[发明专利]用于光束准直和束定向的二维透镜装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年6月17日提交的美国临时申请序列号61/132,407的权益，其通过引用并入于此。

技术领域

本发明涉及准直和转向光束的装置，并且尤其涉及使用一对二维透镜来将准直分成一维操作，同时使用二维透镜中的一个还实现转向操作。

发明背景

在许多光学系统中，必须在基于基底的光学装置内从一个平面至另一平面操作传播的光学信号。电光设备诸如波导通常以两个主要平面为特征—一个平行于基底而一个垂直于(成直角于)该基底。通常，光束的方向需要被旋转90°以将其从一个平面再定向至另一平面。

图1-3示出现有技术的用于提供光信号从一个方向到另一方向的再定向的装置。图1为侧视图，示出沿光学基底2的一部分形成的光波导1。离开波导1的端面3的光束O将在其从波导1向外传播时在整个三维上扩展，形成如图2的等距视图示出的锥形波前(conic wavefront)。将贯穿本论述所使用的笛卡尔XYZ坐标被示出在图1和2中，其中Z轴被定义成波导1的光轴，而XY平面限定端面3。

为了旋转光束O和将其再定向成另一平面中的波导(例如，“上”波导(″above″waveguide)1)，通常使用带角度的反射表面，在图1中示出成反射表面4。反射表面4被布置成沿着从波导1开始的输出信号通道，在此情况下定义成系统的Z轴。反射表面4将拦截传播束(propagatingbeam)，并且在此构造中将传播束向上定向。在光学领域中通常被指作“转向镜”，反射表面4可以有利地由与装置的其余部分相同的硅材料形成，并通过使用CMOS加工而制成，以产生期望角度的反射。为本论述的目的，术语“转向镜”将在此后用于描述该组件。

鉴于波导1在端面3处终止成垂直的面(见图3，端面3的放大显示)，束在XY平面内的扩展将继续，从而导致信号功率在相对较大的表面积上传播，如通过图2示出的圆锥波前所示出的。此外，束扩展将在信号已被转向镜4再定向之后继续。图1中的平面5和相关的光点尺寸图像(spot size image)A示出在光束O已经离开波导1并已被转向镜4再定向时所发生的扩展度。

因此，该恒定的扩展导致减小了出现在沿表面(例如平面5)的任意点处的光学功率。当将光学信号再定向至波导、光学接收设备或类似物时，将优选控制再定向束的光点尺寸，以便提高将光学信号传播到另一波导、光学接收设备或类似物的耦合效率。即，期望限制光波前沿垂直于信号传播方向的轴的扩展(即，当沿Z轴传播时，限制XY平面中的扩展)。

发明概述

现有技术中存在的需要被本发明解决，本发明涉及准直和转向光束的装置，并且尤其涉及使用一对二维透镜来将准直分成单独的一维操作，同时使用二维透镜中的一个还实现转向操作。

根据本发明，第一二维透镜表面被设置在发射波导的端面处。该第一二维透镜表面提供沿系统的一个轴(例如X轴)的准直。通过将规定的弯曲引入系统中的转向镜来提供第二二维透镜表面。转向镜的弯曲被设计成产生正交束前(beamfront)上(在此情形为Y轴束前)的准直，同时还将传播信号再定向至期望的方向。

本发明的优势为通过将准直问题分离成两个独立的一维准直操作(例如，首先X，然后Y)，相对简单的装置可被用于在总系统架构中相对早地产生完全准直的信号。

尽管本发明将在以下关于集成的基于硅的实施方式描述，但应理解到，本发明的一般的准直和定向构造不限于如此。具体来说，分离的光学组件(透镜、格栅(grating)、镜、棱镜或类似物)可用于任何类型的进入的(扩展的)光学信号，以提供本发明的两步准直和转向操作。

但是，将目标集成在硅平台内的能力被认为对许多装置是有利的，尤其是其中使用阵列结构和多个进入的光学信号需要被准直和再定向的情形。事实上，使用已知的CMOS加工技术来形成集成的、整体耦合装置的能力被认为是超过现有技术的显著优势，尤其就成本、大小和再现性方面来说。基于硅的装置的优选实施方式包括绝缘体上硅(SOI)构造，同时进入的信号沿形成在SOI构造的薄表面硅层中的波导而传播。

本发明的这些和其他的优势和装置将在以下论述的过程期间并通过参照附图变得明显。

附图简述

现在参照附图，其中在多个附图中相同的数字代表相同的组件：

图1为现有技术的光学转向镜装置的侧视图；

图2为图1的装置的一部分的等距视图，示出了从光波导的端面出现的锥形束前；

图3为如图1所示的光波导的端面的放大视图；

图4为本发明的示例性实施方式的侧视图；