CN1908712A - 小型化高密度波长分割多工器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化高密度波长分割多工器包含：一沿第一方向具第一、三及第二设置区的容装件、一输入单元、N个具周面及连接周面的入射面的滤波元件及N个输出单元；输入单元沿输入轴线置于第二设置区，且滤波元件依序由输入单元沿一Z字形路径置于第三设置区两侧并定义出N个光轴；入射面分别与第一方向夹一沿Z字形路径呈递增或递减变化的不同预定夹角，致使滤波元件对特定单波段光束呈穿透性。输出单元依序对应滤波元件沿一输出轴线置于容装件第一、二设置区。第一输出轴线平行于输入轴线，其余输出轴线平行于其所对应的光轴。

Description

小型化高密度波长分割多工器

技术领域

本发明涉及一种波长分割多工器(wavelength division multiplexer；简称WDM)，特别是指一种小型化高密度(dense)波长分割多工器(简称DWDM)。

背景技术

参阅图1，一种现有波长分割多工器9，包含复数沿一方向Y相邻地排列设置的传输单元90，借所述传输单元90及该方向Y对该波长分割多工器9界定出一起始侧901及一相反于该起始侧901的终止侧902。每一传输单元90沿一垂直于该方向Y的轴向Y’依序地设置有：一双光纤导管91、一第一折射率渐变透镜(gradient index lens；简称GRIN lens)92、一滤波片93、一第二折射率渐变透镜94及一单光纤导管95。

每一双光纤导管91具有一沿该轴向Y’设置的管本体910、一连接该管本体910的输入光纤911及一连接该管本体910的输出光纤912。此外，每一双光纤导管91的输出光纤912与其相邻的双光纤导管91的输入光纤911相互融接。所述滤波元件93分别对一对应的单波段(single-channel)呈一穿透性，且对其余波段呈一反射性。

借此，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)自设置于该起始侧901的传输单元90的输入光纤911沿着其轴向Y’于其第一折射率渐变透镜92行进，并透过介于该起始侧901与该终止侧902之间的传输单元90的滤波片93、输入光纤911及输出光纤912，依序地被传递至设置于该终止侧902的传输单元90，进而将该多波段光束分别过滤成复数不同波长范围的单波段光束(也就是，该传输单元90分别输出只具有该λ₁’、λ₂’、λ₃’及λ₄’的单波段光束)，并分别沿着其所对应的轴向Y’自所述单光纤导管95被传离所述传输单元90以形成一分光作用，其中，该λ₄’是由设置于该终止侧902的传输单元90的输出光纤912被传递出去。

此种由复数传输单元90所构成的波长分割多工器9具有下列几项缺点，其原因说明如下。

一、由于每一相邻的输入光纤911及输出光纤912需予以相互融接，然而，两条光纤在本质因素、外在因素及系统因素不易控制的情况下，容易增加该波长分割多工器9的插入损耗(insertion loss)并影响最终的输出功率。

二、融接每一相邻的输入光纤911及输出光纤912，也使得该波长分割多工器9因相互盘绕的光纤而导致相邻的传输单元90沿着该Y方向远远地相间隔开，所以整体体积无法小型化。

三、所述滤波片93是分别借由不同的干涉镀膜设计以达到分光作用，因此在制作所述滤波片93上不但是相当耗时，且于后续组装过程中也不易借由肉眼辨识所述滤波片93之间的差异性，所以组装无法单纯化。

参阅图2、图3及图4，美国5,859,717号发明专利揭露一种具有精密光学块(precision optical block)的多工器1，包含一壳体11、一光学块12、一输入单元14、四输出单元15、一终端输出单元16及复数滤波元件17。

该壳体11具有一上壳部111及一相反于该上壳部111的下壳部112，并由该上壳部111及下壳部112相配合界定出一容室110。

该光学块12设置于该容室110内并位于该下壳部112上，且具有一第一表面121、一相反于该第一表面121的第二表面122，及一连通该第一及第二表面121、122的光学狭缝(optical slot)120。

该输入单元14沿一轴线X具有一由GRIN lens(图未示)及一输入光纤142所构成的光学准直器(collimator)141，其中，该输入单元14是面向该光学块12的第一表面121。

所述输出单元15是分别相间隔设置于该光学块12两侧，每一输出单元15沿一轴线X’具有一由GRIN lens(图未示)及一单模(single mode)的输出光纤152所构成的光学准直器151。

