光功率分配器件的制作方法

专利名称：光功率分配器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光功率分配器。本发明特别应用于光触屏内所用的光 功率分配器，以下的描述将参考这种应用给出。
背景技术：
在整个说明书中，对现有技术的任何说明都不应当被认为是承认 这些现有技术在本领域内是广为公知的，或者构成公知常识的一部分。
美国专利No.5，914，709和No.6，351,260以及美国专利申请 No.2002/0088930A1和No.2004/0201579A1 (其内容被以参考引用的方 式引入本申请的说明书中)描述了一种光触屏传感器，在该光触屏传 感器内，平面光波导被用来在整个屏幕上发射光束阵列，然后在屏幕 的另一侧收集这些光束，并将它们引导到位置灵敏探测器。光触屏通 常是二维的，沿屏幕的相邻侧有两个发送波导阵列(X， Y),沿屏幕 的另外两侧有两个对应的接收波导阵列。在一个实施例中，单个光源 作为"发送侧"的一部分，发射光到多个波导内，这些波导既形成X发 送阵列又形成Y发送阵列。在另一个实施例中，这些X发送阵列和Y 发送阵列每个都接收来自于单独光源的光。美国专利申请 No.2004/0201579教导了在整个屏幕上发射的光束优选地形成为一个 光强度基本均匀的薄层(即薄片)。这样，可以使与X、 Y接收阵列 相关联的光电探测器所需的动态范围降至最小，并增强位置传感算法 的灰度级插值。因而，在单光源或者双光源的实施例中，优选地是具 有均等的lxN功率分配，将来自光源的功率均等地分配到N个波导的 对应阵列内。可以理解，这种类型的光触屏的空间分辨率取决于横穿 屏幕的光束的数目，该数目对应于在发送阵列和接收阵列内的波导的 数目。然而，由于波导阵列需要安装在屏幕的外框内，因此对于每个 阵列内有限数目的波导而言，这是仅有的空间，而这就代表着对基于 波导的光触屏的限制-
沿二维方向约束光的光波导(例如光纤或波导管)可以是单模也 可以是多模。在单模波导内，光功率以单个良好定义的模式传播，强 度分布近似为高斯形。虽然这是种近似，但是这种近似在数学上是方 便的，并且在模拟光波导时经常采用。以下，光在单模光波导内的强
度分布将被称作高斯形。如

图1所示，如果在单模波导管IO接入板形
区域ll时沿一个维度上的约束被提高的话，那么高斯模12会在无约
束的维度上发生衍射，产生保持高斯强度分布的扩展波前13。另一方
面，在多模波导内，光功率以至少两个或者更多的模传播，整个强度 分布比简单的高斯形更加复杂。 一旦进入板形区域，光功率就衍射成
非高斯形的波前。
对单模波导的情形而言，能够对光功率进行均等的lxN分配的 集成光学器件是已知的。本领域已知的这种器件的一类是多模干涉分 配器，即通常所说的MMI分配器(L.B.Soldano和E.C.M.Pengings， IEEE Journal of Lightwave Technology voU3 NO.4, pp.615-627， April 1995 )。如图2中这种具体的1x4情形所示，lxN MMI分配器 20包括单模输入波导21,多模部分22和N个单模输出波导23。 N通 常为2的倍数，为了均等地分配，输入波导应当中心地设在多模区域 的输入端面上，输出波导应当沿着输出端面均匀地隔开。通过恰当地 选择多模部分22的宽度和长度，从输入波导21发出的光"自成像"， 在输出波导的入口处形成N个映像。虽然理论上N可以是2的任意倍 数，但是诸如器件长度、制造容差这类实际考虑却将MMI分配器限 制为很低的端口数，像lx2， 1x4，或lx8。另外，因为MMI器件产 生良好成形的自映像要依赖于干涉效应，所以它们仅适用于单模输入。
具有更多端口数或者端口数不是2的倍数的均等lxN分配可以 用"树形"分配器来实现，该"树形"分配器包括输入波导、衍射板形区 域和N个输出波导，其中输出波导通常设在以输入波导为中心的圃弧 上。图3示意性示出一种lx8树形分配器30，在该分配器30内，单
模输入波导31发射高斯光束32进入板形区域33。该光束随着传播穿 过板形区域而发生衍射，产生扩展的高斯玻前，入射到输出波导阵列 35并耦合进去。由于耦合进每个输出波导的光量近似取决于在波导横 截面积上累积的光场，因此当波导的宽度从中心(即高斯分布的峰值 位置)逐渐向外增加时，可以实现均等地功率分配。这种类型的lxN 分配器披露在S.Day等人的"Silicon based fibre pigtailed 1x16 power splitter", Electronics Letters vol.28 No.lO， pp.920-922， 7th May 1992, 和日本专利申请No.JP6138335A2中。注意，为了便于制造起见，输 出波导(板形区域)应被限制为具有相同的高度，以便于调节重叠积 分的横截面积，然而，宽度需要改变。另外还要注意，为了使耦合进 输出波导的光量最大，应当使输出波导之间的间隙36足够小。但是， 因为任何给定的制造技术都具有分辨极限(即可被图案化的最小结 构)，所以通常不能使这些间隙任意小。
