TWI655457B - 寬通頻帶光柵濾波器結構及其運作方法 - Google Patents

寬通頻帶光柵濾波器結構及其運作方法 Download PDF

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本發明提供了一種寬通頻帶光柵濾波器結構及其運作方法。所述之寬通頻帶光柵濾波器結構可透過於二維平面上轉動衍射光柵，使其光柵中的閃耀角(Blaze angle)增加或減少，達到使由轉動前第一輸出波及轉動後第二輸出波產生摺積，使衍射光譜產生平頂帶寬之功效。

Description

寬通頻帶光柵濾波器結構及其運作方法
一種寬通頻帶光柵濾波器結構及其運作方法，尤指一種可轉動衍射光柵，使衍射光柵上之鋸齒形結構的閃耀角(Blaze angle)增加或減少一角度，並使第一輸出波及第二輸出波產生摺積(Convolution)後令衍射光譜產生平頂帶寬(Flat Top Passband)效應的寬通頻帶光柵濾波器結構及其運作方法。
隨著科技的發展，對於資訊頻寬高度的需求導致了通信系統日新月異的發展，而分波多工(Wavelength Division Multiplexing,WDM)是達到其中提高資訊頻寬的關鍵技術。而對於光訊號的傳輸與解讀，又屬於其中相當重要的一環。眾所皆知的是，光同時具備粒子及波動的特性。
因此，針對光訊號傳遞特性中有觀「波」特性的部分，要作出分波多工(Wavelength Division Multiplexing,WDM)之技術，光柵扮演了相當重要的角色。在現有的光柵應用方面，陣列波導光柵(Arrayed Waveguide Grating,AWG)或是階梯式(Echelle)結構的光柵也被廣泛地運用於波長多工分波器之中。
上述兩種光柵的工作原理係將不同波長的光訊號由單一個波導耦合進入，經過第一個平面波導，使光能量以高斯(Gaussian)分布般地導入波導陣列。此陣列乃利用等距離相鄰波導來形成光柵，產生固定相位差，使不同波長光束經過第二個平面波導得以聚焦在不同的位置，稱為羅蘭圓(Rowland Circle)，再以波導形式匯出。
相較於陣列波導光柵，階梯式結構的光柵不具備波導陣列相位，故習知的階梯式結構光柵需要透過深蝕刻製作，且蝕刻的深度需直至其能反射整個波導模。因此，習知階梯式結構的光柵產生非常多的問題，並階梯式結構光柵的平滑與傾斜均會顯著影響衍射光譜的特性。
當今資訊頻寬高度需求導致了通信系統的快速發展，分波多工是其中的關鍵技術。為考慮到將帶有數個波長之相同輸入通道，經過多工器(Multiplexer)後，整合成載有相同數目波長的單一個輸出通道。一般都是藉由光纖傳輸，爾後此些波長所承載的資訊會透過解多工器(Demultiplexer)，再將各個波長訊號分別藉由不的輸出通道，傳達至不同區域，以完成寬頻訊號藉由光纖之遠距離傳輸。
其中，多工器(Multiplexer)或解多工器(Demultiplexer)中通常會包含濾波器的結構。而前述提及階梯式結構的光柵濾波器，是現今體積極小且具有良好資訊傳輸品質的光柵濾波器結構。在光柵濾波器結構中，平頂帶寬(Flat Top Passband)具有在傳輸過程中對波長有較低精準度容忍度之特性。
普遍來說，可先參照圖8，圖8係平頂帶寬效應之定義圖。如欲符合平頂帶寬(Flat Top Passband)之定義，必須讓頻譜響應圖中， 以最上方為基礎，向下減去1分貝(dB)，並使此位置的總寬度應該大於0.6奈米(nm)。
對於傳統的濾波器的結構中，透過在輸入波端加上多模干涉儀的平頂帶寬此一技術手段來說，雖然傳遞損耗的表現優異；但其串擾損耗的表現方面較為弱勢。前述串擾損耗的問題，以當前的技術手段除了元件設計能控制外，沒有任何外來的方式能有效地優化。
為解決先前技術中寬通頻帶光柵濾波器平頂帶寬(Flat Top Passband)傳輸串擾損耗表現弱勢，且習知濾波器結構中的階梯式結構光柵仍需要深蝕刻製作才能達到反射整個波導模之功效，本發明提供了一種寬通頻帶光柵濾波器結構及其運作方法。
