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多通道分波多工/解多工裝置 Download PDF

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Abstract

一種多通道分波多工/解多工裝置，包括多個濾光器以及至少一微透鏡，其中該等濾光器是用以導引光束在預設的光路上行進，而每個濾光器是配置給相對應的通道，並具有互不相同的濾波範圍，且具有相對面的第一表面以及第二表面，而由第一表面射入的入射光束經反射後從第一表面射出，同時入射光束經濾光器的透射後產生由第二表面投射出射光束，當作相對應通道的輸出光束。每個微透鏡是配置在光路上的二相鄰濾光器之間，用以調整光路上行進之光束的光形，尤其可改變並調整高斯光束的光腰半徑以及成像位置，提高準直器在接收光束的光學效率。

Description

多通道分波多工/解多工裝置
本發明係有關於一種多通道分波多工/解多工裝置，尤其是利用安置在光路上相鄰二濾光器之間的微透鏡而調整光束的光形，可改變並調整高斯光束的光腰半徑以及成像位置，進而大幅提高準直器在接收光束的光學效率，提升整體光學效率。
在光學應用領域中，常常需使用多工/解多工(Multiplexing/Demultiplexing)模組，用以實現多工/解多工(MUX/DEMUX)功能，其中MUX功能可將不同特定波長範圍的個別光束合併成混合光束而輸出，而DEMUX功能可將包含不同波長範圍的混合光束分離出多個具不同特定波長範圍的輸出光束。尤其，一般是使用濾光器或濾光片以達成分離光束的目的，並搭配準直器以達到高效率的光束接收/發射。
進一步而言，習知技術的MUX/DEMUX模組有兩種常見的作法，其一為以串接多個單通道元件組成模組，如第一A圖所示， 另一種作法採用自由空間光學技術(Free Space Optics，FSO)，是在自由空間中以Zig-zag結構串接多個濾光器組成模組，如第一B圖所示。
以FSO技術製作WDM module產品時，光插入損耗來源一般來自準直器非調準(misalignment)及光形不匹配(mismatch)，以往光形不匹配的問題，通常是利用不同距離最佳匹配性的光纖準直器來降低光插入損耗，而一般會考慮使用多組光纖準直器來達成在多通道產品之需求。然而隨著更多通道數量的需求，更長光程的光無法只使用光纖準直器的配對來降低光插入損耗。
為解決上述準直器非調準的問題，習知技術教示一種MUX/DEMUX方法，如US7212343所揭露，請參考第二A圖，係利用凹面鏡放置於光路中，用以補償濾波器傾斜誤差，且凹面鏡是放置在光束的入射行進距離基本上類似於或等於光束的反射行進距離的地方，使得多個光學濾波器連續引入的濾波器傾斜誤差可以被連續地減小，進而使光差入損耗減少。不過，該技術只可使用凹面鏡，且凹面鏡必須配置在1/2的濾光器中以達到最佳效應，所以在實際應用上很受限制。
另一習知技術為解決光形不匹配的問題，如US7031610所揭露，係提供一種繞射補償集成的分波多工器，請參考第二B圖，主要在於將濾光器做成透鏡之外形以改變光形，對於反射光而言透鏡型濾波器相當於凹面鏡，繞射補償機制由彎曲表面而實現。亦即，該技術是使用具彎曲表面的濾波器元件，擺放位置受限於原濾波器位置，對改變光形(繞射補償)的最佳化較難實現。
因此，非常需要一種創新的多通道分波多工/解多工裝置，利用安置在光路上相鄰二濾光器之間的微透鏡而調整光束的光形，可改變並調整高斯光束的光腰半徑以及成像位置，進而大幅提高準直器在接收光束的光學效率，提升整體光學效率，藉以解決上述習用技術的問題。
本發明之主要目的在於提供一種多通道分波多工/解多工裝置，具N個通道的多工/解多工的功能，N為大於或等於1的正整數，主要是包括N個濾光器(optical filter)以及至少一微透鏡(microlens)。N個濾光器是用以導引光束在預設的光路上行進，而每個濾光器是配置給N個通道的其中之一，並具有互不相同的濾波範圍，且具有配置成相對面的第一表面以及第二表面，用以將由第一表面射入的入射光束經反射後產生反射光束而由第一表面射出，同時，入射光束經濾光器的透射後產生出射光束而由第二表面射出，而出射光束是當作相對應通道的輸出光束。
