TWI286617B - Small form factor all-polymer optical device with integrated dual beam path based on total internal reflection optical turn - Google Patents

Description

1286617 玫、發明說明： 【發明所屬技術領域】 發明領域 本發明係有關於光學構件，尤係關於具有依據全内反 5射光學轉向之整合雙重光徑的小成型係數全聚合物光學構 件。 I：先前技術3 發明背景 在垂直空穴表面發光雷射(VCSEL)的光徑中用來監測 10的斜傾式部份反射鏡會造成具有多種不同部件的複雜總 成。具有内建迴光鏡的矽光學條塊甚為昂貴，且體積亦大。 使用於一習知微光子傳輸裝置中的監測光徑會包含有多數 個別女叙的各片光學構件（參見1999年8月10日頒給Fisher 等人的第5937114號美國專利）。 15 【發明内容】 發明概要 本發明係有關一種系統和方法，其能使用高溫樹脂例 如聚醚亞胺，聚醯亞胺，或聚颯等之耐高溫光學聚合物所 射出成型的單件光學模組，來將一典型為9〇度的光轉向部 20與二或三重光徑結合在一起。不需有附加的部件來達到= 光學轉向，因為其係以光學全内反射(TIR)來產生，亦無: 額外的部件來作雙徑監控，其係利用一空氣隙作為〜雙需 刀光板而來達成。該單件光學模組更包含多個整合的枣重 可供精確對準該模組與外部光學元件，並可另外附知 1286617 整合的光學元件，例如透鏡及薄膜光學塗層等。 本發明所解決的技術問題有：能夠造成90度的光學轉 向，而使主動A電元件例如垂直空穴表面發光雷射(vcs叫 和光檢測等能被表面安裝在一基材垂線上，並相對於一 5傳輸光纖埠具有所需的距離；可儘量減少使用不同的材料 及/或安裝技術和分開的光學元件，而在達成一光學轉向 曰守旎減少成本，及能使用一氣隙整合的分光器來提供一集 成的單一或雙重雷射監控光徑，而得更減少使用不同的構 件、材料、個別的光學元件、及/或安裝技術，進而降低 10成本。雙光徑雷射監測能使用二具有窄帶濾波器的檢測器 或在其一光徑中的標準具來鎖定波長。本發明之實施例能 進行光纖控制及/或透過單一光纖的雙向傳訊。 上述已相當廣泛地指出本發明之特徵和技術優點，而 使以下本發明的詳細說明能被更佳地瞭解。本發明之其它 15的特徵和優點將會被說明如下，其乃為本發明的請求標 的。專業人士應可除解所揭的概念和特定實施例，係可被 作為基礎來修正或設計其它的結構，以達成本發明的相同 目的。專業人士亦可明瞭這些等效結構並不超出申請專利 範圍所述之本發明的精神與範疇。如下新穎特點相信是為 20 本發明的特徵，包括其組成結構和操作方法，以及其它的 目的和優點等，將可配合所附圖式由以下說明來進一步瞭 解。惟，明顯可知，該各圖式係僅供舉例說明，而非作為 界定本發明的限制。 圖式簡單說明 1286617 為能更完全地瞭解本發明，現請配合所附圖式來參閱 以下說明；其中： 第1圖為一示意圖示出本發明一實施例之小成型係數 全聚合物整合光學模組的結構和功能； 第2圖係為一流程圖2〇〇示出本發明實施例之光學總成 100的操作； 第3A〜3B圖示出二不同的結構可產生一輸出光束偏 離而平行於輸入光束軸； 第4圖示出可雙向傳接的光學模組41〇 ; 第5圖示出一光學模組510,能提供一TIR傳輸光徑而在 二楔狀結構處形成部份内反射；及 第6圖示出一光學模組610，可提供一 TIR傳輸光徑，其 中有一 TIR介面具有曲率除了可反射準直光束外亦能同時 聚焦該反射光束。 15 【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 第1圖為一示意圖示出本發明實施例之小成型係數全 聚合物單件光學模組的結構和功能。