專利名稱:波長選擇裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及于具有一個或者更多個光輸入/輸出并且用于選擇性地處理復用光波長的、用于利用波長復用的光學傳輸系統的裝置，并且具體地涉及一種具有小的模塊高度，并且其特性相對于環(huán)境溫度的變化而改變小的安裝結構，以及使用上述安裝結構的裝置。
背景技術：
在光學傳輸系統中，以往波長復用的主要目的是借助增加通道數量來擴展傳輸容量。近年來，所期望的益處是通過利用波長差和靈活的頻帶使用所擴展的服務菜單來提高傳輸系統的附加值并且降低操作成本。
然而，速度和成本降低的充分益處不能通過常規(guī)方法獲得，在該常規(guī)方法中將光信號轉換為電信號并進行電處理，并且再將電信號轉換回光信號。
因此，需要一種具有多個光輸入和輸出并且能夠以光的形式選擇性地處理波長復用傳輸信號的裝置。
這種光學裝置是的一種包括波長選擇開關，該開關是能夠選擇性地將輸入的波長復用信號分選成每個波長的裝置。
圖1示出了常規(guī)波長選擇開關的基本結構示例。
圖1所示的波長選擇開關至少包括分光元件(即，衍射光柵)13，用于對波長復用光信號進行分光；輸入/輸出光學系統(包括輸入光學系統和輸出光學系統，即，在圖1中，由包括端口COM和端口#1至#4端口的端口10、準直儀11和擴展光學系統12構成)；匯聚光學系統(即，聚焦透鏡)14；以及對應于波長設置的可動反射體(即，MEMS(微機電系統)反射鏡陣列)15。注意，通過使用光電二極管陣列代替用于波長選擇開關的MEMS反射鏡陣列15獲得了用于接收每個波長的光信號的波長選擇光學接收器。此時，擴展光學系統12僅在如圖1所示的一個方向上擴展光束。當在進行分光之后通過匯聚光學系統來匯聚經擴展的光束時，光束在焦點處的截面特征是具有寬度在擴展光學系統12的方向上加寬的細長形狀。即，將光束在MEMS反射鏡陣列15上聚焦成具有在垂直于方向“a”的方向上寬度較窄的形狀的光斑。已知如下特性隨著光的寬度越大，可將光聚焦得越窄。
圖1所示的分光元件13是使用透射光柵的一個示例，分光元件13針對各個波長，將包含在輸入光中的波長分量以不同方向進行分散并輸出。將可動反射體(即，MEMS反射鏡陣列)15沿著波長的分散方向布置在對應于各個波長的位置處。沿著端口的陣列方向改變可動反射體15的角度，能夠將從輸入端口COM輸入的波長分配到任意輸出端口(即，除了COM以外的從#1至#4端口10中的一個)。注意，分光元件13可使用棱鏡。
在此結構中，可動反射體上的聚焦光束的狀態(tài)是波長選擇開關相對于頻帶、附加損耗等的傳輸特性的主要決定因素。因此，為了穩(wěn)定地獲得良好的傳輸特性，每個部件的安裝位置相對于諸如周圍溫度的環(huán)境變化必須穩(wěn)定。
在非專利文件1和專利文件1中公開了對于這種環(huán)境溫度變化有彈性的波長選擇開關的結構。這些結構具有安裝在圓筒狀框體中的波長選擇開關的多個部件，這些部件以圓筒的中心作為安裝基準。這樣就將可動反射體的焦點設置在圓筒平面內，由此提供由于熱膨脹而產生最小偏移的結構。即，可動反射體的聚焦位置被設置得接近圓筒的中心軸，并且圓筒從中心軸向外側對稱地膨脹，因此中心軸的附近幾乎免受熱膨脹的影響。
Optical MEMS 2003，43頁[專利文件1]美國專利No.6307657為了提高分配波長的靈活性，輸出端口的數量的擴充對于波長選擇開關是非常重要。如圖1所示，其結構是端口的數量的擴充增加了模塊的高度，因為端口的數量的擴充方向(即，從端口#1至#4增加端口10的數量并且垂直地排列它們的方向)是垂直于波長分散方向的。在此，將模塊高度定義為方向“a”(如圖1所示)上的模塊尺寸，方向“a”是在增加端口數量的情況下，增加的輸出端口的排列方向。
同時，在光通信系統中，裝置被安裝在標準板尺寸的板上。因此，為了將裝置安裝在標準板上，在模塊高度和面積大小方面存在限制，要求在保證更大數量的端口的同時，抑制波長選擇開關的模塊高度。
