小型化高密度波長分割多工器的製作方法
2023-11-01 03:45:17 1
專利名稱：小型化高密度波長分割多工器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種波長分割多工器(wavelength division multiplexer；簡稱WDM)，特別是指一種小型化高密度(dense)波長分割多工器(簡稱DWDM)。
背景技術：
參閱圖1，一種現有波長分割多工器9，包含複數沿一方向Y相鄰地排列設置的傳輸單元90，借所述傳輸單元90及該方向Y對該波長分割多工器9界定出一起始側901及一相反於該起始側901的終止側902。每一傳輸單元90沿一垂直於該方向Y的軸向Y』依序地設置有一雙光纖導管91、一第一折射率漸變透鏡(gradient index lens；簡稱GRIN lens)92、一濾波片93、一第二折射率漸變透鏡94及一單光纖導管95。
每一雙光纖導管91具有一沿該軸向Y』設置的管本體910、一連接該管本體910的輸入光纖911及一連接該管本體910的輸出光纖912。此外，每一雙光纖導管91的輸出光纖912與其相鄰的雙光纖導管91的輸入光纖911相互融接。所述濾波元件93分別對一對應的單波段(single-channel)呈一穿透性，且對其餘波段呈一反射性。
藉此，一多波段(multi-channel)光束(也就是，一具有一λ1』、一λ2』、一λ3』、一λ4』的光束)自設置於該起始側901的傳輸單元90的輸入光纖911沿著其軸向Y』於其第一折射率漸變透鏡92行進，並透過介於該起始側901與該終止側902之間的傳輸單元90的濾波片93、輸入光纖911及輸出光纖912，依序地被傳遞至設置於該終止側902的傳輸單元90，進而將該多波段光束分別過濾成複數不同波長範圍的單波段光束(也就是，該傳輸單元90分別輸出只具有該λ1』、λ2』、λ3』及λ4』的單波段光束)，並分別沿著其所對應的軸向Y』自所述單光纖導管95被傳離所述傳輸單元90以形成一分光作用，其中，該λ4』是由設置於該終止側902的傳輸單元90的輸出光纖912被傳遞出去。
此種由複數傳輸單元90所構成的波長分割多工器9具有下列幾項缺點，其原因說明如下。
一、由於每一相鄰的輸入光纖911及輸出光纖912需予以相互融接，然而，兩條光纖在本質因素、外在因素及系統因素不易控制的情況下，容易增加該波長分割多工器9的插入損耗(insertion loss)並影響最終的輸出功率。
二、融接每一相鄰的輸入光纖911及輸出光纖912，也使得該波長分割多工器9因相互盤繞的光纖而導致相鄰的傳輸單元90沿著該Y方向遠遠地相間隔開，所以整體體積無法小型化。
三、所述濾波片93是分別藉由不同的幹涉鍍膜設計以達到分光作用，因此在製作所述濾波片93上不但是相當耗時，且於後續組裝過程中也不易藉由肉眼辨識所述濾波片93之間的差異性，所以組裝無法單純化。
參閱圖2、圖3及圖4，美國5,859,717號發明專利揭露一種具有精密光學塊(precision optical block)的多工器1，包含一殼體11、一光學塊12、一輸入單元14、四輸出單元15、一終端輸出單元16及複數濾波元件17。
該殼體11具有一上殼部111及一相反於該上殼部111的下殼部112，並由該上殼部111及下殼部112相配合界定出一容室110。
該光學塊12設置於該容室110內並位於該下殼部112上，且具有一第一表面121、一相反於該第一表面121的第二表面122，及一連通該第一及第二表面121、122的光學狹縫(optical slot)120。
該輸入單元14沿一軸線X具有一由GRIN lens(圖未示)及一輸入光纖142所構成的光學準直器(collimator)141，其中，該輸入單元14是面向該光學塊12的第一表面121。