該光學模組11〇能一體 地併設其它光學元件而形成以下的任何組合：全内反射介 20 面111能夠例如經由一90度轉向來重導一光束；楔狀空氣/ 聚合物/空氣多介面分光器112能夠造成多重光徑並重導 該光徑；聚焦透鏡116、117能夠例如將一光束聚焦在一檢 測器上；光纖接面透鏡118能夠將一光束聚焦於一光纖上； 及準直透鏡119能夠將一發散光束，例如雷射輸出光束，轉 1286617 變成一準直射束。除了上述光學元件（其能符合光學規袼及 表面加工谷差）以外，該整合的光學模組110亦包含非光學 眭、、、°構壁，例如各結構性表面131〜140等，能對該等光學 $疋件提供結構整體性，並可包含與其它系統構件的姆準介 5面，且它們亦可具有不透明或擴散的光學性質。 該一體的光學模組110係由高溫樹脂所製成，例如聚醚 亞胺，來醯亞胺，或聚砜等耐高溫光學聚合物，而使用類 似般用於隱形眼鏡、眼内透鏡、或其它眼科元件之聚合 物射出成型法，以高精度聚合物製造技術來製成。該光學 才果組110的所有光學元件皆由與該模組11〇相同的材料，同 時且一體地來製成，故能大大地減少製造的成本和複雜 度，並能加強其密實性，對準精確度，及光學對準的機械 整體性。 為便於瞭解，在第1圖中該整合的光學模組110係被示 15為一光學總成1〇〇的一部份，其中包含一基板ιοί可供固設 一些主動光學構件，例如垂直空穴表面發光雷射 (VCSEL)l〇2及光檢測器1〇3和1〇4，並包含傳接光纖1〇5。 弟2圖為本發明實施例之流程圖2〇〇，示出該光學總成 100的操作。在步驟2〇1時，該VCSELi〇2及光檢測器1〇3、 20 1〇4等，典型會被使用表面安裝技術來固設於基板1〇1例如 一印刷電路板(PCB)上,·該基板1〇1在步驟2〇2時會利用結構 表面131〜140上之對準介面來固緊定位而精確對準該光學 模組110。在表面安裝技術中，譬如電容器、電阻器、與積 體電路(ICs)等構件，通常會被使用環氧樹脂、烊劑、或其 8 1286617 它黏劑等，藉檢取置放機具以垂直置放動作來固設於例如 一PCB基板的表面上。在步驟203時，光纖105會使用一例 如能與光學模組110自行對準的光纖埠連接器來對準該模 組 110。 5 在步驟204時，VCSEL 102會射出發散光束120，其在 步驟205時會被準直透鏡119所平行化而形成準直光束12ι 來在該模組110的介質中導進。在步驟206時，該準直光束 121會由介面111以全内反射(TIR)迴轉一角度，而形成全反 射光束122。此角度可為90度，但亦可更大或更小，乃取決 10 於一特定實施例的雷射源102之射束發散性及/或其它的 性質而定。在光學領域中係已公知··當光以一大於或等於 一 臨界角 的角度照射在一介面上（該介面係介於一折 射率n = np的射入介質與一折射率n = nG的外部介質之間而 np>n〇)時，該光即會全内反射(TIR)。由於大部份的光學聚 15 合物其np係約在1·43至1.73之間，而外部介質一般可為空氣 或鈍氣，其折射率nG幾近於一定值。 反射光束122嗣會傳經該模組110的聚合物介質，而射 擊到多介面分光器112的内/外介面113，在步驟207時該光 束會被分裂成進入内部介質的部份反射光束123和進入外 20部介質的部份折射光束125。該部份反射光束123會在步驟 208被聚焦透鏡116聚焦而形成會聚光束124，其會例如被光 檢測器103所捕捉。該部份折射光束125會通過外部介質， 並在步驟209射擊到分光器112的外/内介面114，而再分裂 成外反射光束126及内折射光束129。該二信113和114的定 1286617 向配合表面111的定向，將可確保光束129的主射束在步驟 210被光纖接面透鏡118聚焦形成光纖接面光束130之後，能 在步驟211時垂直地照射在預先對準的光纖1〇5上。