TWI394395B - 複合功能之波長多工／解多工裝置及其製作方法 - Google Patents

Description

複合功能之波長多工/解多工裝置及其製作方法

本發明是關於一種光分波裝置與波長多工/解多工器，特別是關於一種具複合功能之光分波裝置與高密度波長多工/解多工器。

高密度波長多工器(DWDM,Dense Wavelength Division Multiplexing)之功能在於將多個波長耦合進入一條光纖中或將所有波長加以解調與分離，其最初設計構想是為了滿足長距離傳輸的需求。然而由於DWDM系統的傳送端可將多數個不同波長的光信號結合在同一條光纖上傳送，藉以增加網路之傳輸容量；因此，為因應網際網路的發展及多媒體的實際需要，利用DWDM技術來架構寬頻、高容量與高速的網路系統已經成為該項領域必然的發展趨勢。

DWDM系統的主要關鍵元件為解多工器(Demultuplexer)，其係將同一光纖中具備不同波長的光線分散至不同的光纖；由於DWDM系統的頻道間距相當小，因此，該解多工器必須由具有絕佳分波能力以及窄頻(Narrow-Band)之光學元件組成；而目前適用於該解多工器的元件則包含了光學鍍膜、陣列式光波導元件(AWG)、全光纖式元件、傳統繞射式光柵與稜鏡光柵，.......等等。

就目前相關技術而言，成熟的鍍膜技術有助於光學鍍膜型式之解多工器的製造，其具有對溫度變化較不敏感以及低串訊(crosstalk)的優點，然卻不易得到窄頻寬之訊號且頻道數目亦受到相當限制；AWG解多工器可一次分出多種波長、損耗低且適合量產，然其具有對光偏極特性與溫度變化極為敏感之缺點；另一種藉由光纖光柵式解多工器則獲得窄頻寬訊號，且其插入損耗與串訊較低，然而光纖光柵除對溫度變化相當敏感之外，亦需搭配旋光器之使用來提昇其效能。

相較於上述種種傳統解多工器而言，稜鏡光柵結構則具有易於串接以提高性能、解析多頻道、低串訊、低損耗以及可得窄頻寬訊號等優點，因而極具產業競爭優勢。請參閱第一圖，係一習知之稜鏡光柵的基本結構示意圖；所謂的稜鏡光柵1係結合了稜鏡10與光柵15兩種光學元件之特性，當光線自稜鏡10端入射後，藉由稜鏡10的色散作用與光柵15的分光作用，即可於指定的方向上得到色散之光譜。稜鏡光柵主要分為均勻色散稜鏡光柵(Constant-Dispersion Grism)與直視稜鏡光柵(Direct-Vision Grism)等兩種類型；其中，均勻色散稜鏡光柵常應用於光譜儀中，藉由對兩種光學元件的參數控制而使稜鏡與光柵之間的色散作用相互配合，以得部分均勻色散；至於直視稜鏡光柵則是使用較低色散的光柵與稜鏡之組合來使光線轉折，以使其所產生之淨偏折為零，讓特定波長的光線可以在同一光軸上入射與出射，其常應用於天文光學設備中。

然而就目前的技術而言，無論是使用何種稜鏡光柵、甚或是上述各種傳統解多工器之配置，均必須仰賴元件之間高度精確之對準與組裝，始能達成精密的分光或合光之效果，十分耗費物力與時間成本。

為改善習知技術中之上述缺失，申請人經悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，提出本案「複合功能之波長多工/解多工裝置及其製作方法」；其係以稜鏡光柵結構為基礎，利用一體成型製作方式而無須對所含之光學元件進行對準與組裝，即可得一複合功能之波長多工/解多工裝置；不但可以節省其物力與時間成本，亦可避免因光學元件的對準與組裝過程中所引入之人為誤差而導致色差的產生使光學整體效率降低。

本發明提供了一種波長多工/解多工裝置，其包含一基板，該基板具有至少一第一與一第二溝槽，該第二溝槽之位置係位於該第一溝槽之一側且對應至該第一溝槽；一第一垂直曲率的柱狀透鏡與一第二水平曲率的柱狀透鏡，其分別位於該第一溝槽與該第二溝槽處，用以準直自外部所輸入之光束；一分光裝置，其位於該基板上，且該分光裝置更包含一稜鏡光柵，以對經該第一垂直曲率的柱狀透鏡與該第二水平曲率的柱狀透鏡準直之光束進行分波。