所述輸出單元15是分別相間隔設置於該光學塊12兩側，每一輸出單元15沿一軸線X』具有一由GRIN lens(圖未示)及一單模(single mode)的輸出光纖152所構成的光學準直器151。
該終端輸出單元16沿一軸線X」具有一由輸出光纖162所構成的光學準直器161，其中，該終端輸出單元16是面向該光學塊12的第二表面122。
該輸入單元14及每一輸出單元15、16是分別利用環氧樹脂(epoxy)固設於兩線狀支撐件13上，並借所述線狀支撐件13與該下殼部112相間隔開。
所述濾波元件17是分別地以面對面且彼此平行的粘貼方式設置於該光學塊12的第一表面121及第二表面122，並分別與一特定輸出單元15相對應，致使所述濾波元件17分別被夾置於其所對應的輸出單元15及該光學塊12之間。所述濾波元件17是分別藉由彼此不同的一幹涉鍍膜，以對不同的一特定波長範圍的單波段光束呈現一穿透性並對其餘波段呈現一反射性。
藉此，一多波段光束可自該輸入單元14沿著該光學準直器141的一光軸(opticalaxis；也就是，該軸線X)行進，並借所述濾波元件17呈一Z字形路徑於該光學狹縫120內依序地被傳遞至所述輸出單元15、16，進而將該多波段光束分別過濾成不同波段的單波段光束，並分別沿著所述輸出單元15、16的軸線X』、X」被傳離所述輸出單元15、16以形成一分光作用。
該具有精密光學塊的多工器1是使該輸入單元14的一端面與該光學塊12的第一及第二表面121、122夾一7°的夾角(由幾何關係也可推得，每一濾波元件17的一法線與每一軸線X』的夾角為7°)，並採用穿透模式的設計以構成Z字形的傳輸路徑。此種設計雖然可大幅地降低該多工器1的每兩相鄰的輸出單元15的間距，藉以改善該波長分割多工器9無法達到體積小型化的缺失，然而，卻仍然無法改善前述波長分割多工器9的第三個缺點。
再者，前述每一濾波元件17隻能穿透一特定波長範圍的光束(如1532.52nm±0.11nm)，當該多工器1處於一較大的操作溫度範圍時，將因熱脹冷縮而改變前述濾波元件17的法線與其所對應的輸出單元15的軸線X』間的夾角，並致使前述濾波元件17可穿透的波段產生位移。然而，由於DWDM的波段位移容許量要求相當嚴格，一旦濾波元件因熱脹冷縮而導致過大的波段位移時，此濾波元件就無法使用。例如當濾波元件只對1532.52nm±0.11nm的波長範圍具有穿透性，然而，卻因熱脹冷縮而導致±0.3nm的波段位移時，則此濾波元件就無法使用。因此，該多工器1的溫度依賴損耗(temperature dependence loss，簡稱TDL)高，相對地，輸出功率低，且每一濾波元件17與其所對應的輸出單元15的軸線X』間的夾角公差容許量低(也就是，濾波元件於使用上的波段位移容許量低)。
由上所述，如何使得波長分割多工器體積小型化，同時解決由溫度依賴損耗及插入損耗等因素所構成的低輸出功率等問題，且使得濾波元件的製作及組裝單純化並增加濾波元件於使用上的波長位移容許量，是開發波長分割多工器相關領域所需克服的一大難題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種小型化高密度波長分割多工器，並且是一種體積小型化、溫度依賴損耗低、插入損耗小、輸出功率高、濾波元件的製作及組裝單純化，且濾波元件於使用上的波長位移容許量高的小型化高密度波長分割多工器。
本發明小型化高密度波長分割多工器，包含一界定出一容室的容裝件、一輸入單元、N個濾波元件及N個輸出單元。
該輸入單元設置於該容裝件內，且沿一輸入軸線具有一外管、一設置於該外管內的準直透鏡、一設置於該外管內並鄰設於該準直透鏡的套管及一設置於該套管內的光纖。該光纖具有一連接於該套管的第一端部及一穿出該容裝件的第二端部。