該外反 射光束126會通過該外部介質，而在步驟212射擊到該分光 5器112的外/内介面115，並在該處部份地折射成内折射光 束127，其嗣在步驟213會被聚焦透鏡117聚焦成會聚光束 128，並例如在步驟214被光檢測器1〇4所捕捉。 該二（或多個）檢測器103、1〇4的目的包括監測該雷射源 102所發射之光訊號的強度；提供經由單一光纖1〇5的雙向 10傳訊；及鎖定雷射源102的波長。針對最後一個目的，係可 利用二檢測器103、1〇4，其中之一者在其光徑，例如内折 射光徑127中設有窄帶（半寬通帶典型<〇5nm)的干涉濾波 為或一標準具。由該二檢測器所產生的訊號會提供該雷射 源102波長的測量值，並可藉改變操作條件(如驅動電流)及 15 /或外部環境條件(如雷射溫度），而來將傳輸光穩定化成一 所需波長。 本發明的實施例並不限於第丄圖所示的光徑，而亦可包 括月b夠貝現本發明之原理的各種不同構造，包括MR迴光 部，及利用由-斜傾、平行、或楔形空氣/聚合物介面之 反射來搭接和監測傳輸信號光束的裝置等等。第3八〜3^圖 乃不出一不同的結構物，分別可產生一偏離且平行於輸入 光束軸的輪出光束，即在表面311呈9〇度迴轉，或在表面糾 呈非90度轉向再被表面343和344折射來補償。於第3a圖所 示的模組中，VCSEL雷射源搬會射出發散光束12〇，其 1286617 會被整合於模組310的準直透鏡119調直而形成準直光束 121。該光束121又會在介面311處以全内反射(TIR)來反射 一90度角312，而形成水平光束322。一氣隙分光器315包含 二平行的部份反射介面313、314，它們係被設成斜向於該 5 水平光束322,使該光束322會在第一介面313朝上折射而形 成折射光束325，並在第二介面314再度折射而形成一平行 於水平光束322的偏移光束329。該模組310已被構型定向成 能使該偏移光束329位於一適當高度，以便藉該整合的光纖 接面透鏡118來將之精確地聚焦在光纖1〇5上。 10 同樣地，在第3B圖的模組340中，該VCSEL光源102會 射出發散光束120，其會被整合於模組340的準直透鏡119調 直而形成準直光束121。該光束121又會在介面341處以全内 反射來反射一非90°角342，而形成斜射光束352。楔狀氣隙 分光裔345含有·一不千4亍的部份反射介面343、344，它們會 15被設成能使光束352在第一介面343處向上折射而形成折射 光束355，並在第二介面344處再度折射而形成偏移光束 359 ’其會對準且平彳于於该光纖1〇5的轴心。該模組340已被 預先構型及定向’因此該偏移光束329能被整合的光纖接面 透鏡118準確地聚焦在光纖1〇5上。大體而言於第3A圖中模 2〇 組3會比弟3B圖中的模組340更為有利，因其光學性能以 及易製造性較佳。 第4、5、6圖分別示出可產生多數光徑的不同結構體。 第4圖示出一可供雙向傳接的光學模組41〇。該VCSEL 102會射出發散光束120,其會被整合的透鏡419調直而形成 25準直光束421。該光束421會被TIR介面411以非9〇。角反射而 11 1286617 形成向下斜射光束422。在氣隙分光器412的楔形介面413 處’該光束422會被部份反射來形成光束423並被部份折射 來形成光束426，光束426會通過介面415而形成輸出光束 429，其會被光纖接面透鏡118聚焦於整合埠連接器4〇5中的 5 光纖105上。該部份反射光束423又會在TIR介面414處反射 而形成監測光束424，其會穿過介面416而射在監視檢測器 404上。另由該光纖105所接收的光束會被透鏡118所調直， 並循光束429和426的路徑往回運行。在介面413處，該接收 光束會被部份反射而形成光束430，（其嗣會被傳接檢測器 10 403所檢測）’並會被部份折射而循光束422和421的路徑在 介面411處通過TIR轉向部，嗣再穿過準直透鏡419，而射入 位於VCSEL光源1〇2後方的監測二極體4〇2上。 