TWI823374B - 光學裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種光學裝置，光學裝置包括光纖陣列和光學配件組。光纖陣列包括共用通道及多個分波通道平行排列於第一方向且沿第二方向延伸，且從俯視角度看光纖陣列具有第一表面。光學配件組耦合到光纖陣列的第一表面。從俯視角度看，第一表面與光纖陣列的共用通道形成小於90度的角度。

Description

光學裝置
本發明係關於一種光學裝置，尤其關於一種多工/解多工(MUX/DEMUX)裝置。
最小化光學損耗對於提高光學裝置的性能至關重要，許多因素與光學損耗有關，例如對準、像差、污染等。更進一步來說，光學裝置的尺寸也會影響光學裝置的應用。因此，提高性能和小型化是該領域的重要議題。
本發明揭露一種光學裝置，包括光纖陣列和光學配件組。光纖陣列包括共用通道及多個分波通道平行排列於第一方向且沿第二方向延伸，且從俯視角度看光纖陣列具有第一表面。光學配件組耦合到光纖陣列的第一表面。從俯視角度看，第一表面與光纖陣列的共用通道形成小於90度的角度。
本發明揭露一種光學裝置，包括光纖陣列和光學配件組。光纖陣列包括共用通道及多個分波通道平行設置，且從俯視角度看光纖陣列具有第一表面。光學配件組耦合至光纖陣列的第一表面，且光學配件組包括設置在光纖陣列同一側的透鏡陣列和濾光層。透鏡陣列附接至濾光層。
下列說明提供用於實現所提供主題中不同特徵之許多不同的實施例或範例。以下說明元件和配置的範例，以簡化本發明。當然，這些僅為範例，而非限制性。例如，以下描述中在第二特徵上或之上形成第一特徵可包括其中第一和第二特徵直接接觸形成的實施例，並且也可包括其中可在第一與第二特徵之間形成附加特徵，使得第一和第二特徵不直接接觸的實施例。此外，本發明可在各個範例中重複參考編號及/或字母。該重複的目的在於簡單和清楚，並且本身並不表示所討論的各種實施例及/或組態之間的關係。
此外，本文可使用空間相關用語，例如「底下」、「下方」、「之下」、「上方」、「之上」、「上」等，以便於描述一個元件或特徵與另一元件或特徵的關係，如圖中所示。除了圖中所描繪方位之外，此類空間相關用語還涵蓋裝置於使用或操作中的不同方位。該設備可以其他方式定向（旋轉90度或在其他方位上），並且可相應地解釋本文中使用的空間相關用語。
如此處所使用，雖然諸如「第一」、「第二」和「第三」等詞描述許多元件、組件、區域、層和/或區段，這些元件、組件、區域、層和/或區段不應受限於這些詞。這些詞只用於將一個元件、組件、區域、層或區段與其他區域、層或區段分辨。除非上下文明確指出，否則本文中使用的諸如「第一」、「第二」和「第三」之術語並不暗示順序或次序。
本發明提供一種低損耗、緊湊的MUX/DEMUX裝置，其中共用通道和分波通道的終端使用同側上的同組透鏡和光纖陣列。此外，每一光纖與光纖陣列的側表面形成小於90度的夾角，可通過消除像差來改善插入損耗。與傳統方法相比，本發明在MUX/DEMUX應用領域具有低損耗、緊湊且具備成本效益的設計特點。
圖 1例示根據本發明中一些實施例的光學裝置 10。光學裝置 10以俯視圖繪示。在一些實施例中，光學裝置 10設置成將光學信號解多工（DEMUX）成多個分解的光學信號。在一些實施例中，光學裝置 10更設置成將多個分解的光學信號多工（MUX）處理成一個光學信號。換句話說，光學裝置 10可為MUX/DEMUX裝置。
在一些傳統方法中，共用通道和分波通道分開在不同側面上，並且使用不同組的透鏡和光纖陣列組成。這種結構的成本較高，因為需要更多的元件和更多的時間來組裝。此外，傳統的MUX/DEMUX裝置佈置在基板上，並且光束在每一元件之間的自由空間（free space）中傳播。必須仔細設計MUX/DEMUX裝置的元件配置（例如元件之間的距離），以達到更小尺寸。然而，根據傳統方法的MUX/DEMUX裝置中之基板導致難以小型化。與上述方法相比，本申請案提供的光學裝置 10為具有更簡化配置的無基板裝置。因此，光學裝置 10比根據傳統方法的光學裝置更容易小型化，且更具成本效益。
