УЗЛЫ ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫХ РЕШЕТОК НА ОСНОВЕ МАССИВА ВОЛНОВОДОВ
TEMPERATURE-COMPENSATED GRATING UNITS BASED ON SET OF WAVEGUIDES

Область техники, к которой относится изобретение
Область техники имеет отношение к решеткам на основе массива волноводов, которые взаимодействуют с компонентами для регулирования прохождения света на протяжении волновода в ответ на изменения температуры. Область техники также имеет отношение к интеграции на уровне сети термокомпенсированных решеток на основе массива волноводов.
Предпосылки создания изобретения
Оптические сети обычно содержат передающие компоненты, которые предназначены для передачи сигналов в полосах длин волн на надлежащие расстояния. В полосах длин волн обычно содержатся сигналы, адресованные множеству клиентов/пользователей. Поэтому одиночное оптическое волокно можно использовать для одновременной передачи множества сигналов, которые затем разделяют для доставки. Аналогично, индивидуальные сигналы объединяют для передачи по общим линиям до возможного разделения для маршрутизации и/или доставки. Соответственно, индивидуальные полосы разделяют на небольшие диапазоны длин волн, соответствующие сигналам, относящимся к индивидуальным пользователям, в том числе к объединениям из небольшого числа пользователей, и функции мультиплексирования и демультиплексирования можно использовать при преобразовании объединенных сигналов общих линий в индивидуальные сигналы для маршрутизации и/или сопряжения с индивидуальными пользователями.
Решетки на основе массива волноводов (РМВ) представляют собой оптические схемные компоненты, которые предназначены для выполнения функций мультиплексирования и демультиплексирования оптических сигналов. Планарные оптические схемы представляют собой удобный вид решеток на основе массива волноводов, которые можно помещать на заданные места в оптической сети. Решетка на основе массива волноводов обычно содержит два пропускающих в широкой полосе оптических элемента, таких как пластинчатые волноводы, которые связаны с массивом волноводов, имеющих различную длину. Разность длин распределяющего массива волноводов выбирают из условия получения соответствующей конструктивной и деструктивной интерференции в пластинчатом волноводе между светом, пропускаемым массивом волноводов, чтобы мультихроматический сигнал распределялся по пространству в соответствии с интерференционной картиной, вследствие чего более узкие диапазоны длин волн можно по отдельности передавать для последующего демультиплексирования. Аналогично, пропускание света в противоположном направлении приводит к передаче объединенного мультихроматического сигнала, относящегося к группе входных сигналов с различными длинами волн в диапазоне длин волн. Поэтому решетка на основе массива волноводов может быть выполнена с объединяющей стороной и распределяющей стороной, чтобы при прохождении света от объединяющей стороны к распределяющей стороне обеспечивалось демультиплексирование сигнала в мультихроматический сигнал, и наоборот, чтобы при прохождении света от распределяющей стороны к объединяющей стороне обеспечивалось объединение мультихроматического сигнала. Основные принципы работы решетки на основе массива волноводов хорошо известны в данной области техники и описаны, например, в патенте США №5002350.
Краткое изложение изобретения
Согласно первому аспекту изобретение относится к планарной световодной схеме, содержащей волновод объединенных сигналов, набор волноводов распределенных сигналов, первый пластинчатый волновод, первое зеркало, оптически соединенное с первым пластинчатым волноводом, узел зеркала, поддерживающий первое зеркало, массив волноводов, и второй пластинчатый волновод. Массив волноводов оптически соединяет первый пластинчатый волновод и второй пластинчатый волновод для образования решетки на основе массива волноводов. В общем случае волновод объединенных сигналов или набор волноводов распределенных сигналов оптически соединен непосредственно на краю доступа с первым пластинчатым волноводом и другой из волновода объединенных сигналов или набора волноводов распределенных сигналов оптически соединен прямо со вторым пластинчатым волноводом. Для получения более компактной конструкции устройства предпочтительно, чтобы оптический путь на протяжении первого пластинчатого волновода от края доступа был изломан созданием оптического отражения от зеркала к краю массива, соединяющего массив волноводов и соответствующий элемент волновода объединенных сигналов или набор волноводов распределенных сигналов. Конфигурация схемы отражения от зеркала может давать требуемые результаты при угле отражения не больше чем около 80°, а отношение протяженности оптического пути от края доступа до зеркала к протяженности оптического пути от массива волноводов до зеркала обычно должна быть от около 0,5 до около 2. Для обеспечения термокоррекции в некоторых вариантах осуществления узел зеркала содержит привод, который поворачивает зеркало по направлению вращения в плоскости пластинчатого волновода в ответ на изменение температуры для изменения угла, чтобы обеспечить пропускание света с эффективной температурной компенсацией на протяжении схемы массива волноводов в пределах выбранного диапазона температур.
Согласно дальнейшему аспекту изобретение относится к планарной световодной схеме, содержащей волновод объединенных сигналов, набор волноводов распределенных сигналов, первый пластинчатый волновод, содержащий первый край доступа и первый край массива, первое зеркало, оптически соединенное с первым пластинчатым волноводом, второй пластинчатый волновод, содержащий второй край доступа и второй край массива, второе зеркало, оптически соединенное со вторым пластинчатым волноводом, и массив волноводов, оптически соединяющий первый пластинчатый волновод со вторым волноводом на протяжении соответствующих краев массива. В некоторых вариантах осуществления каждый пластинчатый волновод имеет изломанный оптический путь между соответствующим краем доступа и соответствующим краем массива, отражение от зеркала происходит под углом не больше чем около 80° и отношение расстояния от края доступа до зеркала к расстоянию от края массива до зеркала составляет от около 0,5 до около 2.
Согласно дополнительным аспектам изобретение относится к способам подготовки планарных световодных схем, содержащим регулирование привода при эталонной температуре для обеспечения выравнивания центральной длины волны всплеска на протяжении решетки на основе массива волноводов и герметизацию корпуса после регулирования привода для ограждения термокомпенсированной оптической схемы.
Согласно другим аспектам, изобретение относится к планарной световодной схеме, содержащей волновод объединенных сигналов, набор волноводов распределенных сигналов, первый пластинчатый волновод, первое зеркало, оптически соединенное с первым пластинчатым волноводом, узел зеркала, поддерживающий первое зеркало, массив волноводов и второй пластинчатый волновод. Массив волноводов оптически соединяет первый пластинчатый волновод и второй пластинчатый волновод для получения решетки на основе массива волноводов. Волновод объединенных сигналов или набор волноводов распределенных сигналов оптически соединен непосредственно на краю доступа с первым пластинчатым волноводом, а другой из волновода объединенных сигналов или набора волноводов распределенных сигналов оптически соединен прямо со вторым пластинчатым волноводом. Для получения более компактной структуры предпочтительно, чтобы оптический путь на протяжении первого пластинчатого волновода от края доступа был изломан для обеспечения оптического отражения от зеркала к краю массива, соединяющего массив волноводов и соответствующий элемент волновода объединенных сигналов или набор волноводов распределенных сигналов. Конфигурация схемы отражения от зеркала может быть такой, при которой предпочтительный угол отражения составляет не больше чем около 80°, а отношение протяженности оптического пути от края доступа до зеркала к протяженности оптического пути от массива волноводов до зеркала должно быть от около 0,5 до около 2. В некоторых вариантах осуществления узел зеркала содержит ручную регулировку привода, которым задается характеристика длин волн решетки на основе массива волноводов путем подстройки центральной длины волны для обеспечения прохождения при выбранной температуре между волноводом объединенных сигналов и волноводами распределенных сигналов.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
Фиг. 1 - вид варианта осуществления оптической интегральной схемы, имеющей пластинчатый волновод с изломанным оптическим путем, снабженный поворотным зеркалом, которое обеспечивает термокоррекцию схемы массива волноводов;
Фиг. 2А - вид сверху первого альтернативного варианта осуществления пластинчатого волновода с изломанным оптическим путем;
Фиг. 2В - вид сверху второго альтернативного варианта осуществления пластинчатого волновода с изломанным оптическим путем;
Фиг. 2С - вид сверху третьего альтернативного варианта осуществления пластинчатого волновода с изломанным оптическим путем;
Фиг. 3А - вид в плане альтернативного варианта осуществления поворотного зеркала, которое обеспечивает термокоррекцию при повороте зеркала в схеме;
Фиг. 3В - увеличенный вид сбоку варианта осуществления из фиг. 2А;
Фиг. 4 - поперечное сечение корпуса, содержащего вариант осуществления из фиг. 3А;
Фиг. 5А - вид сбоку альтернативного варианта осуществления зеркала, способного поворачиваться за счет тепловой энергии;
Фиг. 5В - вид в плане варианта осуществления из фиг. 5А в первом положении;
Фиг. 5С - вид в плане варианта осуществления из фиг. 5А во втором положении;
Фиг. 6А - перспективный вид термокомпенсированной решетки на основе массива волноводов, имеющей пару пластинчатых волноводов с изломанным оптическим путем и термокорректирующее зеркало;
Фиг. 6В - фрагментарный перспективный вид регулируемого вручную привода, встроенного в конструкцию устройства с решеткой на основе массива волноводов из фиг. 6А;
Фиг. 7А - перспективный вид альтернативного варианта осуществления термокомпенсированной решетки на основе массива волноводов, имеющей пару пластинчатых волноводов с изломанных оптическим путем и термокорректирующее поворотное зеркало;
Фиг. 7В - схематичное представление действия приводов в варианте осуществления из фиг. 7А;
Фиг. 8 - график моделированных характеристик термокомпенсации термокомпенсированных решеток на основе массива волноводов, скорректированных в соответствии с вариантами осуществления из фиг. 6 и 7А; и
фиг. 9 - вид сверху варианта осуществления кристалла, имеющего две решетки на основе массива волноводов на одном кристалле.