lxN树形分配器是MxN星形耦合器的一个特定例子，MxN星形 耦合器在本领域中也是众所周知的(参看例如美国专利 No.4，904，042 )，其中M个输入波导和N个输出波导设在衍射板形区 域的相对側。输入和输出波导通常都是单模的，但是具有多模波导的 树形分配器和星形耦合器在本领域中也是公知的(参看例如美国专利 No.4，484，794和No.6，021，243 )。然而，在已知的多模波导星形耦合器 中，输入波导和/或输出波导在宽度上总是均匀的，从来没有试图对宽 度的分布进行修整，使之与板形区域内的某种强度分布相匹配。对于 能够支持数百个模式或者数千个模式的高效多模波导而言，这种方式 是可以接受的，因为从高效多模输入波导衍射进板形区域的波前在强 度上或多或少是均匀的，从而能够或多或少地均等分配进同样的输出 波导阵列内。
还有另外 一 种体系，术语称作"少模波导(few-moded waveguide)",设置在单模波导与高效多模波导之间，支持两个到几 十个量级的模式。在少模输入波导的情形中，在板形区域内的衍射波 前将具有非高斯强度分布，但该非高斯强度分布仍然是良好成形的，
为了实现均等地分配，输出波导的宽度优选应当遵循对应的"逆"或"互 补，，分布。对于现有技米中的基于波导的光触屏，系统设计的各方面都 表明，多模波导或少模波导是优选的。然而，据我们所知，在现有技
术中能够从少模输入波导实现对光功率均等地lxN分配的器件还未可 知。因此，希望提供一种集成的lxN光分配器，通过适当地修整输出 波导的宽度，其可以将从输入波导发出的非高斯束基本均等地分配到 板形区域内。另外，还希望在基于波导的光触屏传感器内提供一种集 成的lxN光分配器，其可以将来自单个输入波导的光基本均等地进行 lxN功率分配。
上述的讨论针对的都是光从输入波导进入板形区域时进行lxN 分配的器件。但是如果省去了输入波导，光直接从光源进入板形区域， 那么就是不同的情况。为了对光功率实现均等地lxN分配，输出波导 宽度的分布仍然需要修整，以使对于在板形区域内发生衍射的光的具 体强度分布，光场在波导橫截面积上的重叠积分对于每个输出波导都 是相同的。因此，希望提供一种集成的lxN光分配器，通过适当地修 整输出波导的宽度，其可以将从光源发出的非高斯束基本均等地分配 到板形区域内。另外，还希望在基于波导的光触屏传感器内提供一种 集成的lxN光分配器，其可以将来自光源的光基本均等地进行lxN功 率分配。
如果光发射进板形区域内使得它能够激发出大体均匀或者"礼 帽，，形的强度分布，那么就是特别有利的情况，因为输出波导可以随之 具有相同的宽度。因此，希望提供一种装置，通过用适当的光源直接 在板形区域激发出基本均勻的强度分布，该装置可以对光功率实现基 本均等的lxN分配。
如果lxN树形分配器需要均等的强度分配，那么要捕获所有的 功率是不可能的，无论具体的强度分布如何(即高斯分布或其他)。 这是因为每种物理强度分布都会逐渐减小到无穷远，如果每个输出波 导都要接收1/N输入功率，那么最外側的输出波导将需要无限大的宽 度.而这在实际上通常是不可能的，从而强度分布的外缘必须被忽略
或被废弃。这可以通过设计板形区域使之比连接在其上的输出波导阵 列更宽(即在输出玻导阵列连接到板形区域的位置处)夹确保，从而 使强度分布的外缘落在波导阵列之外。等效地，板形区域的(通常为 弯曲的)端面比输出波导的宽度和相隔间距的总和更长。对于单模的
情形在本领域中是已知的，例如参看JP6138335A2 (树形分配器)和 美国专利No.4，904，042 (星形耦合器)。然而，据我们所知，具有多 模波导的这类器件常规上被设计为使输入波导和/或输出波导完全填 满板形孔径(参看例如美国专利No.4，484，794和No.6，021，243 )。同 样地，对于高效多模波导而言，由于衍射进板形区域内的波前在强度 上多少是均匀地，并且在尾部具有最小的功率，因此通常这是可以接 受的。然而在少模输入波导的情形中，板形区域内的衍射波前可能具 有非高斯形但仍旧是良好成形的强度分布，因此为了均等分配起见， 尾部内很多功率将不得不被废弃。与单模的情形类似，这可以通过设 计板形区域，使之比连接在其上的输出波导阵列更宽来实现。这样设 计的第二个优点是可以避免衍射波前在板形区域侧壁上的任何反射。
这些反射可能会与主要的衍射束发生干涉，产生强度上的干涉峰和千 涉谷，从而会在板形区域末端处的功率分布上导致长度可与波导尺寸 相当的斑点。因此，在本发明的lxN树形分配器中，优选地是衍射板 形区域比连接在其上的输出波导阵列宽。
本发明的目的是克服或消除现有技术存在的至少一个缺点，或者 提供一种有用的替代方式。

发明内容
为此，本发明的第一方面提供一种用于将从光源发出的光基本均 等地分配给输出波导阵列的光功率分配器，作为光触屏传感器的部件 光功率分配器包括板形区城，多模输入波导连接在该板形区城的 一端，
输出波导阵列连接在该板形区域的相反一端.光源引导光进入多模输 入波导内.优选地，光源是发光二极管或激光器像激光二极管或垂直 腔表面发射激光器.替代地，光源可以是补波导(supplementary
waveguide),象光纤或集成光波导。优选地，输出波导沿圆弧连接到 板形区域上并指向输入波导与板形区域的结点。优选地，输出波导是
多模的。替代地，输出波导可以是单模的。优选地，板形区域比连接 在其上的输出波导阵列宽。
本发明的第二方面提供一种用于将从光源发出的光基本均等地 分配给多个输出波导的光功率分配器，作为光触屏传感器的部件。其
