TWI416185B - 分波多工器架構 - Google Patents

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Description

分波多工器架構 與聯邦贊助的研究或發展有關之說明
本發明部分在美國政府之國防先進研究計劃署(DARPA)支持下製得，其授予案號：MDA 972-02-3-005。美國政府對本發明擁有一定的權利。
發明領域
本發明係有關於分波多工器架構。
 發明背景
分波多工(WDM)已使用在光學網路通訊系統及其它應用中。基本上，可使用不同波長的光將資訊傳遞到一或多條光纖中。可使用WDM多工器將不同波長耦合至單一光纖中。可類似地使用WDM解多工器，從該光纖中分離出一或多種波長。可參見巴克曼(Buckman)，里沙(Lisa)A.等人於2002年5月所發表之"用於10Gb/s區域網路的小型化WWDM收發模組之說明(Demonstration of a Small-Form-Factor WWDM Trnasceiver Module for 10-Gb/s Local Area Network)"，IEEE光子學技術快迅(IEEE Photonics Technology Letters)，Vol.14.，編號5.，p.702-704；及/或雷模夫(Lemoff)，B.E.等人在1998年5月14日所發表之“用於多模態WDM LAN之曲折導波管解多工器(Zigzag waveguide demultiplexer for multumode WDM LAN)”，電子快迅(Electronic Letters)，Vol.34，編號10，p.1014-1016，此些公告以參考之方式併於本文。
平行光通道器件(parallel optics)及分波多工(WDM)為二種可在光學通訊系統中增加帶寬密度的光學通訊技術。在平行光通道器件中，沿著多光纖帶來平行傳送多重光學訊號，且在每條光纖中傳送一單光學訊號。在WDM中，結合多重光學資料訊號且在單一光纖中傳送，而每種光學訊號以不同波長傳輸。在平行WDM(PWDM)中則結合此二種技術，其藉由將多重光學波長傳輸過平行光纖帶的每條光纖而達成。PWDM系統之關鍵構件為PWDM多工器，一種將多重光學束結合至單一光纖中之光學裝置。
在某些PWDM裝備中，該光學發射器包括一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)陣列。在該陣列中之VCSEL數量典型等於在光纖帶中的光纖數量乘以在每條光纖中的波長數量。該光學多工器可將來自一VCSEL之光耦合至在該光纖帶中的一條光纖。典型的多工器可使用波長選擇設備(諸如介電質干涉濾波器或繞射光柵)來達成此。
 發明概要
根據本發明，將準直功能及偏斜功能分離成二個分離的光學元件。此分離可增加對位移的容差及簡化MUX之製造。
圖式簡單說明
第1圖為根據本發明之具體實施例所描繪出之一種具有MUX的系統；第2圖為根據本發明之具體實施例所描繪出之另一種具有MUX安排的系統；及 第3圖為根據本發明之具體實施例所描繪出之其它另一種具有MUX安排的系統。
 較佳實施例之詳細說明
根據本發明的一個具體實施例為一種光學多工器(MUX)，其裝配成可接收來自複數個光源之準直光，該MUX包含：複數個偏斜元件，其中每個偏斜元件能接收來自複數個光源之一的準直光，且其中每個偏斜元件能將入射光偏斜至特別的角度；複數個帶通濾波器，其中每個濾波器將通過特別波長範圍的光而反射其它波長的光，其中每個帶通濾波器的特別範圍不同，及每個帶通濾波器設置成能通過已由各別偏斜元件偏斜之光；及複數個中繼反射鏡，其可反射入射光及可再準直該入射光，其中每個中繼反射鏡設置成可接收來自特別帶通濾波器之光且將該光反射至另一個帶通濾波器。
根據本發明的另一個具體實施例為一種光學系統，其包括：複數個準直光源，其中每個光源提供至少一種波長(其與由其它光源所提供的光之波長不同)的光；一光學多工器(MUX)，其裝配成可接收來自複數個光源的準直光，且將該準直光融合至一條光學路徑中，其中該MUX包括複數個偏斜元件，其中每個偏斜元件可接收來自複數個光源之一的準直光，且將所接收的光偏斜至特別的角度；及一光纖，其一終端配置在一光學路徑中以接收該來自MUX經融合的光。
根據本發明的進一步具體實施例為一種光學多工器(MUX)，其裝配成可接收來自複數個光源之準直光，該MUX包 括：一偏斜設備，以將所接收之來自複數個光源的每個光源之準直光偏斜至特別的角度；一結合設備，以將該偏斜光結合到單一光學路徑上；及一耦合設備，以將該結合光耦合至一光纖中。
