採用數字微鏡器件(dmd)並具有降低的波長相關損失的光學處理設備的製作方法
2023-09-19 20:25:00 2
專利名稱：採用數字微鏡器件(dmd)並具有降低的波長相關損失的光學處理設備的製作方法
採用數字微鏡器件(DMD)並具有降低的波長相關損失的光學處理設備背景技術
傳統的，光學處理設備包括用於色散光束的色散元件(例如光柵)和允許每個色散光束中的每個波長被入射到多個輸出路徑中的任意一個的可致動光學元件。
可致動光學元件的一個示例為DMD (數字微鏡器件)，它包括微鏡元件的陣列，其中每個都是獨立可致動的。DMD通過調節反射鏡元件的位置可選擇性地將反射波長組分中的光路徑切換到多個輸出路徑中的任一個以控制被反射的波長組分的方向。這樣的光學處理設備可用於以多種不同的方式處理光束中的波長以用於多種不同的目的，包括開關，波長衰減和波長阻斷。發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種光學裝置，其包括可致動光學元件和補償光學元件。可致動光學元件用於接收具有多個在空間上分離的波長組分的光束並以波長相關方式衍射多個波長組分。補償光學元件將光束導引到可致動光學元件。補償光學元件補償其中波長組分被可致動光學元件衍射的波長相關方式。
根據本發明的另一個方面，光學處理設備包括至少兩個用於接收光束的光學輸入/輸出埠以及用於接收來自埠之一埠的光束並在空間上將光束分離為多個波長組分的色散元件。該設備還包括用於準直多個波長組分的準直透鏡以及可致動光學元件。可致動光學元件用於接收來自準直元件的被準直的波長組分並以波長相關方式衍射多個波長組分。補償光學元件設置在色散元件和可致動光學元件之間的光路徑上，補償光學元件補償其中波長組分被可致動光學元件衍射的波長相關方式。
圖1示出了基於例如DMD的MEM反射鏡陣列的波長阻斷器的簡化示例。
圖2示出了光學處理設備的另一個示例。
圖3a圖3b分別是光學處理設備另一個示例的側視圖和頂視圖。
圖4示出了光學處理設備中補償稜鏡與DMD之間的關係。
圖5示出了當兩個光束穿過補償稜鏡以及衍射離開DMD時的衍射。
圖6a不出了短波長光束從DMD衍射的圖像以及圖6b不出了長波長光束從DMD衍射的圖像。
圖7示出了補償稜鏡的一``個示例。
圖8示出了可用於圖7中補償稜鏡的表面的形狀的一個示例。
圖9a和9b分別示出了在沒有關於從DMD的衍射角的波長相關補償以及在具有關於衍射角的波長相關補償的情況下，對於說明的光學處理設備的在C波段部分上的插入損耗。
具體實施方式
很多光學處理設備將入射光束和出射光束沿著相同的光路徑進行導引。這樣的設備包括光開關，光波阻斷器和光學衰減器。圖1示出了基於例如DMD的MEM反射鏡陣列的波長阻斷器的簡化示例。在1X1的波長阻斷器中，光纖陣列是單根光纖，用作為輸入和輸出埠。通常還會具有環行器(未示出)或其他裝置用於分離入射光束和出射光束。如果光纖陣列包括N根光纖，那麼每根光纖用作為輸入和輸出埠。這樣的設備提供了 N個1X1波長阻斷器，其使用共同的光纖並稱為波長阻斷器陣列。在這樣的設備中，發射光學(launch optics)通常都需要光纖陣列以及用於將N個入射光束和N個出射光束的每一個進行分離的一系列環行器等。
圖2示出了光學處理設備的另一個示例。在這個特定的示例中，使用耦合鏡形成了 N個(例如15個)I X I開關。在這個示例中，採用了更簡單，更低成本的發射光學裝置，其省去了環行器等。發射光學裝置260包括結合有小透鏡陣列200的光纖陣列250。光纖陣列250通常包括兩個固定輸入/輸出光纖的V溝槽板。圖2示出了兩個光纖對；一對光纖包括光纖I和2,另外一對包括光纖3和4。