中，所述光源引导光束进入板形区域内，所述光束在被多个输出波导 接收之前在板形区域内发生衍射。优选地，输出波导沿圆弧连接到板 形区域上并指向光从所述光源进入所述板形区域的位置。优选地，输 出波导是多模的。替代地，输出波导可以是单模的。优选地，板形区 域比连接在其上的输出波导阵列宽。优选地，光源是发光二极管或激 光器像激光二极管或垂直腔表面发射激光器。替代地，光源可以是补 波导像光纤或集成光波导。
本发明的第三方面提供一种用于将从光源发出的光基本均等地 分配给输出波导阵列的光功率分配器，其中输出波导并不全都具有相
同的宽度。该光功率分配器包括板形区域，多模输入波导连接在该板 形区域的一端，输出波导阵列连接在该板形区域的相反一端。光源引 导光进入多模输入波导内。优选地，光源是发光二极管或激光器像激 光二极管或垂直腔表面发射激光器。替代地，光源可以是补波导像光 纤或集成光波导。优选地，板形区域比连接在其上的输出波导阵列宽。 优选地，输出波导沿圃弧连接到板形区域上，并指向输入波导与板形 区域的结点。优选地，输出波导是多模的。替代地，输出波导可以是 单模的。优选地，该光功率分配器是光触屏传感器的一个部件。
本发明的第四方面提供一种用于将从光源发出的光基本均等地 分配给多个输出波导的光功率分配器，其中所述光源引导光束进入板
形区域内，所述光束在板形区域内以多峰值的强度分布发生衍射，所 述衍射光束被所述多个输出波导接收，其中输出波导的宽度分布是不 均匀的，并且被修整使得相同量的功率被耦合进每个输出波导.优选 地，输出波导沿圃弧连接到板形区域上并指向从所述光源发出的光进
入所述板形区域的位置。优选地，光源是发光二极管或激光器像激光 二极管或垂直腔表面发射激光器 替代地，光源可以是补波导，象光 纤或集成光波导。优选地，板形区域比连接在其上的输出波导阵列宽。 优选地，输出波导是多模的。替代地，输出波导可以是单模的。优选 地，该光功率分配器是光触屏传感器的一个部件。
本发明的第五方面提供一种用于将从光源发出的光基本均等地 分配给多个输出波导的光功率分配器，其中所述光源引导光束进入板 形区域内，所述光束在该板形区域内以在该板形区域的平面内呈基本 均匀的强度分布发生衍射，所述衍射光束被所述多个输出波导接收。 优选地，所述光束是环形形状。优选地，光源是发光二极管或激光器 像激光二极管或垂直腔表面发射激光器。替代地，光源可以是补波导 像光纤或集成光波导。优选地，这些波导具有均匀的宽度。优选地， 板形区域比连接在其上的输出波导阵列宽。优选地，输出波导是多模 的。替代地，输出波导可以是单模的。优选地，该光功率分配器是光 触屏传感器的一个部件。
在基于波导的光触屏传感器内，根据本发明上述方面中任一个的 光功率分配器都可以组合使用，例如串联或并联使用。举例来说，基 于波导的光触屏的发射侧可以包括多级分配系统，该多级分配系统包
括第一分配级，在该第一分配级内，像激光二极管这样的光源直接 发射光进入根据本发明第二、第四或第五方面的光功率分配器内，将 光分配给M个波导；和第二分配级，在该第二分配级内，M个波导 中的每一个都馈入根据本发明第一或第三方面的、具有N个输出波导 的光功率分配器，从而形成光功率的]V^N分配。这M个波导可被认 为是补波导，它们用作第二分配级的光源。
除非文中特别指出，在整个说明书和权利要求书中，"包括"及其 类似用词都应当被理解为是开放式的，而不是排它或穷尽含义的，即 应当是"包括但不限于"。
附困说明
现在，参看附图，仅以示例的方式描述本发明。
图1示出高斯光束在从单模波导传播进入板形区域时的衍射；
图2示出巳知的1x4多模干涉(MMI)分配器；
图3是在JP6138335A2所描述的用于均等分配的已知单模lxN 分配器的示意图4示出使用光功率分配器用于在基于波导的光触屏传感器的发 射端处的功率分配；
图5示出使用光功率分配器的第二级，解决对基于波导的光触屏 传感器的空间分辨率产生的限制的方案；
图6示意性示出根据本发明的第三方面，用以均等地进行功率分 配的光功率分配器，其中强度分布是两波瓣形的而不是高斯形的；
图7a示出为了使基本均匀的强度分布进入板形区域内，环形光 束与板形区域的端面的重叠；
图7b示出基本均匀的强度分布，在虚线之间示出的是总功率的 可用部分；
图8示意性示出根据本发明的第二方面，用在基于波导的光触屏 传感器内的1x120光功率分配器；
图9是图8所示分配器一部分的展开图，示出了从板形区域发出 的三个输出波导；
图10示意性示出根据本发明的第一方面，用在基于波导的光触 屏传感器内的1x120光功率分配器；
图11示出根据本发明的第一方面，用在基于波导的光触屏传感 器的第二级分配中的1x2光功率分配器；
图12示意性示出用在基于波导的光触屏传感器的发射侧中的光 波导的布局，其中包含1x120光功率分配器(笫一级分配)及与之串 联的由120个lx2光功率分配器组成的阵列(笫二级分配)。
具体实施例方式
本领域中已知的许多光触屏传感器都是借助于感测在显示器前
面设立的一束或多束光(通常为红外光)的中断来确定接触的位置的。
大多教这种类型的光触屏，例如在美国专利No.3,764,813 , No.4，243，879或No.4，692，809中所披露的，都需要大量的光源来产生 光束，因而具有不希望的高元件成本。与之相比，上述的基于波导的 光触屏使用波导来分配光束，只需要一个或两个光源，从而就代表着 显著的成本节约。因为这些基于波导的光触屏只有很少量的光源，所 以它们还需要一些用来将光功率分配给波导的装置，优选地以基本均 匀的方式分配。对于典型的光触屏，发射侧的波导数目处在100的量 级，接收侧具有相应的数目。例如，装配有5mm分辨率的基于波导 的光接触传感器的 210mmx280mm 的显示器将需要 ((210/5-1)+(280/5-1)) =96个发射波导，显然，如果需要更好的分辨 率，所需的数目会更多。