所述濾波元件設置於該容裝件內且依序沿一Z字形光反射路徑設置。每一濾波元件具有一周面及一連接該周面的入射面，其中，第一個濾波元件的入射面是朝向該輸入單元的準直透鏡，其餘濾波元件的入射面是分別朝向前一個濾波元件的方向設置，且所述濾波元件的入射面分別與一第一方向夾一彼此互不相同的預定夾角。所述彼此互不相同的預定夾角是沿該Z字形光反射路徑呈一遞增或一遞減的變化，致使每一濾波元件對一特定單波段光束呈現一穿透性，且對其餘波段光束呈現一反射性。藉此，一多波段光束可於該輸入單元的光纖中行進，依序地行經所述濾波元件並定義出N個光軸，進而將該多波段光束分別過濾成複數不同的特定單波段光束。
所述輸出單元設置於該容裝件內，且依序對應所述濾波元件並分別設置於所述濾波元件外側。每一輸出單元具有一外管、一設置於該外管內的準直透鏡、一設置於該外管內並鄰設於該準直透鏡的套管及一設置於該套管內的光纖。每一輸出單元的光纖具有一連接於該套管的第一端部及一穿出該容裝件的第二端部，其中，第一個輸出單元的輸出軸線與該輸入軸線呈平行設置，其餘的輸出單元的輸出軸線是分別與其所對應的光軸平行設置。
本發明小型化高密度波長分割多工器的功效在於具有體積小、溫度依賴損耗低、插入損耗小、輸出功率高、濾波元件的製作及組裝單純化，與濾波元件於使用上的波長位移容許量高等特點。
下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明圖1是一示意圖，說明現有一種波長分割多工器。
圖2是一立體剖視示意圖，說明現有一種具有精密光學塊的多工器。
圖3是該圖2的一正視局部剖面示意圖。
圖4是該圖2的一俯視局部剖面示意圖。
圖5是一俯視局部剖面示意圖，說明本發明小型化高密度波長分割多工器的一較佳實施例。
圖6是一沿該圖5中的直線6-6所取的一剖視示意圖，說明該較佳實施例的複數外管、複數濾波元件與一第一平臺、一第二平臺之間的連接關係。
圖7是一俯視示意圖，說明該較佳實施例的複數濾波元件以遞增夾角的關係設置於該第二平臺上。
具體實施例方式
參閱圖5與圖6，本發明小型化高密度波長分割多工器的一較佳實施例，包含一界定出一容室20的容裝件2、一輸入單元3、N個濾波元件4及N個輸出單元5、6，在該較佳實施例中，N是採用8。
該容裝件2具有沿一第一方向y相反設置的一第一側部21及一第二側部22，並具有分別連接該第一及第二側部21、22的一第三側部23及一第四側部24。該容裝件2實質上是由一第一殼體25及一第二殼體26組接而成。該容裝件2更具有一介於該容裝件2的第一及第二側部21、22之間的第一設置區27』、一介於該第一設置區27』與該容裝件2的第二側部22之間的第二設置區27」，及一內設於該第一及第二設置區27』、27」的第三設置區28』。
該第一及第二設置區27』、27」實質上是由一具有一平坦面271並設置於該第一殼體25上的第一平臺27所構成，借該平坦面271界定出該第一及第二設置區27』、27」，且該第三設置區28』是設置於該第一平臺27的平坦面271上。該第三設置區28』實質上是由一第二平臺28所構成。該第二平臺28具有一與該第一平臺27的平坦面271平行設置的平坦面281。該第三設置區28』具有分別與該容裝件2的第一及第二側部21、22相對應的一第一側部281』及一第二側部281」。在該較佳實施例中，該第一及第二平臺27、28是由玻璃所製成，並利用研磨及精密拋光以構成所述平坦面271、281。
該輸入單元3設置於該容裝件2的第二設置區27」且鄰近該容裝件2的第三側部23，並沿一輸入軸線L具有一外管31、一設置於該外管31內的準直透鏡32、一設置於該外管31內並鄰設於該準直透鏡32的套管33及一設置於該套管33內的光纖34。該輸入單元3的光纖34具有一連接於該套管33的第一端部341及一設置於該容裝件2的第二側部22的第二端部342。
