CN1444734A - 具有波长选择性的光学元件 - Google Patents

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安崎利明
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Abstract

一种具有波长选择性的光学元件，它容易制造并降低制造成本。这种光学元件包括具有两个相对端面(22a、22b)的光波导板(22)和在所述光波导板的两个相对端面至少一个上形成的多层薄膜滤光镜(23)。该多层薄膜滤光镜包括交互叠置的高折射率介电层和低折射率介电层，它的厚度按照所述光波导板相关端面的位置而连续变化。从该多层薄膜滤光镜透射的光之中心波长按照光波导板的端面位置而不同。在通过光波导板从各透镜把混合光输入到多层薄膜滤光镜的情况下，由该具有不同厚度的多层薄膜滤光镜把混合光分离成中心波长不同的多种光。

Description

具有波长选择性的光学元件
技术领域
本发明涉及具有波长选择性的光学元件，具体地说，涉及一种光学元件，它多路传送不同波长的光或者逐个波长地分离被多路传送的光。
背景技术
采用光纤和准直透镜的光学元件通常被用作光通信设备的部件。随着今后光通信变得愈见风行，光通信设备部件的小型化和集成化就变得愈益重要。光通信需要通过逐个波长地选择所传送或所反射之光波长而分离光的技术。多层薄膜滤光镜具有多层交互叠置的高折射率介电层和低折射率介电层，比如边缘滤光镜和窄带滤光镜等公知的光学滤光镜。
比如图1所示的光通信设备部件100被公知为普通采用这种光学滤光镜的光通信设备部件。光通信设备部件100把包含具有不同中心波长的十六种波长λ1-λ16之光信号的混合光信号分离成单个的光信号。如图1所示，所述光通信设备部件100包括多个准直透镜L1-L7、L9-L15、L20，多个光学滤光镜(窄带滤光镜)F1-F7、F9、F10-F15以及边缘滤光镜F20。通过光纤把光学信号送到这些元件中间。
首先，利用在透镜L9处形成的光学滤光镜F9，把已被输入到光通信设备部件100的包含波长λ1-λ16之光信号的混合光信号输入到准直透镜L9，再分成透射光信号(波长λ9的光信号)和反射光信号(波长λ1-λ8和波长λ10-λ16的光信号)。利用在透镜L20处形成的光学滤光镜F20，把来自光学滤光镜F9的反射光信号输入到准直透镜L20，再分成传透射信号(波长λ1-λ8的光信号)和反射光信号(波长λ10-λ16的光信号)。
把来自准直透镜L20的透射光信号依序输入到准直透镜L1-L7，并分别从在各个透镜L1-L7处形成的光学滤光镜F1-F7输出波长λ1-λ7的光信号。从准直透镜L7输出波长λ8的光信号或来自光学滤光镜F7的反射光。
同时，把来自准直透镜L20的反射光依序输入到准直透镜L10-L15，并分别从在各个透镜L10-L15形成的光学滤光镜F10-F15输出波长λ10-λ15的光信号。从准直透镜L7输出波长λ16的光信号或来自光学滤光镜F15的反射光。
按照这种方式，从包含波长λ1-λ16之光信号的混合光信号得到逐个波长被分离的波长λ1-λ16的光信号。
上述图1所示的现有技术具有下述问题：
(1)多路传送的混合光信号(波长λ1-λ16)分离成中心波长不同的多个信号需要多个光学元件，比如光学滤光镜F1-F7、F9-F15和F20，以及准直透镜L1-L7、L9和L10-L15，这就会使制造成本增加。特别是关于各个光学滤光镜，需要边缘滤光镜F20，窄带滤光镜F1-F7和F9-F15。必须准备多个窄带滤光镜，它们的中心波长漂移(所选定的波长互不相同)。在准备多个光学滤光镜的过程中，就要花费时间并得付出劳动，因而也增加制作成本。
(2)必须将光学滤光镜F1-F7、F9-F15和F20分别安装到相关准直透镜L1-L7、L9-L15和L20的端面。更有甚者，由于每个准直透镜都比较小，所以安装每个光学滤光镜都是一件非常精巧的工作。因此，安装每个光学滤光镜都很难，工作效率也就很低。于是，就会进一步增加制造成本。
(3)为使各准直透镜的光轴与各光学滤光镜的光轴互相一致，需要很麻烦的光学校准工作。这种校准工作必须由多个光学滤光镜来实现，因而增加了制作的步骤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有波长选择性的光学元件，易于制作并降低成本。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供一种具有波长选择性的光学元件，它包括具有两个相对端面的光波导板；和在所述光波导板的两个相对端面至少一个上形成的多层薄膜滤光镜。该多层薄膜滤光镜包括交互叠置的高折射率介电层和低折射率介电层，它的厚度按照光波导板相关端面的位置而连续变化。
所述多层薄膜滤光镜的厚度最好是从所述光波导板一个端面的第一端向着它的第二端线性地改变。
所述多层薄膜滤光镜最好形成在所述光波导板的两个端面之一上，在另一端面上形成反射薄膜。
所述反射薄膜最好是具有光放大/反射功能的光学薄膜。
所述光波导板最好具有露出的表面，以使输入该光波导板的光倾斜地进入或者使光从该光波导板内部倾斜地出去，而且应该通过去掉所述多层薄膜滤光镜和反射薄膜之一的一部分而形成这种露出的表面。
所述多层薄膜滤光镜最好形成在所述光波导板两个端面上。
所述光波导板最好具有露出的表面，以使输入该光波导板的光倾斜地进入或者使光从该光波导板内部倾斜地出去，而且应该通过去掉所述两个多层薄膜滤光镜之一的一部分而形成这种露出的表面。