Подробное описание изобретения
Усовершенствованная структура планарных решеток на основе массива волноводов (РМВ) с термокомпенсацией позволяет снизить затраты на изготовление и уменьшить общую занимаемую площадь без ухудшения характеристик. Решетки на основе массива волноводов имеют планарные массивы волноводов с пластинчатыми волноводами на обоих концах массивов. Пластинчатые волноводы выполняют важные функции пространственного рассеяния света, благодаря которому создается расхождение пучка и/или интерференция сигналов, необходимая для пространственного разделения по длинам волн. Хотя размеры в значительной степени определяются оптическими характеристиками, было обнаружено, что размеры решетки на основе массива волноводов можно значительно уменьшить путем использования зеркала для излома оптического пути в пластинчатом волноводе, при этом по существу будет сохраняться полная длина пути в пластинчатом волноводе, тогда как физический размер пластинчатого волновода будет сокращаться. Кроме того, использование новшеств, описанных в этой заявке, обеспечивает возможность получения требуемого доступа к входу и выходу волноводов, чтобы выполнять маршрутизацию вблизи сердцевинной решетки. В случае отсутствия этих инноваций решетки на основе массива волноводов имеют структуры с волноводами доступа, маршрутизируемыми на расстоянии от сердцевинной решетки. Прилежащая маршрутизация волноводов доступа обеспечивает намного более эффективное использование площади оптической схемы, что позволяет значительно уменьшить практический размер устройства с решеткой на основе массива волноводов. Таким образом, желаемое уменьшение размера является результатом уменьшения размера пластинчатого волновода (волноводов), а также улучшенного размещения входных и выходных волноводов доступа.
При таком уменьшенном размере площади можно использовать не снабжаемое энергией или пассивное тепловое регулирование, чтобы изготавливать решетку на основе массива волноводов с небольшой общей занимаемой площадью, термокомпенсированную в практических диапазонах температур, чтобы характеристики решетки на основе массива волноводов по существу не зависели от температуры. В данной области техники компонент с пассивной термокомпенсацией может называться атермическим компонентом даже в случае, если функциональные материалы в устройстве испытывают тепловые изменения, несмотря на то, что пассивной термокомпенсацией более точно описываются функциональные возможности компонента. В альтернативных вариантах осуществления можно использовать ручной привод для регулирования пути света с центральной длиной волны в решетке на основе массива волноводов наряду с использованием преимуществ компактного размера, предоставляемого усовершенствованными конструкциями, описанными в этой заявке. В таких случаях можно дополнительно предусматривать пассивную термокомпенсацию. Как вариант, в конфигурациях с регулируемым вручную приводом можно использовать другие известные средства компенсации влияния тепловых характеристик, такие как активно поддерживающие температуру устройства, при этом такие другие средства являются предпочтительными для применения. Вследствие небольшой общей площади, занимаемой усовершенствованными устройствами, описанными в этой заявке, большее количество устройств можно образовать на подложке, такой как кремниевая пластина, и это большее количество устройств можно соответственно изготавливать с одинаковой производительностью при соответствующем снижении затрат на одно устройство.
Передача световых сигналов по решеткам на основе массива волноводов может нарушаться в результате изменений температуры. Изменение температуры вызывает изменение размеров и показателя преломления оптической схемы, что приводит к сдвигу центральной длины волны (ЦДВ) или длины волны максимальной передачи для данного канала фотонной интегральной схемы (ФИС). В этой заявке описываются оптические узлы, содержащие решетки на основе массива волноводов, которые эффективно термокомпенсированы, так что целостность сигнала сохраняется при изменениях температуры. Можно изменять оптический путь, проходящий на протяжении одного или обоих пластинчатых волноводов решетки на основе массива волноводов, чтобы осуществлять пассивную компенсацию влияния изменений температуры решетки. В некоторых вариантах осуществления тепловое регулирование решетки на основе массива волноводов включает в себя отражение сигналов от подвижного зеркала, положение и/или ориентация которого изменяется в зависимости от температуры и изменений пути сигнала, когда он проходит по решетке на основе массива волноводов. Некоторые варианты осуществления подвижного зеркала включают в себя поворотный отражатель или зеркало, перемещаемое приводом, который выполнен чувствительным к изменениям температуры. Решетки на основе массива волноводов и относящиеся к ним компоненты для температурной компенсации в данной области техники могут называться атермическими решетками на основе массива волноводов, что означает, что в них эффективным и естественным образом компенсируются температурные изменения, которые могут встречаться в сетевых применениях вне помещений или замкнутых пространств с терморегулированием, так что выполняется передача сигнала. Решетка на основе массива волноводов применяется для направления сигналов в сети.
Наряду с тем, что поворотом отражателя или зеркала можно обеспечивать тепловое регулирование, применением зеркала также можно значительно снижать размеры пластинчатых волноводов, так что соответственно можно снижать общий размер устройства. При размещении края доступа для канального волновода в компоненте решетки на основе массива волноводов оптический путь в пластинчатом волноводе расщепляется на два отрезка. При размещении края доступа таким образом, чтобы угол между световым путем на краю доступа и нормалью к зеркалу был не больше чем около 45°, можно значительно уменьшать размер пластинчатого волновода и соответственно две ветви оптического пути можно регулировать так, чтобы они отличались друг от друга не более чем приблизительно в 2 раза. Таким образом, можно значительно уменьшать размер общей площади, занимаемой устройством и обеспечивать термокоррекцию.
Как описано в этой заявке, решетки на основе массива волноводов устанавливают в планарную световодную схему, которую можно надлежащим образом соединять с оптической сетью передачи на большое расстояние. Планарную оптическую схему обычно формируют на плоской подложке из соответствующих оптических материалов, обычно из кремнеземного стекла, многослойного и со структурированной поверхностью для формирования требуемых оптических путей. Как известно в данной области техники, свет надлежащего диапазона длин волн может сдерживаться на структурированных оптических путях вследствие рефрактивного волноводного распространения при наличии надлежащих разностей показателей преломления различных оптических материалов.
В сетях обычно предусматривают соответствующие функции переключения для маршрутизации сигналов от передатчика к приемнику. Чтобы иметь эффективные системы передачи и маршрутизации, индивидуальные сигналы обычно объединяют для передачи на большое расстояние по единственному оптическому волокну и затем разделяют для надлежащей маршрутизации к предполагаемым получателем. Отдельные сигналы можно идентифицировать путем использования отдельного значения длины волны или диапазона, относящегося к каждому отдельному сигналу. Хотя эти общие принципы можно распространить на различные технологии передачи, в данном случае оптические сигналы представляют особый интерес. Оптическими сигналами предоставляется возможность передачи больших количеств информации, хотя для оптических сигналов имеются отдельные проблемы, относящиеся к обработке оптических сигналов. Устройства с решетками на основе массива волноводов, описанные в этой заявке, обычно проектируют в соответствии с современными требованиями для объединения или разделения по меньшей мере от около 8 длин волн и до около 100 длин волн, при этом набор длин волн обычно попадает в промежуток приблизительно от 40 нм до 60 нм диапазона длин волн. Однако усовершенствованные конструкции фотонных кристаллов, описанные в этой заявке, можно более широко применять в решетках на основе массива волноводов, которые имеют более широкие диапазоны характеристик по сравнению с используемыми в настоящее время. Значение центральной длины волны группы обычно задается вблизи параметров оптической сети, и в настоящее время оно обычно попадает в диапазон от около 1250 нм до около 1650 нм, хотя перспективные проекты сетей могут охватывать другие диапазоны длин волн.