圖2示出了常規(guī)波長選擇開關的構成。
在圖2中，相同的標號指示與圖1中的結構相同的結構。相同的標號指示的部件具有與圖1中示出的部件相同的功能。
如圖2所示，由于在常規(guī)技術中模塊具有圓筒狀結構，所以在用于光束的區(qū)域之外產生了陰影區(qū)(即，通過斜陰影線示出的部分)。因此，這在抑制模塊高度方面其是不利的。
因此，為了抑制模塊高度，需要通過不產生陰影區(qū)的非圓筒狀結構來實現緊湊且薄的機體。然而，由于是非圓筒狀結構，傾向于發(fā)生光束在可動反射體15上的聚焦位置相對于上述環(huán)境溫度變化的波動。

發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種緊湊的波長選擇裝置，其能夠獲得相對于環(huán)境溫度變化的良好傳輸特性。
根據本發(fā)明的波長選擇裝置包括光學端口；分光元件，用于對來自光學端口的輸入光進行分光；匯聚光學系統，用于匯聚以分光方式分離的光；光學元件，用于接收經匯聚的光；以及框體，用于在近似垂直于分光元件的分光面的平面上支承光學端口、分光元件、匯聚光學系統和光學元件。
根據本發(fā)明的波長選擇裝置提供了如下優(yōu)點在抑制了模塊的高度的同時減少了由于環(huán)境溫度變化所引起的光束匯聚狀態(tài)變化。
圖1示出了常規(guī)波長選擇開關的基本結構示例；圖2示出了常規(guī)波長選擇開關的構成；
圖3是本發(fā)明的實施例的概念圖；圖4例示出根據本發(fā)明的實施例的波長選擇裝置的具體結構；圖5例示出在圖4所示的結構中由于環(huán)境溫度變化所產生的光學元件的改變；圖6A至6E例示出根據溫度變化改變其角度的反射鏡固定器的結構；圖7A和7B說明在波長選擇裝置中使用兩個衍射光柵的益處；圖8說明重影光(ghost light)；圖9說明用于提高波長選擇裝置的偏振依賴性的方法；以及圖10說明用于設置波片的方法。
具體實施方式本發(fā)明的實施例被配置成從框體的側面固定構成波長選擇裝置的光學元件，其中以如下位置作為基準來確定各元件的相對位置，即，當在作為端口擴充的方向的元件高度的方向上觀察裝置時，該裝置近似對稱。
根據上述結構，當從高度方向的中心點觀察時，每個光學元件由于環(huán)境溫度的變化而產生的熱膨脹的方向都變得對稱，以便與從底部的固定元件相比，能夠在高度方向上抑制相對位置的改變。由于將三維熱膨脹抑制為近似于兩維的熱膨脹，所以能夠抑制光學元件的相對位置改變。即，這里不需要考慮三維熱膨脹的影響，而是需要僅考慮兩維熱膨脹的設計。
圖3是本發(fā)明的實施例的概念圖。
在圖3中，相同標號指示與圖1和2所示的元件相同的元件。
在圖3所示的結構中，通過框體20僅從其側面支承各光學元件。將框體20置于近似垂直于圖3中所示的分光面16的位置處。也可以考慮框體20與所示的分光面16成直角，所述分光面16包括分光元件13對光進行分光的方向。這種結構消除了由圖2所示的結構產生的所有光學元件的陰影區(qū)，并且通過去除底板使模塊高度最小化。在此情況下，光學元件的由于溫度變化的膨脹影響僅在以框體20作為基準的上下方向的一維方向上，并且MEMS反射鏡陣列15的位置改變在分光方向上。即，盡管框體20由于熱膨脹而膨脹，但在光學元件的b和c方向上出現影響。此外，盡管方向c上的變化改變了分光元件13與MEMS反射鏡陣列15之間的距離，但卻表現為在水平方向上射中MEMS反射鏡陣列15的以分光方式被分離的光的位置的改變。因此，如果MEMS反射鏡陣列15的各鏡在水平方向上被制造得更大，則能夠吸收熱膨脹的影響。
附帶地，參照圖3，輸入端口COM和多個輸出端口#1至#4被示為端口10。端口10的結構不限于此。例如，輸入端口COM不必是一個，也可以為多個。同時，盡管圖3中示出了多個輸出端口，但也可僅為一個。這種情況對于下列實施例的全部描述同樣適用。
圖4例示出根據本發(fā)明的實施例的波長選擇裝置的具體結構。