所述光波导板最好包括一个倾斜的表面，这个表面形成在第一和第二端部之一上，通过该表面从外部输入倾斜地进入该光波导板的光，或者基本上垂直地通过该光波导板从内部把光倾斜地输出到外面去。
所述光波导板最好包括一个棱镜阵列，该阵列形成在第一和第二端部之一上，通过该阵列从外部输入倾斜地进入该光波导板的光，或者基本上垂直地通过该光波导板从内部把光倾斜地输出到外面去；而且该阵列应该有许多微小的斜面，它们与所述光波导板形成一体或者与所述光波导板分开。
所述光学元件最好还包括多条光纤或者多个毛细管，每个毛细管有一条光纤，它们设在所述多层薄膜滤光镜的外表面上。
所述多条光纤最好构成单独一个光纤阵列。
所述光学元件最好还包括一个透镜阵列，它设置在所述多层薄膜滤光镜的外表面上，具有多个透镜，每个透镜通过具有不同波长之多条光线中的一条，所述多条光线通过所述多层薄膜滤光镜的各个位置。
所述透镜阵列最好是渐变折射率的平面显微透镜，它包括一个基板和至少沿着该基板上的一条线形成的多个显微透镜。
所述透镜阵列的每个透镜的排列方式最好是会聚并输出具有不同波长之多条光线中的一条，所述多条光线通过所述多层薄膜滤光镜的各个位置。
所述多个透镜当中至少一个的布置方式最好是把具有不同波长的混合光变换成平行光，并输出该平行光。
所述光学元件最好还包括光发射器件，它设在所述多层薄膜滤光镜的外表面上，用以关于所述滤光镜输出包含多种具有不同波长的光的混合光。
所述光学元件最好还包括光接收器件，它设在所述多层薄膜滤光镜的外表面上，用以分别检测通过所述滤光镜之具有不同波长的多种光。
所述多层薄膜滤光镜最好通过物理蒸镀沉积而形成在所述光波导板两个相对端面当中的至少一个上。
本发明的第二方面提供一种具有波长选择性的光学元件，它包括具有两个相对端面的光波导板；一个布置在所述光波导板两个端面之一上的透镜阵列，它具有多个透镜；和在所述透镜阵列外表面以及所述光波导板两个端面的另一个当中的至少一个上形成的多层薄膜滤光镜。该多层薄膜滤光镜包括交互叠置的高折射率介电层和低折射率介电层，它的厚度按照光波导板一个端面的位置而连续变化。
本发明的第三方面提供一种具有波长选择性的光学元件，它包括具有两个相对端面的光波导板；布置在所述光波导板两个端面之一上的透镜阵列，它具有多个透镜；反射薄膜，它形成在所述光波导板两个端面的另一个上，用以反射输入到所述光波导板的光，和在所述透镜阵列的外表面上形成的多层薄膜滤光镜。该多层薄膜滤光镜包括交互叠置的高折射率介电层和低折射率介电层，它的厚度按照光波导板的端面位置而连续变化。
所述光波导板和透镜阵列最好具有一对侧端面，而且所述这一对侧端面之一须包括一个倾斜的表面，通过该表面把光输入到所述光波导板或所述透镜阵列中，或者基本上垂直地通过所述光波导板或所述透镜阵列从内部输出光。
所述光波导板和透镜阵列最好具有一对侧端面，而且所述这一对侧端面之一须包括一个棱镜阵列，通过该阵列把光输入到所述光波导板或所述透镜阵列中，或者基本上垂直地通过所述光波导板或所述透镜阵列从内部输出光，而且所述棱镜阵列须有许多微小的斜面，它们与所述光波导板和透镜阵列形成一体或者分开。
所述透镜阵列的多个透镜当中的一些透镜的排列方式最好是会聚并输出在所述反射薄膜处反射的光，而所述透镜阵列的其它透镜中的一些透镜的排列方式最好是把在所述多层薄膜滤光镜处反射的光变换成平行光，并输出该平行光。
所述透镜阵列的多个透镜当中的一些透镜的排列方式最好是会聚并输出在所述多层薄膜滤光镜处反射的光，而所述透镜阵列的其它透镜中的一些透镜的排列方式最好是把在所述反射薄膜处反射的光变换成平行光，并输出该平行光。
附图说明
通过以下参照附图对典型实施例的描述将能更好地理解本发明及其目的和优点，其中：
图1是普通光学元件的示意连接图；
图2是本发明第一实施例光学元件的示意透视图；
图3是图2光学元件一种改型的示意断面图；
图4是图2光学元件另一种改型的示意断面图；
图5是图2光学元件不同改型的示意断面图；
图6是图3光学元件一种展开示例的示意断面图；
图7是本发明第二实施例光学元件的示意断面图；
图8是本发明第三实施例光学元件的示意断面图；
图9是图8光学元件中所用显微透镜的示意透视图；
图10是表示图8光学元件的输入光特性曲线；
图11是表示图8光学元件的多层薄膜滤光镜波长选择特性曲线；
图12是表示由图8光学元件所分离的光分量曲线；
图13是图8光学元件一种改型的示意断面图；
图14是表示图13光学元件的多层薄膜滤光镜波长选择特性曲线；
图15是图8光学元件另一种改型的示意断面图；
图16是表示由图15光学元件所分离的光分量曲线；
图17是表示本发明第四实施例光学元件的示意断面图；
图18A和18B是表示由图17光学元件所分离的光分量曲线；
图19是本发明第五实施例光学元件的示意断面图；
图20是图19光学元件一种改型的示意断面图；
图21是图19光学元件另一种改型的示意断面图；
具体实施方式(实施例1)
图2是一个示意的透视图，它示出本发明第一实施例光学元件21的剖面。如图2所示，光学元件21包括光波导板22，多层薄膜滤光镜23和光学薄膜24。所述多层薄膜滤光镜23由高折射率介电层与低折射率介电层交叠形成在光波导板22的一个纵向端面22a上。
所述光波导板22由比如玻璃或树脂制成，成一透明体，它的折射率比空气的大。光波导板22在图2的薄片上形成类似为沿左右方向延伸之长而窄的平板状。