Объединение множества сигналов, например оптических сигналов, для общей передачи можно назвать мультиплексированием, которое означает, что сигналы различных длин волн объединяются в общий сигнал. Разделение объединенных сигналов, например оптических сигналов, имеющих различные длины волн, можно назвать демультиплексированием. В некоторых устройствах выполняется мультиплексирование оптических сигналов, передаваемых в одном направлении, и демультиплексирование оптических сигналов, передаваемых в противоположном направлении, так что общее устройство можно использовать для выполнения обеих функций. Выражения «мультиплексирование» и «демультиплексирование» используются в этой заявке применительно к функциям мультиплексирования и демультиплексирования, соответственно, а выражение «демультиплексирование/мультиплексирование», используемое в этой заявке, означает выполняемые совместно или по выбору функции мультиплексирования и/или демультиплексирования устройством или структурой, которая выполняет эти функции.
Термокомпенсированную решетку на основе массива волноводов можно проектировать с учетом использования в качестве мультиплексора, демультиплексора, или устройства демультиплексирования/мультиплексирования в сети. Решетка на основе массива волноводов может находиться в узле, который обеспечивает быстрое соединение с источниками оптических сигналов, такими как оптические волокна. В альтернативных или дополнительных вариантах осуществления решетка на основе массива волноводов может быть постоянно соединена с соответствующими источниками оптических сигналов, которые в таком случае могут выходить из корпуса интегральной схемы в оптическую сеть. Узел может быть помещен в единственный корпус, в котором принимаются соединения или который имеет соединения с носителем полихроматического сигнала и носителем распределенных оптических сигналов. Первый и второй носители могут быть входными или выходными с учетом того, что термины «входной» и «выходной» являются произвольными в свете функциональных возможностей решеток на основе массива волноводов в части демультиплексирования/мультиплексирования. В этом контексте термин «носитель оптических сигналов» является широким и относится к оптическим волокнам, пучку волокон, волоконной полосе, волоконной ленте, волноводам или другому передающему сигналы компоненту (компонентам). Носитель оптических сигналов может быть частью сети и в процессе работы может соединяться с решеткой на основе массива волноводов.
Один способ образования термокомпенсированной решетки на основе массива волноводов изложен в патенте США №7062127 (Purchase et al.) под названием “Athermal AWG and AWG with low power consumption using groove of changeable width”, включенном в эту заявку путем ссылки. В патенте ′127 решетка на основе массива волноводов помещена на состоящее из двух частей основание, которое имеет выемку или зазор между частями. Длина привода изменяется в ответ на изменения температуры, при этом регулируются относительные положения частей основания для достижения термокоррекции. Зеркало может быть включено в состав решетки на основе массива волноводов в добавление к некоторым схемам излома оптического пути в пластинчатом волноводе решетки на основе массива волноводов. Схемы излома оптического пути обычно связаны с созданием многогранного пластинчатого волновода с одной гранью, предназначенной для приема оптического сигнала, и зеркалом для отражения сигнала на другую грань. Грани разнесены и ориентированы относительно друг друга так, чтобы угол между падающим и отраженным светом был приблизительно прямым, вследствие чего требуемое пространство для пластинчатого волновода является значительным. Тепловое регулирование обеспечивается установкой зеркала и пластинчатого волновода на отдельных частях основания, соединенных шарниром, чтобы привод мог перемещать части основания относительно друг друга вокруг шарнира и изменять относительные положения зеркала и пластинчатого волновода.
Другой способ образования относительно компактной решетки на основе массива волноводов представлен в патенте США №5745616 (Zirngobl) под названием “Waveguide grating router and method of making same having relatively small dimensions”, включенном в эту заявку путем ссылки. Как описано в патенте ′616, области свободного пространства используются для рассеивания света вблизи концов массива волноводов. Зеркала предложено использовать для излома оптического пути в областях свободного пространства. Эти схемы излома обычно включают в себя использование двух приблизительно перпендикулярных, уже описанных граней или представляют собой схемы, в которых используются два зеркала в пластинчатом волноводе вместо одного зеркала. В отличие от этого в способах, описанных в этой заявке, можно исключить потребность в двух зеркалах в волноводе. Кроме того, согласно некоторым вариантам осуществления создается более ограниченный излом оптического пути в пластинчатом волноводе, так что может происходить более значительное уменьшение размера. Кроме того, в конфигурациях, представленных в этой заявке, также предусматривается эффективная термокоррекция с использованием поворотных зеркал.
Дополнительно отметим, что патент ′616 относится к фосфид-индиевым волноводам, работа которых основана на очень больших значениях показателя преломления, составляющих около 3,5, и соответствующих больших разностей показателей преломления. При больших значениях показателя преломления большие потери могут возникать при прохождении сквозь поверхность под углами от нормальной линии, так что конструктивные соображения значительно отличаются от соответствующих соображений в случае кремнеземных стекол. Таким образом, решение согласно патенту ′616 существенно отличается от сопряжений с разнесенными оптическими компонентами, такими как поворотное зеркало. В конструкциях, описанных в настоящей заявке, достигаются объединенные преимущества улучшенного взаимодействия компонентов, расположенных вблизи пластинчатых волноводов, наряду с возможностью использования компонентов, которые выступают за пределы края оптических компонентов для согласования с поворотным зеркалом или чем-либо подобным. Например, в случае устройств, описанных в настоящей заявке, свободное пространство между пластинчатыми волноводами и зеркалом может быть заполнено согласующими показатели преломления композициями, такими как гель, смазка или клей, которые не препятствуют повороту зеркала. В устройствах, описанных в настоящей заявке, оптический путь за пределами кристалла может быть сделан достаточно коротким для нахождения в диапазоне перетяжки пучка сигнала волновода, в результате чего будут исключаться дифракционные потери без дополнительных оптических компонентов для управления пучком.
Еще один способ осуществления термокоррекции в решетке на основе массива волноводов изложен в патенте США №6701043. Оптическое волокно соединено с линзой, из которой свет подается к решетке на основе массива волноводов. Линза снабжена зеркалом, которое может перемещаться в ответ на изменение температурных условий. Дополнительная линза для решетки на основе массива волноводов представляет собой источник затрат и сложности изготовления. Линза представляет собой излишний оптический элемент, который может снижать эффективность оптики. Кроме того, оптический путь в пластинчатом волноводе не изломан значительно, так что в патенте ′043 не достигается значительное уменьшение размера пластинчатого волновода. В отличие от этого, в настоящей заявке предложен пластинчатый волновод с изломанным оптическим путем и отражающей поверхностью, которая принимает свет из волновода и непосредственно отражает свет обратно в волновод, то есть без промежуточных оптических элементов, а оптический путь в пластинчатом волноводе, описанный в настоящей заявке, представляет собой значительно изломанный оптический путь в пластинчатом волноводе, обеспечивающий значительное снижение общей площади, занимаемой пластинчатым волноводом.
На фиг. 1 представлен вариант осуществления термокомпенсированной решетки на основе массива волноводов, которая значительно улучшена за счет компактного изломанного оптического пути в пластинчатом волноводе и низких потерь, без использования линзы, благодаря размещению зеркала на очень небольшом расстоянии от края пластинчатого волновода и в то же время поддержанию расстояния, достаточного для регулирования, чтобы обеспечивать работу с температурной компенсацией. Кристалл 100 содержит оптический узел 102 на подложке 104, при этом двойной соединитель 106 обеспечивает оптическую связь между первым сетевым носителем 108 оптических сигналов и вторым сетевым носителем 110 оптических сигналов. Оптический узел 102 имеет первый пластинчатый волновод 112, второй пластинчатый волновод 114 и массив 116 волноводов, которые оптически соединены для образования решетки на основе массива волноводов. Пластинчатый волновод 114 имеет край 113 доступа и край 115 отражения. Оптический узел 102 также имеет узел 117 зеркала, который содержит зеркало 118 с отражающей поверхностью 119, и привод 120.
