[发明专利]自由形衍射光学元件的制造方法及使用该自由形衍射光学元件的光模组

说明书

一种光模组，其包括产生具有工作波长的光束的光源、具有至少第一端面的光波导、及光耦合至所述光源和所述光波导的第一端面的光耦合系统，所述光耦合系统包括具有光轴的自由形衍射光学元件，所述自由形衍射光学元件包括具有第一表面的基底及在所述基底的第一表面上形成的预设的自由形衍射图案，所述基底包括基底材料，所述自由形衍射图案相对于所述自由形衍射光学元件的光轴呈放射状不对称。

【技术领域】

本发明有关一种自由形衍射光学元件的制造方法及使用该自由形衍射光学元件的光模组，尤指一种光发射器或光接收器的光耦合系统的自由形衍射光学元件(Diffractive Optical Element,下文称DOE)及其设计和制造方法。

【背景技术】

在光通信网络中，光收发模组用来通过光纤发射和接收光信号。光收发模组产生代表数据的振幅和/或相位和/或偏振调制光信号，其后会通过耦合至光收发器的光纤发射。该收发模组包括发射器侧和接收器侧。在发射器侧，激光光源发射激光，光耦合系统接收该激光并将其光耦合或成像至光纤的一端。激光光源通常包括一个或多个激光二极管发射特定波长或特定波长范围的光。光耦合系统通常包括一个或多个反射元件，一个或多个折射元件以及/或一个或多个衍射元件。

在高速数据通信网络中(例如10Gb/s及以上)，常用多模光纤。在该网络中，某些链路性能特性，比如链路传输距离，取决于激光光源的属性以及光耦合系统的设计。其中最主要的是光纤的模式带宽以及激光光源的相对强度噪声 (Relative Intensity Noise,下文称RIN)，其可被通过光学背向反射至激光光源而降低。两个参数都受进入多模光纤的激光的发射条件影响。

多模光纤的模式带宽的有效部分取决于进入光纤一端的激光的发射条件。反过来，发射条件取决于激光二极管本身的属性以及光耦合系统的设计和配置。然而，由于通常用在成像型光耦合系统中的光学元件生产能力上的限制，发射条件的控制主要受限于设计和配置光耦合系统以控制来自激光光源至光纤一端的光的成像方式。存在其他非成像型的光耦合系统设计，比如螺旋发射设计，其克服了成像型光耦合系统的某些缺点。但是这些非成像型的光耦合系统也有缺陷。

垂直腔面发射激光二极管(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diodes,下文称VCSEL)基的多模光通信系统由于其光耦合系统设计相对容易而被认为是低成本解决方案。但是，光通信日益增长的数据速率需要在传输链路中更好地控制噪声。噪声类型包括背向反射、相对强度噪声、模式分区噪声(Mode Partitioning Noise,下文称MPN)、模式选择噪声(Mode Selective Noise,下文称 MSN)等。来自光耦合系统的光学表面的背向反射使得垂直腔面发射激光二极管不稳定，并增加相对强度噪声。通过增加完美光学表面上的扰动，可以减轻背向反射。比如在2017年12月12日公告并由本申请的受让人拥有的美国专利，专利号US9841571(US’571)，揭示了该种扰动及其影响。使用电脑全息影像(Computer Generated Hologram,下文称CGH)创建的衍射光学元件也可以以更受控和系统化的方式用于抑制光学反馈。例如，在2011年9月13日公告的美国专利，专利号US8019233(US’233)，揭示了选择将实现一个或多个目标发射条件的电脑全息影像和创建实现电脑全息影像的衍射光学元件。这种衍射光学元件可用于抑制光学反馈。

在VCSEL模式之间存在持续的功率交换，这种交换可能成为模式噪声的来源。当在光耦合系统中发生模式选择时，耦合功率将会波动，产生MSN。为了克服或降低这种噪声源，每个VCSEL模式产生的聚焦图案应尽可能的在空间上折叠，并且激发的光纤模式也应该重叠以便在连接器接头处使模式选择性最小。就像US’233中揭示的那样，通过使用能够达到这种影响的衍射光学元件可以达到最好的效果。