用于与光波导管可重制连接 的装置和方法 【技术领域】
本发明涉及光学信息传递。更具体地说，本发明涉及为单模态的光波导管提供可重制连接的装置和方法。
背景技术
金属传输线路日益成为计算机、开关、路由器和其他信息处理系统工作的严重瓶颈。处理器和逻辑回路的速度增加比线路带宽快得多，造成功率消耗增加，系统复杂性增加和传输速度损失。因此，在计算机地电路板之间，甚至在电路板上的芯片之间或多芯片模块(MCM)中，使用光学相互连接日渐受到重视。
光在介电的光波导管中传播的导波光学件代替在导线中的电传导。介电波导管一般为由环形层构成的一个圆筒形结构(经常是，但不是必需是圆形的)。最内面的圆筒为芯子它由一个或多个折射率比芯子的折射率低的包层包围。在一定的频率、位置和角度范围内，在这种结构中沿轴向行进的光被导向，即没有如普通的光束那样，在径向散开一定距离的趋势。
在芯子折射率超过包层折射率的任何结构件，至少有一个导向模态(如果考虑偏振，则为两个模态)。只有一个这种模态可以给定频率传播的波导管称为单模态波导管。根据波导管尺寸和折射率的不同，可能有其他模态。在这种情况下，该波导管称为多模态波导管。
在包层区域中，光学模态场随着径向距离增大而呈指数地缩小，其衰减常数取决于芯子和包层的折射率之差。为了使芯子较大(直径为几个波长)和减小由于在芯子和包层边界上的粗糙度和折射率的不均匀造成的损失，通常选择芯子和包层的折射率彼此接近(相差1％～5％)，这使得包层区域中的衰减常数为对折射率之差非常敏感的函数。这些导波的光学装置有许多用途，其中最重要的应用是长距离光纤通讯。
不论调制进行得如何快，调制的光束的行进路径与没有调制的光束的行进路径几乎精确地相同。另外，与金属导线连接中的高频相反，较高的调制频率没有丢失的趋势。导波光学件是这种连接的自然的候选对象，但计算机内的各种要求，与长距离通讯所通用的计算机要求颇为不同。所需要的硬件也不相同。在计算机内部，需要许多并行连接，每一个并行连接带有从每条线一个调制源至每条线一个检测器的单向数据流。对于一个调制源驱动许多输入的一对多连接，也是重要的应用。因为需要许多的调制源和检测器(一个典型的服务器处理器电路板需要几百个)，因此调制源和检测器必需价廉。另一方面，不需要非常低的纤维损失(0.15～0.5dB/km)，因此不需要按波长划分的多路传输。这样，计算机内的光学互相连接可以依靠排列在带条上的聚合物波导管，并可以进行大量生产。
另外，这些并行连接必需可重制，使得不需要移去光学连接，就可在维护时将电路板拔下，而将备用电路板插入。目前，多模态波导管和纤维是最普通的，因为它们较大的芯子，可允许以比普通用于远距离通讯的单模态纤维较宽松的机械公差进行拼接和连接。公差宽松意味着成本低，和机械强度高。
单模态波导管比多模态波导管有可重制的优点，特别是其直径小，可以使互相连接的密度高。由于单模态波导管中的光具有确定的导波长，因此，单模态波导管可以使用长光栅，和依赖确定的导波长和场分布的定向耦合器结构。这样，可允许机械公差宽松的可重制的、单模态多波导管连接器是光学相互连接工艺的一个巨大的进步。
【发明内容】
本发明提供了进行多个可重制的单模态波导管连接的一种装置和方法。当两个相应设计的波导管交叉成一个角度时，在芯子交叉的区域形成应力集中。如果波导管的某些部分柔软，则该部分在波导管芯子交叉的地方变形最大。本发明根据在应力集中区域中包层的柔软部分的实际变形，使芯子之间耦合，而在波导管的其他处没有不可接受的损失。
根据本发明的第一个方面，通过使变形波导管的芯子实际上接近，可达到耦合。这种耦合使波导管的模态场重叠，造成与熔融纤维耦合器中的连接相同的定向耦合。
根据本发明的第二个方面，利用在每一个波导管中，在包围内部柔软的包层的较硬的包层区域中形成的光栅结构进行耦合，光栅的综合作用可将从一个波导管输出的光耦合至另一个波导管中。
根据本发明的第三个方面，在较硬的包层区域中的光栅结构，通过波导管的侧面，将从激光源发出的光耦合至波导管中。
根据本发明的第四个方面，在较硬的包层区域中的光栅结构，通过波导管的侧面，将从导向模态出来的光，耦合至一个或多个光电二极管中。