每個微透鏡是配置在光路上的二相鄰濾光器之間，用以調整光路上行進之光束的光形，尤其是，微透鏡是具有至少一彎曲表面，可為凹透鏡或凸透鏡。
對於高斯光束，微透鏡可改變並調整高斯光束的光腰半徑以及成像位置，更進一步提高準直器在接收光束的光學效率。
以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
參閱第三圖，本發明實施例多通道分波多工/解多工裝置的示意圖。如第一圖所示，本發明的多通道分波多工/解多工裝置具多工/解多工(Multiplexing/Demultiplexing)的功能，主要是包含N個濾光器(optical filter)10以及至少一微透鏡(microlens)20，可用於N個通道的多工/解多工之分波(Wavelength Division)，其中N為大於或等於1的正整數。要注意的是，第三圖只顯示單一的微透鏡20以方便說明。
具體而言，N個濾光器10是用以導引光束在預設的光路上行進，沿著圖中的行進方向D1而行進，而且每個濾光器10是配置給N個通道的其中之一。要注意的是，第三圖中的行進方向D1是以解多工(Demultiplexing，DEMUX)的功能為示範性的實例，而如果光束行進方向是相反於圖中的行進方向D1時，本發明可實現多工(Multiplexing，MUX)的功能。不過，為方便說明本發明的特徵，以下的說明將詳細解釋第三圖中行進方向D1時的解多工的功能。
此外，每個濾光器10具有互不相同的濾波範圍，且具有配置成相對面的第一表面以及第二表面，分別當作入光面及出光面，其中由第一表面射入的入射光束可經濾光器10的反射後產生反射光束而由第一表面射出，同時，入射光束可經濾光器的透射後產生出射光束而由第二表面射出，其中出射光束是當作相對應通道的輸出光束。
再者，每個微透鏡20是配置在光路上的二相鄰濾光器10之間，用以調整光路上行進之光束的光形，尤其，微透鏡20是具有至少一彎曲表面，且可為凹透鏡或凸透鏡。
本發明的多通道分波多工/解多工裝置可進一步包含多個準直器30，而每個準直器30是配置成對應於相對應的濾光器10，比如對應於濾光器10的入光面而射出光束，或對應於濾光器10的出光面而接收光束。例如，第三圖中左側最上方的準直器30是對應圖中右側最上方的濾光器10的入光面，再者，第三圖中其餘的準直器30是對應於相對應之濾光器10的出光面。
為進一步詳細說明，請參考第四圖。第四圖是類似於第三圖，差別在於第四圖的不同濾光器及準直器是使用個別元件符號而標示，藉以方便說明光束的光路。如第四圖所示，光束是先穿透左側最上方的準直器30A，並沿著行進方向D1而投射到右側最上方的濾光器10A的入光面，亦即濾光器10A的左側面，濾光器10A的右側面為出光面，用以將透射光束投射到準直器30B，當作輸出用的第一通道光束，同時，濾光器10A的反射光束是經入光面而投射到下一級的濾光器10B的入光面，亦即濾光器10B的右側面。接著，濾光器10B的透射光束是經由左側面的出光面而投射到準直器30C，當作輸出用的第二通道光束，同時，濾光器10B的反射光束是經右側面的入光面而投射到更下一級的濾光器10C的入光面，亦即濾光器10C的左側面。其餘濾光器及準直器是依上述方式配置，進而形成連續Z字形(zigzag)的光路，不過，本發明技術的特點在於可在上述光路中插入配置至少一微透鏡20，其中每個微透鏡20是位於相鄰二濾光器之間。最後，最下一級的濾光器10E的入光面，亦即濾光器10E的左側面，可接收前一級濾光器10D的反射光束，而前一級濾光器10D的左側配置相對應的準直器30D，用以輸出最後第二通道的光束，其中濾光器10E的透射光射是由右側面的出光面而投射到準直器30E，當作輸出用的最後通道光束。