根據上述構想，其中該波長多工/解多工裝置更包含至少一第三水平曲率的柱狀透鏡，其位於該基板上預先形成之至少一第三溝槽處，以會聚經該分光裝置分波之光束。

根據上述構想之第二水平曲率的柱狀透鏡與第三水平曲率的柱狀透鏡另可與本發明分光裝置，即一稜鏡光柵結為一體而形成複合式分光裝置，因而所對應之該等第二溝槽與第三溝槽皆可省略。

根據上述構想，其中該等溝槽與該等複合式分光裝置係以一體成形方式預先形成於該基板上。

根據上述構想，其中該基板係選自一無機基板、一有機基板與一複合基板其中之一。

根據上述構想，其中該無機基板係選自矽基板、二氧化矽或熔融石英(fused silica)、玻璃基板、石英基板、藍寶石(Sapphire)基板與硒化鋅(ZnSe)基板，砷化鎵(GaAs),磷化銦(InP).....等無機基板其中之一即可。

根據上述構想，其中該有機基板係選自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基板、聚碳酸酯(PC)基板、環狀烯烴聚合物(COC)基板與SU-8基板,......等等有機材料其中之一即可。

根據上述構想，其中該複合基板係包含一無機基板以及旋塗於該無機基板上之至少一有機材料。

根據上述構想，其中該有機材料係選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、環狀烯烴聚合物與SU-8其中之一。

根據上述構想，其中該複合基板係包含一無機基板以及沈積(deposit)或磊晶(epitaxy)於該無機基板上之至少一無機材料。

根據上述構想，其中該無機材料係選自矽基板、二氧化矽或熔融石英、砷化鎵與磷化銦、硒化鋅,.......等等無機材料其中之一即可。

根據上述構想，其中該等柱狀透鏡的表面結構可包含球面、非球面、雙曲線面、拋物面、橢圓面或超環面(Toroidal),...等等任意曲面可使光線偏折之透鏡面其中之一即可。

根據上述構想，其中該稜鏡光柵更包含閃耀式(Blazed)光柵、直角階梯Echelle光柵、自準式Littrow光柵與曲面光柵,....等等具備分光效應之週期性結構其中之一。

根據上述構想，其中該稜鏡光柵的基座結構可包含平面、球面、非球面、雙曲線面、拋物面、橢圓面或超環面,...等等任意曲面可使光線偏折之透鏡面其中之一即可。

根據上述構想，其中該稜鏡光柵之表面可包含一反射層。

根據上述構想，其中該波長多工/解多工裝置係用於波長可調式雷射系統、生醫光譜檢測系統、生化光譜檢測系統、環保光譜檢測系統、生理資訊檢測系統與光譜儀分波系統,....等等需檢測光譜訊號之相關應用其中之一。

本發明提供一種波長多工/解多工裝置，其包含一基板，該基板具有至少一第一、一第二溝槽，其中該第二溝槽之位置係位於該第一溝槽之一側且對應至該第一溝槽；一第一垂直曲率的柱狀透鏡與一第二水平曲率的柱狀透鏡，其各位於該第一溝槽處與該第二溝槽處，用以準直自外部所輸入之光束；一分光裝置，其位於該基板上，且該分光裝置更包含相鄰串接排列之多數個稜鏡光柵，以對經該第一垂直曲率的柱狀透鏡與該第二水平曲率的柱狀透鏡準直之光束進行分波。

根據上述構想之第二水平曲率的柱狀透鏡與第三水平曲率的柱狀透鏡，另可與本發明串接排列之多數個稜鏡光柵結為一體而形成串接複合式分光裝置，因而所對應之該等第二溝槽與第三溝槽皆可省略。

根據上述構想，其中該等溝槽與該等串接複合式分光裝置係以一體成形方式預先形成於該基板上。

本發明提供一種用以製造波長多工/解多工裝置之方法，其中該波長多工/解多工裝置具有複數之光學元件，該方法包含下列步驟：(a)提供一基板；(b)於該基板上定義複數個位置；並同時定義分光裝置的圖形，或包含一稜鏡光柵與前後對應之第二水平曲率的柱狀透鏡與該第三水平曲率的柱狀透鏡(一體成型而成為複合式分光裝置)，與相關之脊狀(或埋層)波導結構之圖形(c)於該基板上形成與該等位置對應之複數溝槽與複合式分光裝置及相關之脊狀(或埋層)波導結構(有光罩法與免光罩法)；以及(d)將其他之各該等柱狀透鏡置入所對應之各該等溝槽，以排列形成該波長多工/解多工裝置。

