所述平面傳播的第一光信號的至少一部分，並且還工作來沿著基本上與所述平面正交的第二方向發射所述諧振信號。
5.如權利要求4所述的系統，其中所述光學結構(1302)包括多個同心環結構(1312a、1312b)。
6.如權利要求5所述的系統，其中所述同心環結構(1312a、1312b)被配置為所述第二結構(402)的函數。
7.如權利要求5所述的系統，其中所述第二結構(402)包括同軸圓筒結構，並且其中所述同心環結構(1312a、1312b)被配置為所述同軸圓筒結構的函數。
8.如權利要求7所述的系統，其中在共同極性的環形區域上面形成所述同心環結構(1312a、1312b)，其中所述環形區域是所述同軸圓筒結構之間的區域。
9.一種用於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，並且包括至少一個波長；響應於所述至少一個波長的所述第一光信號，激發諧振信號(1704)；沿著相對於襯底的離面方向發射所述諧振信號(1706)；和對沿著所述離面方向被發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)的在共同極性的區域處的部分進行相移。
全文摘要
本發明公開了一種包括輸出光束改變的離面傳輸光信號諧振耦合。在光學諧振系統(1310)的表面(1304)上形成了一種光學結構(1302)，以改變所發射的諧振信號的特性。該光學結構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射的諧振信號的輸出特性進行準直、擴散、引導和一般成形。該光學結構還可以被用來調諧光學諧振系統的品質因子(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 優先權日2004年9月23日
發明者科特·阿蘭·弗洛裡 申請人:安捷倫科技有限公司