如圖 1所示，光學裝置 10包括光纖陣列 100和附接到光纖陣列 100的光學配件組 200。因為光纖陣列 100與光學配件組 200直接接觸，所以光纖陣列 100和光學配件組 200之間沒有自由空間。因此，光學裝置 10可避免暴露其中每個元件的側表面而遭受污染。在一些實施例中，光學裝置 10也稱為緊湊型多通道MUX/DEMUX裝置。
光纖陣列 100包括在 X方向上平行排列的共用通道 C com 和多個分波通道 C1~ C4，並且共用通道 C com 和分波通道 C1~ C4沿 Y方向延伸。應理解的是，圖 1所示分波通道 C1~ C4的數量僅為示例，本發明不限於此。各種數量的分波通道都在本發明的考量與範疇內。
光纖陣列 100具有表面 100a（或本文所指的側表面）其附接到光學配件組 200。表面 100a和共用通道 C com 從俯視角度看形成小於90度的角度 θ1，從而減少光學信號的回波損耗並可通過消除像差來改善插入損耗。 X方向與 Y方向正交，表面 100a與由 X方向和 Y方向相互定義的平面垂直。在一些實施例中，與間隔層 210、光纖陣列 100、透鏡陣列 220等的所有其他側表面一樣，側表面 100a相對於光學裝置 10的共用底部垂直，而不是在之間形成傾斜角度。
由於光學裝置 10可執行MUX和DEMUX操作，通過共用通道 C com 傳輸的光學信號在下文中稱為MUX信號，並且通過分波通道 C1~ C4傳輸的光學信號在下文中稱為DEMUX信號，以便於理解。
當光纖陣列 100作為DEMUX裝置時，設置成通過共用通道 C com 的端子接收MUX信號，並設置成從分波通道 C1~ C4的端子輸出DEMUX信號。當光纖陣列 100作為MUX裝置時，設置成通過分波通道 C1~ C4的端子接收DXMUX信號，並設置成從共用通道 C com 的端子輸出MUX信號。
光學配件組 200包括間隔層 210、透鏡陣列 220、濾光層 230、Z區塊(Z-block) 240和稜鏡 250。間隔層 210的一側附接於在光纖陣列 100的表面 100a上；透鏡陣列 220的一側附接於間隔層 210並與光纖陣列 100相對；濾光層 230的一側附接於透鏡陣列 220並與間隔層 210相對；Z區塊 240的一側附接於濾光層 230並與透鏡陣列 220相對；以及稜鏡 250附接於Z區塊 240並與濾光層 230相對。如圖 1所示，光纖陣列 100、間隔層 210、透鏡陣列 220、濾光層 230、Z區塊 240和稜鏡 250都附接在一起。或者說，光學裝置 10中的MUX及/或DEMUX信號之光學路徑（在圖 1中以虛線示出）不通過自由空間。
間隔層 210包括對MUX及/或DEMUX信號通透的材料，例如玻璃。在一些實施例中，間隔層 210的寬度 W係根據透鏡陣列 220的焦距來設計，以平衡所有通道的光學路徑長度。在一些實施例中，間隔層 210沿其主要尺寸具有均勻的寬度 W，如圖 1所示。在一些其他實施例中，間隔層 210的寬度 W可根據每個通道所需光學路徑長度沿其主要尺寸逐漸變細，如隨後在圖 4中所示。
透鏡陣列 220包括對應於共用通道 C com 和分波通道 C1~ C4的多個透鏡 221~ 225。濾光層 230包括分別對應於透鏡 221~ 225的濾光片 231~ 235。更具體來說，濾光片 231與透鏡 221和共用通道 C com 對準，濾光片 232~ 235分別與透鏡 222~ 225和分波通道 C1~ C4對準。當作為MUX裝置時，透鏡 222~ 225設置成分別將DEMUX信號與濾光片 232~ 235光學對準。當作為DEMUX裝置時，透鏡 221設置成將MUX信號與濾光片 231光學對準。或者說，透鏡 221設置成將MUX信號準直至濾光片 231，並且透鏡 222~ 225設置成分別將DEMUX信號準直至濾光片 232~ 235。
濾光片 231~ 235分成兩類型，濾光片 232~ 235為第一類型，具有與分波通道 C1~ C4對應的通帶。濾光片 232~ 235的通帶彼此不同。濾光片 231是第二類型，其通帶覆蓋濾光片 232~ 235的所有通帶，或者只是透明的隔板。在一些實施例中，濾光片 231包括偏振器。在其他實施例中，濾光片 231包括法拉第轉子。
在一些實施例中，濾光片 230稱為分波多工（WDM）薄膜或密集分波多工（DWDM）薄膜，這取決於應用場景。