根據上述構想，其於步驟(b)中，係以一半導體微影曝光製程而利用至少一光罩定義該等位置與該光學元件。

根據上述構想，其於步驟(b)中，另可無須使用光罩法，而係以一電腦輔助設計方式而利用一電腦設計圖面定義該等位置而利用雷射光、電子束、分子束、離子束、X射線束等進行曝光、光束直寫方式，沈積等方式或超精密鑽石加工方式形成該光學元件。

根據上述構想，其於步驟(c)後更包含下述步驟：(c1)產生該基板之一對應模仁；以及(c2)根據該對應模仁而形成一翻製基板。

根據上述構想，其於步驟(c1)中，係以一金屬電鑄製程形成該對應模仁。

根據上述構想，其於步驟(c2)中，係以一熱壓成形製程、一滾壓成形製程、一射出成形製程與一玻璃模造製程其中之一而形成該對應模仁。

請參閱第二圖，其係本發明之波長多工/解多工裝置中所應用之一習知閃耀式光柵的結構示意圖；該閃耀式稜鏡光柵2是由一轉折稜鏡20與一閃耀光柵25搭配所形成，藉其可使得光線之特定波長在特定的方向上具有幾達百分之百的繞射效率；該轉折稜鏡20是由兩稜鏡201與202所組成，舉例而言，該稜鏡201具有之頂角為E而其折射率為n_p ，而該稜鏡202之折射率則為n_g ；此外，該閃耀光柵25之單一週期為d、閃耀角為β、而相對於單一週期d的傾斜面之光線入射與出射角度則分別為δ與δ’。

當光線L以一入射角度A入射該稜鏡201時，即以一折射角B折射經該稜鏡201，而接著以一入射角C入射該稜鏡202，並以一折射角D折射後進入該閃耀光柵25。在許多習知文獻中已經由計算證實，利用此一閃耀式稜鏡光柵2之結構可在光線繞射階上獲得最大繞射效率；因此，為進一步提昇本發明之波長多工/解多工裝置的性能，在本發明之較佳實施例中，係以此一閃耀式稜鏡光柵結構為設計基礎，然必須注意的是，其他種類的稜鏡光柵結構亦可應用於本發明之波長多工/解多器中，例如直角階梯Echelle稜鏡光柵、自準式Littrow稜鏡光柵與曲面稜鏡光柵等。

請參閱第三圖(A)與(B-1)，其分別為根據本發明第一實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖與分離式分光裝置側視圖；該波長多工/解多工裝置3包含一基板30，該基板30上具有已預先利用微機電製程所形成之至少一第一溝槽301與一第二溝槽302，在本實施例中，該第二溝槽302之位置係位於該第一溝槽301之下游側；在以微機電製程形成該等溝槽301、302的過程中，亦同時以微機電製程定義並形成該波長多工/解多工裝置3的分光裝置，即一稜鏡光柵35。而構成該波長多工/解多工裝置3所需之複數柱狀透鏡，例如一垂直柱狀透鏡31與一水平柱狀透鏡32，則分別置於該第一溝槽301與該第二溝槽302中。

當一光纖38輸入一光束L至該波長多工/解多工裝置3時，該垂直柱狀透鏡31即將垂直於該基板30方向的光線準直，而平行於該基板30方向的光線則以近似球面波的方式均勻擴散；經準直之垂直光線與擴散之平行光線則同時入射該水平柱狀透鏡32。該水平柱狀透鏡32係一經設計之非球面柱狀透鏡，其可準直該擴散之平行光線。至此，原本經由該光纖38所輸入之近似於點光源球面波的擴散光束L已轉化為呈現扇方型體狀之準直光束，並續而入射該稜鏡光柵35。如前所述，該稜鏡光柵35之稜鏡結構可將入射光束色散及偏折，而其光柵結構即對經色散與偏折的光束進行分波(即解多工)，經分波之光束則以平行該基板30之方向而自該稜鏡光柵35出射。為匯聚自該稜鏡光柵35出射之光束，該波長多工/解多工裝置3更包含其他的柱狀透鏡，例如水平柱狀透鏡33與垂直柱狀透鏡34，以分別將出射光束匯聚成一組離散分佈之聚焦線(圖中未示)並進而將該組聚焦線匯聚成一組離散分佈之聚焦點S₀ ；舉例而言，該組聚焦點S₀ 之分佈間距即後續之接收端39的影像感測器之畫素尺寸、或是光纖陣列的間距。