使用光作為資料載體已從網路層移至系統層。因此，使用WDM裝置將使得在電腦系統內之不同元件間的通訊容易，例如在不同板子(例如系統板、子卡等等)、週邊組件(I/O裝置、硬碟機、光碟機等等)、其它系統組件(例如處理器、記憶體、感應器等等)間。已熟知的WDM型式之一為普存連接器用之多波長組合(MAUI)。關於MAUI的更多資訊可參見雷模夫，布里安(Brian)E.等人在2004年9月所發表之"MAUI：能讓光纖對處理器具有平行多波長光學連接器(MAUI：Enabling Fiber-to-the-Processor With Parallel Multiwavelength Optical Interconnects)"，光波技術期刊(Journal of Lightwave Technology)，Vol.22，編號9，p.2043-2054，其於此以參考之方式併於本文。
第1圖描繪出一種具有典型的MAUI微光學多工器(MUX)400之系統400，其包含二個元件101,102。該系統亦包括複數個光源104a-104d，其每個具有不同的波長或波長範圍。該光源可為雷射(諸如垂直腔表面發射雷射(VCSEL))，而且可為任何型式能提供限定波長或波長範圍之光的光源，例如邊射半導體雷射、其它雷射、LED光源等等。該MUX可將來自光源104a-104d的光耦合進入輸出光纖103中。
該MUX 400的底部元件102具有複數個透鏡108a-108d，每個分別用於每個光源104a-104d。透鏡108a-108d可為一折射或繞射元件，且可進行二種功能。第一種功能為準直接收自光源 104a-104d的光。第二種功能為當該光照射到該底部元件上時，其可將該光相對於該光的射入角度進行偏斜。此偏斜可讓該光橫向移動且每條皆反射在上部元件101中。
該上部元件101具有複數個中繼反射鏡106a-106c，其中該複數個典型比光源數量少一個。每個中繼反射鏡可具有一非平面表面，以便當該光旅經該MUX時可維持該光之準直性。該上部元件101亦具有複數個帶通濾波器105a-105d，其中該複數個典型等於光源數量。將每個帶通濾波器設計成可通過或傳送特別波長(或波長範圍)的光，該帶通濾波器將反射全部其它波長。該濾波器可包含複數層由介電材料所構成之層，例如介電薄膜濾波器。該中繼反射鏡106a-106c及該帶通濾波器可一起作用，以讓光在其之間彈回，同時將該光橫向移動至輸出透鏡107(其可將光耦合至輸出光纖103)。該輸出透鏡107可藉由將光聚焦到光纖103之終端上，將光耦合至光纖103中。該上部元件及/或底部元件可由一種材料或數種材料來形成，其包括GaAs、GaP、InP、玻璃、塑膠之任何一種，或任何其它在有興趣的波長範圍內具有低光學損失之材料，或其組合。
下列討論MUX 400之操作。來自光源104a的光經準直及由透鏡108a偏斜，並通過帶通濾波器105a。需注意的是，當應該並無其它光將照射在濾波器105a上時，可不需要帶通濾波器105a。但是，濾波器105a可使用來減低將不想要的光耦合至輸出光纖103中。在任何事件中，該光然後由中繼反射鏡106a反射，而照射到帶通濾波器105b上。濾波器105b僅讓具有光源104b之波長或波長範圍的光通過。因為來自光源104a的光波長其範圍在通帶濾波器 105b外，該光會被反射至中繼反射鏡106b。來自光源104a的光亦在通帶濾波器105c及105d之範圍外。因此，來自光源104a的光會在中繼反射鏡106b、106c與濾波器105c、105d間反射。在反射出濾波器105d後，該光會照射到輸出透鏡107上，其可將該光耦合至該輸出光纖103中。來自光源104b、104c及104d的光可類似地耦合至輸出光纖103中。
第1圖之MUX 400的另一種安排為將該準直及偏斜透鏡108a-108d放在光源104a-104d上，且移除該底部元件102。
在第1圖中，將每個光源104a-104d對準至MUX底部元件102為關鍵，因為其將定義出該偏斜角度。偏斜角度之誤差會造成反射光橫向位移出想要的位置。例如，偏斜誤差可造成該光偏移至想要的位置之左邊。因此，在該光通過透鏡107後，該光會更向右偏移且可能無法與光纖103耦合。再者，偏斜角度誤差之影響會由於該光在至光纖103的路徑上之多重反彈而放大。因此，引進到來自光源104a之光上的小誤差將會因在MUX中的每次反射而放大，而可防止其耦合至光纖103。
第2圖描繪出類似於第1圖之系統400的系統401，其除了使用透鏡208a-208d來偏斜光，而非使用準直光外。與透鏡208a-208d分離且固定在最近光源104a-104d處之透鏡209a-209d將準直該來自光源104a-104d的光。透鏡208a-208d可為折射元件(例如透鏡或稜鏡)或繞射元件(例如光柵)。透鏡209a-209d可為折射元件(例如透鏡)或繞射元件(例如光柵)。需注意的是，該系統的用途之一為讓在電腦系統內之板子與其它組件間的通訊容易。因此，系統401之尺寸應該相對精巧，以便安裝在電腦系統內。因此，以二個元 件(其每個可執行一種功能)來置換一個可執行二種功能之元件，在系統中的元件數量會增加為一種反直覺。