集成光波导领域的普通技术人员应当知道，要实现光功率基本均 匀地分配到N个集成光波导内这样的任务，最好采用lxN"树形分配 器"，最简单形式的"树形分配器，，包括输入波导、衍射板形区域和N 个输出波导。如本领域所公知的，lxN树形分配器是MxN"星形耦合 器，，的一个特殊例子，在MxN星形耦合器内，M个输入波导和N个 输出波导设在衍射板形区域的相对侧。树形分配器和星形耦合器在集 成光波导领域都是公知的，都可以用于单模波导(S.Day et al."Silicon based fibre pigtailed 1x16 power splitter", Electronics Letters vol.28 No.lO， pp.920-922， 7th May 1992; JP6138335A2 )和多模波导(美国 专利No.4，484，794和No.6，021，243 )，但是迄今为止它们还未被用在 解决基于波导的光触屏传感器的光功率分配这个问题上。
因此，本发明的第一方面是提供一种用于在光触屏传感器内，将 来自输入波导的光基本均等地分配到输出波导阵列的光功率分配器。 如本领域公知的，为了基本均匀地分配，光功率分配器优选应当被设
计使得输出波导沿圃弧连接到板形区域上，并指向输入波导和板形区 域的结点，如图3所示，注意，图3所示的光功率分配器是专门为单 模输入波导而设计的，输出波导的宽度被修整用来补偿板形区域33
内的强度分布34。然而，对于通常在光触屏传感器内使用的多模波导， 这种输出玻导的布置就不再适宜 为了得到合理的近似，对来自多模 输入波导的光功率进行基本均等分配可以简单地通过均勾布置输出的 宽度来实现。就设计和制造而言，这种"均等宽度，，的情形实施起来很 简单，并且这种"均等分配，，的近似通常会随着输入波导内支持的光模 式数目的增加而提高。
如图4所示，根据本发明第一方面的光功率分配器的一个应用是 用在基于波导的光触屏传感器的发射端处，其中从光源40像激光二极 管、LED或VCSEL发出的光被耦合进多模输入波导41内，然后在 位置43处耦合进板形区域42内。根据多模输入波导41支持的模式数 目，光场将在板形区域42发生扩展，在球形波前44上产生多少均匀 的强度分布。然后，扩展的波前44遇到多个具有均等宽度的输出波导 45，这些输出波导沿着以位置43为中心的圆弧排列，并都指向位置 43。输出波导45可以是单模波导或多模波导，但对本申请来说，优选 是多模波导。虽然在图4中输出波导的数目只有八个，但是对本申请 而言，通常输出波导的数目可以更多，具有100的数量级。为了使耦 合进输出波导45的光量最多，可以理解，输出波导之间的间隙46应 当在制造过程的限度内被制作得足够小。优选地，板形区域42应当比 连接在其上的输出波导45的阵列要宽，并且应当足够宽，使得扩展的 波前44不会遇到侧壁47。这是为了避免侧壁上的任何反射，因为这 些反射可能会发生干涉，影响功率分配的均匀性。本领域的技术人员 可以理解，这种包括有多模输入波导41、板形区域42和输出波导45 的光功率分配器48通常可以被支撑在基板上，在图4中未示出。优选 地，光功率分配器48的多模输入波导41、板形区域42和输出波导阵 列45拥有共同的对称轴49。
根据本发明第一方面的光功率分配器的第二个应用是用来在基 于波导的光触屏传感器的发射側上提供笫二级的光功率分配.如上所 述，现有技术中基于波导的光触屏传感器存在的 一个限制情况是空间 分辨率受限于屏幕外框内安装的波导的数目。然而，如图5示意性所
示的，这种限制可以通过使用笫二级的分配来克服。图5示出第一(发 射)级光功率分配器52之后的输出波导(用两个最外侧的波导51代 表)阵列，每个输出波导装进一个提供第二级分配的lx2光功率分配 器53。来自于1x2光功率分配器53的输出波导54然后沿着屏幕56 的边缘装进发射光学系统55。对本发明的目的而言，发射光学系统55 的细节并不是特别重要的，但是它可以如现有技术那样，包括一个具 有凸起端面的衍射板形区域，以产生接触感测光束。替代地，该发射 光学系统可以包括如美国临时专利申请No.60/622186所披露的附加透 镜，或如美国临时专利申请No.60/650790所披露的反射光学系统。这 里至关重要的是借助于仔细而又非显而易见的波导布局设计，来增加 接触感测光束的数目，而不增加或者很少增加发射侧波导阵列的总体 宽度，从而克服空间分辨率的限制。例如，如图5所示的第二级lx2 分配器能够有效地使相联的光触屏的空间分辨率加倍。类似地，通过 使用第二级lx3或lx4树形分配器，可以使空间分辨率成三倍或成四 倍。
这种基本的lxN树形分配器设计的一个有利方面是可以应用于 宽范围的N，从小至2的值到大至100或更大的值。相应地，第二级 lxN树形分配器除不同的N值外，将具有如上所述与第一级分配器相 同的设计特征。
应当理解，超过二级以外的更多级的光功率分配器都处于本发明 的范围内。