同樣地，該水平柱狀透鏡33與該垂直柱狀透鏡34亦置於該基板30上預先形成之一第三溝槽303與一第四溝槽304中。

此外，根據本發明，該波長多工/解多工裝置亦可包含由複數之稜鏡光柵彼此相鄰串接而形成之一分光裝置；請參閱第四圖(A)與(B-1)，其分別為根據本發明第二實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖與分離式分光裝置側視圖。相較於第三圖(A)與(B-1)所示者，在此一實施例中，在基板30上形成該等溝槽301、302、303與304時，亦同時形成在該基板30上形成一第一稜鏡光柵351與一第二稜鏡光柵352，最後在將複數之柱狀透鏡31、32、33、與34對應容置至該等溝槽301、302、303與304中，而構成該波長多工/解多工裝置3。藉由串接之該等稜鏡光柵351與352的複合作用，將可達到更高解析度、更高分波密度之特殊用途。而必須注意的是，所使用之稜鏡光柵的種類與串接數目係根據實際工作波段而設計，並不僅限於此一實施例。

在本發明中，用以容置該等柱狀透鏡之溝槽，相鄰之水平曲率的柱狀鏡以及該等稜鏡光柵是以一體成型的方式而形成於基板上，所以上述之複數之柱狀透鏡32與33亦可與本發明第一實施例之分光裝置，即一稜鏡光柵35或第二實施例之分光裝置，即一稜鏡光柵351與352等結為一體而形成複合式分光裝置，因而所對應之該等溝槽302與303即可省略，請參閱第三～四圖(A)與(B-2)，其分別為根據本發明第二與第三實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖與複合式分光裝置側視圖。而基板種類係依所設計之工作波段而定，而可選自矽基板、玻璃基板、(熔融)石英基板、藍寶石基板、磷化銦與硒化鋅基板，....等等無機基板，或是選自聚甲基丙烯酸甲酯基板、聚碳酸酯基板、環狀烯烴聚合物基板與SU-8基板，....等等有機基板；亦可採用一複合基板，該複合基板可包含一無機基板以及旋塗於該無機基板上之一有機材料、或是該複合基板亦可包含一無機基板以及沈積或磊晶於該無機基板上之一無機材料，其中該有機材料係選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、環狀烯烴聚合物與SU-8，....等等其中之一。而該無機材料係為二氧化矽、砷化鎵、硒化鋅或磷化銦，....等等其中之一。

在本發明中，亦可使用其他型態的柱狀透鏡，例如球面透鏡、非球面透鏡、雙曲線面透鏡、拋物面透鏡、橢圓面透鏡或是超環面透鏡等，其皆具有準直或匯聚光束的效果；而所使用之稜鏡光柵除包含基本的直式稜鏡光柵之外，亦可使用閃耀式稜鏡光柵、直角階梯Echelle稜鏡光柵、自準式Littrow稜鏡光柵、或是曲面稜鏡光柵等。而曲面稜鏡光柵的基座結構可包含球面、非球面、雙曲線面、拋物面、橢圓面或超環面,...等等任意曲面可使光線偏折之透鏡面其中之一即可。

請參閱第五圖，係根據本發明第三較佳實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖；相較於前述實施例所示者，在此一實施例中係使用一凸面稜鏡光柵35’作為該波長多工/解多工裝置3之分光裝置，藉此，自該凸面稜鏡光柵35’射出之光束即不再沿平行該基板30之方向前進，然同樣可以實現高波長解析度與高通道密度之多工/解多工裝置的設計；至於該波長多工/解多工裝置3所包含之其他構件則與前述實施例所包含者完全相同，在此即不再加以贅述。而該凸面的基座結構可包含球面、非球面、雙曲線面、拋物面、橢圓面或超環面,...等等任意曲面可使光線偏折之透鏡面其中之一即可。

請參閱第六圖，係根據本發明第四較佳實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖；該波長多工/解多工裝置4包含一基板40，該基板40上具有已預先利用微機電製程所形成之至少一第一溝槽401與一第二溝槽402，在本實施例中，該第二溝槽402之位置係位於該第一溝槽401之下游側；在以微機電製程形成該等溝槽401、402的過程中，亦同時以微機電製程定義並形成該波長多工/解多工裝置4的分光裝置，即一稜鏡光柵45。而構成該波長多工/解多工裝置4所需之複數柱狀透鏡，例如一垂直柱狀透鏡41與一水平柱狀透鏡42，則分別置於該第一溝槽401與該第二溝槽402中。