该终端输出单元16沿一轴线X”具有一由输出光纤162所构成的光学准直器161，其中，该终端输出单元16是面向该光学块12的第二表面122。

该输入单元14及每一输出单元15、16是分别利用环氧树脂(epoxy)固设于两线状支撑件13上，并借所述线状支撑件13与该下壳部112相间隔开。

所述滤波元件17是分别地以面对面且彼此平行的粘贴方式设置于该光学块12的第一表面121及第二表面122，并分别与一特定输出单元15相对应，致使所述滤波元件17分别被夹置于其所对应的输出单元15及该光学块12之间。所述滤波元件17是分别借由彼此不同的一干涉镀膜，以对不同的一特定波长范围的单波段光束呈现一穿透性并对其余波段呈现一反射性。

借此，一多波段光束可自该输入单元14沿着该光学准直器141的一光轴(opticalaxis；也就是，该轴线X)行进，并借所述滤波元件17呈一Z字形路径于该光学狭缝120内依序地被传递至所述输出单元15、16，进而将该多波段光束分别过滤成不同波段的单波段光束，并分别沿着所述输出单元15、16的轴线X’、X”被传离所述输出单元15、16以形成一分光作用。

该具有精密光学块的多工器1是使该输入单元14的一端面与该光学块12的第一及第二表面121、122夹一7°的夹角(由几何关系也可推得，每一滤波元件17的一法线与每一轴线X’的夹角为7°)，并采用穿透模式的设计以构成Z字形的传输路径。此种设计虽然可大幅地降低该多工器1的每两相邻的输出单元15的间距，借以改善该波长分割多工器9无法达到体积小型化的缺失，然而，却仍然无法改善前述波长分割多工器9的第三个缺点。

再者，前述每一滤波元件17只能穿透一特定波长范围的光束(如：1532.52nm±0.11nm)，当该多工器1处于一较大的操作温度范围时，将因热胀冷缩而改变前述滤波元件17的法线与其所对应的输出单元15的轴线X’间的夹角，并致使前述滤波元件17可穿透的波段产生位移。然而，由于DWDM的波段位移容许量要求相当严格，一旦滤波元件因热胀冷缩而导致过大的波段位移时，此滤波元件就无法使用。例如：当滤波元件只对1532.52nm±0.11nm的波长范围具有穿透性，然而，却因热胀冷缩而导致±0.3nm的波段位移时，则此滤波元件就无法使用。因此，该多工器1的温度依赖损耗(temperature dependence loss，简称TDL)高，相对地，输出功率低，且每一滤波元件17与其所对应的输出单元15的轴线X’间的夹角公差容许量低(也就是，滤波元件于使用上的波段位移容许量低)。

由上所述，如何使得波长分割多工器体积小型化，同时解决由温度依赖损耗及插入损耗等因素所构成的低输出功率等问题，且使得滤波元件的制作及组装单纯化并增加滤波元件于使用上的波长位移容许量，是开发波长分割多工器相关领域所需克服的一大难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化高密度波长分割多工器，并且是一种体积小型化、温度依赖损耗低、插入损耗小、输出功率高、滤波元件的制作及组装单纯化，且滤波元件于使用上的波长位移容许量高的小型化高密度波长分割多工器。

本发明小型化高密度波长分割多工器，包含：一界定出一容室的容装件、一输入单元、N个滤波元件及N个输出单元。

该输入单元设置于该容装件内，且沿一输入轴线具有一外管、一设置于该外管内的准直透镜、一设置于该外管内并邻设于该准直透镜的套管及一设置于该套管内的光纤。该光纤具有一连接于该套管的第一端部及一穿出该容装件的第二端部。

所述滤波元件设置于该容装件内且依序沿一Z字形光反射路径设置。每一滤波元件具有一周面及一连接该周面的入射面，其中，第一个滤波元件的入射面是朝向该输入单元的准直透镜，其余滤波元件的入射面是分别朝向前一个滤波元件的方向设置，且所述滤波元件的入射面分别与一第一方向夹一彼此互不相同的预定夹角。所述彼此互不相同的预定夹角是沿该Z字形光反射路径呈一递增或一递减的变化，致使每一滤波元件对一特定单波段光束呈现一穿透性，且对其余波段光束呈现一反射性。借此，一多波段光束可于该输入单元的光纤中行进，依序地行经所述滤波元件并定义出N个光轴，进而将该多波段光束分别过滤成复数不同的特定单波段光束。