或者，在該介面413上亦可佈設一薄膜光學塗層，其具 有二種功能：（1)將所接收的訊號光束衰減至一所需的程 15度，（2)造成一第二監測光束，其能被一裝在底下的光電二 極體檢出。一單獨的傳訊光纖係可用來對該傳接模組傳送 及由之接收資訊。本發明的實施例在傳輪光徑帶有要輸入 光纖的訊號時亦可使用，其可經由第二光徑來被監測，並 能沿-第三光徑來導引一接收訊號。若該接收訊號的波長 20係與傳出波長區分不同，則該模組41〇可成為一雙徑傳接器 的一部份，例如能送出155〇nm而接收m〇nm的波長，而以 雙向傳訊模式來操作。該兩種訊號(即傳出和接收)的資訊將 能通過同-光纖而不會互相干擾，因為它們係為不同的波 長。進入的訊號可利用介面化上的薄膜塗層來導至適當的 12 1286617 檢測器，該塗層係例如可反射1310nm而傳出1550nm的波 長。 開放光纖控制係為一種技術’其可供一傳訊系統檢測 一光傳訊通道是否已被建立，即由傳送器至接收器的封閉 5迴路是否已形成。利用該開放光纖控制，則送入一光纖中 的強度將可增加，故能容許更長的傳訊距離及/或更佳的 訊號品質，並仍可符合肉眼安全性的要求。一種進行開放 光纖控制的方法係使用傳接器對，而令第一傳接器的傳送 器連接於第一傳接器的接收器，同時該第二傳接器的傳送 10态則連接於第一傳接器的接收器。該第一與第二傳接器的 構造相同’但並不一定要限制為第4圖所示的光學模組 410 〇 第5圖示出一光學模組51〇,其具有一TIR傳輸光徑並在 二楔形結構處形成部份内反射，而能0)將傳送光束衰減至 15所需程度；（2)產生一監測光徑；及(3)將傳送光束偏移至一 高於或低於輸入光束軸心的光纖埠高度。該VCSEL 1〇2會 射出發散光束120，其會被整合透鏡519調直而形成準直光 束521。該光束521會被TIR介面511以90度轉向反射而形成 水平的反射光束522。在第一楔形介面512處，該光束522會 2〇被部份折射而形成輸出光束524(其在本例中會被略除），並 被4份地反射而形成内部光束523。在第二楔形介面513處， 忒内部光束523會被部份地反射而形成水平的輸出光束 529，其嗣會被透鏡ns聚焦於埠連接器4〇5内的傳送光纖 105上。該水平輸出光束529會平行但偏離於水平的反射光 13 1286617 束522來導進。 第6圖係示出一光學模組610可提供一TIR傳輸光徑，其 中有一TIR介面具有曲率，除了能如第1至5圖所示地反射準 直光束外，同時亦能聚焦反射光束。該VCSEL 102會發射 5發散光束120，其在介面612處會被部份折射而形成發散光 束621，並被部份反射而形成監测光束62〇照射在監視檢測 器603上。該發散光束621會被彎曲的tir介面611同時地反 射及5^焦，而形成輸出光束622，其會聚焦在埠連接器405 中的傳輸光纖105上。又在介面613處，有部份的輸出光束 10 622會反射來形成取樣光束623 ,其會在TIR介面614處反射 而形成監測光束624，並將會穿過介面615來形成監測光束 625而照射在監視檢測器6〇4上。 該單塊的全聚合物成型技術可容埠連接器4〇5(其能包 含各種連接器）與各光學模組410、510、610來成型為一體 15整合的單件。於表面安裝技術中，各種構件例如電容器、 電阻裔及1C等，會被使用環氧樹脂、焊劑、或其它黏劑， 並藉檢取置放機具以垂直置放動作來固設於例如一PCB基 板的表面上，在各光學模組410、510、610中亦職具結構表 面和對準構造，可供透鏡被安裝在-PCB的表面上，如前 20 所述。 雖本毛月與其優點已詳細描述如上，惟應可瞭解仍有 各種艾化、替代、修正可被實施，而不超出所附申請專利 範圍所界疋之本發明的精神與範.。