Вблизи подложки 104 узел 117 зеркала соединен шарниром 122 с кристаллом 100. Привод 120 поддерживается крепежной деталью 124. Крепежная деталь может быть прикреплена непосредственно или опосредованно к подложке 104, кристаллу 100 или иным образом закреплена для согласования с приводом 120. Шарнир, и/или узел зеркала, и/или крепежную деталь можно прикреплять непосредственно к кристаллу или подложке. Оптическую интегральную схему можно изготавливать из одного материала (монолитной) с узлом зеркала, непосредственно прикрепленным к материалу. Например, в варианте осуществления по фиг. 1 узел зеркала и привод соединены только с подложкой 104, а фотонная интегральная схема является монолитной. Волновод 128 оптически соединен с сетевым носителем 108 и с точкой 129 соединения для обеспечения оптической связи с краем 113 доступа пластинчатого волновода 114. В альтернативных вариантах осуществления волновод 128 может быть заменен небольшим количеством волноводов, например 2-5 волноводами, для получения или приема мультиплексированных оптических сигналов. Внутренний носитель 130 оптически соединен с пластинчатым волноводом 112. Световой сигнал, проходящий по сетевому носителю 108, передается к внутреннему носителю 128 и сквозь край 113 доступа в пластинчатый волновод 114. Световой сигнал проходит через элемент 114 к краю 115 отражения и от него по пути, показанному стрелками 132а, 132b, при этом сигнал отражается отражающей поверхностью 119 зеркала 118 в пластинчатый волновод 114 и входит в массив 116 волноводов. Сигнал проходит по массиву 116 волноводов и по пластинчатому волноводу 112 и появляется как разложенный (распределенный) сигнал 134, который принимается набором волноводов 130 распределенных сигналов, с которых, в свою очередь, сигналы передаются к внешнему носителю 110, который может быть лентой оптических волокон. Аналогичным образом световые сигналы можно проследить в обратном порядке при работе решетки на основе массива волноводов в режиме демультиплексирования (объединения). В варианте осуществления по фиг. 1 носители 108 и 110 оптических сигналов показаны присоединенными к двойному соединителю 106. Двойной соединитель может быть единым, что означает, что он имеет один корпус, который прикрепляется к внешним носителям оптических сигналов для оптической связи их с носителями сигналов внутри корпуса, который содержит узел решетки на основе массива волноводов, хотя при желании можно использовать другие конструкции соединителя.
Зеркало 118 выполнено поворотным вокруг шарнира 122 и может быть смещено нажатием на привод 120. Узел 117 зеркала имеет держатель 121 для зеркала 118, и, например, в пазу или другой выемке держателя размещен дистальный участок 136 привода 120. В некоторых вариантах осуществления дистальный участок 136 прикреплен к зеркалу, а шарнир 122 соответственно не смещается. Привод 120 содержит термочувствительный материал, которые реагирует на изменения температуры, чтобы, как показано стрелкой А, поворачивать дистальный конец 138 зеркала 118. Материал привода можно выбирать так, чтобы имелся коэффициент теплового расширения, который обеспечивает степень расширения или сжатия, необходимую для изменения пути света в решетке на основе массива волноводов. Углом α между стрелками 132а и 132b обозначен угол между световым лучом, который падает на зеркало 118 и отражается от него. Угол α изменяется при повороте зеркала 118. По мере того как температура внутри корпуса 100 изменяется, длина привода 120 изменяется и зеркало 118 поворачивается. Поворот зеркала может происходить, например, в пределах от около 0,1 до около 100 мрад, а в дальнейших вариантах осуществления в пределах от около 1 до около 25 мрад. Специалистам должно быть понятно, что предполагаются все интервалы и значения, находящиеся в ясно заданных пределах углов.
Согласно варианту осуществления по фиг. 1 показан пластинчатый волновод с изломанным оптическим путем, который имеет единственный край 113 доступа для входа и выхода оптического сигнала. Стрелками 132а, 132b показаны вход и выход оптического сигнала на краю 113 доступа, при этом угол между входом и выходом света показан буквой α (альфа). Ограничением угла альфа обеспечивается меньшая общая площадь, занимаемая волноводом с изломанным оптическим путем и сопутствующей оболочкой (корпусом), и согласно вариантам осуществления используется угол не больше чем около 80°, согласно некоторым вариантам осуществления - от около 3° до около 70°, а согласно дальнейшим вариантам осуществления - от около 5° до около 60°; специалистам должно быть понятно, что предполагаются все интервалы и значения, находящиеся в ясно заданных пределах. При уменьшенных углах альфа получается компактная конструкция решетки на основе массива волноводов без ухудшения качества сигналов. Поскольку общий край 113 доступа используется для оптического соединения с канальным волноводом 129 и оптического соединения с массивом 116 волноводов, расстояния от соответствующих участков оптического пути, то есть от канального волновода 129 до зеркала и от массива волноводов до зеркала, являются по существу равными.
Дальнейшие варианты осуществления пластинчатых волноводов с изломанным оптическим путем показаны на фиг.2А, 2В и 2С. Что касается фиг.2А, то пластинчатый волновод 160 с изломанным оптическим путем показан расположенным вблизи зеркала 162, которое может поворачиваться или может не поворачиваться в ответ на изменения температуры. Пластинчатый волновод 160 также оптически соединен с канальным волноводом 164 и массивом 166 волноводов. Канальный волновод 164 сопряжен с пластинчатым волноводом 160 на краю 168 доступа, а массив 166 волноводов сопряжен с пластинчатым волноводом 160 на краю 170 массива. Сигнал по оптическому пути от канального волновода 164 отражается от зеркала 162 и достигает массива 166 волноводов при отражении под углом альфа. Альтернативный вариант осуществления показан на фиг.2В. Как показано на фиг.2В, сигнал по изломанному оптическому пути проходит от канального волновода 174 сквозь край 176 доступа в пластинчатый волновод 178, отражается от зеркала 180 под углом альфа, сквозь край 182 массива входит в массив 184 волноводов. В этом варианте осуществления край 176 доступа смещен к зеркалу 180 относительно края 182 массива. Дальнейший альтернативный вариант осуществления волновода с изломанным оптическим путем показан на фиг.2С. В этом варианте осуществления сигнал по изломанному оптическому пути проходит от канального волновода 186 сквозь край 188 доступа в пластинчатый волновод 190, отражается от зеркала 192 под углом альфа сквозь край 194 массива в массив 196 волноводов. В этом варианте осуществления край 188 доступа смещен на расстояние от зеркала 192 относительно края 194 массива.
Для вариантов осуществления пластинчатых волноводов по фиг. 2А и 2В диапазоны углов, рассмотренные в контексте фиг.1, также являются подходящими и могут в равной мере применяться для этих конфигураций пластинчатого волновода. В этих вариантах осуществления две ветви оптического пути обычно не имеют одинаковую длину. В частности, расстояние от края доступа, на котором канальный волновод сопрягается с пластинчатым волноводом, отличается от расстояния от зеркала до края массива, на котором массив волноводов сопрягается с пластинчатым волноводом. В общем случае отношение расстояния от края доступа до зеркала к расстоянию от края массива до зеркала составляет от около 0,5 до около 2, в дальнейших вариантах осуществления - от около 0,7 до около 1,5 и в дальнейших вариантах осуществления - от около 0,8 до около 1,25. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что дополнительные диапазоны отношений расстояний предполагаются находящимися в пределах, определенных выше, и в рамках настоящего раскрытия. Канальные волноводы, представленные на фиг. 1, 2А, 2В и 2С, показаны в виде единственного волновода объединенных сигналов, но, как описывается ниже в контексте альтернативных вариантов осуществления, его можно заменить множеством волноводов объединенных сигналов или набором волноводов распределенных сигналов.
При уменьшении угла, обозначенного как альфа на фиг. 1, создается благоприятная возможность получения термокоррекции при небольших перемещениях зеркал, угол которых изменяется. Зеркала для пластинчатого волновода с изломанным оптическим путем выбирают и располагают исходя из условия отражения света отражающей поверхностью зеркала таким образом, чтобы свет повторно входил в пластинчатый волновод без значительных потерь. В этом контексте термин «значительный» означает, что любые такие потери не исключают передачи сигналов и в ожидаемых вариантах осуществления соответствуют уровню дополнительных оптических потерь ниже 1 дБ по сравнению с эквивалентным устройством, не имеющем усовершенствованной компактной конструкции, описанной в этой заявке. Поскольку регулировочный угол при термокоррекции может быть небольшим, зеркала можно помещать с небольшим зазором между отражающей поверхностью зеркала и гранью пластинчатого волновода, которая пропускает свет к этой поверхности (называемой краем отражения). Зазор может быть в пределах от около 1 мкм до около 50 мкм; специалисты сразу же должны понять, что предполагаются все интервалы и значения, находящиеся в ясно заданных пределах, например, от около 2 мкм до около 20 мкм или меньше чем около 10 мкм. Жидкость, гель, эластичный клей или что-либо подобное можно помещать в зазор для согласования показателей преломления без значительного торможения поворота зеркала, при этом подходящие композиции известны в данной области техники и серийно изготавливаются в течение продолжительного времени. Отражающую поверхность зеркала можно поворачивать на небольшую величину для выполнения тепловой коррекции, от около +50 мрад до около -50 мрад относительно номинала; специалисты сразу же должны понять, что предполагаются все интервалы и значения, находящиеся в ясно заданных пределах, например, от около +10 мрад до около -10 мрад относительно номинала, или в некоторых вариантах осуществления от около +3 мрад до около -3 мрад относительно номинала. Термин «поворотный» означает перемещение, которое приводит к изменению угла света, отражаемого от поверхности.