第2圖之MUX其準直及偏斜功能彼此解耦合，在系統401中之MUX對對準誤差之容差更大。因為透鏡209a-209d每片透鏡之功能僅有準直，其相對於該光源有效區域之位置不會如此敏感。再者，不管精確的射入場所為何處，透鏡208a-208b可引發相同的偏斜量。因此，所產生的MUX架構對位移更具耐受性。除了增加MUX對光源之對準的容差外，對在組合製程期間，MUX上部元件101與MUX底部元件202的對準容差亦會增加。需注意的是，該光纖103可為導波管、多模態光纖、單模態光纖或其它光學傳導路徑元件。
第3圖為根據本發明之具體實施例所描繪出的具有其它另一種MUX安排之系統402。第3圖類似於第2圖之安排，除了已消除第2圖之底部元件202外。在此安排中，偏斜元件308a-308d設置成與濾波器305a-305d毗連。該偏斜元件308a-308d可為繞射元件(例如光柵)或折射元件(例如透鏡或稜鏡)。
該偏斜元件可在每個濾波器的底部表面上形成。例如，若該偏斜元件為光柵時，可藉由在該基材的一邊上蝕刻出一光柵，且在該基材的另一邊上形成該濾波器，以形成該整體的光柵及濾波器元件。該濾波器通常會沉積在某些基材上，且該基材可經蝕刻。
該偏斜元件亦可與該濾光器分別形成，晚後經由一光學黏著劑或其它黏附機制將其黏附至該濾波器。該準直透鏡應該在該光源與該偏斜元件間，但是該準直透鏡可為光源的一部分(例如已黏附至光源)，或它們可為MUX的一部分(例如已黏附至MUX)。
需注意的是，第1、2及3圖之安排描繪出1×4陣列，其包括一條光纖及四種光波長。這些安排實例於此僅作為可有更多輸出光纖及/或更多或較少輸入波長之說明。再者，可將其它MUX設置成與MUX 400毗連，以形成一M×N陣列，其中M為光纖的數量及N為每條光纖的波長數量，以形成一PWDM裝置。
需注意的是，在顯示於第1、2及3圖之本發明的具體實施例中，該些準直透鏡顯示出已黏附至光源。但是，在其它具體實施例中，該準直透鏡可與光源分離，但是仍然安排成可接收來自光源的光並對MUX提供一準直光。
需注意的是，第1-3圖之系統401及402描繪出MUX安排，但是可將本發明之具體實施例使用來形成一解多工器(DEMUX)。例如，使用第2圖來說明，該光纖103將為一攜帶有複數種訊號的輸入光纖，該些訊號每種皆具有不同的波長或波長範圍。該光將行進通過元件101及102，且在濾波器之通帶內的光將通過該濾波器並由複數個感應器104a-104d的感應器之一接收。在通帶範圍外的光將反射至下一個濾波器。因此，DEMUX將操作以分離出每種訊號，且將各別的訊號提供至各別的感應器(104a-104d之一)。
該上部元件及底部元件可使用主動組合方法或被動組合方法來組合。在主動方法中，光可穿透過該些元件之一。然後，將其它元件與該元件毗連配置。當該裝置(包含該元件及其它元件)開始適當地作用時，然後合適地對準此二元件。然後，將此二元件彼此弄緊。在被動方法中，每個元件具有一註冊標記，可使用該標記來合適地定位此二種元件。當合適地對準該註冊標記時，然後將此二種元件彼此弄緊。
該上部元件及底部元件(例如帶通濾波器)部分可使用不同方法來製造，諸如微影光刻、光微影光刻程序、灰階微影光刻、鑄模、壓印等等。
本發明之具體實施例可使用在電腦系統、電信系統、資料通訊系統、路由器、開關、網路開關、網路、儲存區域網路及資料傳送連結(例如從高帶寬偵測器傳送資料(例如在平面收集資料上))。
101‧‧‧上部元件
102‧‧‧底部元件
103‧‧‧輸出光纖
104a‧‧‧光源
104b‧‧‧光源
104c‧‧‧光源
104d‧‧‧光源
105a‧‧‧帶通濾波器
105b‧‧‧帶通濾波器
105c‧‧‧帶通濾波器
105d‧‧‧帶通濾波器
106a‧‧‧中繼反射鏡
106b‧‧‧中繼反射鏡
106c‧‧‧中繼反射鏡
107‧‧‧輸出透鏡
108a‧‧‧透鏡
108b‧‧‧透鏡
108c‧‧‧透鏡
108d‧‧‧透鏡
400‧‧‧MUX
第1圖為根據本發明之具體實施例所描繪出之一種具有MUX的系統；第2圖為根據本發明之具體實施例所描繪出之另一種具有MUX安排的系統；及第3圖為根據本發明之具體實施例所描繪出之其它另一種具有MUX安排的系統。
101‧‧‧上部元件
102‧‧‧底部元件
103‧‧‧輸出光纖
104a‧‧‧光源
104b‧‧‧光源
104c‧‧‧光源
104d‧‧‧光源
105a‧‧‧帶通濾波器
105b‧‧‧帶通濾波器
105c‧‧‧帶通濾波器
105d‧‧‧帶通濾波器