參閱圖5及圖7，所述濾波元件4依序由該容裝件2的第三側部23向該容裝件2的第四側部24沿一Z字形光反射路徑設置。每一奇數及偶數濾波元件4是分別設置於該第三設置區28』的第一側部281』及第二側部281」。該輸入單元3相對每一濾波元件4靠近該容裝件2的第三側部23。每一濾波元件4具有一周面41及一連接該周面41的入射面42，其中，每一奇數及偶數濾波元件4的入射面42是分別朝向該第三設置區28』的第二側部281」及第一側部281』設置，且所述濾波元件4的入射面42分別與該第一方向y夾一彼此互不相同的預定夾角α1、α2、α3、α4、α5、α6、α7、α8。在該較佳實施例中，每一濾波元件4的周面41是局部地膠合於該第二平臺28的平坦面281上。
所述彼此互不相同的預定夾角α1～α8是沿該Z字形光反射路徑呈一遞增或一遞減的變化，致使每一濾波元件對一特定單波段光束呈現一穿透性，且對其餘波段光束呈現一反射性。藉此，一多波段光束(λ0)可於該輸入單元3的光纖34中行進，依序地行經所述濾波元件4並定義出N個光軸，進而將該多波段光束分別過濾成複數不同的特定單波段光束(也就是，圖5中所示的λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8)。在該較佳實施例中，所述彼此互不相同的預定夾角α1～α8是沿該Z字形光反射路徑呈一遞增的變化。基於入射角等於反射角的光學原理，上述濾波元件4遞增角度的配置將使該Z字形光反射路徑有別於現有的Z字形光反射路徑，如圖5所示，各個光軸與所述入射面42法線的夾角θ0、θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、θ7也呈現遞增關係。
值得一提的是，在該較佳實施例中，是以相同幹涉鍍膜條件的光學設計製作所述濾波元件4，致使所述濾波元件4在一相同的入射夾角條件下分別對一相同的特定單波段光束呈現一穿透性。因此，本發明利用所述彼此互不相同的預定夾角a1～a8沿該Z字形光反射路徑呈一遞增的變化的特性，致使所述濾波元件4產生一不同的波段位移，進而對不同的特定單波段光束呈現一穿透性，且對其餘波段光束呈現一反射性，並藉此達成一初步的分光作用。
所述輸出單元5、6依序對應所述濾波元件4設置。每一奇數及偶數輸出單元5、6是分別沿一輸出軸線L』設置於該容裝件2的第一及第二設置區27』、27」。
每一奇數輸出單元5具有一外管51、一設置於該外管51內的準直透鏡52、一設置於該外管51內並鄰設於該準直透鏡52的套管53，及一設置於該套管53內的光纖54。每一奇數輸出單元5的光纖54具有一連接於該套管53的第一端部541，及一設置於該容裝件2的第一側部21的第二端部542。
每一偶數輸出單元6具有一外管61、一設置於該外管61內的準直透鏡62、一設置於該外管61內並鄰設於該準直透鏡62的套管63，及一設置於該套管63內的光纖64。每一偶數輸出單元6的光纖64具有一連接於該套管63的第一端部641，及一設置於該容裝件2的第二側部22的第二端部642。
其中，第一個輸出單元5(也就是，位於圖5中最左側的奇數輸出單元5)的輸出軸線L』與該輸入軸線L呈平行設置，其餘的輸出單元5、6的輸出軸線L』是分別與其所對應的光軸平行設置。在該較佳實施例中，每一外管31、51、61是由玻璃所製成，該輸入單元3及每一輸出單元5、6是分別膠合於該第一平臺27的平坦面271上。
藉此，該多波段光束(l0)可於該輸入單元3的光纖34中行進，依序地行經所述濾波元件4以形成所述光軸，進而將該多波段光束分別過濾成所述不同的特定單波段光束(也就是λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8)，致使所述不同的特定單波段光束分別沿其所對應的輸出軸線L』，被其所對應的輸出單元5、6的光纖54、64傳遞離開所述輸出單元5、6，並構成一完整的分光作用。