Термин «зеркало» охватывает отражающие материалы, пригодные для отражения оптического сигнала в заданном рабочем диапазоне длин волн. В соответствии с этим термин «зеркало» охватывает оптические отражатели, металлизированные зеркала, например посеребренные зеркала, зеркальные подложки, зеркала полного внутреннего отражения, периодические отражатели и многослойные интерференционные зеркала. Для изготовления интерференционных зеркал часто используют способы осаждения многослойных тонких пленок, например: физическое осаждение из паровой фазы (включая осаждение из газовой фазы или осаждение, стимулированное ионным пучком), химическое осаждение из паровой фазы, ионно-пучковое осаждение, молекулярно-пучковую эпитаксию и осаждение распылением. Обычными материалами для интерференционных зеркал являются фторид магния, диоксид кремния, пентаоксид тантала, сульфид цинка, оксинитрид кремния, полупроводниковые соединения и диоксид титана.
Зеркала могут перемещаться приводами, которые обычно могут быть пассивно регулируемыми за счет тепловой энергии или регулируемыми вручную. В некоторых вариантах осуществления привод может содержать термочувствительный материал, и под ним имеется в виду материал, который по сравнению со стеклом или кремнием более значительно расширяется/сжимается в ответ на изменение температуры, так что перемещение термочувствительного материала можно использовать для осуществления термокоррекции, описанной в этой заявке. Термочувствительным материалом могут быть металл, металлический сплав, керамики, твердые пластиковые материалы, или композиционные материалы на основе их, или составной узел, такой как гидравлический поршень. Примеры металлов и металлических сплавов включают в себя один или несколько из алюминия, латуни, бронзы, хрома, меди, золота, железа, магния, никеля, палладия, платины, серебра, нержавеющей стали, олова, титана, вольфрама, цинка, циркония, сплава Hastelloy, сплава Kovar, инвара, сплава Monel, сплава Inconel и т.п. Термочувствительный материал можно выбирать так, чтобы имелась разность коэффициентов теплового расширения при сравнении с материалом фотонной интегральной схемы или решетки на основе массива волноводов, или отдельной опорной структуры, при этом различие между тепловыми расширениями должно быть достаточным для относительного перемещения зеркала (зеркал) при расширении/сжатии привода. В одном варианте осуществления различие между коэффициентами теплового расширения (например, термочувствительного элемента привода и монолитно образованной фотонной интегральной схемы и/или решетки на основе массива волноводов) составляет по меньшей мере около 100%. В другом варианте осуществления различие между коэффициентами теплового расширения составляет по меньшей мере около 200%. В еще одном варианте осуществления различие между коэффициентами теплового расширения составляет по меньшей мере около 300%; специалисты сразу же должны понять, что предполагаются все интервалы и значения, находящиеся в ясно заданных пределах. Регулируемые вручную приводы могут содержать винт, клин или другие регулировочные приспособления, которые можно использовать для установки зеркала в положение, при котором обеспечивается заданный оптический путь на протяжении решетки на основе массива волноводов с получением преимуществ компактной конструкции устройства и работы при заданной температуре. Для вариантов осуществления с ручным регулированием соответствующие конструктивные компоненты можно изготавливать из одинаковых материалов или материалов, которые имеют сравнимые коэффициенты теплового расширения.
Привод может иметь монолитную структуру, что означает, что он изготовлен из по существу одного материала, в этом контексте это по существу означает, что присутствие других материалов при изменении температурных условий существенно не влияет на размеры привода, предназначенного для выполнения функции привода в термокомпенсированной решетке на основе массива волноводов. Как вариант привод может содержать множество составляющих единое целое или отдельных материалов, которые могут независимо расширяться и сжиматься, так что тот или другой могут управлять поворотом зеркала. Например, два термочувствительных материала могут быть разделены материалом, имеющим совершенно другой коэффициент теплового расширения.
Как вариант, множество термочувствительных материалов можно связывать так, чтобы изменение их размера оказывало влияние на перемещение привода. Биметаллическая полоска является примером такого варианта осуществления. Например, по существу прямолинейная биметаллическая полоска может изгибаться или скручиваться в ответ на изменение температурных условий.
Привод может иметь любую форму, пригодную для достижения поворота зеркала за счет тепловой энергии. В соответствии с этим он может быть по существу прямолинейным, по существу плоским или как вариант может быть спиральным. Например, хотя материалы испытывают тепловое расширение/сжатие в трех измерениях, привод можно проектировать с учетом использования теплового расширения/сжатия для приведения в движение в одном измерении. Например, цилиндрический стержень из монолитного материала обычно расширяется и сжимается относительно центральной оси, так что регулирование осуществляется по одному измерению, по длине, при этом диаметр стержня изменяется несущественно при изменении температурных условий за счет соответствующей конструкции. Как вариант, привод можно проектировать для полезного перемещения за счет тепловой энергии в двух измерениях, например в одной плоскости, или во всех трех измерениях.
Привод можно образовывать как узел, который имеет термочувствительный участок и термически нечувствительный участок. Например, держатель из нечувствительного материала можно прикреплять к термочувствительному материалу, который свободно перемещается. Держатель, в свою очередь, прикрепляют к зеркалу или узлу зеркала в определенном положении относительно неподвижного участка.
Вариант осуществления термокомпенсированной решетки на основе массива волноводов, имеющей привод согласно альтернативному варианту осуществления и два пластинчатых волновода с изломанным оптическим путем, показан на фиг. 3А и 3В. Оптический узел 200 содержит оптическую схему 201 на монолитном элементе 202, который выполнен из оптического стекла или других подходящих материалов. Оптическая схема включает в себя решетку 204 на основе массива волноводов, которая состоит из первого пластинчатого волновода 206 и второго пластинчатого волновода 208, связанных с помощью массива 210 волноводов. Первый край 212 доступа оптически соединен с первым пластинчатым волноводом 206 и второй край 214 доступа оптически соединен со вторым пластинчатым волноводным элементом 208. На фиг. 3А первый край 212 доступа соединен с объединяющей стороной 213 схемы 201 и второй край 214 доступа соединен с распределяющей стороной 215 схемы 201. Первый пластинчатый волновод 206 содержит зеркало 216 и второй оптический направляющий элемент 208 содержит зеркало 218. Привод 220 с термокоррекцией имеет первый и второй термочувствительные элементы 222, 224 привода, соединенные связующими элементами (также называемыми опорными стойками) 226, 228, выполненными из материала, который не является термочувствительным и имеет коэффициент теплового расширения, который значительно ниже, чем коэффициенты теплового расширения элементов 222 и 224. Опорный стоечный элемент 228 прикреплен непосредственно или опосредованно к монолитному элементу 202. Связующий опорный стоечный элемент 226 соединен с зеркалом 218, при этом опорный стоечный элемент 226 имеет по меньшей мере одну степень свободы для перемещения таким образом, что при его перемещении поворачивается зеркало 218. В соответствии с этим опорный стоечный элемент 226 может быть склеен, сплавлен или образован за одно целое с зеркалом 218 или может находиться в статическом контакте, противоположном отрыву.
При использовании узел 200 может подвергаться воздействию изменения температуры, вследствие чего может изменяться характеристика решетки 204 на основе массива волноводов. Однако изменение температуры приводит к изменению размера термочувствительных элементов 222 и/или 224, при этом создается сила, поворачивающая опорный стоечный элемент 226, в результате чего поворачивается зеркало 218. Зеркало может поворачиваться вокруг шарнира (не показан) между зеркалом и монолитным элементом 202 и не ограничено неподвижной точкой крепления. В одном варианте осуществления зеркало поворачивается вокруг своего центра. Как вариант только один из элементов 222, 224 может быть выполнен из термочувствительного материала с относительно большим коэффициентом теплового расширения, так что изменение температуры будет приводить к изменению размера одного из элементов 222, 224 и к управлению поворотом. Можно представить вариант осуществления, в котором зеркало поворачивается вокруг края, противоположного контакту с чувствительным элементом.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 3А, зеркало 216 не перемещается. Однако, как вариант, термокоррекция также может быть применена к зеркалу 216 в качестве альтернативы термокорректирующему зеркалу 218. Или же термокоррекцию можно применить на обоих концах решетки на основе массива волноводов, при этом зеркала 216, 218 будут термически корректироваться перемещением в ответ на изменение температуры.