在图4所示的第一级功率分布分配器内，多模输入波导41并不 是严格必需的，而是可以省略，以便光源40将光直接发射进板形区域 42内。相应地，本发明的第二方面提供一个用以将来自光源的光基本 均等地分布到多个输出波导的光功率分配器，作为光触屏传感器的一 个部件，其中所述光源导引光束进入板形区域内，在该板形区域内， 所述光束在被所述多个输出波导接收之前发生衍射.除忽略掉输入波 导41之外，根据本发明笫二方面的这种光功率分配器与根据本发明笫 一方面的光功率分配器相同.这种布置在装配光触屏传感器期间是有
利的，因为它至少降低了在板形区域42的平面内在将光源相对于分配 器放置时的容差要求 然而，仍旧优选的是，光源40应当大致定位在 分配器的对称轴49上。光源可以是诸如发光二极管或激光二极管这类 发射器，或者光源也可以是附加的波导，例如与板形区域非常靠近但 物理分开(即，不构成整体)的光纤或集成光波导。
如上所述，对于单模输入波导和对于高效多模输入波导而言，包 括有输入波导、板形区域和输出波导阵列并为均等分配而设计的光功 率分配器在本领域中都是已知的。在单模输入波导的情形下，均等分 配通过修整输出波导的宽度从而对板形区域内扩展的波前的(大致为
高斯)强度分布进行互补来实现。另一方面，在高效多模波导的情形 下，均等分配只需简单地用均匀的输出波导宽度来实现，其中假设扩 展的波前在强度方面上大致是均匀的。然而，对于只支持几个模的多 模输入波导而言，在衍射板形区域内扩展的波前可能具有明显不均匀
的强度分布，从而简单地用均匀的输出波导宽度将不能够实现均等的 功率分配。然而，波前可以具有良好成形的强度分布，例如图6所示
的双峰形状，因而均等地功率分配仍旧可以通过适当地4务整输出波导
的宽度来获得。
类似地，许多光源像发光二极管、高功率激光二极管和垂直腔表 面发射激光器(VCSEL)都不具有简单的高斯发射分布，因而，如果 来自这些光源的光直接发射进入板形区域，那么用现有技术的单模分 配器或多模分配器都不能实现均等地功率分配。
对于在板形区域内扩展的波前具有多峰形状的"少模，，情形而言， 无论光是经由输入波导还是从发射器引入该板形区域，用来实现均等 功率分配的光分配器在现有技术中都是未知的。在这些情形下，光分 配器必须被特别地设计，使输出波导宽度的分布能够互补扩展波前的 强度分布(即，基本上是扩展波前的强度分布的逆)。
相应地，本发明的笫三方面是将均等功率分配的问题概括到以下 两种情形，即多模输入波导将非高斯(即多峰)束发射进lxN分配器 的板形区域内的情形，以及输出波导的宽度分布不均匀的情形。更具
体地，输出波导的宽度被选择，使得当在板形区域内衍射的非高斯束 入射到输出波导的孔径上时，对于每个输出坡导，光场在波导橫截面 积上的积分基本都是相等的。输出波导可以是单模或者多模，但优选 地是多模。优选地，输出波导附接在以输入波导为中心的圆弧上，并
指向输入波导。图6示出一个1x8光功率分配器60的例子，其中输入 光束衍射成两瓣状的强度分布61，并且输出波导62的宽度被修整来 对强度分布61进行互补。这种情形可能会出现在例如输入波导63支 持至少两个光学模式时。优选地，板形区域64应当比连接在其上的输 出波导62的阵列宽，并且应当足够宽，使得扩展的波前61不会遇到 侧壁65。这是为了避免任何侧壁上的反射，这些反射可能会发生干涉， 影响功率分配的均匀性。根据本发明第三方面的光功率分配器可以被 有利地用来在基于波导的光触屏传感器内分配光功率，例如在如上所 述、本发明第一方面的第一级分配或第二级分配中。
本发明的第四方面是将均等分配的问题另外概括到以下两种情 形，即具有非高斯(即多峰)发射分布(profile)的光源将功率直接
发射进分配器的板形区域内的情形，以及输出波导的宽度分布是不均 匀的情形。具体地，输出波导的宽度被选择，使得当发射进板形区域 并在板形区域内衍射的非高斯束入射在输出波导的孔径上时，对每个 输出波导，光场在波导横截面积上的积分基本上都是相等的。输出波 导可以是单模或者多模，但优选地是多模。优选地，输出波导附接在 以功率进入板形区域的那个位置为中心的圆弧上并指向该位置。优选 地，板形区域比连接在其上的输出波导阵列宽，并足够的宽，使得扩 展的波前不会遇到板形区域的侧壁，这是为了避免任何侧壁上的反射， 这些反射可能会发生干涉，影响功率分配的均匀性，根据本发明第四 方面的光功率分配器可以被有利地用来在基于波导的光触屏传感器内 分配光功率，例如在如上所述、本发明第二方面的第一级分配中。
本发明的第五方面在于一种装置，该装置将来自光源的光功率直 接发射进光功率分配器的板形区域内，以使光功率衍射成在板形区域 的平面内成基本均匀的强度分布。在这种强度分布下，可以用均匀的
输出波导阵列获得大体均等的功率分配，即不需要修整输出波导的宽 度配置。通过将环形的强度分布发射进板形区域内，可以在板形区域 内获得期望的基本均匀强度分布。如这里所使用的，术语"环形强度分 布"包括任何在中心区域具有降低了的或极低的强度、而在周围区域具 有较高强度的横向强度分布。在周围区域内的径向强度分布可以是基 本均匀的或可以是变化的。该径向强度分布可以具有良好限定的函数
形式，例如具有如美国专利No.6，577，799所述的TEM。r激光束的函 数形式，或者该径向强度分布也可以具有例如从激光源的增益曲线 (profile )产生的完全现象形式。这种类型的强度分布有时称作"碟环 型(doughnuUype )"分布。参看图7a，环形的光束71投射到板形区 域72上。通过恰当地选择环形光束的径向强度分布、板形区域的厚度、 和/或光束相对于板(slab)的定位，在该板的作用下，光束形状的 重叠积分可以产生一种发射强度图案，该强度图案在板形区域的平面 内以基本均匀的分布传播，并且其宽度随着传播穿过板形区域而增加， 如图7b所示。精确地讲，使用图7a中的(x，.v，)坐标系，x维度上的强度 分布尸O)大致为