應當注意，雖然出於說明的目的圖2中示出的發射光學裝置260的示例包括光纖陣列，但是更一般地，發射光學裝置260可包括任意類型的波導陣列，例如平面波導陣列。另外，陣列中採用的波導可以全部具有相同的類型，也可以是不同類型的組合(例如光纖和平面波導)。
小透鏡陣列200包括內部和外部相對的表面220和230，其由二氧化矽或其他合適的光學透明材料形成。一系列的準直透鏡對2101;2102，2103......設置在小透鏡陣列200的內表面220上。每個準直透鏡對210包括兩個準直透鏡212。同樣的，一系列耦合透鏡2141;2142，2143……形成在小透鏡陣列200的外表面230上。每個準直透鏡對210是與耦合透鏡214之一相配準的。例如在圖2中，準直透鏡對21(^是與耦合透鏡21七配準的，而準直透鏡對2102是與耦 合透鏡2142配準的。這樣，準直透鏡212的數量是耦合透鏡214的兩倍。
準直透鏡212的節距與光纖陣列250中光纖的節距相等。相應的，設置光纖陣列250和小透鏡陣列200使得小透鏡陣列200的每個準直透鏡212配準光纖陣列250中的光纖輸出之一。在一些特定的實現方式中，準直透鏡212與耦合透鏡214之間的分離可約等於它們各自的焦距之和。
圖2中發射光學裝置260的操作如下。來自每對光纖對中的輸入光纖的光束從光纖陣列250通過與之配準的準直透鏡212傳輸到小透鏡陣列200。例如，在圖2中示出了，來自光纖I的光入射到準直透鏡對210i中的與其相應的準直透鏡212中。準直透鏡212將準直後的光束導引到與準直透鏡212配準的耦合透鏡214上。在圖2中，來自光纖I的準直光束被準直透鏡對210i中的準直透鏡212準直，準直透鏡212將準直光束導引到耦合透鏡2IV
接下來，耦合透鏡214將光束聚焦到發射平面(launch plane)上，其中在圖2示出的示例中，該發射平面上設置有耦合反射鏡240。耦合反射鏡240對光束進行反射,使得光束通過從其接收的相同的耦合透鏡(例如圖2中的耦合透鏡214D被向回導引。耦合透鏡214將反射的光進行準直並通過小透鏡陣列200向回導引。由於耦合反射鏡240反射光束通過的角度，被反射的準直光束是與入射的準直光束平行並且在空間上偏移的。被反射的準直光束被導引到最初從光纖陣列250接收光束的準直透鏡對的輸出準直透鏡。例如，如圖2示出的，通過準直透鏡對210i的輸入準直透鏡212導引進入小透鏡陣列200的光束被導引到準直透鏡對210i中相鄰的輸出準直透鏡212上。輸出準直透鏡212將反射光束聚焦到與輸出準直透鏡212配準的光纖的輸入端上，在圖2示出的示例中為光纖2。通過這種方式，圖2中的光學處理設備將從光纖對中的一個光纖(例如光纖I)所接收的輸入光束導引到相同光纖對中的另一根光纖(例如光纖2)內，從而提供了切換功能。
圖3a(側視)和圖3b (頂視)示出了光學處理設備的另一個示例。這個示例採用了與圖2相同的光學發射裝置，但是使用比率DMD550的光學系統替代了耦合反射鏡240。在這個特定的示例中，形成了 N個1X1波長阻斷器。例如，如果光學處理設備包括15個I X I波長阻斷器(圖3中只示出了三個)，則光纖陣列505會包括30根輸入/輸出光纖。