2
2
2
2
2
2
Решетка на основе массива волноводов согласно варианту осуществления по фиг.3А имеет ряд признаков, использование которых приводит к получению усовершенствованной компактной конструкции решетки на основе массива волноводов, и эти признаки можно выгодно использовать при изготовлении решеток на основе массива волноводов на пластине и оптических приборов в подходящем корпусе. В частности, решетка на основе массива волноводов содержит два пластинчатых волновода с изломанным оптическим путем, и этим обеспечивается особенно малый размер всего устройства. Оба пластинчатых волновода можно проектировать с диапазонами оптических углов отражения от зеркал, описанными выше, и диапазонами отношений протяженностей отдельных ветвей оптических путей, указанными выше. При наличии двух пластинчатых волноводов с изломанным оптическим путем канальные волноводы для объединенного сигнала и для распределенных сигналов направлены в одну и ту же область. Возможность ориентации переднего волновода (волноводов) и заднего волновода (волноводов) вдоль соседних путей благодаря углам оптических путей в пластинчатых волноводах может приводить к значительному снижению размеров вследствие более компактной архитектуры волноводов вблизи массива волноводов. Таким образом, можно создавать устройства с общей занимаемой площадью, то есть планарной областью, которая может быть, например, в пределах от около 500 мм до около 7000 мм, в дальнейших вариантах осуществления - от около 500 мм до около 6000 мм и в других вариантах осуществления - от около 500 мм до около 5000 мм. Соответствующие размеры могут находиться в пределах от 25 мм на 40 мм до около 65 мм на 85 мм, а в дальнейших вариантах осуществления - от около 30 мм на 45 мм до около 55 мм на 75 мм. Эти размеры сравнимы с размерами современных промышленных устройств, которые составляют приблизительно 80 мм на 120 мм. Кроме того, способы проектирования, описанные в этой заявке, дополняют технологию фотонных интегральных схем и в перспективе должны способствовать снижению размеров при нормальном развитии технологии, что в будущем позволит сделать еще меньшей общую площадь, занимаемую устройством. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что дополнительные диапазоны размеров предполагаются находящимися в точных пределах, приведенных выше и представленных в настоящем раскрытии.
Вследствие небольших размеров устройства можно более рационально размещать на круговых кремниевых пластинах, которые обычно используют в качестве подложек планарных оптических схем. При рациональном размещении небольших устройств на круговой пластине уменьшаются отходы, а устройства можно ориентировать с учетом удобства разрезания пластины. Разработаны способы неупорядоченного разрезания пластин, описанные, например, в патенте США №6705925 (Cole et al.) под названием “Apparatus and method to dice integrated circuits from wafer using a pressurized fluid jet”, включенном в настоящую заявку путем ссылки. Хотя такие способы разрезания струей жидкости можно использовать для устройств, описанных в настоящей заявке, эффективные способы разрезания с прямолинейной кромкой можно использовать для небольших устройств, описанных в настоящей заявке, без отходов пластины в нежелательно больших количествах. Таким образом, в случае небольших устройств, описанных в настоящей заявке, резку диском, скрайбирование и разламывание или травление и разламывание можно использовать для разделения устройств с получением значительных производственных преимуществ без большого количества отходов кремниевого материала пластины.
Кроме того, все соединительные волноводы могут быть эффективно доведены до общего края планарной световодной схемы, который является краем 240 на фиг.3А. В этой конструкции обеспечивается надлежащее структурирование волноводов во время процесса изготовления и создаются удобные соединения для планарной световодной схемы путем соответствующего подбора оптических волокон или чего-либо подобного, необходимых для использования окончательного устройства.
Термокомпенсированная решетка на основе массива волноводов может быть частью модуля. На фиг. 4 показан модуль 300 с термокомпенсированной решеткой 200 на основе массива волноводов и приводом 220 внутри корпуса 302. Корпус может иметь такие подобранные тепловые характеристики, что кристалл решетки на основе массива волноводов будет иметь по существу равномерную температуру при медленной передаче теплоты к кристаллу, вследствие чего маловероятно, что переходные температурные характеристики будут влиять на характеристику устройства. Решетка на основе массива волноводов соединена через посредство внутреннего соединителя 304 с носителем 306 оптических сигналов, таким как группа или лента оптических волокон, которая также имеет соединитель (непоказанный) на противоположном конце, предназначенный для соединения с другим оптическим устройством связи. Волоконная лента может выходить из корпуса 302 через упругий защитный колпачок, такой как резиновое кольцо или что-либо подобное, для уменьшения взаимодействия между жестким корпусом и волоконной лентой. Корпус 302 подготовлен для использования в сети, для соединения с носителем оптических сигналов, для выполнения функций демультиплексирования/мультиплексирования. Масса решетки 200 на основе массива волноводов может быть относительно небольшой по сравнению с массой других компонентов, так что решетку на основе массива волноводов можно выполнять «плавающей» внутри корпуса, при этом монолитную структуру 202 можно не соединять непосредственно с корпусом, если не принимать во внимание прикрепление соединителя 304. Носитель 306 может включать в себя носители оптических сигналов для распределяющей 215 и объединяющей 213 сторон схемы 201.
Узел термокомпенсированной решетки на основе массива волноводов, описанный в настоящей заявке, может иметь уменьшенный объем в результате использования конфигурации оптических пластинчатых волноводов с изломанным оптическим путем (или других оптических направляющих компонентов) в решетке на основе массива волноводов. Оптика с изломанным оптическим путем также может иметь уменьшенный размер за счет направления оптических сигналов в пластинчатый волновод и вывода из него на всем протяжении прилегающих поверхностей, как на фиг. 3А, на которой показан пластинчатый волновод с поверхностями 230, 232 и нормальными линиями 230′, 232′ этих поверхностей, между которыми имеется угол приблизительно 45°, обозначенный α (альфа). В таком случае свет входит и выходит с поверхности почти по нормали к поверхности, при этом снижаются любые потери на рассеяние на поверхности. Поскольку угол альфа относительно небольшой, большая часть области распространения оптического излучения пластинчатого волновода изгибается в обратную сторону и благодаря прилегающим поверхностям 128, 130 можно получать небольшой размер пластинчатого волновода. Поскольку угол альфа небольшой, можно использовать единственную плоскую поверхность 140, показанную на фиг. 1, без значительной потери сигнала. Эти или другие изогнутые конфигурации могут быть дополнены способствующей снижению общей занимаемой площади конфигурацией привода, предназначенного для осуществления термокоррекции. Более того, решетка на основе массива волноводов и схема демультиплексирования/мультиплексирования могут быть монолитной структурой с минимальными размерами, образованной при использовании процессов осаждения и резки.
На фиг. 5 показан альтернативный вариант осуществления узла зеркала, предназначенного для термокоррекции решетки на основе массива волноводов. Узел 400 зеркала имеет отражающую поверхность 402, находящуюся на держателе 404, который соединен с первым рычагом 406 и вторым рычагом 408, которые в свою очередь соединены с опорной стойкой 410. Один из рычагов или каждый рычаг, как в показанном варианте осуществления, имеет паз 412, 414 рычага 406, 408, соответственно. Участки рычагов 406, 408, прилегающие к пазам 412, 414, представляют собой шарниры 416, 418. Узел 400 установлен так, что отражающая поверхность 402 может отражать свет к пластинчатому волноводу и принимать свет от него. По мере повышения температуры узел перемещается из первого положения 420 во второе положение 422, поскольку рычаг 408 стремится расшириться больше, чем рычаг 406, и, как показано стрелкой А на фиг.4С, отражающая поверхность 402 поворачивается. Размеры пазов 412, 414 изменяются при изменении размеров рычагов 406, 408. По мере снижения температуры зеркало и пазы проходят через положение 420 и рычаг 408 сжимается относительно больше, чем рычаг 406, так что отражающая поверхность 402 поворачивается в направлении, противоположном указанному стрелкой А. Материалы и размеры рычагов можно выбирать из условия обеспечения заданной степени поворота. Коэффициенты теплового расширения рычагов можно выбирать различными, чтобы при этом более чувствительный рычаг имел коэффициент, составляющий от 105% до 300% коэффициента другого или других в системе; специалисты сразу же должны понять, что предполагаются все интервалы и значения, находящиеся в ясно заданных пределах.
Как описывается дополнительно ниже, планарные оптические схемы можно формировать при использовании химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ) или другого процесса осаждения на пластину. После завершения формирования оптической схемы пластину обычно разрезают, и зеркало (с подходящим отражающим материалом) может быть приложено к краю отделенной пластины, который можно отполировать перед расположением зеркала. Разрезание пластины или другой подложки можно осуществлять при использовании установки для резки, водяной струи, лазера или другого подходящего режущего инструмента или способа. Или же узел зеркала в сочетании с приводом можно объединять с решеткой на основе массива волноводов и схемой. В общем случае множество схем формируют на одной пластине, и, как описано в настоящей заявке, при формировании большого количества схем решеток на основе массива волноводов будет меньше общая занимаемая площадь. При более плотном монтаже на одной пластине схем решеток на основе массива волноводов снижается стоимость материалов на каждую решетку на основе массива волноводов, связанную с пластиной, и в процессе изготовления получается большее количество схем одновременно, поскольку затраты на изготовление обычно раскладываются на количество пластин, и при этом снижаются затраты на изготовление и затраты на технологическое оборудование, такое как камеры осаждения, при большом количестве решеток на основе массива волноводов. Таким образом, при уменьшении общей площади, занимаемой оптическими схемами, обеспечивается более высокая эффективность производства наряду со снижением стоимости и затрат на изготовление.