當作為MUX裝置時，Z區塊 240設置成接收來自濾光片 232~ 235的DEMUX信號，並將DEMUX信號合併（多工）成MUX信號。當作為DEMUX裝置時，Z區塊 240設置成通過濾光片 231接收MUX信號，並將MUX信號區分（解多工）成DEMUX信號。
稜鏡 250與共用通道 C com 和第一分波通道（ C1）光學對準。在一些實施例中，稜鏡 250為直角稜鏡，用於將MUX信號從濾光片 231引導至濾光片 232，或將DEMUX信號從濾光片 232引導至濾光片 231。
請參見圖 2a和圖 2b。圖 2a例示根據本發明中一些實施例一部分的濾光層 230、透鏡陣列 220以及光纖陣列 100。圖 2b例示根據本發明中一些實施例一部分的濾光層 230、透鏡陣列 220以及光纖陣列 100。在一些實施例中，共用通道C com或分波通道 C1~ C4之一與透鏡陣列 220的表面 220S間之角度 θ1大致等於90度。為了在Z區塊 240中實現特定傳播角度，每個通道的光纖應該相對於穿過每個透鏡曲率中心的光軸移動一段距離。這種離軸配置導致來自共用通道 C com 及/或分波通道 C1~ C4的光束（即，MUX信號及/或DEMUX信號），以較大的折射角通過透鏡 221~ 225的外圍區域，從而引起額外的球形和彗形像差。為了便於理解，圖 2a和圖 2b中的實施例描述為DEMUX裝置，並且在圖 2a和圖 2b中省略了一些元件（例如隔板 210和Z區塊 240）。
比較圖 2a和圖 2b中的角度 θ1，為了保持離開透鏡陣列 220並進入濾光層 230（以及因此進入Z區塊 240）的光束之固定角度 θ1'，則角度 θ1的不同配置會使得光纖被對準到相對於透鏡曲率中心 220c的不同位置，然後導致不同程度的光學像差。例如，在圖 2a中，角度 θ1等於90度，對應於通道（ C com ， C1）的光纖應該相對於通過每個透鏡曲率中心 220c的各個光軸偏移一段距離，以保持所述固定角度。因此，共用通道 C com 和分波通道 C1的光束都以較大角度折射通過透鏡陣列 220中各自透鏡的周邊部分，從而引起額外的球形和彗形像差。另外，在觀察輸入共用通道 C com 時，較大的光學像差會導致準直光束在向前傳播時變寬；同樣地，當觀察輸出分波通道 C1時，準直光束通過透鏡陣列 220的各個透鏡時可被聚焦，但聚焦的光束寬度不是100％可還原。在此連接設置下，當聚焦光束寬度比分波通道 C1~ C4中任一個的光纖之模場直徑寬時，分波通道 C1~ C4的耦合效率降低，從而增加插入損耗。
為了減少光學像差和減少插入損耗，圖 2b中的角度 θ1設計成與從透鏡出射的光束之固定角度 θ1'基本相同，以便光束可通過透鏡陣列 220的每個透鏡曲率中心 220c。因此，共用通道 C com 和分波通道 C1的光束都以較小或最小的折射角通過透鏡陣列 220中各自透鏡的中心部分附近，從而最小化球形和彗形像差。在一些實施例中，角度 θ1在約75度至85度的範圍內。在本發明的一些實施例中，插入損耗比傳統方法低至少0.5dB。
在其他實施例中，角度 θ1基本上等於90度，如圖 3所示。在此實施例中，光學配件組 200包括間隔層 210、透鏡陣列 220、濾光層 230、Z區塊 240和稜鏡 250。間隔層 210的一側附接於在光纖陣列 100的表面 100a上；透鏡陣列 220的一側附接於間隔層 210並與光纖陣列 100相對；濾光層 230的一側附接於透鏡陣列 220並與間隔層 210相對；Z區塊 240的一側附接於濾光層 230並與透鏡陣列 220相對；以及稜鏡 250附接於Z區塊 240並與濾光層 230相對。如圖 3所示，光纖陣列 100、間隔層 210、透鏡陣列 220、濾光層 230、Z區塊 240和稜鏡 250都附接在一起。或者說，光學裝置 10中的MUX和/或DEMUX信號之光學路徑不通過自由空間。此外，光學裝置 10可避免其中各元件的暴露側面而遭受污染，有利於光學裝置的小型化，以及讓光學裝置 10無需一共用基板。