所述多层薄膜滤光镜23形成于光波导板22之端面22a的整个表面上，形成的方式是使它的厚度按照光波导板22各个位置连续变化。具体地说，所述多层薄膜滤光镜23的厚度从光波导板22的一端(图2中的左手端)T1向着另一端T2线性增大。也就是多层薄膜滤光镜23的厚度从光波导板22的一端T1向着另一端T2增大。因此，多层薄膜滤光镜23越薄，通过多层薄膜滤光镜23每个部分的光的中心波长越短。
多层薄膜滤光镜23被制成为窄带滤光镜或边缘滤光镜，而且第一实施例中的多层薄膜滤光镜23就是窄带滤光镜，它只透过由滤光镜厚度所确定的特定波长。
多层薄膜滤光镜23通过在真空中物理蒸镀沉积直接沉积在光波导板22的一个端面22a上，具有对于光通信部件而言所需的极好耐气候性能。其中的高折射率介电层采用作为光学材料一般所用的比如二氧化钛、氧化钽或氧化鈮等透明氧化物，或者包含它们的混合物。低折射率介电层采用比如通常用作光学材料的二氧化硅等透明氧化物或氟化镁等透明氟化物，以及包含它们的混合物。
多层薄膜滤光镜23通过物理蒸镀沉积，比如真空沉积或者真空溅射直接沉积在所述端面22a上。为了制备具有极好耐气候性能的多层薄膜滤光镜23，采用磁溅射、离子束溅射和加速离子溅射。
光学薄膜24形成在与光波导板22之端面22a面对的端面22b上。光学薄膜24包括比如铝薄膜与二氧化硅的叠层膜，或者铝薄膜、二氧化硅及二氧化钛的叠层膜。光学薄膜24可以是使得拟通过光波导板22接收之反射光增加的薄膜。
第一实施例中切割部分光学薄膜24，使光波导板22具有露出的表面22c。光倾斜地进入光波导板22，或者经所述露出的表面22c而从光波导板22出射。输入的光是平行光，从另一光通信部件经准直透镜或光纤而加给该露出的表面22c。
以下叙述光学元件21的作用。
使包含不同波长(如波长组分λ1-λ6)的混合光从露出的表面22c关于端面22a被倾斜地输入到光波导板22。然后该混合光在光波导板22中从多层薄膜滤光镜23较薄一侧向着较厚一侧传送(通过)，同时在两个端面22a和22b之间来回反射。相应地，输入到多层薄膜滤光镜23中的混合光的位置向着较厚一侧移动一个根据混合光入射的角度所给定的量。这就造成该混合光被多层薄膜滤光镜23分离成不同波长的多种光。
具体地说，混合光先被输入到多层薄膜滤光镜23所处的位置(图1中最左面的第一位置)。然后，只有由多层薄膜滤光镜23在该第一位置厚度确定的中心波长(传输波长λ1)的光分量通过该多层薄膜滤光镜23，而其它中心波长的光分量在该多层薄膜滤光镜23处受到反射。从而，只有中心波长λ1的光分量受到分离。
接下去在所述第一位置反射的混合光(λ2-λ6)在光学薄膜24处的端面22b受到反射，再次被输入到该多层薄膜滤光镜23中。其间，混合光的输入位置(第二位置)根据该混合光入射的角度从第一位置向着多层薄膜滤光镜23较厚一侧移动一段距离(漂移量)。于是，混合光在比第一位置厚的第二位置被输入到多层薄膜滤光镜23。因此，只有由该第二位置的厚度所确定的中心波长(传输波长λ2，λ2＞λ1)光分量通过该多层薄膜滤光镜23，其它光分量(λ3-λ6)在多层薄膜滤光镜23受到反射。于是，只有中心波长λ2的光分量受到分离。
此后，包含被分离后其余各波长组分之混合光的输入位置以类似的方式关于多层薄膜滤光镜23向着长波长侧移动一个漂移量，由每个输入位置处厚度确定之中心波长的光分量(传送波长λ3、λ4、λ5和λ6)依序(依上升的序号)被多层薄膜滤光镜23分离。
按照这种方式，包含不同波长光的混合光被多层薄膜滤光镜23分离成中心波长不同的光分量(λ1-λ6的光分量)。
所述第一实施例的光学元件21具有如下的优点。
分离混合光的多层薄膜滤光镜23以其厚度变化的方式形成于光波导板22的一个端面22a的整个纵向表面上。这就省去为分离混合光所需的多个光学元件。特别是，多种不同类型滤光镜就变得不必要。因此，减少了光学元件21的部件数目，而形成多层薄膜滤光镜23是容易的。于是，使光学元件21的工作步骤数目得以减少，也使制作成本得以被降低。
可将第一实施例的光学元件21被改型而制成有如图3至6所示的那样。
如图3所示，可以割去光学元件21A的部分多层薄膜滤光镜23(较薄一侧的端部)，形成光波导板22的露出表面22d。
如图4所示，可在光学元件21B之光波导板22的第一端部T1处形成倾斜的表面22e。形成倾斜表面22e的方式是输入光从外面倾斜地输入到光波导板22，或者从光波导板22的内部倾斜地出射的输出光基本上垂直地穿过它。
在这种情况下，可从光波导板22的侧向将混合光倾斜地输入到光波导板22中，或者从光波导板22内部倾斜地输出到外面，减小因让混合光在倾斜表面22e处近似垂直地输入或者从倾斜表面22e输出的光损耗。
如图5所示，棱镜阵列25具有多个微小的倾斜表面，它形成于光学元件21C之光波导板22的第一端T1上。每个微小倾斜表面形成的方式是，使从外面倾斜地输入到光波导板22中的光或从光波导板22内部倾斜地输出的光近似垂直地通过它们。可与光波导板22一体地形成这种棱镜阵列25，或者与该光波导板22分离。
在这种情况下，可通过该棱镜阵列25将混合光倾斜地输入到光波导板22中，或通过该棱镜阵列25从光学元件22C的侧向从光波导板22内部输出到外面，而不必加大光学元件22C本身。
如图6所示，如果需要，可延伸光学元件21D的通道数目。图6表示12通道光信号的情况(作为混合光的多路传输光信号包括波长组分λ1-λ12)，它的信息量是6通道光信号(作为混合光的多路传输光信号包括波长组分λ1-λ6)的信息量的2倍。