於本發明中，所述準直透鏡32、52、62是分別使用一折射率漸變透鏡以提供準直光束，因此也可藉由C型透鏡(C-lens)取代。
本發明小型化高密度波長分割多工器具有下列幾項特點，其原因說明於下。
一、由於不需融接光纖，因此，插入損耗的問題小，相對地，最終的輸出功率較高。
二、保留該現有具有精密光學塊的多工器1的穿透模式的幾何關係。雖然於本發明中，所述夾角呈一遞增的變化關係將致使該容裝件2的第三及第四側部23、24之間的長度增加，但是由三角函數推得，當該容裝件2的第一及第二側部21、22之間的長度固定時，微量的角度遞增只些微地增加該容裝件2的第三及第四側部23、24之間的長度。因此，也保有整體體積小型化的特點。
三、在本發明中，每一濾波元件4所採用的幹涉鍍膜的光學設計規格一致，使所述濾波元件4的製程簡易，最終，也使得後續組裝過程單純化。
四、藉由該第一及第二平臺27、28的平坦面271、281與所述濾波元件4、所述外管31、51、61之間的粘結關係，可使得膠合所述濾波元件4及所述外管31、51、61的熱固膠於熱漲冷縮時，只沿著垂直於該光反射路徑的方向(也就是，垂直於所述平坦面271、281的方向)產生微量的位移，不易構成反射光路徑角度的變化，因此，溫度依賴損耗低且插入損耗小。
五、在粘合所述濾波元件4於該第二平臺28的平坦面281上時，可分別依所需改變的預定夾角予以調整，因此，於使用上的波長位移容許量高。
歸納上述，本發明小型化高密度波長分割多工器具有體積小型化、溫度依賴損耗低、插入損耗小、輸出功率高、濾波元件的製作組裝單純化，及濾波元件於使用上的波長位移容許量高等特點，所以確實能達到本發明的目的。
權利要求
1.一種小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於其包含一界定出一容室的容裝件；一設置於該容裝件內的輸入單元，沿一輸入軸線具有一外管、一設置於該外管內的準直透鏡、一設置於該外管內並鄰設於該準直透鏡的套管及一設置於該套管內的光纖，該光纖具有一連接於該套管的第一端部及一穿出該容裝件的第二端部；N個設置於該容裝件內且依序沿一Z字形光反射路徑設置的濾波元件，每一濾波元件具有一周面及一連接該周面的入射面，其中，第一個濾波元件的入射面是朝向該輸入單元的準直透鏡，其餘濾波元件的入射面是分別朝向前一個濾波元件的方向設置，且所述濾波元件的入射面分別與一第一方向夾一彼此互不相同的預定夾角，所述彼此互不相同的預定夾角是沿該Z字形光反射路徑呈一遞增或一遞減的變化，致使每一濾波元件對—特定單波段光束呈現一穿透性，且對其餘波段光束呈現一反射性，藉此，一多波段光束可於該輸入單元的光纖中行進，依序地行經所述濾波元件並定義出N個光軸，進而將該多波段光束分別過濾成複數不同的特定單波段光束；及N個設置於該容裝件內的輸出單元，依序對應所述濾波元件並分別設置於所述濾波元件外側，每一輸出單元具有一外管、一設置於該外管內的準直透鏡、一設置於該外管內並鄰設於該準直透鏡的套管及一設置於該套管內的光纖，每一輸出單元的光纖具有一連接於該套管的第一端部及一穿出該容裝件的第二端部，其中，第一個輸出單元的輸出軸線與該輸入軸線呈平行設置，其餘的輸出單元的輸出軸線是分別與其所對應的光軸平行設置。
2.如權利要求1所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於所述濾波元件是採用相同的幹涉鍍膜的光學設計。
3.如權利要求1所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於所述彼此互不相同的預定夾角是沿該Z字形光反射路徑呈一遞增的變化。