參考圖 4，在各種不同的實施例中，附接於光纖陣列 100的間隔層 210的側面 210a不平行於附接於透鏡陣列 220的間隔層 210的側面 210b。側面 210a和側面 210b形成大於0度的角度 θ2。在一些實施例中，角度 θ2被設計來最佳化一對輸入和輸出準直器的工作距離（working distance），即（1）共用通道 C com 和相應的透鏡 221所組成的準值器；與（2）將分波通道 C1~ C4和各自的透鏡 222~ 225所組成的準值器，以使光學的耦合失準最小化，並降低MUX信號及/或DEMUX信號的插入損耗。
請見圖 5。圖 5例示根據本發明中替代的實施例的光學裝置 50。類似於光學裝置 10，光學裝置 50包括光纖陣列 100、間隔層 210、透鏡陣列 220、濾光層 230、Z區塊 240和稜鏡 250。與光學裝置 10相比，光學裝置 50的光纖陣列 100為2維光纖陣列 100。2維光纖陣列 100包括共用通道 C com 和分波通道 C1~ C4，更包括共用通道 C com1 和分波通道 C5~ C8。
共用通道 C com1 類似於共用通道 C com ，並且分波通道 C5~ C8分別類似於分波通道 C1~ C4。因此，在此不再贅述共用通道 C com1 和分波通道 C5~ C8的細節。
光學裝置 50也是無基板配置，並且透過設置在任一光纖（或共用通道 C com 、 C com1 和分波通道 C1~ C8）與間隔層 210面向光纖陣列 100的側面之間的角度 θ1小於90度來降低插入損耗。
在一個示範態樣中，提供一種光學裝置。光學裝置包括光纖陣列和光學配件組。光纖陣列包括共用通道及多個分波通道平行排列於第一方向且沿第二方向延伸，且從俯視角度看光纖陣列具有第一表面。光學配件組耦合到光纖陣列的第一表面。從俯視角度看，第一表面與光纖陣列的共用通道形成小於90度的角度。
在另一個示範態樣中，提供一種光學裝置。光學裝置包括光纖陣列和光學配件組。光纖陣列包括共用通道及多個分波通道平行設置，且從俯視角度看光纖陣列具有第一表面。光學配件組耦合至光纖陣列的第一表面，且光學配件組包括設置在光纖陣列同一側的透鏡陣列和濾光層。透鏡陣列附接至濾光層。
上面概述若干實施例的結構，使得精通技術人士可更好地理解本發明各方面。精通技術人士應理解，他們可容易地使用本發明作為設計或修改其他操作和結構之基礎，以實現相同目的及/或實現本文所介紹實施例的相同優點。精通技術人士還應認識到，這樣的同等構造不脫離本發明的精神和範圍，並且在不脫離本發明的精神和範圍之情況下，可在進行各種改變、替換和變更。
10:光學裝置 50:光學裝置 100:光纖陣列 100a:表面 200:光學配件組 210:間隔層 210a:側面 210b:側面 220:透鏡陣列 220c:曲率中心 220S:表面 221:透鏡 222:透鏡 223:透鏡 224:透鏡 225:透鏡 230:濾光層 231:濾光片 232:濾光片 233:濾光片 234:濾光片 235:濾光片 240:Z區塊(Z-block) 250:稜鏡 C1:分波通道 C2:分波通道 C3:分波通道 C4:分波通道 C5:分波通道 C6:分波通道 C7:分波通道 C8:分波通道 C com :共用通道 C com1 :共用通道 W:寬度 θ1:角度 θ1':角度 θ2:角度
當結合附圖閱讀時，從以下詳細描述中可最佳理解本發明態樣。應注意，根據工業中的標準實踐，各種結構並未按比例繪製。事實上，為了清晰起見，許多結構的尺寸可能任意放大或縮小。 圖 1例示根據本發明中一些實施例的光學裝置。 圖 2a例示根據本發明中一些實施例的一部分的濾光層、透鏡陣列以及光纖陣列。 圖 2b例示根據本發明中一些實施例的一部分的濾光層、透鏡陣列以及光纖陣列。 圖 3例示根據本發明中其他實施例的光學裝置。 圖 4例示根據本發明中各種不同的實施例的光學裝置。 圖 5例示根據本發明中替代的實施例的光學裝置。
10:光學裝置
100:光纖陣列
100a:表面
200:光學配件組
210:間隔層
220:透鏡陣列
221:透鏡
222:透鏡
223:透鏡
224:透鏡
225:透鏡
230:濾光層
231:濾光片
232:濾光片
233:濾光片
234:濾光片
235:濾光片
240:Z區塊(Z-block)
250:稜鏡