又，本案的範圍並不 \限於况明書中所述之特定實施例的程序、機具、製法、 14 1286617 材料成分、裝置、方法和步驟等等。因為該領域的專業人 =將易可由本發明所揭之程序、機具、製法、材料成 Ά置、方法，步驟等，以目前已知或日後可能研發的 技術，來達到與前揭各實施例相同的功效或成果。因此， 5所附申請專利範圍期能將該等程序、機具、製法、材料成 分、裝置、方法或步驟等包含在其範圍内。 【圖式簡單說明】 第1圖為-示意圖示出本發明一實施例之小成型係數 全聚合物整合光學模組的結構和功能； 1〇 帛2圖係為一流程圖200示出本發明實施例之光學總成 100的操作； 〜 第3A〜3B圖示出二不同的結構可產生一輸出光束偏 離而平行於輸入光束軸； 第4圖示出可雙向傳接的光學模組41〇 ; 15 第5圖示出一光學模組510,能提供一TIR傳輸光徨而在 -一模狀結構處形成部份内反射；及 第6圖示出一光學模組61〇,可提供一TIR傳輪光徑，其 中有一TIR介面具有曲率除了可反射準直光束外亦能同時 聚焦該反射光束。 20 【圖式之主要元件代表符號表】 100…光學總成 101…基板 102---VCSEL 103，104…光檢測器 15 1286617 105…傳接光纖 110···光學模組 111···全内反射介面 112···分光器 113，114，115，411，413，415，416，511，512，513，611， 612，613，614，615…介面 116，117…聚焦透鏡 118，130···光纖接面透鏡 119···準直透鏡 120…發散光束 121，421，521…準直光束 122…全反射光束 123…部份反射光束 124，128…會聚光束 125…部份折射光束 126···外反射光束 127，129…内折射光束 130···光纖接面光束 131〜140···結構表面 200…流程圖 201〜214···各步驟 310，340，410，510，610…光學模組 311，341，343，344…表面 313，314，343，344…部份反射介面 16 1286617 312…90°角 315，345…氣隙分光器 322…水平光束 325，355，426，524，621 …折射光束 329，359…偏移光束 342···非 90° 角 352，422…斜射光束

402…監測二極體 403，404，603，604…檢測器 405…埠連接器 419，519…透鏡 423，430，522，523，623，624…反射光束 424，620，624，625…監測光束 429，529，622…輸出光束

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Claims (1)

1286617 拾、申請專利範圍： h 一種用於一光學總成的單件光學模組，包含： 一全内反射（TIR)介面能使一入射光束迴轉一預定 角度； 至少一分光表面鄰接一空氣隙，該分光表面可部份 地反射一入射光束來形成一部份反射光束，並部份地折 射該入射光束來形成一部份折射光束；及 至少一整合表面可供該單件光學模組與其外部之 a亥光學總成的元件精確地對準。 10 2·如申請專利範圍第1項之光學模組，其中該至少一分光 表面乃包含多數的分光表面而能形成多數的光徑。 3·如申請專利範圍第1項之光學模組，其中該TIR介面含有 曲率。 Μ 4·如巾請專利範圍第1項之光學模組，其中該光學總成更 包各一基板對準鄰接於該單件光學模組，且該基板固設 至少一主動光電元件。 5·如申睛專利範圍第4項之光學模組，其中該至少一分光 表面會與该TIR介面共同配合來偏移一輸出光束的光 徑’使其偏離該至少-主動光電元件的表面有—預定距 20 離。 6·如申睛專利範圍第4項之光學模組，其中該光學總成更 包含-光纖埠正交於該至少一主動光電元件的表面。 