上述利用本發明微透鏡以實現調整光形的具體示範性實例可參考第五圖，其中本示範性實例是使用凸透鏡的微透鏡20。如第五圖所示，上述的光束可視為具有光束光腰(Beam Waist)半徑的高斯光束(Gaussian Beam)，其中光束是經前一級準直器30沿行進方向D1射入並穿透微透鏡20而投射至濾光器10，再進一步透射至下一級的準直器30，此外，微透鏡20可改變光束的光腰半徑，而達到光束整形(Reshaping)的目的，藉以適應準直器30的接收，可大幅改善光形不匹配造成的光插入損耗。例如整形前的高斯光束L1經微透鏡20調整後形成整形後的高斯光束L2，而整形後的光腰半徑R2與位置已明顯不同於整形前的光腰半徑R1。此外，請參考第六圖，顯示使用凹透鏡的微透鏡20以調整光束之光形的另一實例。
因此，本發明利用微透鏡之聚焦及發散特性，使得高斯光束特徵被改變而利於接收之型式，進而改善產品之光特性，比如 IL、TDL，並可在高通道光特性衰退時重複使用此透鏡來改善光特性，以達多通道之前瞻性。
為說明本發明在光學效率上的改善效益，可藉由理論模擬分析得到耦合損耗(Coupling loss)及傾斜損失(Tilted Loss)，其中TDL是來自準直器非調準 (collimator misalignment)的結果。此案使用對光插入損耗較敏感的傾斜非調準(Tilt misalignment)來模擬TDL的差異。如第七圖所示，細實線為尚未加入微透鏡且傾斜0度角的結果，粗實線為尚未加入微透鏡且傾斜0.05度角的結果，細虛線為加入微透鏡且傾斜0度角的結果，粗虛線為加入微透鏡且傾斜0.05度角的結果。很明顯，不僅工作距離(Working Distance)得以延長，而且耦合損耗也較低。
參考第八圖，本發明加入微透鏡後對光束特性之影響的另一示意圖，其中曲線C1為放置微透鏡之前光束的光斑分佈，曲線C2為放置微透鏡之後光束的光斑分佈，而曲線C3為模擬的光斑分佈，且曲線C1、曲線C2的交會處(1)為微透鏡放置處。很明顯，光束經過微透鏡後被聚焦而縮小，且光腰半徑及位置與透鏡放置前有明顯差異，並且如預期與模擬之曲線C3相近似(2,3)，說明本發明的可執行性。
此外，參考第九圖，本發明加入微透鏡後對自由空間光學(Free Space Optics，FSO)產品之影響的示意圖，而FSO產品的技術可用於CWDM、DWDM及任何需波長多工之模組。如第九圖所示，FSO產品是在第四通道(Ch4)與第五通道(Ch5)的濾光器之間放置微透鏡，因而可將Ch5之後的IL縮小，同時在第八通道(Ch8)與第九通道(Ch9)的濾光器之間放置另一微透鏡，可將Ch9後的IL再縮小。因此，證明本發明對光束進行整形後可有效改善IL，並且具有可重複放置使用的特性。
要注意的是，本發明多通道分波多工/解多工裝置中的微透鏡實質上是可配置於光路中任意二相鄰濾光器之間，比如第十A圖及第十B圖所示，其中第十A圖的微透鏡20是在相鄰的濾光器10_7、10_8之間，而第十B圖的微透鏡20是在相鄰的濾光器10_5、10_6之間，尤其是較靠近左側濾光器10_6的位置。此外，上述第三圖、第四圖、第十A圖及第十B圖中的實例是以凸透鏡實現所需的微透鏡20，不過本發明並非受限於此，可進一步參考第十一A圖、第十一B圖及第十一C圖，分別顯示利用凹透鏡實現微透鏡20的示範性實例，其中第十一A圖顯示凹透鏡的微透鏡20是位於相鄰的濾光器10_7、10_8之間，第十一B圖中凹透鏡的微透鏡20是位於相鄰的濾光器10_1、10_2之間，而第十一C圖顯示凹透鏡的微透鏡20是在相鄰的濾光器10_3、10_4之間，且是較靠近左側濾光器10_4的位置。
更要注意的是，本發明多通道分波多工/解多工裝置中的微透鏡可為一個或一個以上，而非受限於單一微透鏡，因而請進一步參考第十二圖及第十三圖。第十二圖顯示本發明的多通道分波多工/解多工裝置包含二微透鏡20、21，其中微透鏡20是位於濾光器10_4、10_5之間，而微透鏡21是位於濾光器10_8、10_9之間。此外，第十三圖顯示本發明包含二微透鏡20、21，且皆以凹透鏡實現，其中微透鏡20是位於濾光器10_4、10_5之間，而微透鏡21是位於濾光器10_8、10_9之間。