如圖所示，光學發射裝置570後面是準直透鏡516，衍射光柵522，掃描透鏡530，補償稜鏡540和DMD550。圖3b的頂視圖中看得最清楚，DMD550在發射光學裝置570的光纖延伸的平面中相對於掃描透鏡530的光軸是傾斜的。
在操作中，從光纖502進入到光學發射裝置570的光束從相應的準直透鏡514出射併入射到發射平面511中的虛焦點。然後光束由準直透鏡516進行準直。接下來衍射光柵522對準直光束進行衍射，以及掃描透鏡530在光束穿過補償稜鏡540之後將在光譜上色散的光束聚焦到DMD550上。當設置為通過狀態時，DMD550的每個反射鏡都傾斜以將光束幾乎反射回到其自身(接近利特羅:near Littrow)使得它通過設備向回行進並通過發射光學裝置570的相應波導504出射。作為選擇，當設置為阻擋狀態時，DMD550的每個反射鏡被致動使得它們傾斜為角度導致光束射出器件(參見圖3b中的光束560)的角度。雖然圖3僅僅示出了耦合的光纖對502和504的操作，但是上述的耦合對於所有的光纖對都是同樣的。
由於DMD550是傾斜的，所以從掃描透鏡530到DMD550之間的距離是隨著光纖變化的。補償稜鏡540的作用就是用於糾正這個路徑長度差以使得來自所有光纖的光束都聚焦到DMD550上。補償稜鏡540的操作從圖4中可更加容易的看到，其中示出了補償稜鏡540和DMD550之間的關係，其中可包括透明窗420。
圖3中示出的設備本身具有與波長相關的損耗，這限制了其性能。為了理解產生波長相關的損耗的根源，我們將DMD550考慮為是由微反射鏡陣列組成的並表現為衍射光柵，而非反射鏡。嚴格來說，光束是被衍射離開DMD的，而非反射。在光纖陣列505的平面內，從DMD550的衍射角由光柵方程給出:
Θ diffracted = SirT1 [sin Θ incident+n/ λ d]
其中n是衍射級次，d是DMD的像素間距，λ是波長。因此，光束從DMD的衍射角是與波長相關的。結果，輸入和輸出光纖之間的耦合僅能對單個波長進行優化，這樣，當光束被導引通過設備時光束就會具有與波長相關的損耗。
圖5示出了兩個光束，短波長光束370和長波長光束380，穿過補償稜鏡540和衍射離開DMD550。長波長光束380比短波長光束370衍射通過較大的角度。圖6a和6b更加清楚的不出了波長與衍射角的關係。圖6a不出了被從DMD550衍射的短波長光束370 (實線)。圖6a還示出了光束370被衍射的衍射角0d。圖6b類似地示出了被從DMD550衍射的長波長光束380 (實線)。圖6b還不出了光束380被衍射的衍射角Θ d。比較圖6a和圖6b，可以發現較長波長光束380的衍射通過較大角度。
與波長相關的損耗可通過提供合適的光學元件來最小化或消除，該合適的光學元件用來補償由從DMD的衍射所引入的與波長相關的衍射角。一般地，這個光學元件應當位於圖3中衍射光柵522的下遊，通常在DMD550附近。也即是，光學元件可位於衍射光柵522和DMD550之間。在一個實現方式中，作為增加補償波長相關的衍射角的額外光學元件的替代方式，也可以對現有的光學元件進行修改以實現這個功能。例如，可修改圖3中補償稜鏡540的形狀以糾正這個損耗。在這種情況中，補償稜鏡540既用於調節由來自每個光纖的光束經歷的路徑長度差，也用於補償從DMD衍射產生的與波長相關的損失。