尸("=。Jf/(x，力办
其中/(x，力是光束的强度分布，土"代表板在y维度上的范围。对于
图7a这种理想的情形，尸W是如图7b所示的"礼帽"函数。应当注意， 对户(力并不要求为均匀的。也即，垂直于板形区域的强度分布可以具 有任何形状，只要每个输出波导接收的是相同量的功率。但是，仍旧 需要放弃强度分布的外边缘，在图7b中虚线表示有用部分的边界。在 很多实际的例子中，应当注意的是，强度分布的顶部不可能是完全平 坦的，而往往具有一些变化。某些光源可以发射具有环形图案的光， VCSEL是特别有利的，因为VCSEL具有环形对称的增益曲线，从而 通常能够固有地发出环形图案的光。环形强度分布也可以从具有环形 芯的补波导像光纤发射进板形区域内。从图7a可以理解，为了得的正 确的重叠，需要在(x，力平面内将光束相对于板形区域恰当地排列。由 于光源通常是以发散的方式发光(例如在本发明的情形中，环形困案
可能会扩展)，因此也需要在z维度上恰当地放置。
根据本发明第五方面的光功率分配装置可以被有利地用来在基
于波导的光触屏传感器内分配光功率，例如在如上所述、本发明第二 方面的第一级分配中。
可以使用光刻/湿显影工艺由可光构图的聚合物以成本节约的 方式有利地制造本发明的光功率分配器及相关的波导阵列。可光构图 的聚合物是特别优选地，因为它们易于图案化而且图案化时仅需要适
中的条件(例如，uv啄光以及随后的溶剂显影)。可光构图的聚合
物的例子包括丙烯酸盐和硅氧烷。
一类特别合适的材料是例如用在美国专利No.6，800，724 ， No.6，818，721和No,6，965，006披露的缩合反应所合成的UV可固化硅 氧烷聚合物。硅氧烷聚合物对各种基板材料如硅、玻璃和塑料都有很 优良的附着性。可以添加光引发剂或热引发剂来提高固化速率。商业 上可以获得的光引发剂的例子有1-羟基-环己基-苯基-酮(Irgacure 184) ， 2-甲基-l4-甲基苯疏基l-2-呀啉代丙烷-l-one (Irgacure 907)， 2，2-二甲氧基-l，2-二苯基乙胺-l-one (Irgacure 651) ， 2-苄基-2-二甲 基氨基-l-(4-呀啉代苯基)-丁酮-l (Irgacure 369 ) ， 4-(二甲基氨基)二 苯甲酮，2-羟基-2-甲基-1-苯基-丙烷-l-one (Darocur 1173) ， 二苯曱 酮(Darocur BP) ， l-[4-(2-幾基乙氧基)-苯基l-2-羟基-2-甲基-l-丙烷 -l-l-one (Irgacure 2959 ) ， 4，4，-重(二乙胺基)二苯甲酮(DEAB )， 2-氯噻吨酮，2-甲基噻吨酮，2-异丙基噻吨網，安息香以及4，4，-二甲 氧基安息香。在用可见光固化时，该引发剂可以例如是樟脑醌。也可 以使用两种或多种光引发剂的混合物。例如，Irgacure 1000是80%的 Darocur 1173和20%的Irgacure 184的混合物。对于热固化，以过氣 化物(例如过氣化二苯酰)、过氧化二碳酸酯、过酸酯(t-过苯甲酸 丁酯)、过酮缩醇、过氧化氢物以及AIBN (偶氮二异丁腈)形式的 有机过氣化物可以用作引发剂。
还可以添加其他的添加剂，像稳定剂、增塑剂、反差增强刑、染 料或填料，以根据需要提高聚合物的性质。
在下面非限制性的例子中将描述根据本发明各方面的光功率分 配器及其相联的波导的制作，
例1
参看图8和图9，这个例子示出的是1x120分配器的制作，及其 在本发明第二方面的基于波导的光触屏传感器内的使用，在该分配器 中省略了输入波导以能够直接发射进板形区域内。
根据美国专利No.6，818，721披露的流程，制备粘度为2500cP (20。C下)、折射率为1.483 (20°C下用室内光在阿贝折射计上测量 的)的较低折射率聚合物A。制备粘度为2200cP ( 20"C下)、折射率 为1.509 (20"C下)的较高折射率聚合物B。向聚合物A和聚合物B 都添加合适的光引发剂。
将聚合物A旋涂在硅片上，用汞灯发出的UV光固化，形成20fim 厚、折射率为1.478 ( 20°C和1550nm下)的底包层20。将聚合物B 旋涂在该底包层形成llHm厚的芯层ll，并借助于掩模用UV光对其 构图。然后，将未膝光的聚合物B材料溶解在异丙醇内，留下曝光的 芯材料，呈光功率分配器80的形式。曝光的聚合物B材料具有1.505 (20GC和1550rnn下)的折射率。最后，通过旋涂沉积上包层，并 UV固化聚合物A的第二层。