7·如申請專利範圍第4項之光學模組，其巾該至少一主動 光電7^件係選自包含垂直空穴表面發光雷射(VCSELs) 18 1286617 與光檢測器的組群。 8. 如申請專利範圍第4項之光學模組，其中該至少一主動 光電元件係使用表面安裝技術來固設於該基板上。 9. 如申請專利範圍第4項之光學模組，其中該至少一整合 5 表面可供該光學模組與該基板對準。 10. 如申請專利範圍第1項之光學模組，其中該光學總成更 包含一傳訊光纖對準鄰接於該光學模組。 11. 如申請專利範圍第10項之光學模組，其中該至少一整合 表面包含一整合的光纖埠連接器，係可供該光學模組與 10 傳訊光纖的對準。 12. 如申請專利範圍第1項之光學模組，其中該至少一分光 表面可由該入射光束來分裂形成至少一光徑以供監測 該入射光束的性質。 13. 如申請專利範圍第12項之光學模組，其中該性質係選自 15 包含強度與波長的組群。 14. 如申請專利範圍第1項之光學模組，係由單一材料的而才 高溫光學聚合物所製成。 15. 如申請專利範圍第1項之光學模組，更一體地包含至少 一選自包含整合透鏡及薄膜光學塗層之組群的光學元 20 件，該薄膜光學塗層係黏附於至少一該分光表面上。 16. —種用於一光學總成之單件光學模組的操作方法，包 含： 獲取一輸入光束； 由一與該單件光學模組一體整合的全内反射(TIR) 19 1286617 介面藉全内反射來迴轉該輸入光束而形成一反射光束； 藉一與該單件光學模組整合之空氣隙鄰接的分光 表面來分裂該反射光束，而形成一部份反射光束與一部 份折射光束；及 5 將一選自該部份反射光束或該部份折射光束的輸 出光束，使用一與該單件光學模組整合的透鏡來聚焦在 一光纖上。 17. 如申請專利範圍第16項之方法，更包含將另一未被選中 的部份反射光束或部份折射光束導引至一光檢測器表 10 面上。 18. 如申請專利範圍第17項之方法，更包含： 以多個鄰接於該空氣隙的分光表面來多次分裂該 反射光束，而形成多數的部份反射光束及部份折射光 束； 15 使用一與該單件光學模組整合的透鏡來將該多數 光束之一者聚焦在一光纖上；及 將該多數光束之另一者導引至一光檢測器的表面 上。 19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中被導引至該光檢測 20 器表面上的光束會被用來監測該入射光束的性質。 20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該性質係選自包含 強度與波長的組群。 21. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該導引步驟更包含 使用一與該單件光學模組整合的聚焦透鏡將該被導引 20 1286617 光束聚焦在該光檢測器的表面上。 22. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該獲取步驟更包 含·· 將一光源固設於一基板； 5 將該基板對準該單件光學模組；及 由該光源發射一輸入光束射入該單件光學模組中。 23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該分光表面會與該 TIR介面共同配合來偏移一輸出光束的光徑，使其偏離 該光源的表面有一預定距離。 10 24.如申請專利範圍第16項之方法，其中該獲取步驟更包含 使用一與該單件光學模組整合的準直透鏡來調直輸入 光束。 25.如申請專利範圍第16項之方法，包含將該光學總成操作 如一傳接器。 15 26.如申請專利範圍第25項之方法，更包含藉單一光纖以被 一監測光束的光徑中所設之光濾波器區分開之二不同 的波長來雙向地操作該傳接器。 27.如申請專利範圍第25項之方法，更包含以開放光纖控制 來操作該傳接器。 21