根据本发明的第五个方面，在较硬的包层区域中的棱镜结构，通过波导管的侧面，将从导向模态出来的光，耦合至光电二极管中。
根据本发明的第六个方面，将几个波导管装在一条带条上，可实现可重制的波导管连接。这些波导管之间有间隔，两个这种带条的末端交叉成一个小角度，将带条压紧在一起，使柔软的包层变形，并开始耦合。
根据本发明的第七个方面，除了实际变形以外，通过使包层部分的折射率产生压电光学偏移，可以改变应力区域的光学性质，使包层的模态场的衰减长度大大增加，以便该模态场与耦合结构之间相互作用，如同第二个波导管，折射率更高的区域或光栅一样。
【附图说明】
本发明的这些和其他方面特点与优点通过下面结合附图对本发明进行的详细说明将会清楚。其中：
图1A为根据本发明的光波导管的放大的横截面图；
图1B为沿着图1A中的1B-1B线所取的、根据本发明的第一个实施例的光波导管的横截面图；
图2A和2B为当用第二个匹配的波导管反向凹进时的，与图1A和1B所示相同的光波导管的同样的视图；
图3为根据本发明的第二个实施例的、两个波导管压紧在一起的横截面图；
图4A为根据本发明的第三个实施例的光波导管的放大横截面图；
图4B为沿着图4A的4B-4B线所取的、根据本发明的光波导管的横截面图；
图5为根据本发明的波导管带条的可重制的连接器的平面图；
图6为根据本发明的可重制的平行光学连接的平面图；
图7为根据本发明的第四个实施例的、两个波导管压紧在一起的横截面图。
【具体实施方式】
根据本发明，如下面所述，最好每一个波导管为单模态波导管，并包括一个由硬的聚合物制成的芯子。硬的聚合物可为例如：PMMA、聚碳酸酯、氟化聚合物、苯环丁烷、环氧树脂(例如SU-8)，或环烯共聚物(例如polynarbonene或氟化聚酰亚胺)。芯子被由柔软的内层和薄的外层组成的包层包围。该柔软内层由弹性体(例如硅酮弹性体或硅酮共聚物弹性体)制成；而薄的外层则由弹性模量较大的，坚韧的可从重复变形中恢复的聚合物(例如，聚酰亚胺、polynarbonene、交联硅酮)或氟化聚合物(例如氟化丙烯酸衍生物)制成。
希望硬的外包层的折射率比柔软的包层包层的折射率大，这样可使光栅结构很好地发光，进行方向选择。硬的外包层不需要有与芯子或内包层同样的光学质量，因为它只在外耦合区才被照亮；这样就大大地拓宽了材料的选择。
图1A和1B表示聚合物光波导管10，它包括一个芯子区域12，该区域被由柔顺的聚合物制成的柔软的包层区域14包围，而该柔软的包层区则由弹性模量较大的挠性聚合物制成的硬包层16包围。两个包层之间的界面的一部分上，最好是内表面上，包含一个光栅结构18。光栅18的空间频率选择得与导向模态的空间频率相同。内包层的厚度足够大，可以在波导管的不变形区域中使光栅保持在模态场的外面，因此，正常情况下，不会产生光的外耦合，波导管的传播损失可与其他聚合物波导管的传播损失相比较(即大约为0.02～0.1dB/cm)。
图2A和2B表示用成一个角度交叉的第二个匹配的波导管(图中没有示出)反向凹进以后的同一个聚合物光波导管。在变形区域中，光栅结构18被迫使更接近芯子12，使得波导管中的光的外耦合大大加强，如标号19所示那样。如图所示，光栅的周期与光的导波长相等，因此，外耦合光的角度光谱的名义峰值与波导管的轴线垂直。
图3表示聚合物波导管20，每一个波导管包括一个芯子区域22，它如同图1A和1B的方法一样，由一个环形的柔软的包层24和一个硬的包覆盖26包围，但在界面上没有光栅。两个波导管压紧在一起，结果是芯子的模态场重叠，并且芯子之间产生定向耦合。
图4A和4B表示一个聚合物波导管30，它由一个芯子区域32组成，如同图1A和1B的方法一样，被一个环形的柔软的包层34的一个硬的包层36包围，但在界面上有一组棱镜38代替光栅。这可允许使用多模态波导管，但要求棱镜组38的材料的折射率，比柔软的包层34的折射率大。图4A和4B中的结构，适合使用棱镜的折射率比柔软或硬的包层的材料折射率大的材料。