图8示出根据本发明的第二方面，构成基于波导的光触屏传感器 的部件的光功率分配器80。该分配器80包括输入面86，板形区域81 和用轮廓表示的120个输出波导的阵列.板形区域81的宽度83为 2.45mm，长度84为5.87mm，并以曲面85结束，该曲面85由以输入 面86的中部为中心的圓弧确定，其曲率半径为6.00mm。轮廓82内 的这120个输出波导(其中的三个示出在图9中，标记为90)每个的 宽度91都为8.8pm，以15.3pm的节距隔开(即，间隙92为6.5^mi， 该间隙被设计用来避免在制作过程中发生间隙填充)。输出波导82 阵列占据着曲面85其总弧长2.47mm内大约1.83mm的弧长，两个部 分87、 88的每个长度都为0.32mm。这些部分被设计用来将强度分布的低强度翼抑制在板形区域81内，并避免这些翼在侧壁上的反射。在 操作时以850nm工作的VCSF!, 89直接发射光进入板形区域81其 输入面86的中心，光在进入输出波导82阵列之前在该位置发生衍射。 在分配器80被设计用来工作在850nm波长下时，本领域的技术 人员可以理解，输出波导是多模的，而不是单模的。这可以通过依照 下式计算波导参数r来示出
F = ^f a 《
在波导芯"的半宽等于5.5nm,芯和包层的折射率 。和 ,大约为 1.505和1.478，以及波长义为850nm时，7约为11.5，明显大于1， 这表明波导是多模波导。
例2
这个例子示出根据本发明第五方面的光功率分配装置。如例1所 述的，制作包括输入面86、板形区域81和120个输出波导82的阵列 的1x120分配器。在这个例子中，光源89是发出环形图案光的VCSEL， 并且与输入面86对准，使得光以在板形区域的平面内呈基本均匀的强 度分布发射进板形区域81内。由于输出波导82全部具有相同的宽度， 因此实现了对光基本均等地分配。
例3
参看图10，这个例子示出的是1x120光功率分配器的制造，及
其在本发明第一方面的基于波导的光触屏传感器内的使用。根据例1 中所述的流程，包括多模输入波导104、板形区域101和l加个输出 波导102的阵列的1x120分配器IOO被制造。该分配器100与例1的 分配器80的不同仅在于它具有的是多模输入波导104，该多模输入波 导具有与每个输出波导相同的宽度(8.8nm).来自工作在850nm的 VCSEL 103的光发射进多模输入波导104，并分配到输出波导102， 如例1中所述的。
例4
参看图n，这个例子示出的是ix2光功率分配器no的制造，
及其在本发明第一方面的基于波导的光触屏传感器内的使用。具体地， 它用在基于波导的光触屏传感器的发射侧的第二级光功率分配中。才艮
据例1中所述的流程，包括多模输入波导111、板形区域112和两个 输出波导113的1x2光功率分配器110被制造。每个波导的宽度是 8.8nm。因为分配的程度低得多，板形区域112比例1中对应的区域 81小得多，该波导的宽度114为5(Him，长度115为210nm，并以曲 面116结束，该曲面116是以与输入波导111的结点为中心的圆弧。
例5
参看图12，这个例子示出的是基于波导的光触屏传感器的发射侧 的光波导布局120，该布局120包括如例1所述的1x120光功率分配 器121、如例4所述的120个1x2光功率分配器122阵列，与波导连 接的240个传输元件123阵列。来自850nm的VCSEL 124的光直接 发射进入1x120光功率分配器121的板形区域125内，从而在功率分 配的第一级被分配到120个波导，为了清楚起见，示出的只是最外面 的波导126。在每个波导内导引的光然后被输送进1x2光功率分配器 122，然后在第二分配级上被分配到连接在传输元件123上的波导127。
对于通常矩形接触屏的情形，如图12所示的传输元件1"沿着 接触屏的一侧排成阵列，沿X方向产生单坐标(grid)的平行光束。 类似地，带有第二 VCSEL的光波导布局可以沿着接触屏的另一侧排 成阵列，沿Y方向产生第二坐标的平行光束。替代地，波导126可以 根据分配器121处的第一级功率分配划分为两组，每一组都沿着接触 屏的相邻侧排成阵列，以沿X方向和Y方向产生坐标光束。
虽然已经参照具体的例子描述了本发明，但是本领域的技术人员 可以理解，本发明可以具体实施为很多其他的形式，
权利要求
1.一种用于将从光源发出的光基本均等地分配给多个输出波导的光功率分配器，该分配器包括耦合到光源的多模输入波导、板形区域和输出波导阵列，其中输出波导沿圆弧连接到板形区域上并指向输入波导与板形区域的结点，并且其中该分配器被用作光触屏传感器的部件。
2. —种用于将从光源发出的光基本均等地分配给多个输出波导 的光功率分配器，该分配器包括板形区域和输出波导阵列，其中光源 直接发射功率进入板形区域内，输出波导沿圆弧连接到板形区域上并 指向功率进入板形区域的位置，并且其中该分配器被用作光触屏传感 器的部件。
3. —种用于将从光源发出的光分配给多个输出波导的光功率分 配器，该分配器包括多模输入波导、板形区域和输出波导阵列，其中 光功率从光源耦合进多模输入波导，输出波导宽度的分布被选择，使 得当在板形区域中衍射的光场入射到输出波导上时，对于每个输出波 导，光场在波导横截面积上的积分是基本相等的。
4. 根据权利要求3的光功率分配器，其中输出波导沿圆弧连接 到板形区域上，并指向输入波导与板形区域的结点。
5. 根据权利要求3或4的光功率分配器，其中在板形区域内衍 射的光场的强度分布是非高斯型。
6. 根据权利要求3至5中任一项的光功率分配器，其中该分配 器被用作光触屏传感器的部件。
7. —种用于将从光源发出的光分配给多个输出波导的光功率分 配器，该分配器包括板形区域和输出波导阵列，其中光源直接发射功 率进入板形区域内，板形区域内的强度分布是非高斯型，并且输出波 导宽度的分布被选择，使得当板形区域内的强度分布入射到输出波导 上时，对于每个输出波导，光场在波导橫截面积上的积分是基本相等 的.