在这种情况下，第二光学元件21A′的左手端与图3所示的第一光学元件21A的右手端相连。在第一光学元件21A中，包含不同波长(波长组分λ1-λ12)之多种光的混合光(多路传输光信号)关于光波导板22被倾斜地输入，输入的方式是，使混合光被输入到多层薄膜滤光镜23的各个位置a1-a6。在第二光学元件21A′中，混合光关于光波导板22被倾斜输入的方式是，使混合光被输入到多层薄膜滤光镜23的各个位置a1′-a6′。这里的各个位置a1′-a6′是从多层薄膜滤光镜23的各个位置a1-a6向着多层薄膜滤光镜23的较厚一侧移动一定的量。
采用这种结构，第一光学元件21A中的混合光被多层薄膜滤光镜23分离成不同中心波长的多个光分量(光分量λ1、λ3、λ5、...、λ11)。第二光学元件21A′中的混合光被多层薄膜滤光镜23分离成不同中心波长的多个光分量(光分量λ2、λ4、λ6、...、λ12)。这里的波长λ2、λ4、λ6...λ12分别比λ1、λ3、λ5...λ11长(λ2＞λ1、λ4＞λ3、...、λ12＞λ11)。全部波长之间的关系是λ1＜λ2＜λ3＜λ4、...、λ11＜λ12。
按照这种方式，采用同样结构的光学元件21A容易形成12通道的光信号(如包含波长组分λ1-λ12的多路传输光信号)。(第二实施例)
图7是本发明第二实施例光学元件31的示意断面图。光学元件31包括形成于光波导板22之端面22a上的多层薄膜滤光镜23A和形成于光波导板22之端面22b上的多层薄膜滤光镜23B。
部分多层薄膜滤光镜23B(较薄一侧的端部)被切掉，在光波导板22上形成露出表面22f。通过光波导板22的这个露出表面22f，光关于光波导板22倾斜地被输入，并从内部被输出到外面。
虽然可将多层薄膜滤光镜23A和23B二者形成为窄带滤光镜或边缘滤光镜，但在第二实施例中，是将二者形成为窄带滤光镜。在第二实施例中，在平行光情况下，通过所述露出的表面22f，把包含不同波长(如波长组分λ1-λ12)之多种光的混合光输入到光波导板22。
以下将叙述光学元件31的作用。
由于作为混合光的输入光在光波导板22的内部传输，同时在两个多层薄膜滤光镜23A和23B的每一个的内表面之间来回反射，输入光进入一个多层薄膜滤光镜23A每个部分的各个位置(b1、b3、...、b11)以及输入光进入另一个多层薄膜滤光镜23B每个部分的各个位置(b2、b4、...、b12)从一个移向另一个。这里的位置b2、b4、...、b12是从位置b1、b3、...、b11向多层薄膜滤光镜23的较厚一侧移动一定的量。
因此，通过多层薄膜滤光镜23A各个位置所得到光分量中每个的中心波长(波长λ1、λ3、λ5、...、λ11)不同于通过多层薄膜滤光镜23B各个位置所得到光分量中每个的中心波长(波长λ2、λ4、λ6、...、λ12)。
包含具有中心波长λ1-λ12的混合光(具有信息量为2n的光信号)被一个多层薄膜滤光镜23分离成具有中心波长λ1、λ3、λ5、...、λ11的光，还被另一个多层薄膜滤光镜23分离成具有中心波长λ2、λ4、λ6、...、λ12的光。
第二实施例光学元件32具有如下优点。
关于光波导板22的两个端面22a和22b分别形成多层薄膜滤光镜23A、B。因此，与在光波导板22的一个端面22a处的多层薄膜滤光镜23情况相比，能够得到具有双倍信息量的光分量，而无需改变光学元件31自身的尺寸。(第三实施例)
图8是本发明第四实施例光学元件41示意断面图。光学元件41包括附加到图3之光学元件21A结构上的透镜阵列26和光纤阵列27。
设置透镜阵列26(在多层薄膜滤光镜23的一侧外表面上)的方式是，与多层薄膜滤光镜23的外表面及光波导板22的露出表面22d接触。设置光纤阵列27的方式是，与透镜阵列26的外表面接触。
像图9所示那样，通过在图中双点划线所指示的位置处截割一个大的渐变折射率平面显微透镜而形成所述透镜阵列26，形状为长的平行四边形。透镜阵列26包括六个透镜261-266和与光波导板22的露出表面22d接触的透镜2670。六个透镜261-266是渐变折射率区域，多种不同波长(波长组分λ1-λ6)的光分别通过这个区域，所述不同波长的光已通过多层薄膜滤光镜23的各个位置。
光学元件41还包括光纤28(或内部具有光纤的毛细管)，它的设置方式是，使其与透镜阵列26一端的外表面接触。透镜2670的焦点位置落在透镜阵列26一端的外表面上，光纤28的输出端与该透镜阵列相连。因此，光纤28与透镜阵列26相连，连接的方式是使所述焦点位置与光纤28的输出端重合。于是，使要从光纤28提供的混合光通过透镜2670被转换成平行光，并且被转换成平行光的混合光被输入到光波导板22中。
输入光在光学薄膜24处受到反射，并经多层薄膜滤光镜23作为平行光进入透镜261，由透镜261会聚到透镜阵列26的外表面。
经多层薄膜滤光镜23向着透镜261传送的混合光或平行光在多层薄膜滤光镜23的第一位置受到反射。这之后它在光学薄膜24与多层薄膜滤光镜23之间来回反射，并在光波导板22的内部传输。分别被输入到多层薄膜滤光镜23之第二位置、第三位置...和第六位置的混合光通过透镜262、263、...、266被会聚在透镜阵列26的外表面上。这就是说，在光学薄膜24处被输入到各透镜261-266的混合光的反射位置与透镜261-266的聚焦位置相符。
光纤阵列27包括六条光纤271-276，它们的输入端轴心与透镜261-266的会聚位置(焦点位置)重合。
图10是表示波长分布与经光纤28输入之混合光的强度之间关系的曲线。图11是表示作为窄带滤光镜之多层薄膜滤光镜23的波长选择特性的曲线。图12是在多层薄膜滤光镜23每个位置被分离的各光分量的曲线。
第三实施例光学元件41具有如下之优点。