C1:分波通道
C2:分波通道
C3:分波通道
C4:分波通道
C com :共用通道
W:寬度
θ1:角度

Claims (16)

  1. 一種光學裝置，包括：一光纖陣列，包括一共用通道及複數個分波通道平行排列於一第一方向且沿一第二方向延伸的，從一俯視角度看該光纖陣列具有一第一表面；以及一光學配件組，耦合到該光纖陣列的該第一表面，其中該光學配件組包括：一間隔層，具有一第一側附接到該光纖陣列的該第一表面；一透鏡陣列，附接至該間隔層與該間隔層的一第二側相接，其中該第二側相對於該第一側；以及一濾光層，附接至該透鏡陣列，其中該濾光層包括：複數個第一類型濾光片，包括複數個通帶對應於該些分波通道，其中該些通帶彼此不同；以及一第二類型濾光片，經設置以與該光纖陣列的該共用通道對準，其中該第二類型濾光片包括一通帶涵蓋該些第一類型濾光片的所有通帶，其中從該俯視角度看，該第一表面與該光纖陣列的該共用通道形成小於90度的一角度。
  2. 如請求項1之光學裝置，其中該第一方向與該第二方向正交，並且該第一表面與該第一方向和該第二方向共同定義的一平面垂直。
  3. 如請求項1之光學裝置，其中該第一表面與該光纖陣列的該共用通道形成的該角度經設置以減少通過該共用通道、該些分波通道和該透鏡陣列中相應的一透鏡的一光束之光學像差。
  4. 如請求項1之光學裝置，其中該第一表面與該光纖陣列的該共用通道形成的該角度經設置以允許穿過該共用通道或該些分波通道的一光束穿過該透鏡陣列中相應的一透鏡的一曲率中心。
  5. 如請求項1之光學裝置，其中該第二類型濾光片包括一偏振器或一法拉第轉子。
  6. 如請求項1之光學裝置，其中該光纖陣列包括一2維光纖陣列。
  7. 如請求項1之光學裝置，其中該第一表面與該光纖陣列的該共用通道形成的該角度的範圍約為75度至85度之間。
  8. 如請求項1之光學裝置，其中該光學配件組經設置以透過該光纖陣列的該共用通道接收一多工(MUX)信號，並將該MUX信號解多工以輸出複數個解多工(DEMUX)信號到該光纖陣列的該些分波通道，或者從該光纖陣列的該些分波道接收該些DEMUX信號，並將該些DEMUX信號多工處理，以輸出該MUX信號至該光纖陣列的該共用通道。
  9. 一種光學裝置，包括： 一光纖陣列，包括一共用通道及複數個分波通道平行設置，且從一俯視角度看該光纖陣列具有一第一表面；以及一光學配件組，耦合到該光纖陣列的該第一表面，該光學配件組包括：設置在該光纖陣列的同一側上之一透鏡陣列和一濾光層，其中該透鏡陣列附接至該濾光層；一間隔層，附接到該光纖陣列的該第一表面；一Z區塊(Z-block)，附接到該濾光層遠離該透鏡層的一側；以及一稜鏡，其中該稜鏡在與該濾光層相對的一側上連接到該Z區塊，並且與該光纖陣列的該共用通道和該些分波通道中的一第一分波通道光學對準。
  10. 如請求項9之光學裝置，其中該共用通道與該些分波通道沿第一方向排列並沿與該第一方向正交的一第二方向延伸，其中從該俯視角度看，該光纖陣列的該第一表面與該共用通道所形成的一角度小於90度。
  11. 如請求項10之光學裝置，其中該第一表面與該第一方向和該第二方向共同定義的一平面垂直。
  12. 如請求項9之光學裝置，其中該濾光層包括：複數個第一類型濾光片，包括對應於該些分波通道的複數個通帶，其中該些通帶彼此不同；以及 一第二類型濾光片，經設置以與該光纖陣列的該共用通道對準。
  13. 如請求項12之光學裝置，其中該第二類型濾光片包括一光學隔離器。
  14. 如請求項9之光學裝置，其中該光纖陣列包括一2維光纖陣列。
  15. 如請求項9之光學裝置，其中該第一表面與該光纖陣列的該共用通道形成的該角度的範圍約在75度至85度之間。
  16. 如請求項9之光學裝置，其中該光學配件組經設置以透過該光纖陣列的該共用通道接收一多工(MUX)信號，並將該MUX信號解多工以輸出複數個解多工(DEMUX)信號到該光纖陣列的該些分波通道，或者從該光纖陣列的該些分波道接收該些DEMUX信號，並將該些DEMUX信號多工處理，以輸出該MUX信號至該光纖陣列的該共用通道。
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