所述寬通頻帶光柵濾波器結構主要包含一輸入端、一衍射光柵以及一接收端。其中一光源發射一輸入波穿過該輸入端。而該衍射光柵係將該輸入波打至該衍射光柵之一聚焦點，並轉化為一輸出波。此外，該衍射光柵具有一鋸齒形結構。而該接收端接收該輸出波形成之一衍射光譜。
其中，該衍射光柵與一轉動模組連接，該轉動模組於二維平面上轉動該衍射光柵，使該鋸齒形結構的閃耀角(Blaze angle)增加或減少一角度。
此外，本發明所述之寬通頻帶光柵濾波器結構的運作方法，主要包含(a)~(e)五個步驟。首先執行步驟(a)，設置一寬通頻帶光柵濾波器結構，接著執行步驟(b)一光源發射一輸入波穿過一輸入端。再執行步驟(c)該輸入波入射至一衍射光柵上之一聚焦點，並轉化為一第一輸出波，且該 衍射光柵具有一鋸齒形結構，後執行步驟(d)一轉動模組於二維平面上轉動該衍射光柵，使該鋸齒形結構的閃耀角(Blaze angle)增加或減少一角度，並使該第一輸出波轉化為第二輸出波。最後執行步驟(e)該衍射光柵的轉動使該第一輸出波及該第二輸出波產生摺積(Convolution)，使該衍射光柵之一衍射光譜產生平頂帶寬(Flat Top Passband)效應。
故本發明透過該轉動模組於二維平面上轉動該衍射光柵，使該鋸齒形結構的閃耀角(Blaze angle)增加或減少一角度之技術得以省略習之技術中使用多模干涉儀來獲得平頂帶寬(Flat Top Passband)效應，此外更解決了習知技術串擾損耗表現不佳的問題。此外，在本發明部分的實施例中，該鋸齒形結構為一鏡面分散式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector)，更可以讓本發明之衍射光柵不須透過深蝕刻即反射整個波導模，解決了先前技術中的缺陷。另外對製程的不敏感度來說，工作週期不論是0.4、0.5、0.6，對本發明實施例衍射光柵的反射表現並沒有太大的影響，因此就算是因為製程的誤差，也不會對整個寬通頻帶光柵濾波器結構產生巨大的影響。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
10‧‧‧寬通頻帶光柵濾波器結構
100‧‧‧光源
200‧‧‧輸入端
300‧‧‧衍射光柵
301‧‧‧鋸齒形結構
400‧‧‧接收端
A‧‧‧箭頭
I‧‧‧輸入波
O1‧‧‧第一輸出波
O2‧‧‧第二輸出波
R‧‧‧羅蘭圓
θ1‧‧‧角度
(a)~(e)‧‧‧步驟
圖1係本發明實施例轉動前之結構示意圖。
圖2係本發明實施例轉動後之結構示意圖。
圖3係本發明實施例衍射光柵鋸齒形結構轉動前之示意圖。
圖4係本發明實施例衍射光柵鋸齒形結構轉動後之示意圖。
圖5係本發明實施例的閃耀角(Blaze angle)轉動角度結果之頻譜響應圖。
圖6係本發明實施例與多模干涉儀達到平頂帶寬效應之頻譜響應比較圖。
圖7係本發明實施例之運作流程圖。
圖8係平頂帶寬效應之頻譜響應圖。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：
請參照圖1，圖1係本發明實施例轉動前之結構示意圖。如圖1所示，本實施例中所述之寬通頻帶光柵濾波器結構10包含輸入端200、衍射光柵300以及接收端400。
其中光源100發射輸入波I穿過輸入端200，而後衍射光柵300係將輸入波I打至衍射光柵300上之聚焦點，並轉化為第一輸出波O1。本實施例中，由於衍射光柵300為平凹面光柵之故。因此在垂直衍射光柵300表面半圓圈的位置形成羅蘭圓R。
所述羅蘭圓R係與前述之聚焦點單點接觸。而衍射光柵300藉由光柵方程式，可使輸入波I從任何角度聚焦並轉化為第一輸出波O1後繞射於羅蘭圓R上之任一點。
本實施例中，衍射光柵300具有鋸齒形結構301(可先參見圖3及圖4)。因此可以將輸入波I轉化為第一輸出波O1，接收端400可以接收 由該鋸齒形結構301繞射的輸出波形成之一衍射光譜(本實施例之輸出波包含第一輸出波O1及第二輸出波O2，因此衍射光譜係由第一輸出波O1及第二輸出波O2形成)。