(1)被多层薄膜滤光镜23分离的不同中心波长(λ1-λ6)各光分量分别从设在光学元件41中的光纤阵列27的光纤271-276被输出。如图12所示，被分离的光分量(λ1-λ6)的强度近似为一致的。
(2)光纤阵列27关于透镜阵列26的位置只需被调节一次。为使要由多层薄膜滤光镜23每个位置分离之不同中心波长的每个光分量会聚位置与光纤271-276的轴心重合，无需对每条光纤实行光学调节。
(3)透镜2670的会聚位置设定在透镜阵列26一端的外表面，光纤28的输出端与该阵列相连。光纤28与透镜阵列26连接的方式使所述会聚位置与光纤28的输出端重合。因此，从光纤28送来的混合光被透镜2670转换成平行光，并将被转换成平行光的混合光输入到光波导板22中。也就是说，光学元件41具有平行光管的功能，用以把输入光转换成平行光。
由于通过滤光镜23每个位置的多种不同波长的光(每种光分量)被透镜261-266会聚在多层薄膜滤光镜23的外表面一侧，所以，光学元件41具有会聚功能。
因此，其间不用准直透镜或会聚透镜，就能够很容易把光学元件41与另一个光通信部件，如光纤连在一起。与此同时，使光学元件被调制成为具有准直功能或会聚功能的光波长选择器件，很容易将其与光学装到一起。于是，就得到具有较高实用性的光学元件。
(4)由多层薄膜滤光镜23分离的多种不同中心波长的光为透镜261-266所会聚并输出。通过按使每种输出光的会聚位置分别与每条光纤输出端的轴心重合的方式形成光纤阵列27，从而能对所述光纤阵列27关于透镜阵列26单独一次光学调节，便于所述阵列的装配。
(5)由于透镜阵列26是渐变折射率平面显微透镜，它具有多个至少沿一条直线形成的显微透镜，所以能够得到具有波长选择性的小型光学元件。
(6)透镜阵列26的透镜261-266的布置方式使平行光输入到多层薄膜滤光镜23的各个部分。因为已在光学薄膜24处受到反射的混合光以同样的入射角被输入到多层薄膜滤光镜23的各个部分，所以多层薄膜滤光镜23的薄膜特性，也就是波长选择特性得到改善。
可将第三实施例的光学元件41改型成图13所示的光学元件41A或图15所示的光学元件41B。
如图13所示，在光学元件41A中，光波导板22的端面22b具有露出的表面22c。多层薄膜滤光镜23是边缘滤光镜，形成在光波导板22的端面22a上。
在光学元件41A中，当把输入的混合光输入到多层薄膜滤光镜23厚度为最薄的位置时，波长等于或短于λ0的混合光通过所述多层薄膜滤光镜23。波长长于λ0的每种混合光在多层薄膜滤光镜23处受到反射，然后在光波导板22内部传送，同时被来回反射。其间，随着去掉λ0的混合光输入多层薄膜滤光镜23的位置，波长等于或短于λ1的混合光通过所述多层薄膜滤光镜23，而且波长长于λ1的每种混合光在多层薄膜滤光镜23处受到反射。此后，重复这个，使混合光被分离成多种波长λ0-λ6的光分量，并且这些光分量分别从光纤阵列27的各光纤271-276输出。在这种情况下，光学元件41A具有如下的优点。
由于多层薄膜滤光镜23形成边缘滤光镜的形式，所以多层薄膜滤光镜23以比窄带滤光镜更少的薄膜而能够得到所需的波长分离功能。这导致更容易制造。
继而，如图15中光学元件41B所看到的那样，可以省去在光波导板22之端面22b上形成的光学薄膜24。在这种情况下，光学元件41B具有下述优点。
在光学元件41B的情况下，经光纤28输入的混合光在光波导板22内传送(传输)，同时，在光波导板22内的端面22b与多层薄膜滤光镜23之间来回反射。这中间，在端面22b上没有光学薄膜24，以致随着混合光在光波导板22内从多层薄膜滤光镜23较薄的一侧向着较厚的一侧的传送，混合光的强度逐渐减小。如图16所示，波长越长，被多层薄膜滤光镜23分离的每种光分量(λ1-λ6)的强度变得越小。在光学元件41B中，强度的减小被设定在可允许的范围内。因此，光学薄膜24就变得不必要了，因而将减少了光学元件41B的制造成本。(第四实施例)
图17是本发明第四实施例光学元件51的示意断面图。光学元件51包括多层薄膜滤光镜23B、透镜阵列26B和光纤阵列27B，以代替第三实施例光学元件41的光学薄膜24(图8)。光学元件51的其它结构与第三实施例的光学元件41一样。
第四实施例的光学元件51中，与多层薄膜滤光镜23一样，多层薄膜滤光镜23A形成在光波导板22的端面22a上。透镜阵列26A与透镜阵列26一样，设在多层薄膜滤光镜23A的外表面上，而光纤阵列27A与光纤阵列27一样，设在阵列26A的外表面上。不过要说明的是，每个透镜的符号和每条光纤的符号都与图8中的第三实施例光学元件41不同。
多层薄膜滤光镜23B与多层薄膜滤光镜23A一样，形成于光波导板22的端面22b上。透镜阵列26B与透镜阵列26A一样，设在多层薄膜滤光镜23B的外表面上，而光纤阵列27B与光纤阵列27A一样，设在阵列26B的外表面上。
在第四实施例的光学元件51中，混合光输入的多层薄膜滤光镜23A每个部分的位置被设定成从混合光输入的多层薄膜滤光镜23B每个部分的位置向着较厚一侧移动一定的量。因此，通过多层薄膜滤光镜23A各部分并被分开的每个光分量的波长(λ2，λ4，...，λ12)分别长于通过多层薄膜滤光镜23B各部分并被分开的每个光分量的波长(λ1，λ3，...λ11)。每个光分量波长间的关系是λ1＜λ2＜λ3＜λ4，...，λ11＜λ12(见图18A和18B)。
第四实施例光学元件51的优点如下。