在圖4所示的結構中，光在箭頭方向上傳播。即，從準直儀陣列21入射的光通過光束擴展器22并且通過透射衍射光柵對23被進行分光。透射衍射光柵對23包括兩個衍射光柵，被排列成增加光的各自的角分散。以分光方式分離的光由第一折返反射鏡24反射，由聚焦透鏡25匯聚，并且隨后由第二折返反射鏡26反射。通過第二折返反射鏡26反射的光到達通常被配置成一個封裝的MEMS反射鏡陣列27。第一和第二折返反射鏡24和26的傾角分別地近似于45度。
此結構通過回折分光元件(即，透射衍射光柵對23)與可動反射體(即，MEMS反射鏡陣列27)之間的間距(模塊長度的主要因素)使得模塊緊湊。參照圖4，由于框體28如圖3的情況，僅從側面支承光學元件，所以熱膨脹的影響僅存在于方向d和e。在此，方向d上的影響不會導致光學元件上的旋轉并且因此僅需要針對個別光學元件的對策。在方向e(模塊的周向)上的影響會引起將導致光路偏移的光學元件的旋轉。稍后描述此現象。盡管線性長光學系統傾向于其振幅在系統的中部很大的外部振動，因此其容易影響光學特性，期待上述結構的緊湊設計來獲得抑制前述這種振動的振幅的益處。
圖5例示出在圖2所示的結構中，光學元件由于環(huán)境溫度變化而產生的改變。注意，在圖5中，相同的標號指示與圖4中相同的結構。在圖5所示的結構中，圖4所示的方向e上的熱膨脹的影響和其他影響導致光學元件從細線所描繪的情況改變到由粗線所描繪的情況。這使得第一和第二折返反射鏡24和26各自的旋轉是明顯的。盡管這種旋轉意味著光路的偏移，但對由于旋轉引起的光路偏移的主動利用，使得能夠修正受方向e上的熱膨脹影響的分光方向上的可動反射體(即，透射衍射光柵對23)的聚焦位置的偏移等，而這種修正僅通過圖4所示的結構是不可能實現的。
圖6A至6F例示出根據溫度變化而改變其角度的反射鏡固定器的結構。
圖6A至6F描述了主動利用圖5所示的第一和第二折返反射鏡24和26的旋轉的方法。為了控制前述反射鏡的旋轉，6A所示的結構通過使用高強度粘合劑等使反射鏡與固定器堅固地粘合。然后，通過如雙金屬材料元件的相同原理，即，通過反射鏡材料與固定器材料之間的膨脹系數之差使反射鏡表面旋轉。如圖6D所示，反射鏡表面的旋轉量，即，光束位置的改變量可通過選擇固定器(或反射鏡)的材料來調節(jié)。圖6B和6C例示了用于通過膨脹系數之差來推出反射鏡表面的方法。這些配置具有用于允許反射鏡表面的傾角變化的結構，并且反射鏡支架采用具有大膨脹系數的金屬材料。金屬材料的膨脹系數的適當選擇使得能夠設計出合適的反射鏡旋轉量。
關于用于反射鏡和固定器的材料選擇方法，設計工程師可僅通過使用各個材料表和除圖6D之外，如圖6E所示的它們的線性膨脹系數來選擇材料。
圖7A和7B說明在波長選擇裝置中使用兩個衍射光柵的益處。
在圖7A和7B中，相同的標號指示與圖3中相同的部件，并且在此省略其描述。
如圖7A所示，如果衍射光柵13a的角分散的量不充分，則衍射光柵13a與MEMS反射鏡陣列15之間的距離必須設置得更大，使得以分光方式分離的光的匯聚位置與MEMS反射鏡陣列15的各個反射鏡間距相匹配。在這種情況下，通過配備兩個衍射光柵13b和13c，以便應用用于使光通過如圖7B所示的它們的刻線近似于彼此平行的兩個衍射光柵的組件的結構，能夠增加角分散的量。通過此結構，能夠縮短衍射光柵13b和13c與MEMS反射鏡陣列15之間的距離。即，此配置提供了減小分光元件13b和13c與可動反射體15(MEMS反射鏡陣列15)之間的距離(其是模塊長度的主要因素)的優(yōu)點，由此使模塊緊湊。在此，描述的是配備了兩個衍射光柵的結構，然而，其數量通常是不重要的。
圖8說明了重影光。
考慮到可生產性，優(yōu)選地將MEMS反射鏡陣列，或者光電二極管陣列31配置成單個封裝。然而，存在如下一種可能性，即輸入光以接近于垂直于根據本發(fā)明的實施例的波長選擇裝置中的封裝窗口30的角度入射，因此由于封裝窗口處的反射損耗量有限而在輸出端口產生重影光。