綜上所述，本發明的主要特點在於利用多個準直器發射與接收光束，並利用多個濾光器分別濾出而輸出不同波長範圍的光，且其他波長的光束藉反射而形成Zig-zag的光路，尤其是利用至少一微透鏡放置於光路之中而使得光束穿過微透鏡後，可改變而調整光束的光形及成像特性，改善準直器接收光束的效率。
以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。
10、10A、10B、10C、10D、10E‧‧‧濾光器
10_1、10_2、10_3、10_4‧‧‧濾光器
10_5、10_6、10_7、10_8、10_9‧‧‧濾光器
20、21‧‧‧微透鏡
30、30A、20B、30C、30D、30E‧‧‧準直器
C1、C2、C3‧‧‧曲線
D1‧‧‧行進方向
L1‧‧‧整形前的高斯光束
L2‧‧‧整形後的高斯光束
R1‧‧‧整形前的光腰半徑
R2‧‧‧整形後的光腰半徑
第一A圖顯示習用技術中串接多個單通道元件而組成模組的示意圖。 第一B圖顯示習用技術在自由空間中以Zig-zag結構串接多個濾光器的示意圖。 第二A圖顯示習用技術中利用凹面鏡放置於光路中以補償濾波器傾斜誤差的示意圖。 第二B圖顯示習用技術中為解決光形不匹配的繞射補償集成的分波多工器的示意圖。 第三圖顯示本發明實施例多通道分波多工/解多工裝置的示意圖。 第四圖顯示不同濾光器及準直器是使用個別元件符號標示的示意圖。 第五圖顯示本發明微透鏡實現調整光束之光形的示意圖。 第六圖顯示本發明微透鏡實現調整光束之光形的另一示意圖。 第七圖顯示本發明加入微透鏡後對光束特性之影響的示意圖。 第八圖顯示本發明加入微透鏡後對光束特性之影響的另一示意圖。 第九圖顯示本發明加入微透鏡後對FSO產品之影響的示意圖。 第十A圖及第十B圖分別顯示本發明中配置在不同位置上單一凸透鏡的微透鏡之示意圖。 第十一A圖至第十一C圖分別顯示本發明中配置在不同位置上單一凹透鏡的微透鏡之示意圖。 第十二圖顯示本發明多通道分波多工/解多工裝置包含二凸透鏡當作所需之微透鏡的示意圖。 第十三圖顯示本發明多通道分波多工/解多工裝置包含二凹透鏡當作所需之微透鏡的示意圖。

Claims (4)

  1. 一種多通道分波多工/解多工裝置，具N個通道的多工/解多工(Multiplexing/Demultiplexing)的功能，且N為大於或等於1的一正整數，係包含： N個濾光器，係用以導引一光束在預設的一連續Z字形(Zigzag)的一光路上行進，而每個濾光器是配置給該N個通道的其中之一，且每個濾光器具有互不相同的一濾波範圍，並具有配置成相對面的一第一表面以及一第二表面，用以將由該第一表面射入的一入射光束經反射後產生一反射光束而由該第一表面射出，同時該入射光束經該濾光器的透射後產生一出射光束而由該第二表面射出，該出射光束是當作相對應通道的一輸出光束；以及 至少一微透鏡，每個微透鏡是配置在一光路上的二相鄰濾光器之間，用以調整該光路上行進之該光束的光形，且該微透鏡具有至少一彎曲表面。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之多通道分波多工/解多工裝置，其中該微透鏡為一凹透鏡或一凸透鏡。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之多通道分波多工/解多工裝置，進一步包含多個準直器，每個準直器是配置成對應於相對應的該濾光器。
  4. 依據申請專利範圍第3項所述之多通道分波多工/解多工裝置，其中該光束為具有一光束光腰半徑的一高斯光束(Gaussian Beam)，而該微透鏡係調整該光束光腰半徑及一成像位置而達成調整該光束的光形以適應該準直器的接收。
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