與前述實施例不同的是，在此一實施例中，在該稜鏡光柵45光線出射面具有一金屬反射層46；舉例而言，可使用一自準式Littrow稜鏡光柵作為該波長多工/解多工裝置4之分光裝置，而形成一反射式波長多工/解多工裝置。一輸入光點Si所提供之光束L係自光纖48處入射該垂直柱狀透鏡41，該光束L經該垂直柱狀透鏡41與該水平柱狀透鏡42準直後，即由該稜鏡光柵45加以色散與分光，並藉由該金屬反射面46反射而於與該光纖48同側之輸出光纖47處出射形成輸出光點So。

同樣考慮一體成型的方式而形成於基板上時，在本發明中第五圖與第六圖中之複數之柱狀透鏡32與42亦可與本發明第三實施例之分光裝置，即一稜鏡光柵35或第四實施例之分光裝置，即一稜鏡光柵45等結為一體而形成複合式分光裝置，因而所對應之該等溝槽302與402即可省略。

在本發明中，所提供之該等波長多工/解多工裝置產生的相鄰分波輸出光點之間距已遠小於單模光纖的直徑，若進一步搭配脊狀(或埋層)導光結構(或波導)之使用，將有助於其與輸出光纖或後續之影像感測器之耦合；關於此部份之實施例請見第七圖至第十圖。

請參閱第七圖至第十圖，係分別根據本發明第五至第八較佳實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖；該等波長多工/解多工裝置4主要係由配置在一基板40上的一垂直柱狀透鏡41、一水平柱狀透鏡42、一稜鏡光柵45(其表面含一金屬反射層46)、與複數之波導結構所組成，其中該波導結構包含了兩部分-分別為脊狀波導結構471與各別之梯形脊狀波導472與472’、473與473’、474與474’以及475與475’。在第七圖至第十圖中，分別清楚表示了該等脊狀波導結構471以及梯形脊狀波導472(472’)、473(473’)、474(474’)、475(475’)與該波長多工/解多工裝置4之其他元件之間的配置關係；其中，在第七圖所示之第五實施例中，光束輸入端的梯形脊狀波導結構472與光束輸出端的梯形脊狀波導結構472’係位於同一側，且位於靠近光束入射/出射端；在第八圖所示之第六實施例中，光束輸入端的梯形脊狀波導結構473與光束輸出端的梯形脊狀波導結構473’係位於同一側，然該等梯形脊狀波導結構473、473’係位於靠近輸入光點Si與輸出光點So端；在第九圖所示之第七實施例中，光束輸入端的梯形脊狀波導結構474與光束輸出端的梯形脊狀波導結構474’亦同樣位於同一側，且該等梯形脊狀波導結構474、474’亦同樣位於靠近輸入光點Si與輸出光點So端，然與第六實施例不同的是，在本實施例中，該等脊狀波導結構471並非蜿蜒之型態，其可減少所需之基板區域；最後，在第十圖所示之第七實施例中，光束輸入端的梯形脊狀波導結構475與光束輸出端的梯形脊狀波導結構475’則不位於同一側，其配置位置係如圖所示，分別位於輸入光點Si端與輸出光點So端(即輸出端49)。

必須注意的是，上述之種種波導結構的配置僅為說明本發明之較佳實施例之用，然波導結構的實際配置方式係可參考實際需求而加以設計。第七圖至第十圖中之光束輸出端的梯形脊狀(或埋層)波導結構安排位置皆可任意交換，輸出端也不限制於圖面之上下側，亦可安排於左右側，端視整體系統之考量。

本發明亦提供了一種波長多工/解多工裝置的製造方法；請參閱第十一圖，係根據本發明之波長多工/解多工裝置的製造流程示意圖。其製造流程說明如下：首先，提供一基板，如步驟1101所示；所選擇之基板種類係依所設計之工作波段而定，可選自矽基板、二氧化矽基板、玻璃基板、(熔融)石英基板、藍寶石基板、砷化鎵，磷化銦與硒化鋅基板,......等等無機基板，或是選自聚甲基丙烯酸甲酯基板、聚碳酸酯基板、環狀烯烴聚合物基板與SU-8基板,......等等有機基板；亦可採用一複合基板，該複合基板可包含一無機基板以及旋塗於該無機基板上之一有機材料、或是該複合基板亦可包含一無機基板以及沈積或磊晶於該無機基板上之至少一無機材料，其中該有機材料係選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、環狀烯烴聚合物與SU-8,......等等，而該無機材料係為矽基板、二氧化矽、熔融石英、砷化鎵、磷化銦或硒化鋅,......等等其中之一。