图5表示一个用于连接两个带条42和44的可重制的波导管带条连接。每一个带条包括几个平行的有柔软的包层的波导管40，这些波导管隔开一个小的距离，并且根据每单位长度上的耦合强度不同，彼此交叉成一个0.5°～2.0°的小角度。两个波导管由一个夹紧装置46压紧在一起，形成一个相互作用区48。由于耦合的自对准特点，对准公差等于波导管之间完全隔开。在本发明的一个优选实施例中，每一组波导管中的波导管彼此隔开波导管直径几倍的距离，并形成一个带条。两个带条由机械导向装置47固定，使它们固定在规定位置并释放应力。希望沿着波导管耦合表面的长度，有一些基本上与芯子平行的表面皱纹(如同在普通的导线带状电缆中一样)，以便使柔软的包层在应力作用变形时，可以稍微进入。
这样，通过使两个这种带条的末端附近交叉成一个小角度，并用夹紧装置压紧在一起，可以实现大量连接。角度和相互作用的长度最好选择成使每一个单独的波导管精确地与另一个带条上的一个波导管交叉。因为在芯子附近表面有凹凸，因此压力在两个芯子彼此交叉的区域压缩两个波导管。这种压缩使在交叉区域中的光栅接近芯子，并且使被照亮的波导管的芯子发出的光耦合。因为光栅周期与导波长相同，因此，外耦合的光的角度光谱的峰值基本与带条的平面垂直，并且由于波导管在连接两个芯子的方向被压缩至最薄，因此在芯子重叠处，外耦合最大。这样，内耦合光栅相与外耦合光匹配，形成接收波导管的光栅，结果形成自对准的光学连接。外耦合的光与波导管轴线垂直传播。这样，交叉角的误差引起的效率改变很小。因为包层系统弹性好，可以在变形后恢复，因此连接是可重制的。
图6表示基于这些波导管的可重制的平行光学连接50的一个末端。靠近波导管带条61的每一个柔顺的波导管60的末端的区域，由夹紧装置76夹紧在发射器70上。发射器70的波导管72的性质与柔顺的波导管60相同，但其一个末端的柔软的包层由较硬的包层78代替，因此，波导管芯子的位置是精密地已知的。这样，包层的模量为沿着波导管的位置的函数。如图所示，硬的末端，在连接的一端与一组垂直腔表面发射激光(VCSELs)79而在另一端(没有示出)，与一组光电二极管端射式耦合。VCSELs是光学连接的优选的调制源，因为它们是单块式的组，带有由金属版印刷形成的间隔；但技术上已知的其他结构也可以(例如自由间隔的光栅耦合器或单个安装的激光或检测器)。
图7表示一对波导管80，它们具有芯子82，和使用由压电光学(或应力光学)系数大的聚合物制成的内包层84和硬的外包层86。该内包层的聚合物例如为：聚丁二烯、聚苯乙烯-b-丁二烯、硅酮、或聚异戊二烯。在压缩区域中，内包层84的折射率增加很显著，因为有应力的材料通常是光学上各向异性的(为了说明它，需要多于一个折射率)。这种压电光学偏移使芯子和内包层的折射率值更接近，因此，衰减常数减小，并且模态场88的1/e轮廓延伸得较远，进入包层中，与另一波导管互相作用；结果，从一个波导管出来的光可耦合到另一个波导管。沿着波导管80的圆周有一个平坦的部分，形成触点90。为了保证波导管80之间的光耦合良好，可以使用小量的耦合凝胶。应用区域近似地可用虚线92表示。
为了使耦合区域中的模态场直径大大增加，以进行有效的耦合，压电光学偏移应为芯子和包层折射率之差的几分之一。因此，具有压电光学效应的包层座具有足够大的压电光学系统，使其折射率在小压力下偏移较大，不能产生永久变形。一般，压电光学偏移只为1～2％的数量级。
可以利用与上述方法相同的方法，在包层中利用压电光学效应使芯子与光栅结构耦合。
虽然以上结合光和光学元件说明了本发明，但本领域技术人员知道，本发明不是仅限于利用可见光进行工作。适当选择波长和折射率的大小，本发明可以在具有适当的机械性质的透明材料的任何波长上使用。这个波长范围至少从极高的无线电频率延伸至接近紫外线的频率。
应当指出，以上说明了本发明一些有关的目的和实施例。本发明的概念可以在许多应用场合中使用。虽然，已说明了一些具体的结构和方法，但本发明的概念可以适用于其他的结构和用途。本领域技术人员知道，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可对所述的实施例作一些改进。所述实施例只是本发明的特点和应用的一些示例性的例子。本领域技术人员可通过不同的方法使用本发明或对本发明进行改进而得到其有有益的结果。因此，这些实施例只是一个例子，而不是限制，本发明的范围由所附的权利要求书确定。