输入的混合光在光波导板22内传输，同时在两个多层薄膜滤光镜23A和23B之间来回反射。输入光进入多层薄膜滤光镜23A各个部分的位置和输入光进入多层薄膜滤光镜23B各个部分的位置互相偏移。因此，通过多层薄膜滤光镜23A各个部分可以得到的各个光分量的中心波长(λ2，λ4，...，λ12)与通过多层薄膜滤光镜23B各个部分可以得到的各个光分量的中心波长(λ1，λ3，...，λ11)不同。因此，与第三实施例的光学元件51相比，第四实施例的光学元件51可以得到具有双倍信息量光分量。(第五实施例)
图19是本发明第五实施例光学元件61的示意断面图。在光学元件61中，透镜阵列26C设在光波导板22的端面22a上，并在光波导板22的端面22b上形成光学薄膜24。在透镜阵列26C的外表面上形成多层薄膜滤光镜23。在光波导板22的第一端22T1形成的棱镜阵列25A与棱镜阵列25类似，它覆盖在透镜阵列26C的一个端面和光波导板22的一个侧面上。
在第五实施例光学元件61中，来自另一个光通信部件的混合光通过棱镜阵列25A在平行光的状态下倾斜地输入光学元件61。混合光作为输入光在光波导板22内传输，同时在光学薄膜24与多层薄膜滤光镜23之间来回反射。其间，在光学薄膜24各个部分受到反射的混合光由透镜阵列26C的各个透镜2611、2621、2631、2641、2651和2661会聚在多层薄膜滤光镜23内表面的各个位置，并分别输入到滤光镜23。
同时，在多层薄膜滤光镜23内表面的各个部分受到反射的混合光由透镜阵列26C的各个透镜2612、2622、2633、2642、2652和2662被变换成平行光，而且被变换成平行光的混合光被输入到光学薄膜24。
第五实施例光学元件61的优点如下。
(1)输入到光学元件61的混合光由各个透镜2611、2621、2631、2641、2651和2661会聚在多层薄膜滤光镜23的各个部分，并分别输入到滤光镜23。从多层薄膜滤光镜23的每个部分充分地输入所述被会聚的光分量。于是，在把图15所示的光纤阵列27设置在譬如多层薄膜滤光镜23外表面的情况下，就能准确地和容易地使阵列27的每条光纤的输入端与来自多层薄膜滤光镜23的每种输出光(基本光线)的中心重合。这有助于光纤阵列27附着在透镜阵列26上。
(2)棱镜阵列25A形成于光波导板22的第一端T1，它覆盖在透镜阵列26C的一个端面和光波导板22的一个侧面上。因而能够在很宽的角度范围内调节混合光的输入角或输出角，而无需加大整个光学元件61。
可将第五实施例光学元件61改型成图20所示的光学元件61A或图21所示的光学元件61B。
如图20所示，在光学元件61A中，在光波导板22的第一端T1上形成斜面30，它类似于图4所示斜面22e，盖住透镜阵列26D一个端面的一部分和光波导板22一个端面的一部分。在图19所示透镜阵列26C的12个透镜2611-2662之外，透镜阵列26D还包括一个透镜2671。透镜2671使基本上垂直地输入到斜面30上的混合光(平行光)会聚在光学薄膜24的表面上。
在多层薄膜滤光镜23内表面的各个部分受到反射的混合光由透镜阵列26D的各个透镜2611、2621、...、2662被变换成平行光，而且被变换成平行光的混合光被输入到多层薄膜滤光镜23的各个部分。在多层薄膜滤光镜23各个部分受到反射的混合光由透镜阵列26D的各个透镜2612、2622、...、2662会聚在光学薄膜24内表面的各个部分。光学元件61A具有如下优点。
透镜阵列26D的各个透镜2611、2621、...、2662把在光学薄膜24内表面的各个部分受到反射的混合光变换成平行光被输入到多层薄膜滤光镜23各个部分。因此，在光学薄膜24被反射的混合光按同样的入射角输入到多层薄膜滤光镜23各个部分。于是，使多层薄膜滤光镜23的波长选择特性得到改善。
接下去，在图21所示的光学元件61B中，代替光学元件61的棱镜阵列25A，透镜阵列26E具有被暴露在外面的露出表面32。通过去掉多层薄膜滤光镜23的一端(较薄一侧的端部)形成所述露出的表面32。
在光学元件61B中，含有相同各种光分量的混合光A和B以同样的输入角度从露出表面32的不同输入位置被输入到光学元件61B中。其中，与混合光B相比，在离多层薄膜滤光镜23的端部(较薄一侧的端部)较远的位置输入混合光A。相应地，在光学薄膜24内表面的各部分受到反射之后，混合光A被输入到多层薄膜滤光镜23各部分的位置分别会从在光学薄膜24内表面的各部分受到反射之后，混合光B被输入到多层薄膜滤光镜23各部分的位置向着多层薄膜滤光镜23较薄的一侧偏移。
因此，由多层薄膜滤光镜23从混合光A分离的各光分量λ1、λ3、...、λ11的波长比由多层薄膜滤光镜23从混合光B分离的各光分量λ2、λ4、...、λ12的波长短。各光分量波长之间的关系是λ1＜λ2＜λ3＜λ4、...、λ11＜λ12。光学元件61B具有以下优点。
通过在透镜阵列26E上形成露出表面32，与图19的光学元件61和图20的光学元件61A相比，使得可由多层薄膜滤光镜23分离的各光分量数目能够成双倍。于是，使光信号的信息量增加，而不使光学元件61B增大。
那些熟悉本领域的人员应能理解，可按其它多种可供选择的方式改型本发明，而不致脱离本发明的精髓和范围。
在图2所示的第一实施例光学元件21，图3至6所示的光学元件21A、21B、21C和21D，图7所示的第二实施例光学元件31，图1 9所示的第五实施例光学元件61以及图20和21所示的光学元件61A和61B中，均可设置多条光纤或者多个毛细管，它们与多层薄膜滤光镜23的外表面接触。每个毛细管里都有光纤。这种结构能使由多层薄膜滤光镜23所分离的中心波长不同之光分量各自输出至每条光纤或每个毛细管中的光纤。