所述输出单元设置于该容装件内，且依序对应所述滤波元件并分别设置于所述滤波元件外侧。每一输出单元具有一外管、一设置于该外管内的准直透镜、一设置于该外管内并邻设于该准直透镜的套管及一设置于该套管内的光纤。每一输出单元的光纤具有一连接于该套管的第一端部及一穿出该容装件的第二端部，其中，第一个输出单元的输出轴线与该输入轴线呈平行设置，其余的输出单元的输出轴线是分别与其所对应的光轴平行设置。

本发明小型化高密度波长分割多工器的功效在于具有体积小、温度依赖损耗低、插入损耗小、输出功率高、滤波元件的制作及组装单纯化，与滤波元件于使用上的波长位移容许量高等特点。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是一示意图，说明现有一种波长分割多工器。

图2是一立体剖视示意图，说明现有一种具有精密光学块的多工器。

图3是该图2的一正视局部剖面示意图。

图4是该图2的一俯视局部剖面示意图。

图5是一俯视局部剖面示意图，说明本发明小型化高密度波长分割多工器的一较佳实施例。

图6是一沿该图5中的直线6-6所取的一剖视示意图，说明该较佳实施例的复数外管、复数滤波元件与一第一平台、一第二平台之间的连接关系。

图7是一俯视示意图，说明该较佳实施例的复数滤波元件以递增夹角的关系设置于该第二平台上。

具体实施方式

参阅图5与图6，本发明小型化高密度波长分割多工器的一较佳实施例，包含：一界定出一容室20的容装件2、一输入单元3、N个滤波元件4及N个输出单元5、6，在该较佳实施例中，N是采用8。

该容装件2具有沿一第一方向y相反设置的一第一侧部21及一第二侧部22，并具有分别连接该第一及第二侧部21、22的一第三侧部23及一第四侧部24。该容装件2实质上是由一第一壳体25及一第二壳体26组接而成。该容装件2更具有一介于该容装件2的第一及第二侧部21、22之间的第一设置区27’、一介于该第一设置区27’与该容装件2的第二侧部22之间的第二设置区27”，及一内设于该第一及第二设置区27’、27”的第三设置区28’。

该第一及第二设置区27’、27”实质上是由一具有一平坦面271并设置于该第一壳体25上的第一平台27所构成，借该平坦面271界定出该第一及第二设置区27’、27”，且该第三设置区28’是设置于该第一平台27的平坦面271上。该第三设置区28’实质上是由一第二平台28所构成。该第二平台28具有一与该第一平台27的平坦面271平行设置的平坦面281。该第三设置区28’具有分别与该容装件2的第一及第二侧部21、22相对应的一第一侧部281’及一第二侧部281”。在该较佳实施例中，该第一及第二平台27、28是由玻璃所制成，并利用研磨及精密抛光以构成所述平坦面271、281。

该输入单元3设置于该容装件2的第二设置区27”且邻近该容装件2的第三侧部23，并沿一输入轴线L具有一外管31、一设置于该外管31内的准直透镜32、一设置于该外管31内并邻设于该准直透镜32的套管33及一设置于该套管33内的光纤34。该输入单元3的光纤34具有一连接于该套管33的第一端部341及一设置于该容装件2的第二侧部22的第二端部342。

参阅图5及图7，所述滤波元件4依序由该容装件2的第三侧部23向该容装件2的第四侧部24沿一Z字形光反射路径设置。每一奇数及偶数滤波元件4是分别设置于该第三设置区28’的第一侧部281’及第二侧部281”。该输入单元3相对每一滤波元件4靠近该容装件2的第三侧部23。每一滤波元件4具有一周面41及一连接该周面41的入射面42，其中，每一奇数及偶数滤波元件4的入射面42是分别朝向该第三设置区28’的第二侧部281”及第一侧部281’设置，且所述滤波元件4的入射面42分别与该第一方向y夹一彼此互不相同的预定夹角α₁、α₂、α₃、α₄、α₅、α₆、α₇、α₈。在该较佳实施例中，每一滤波元件4的周面41是局部地胶合于该第二平台28的平坦面281上。