在一個特定的實現方式中，可以向補償稜鏡540的一個或兩個表面添加輕微扭轉。圖7示出了這樣的稜鏡的一個示例，用於補償稜鏡385的入射表面394。如圖示出的，表面394使得長波長光束392比短波長光束390以較大的折射角度折射。在這個示例中，表面394為z = mx y(澤尼克多項式中的第5項)的形式,其可以被認為是兩個相交的圓柱的和。圖8中示出了這樣一個表面的形狀。結果，通過在補償稜鏡385的每個表面上增加圓柱表面也可實現對波長相關損耗的糾正。這種方式的一個優點是圓柱形的表面可使用傳統的光學拋光方法生成。
再次參考圖4，在一些實現方式中，DMD550，窗420和補償稜鏡540 (或其他合適的補償光學元件)可封裝在單個單元中，以提供能夠以與波長無關的方式衍射光束的DMD裝置。這樣的DMD裝置可用於一系列不同的光學處理設備。
圖9a和9b分別示出了在沒有關於從DMD的衍射角的波長相關補償以及在具有關於衍射角的波長相關補償的情況下，對於說明的光學處理設備的在C波段部分上的插入損耗。如圖示出的，當波長相關降低後，損耗總量和損耗變化都變小了。
權利要求
1.一種光學裝置，包括: 用於接收具有多個空間上分離的波長組分的光束並將所述多個波長組分以波長相關方式進行衍射的可致動光學元件；以及 將所述光束導引到所述可致動光學元件上的補償光學元件，所述補償光學元件補償其中所述波長組分被所述可致動光學元件衍射的所述波長相關方式。
2.權利要求1的光學裝置，還包括用於接收所述光束的至少兩個光學輸入/輸出埠，其中所述可致動光學元件選擇性地將衍射的波長組分中的至少一個導引到所述光學輸入/輸出埠之一，所述補償光學元件降低由其中所述波長組分被所述可致動光學元件衍射的所述波長相關方式所導致的衍射的波長組分中的光學耦合損耗。
3.權利要求1的光學裝置，還包括用於準直所述多個波長組分的準直光學元件，所述可致動光學元件包括數字微鏡器件(DMD)，所述數字微鏡器件具有用於選擇性地反射所述波長組分的獨立可致動反射鏡元件陣列，所述反射鏡陣列的取向使得沒有所述補償光學元件的情況下，所述準直光學元件與所述DMD之間的光路徑長度從一個波長組分到另一個波長組分是不同的，所述補償光學元件調節所述光路徑長度使得每個波長組分具有長度上相等的光路徑長度。
4.權利要求1的光學裝置，其中所述補償光學元件包括至少一個被配置為補償其中所述波長組分被所述可致動光學元件衍射的所述波長相關方式的表面。
5.權利要求4的光學裝置，其中所述表面的形狀為圓柱形。
6.權利要求4的光學裝置，其中所述表面具有符合澤尼克多項式中的第5項的形狀。
7.權利要求4的光學裝置，還包括用於準直所述多個波長組分的準直光學元件，其中所述補償光學元件包括至少一個折射和/或反射表面並進一步被配置為調節由在所述準直光學元件和所述可致動光學元件之間的所述波長組分經歷的光路徑長度使得所述波長組分被聚焦到所述可致動光學元件上。
8.權利要求7的光學裝置，其中所述補償光學元件包括稜鏡。
9.權利要求2的光學裝置，其中所述至少兩個輸入/輸出埠包括光學發射裝置，該光學發射裝置被配置為接收至少一個輸入光束並輸出被聚焦在虛焦點上的空間重疊的、角度復用的光束。
10.權利要求9的光學裝置，其中所述光學發射裝置包括用於固定光纖陣列的光纖組件和非對稱的小透鏡陣列，所述非對稱的小透鏡陣列具有第一表面和第二表面，所述第一表面具有與所述陣列中 的每個光纖配準的準直透鏡對，所述第二表面具有與每個準直透鏡對配準的耦合透鏡。