請接著參照圖2，圖2係本發明實施例轉動後之結構示意圖。如圖2所示。在本實施例中，衍射光柵300與轉動模組(圖未示)連接，轉動模組於二維平面上轉動衍射光柵300，使該鋸齒形結構301的閃耀角(Blaze angle)增加或減少角度θ1。
更具體來說，本實施例並不限制轉動模組之選用或設置方式。僅要能使衍射光柵300轉動並令鋸齒形結構301的閃耀角(Blaze angle)產生變化即可。換言之，在可能的實施樣態中，轉動模組可以是一個能旋轉的載盤，乘載著衍射光柵300並自由旋轉；亦可以是微型機械力臂、馬達或是電熱形變金屬片等組合，作為在同一個二維平面上轉動衍射光柵300的技術手段，本發明並不加以限制。
請同時參照圖2、3及圖4，圖3係本發明實施例衍射光柵鋸齒形結構轉動前之示意圖；圖4係本發明實施例衍射光柵鋸齒形結構轉動後之示意圖。如圖2所示，當衍射光柵300因為轉動模組，使之沿著箭頭A方向在同一個二維平面上轉動時，鋸齒形結構301便會產生如圖3到圖4的變化。也就是說，對於輸入波I而言，鋸齒形結構301的閃耀角(Blaze angle)增加了角度θ1。然而，在其他可能的實施樣態中，亦可往反方向轉動圖2中的衍射光柵300，使衍射光柵300的閃耀角(Blaze angle)減少角度θ1，同樣可以達到本發明實施例欲達之功效。
上述閃耀角(Blaze angle)增加或減少角度θ1的變化，使 得第一輸出波O1轉為第二輸出波O2，進而產生摺積(Convolution)並形成前述的衍射光譜。也就是說，衍射光柵300最終產生的衍射光譜係由第一輸出波O1及第二輸出波O2摺積(Convolution)所形成的。
在本實施例中，鋸齒形結構301可更進一步採用鏡面分散式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector)；當然，在本發明其他可能的實施樣態中，亦可不採用鏡面分散式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector)。而就本實施例而言，衍射光柵300上的鋸齒形結構301並不需要深蝕刻即可達到反射整個波導模(如第一輸出波O1及第二輸出波O2)之功效。
因此，請參照圖5，圖5係本發明實施例閃耀角(Blaze angle)轉動角度結果之頻譜響應圖。為了符合平頂帶寬(Flat Top Passband)之定義要求，本實施例由圖5中的測試可得知當圖4中相對於輸入波I之角度θ1轉動達8.45度時，可以使本實施例由第一輸出波O1、第二輸出波O2摺積(Convolution)並使形成的衍射光譜產生平頂帶寬(Flat Top Passband)效應。因此，本實施例明顯不需要藉由其他昂貴的實驗儀器或光學儀器，即能夠獲得有效控制串擾損耗且具有平頂帶寬(Flat Top Passband)效應之衍射光譜。
為更能證明本實施例之優越功效，請參照圖6，圖6係本發明實施例與多模干涉儀達到平頂帶寬效應之頻譜響應比較圖。因傳統上，多模干涉儀多被使用來作為產生平頂帶寬(Flat Top Passband)效應的額外輔助設備。因此，由圖6中本實施例(標示為△)與使用多模干涉儀實施例(標示為□)比較之結果，可明顯發現本實施例串擾損耗的表現相對於多 模干涉儀實施例優良近30分貝(dB)。
此外，在其他可能的實施樣態中，本實施例所述之寬通頻帶光柵濾波器結構10中之接收端400更可與摻鉺光纖放大器(Erbium-doped fiber amplifier,EDFA)連接，據以量測接收端400所接受到由第一輸出波O1、第二輸出波O2摺積(Convolution)形成的衍射光譜。
對於在上述其他實施樣態最終產生之衍射光譜，在量測該衍射光譜時使用摻鉺光纖放大器(Erbium-doped fiber amplifier,EDFA)來做衍射光譜訊號的放大，可有效地減少寬通頻帶光柵濾波器結構10之傳遞損耗。
請參照圖7，圖7係本發明實施例之運作流程圖。如圖7所示，本發明所述之寬通頻帶光柵濾波器結構的運作方法，主要包含(a)~(e)五個步驟。