106a‧‧‧中繼反射鏡
106b‧‧‧中繼反射鏡
106c‧‧‧中繼反射鏡
107‧‧‧輸出透鏡
108a‧‧‧透鏡
108b‧‧‧透鏡
108c‧‧‧透鏡
108d‧‧‧透鏡
400‧‧‧MUX

Claims (14)

  1. 一種用以將光耦合至複數個導波管之光學裝置，該裝置包括：複數個光源，其中每一光源提供至少一波長的光，該至少一波長的光不同於由其它光源所提供之多個波長的光；鄰近於該等光源之一第一平面，該第一平面包括準直自該等光源的光之複數個第一光學元件，其中每一第一光學元件係與一各別的光源相關聯；鄰近於該第一平面並與其分離之一第二平面，該第二平面包括將自該第一平面之光偏斜至一特別的角度之複數個第二光學元件，其中每一第二光學元件與一各別的第一光學元件相關聯；鄰近於該第二平面之一第三平面，該第三平面包括複數個帶通濾波器，其中每一濾波器將通過一特別波長範圍的光並反射其它波長的光，其中用於該等帶通濾波器中之每一者之特別波長範圍的光皆不同，且每一帶通濾波器位於可通過已由一各別的第二光學元件所偏斜的光；及鄰近於該第三平面之一第四平面，該第四平面包括反射入射光之複數個中繼反射鏡及複數個輸出透鏡，其中該複數個輸出透鏡之一數目與該複數個導波管之一數目相同，其中將每一中繼反射鏡位於可接收自一特別的帶通濾波器之光並將光反射至另一帶通濾波器，其中該等中繼反射鏡及該等帶通濾波器可操作以將自該複數個光源之光合併至一條光學路徑中，及其中每一輸出透鏡將該光學路徑中之光耦合至 一特定的導波管；其中該第一平面、該第二平面、該第三平面及該第四平面實質上彼此平行；及其中該複數個光源之一數目大於該複數個導波管之一數目。
  2. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該等第一光學元件係為折射元件及繞射元件中之一者。
  3. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該等第二光學元件係為折射元件及繞射元件中之一者。
  4. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該光學裝置包含至少一第一組件及一第二組件，且該第一組件包含該複數個中繼反射鏡及該複數個帶通濾波器，而該第二組件包含該複數個第二光學元件。
  5. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該光學裝置包含單一組件，其具有該複數個中繼反射鏡、該複數個帶通濾波器及該複數個第二光學元件。
  6. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中在一各別的帶通濾波器的一表面上形成每一第二光學元件。
  7. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中將每一第二光學元件黏附至一各別的帶通濾波器。
  8. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該複數個中繼反射鏡之一數目小於第二光學元件之一數目。
  9. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該光學裝置為一電腦之一組件，俾利該光學裝置可讓在該電腦的至少二種其它 組件間之通訊。
  10. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該光學裝置為選自於由下列所組成之系統群組中之一系統之一組件：一電腦系統、一電信系統、一資料通訊系統、一路由器、一開關、一網路開關、一網路、儲存區域網路及一資料傳送連結。
  11. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中每一帶通濾波器包括一介電薄膜濾波器。
  12. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中該光學裝置由至少一種選自於由下列所組成之群組的材料所構成：GaAs、GaP、InP、玻璃、塑膠及其組合。
  13. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中每一光源係選自於由下列所組成之群組：一垂直腔表面發射雷射、一邊射半導體雷射、一雷射及一LED光源。
  14. 如申請專利範圍第1項之光學裝置，其中每一導波管係選自於由下列所組成之群組：一光纖、一多模態光纖及一單模態光纖。
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