[发明专利]基于数字平面全息的集成平面光学器件

说明书

技术领域

本发明涉及在通过数字平面全息图互连的多个重复的标准元件(诸如激光器、放大器、检测器及快速饱和吸收器)所构成的平面集成回路中的光波或其它波的处理。更具体地，本发明涉及以数字方式处理光波的方法及以数字平面全息术的原理工作的集成平面光学器件。

背景技术

利用光来处理和传输信息需要制造集成光学回路。众所周知，使用光的集成回路没有复制电子集成电路的成功，但是像激光器、放大器、检测器及快速饱和吸收器等大多数重要的有源非线性光学元件通常通过微光刻法被制作在平面波导中，然后被划片(dice)并与光纤连接。这与发明电子集成电路之前的晶体管的使用非常相似。主要原因之一是互连的问题。电流容易随导体的弯曲而流动，从而有助于多个层之间的互连。而光趋于直线传播；因此，多个层之间的互连很困难。有时，有源元件在单一波导中通过脊形波导互连，但该方法因单一层中的脊形波导的交叉而受限。因此，非常需要在单一波导中互连许多光学元件。

目前为止，已经尝试通过在单一衬底上互连许多光学器件而提供平面光学器件。例如，2007年公开的美国专利申请公开第20070034730号(发明人T.Mossberg等)公开了一种多模平面波导光谱滤波器，其包括具有至少一组衍射元件的平面光波导。上述波导在一个横向维度上限制以两个其它维度在其中传播的光信号。上述波导支持多个横模。每一组衍射元件在输入和输出端口之间路由(route)光信号的一个被衍射部分，该光信号是在平面波导中传播并被衍射元件衍射的光信号。光信号的被衍射部分以多个横模的叠加的形式到达输出端口。多模光源可通过对应的输入光学端口将光信号作为多个横模的叠加而发射到平面波导中。多模输出波导可通过输出端口接收光信号的被衍射部分。多组衍射元件可在一个或多个对应的输入及输出端口之间路由光信号的对应的被衍射部分。上述器件涉及折射率调制的原理。

2006年公开的美国专利申请公开第20060233493号(发明人T.Mossberg等)公开了一种全息光谱滤波器。根据一个实施例，上述发明的器件包括适合于包含经编排的平面全息光谱滤波器件的平面波导。输入及输出信号在平面全息衬底内在x-y平面内传播。上述平面全息衬底或平板(slab)通常由在器件的预定工作波长处足够透明的材料构成，从而信号在传播通过上述经编排的全息器件时不会由于吸收而产生不可接受的损耗。通常的衬底材料包括二氧化硅(SiO₂)、聚合物及硅，其中，二氧化硅在许多可见光及近红外光谱区中是透明的。优选地，上述平面衬底的厚度被设置为足够低的值，以保证只允许较少数量的横(z)模，或更具体而言，以保证所允许的横(z)模在通过上述经编排的全息器件时不会经历显著的模式色散。

2007年公开的美国专利申请公开第20070053635号(发明人D.Iazikov等)公开了一种通过计算模拟的光信号之间的干涉而设计的、并通过缩版光刻(reduction lithography)制造而成的透射光栅。更具体而言，上述方法包括如下步骤：计算模拟设计输入光信号和模拟设计输出光信号之间的干涉图案；基于计算出的干涉图案，计算性地推导出至少一组衍射元件的布置。所述干涉图案在透射光栅区域中被计算，其中输入和输出光信号都作为基本不受限制的光束传播通过透射光栅区域。所述一组衍射元件的布置被计算性地推导，从而当这组如此布置的衍射元件被形成在透射光栅中或透射光栅上时，每组衍射元件在对应的输入和输出光学端口之间路由输入光信号的一个对应的被衍射部分，该信号是入射到透射光栅上并被其透射的信号。上述方法还可包括根据推导出的布置，在透射光栅内或其上形成一组衍射元件。

2006年公开的美国专利申请公开第20060126992号(发明人T.Hashimoto等)公开了一种包括输入端口和输出端口的波传输介质。第一及第二场分布通过数值计算而获得。第一场分布是入射到输入端口中的前向传播光的分布。第二场分布是在光信号入射到输入端口中时从输出端口发送的输出场从输出端口侧反向传输所得到的反向传播光的分布。以两个场分布为基础计算空间折射率分布，从而在介质中的个别点(x，z)处消除上述传播光和上述反向传播光之间的相位差。这些系统的元件也安装在平面衬底上。