首先執行步驟(a)，設置一寬通頻帶光柵濾波器結構。本運作方法之實施例中，提供之寬通頻帶光柵濾波器結構係前述圖1~2實施例中所載之寬通頻帶光柵濾波器結構10。當然更包含與摻鉺光纖放大器(Erbium-doped fiber amplifier,EDFA)連接之實施例。
接著執行步驟(b)一光源發射一輸入波穿過一輸入端。步驟(b)中實際的執行方式係如圖1所示一般。
在本實施例中，光源100可以是來自於光纖所傳遞之光訊號。輸入波I的光訊號會接著依照步驟(c)執行。所述步驟(c)該輸入波打至一衍射光柵上之一聚焦點，並轉化為一第一輸出波，且該衍射光柵具有一鋸齒形結構。
步驟(c)請詳參圖2~4所示之內容。配合著步驟(d)一轉動模組於二維平面上轉動該衍射光柵，使該鋸齒形結構的閃耀角(Blaze angle)增加或減少一角度，並使該第一輸出波轉化為第二輸出波。因此，執行至步驟(c)及(d)，便可如最後的步驟(e)所述一般，該衍射光柵的轉動使該第一輸出波及該第二輸出波產生摺積(Convolution)，使該衍射光柵之一衍射光譜產生平頂帶寬(Flat Top Passband)效應。因此，透過本實施例的運作方法，可讓本實施產生如圖6中頻譜響應圖所示般優越的功效。本發明藉由本實施例的演示，應可得知具有相當的進步性。

Claims (12)

  1. 一種寬通頻帶光柵濾波器結構，包含：一輸入端，一光源發射一輸入波穿過該輸入端；一衍射光柵，該輸入波打至該衍射光柵之一聚焦點，並轉化為一輸出波，該衍射光柵具有一鋸齒形結構；以及一接收端，接收該輸出波以形成一衍射光譜；其中，該衍射光柵與一轉動模組連接，該轉動模組於二維平面上轉動該衍射光柵，使該鋸齒形結構的閃耀角(Blaze angle)增加或減少一角度。
  2. 如請求項1所述之寬通頻帶光柵濾波器結構，其中該鋸齒形結構為一鏡面分散式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector)。
  3. 如請求項2所述之寬通頻帶光柵濾波器結構，其中該衍射光柵為一平凹面光柵。
  4. 如請求項3所述之寬通頻帶光柵濾波器結構，其中該閃耀角(Blaze angle)增加或減少的該角度介於8.45~8.95度之間。
  5. 如請求項4所述之寬通頻帶光柵濾波器結構，其中該閃耀角(Blaze angle)增加或減少的該角度為8.45度。
  6. 如請求項1所述之寬通頻帶光柵濾波器結構，其中該輸入端與該接收端設置於該衍射光柵之該聚焦點的羅蘭圓(Rowland circle)上。
  7. 如請求項1所述之寬通頻帶光柵濾波器結構，其中該寬通頻帶光柵濾波器結構的該接收端更與一摻鉺光纖放大器(Erbium-doped fiber amplifier, EDFA)連接。
  8. 一種寬通頻帶光柵濾波器結構的運作方法，包含：(a)設置如請求項1所述之一寬通頻帶光柵濾波器結構；(b)一光源發射一輸入波穿過一輸入端；(c)該輸入波入射至一衍射光柵上之一聚焦點，並轉化為一第一輸出波，且該衍射光柵具有一鋸齒形結構；(d)一轉動模組於二維平面上轉動該衍射光柵，使該鋸齒形結構的閃耀角(Blaze angle)增加或減少一角度，並使該第一輸出波轉化為第二輸出波；以及(e)該衍射光柵的轉動使該第一輸出波及該第二輸出波產生摺積(Convolution)，使該衍射光柵之一衍射光譜產生平頂帶寬(Flat Top Passband)效應。
  9. 如請求項8所述之寬通頻帶光柵濾波器結構的運作方法，其中該衍射光柵為一平凹面光柵。
  10. 如請求項9所述之寬通頻帶光柵濾波器結構的運作方法，其中該閃耀角(Blaze angle)增加或減少的該角度介於8.45~8.95度之間。
  11. 如請求項10所述之寬通頻帶光柵濾波器結構的運作方法，其中該閃耀角(Blaze angle)增加或減少的該角度為8.45度。
  12. 如請求項8所述之寬通頻帶光柵濾波器結構的運作方法，其中該輸入端與該接收端設置於該衍射光柵之該聚焦點的羅蘭圓(Rowland circle)上。
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