其次，在該基板上定義多數個溝槽位置，並同時定義分光裝置的圖形或包含一稜鏡光柵與前後對應之第二水平曲率的柱狀透鏡與該第三水平曲率的柱狀透鏡(一體成型而成為複合式分光裝置)，與相關之脊狀(或埋層)波導結構圖形，如步驟1102所示；在此步驟中，可選擇兩類方式進行一則為產生光罩法：係以一半導體微影曝光製程而利用至少一光罩定義該等位置與該稜鏡光柵之圖形，或是另一為免光罩法：係以一電腦輔助設計方式而利用一電腦設計圖面定義該等位置而利用雷射光、電子束、分子束、離子束、X射線束等進行曝光、光束直寫方式，沈積等方式或超精密鑽石加工方式形成該稜鏡光柵之圖形。

接著於該基板上形成與該等位置對應之複數溝槽與該分光裝置或包含一稜鏡光柵與前後對應之第二水平曲率的柱狀透鏡與該第三水平曲率的柱狀透鏡(一體成型而成為複合式分光裝置)，與相關之脊狀(或埋層)波導結構，如步驟1103所示；進行至此，則已完成本發明方法的主要步驟而得一雙溝槽、複合式分光裝置與相關之脊狀(或埋層)波導等一體成形之結構，接著僅需將各種所需之柱狀透鏡分別置入該基板上所形成之該等溝槽，如步驟1104所示，即可完成本發明方法而得到一無須對準之波長多工/解多工裝置。

在上述之本發明方法中，所使用的曝光製程可為一半導體微影黃光曝光製程；在利用該光罩定義該等溝槽與稜鏡光柵後，即施行黃光曝光，並將所定義的圖案蝕刻入基板中；亦可利用電子束曝光方式、雷射直寫微加工或投影微加工方式、光學步進曝光方式與離子束曝光方式等製程，配合各種習用之化學氣相沉積系統、超精密鑽石加工機、微放電加工系統等具備蝕刻、沉積、切割、輪磨與鑽研等製程而實施。

此外，為了提高製作效率以降低成本，亦可利用金屬電鑄製程(LIGA)來大量翻製本發明之波長多工/解多工裝置。請再次參閱第十一圖，在基板上形成與該等位置對應之複數溝槽與該稜鏡光柵(步驟1103)之後，即可利用金屬電鑄製程方式或是超精密鑽石加工製程來產生一個對應於該基板的模仁結構，如步驟11031所示；接著再對應該模仁結構而大量翻製該基板，如步驟11032所示；最後將各種所需之柱狀透鏡分別置入該基板上所形成之該等溝槽，如步驟1104所示，即可完成本發明方法而得到一無須對準之波長多工/解多工裝置。

在上述之步驟11032中，主要是以熱壓方式、滾壓方式或射出成形等等大量複製程序方式來翻製該基板結構；然在其他實施例中，亦可使用玻璃模造方式來進行該等光學元件之熱壓模造生產。

本發明之波長多工/解多工裝置係結合了稜鏡光柵、各種具有聚焦或準直功能的耦合曲面與水平曲率與垂直曲率的柱狀鏡、以及波導結構，可將光束自三維空間耦合至二維或三維之具複合功能的波長多工/解多工裝置。相較於習知技術而言，由於本發明之波長多工/解多工裝置中主要的光學元件-分光裝置(即稜鏡光柵)係以結合前後之水平曲率的柱狀鏡方式而成為一體成形的複合式分光裝置而在形成基板溝槽時即形成於該基板上，因而無須複雜的對準與測試，即可達成高密度、高解析度之波長多工/解多工裝置，更有助於在該波長多工/解多工裝置中串接多個複合式分光裝置結構以形成更高密度、更高解析度之波長多工/解多工裝置。此外，本發明之波長多工/解多工裝置適用於波長可調式雷射系統、生醫光譜檢測系統、生化光譜檢測系統、環保光譜檢測系統、生理資訊檢測系統、以及光譜儀分波系統等，其具有複合之功能且應用層面相當廣泛。因此，本發明之波長多工/解多工裝置及其製造方法極具應用優勢，實屬一符合產業界需要、極具競爭性之複合功能波長多工/解多工裝置與製造方法。