所述彼此互不相同的预定夹角α₁～α₈是沿该Z字形光反射路径呈一递增或一递减的变化，致使每一滤波元件对一特定单波段光束呈现一穿透性，且对其余波段光束呈现一反射性。借此，一多波段光束(λ₀)可于该输入单元3的光纤34中行进，依序地行经所述滤波元件4并定义出N个光轴，进而将该多波段光束分别过滤成复数不同的特定单波段光束(也就是，图5中所示的λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆、λ₇、λ₈)。在该较佳实施例中，所述彼此互不相同的预定夹角α₁～α₈是沿该Z字形光反射路径呈一递增的变化。基于入射角等于反射角的光学原理，上述滤波元件4递增角度的配置将使该Z字形光反射路径有别于现有的Z字形光反射路径，如图5所示，各个光轴与所述入射面42法线的夹角θ₀、θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆、θ₇也呈现递增关系。

值得一提的是，在该较佳实施例中，是以相同干涉镀膜条件的光学设计制作所述滤波元件4，致使所述滤波元件4在一相同的入射夹角条件下分别对一相同的特定单波段光束呈现一穿透性。因此，本发明利用所述彼此互不相同的预定夹角a1～a8沿该Z字形光反射路径呈一递增的变化的特性，致使所述滤波元件4产生一不同的波段位移，进而对不同的特定单波段光束呈现一穿透性，且对其余波段光束呈现一反射性，并借此达成一初步的分光作用。

所述输出单元5、6依序对应所述滤波元件4设置。每一奇数及偶数输出单元5、6是分别沿一输出轴线L’设置于该容装件2的第一及第二设置区27’、27”。

每一奇数输出单元5具有一外管51、一设置于该外管51内的准直透镜52、一设置于该外管51内并邻设于该准直透镜52的套管53，及一设置于该套管53内的光纤54。每一奇数输出单元5的光纤54具有一连接于该套管53的第一端部541，及一设置于该容装件2的第一侧部21的第二端部542。

每一偶数输出单元6具有一外管61、一设置于该外管61内的准直透镜62、一设置于该外管61内并邻设于该准直透镜62的套管63，及一设置于该套管63内的光纤64。每一偶数输出单元6的光纤64具有一连接于该套管63的第一端部641，及一设置于该容装件2的第二侧部22的第二端部642。

其中，第一个输出单元5(也就是，位于图5中最左侧的奇数输出单元5)的输出轴线L’与该输入轴线L呈平行设置，其余的输出单元5、6的输出轴线L’是分别与其所对应的光轴平行设置。在该较佳实施例中，每一外管31、51、61是由玻璃所制成，该输入单元3及每一输出单元5、6是分别胶合于该第一平台27的平坦面271上。

借此，该多波段光束(l0)可于该输入单元3的光纤34中行进，依序地行经所述滤波元件4以形成所述光轴，进而将该多波段光束分别过滤成所述不同的特定单波段光束(也就是λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆、λ₇、λ₈)，致使所述不同的特定单波段光束分别沿其所对应的输出轴线L’，被其所对应的输出单元5、6的光纤54、64传递离开所述输出单元5、6，并构成一完整的分光作用。

于本发明中，所述准直透镜32、52、62是分别使用一折射率渐变透镜以提供准直光束，因此也可借由C型透镜(C-lens)取代。

本发明小型化高密度波长分割多工器具有下列几项特点，其原因说明于下。

一、由于不需融接光纤，因此，插入损耗的问题小，相对地，最终的输出功率较高。

二、保留该现有具有精密光学块的多工器1的穿透模式的几何关系。虽然于本发明中，所述夹角呈一递增的变化关系将致使该容装件2的第三及第四侧部23、24之间的长度增加，但是由三角函数推得，当该容装件2的第一及第二侧部21、22之间的长度固定时，微量的角度递增只些微地增加该容装件2的第三及第四侧部23、24之间的长度。因此，也保有整体体积小型化的特点。

三、在本发明中，每一滤波元件4所采用的干涉镀膜的光学设计规格一致，使所述滤波元件4的制程简易，最终，也使得后续组装过程单纯化。

四、借由该第一及第二平台27、28的平坦面271、281与所述滤波元件4、所述外管31、51、61之间的粘结关系，可使得胶合所述滤波元件4及所述外管31、51、61的热固胶于热涨冷缩时，只沿着垂直于该光反射路径的方向(也就是，垂直于所述平坦面271、281的方向)产生微量的位移，不易构成反射光路径角度的变化，因此，温度依赖损耗低且插入损耗小。