代替设在多层薄膜滤光镜23外表面上的多条光纤或多个毛细管，可在多层薄膜滤光镜23外表面上设置单独一个光纤阵列，它包含多条光纤。在这种情况下，一次就可充分调节光纤阵列装附于光学元件21上的位置，而无需由多个光分量去单个地进行光学调节，以使不同中心波长之各个光分量的输出位置与每条光纤的光轴一致。这就明显地减少了调节工作的劳动量。
在图2所示的第一实施例光学元件21，图3至6所示的光学元件21A、21B、21C和21D，图7所示的第二实施例光学元件31，图19所示的第五实施例光学元件61以及图20和21所示的光学元件61A和61B中，可以设置一个激光二极管阵列(发光装置)，使与多层薄膜滤光镜23外表面接触。该激光二极管阵列包含多个激光二极管。
譬如，所述激光二极管包含n个激光二极管，其中每一个都发射相同的波长范围(比如包含λ1-λn波长范围)的激光束。在这种情况下，通过由比如控制电路单个地控制每个激光二极管的通/断，而随着这种通/断可以分离包含各种光分量的不同种类混合光，也即具有2n信息量的混合光。
在图2所示的第一实施例光学元件21，图3至6所示的光学元件21A、21B、21C和21D，图7所示的第二实施例光学元件31，图19所示的第五实施例光学元件61以及图20和21所示的光学元件61A和61B中，可设置一个光电探测器阵列(光接收装置)，它与多层薄膜滤光镜23外表面接触。该光电探测器阵列包含多个光电探测器。
在这种情况下，给出所述光电探测器的数目为n，由与各中心波长对应的各光电探测器分别检测由多层薄膜滤光镜23分离的不同中心波长λ1-λ6的光分量。于是，所述光电探测器阵列可将具有2n信息量的光信号转换成具有2n信息量的电信号。
在图19所示的第五实施例光学元件61以及图20和21所示的光学元件61A和61B中，也可在光波导板22的端面22b上设置一个与透镜阵列26C类似的透镜阵列，以替代所述光学薄膜24，并可在该透镜阵列的外表面上形成多层薄膜滤光镜。

Claims (32)

1.一种具有波长选择特性的光学元件，它包括：
具有两个相对端面(22a、22b)的光波导板(22)；和
在所述光波导板的两个相对端面至少一个上形成的多层薄膜滤光镜(23)，该多层薄膜滤光镜包括交互叠置的高折射率介电层和低折射率介电层，它的厚度按照所述光波导板相关端面的位置而连续变化。
2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，所述多层薄膜滤光镜的厚度从所述光波导板的一个端面(22a)的第一端(T1)向着它的第二端(T2)线性地改变。
3.如权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，所述多层薄膜滤光镜形成在所述光波导板的两个端面之一(22a)上，在另一端面(22b)上形成反射薄膜(24)。
4.如权利要求3所述的光学元件，其特征在于，所述反射薄膜是具有光放大/反射功能的光学薄膜。
5.如权利要求3或4所述的光学元件，其特征在于，所述光波导板具有露出的表面(22c、22d)，使输入该光波导板的光倾斜地进入或者使光从该光波导板内部倾斜地出射，而且
通过去掉所述多层薄膜滤光镜和反射薄膜之一的一部分而形成所述露出的表面。
6.如权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，所述多层薄膜滤光镜(23A、23B)形成在所述光波导板两个端面上。
7.如权利要求6所述的光学元件，其特征在于，所述光波导板具有露出的表面(22f)，使输入该光波导板的光倾斜地进入或者使光从该光波导板内部倾斜地输出到外面去，而且
通过去掉所述两个多层薄膜滤光镜之一的一部分形成所述露出的表面。
8.如权利要求1至4和6中任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光波导板包括一个倾斜的表面(22e)，这个表面形成在第一和第二端部之一上，通过该表面从外部输入倾斜地进入该光波导板的光，或者基本上垂直地通过该光波导板从内部把光倾斜地输出到外面去。
9.如权利要求1至4和6中任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光波导板包括一个棱镜阵列(25)，该阵列形成在第一和第二端部之一上，通过该阵列从外部输入倾斜地进入该光波导板的光，或者基本上垂直地通过该光波导板从内部把光倾斜地输出到外面去；而且
所述棱镜阵列有许多微小的斜面，它们与所述光波导板形成一体或者与所述光波导板分开。
10.如权利要求1至9任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件还包括多条光纤或者多个毛细管，每个毛细管有一条光纤，它们设在所述多层薄膜滤光镜的外表面上。
11.如权利要求10所述的光学元件，其特征在于，所述多条光纤构成单独一个光纤阵列。
12.如权利要求1至9任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件还包括一个透镜阵列(26)，它具有多个透镜，每个透镜通过具有不同波长之多种光中的之一，所述多种光通过所述多层薄膜滤光镜的各个位置。
13.如权利要求12所述的光学元件，其特征在于，所述透镜阵列是渐变折射率的平面显微透镜(26)，它包括一个基板和至少沿着该基板上的一条线形成的多个显微透镜。