Другой вариант осуществления термокомпенсированной решетки на основе массива волноводов показан на фиг.6А. Монолитная планарная световодная схема (ПСС) 500, которая аналогична кристаллу из фиг.3А, прикреплена к основанию 502. Планарная световодная схема 500 имеет термокомпенсированную решетку 504 на основе массива волноводов, которая содержит первый узел 506 зеркала, прикрепленный к решетке 504 на основе массива волноводов, и второй узел 508 зеркала, прикрепленный к основанию 502. Узлы 506, 508 зеркал состоят из зеркал с отражающей поверхностью, расположенных в качестве элементов волноводов 510, 512 с изломанным оптическим путем. Узел 506 зеркала фиксирован в заданном положении. Внешними оптическими волноводами 514, 516 обеспечивается оптическая связь планарной световодной схемы 500 с сетью или другими компонентами. Основание 502 содержит привод 520, который прикреплен к основанию, например, с помощью резьбовых элементов и гаек 524. Кроме того, основание 502 имеет первую шейку 526 и вторую шейку 528. Отверстие 530 находится вблизи обеих шеек и ограничивает по меньшей мере одну сторону каждой шейки. Привод 520 содержит термочувствительный материал. Как показано стрелкой Х, по мере изменения температуры привод 520 расширяется или сжимается. Как показано стрелкой Y, это перемещение приводит к повороту узла 508 зеркала. Шейками 526, 528 создаются участки с относительно небольшими поперечными сечениями, на которые оказывают воздействие силы, создаваемые приводом, и небольшими участками обеспечивается поворот/изгиб шеек с обеспечением соответствующего поворота узла 508 зеркала. В частности, небольшие размеры решетки 504 на основе массива волноводов и пластинчатого волновода 512 с изломанным оптическим путем делают возможным небольшие повороты зеркала в узле 508 зеркала для обеспечения термокоррекции. Силы, возникающие в результате расширения/сжатия привода 520, распределяются по основанию 502, но кроме того, концентрируются шейками, так что достигается плавное и предсказуемое изменение в зависимости от температуры.
Планарная световодная схема, показанная на фиг.6А, может быть снабжена регулируемым вручную приводом. Планарная световодная схема с регулируемым вручную приводом показана на фрагментарной фиг. 6В, при этом элементы, общие с устройством по фиг. 6А, не показаны. На фиг. 6В, основание 540 содержит привод 542, который прикреплен к основанию, например, с помощью резьбовых элементов и гаек 544. Основание 540 также имеет первую шейку 546 и вторую шейку 548. Отверстие 550 находится вблизи обеих шеек и ограничивает по меньшей мере одну сторону каждой шейки. Привод 542 может быть выполнен из того же самого материала, что и другие участки основания 540, или из материала с аналогичным коэффициентом теплового расширения. Привод может содержать головку 552 с элементом 554 зацепления, таким как буртик, для зацепления с отверткой или чем-либо подобным. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что другие конструкции ручного регулирования, известные в данной области техники, можно использовать в компактной конструкции решетки на основе массива волноводов без пассивного теплового регулирования.
Шейками представлены точки поворота, благодаря которым достигается перемещение основания при расширении и сжатии привода. В соответствии с этим в вариантах осуществления изобретения содержатся планарные световодные схемы, установленные на основании, имеющем множество участков, объединенных множеством точек поворота, например двумя точками, при этом один или несколько приводов также соединяют участки.
Еще один вариант осуществления термокомпенсированной решетки на основе массива волноводов показан на фиг. 7А. Монолитная планарная световодная схема 600 прикреплена к основанию 602. Планарная световодная схема 600 имеет термокомпенсированную решетку 604 на основе массива волноводов, которая содержит первый узел 606 зеркала, прикрепленный к решетке 604 на основе массива волноводов, и второй узел 608 зеркала, прикрепленный к основанию 602. Узлы 606, 608 зеркал состоят из зеркал с отражающими поверхностями, расположенными в качестве элементов волноводов 610, 612 с изломанным оптическим путем. Внешними оптическими волноводами 614, 616 обеспечивается оптическая связь планарной световодной схемы 600 с сетью или другими компонентами. Основание 602 содержит приводы 622, 622′, которые прикреплены к основанию, при желании резьбовыми элементами 620. Основание 602 также имеет первую шейку 626 и вторую шейку 628. Отверстие 630 находится вблизи обеих шеек и ограничивает по меньшей мере одну сторону каждой шейки, а отверстие 631 прилегает к шейке 626. Приводы 622, 622′ содержат термочувствительный материал; приводы могут состоять из одного и того же материала или из разных материалов. Один или оба привода 622, 622′ можно устанавливать при сжатии, при этом основные участки 644, 646 принудительно разводят; соответственно, по этой причине элементы 644, 646 будут смещаться, стягиваясь друг к другу. Однако, как вариант, привод, который обеспечивает коррекцию, может быть прикреплен к обоим участкам 644 и 646, чтобы создавалась сила для перемещения участков 644 и 646 друг к другу при стягивании.
Как показано стрелкой А, по мере изменения температуры приводы 622, 622′ расширяются или сжимаются. Как показано стрелкой В, это перемещение приводит к повороту узла 608 зеркала. Шейками 626, 628 создаются участки с относительно небольшим поперечным сечением, на которые воздействуют силы, создаваемые приводом. В частности, небольшие размеры решетки 604 на основе массива волноводов и волновода 612 с изломанным оптическим путем делают возможными небольшие повороты зеркала в узле 608 зеркала для обеспечения термокоррекции. Силы, возникающие в результате расширения/сжатия приводов 622, 622′ распределяются по основанию 602, но кроме того, концентрируются шейками, так что достигается плавное и предсказуемое изменение в зависимости от температуры. Калибровочные винты 640, 642 предусмотрены для задания расстояний при калибровке.
Термокомпенсированная решетка на основе массива волноводов может быть снабжена множеством приводов, при этом один из приводов должен иметь коэффициент теплового расширения, который больше, чем коэффициент теплового расширения другого привода, например, больше чем на от около 5% до около 300%; специалистам должно быть понятно, что предполагаются все интервалы и значения, находящиеся в ясно заданных пределах, например, по меньшей мере на от около 0,5% или на от около 10% до около 50%. По меньшей мере один из приводов может дополнительно или как вариант обеспечивать особый выигрыш в силе, так что скорости поворота зеркал при расширении приводов будут различаться. Приводы могут взаимодействовать таким образом, что один из приводов будет оказывать преобладающее влияние при избирательной термокоррекции в первом диапазоне температур и другой из приводов оказывает преобладающее влияние при избирательной термокоррекции во втором диапазоне температур, при этом диапазоны температур отличаются друг от друга. Например, первый привод может обеспечивать избирательную коррекцию при температуре, более высокой относительно комнатной температуры (около 20°С), и второй привод может обеспечивать избирательную коррекцию при температуре, более низкой относительно комнатной температуры.
0
0
0
0
0
Таким образом, термокомпенсированная решетка 604 на основе массива волноводов по фиг. 7А может быть снабжена приводами 622, 622′, которые рассчитаны на работу в различных диапазонах температур. Схематичное отображение осуществления термокомпенсации двумя приводами показано на фиг.7А. Обычно приводы 622 и 622′ можно проектировать имеющими эквивалентные коэффициенты теплового расширения, но вследствие различных плеч рычагов относительно точки поворота приводы могут работать при различных тепловых характеристиках. Температура Т представляет собой температуру, при которой с учетом тепловых характеристик осуществляется переход управления между двумя приводами. На панели (b) по фиг. 7В система показана в нейтральном положении при калиброванной температуре Т, например комнатной температуре. По мере понижения температуры относительно калиброванной температуры оба привода 622b, 622b′ сокращаются, приводя участки 646а, 644а основании ближе друг к другу. Вследствие различных плеч рычагов только привод 622b управляет поворотом зеркала в этом диапазоне температур. В соответствии с этим узел 608 зеркала поворачивается в направлении по часовой стрелке, задаваемом сжатием стержня 622b. Когда температура возрастает выше Т, оба привода расширяются. Вследствие различных плеч рычагов привод 622b′ управляет перемещением зеркала 608, что показано на панели (с) по фиг. 7В, где стержень 622b′ находится в зацеплении с 644а. При расширении 622b′ узел 608 зеркала поворачивается в направлении против часовой стрелки. Таким рычаги отдельных приводов управляют перемещением зеркала при различных диапазонах температуры: 622b при Т<Т и 622b′ при Т>Т.