8. 根据权利要求7的光功率分配器，其中输出波导沿圆弧连接 到板形区域上，并指向功率进入板形区域的位置。
9. 根据权利要求7或8的光功率分配器，其中该分配器被用作 光触屏传感器的部件。
10. —种用于将从光源发出的光分配给多个输出波导的光功率分 配器，该分配器包括板形区域和输出波导阵列，其中光源直接发射光 束进入板形区域内，并且其中该光束以在板形区域的平面内呈基本均 匀的强度分布发生衍射，使得当板形区域内的强度分布入射到输出波 导上时，对于每个输出波导，光场在波导横截面积上的积分是基本相 等的。
11. 根据权利要求10的光功率分配器，其中所述光束基本呈环形。
12. 根据权利要求10或11的光功率分配器，其中输出波导沿圓 弧连接到板形区域上并指向所述光束进入板形区域的位置。
13. 根据权利要求10至12中任一项的光功率分配器，其中输出波导的宽度相同。
14. 根据权利要求10至13中任一项的光功率分配器，其中该分配器被用作光触屏传感器的部件。
15. 根据前述任一权利要求的光功率分配器，其中光源选自激光 器、发光二极管或者补波导。
16. 根据权利要求10至14中任一项的光功率分配器，其中光源 选自激光器、发光二极管或具有环形芯的补波导。
17. 根据权利要求15或16的光功率分配器，其中激光器是激光 二极管或垂直腔表面发射激光器。
18. 根据权利要求15至17中任一项的光功率分配器，其中补波导是光纤或集成光波导，
19. 根据权利要求15至18中任一项的光功率分配器，其中补波导是光功率分配器的输出波导，从而形成一个多级分配器系统。
20. 根据前述任一权利要求的光功率分配器，其中输出波导是多 模的。
21. 根据前述任一权利要求的光功率分配器，其中输出波导是单模的。
22. 根据前述任一权利要求的光功率分配器，其中板形区域比连 接在其上的输出波导阵列宽。
23. —种用于电子设备的输入设备，包括 光源；至少一个光探测器，探测多个光探测元件上的光强； 形成一个平面的输入区；以及至少一个用于将从光源发出的光基本均等地分配给多个输出波 导的光功率分配器，每个分配器包括耦合在光源上的多模输入波导， 板形区域以及输出波导阵列，其中输出波导沿圓弧连接到板形区域上， 并指向输入波导与板形区域的结点，并且其中该分配器被用作光触屏 传感器的部件。
24. —种用于电子设备的输入设备，包括 光源；至少一个光探测器，探测多个光探测元件处的光强； 确定一个平面的输入区；以及至少一个用于将从光源发出的光基本均等地分配给多个输出波 导的光功率分配器，每个分配器包括板形区域和输出波导阵列，其中 光源直接发射功率进入板形区域内，并且其中输出波导沿圆孤连接到 板形区域上并指向功率进入板形区域的位置。
25. —种用于电子设备的输入设备，包括 光源；至少一个光探测器，探测多个光探测元件上的光强； 形成一个平面的输入区；以及至少一个用于将从光源发出的光分配给多个输出波导的光功率 分配器，每个分配器具有多模输入波导、板形区域以及输出波导阵列， 其中光功率从光源耦合进多模输入波导，输出波导宽度的分布被选择， 使得当在板形区域内衍射的光场入射到输出波导上时，对于每个输出 波导，光场在波导横截面积上的积分是基本相等的。
26. 根据权利要求25的输入设备，其中输出波导沿圓孤连接到 板形区域上并指向输入波导与板形区域的结点。
27. 根据权利要求25或26的输入设备，其中在板形区域内衍射 的光场的强度分布是非高斯型。
28. —种用于电子设备的输入设备，包括 光源；至少一个光探测器，探测多个光探测元件上的光强； 形成一个平面的输入区；以及至少一个用于将从光源发出的光分配给多个输出波导的光功率 分配器，每个分配器具有板形区域和输出波导阵列，其中光源直接发 射功率进入板形区域内，板形区域内的强度分布是非高斯型，并且输 出波导宽度的分布被选择，使得当板形区域内的强度分布入射到输出 波导上时，对于每个输出波导，光场在波导橫截面积上的积分是基本 相等的。
29. 根据权利要求28的输入设备，其中输出波导沿圃弧连接到 板形区域上并指向功率进入板形区域的位置。
30. —种用于电子设备的输入设备，包括 光源；至少一个光探测器，探测多个光探测元件上的光强； 形成一个平面的输入区；以及至少 一个用于将从光源发出的光分配给多个输出波导的光功率 分配器，每个分配器包括板形区域和输出波导阵列，其中光源直接发 射光束进入板形区域内，并且该光束以在板形区域的平面内呈基本均 匀的强度分布发生衍射，使得当板形区域内的强度分布入射到输出波 导上时，对于每个输出波导，光场在波导横截面积上的积分是基本相 等的.
31. 根据权利要求30的输入设备，其中所述光束基本呈环形，
32. 根据权利要求30或31的输入设备，其中输出波导沿圃弧连 接到板形区域上，并指向所述光束进入板形区域的位置。
33. 根据权利要求23至32中任一项的输入设备，其中光源选自 激光器、发光二极管或者补波导。
34. 根据权利要求30至32中任一项的输入设备，其中光源选自 激光器、发光二极管或具有环形芯的补波导。
35. 根据权利要求33或34的输入设备，其中补波导是光纤或集 成光波导。
36. 根据权利要求33至35中任一项的输入设备，其中补波导是 光功率分配器的输出波导，从而形成一个多级分配器系统。
37. 根据权利要求33至36中任一项的输入设备，其中激光器是 激光二极管或垂直腔表面发射激光器。
38. 根据权利要求22至37中任一项的输入设备，其中输出波导 是多模的。
39. 根据权利要求22至38中任一项的输入设备，其中输出波导 是单模的。
40. 根据权利要求22至39中任一项的输入设备，其中板形区域 比连接在其上的输出波导阵列宽。
41. 根据权利要求22至40中任一项的输入设备，其中输出波导 的宽度相同。
42. 根据权利要求22至41中任一项的输入设备，其中输入设备 是光触屏传感器。
全文摘要
本发明涉及光分配器，特别涉及用在光触屏内的光分配器。本发明提供一种用于将从多模输入波导(41)发出的光经由板形区域(42)基本均等地分配到输出波导(45)阵列的光分配器。输出波导的宽度分布被选择，以对板形区域内的强度分布进行互补，该强度分布可能是或者不是基本均匀的。本发明还提供一种用于将从光源(40)发出的光基本均等地分布到多个波导的光分配器，其中所述光源引导光束到板形区域内。波导宽度的分布被选择，以对板形区域内的强度分布进行互补，该强度分布可能是或者不是基本均匀的。当本发明的分配器被用来在光触屏内分配光功率时，这些分配器可以串联或并联使用。
文档编号G02B6/12GK101103289SQ200580042293
公开日2008年1月9日 申请日期2005年12月9日 优先权日2004年12月9日
发明者本杰明·科尼什, 罗伯特·B·查特斯 申请人:Rpo私人有限公司