綜上所述，本案實為一新穎、進步且具產業實用性之發明，深具發展價值。本發明得由熟悉技藝之人任施匠思而為諸般修飾，然不脫如附申請範圍所欲保護者。

1．．．稜鏡光柵

10．．．稜鏡

15．．．光柵

2．．．閃耀式稜鏡光柵

20．．．轉折稜鏡

201．．．稜鏡

202．．．稜鏡

25．．．閃耀光柵

3．．．波長多工/解多工裝置

30．．．基板

31．．．垂直曲率的柱狀透鏡

32．．．水平曲率的柱狀透鏡

33．．．水平曲率的柱狀透鏡

34．．．垂直曲率的柱狀透鏡

35．．．稜鏡光柵

351．．．稜鏡光柵

352．．．稜鏡光柵

38．．．光纖

39．．．輸出端

4．．．波長多工/解多工裝置

40．．．基板

41．．．垂直曲率的柱狀透鏡

42．．．水平曲率的柱狀透鏡

45．．．稜鏡光柵

46．．．反射層

47．．．輸出光纖

471．．．脊狀波導結構

472,472’,473,473’,474,474’,475,475’．．．梯形脊狀波導結構

48．．．輸入光纖

49．．．輸出端

L．．．光束

Si．．．輸入光點

So．．．輸出光點

1101~1104．．．步驟

第一圖係一習知之稜鏡光柵的基本結構示意圖；

第二圖係本發明之波長多工/解多工裝置中所應用之一習知閃耀式光柵的結構示意圖；

第三圖(A)、(B-1)與(B-2)，係分別為根據本發明第一實施例之波長多工/解多工裝置上視圖與分離式及複合式分光裝置側視圖；

第四圖(A)、(B-1)與(B-2)，其分別為根據本發明第二實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖與分離式及複合式分光裝置側視圖；

第五圖，係根據本發明第三較佳實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖；

第六圖，係根據本發明第四較佳實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖；

第七圖，係根據本發明第五較佳實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖；

第八圖，係根據本發明第六較佳實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖；

第九圖，係根據本發明第七較佳實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖；

第十圖，係根據本發明第八較佳實施例之波長多工/解多工裝置之上視圖；以及

第十一圖，係根據本發明較佳實施例之波長多工/解多工裝置製造流程示意圖。

3．．．波長多工/解多工裝置

30．．．基板

31．．．垂直曲率的柱狀透鏡

32．．．水平曲率的柱狀透鏡

33．．．水平曲率的柱狀透鏡

34．．．垂直曲率的柱狀透鏡

35．．．稜鏡光柵

Claims (22)