4.如權利要求1所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於該容裝件沿該第一方向具有相反設置的一第一側部及一第二側部，並具有分別連接該第一及第二側部的一第三側部及一第四側部，該容裝件更具有一介於該容裝件的第一及第二側部之間的第一設置區、一介於該第一設置區與該容裝件的第二側部之間的第二設置區，及一內設於該第一及第二設置區的第三設置區，該第三設置區具有分別與該容裝件的第一及第二側部相對應的一第一側部及一第二側部。
5.如權利要求4所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於該輸入單元是設置於該容裝件的第二設置區且鄰近該容裝件的第三側部，且該輸入單元的光纖的第二端部是設置於該容裝件的第二側部；所述濾波元件是依序由該容裝件的第三側部向該容裝件的第四側部沿該Z字形光反射路徑設置，每一奇數及偶數濾波元件是分別設置於該第三設置區的第一側部及第二側部，該輸入單元相對每一濾波元件靠近該容裝件的第三側部，且每一奇數及偶數濾波元件的入射面是分別朝向該第三設置區的第二側部及第一側部設置；每一奇數及偶數輸出單元是分別沿該輸出軸線設置於該容裝件的第一及第二設置區，且每一奇數與偶數輸出單元的光纖的第二端部是分別連接於該容裝件的第一側部及第二側部。
6.如權利要求5所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於該容裝件實質上是由一第一殼體及一第二殼體組接而成。
7.如權利要求6所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於該第一及第二設置區實質上是由一具有一平坦面並設置於該第一殼體上的第一平臺所構成，借該平坦面界定出該第一及第二設置區，該第三設置區是設置於該第一平臺的平坦面上。
8.如權利要求7所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於該第三設置區實質上是由一具有一與該第一平臺的平坦面平行設置的平坦面的第二平臺所構成。
9.如權利要求8所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於該第一及第二平臺是由玻璃所製成。
10.如權利要求9所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於每一外管是由玻璃所製成。
11.如權利要求10所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於該輸入單元及每一輸出單元是分別膠合於該第一平臺的平坦面上。
12.如權利要求11所述的小型化高密度波長分割多工器，其特徵在於每一濾波元件的周面是局部地膠合於該第二平臺的平坦面上。
全文摘要
本發明公開了一種小型化高密度波長分割多工器包含一沿第一方向具第一、三及第二設置區的容裝件、一輸入單元、N個具周面及連接周面的入射面的濾波元件及N個輸出單元；輸入單元沿輸入軸線置於第二設置區，且濾波元件依序由輸入單元沿一Z字形路徑置於第三設置區兩側並定義出N個光軸；入射面分別與第一方向夾一沿Z字形路徑呈遞增或遞減變化的不同預定夾角，致使濾波元件對特定單波段光束呈穿透性。輸出單元依序對應濾波元件沿一輸出軸線置於容裝件第一、二設置區。第一輸出軸線平行於輸入軸線，其餘輸出軸線平行於其所對應的光軸。
文檔編號G02B6/12GK1908712SQ20051008903
公開日2007年2月7日 申請日期2005年8月3日 優先權日2005年8月3日
發明者白富成 申請人:亞洲光學股份有限公司