11.一種光學處理設備，包括: 用於接收光束的至少兩個輸入/輸出埠； 接收來自所述埠之一的所述光束並將所述光束空間分離為多個波長組分的色散元件； 用於準直所述多個波長組分的準直透鏡；以及 用於從所述準直元件接收被準直的波長組分並以波長相關方式衍射所述多個波長組分的可致動光學元件；以及 位於在所述色散元件和所述可致動光學元件之間的光路徑上的補償光學元件，所述補償光學元件補償其中所述波長組分被所述可致動光學元件衍射的所述波長相關方式。
12.權利要求11的光學處理設備，其中所述可致動光學元件選擇性地將衍射的波長組分中的至少一個導引到所述光學輸入/輸出埠之一；所述補償光學元件降低由其中所述波長組分被所述可致動光學元件衍射的所述波長相關方式所導致的衍射的波長組分中的光學稱合損耗。
13.權利要求11的光學處理設備，其中所述可致動光學元件包括數字微鏡器件(DMD)，所述數字微鏡器件具有用於選擇性地反射所述波長組分的獨立可致動反射鏡元件陣列，所述反射鏡陣列的取向使得沒有所述補償光學元件的情況下，在所述準直透鏡與所述DMD之間的光路徑長度從一個波長組分到另一個波長組分是不同的，所述補償光學元件調節所述光路徑長度使得每個波長組分具有長度上相等的光路徑長度。
14.權利要求11的光學處理設備，其中所述補償光學元件包括至少一個被配置為補償其中所述波長組分被所述可致動光學元件衍射的所述波長相關方式的表面。
15.權利要求14的光學處理設備，其中所述表面的形狀為圓柱形。
16.權利要求14的光學處理設備，其中所述表面具有符合澤尼克多項式中的第5項的形狀。
17.權利要求14的光學處理設備，其中所述補償光學元件包括至少一個折射和/或反射表面並進一步被配置為調節由在所述準直透鏡和所述可致動光學元件之間的所述波長組分經歷的光路徑長度使得所述波長組分被聚焦到所述可致動光學元件上。
18.權利要求17的光學處理設備，其中所述補償光學元件包括稜鏡。
19.權利要求11的光學處理設備，其中所述至少兩個輸入/輸出埠包括光學發射裝置，該光學發射裝置被配置為接收至少一個輸入光束並輸出被聚焦在虛焦點上的空間重疊的、角度復用的光束。
20.權利要求19的光學處理設備，其中所述光學發射裝置包括用於固定光纖陣列的光纖組件和非對稱的小透鏡陣列，所述非對稱的小透鏡陣列具有第一表面和第二表面，所述第一表面具有與所述陣列中的每個光纖配準的準直透鏡對，所述第二表面具有與每個準直透鏡對配準的耦合透鏡。
21.—種處理光學信號的方法，包括: 以波長相關方式利用可致動光學元件衍射多個空間上分離的波長組分；以及 補償其中所述波長組分被所述可致動光學元件衍射的所述波長相關方式。
22.權利要求21的方法，還包括: 準直所述多個波長組分；以及 在被衍射之前調節由被準直的波長組分經歷的光路徑長度使得所有被準直的波長組分都通過共同的光路徑長度。
23.權利要求22 的方法，其中對於其中所述波長組分被所述可致動光學元件衍射的所述波長相關方式的補償和所述光路徑長度的調節是由共同的光學元件執行的。
全文摘要
涉及採用數字微鏡器件(DMD)並具有降低的波長相關損失的光學處理設備。一種光學裝置，包括可致動光學元件和補償光學元件。可致動光學元件用於接收具有多個空間上分離的波長組分的光束並將多個波長組分以波長相關方式進行衍射。補償光學元件將光束導引到可致動光學元件，補償光學元件補償其中波長組分被可致動光學元件衍射的波長相關方式。
文檔編號G02B26/08GK103163642SQ20121059913
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者米切爾·E·哈勒, 傑斐遜·L·華格納 申請人:尼斯迪卡有限公司