14.如权利要求12或13所述的光学元件，其特征在于，所述透镜阵列的每个透镜的排列方式是会聚并输出具有不同波长之多种光中之一，所述多种光通过所述多层薄膜滤光镜的各个位置。
15.如权利要求12或13所述的光学元件，其特征在于，所述多个透镜当中至少一个(2070)的布置方式是把具有不同波长的混合光变换成平行光并输出该平行光。
16.如权利要求12至15任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件还包括多条光纤或者多个毛细管，每个毛细管有一条光纤，它们设在所述透镜阵列的外表面上。
17.如权利要求16所述的光学元件，其特征在于，所述多条光纤构成单独一个光纤阵列(27)。
18.如权利要求1至9任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件还包括光发射器件，设在所述多层薄膜滤光镜的外表面上，用以关于所述滤光镜输出包含多种不同波长的光的混合光。
19.如权利要求1至9任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件还包括光接收器件，设在所述多层薄膜滤光镜的外表面上，用以分别检测通过所述滤光镜之具有不同波长的多种光。
20.如权利要求1至19任一项所述的光学元件，其特征在于，所述多层薄膜滤光镜通过物理蒸镀沉积形成在所述光波导板两个相对端面当中的至少一个上。
21.一种具有波长选择特性的光学元件，它包括：
具有两个相对端面(22a、22b)的光波导板(22)；
一个布置在所述光波导板两个端面之一(22a)上的透镜阵列(26C)，它具有多个透镜；和
在所述透镜阵列外表面以及所述光波导板两个端面的另一个(22b)当中的至少一个上形成的多层薄膜滤光镜(23)；该多层薄膜滤光镜包括交互叠置的高折射率介电层和低折射率介电层，它的厚度按照光波导板一个端面的位置而连续变化。
22.一种具有波长选择特性的光学元件，它包括：
具有两个相对端面(22a、22b)的光波导板(22)；
一个布置在所述光波导板两个端面之一(22a)上的透镜阵列(26C)，它具有多个透镜；
一个反射薄膜(24)，它形成在所述光波导板两个端面的另一个(26b)上，用以反射输入到所述光波导板的光；和
在所述透镜阵列的外表面上形成的多层薄膜滤光镜(23)，该多层薄膜滤光镜包括交互叠置的高折射率介电层和低折射率介电层，它的厚度按照光波导板的端面位置而连续变化。
23.如权利要求21或22所述的光学元件，其特征在于，所述光波导板具有露出的表面(32)，使输入该光波导板的光倾斜地进入或者使光从该光波导板内部倾斜地输出到外面去，而且
通过去掉所述多层薄膜滤光镜的一部分形成所述露出的表面。
24.如权利要求21至23任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光波导板和透镜阵列具有一对侧端面(29A、29B)；而且
所述这一对侧端面之一(29A)包括一个倾斜的表面(30)，通过该表面把光输入到所述光波导板或所述透镜阵列中，或者基本上垂直地通过它从所述光波导板或所述透镜阵列内部输出光。
25.如权利要求21至23任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光波导板和透镜阵列具有一对侧端面(29A、29B)；而且
所述这一对侧端面之一(29A)包括一个棱镜阵列(25A)，通过该阵列把光输入到所述光波导板或所述透镜阵列中，或者基本上垂直地通过它从所述光波导板或所述透镜阵列内部输出光；而且
所述棱镜阵列有许多微小的斜面，它们与所述光波导板和透镜阵列形成一体或者分开。
26.如权利要求21至25任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件还包括多条光纤或者多个毛细管，每个毛细管有一条光纤，它们设在所述多层薄膜滤光镜的外表面上。
27.如权利要求21至26任一项所述的光学元件，其特征在于，所述透镜阵列是渐变折射率的平面显微透镜，它包括一个基板和至少沿着该基板上的一条线形成的多个显微透镜。
28.如权利要求22至27任一项所述的光学元件，其特征在于，所述透镜阵列之多个透镜当中一些透镜的排列方式是会聚并输出在所述反射薄膜处反射的光，而所述透镜阵列的其它透镜中一些透镜的排列方式是把在所述多层薄膜滤光镜处反射的光变换成平行光，并输出该平行光。
29.如权利要求22至27任一项所述的光学元件，其特征在于，所述透镜阵列的多个透镜当中一些透镜的排列方式是会聚并输出在所述多层薄膜滤光镜处反射的光，而所述透镜阵列的其它透镜中一些透镜的排列方式是把在所述反射薄膜处反射的光变换成平行光，并输出该平行光。
30.如权利要求21至29任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件还包括光发射器件，设在所述多层薄膜滤光镜的外表面上，用以关于所述滤光镜的每个部分输出包含多种不同波长的光的混合光。
31.如权利要求21至29任一项所述的光学元件，其特征在于，所述光学元件还包括光接收器件，设在所述多层薄膜滤光镜的外表面上，用以分别检测通过所述滤光镜各个部分之具有不同波长的多种光。
32.如权利要求21至31任一项所述的光学元件，其特征在于，所述多层薄膜滤光镜通过物理蒸镀沉积形成在所述光波导板之两个相对端面当中的至少一个上。
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