五、在粘合所述滤波元件4于该第二平台28的平坦面281上时，可分别依所需改变的预定夹角予以调整，因此，于使用上的波长位移容许量高。

归纳上述，本发明小型化高密度波长分割多工器具有体积小型化、温度依赖损耗低、插入损耗小、输出功率高、滤波元件的制作组装单纯化，及滤波元件于使用上的波长位移容许量高等特点，所以确实能达到本发明的目的。

Claims (12)

1.一种小型化高密度波长分割多工器，其特征在于其包含：

一界定出一容室的容装件；

一设置于该容装件内的输入单元，沿一输入轴线具有一外管、一设置于该外管内的准直透镜、一设置于该外管内并邻设于该准直透镜的套管及一设置于该套管内的光纤，该光纤具有一连接于该套管的第一端部及一穿出该容装件的第二端部；

N个设置于该容装件内且依序沿一Z字形光反射路径设置的滤波元件，每一滤波元件具有一周面及一连接该周面的入射面，其中，第一个滤波元件的入射面是朝向该输入单元的准直透镜，其余滤波元件的入射面是分别朝向前一个滤波元件的方向设置，且所述滤波元件的入射面分别与一第一方向夹一彼此互不相同的预定夹角，所述彼此互不相同的预定夹角是沿该Z字形光反射路径呈一递增或一递减的变化，致使每一滤波元件对—特定单波段光束呈现一穿透性，且对其余波段光束呈现一反射性，借此，一多波段光束可于该输入单元的光纤中行进，依序地行经所述滤波元件并定义出N个光轴，进而将该多波段光束分别过滤成复数不同的特定单波段光束；及

N个设置于该容装件内的输出单元，依序对应所述滤波元件并分别设置于所述滤波元件外侧，每一输出单元具有一外管、一设置于该外管内的准直透镜、一设置于该外管内并邻设于该准直透镜的套管及一设置于该套管内的光纤，每一输出单元的光纤具有一连接于该套管的第一端部及一穿出该容装件的第二端部，其中，第一个输出单元的输出轴线与该输入轴线呈平行设置，其余的输出单元的输出轴线是分别与其所对应的光轴平行设置。

2.如权利要求1所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：所述滤波元件是采用相同的干涉镀膜的光学设计。

3.如权利要求1所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：所述彼此互不相同的预定夹角是沿该Z字形光反射路径呈一递增的变化。

4.如权利要求1所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：该容装件沿该第一方向具有相反设置的一第一侧部及一第二侧部，并具有分别连接该第一及第二侧部的一第三侧部及一第四侧部，该容装件更具有一介于该容装件的第一及第二侧部之间的第一设置区、一介于该第一设置区与该容装件的第二侧部之间的第二设置区，及一内设于该第一及第二设置区的第三设置区，该第三设置区具有分别与该容装件的第一及第二侧部相对应的一第一侧部及一第二侧部。

5.如权利要求4所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：该输入单元是设置于该容装件的第二设置区且邻近该容装件的第三侧部，且该输入单元的光纤的第二端部是设置于该容装件的第二侧部；所述滤波元件是依序由该容装件的第三侧部向该容装件的第四侧部沿该Z字形光反射路径设置，每一奇数及偶数滤波元件是分别设置于该第三设置区的第一侧部及第二侧部，该输入单元相对每一滤波元件靠近该容装件的第三侧部，且每一奇数及偶数滤波元件的入射面是分别朝向该第三设置区的第二侧部及第一侧部设置；每一奇数及偶数输出单元是分别沿该输出轴线设置于该容装件的第一及第二设置区，且每一奇数与偶数输出单元的光纤的第二端部是分别连接于该容装件的第一侧部及第二侧部。

6.如权利要求5所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：该容装件实质上是由一第一壳体及一第二壳体组接而成。

7.如权利要求6所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：该第一及第二设置区实质上是由一具有一平坦面并设置于该第一壳体上的第一平台所构成，借该平坦面界定出该第一及第二设置区，该第三设置区是设置于该第一平台的平坦面上。

8.如权利要求7所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：该第三设置区实质上是由一具有一与该第一平台的平坦面平行设置的平坦面的第二平台所构成。

9.如权利要求8所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：该第一及第二平台是由玻璃所制成。

10.如权利要求9所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：每一外管是由玻璃所制成。

11.如权利要求10所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：该输入单元及每一输出单元是分别胶合于该第一平台的平坦面上。

12.如权利要求11所述的小型化高密度波长分割多工器，其特征在于：每一滤波元件的周面是局部地胶合于该第二平台的平坦面上。

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