На фиг. 8 представлен график 700 для модели термокомпенсированной решетки на основе массива волноводов, выполненной совместно с поворачивающимся за счет тепловой энергии зеркалом и пластинчатым волноводом с изломанным оптическим путем. По оси абсцисс отложена температура в градусах Цельсия. По оси ординат для узла представлено отклонение от идеальных условий передачи, выраженное, для примера, в пикометрах ITU-смещения. Значение ITU установлено Международным союзом электросвязи (ITU), который разработал стандарт для длины волны идеальной решетки при мультиплексировании с разделением по длине волны высокой плотности. Допустимое абсолютное значение ITU-смещения зависит от применения. Поэтому при некоторых применениях можно допускать абсолютное значение ITU не больше чем около 50 пм, а в некоторых вариантах осуществления не больше чем около 20 или около 30 пм. Кривой 702 представлено теоретически оцененное смещение для решетки 504 на основе массива волноводов, корректируемой одним приводом 520. Решетку на основе массива волноводов подстраивали к 20°С (минимум кривой); решетка на основе массива волноводов является эффективно термокомпенсированной, при этом отклонение от идеального случая изменяется в значениях ITU-смещения (пм) от 0 до около 35 в диапазоне от -40 до 80°С. По желанию минимум кривой можно перемещать путем подстройки решетки на основе массива волноводов, и можно получать другие отклонения в пределах других диапазонов. Кривой 704 представлено теоретически оцененное смещение для решетки 604 на основе массива волноводов, кривая является комбинацией кривых 706 и 708 и отражает регулирование, которое может быть получено в системе с двумя приводами. Кривая 706 относится к решетке на основе массива волноводов, корректируемой первым приводом 622′ в ответ на повышение температуры, а кривая 708 относится к решетке на основе массива волноводов, корректируемой вторым приводом 622 в ответ на понижение температуры. Показанные кривые 706, 708 можно сдвигать относительно эталонной температуры или кривые можно сдвигать, исходя из альтернативной эталонной температуры.
Согласно некоторым вариантам осуществления желательно объединять две или большее количество решеток на основе массива волноводов на одном кристалле, чтобы пользоваться преимуществом больших возможностей технологии планарных световодных схем при объединении многочисленных оптических компонентов на одном кристалле. Типичный кристалл планарной световодной схемы с двумя решетками на основе массива волноводов показан на фиг.9. В частности, кристалл 740 содержит первую решетку 742 на основе массива волноводов, вторую решетку 744 на основе массива волноводов и оптические переключающие элементы 746 для обеспечения, например, возможности перестраиваемого мультиплексирования с функцией вставки-вывода. Первая решетка 742 на основе массива волноводов содержит первый пластинчатый волновод 750 с изломанным оптическим путем, второй пластинчатый волновод 752 с изломанным оптическим путем и массив 754 волноводов, а вторая решетка 744 на основе массива волноводов содержит первый пластинчатый волновод 760 с изломанным оптическим путем, второй пластинчатый волновод 762 с изломанным оптическим путем и массив 764 волноводов. Каждый пластинчатый волновод 750, 752, 760, 762 с изломанным оптическим путем связан с соответствующим зеркалом, которое может быть поворотным для осуществления температурной компенсации или может не быть поворотным. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере одно зеркало, связанное с каждой решеткой на основе массива волноводов, поворачивается для обеспечения тепловой компенсации. Точная конструкция оптических переключающих элементов 746 не имеет значения для настоящего рассмотрения и может выбираться специалистом в данной области техники с учетом конкретных задач, решаемых устройством. Однако термокомпенсация каждой решетки на основе массива волноводов выполняется для подстройки центральной длины волны каждой решетки на основе массива волноводов путем независимого изменения номинального угла отражения в каждой решетке на основе массива волноводов для обеспечения заданного снижения погрешности всего устройства. Возможность размещения двух подстраиваемых решеток на основе массива волноводов на одном кристалле обеспечивает значительное уменьшение размеров и плотности компоновки кристалла в случае схем с многочисленными решетками на основе массива волноводов.
Таким образом, в общем случае один или несколько приводов могут в рабочем состоянии соединять первый участок и второй участок основания. На одном участке основания имеется зеркало, которое используется в планарной световодной схеме, которая образована непосредственно на другом участке основания. Как вариант планарная световодная схема является частью структуры, которая расположена на другом участке основания. Рабочее соединение может быть выполнено путем прикрепления одного или нескольких приводов к одному и/или обоим участкам. Прикрепление можно осуществлять с помощью клея, резьбовых элементов или другого подходящего средства. Участки могут смещаться приводом (приводами) или другими структурами. При перемещении привода (приводов) участки основания перемещаются относительно друг друга с осуществлением поворота зеркала. Поворотом обеспечивается термокоррекция.
Материалы, предназначенные для формирования планарной световодной схемы, могут осаждаться на подложку с использованием химического осаждения из паровой фазы, его разновидностей, гидролиза в пламени и других подходящих способов осаждения. Подходящие подложки включают в себя, например, материалы с надлежащей устойчивостью к воздействию высоких температур технологического процесса, такие как кремний, керамики, такие как диоксид кремния или оксид алюминия, или аналогичные. Согласно некоторым вариантам осуществления могут вводиться подходящие предшественники диоксида кремния, а кварцевое стекло можно легировать для получения заданного показателя преломления и нужных технологических свойств. Структурирование можно выполнять с помощью фотолитографии или другого подходящего способа структурирования. Например, образование кварцевого стекла, легированного Ge, P и В, при плазмостимулированном химическом осаждении из паровой фазы (ПХОПФ), предназначенного для использования в качестве верхнего покровного слоя планарной световодной схемы, описано в патенте США №7160746 (Zhong et al.) под названием “GEBPSG top clad for a planar lightwave circuit”, включенном в настоящую заявку путем ссылки. Аналогично, образование сердцевины оптических планарных волноводов описано, например, в патенте США №6615615 (Zhong et al.) под назначением “GEPSG core for a planar lightwave circuit”, включенном в настоящую заявку путем ссылки. Характеристики процесса образования надлежащего массива волноводов известны в данной области техники.
Термокомпенсированные решетки на основе массива волноводов могут быть частью сети. Оптическая сеть может содержать сетевое соединение, множество пользовательских оптических абонентских соединений и структуру демультиплексора/мультиплексора, такую как решетка на основе массива волноводов, оптически соединенную с сетевым соединением и множеством пользовательских оптических абонентских соединений. Сетевое соединение содержит одно или несколько общих оптических соединений. Общие соединения обычно оптически соединены с общими каналами, по которым оптические сигналы многочисленных длин волн передаются по сети, которая согласно некоторым вариантам осуществления может охватывать значительные расстояния. Согласно некоторым вариантам осуществления пользовательские оптические соединения могут содержать отдельные соединения для входных сигналов и выходных сигналов от пользователя, хотя выходной сигнал может быть широкополосным сигналом, вследствие чего при выполнении операции мультиплексирования выбирается соответствующая длина волны для передачи этому пользователю.
В общем, структуры демультиплексора/мультиплексора, описанные в настоящей заявке, можно эффективно использовать в качестве компонентов пассивной оптической сети (ПОС), например, для обеспечения сопряжения ветви сети, такой как оконечная станция сети. В пассивной оптической сети пассивные оптические компоненты обеспечивают маршрутизацию трафика между центральной станцией и точками окончания, которыми может быть пользовательское/клиентское оборудование. В общем случае по сети можно получать одну или несколько услуг из телефонии, телевидения и передачи данных, которые могут предоставляться многочисленными провайдерами услуг. Например, оптическая сеть может обеспечивать передачу широкополосной Интернет-услуги, предоставляемой провайдером сети Интернет. Однако структуры демультиплексора/мультиплексора, описанные в настоящей заявке, можно использовать для соединения альтернативных сегментов ветви сети, в дополнение к обеспечению сопряжения или как вариант сопряжения с прямыми пользовательскими/клиентскими каналами. В вариантах осуществления, в которых обеспечивается прямое сопряжение с пользовательскими соединениями, пользовательские соединения могут быть непосредственно или опосредованно соединены с соответствующими передатчиками и приемниками, от которых исходит сигнал или на которые приходит сигнал, соответственно.
В планарных оптических схемах создаются удобные, легко интегрируемые и компактные компоновки оптических коммуникационных компонентов. Решетки на основе массива волноводов (РМВ) обеспечивают демультиплексирование/мультиплексирование в пределах компоновки планарной оптической схемы. Планарную структуру решетки на основе массива волноводов можно объединять с дополнительными планарными устройствами и/или сопрягать с соответствующими внешними оптическими элементами для достижения требуемой интеграции в сети.
Варианты осуществления, изложенные выше, подразумеваются иллюстративными, а не ограничивающими. Дополнительные варианты осуществления находятся в пределах формулы изобретения. Кроме того, хотя настоящее изобретение было описано с обращением к конкретным вариантам осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что изменения могут быть сделаны по форме и в деталях без отступления от сущности и объема изобретения. Любое включение по ссылке документов, указанных выше, ограничено так, что не включаются никакие материалы, которые противоречат явному раскрытию в настоящей заявке.