1. 一種波長多工/解多工裝置，其包含：一基板，具有至少一第一與一第二溝槽，該第二溝槽之位置係位於該第一溝槽之一側且對應至該第一溝槽；一第一垂直曲率的柱狀透鏡與一第二水平曲率的柱狀透鏡，其分別位於該第一溝槽與該第二溝槽處，用以準直自外部所輸入之光束；一分光裝置，其位於該基板上，且該分光裝置更包含一稜鏡光柵，以對經該第一垂直曲率的柱狀透鏡與該第二水平曲率的柱狀透鏡準直之光束進行分波；其中該波長多工/解多工裝置更包含至少一第三水平曲率的柱狀透鏡，其位於該基板上預先形成之至少一第三溝槽處，以會聚經該分光裝置分波之光束；其中該等溝槽與該稜鏡光柵係以一體成形方式預先形成於該基板上。
2. 如申請專利範圍第1項之波長多工/解多工裝置，其第二水平曲率的柱狀透鏡與第三水平曲率的柱狀透鏡另可與本發明分光裝置，即一稜鏡光柵結為一體而形成複合式分光裝置，因而所對應之該等第二溝槽與第三溝槽皆可省略。其中該等溝槽與該等複合式分光裝置係以一體成形方式預先形成於該基板上。
3. 如申請專利範圍第1項之波長多工/解多工裝置，其中該基板係選自一無機基板、一有機基板與一複合基板其 中之一。
4. 如申請專利範圍第3項之波長多工/解多工裝置，其中該無機基板係選自矽基板、玻璃基板、二氧化矽或熔融石英基板、藍寶石基板、砷化鎵、磷化銦與硒化鋅無機基板其中之一。
5. 如申請專利範圍第3項之波長多工/解多工裝置，其中該有機基板係選自聚甲基丙烯酸甲酯基板、聚碳酸酯基板、環狀烯烴聚合物基板與SU-8基板有機材料其中之一。
6. 如申請專利範圍第3項之波長多工/解多工裝置，其中該複合基板係包含一無機基板以及旋塗於該無機基板上之至少一有機材料。
7. 如申請專利範圍第6項之波長多工/解多工裝置，其中該有機材料係選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、環狀烯烴聚合物與SU-8其中之一。
8. 如申請專利範圍第3項之波長多工/解多工裝置，其中該複合基板係包含一無機基板以及沈積或磊晶於該無機基板上之一無機材料。
9. 如申請專利範圍第8項之波長多工/解多工裝置，其中該無機材料係選自矽基板、玻璃基板、二氧化矽或熔融石英、砷化鎵與磷化銦、硒化鋅無機材料其中之一。
10. 如申請專利範圍第1項之波長多工/解多工裝置，其中該垂直與水平曲率的柱狀透鏡的表面結構可包含球面、非球面、雙曲線面、拋物面、橢圓面或超環面可使 光線偏折之透鏡面其中之一即可。
11. 如申請專利範圍第1項之波長多工/解多工裝置，其中該稜鏡光柵更包含閃耀式Blazed稜鏡光柵、直角階梯Echelle稜鏡光柵、自準式Littrow稜鏡光柵與曲面稜鏡光柵，具備分光效應之週期性結構其中之一。
12. 如申請專利範圍第11項之波長多工/解多工裝置，其中該稜鏡光柵的基座結構可包含平面、球面、非球面、雙曲線面、拋物面、橢圓面或超環面可使光線偏折之透鏡面其中之一即可。
13. 如申請專利範圍第1項之波長多工/解多工裝置，其中該分光裝置之光柵之表面更包含一反射層。
14. 如申請專利範圍第1項之波長多工/解多工裝置，其係用於波長可調式雷射系統、生醫光譜檢測系統、生化光譜檢測系統、環保光譜檢測系統、生理資訊檢測系統與光譜儀分波系統，需檢測光譜訊號之相關應用其中之一。
15. 一種波長多工/解多工裝置，其包含：一基板，具有至少一第一、一第二與一第三溝槽，其中該第二溝槽與該第三溝槽之位置係位於該第一溝槽之一側且對應至該第一溝槽；一第一垂直曲率的柱狀透鏡與一第二水平曲率的柱狀透鏡，其各位於該第一溝槽處與該第二溝槽處，用以準直自外部所輸入之光束；一分光裝置，其位於該基板處，且該分光裝置更包 含相鄰串接排列之多數個稜鏡光柵，以對經該第一垂直曲率的柱狀透鏡與該第二水平曲率的柱狀透鏡準直之光束進行分波；其中該等溝槽與該等稜鏡光柵係以一體成形方式預先形成於該基板上。
16. 如申請專利範圍第15項之波長多工/解多工裝置，其第二水平曲率的柱狀透鏡與第三水平曲率的柱狀透鏡，另可與本發明串接排列之多數個稜鏡光柵結為一體而形成串接複合式分光裝置，因而所對應之該等第二溝槽與第三溝槽皆可省略。其中該等溝槽與該等串接複合式分光裝置係以一體成形方式預先形成於該基板上。
17. 一種用以製造波長多工/解多工裝置之方法，其中該波長多工/解多工裝置具有複數之光學元件，其中該等光學元件至少包含一如申請專利範圍第1項與第15項之光學元件，該方法包含下列步驟：(a)提供一基板；(b)於該基板上定義複數個位置與並同時定義分光裝置的圖形，或包含一稜鏡光柵與前後對應之第二水平曲率的柱狀透鏡與該第三水平曲率的柱狀透鏡(一體成型而成為複合式分光裝置)，與相關之脊狀(或埋層)波導結構之圖形；(c)於該基板上形成與該等位置對應之複數溝槽與與複合式分光裝置及相關之脊狀(或埋層)波導結構(有光罩法與免光罩法)等光學元件；以及 (d)將其他之各該等柱狀透鏡置入所對應之各該等溝槽，以排列形成該波長多工/解多工裝置。
18. 如申請專利範圍第17項之方法，其於步驟(b)中，係以一半導體微影曝光製程而利用至少一光罩定義該等位置與該光學元件。
19. 如申請專利範圍第17項之方法，其於步驟(b)中，另可無須使用光罩法，而係以一電腦輔助設計方式而利用一電腦設計圖面定義該等位置而利用雷射光、電子束、分子束、離子束、X射線束等進行曝光、光束直寫方式，沈積等方式或超精密鑽石加工方式形成該光學元件。
20. 如申請專利範圍第17項之方法，其於步驟(c)後更包含下述步驟：(c1)產生該基板之一對應模仁；以及(c2)根據該對應模仁而形成一翻製基板。
21. 如申請專利範圍第20項之方法，其於步驟(c1)中，係以一金屬電鑄製程形成該對應模仁。
22. 如申請專利範圍第20項之方法，其於步驟(c2)中，係以一熱壓成形製程、一滾壓成形製程、一射出成形製程與一玻璃模造製程其中之一而形成該對應模仁。