因此，在將MEMS反射鏡陣列或者光電二極管31制成單個封裝的情況中，可以通過使封裝窗口30傾斜，由此將封裝窗口30處的反射光完全定向成如圖8所示的其他方向來抑制重影光的產生。注意，根據經驗已知封裝窗口30的傾角為五度或者更大。
圖9說明用于提高波長選擇裝置的偏振依賴性的方法。
波長選擇裝置的偏振依賴性主要發(fā)生在衍射光柵中。如圖9的實線所示，單個衍射光柵的衍射效率表示P偏振與S偏振之間的不同特性。因此，，使用波片使得當光通過衍射光柵偶數次(即，典型地為兩次)時偏振狀態(tài)互換。如圖9中虛線所示，這消除了偏振依賴性。
圖10描述用于設置波片的方法。
在圖10中，與圖4相同的標記指示與圖4的結構相同的部件。
可以將用于消除透射衍射光柵對23的衍射效率的偏振依賴性的波片裝配在其衍射光柵之間，或者裝配在MEMS反射鏡陣列27的前面。因為任一情況都需要轉換P偏振和S偏振，所以將波片裝配成使得處于P偏振和S偏振兩個狀態(tài)中的光的相位從該光輸入到該光輸出共偏移半波長。在將波片裝配在透射衍射光柵對23的衍射光柵之間的情況下，安裝1/2(半)波片35。在將波片裝配在MEMS反射鏡陣列27的前方的情況下，安裝1/4(四分之一)波片36。
如迄今所述，根據本發(fā)明的實施例的包括波長選擇平臺的波長選擇裝置不但緊湊并且還能夠顯示優(yōu)良的傳輸特性。
權利要求
1.一種波長選擇裝置，包括光學端口；分光元件，用于對來自光學端口的輸入光進行分光；匯聚光學系統，用于匯聚以分光方式分離的光；光學元件，用于接收所匯聚的光；以及框體，用于在近似垂直于所述分光元件的分光面的面上支承所述光學端口、分光元件、匯聚光學系統以及光學元件。
2.根據權利要求
1所述的波長選擇裝置，其中，所述光學元件是光電二極管。
3.根據權利要求
1所述的波長選擇裝置，其中，所述光學端口包括輸入用端口和多個輸出用端口，并且所述光學元件是微機電系統反射鏡陣列，其中，所述微機電系統反射鏡陣列對從輸入用端口輸入的光進行反射并且以分光方式進行分離，并且針對每個波長將所分離的光輸入到各個不同的輸出用光纖。
4.根據權利要求
1所述的波長選擇裝置，其中，所述光學端口包括多個輸入用端口和多個輸出用端口，以及所述光學元件是微機電系統反射鏡陣列，其中，所述微機電系統反射鏡陣列對從針對每個波長選擇的輸入用端口輸入的光進行反射，并且將其輸入到輸出用端口。
5.根據權利要求
1所述的波長選擇裝置，其中，所述匯聚光學系統包括透鏡，并且所述波長選擇裝置包括用于在所述透鏡的前面和后面使光路折疊的一組反射鏡，其中所述框體被制造成矩形形狀，在其中固定有所述光學端口、分光元件、匯聚光學系統以及光學元件。
6.根據權利要求
5所述的波長選擇裝置，其中，所述透鏡因環(huán)境溫度的變化而旋轉，并且對通過固定到所述框體上的光學元件形成的光路因環(huán)境溫度變化而產生的偏移進行補償。
7.根據權利要求
1所述的波長選擇裝置，進一步包括位于所述光學端口與分光元件之間的用于擴展光束寬度的擴展光學系統。
8.根據權利要求
1所述的波長選擇裝置，其中，所述分光元件包括多個衍射光柵，布置所述多個衍射光柵用以增加角分散方向。
9.根據權利要求
1所述的波長選擇裝置，其中所述光學元件容納在封裝中，所述封裝具有允許光透過的窗口，并且所述窗口相對于光路傾斜。
10.根據權利要求
1所述的波長選擇裝置，其中所述分光元件包括一個或者更多個衍射光柵，并且所述波長選擇裝置包括光路上的波片，其用于在光的P偏振與S偏振之間進行轉換，其中所述光在P偏振與S偏振被轉換的狀態(tài)下透過衍射光柵。
專利摘要
波長選擇裝置。裝配有框體(20)，用于從側面支承波長選擇裝置的平臺，所述波長選擇裝置包括輸入/輸出端口(10)、準直儀(11)、擴展光學系統(12)、分光元件、匯聚光學系統(14)以及微機電系統(MEMS)反射鏡陣列(15)。因為上述提及的光學元件是僅從側面支承的，所以熱膨脹的影響被限制到該光學元件的高度方向和光學軸方向上。通過這些方面，熱膨脹的影響可從三維被限制到二維，由此能夠設計出對抗熱膨脹的影響的措施。另外，從側面支承不會產生陰影區(qū)，從而使得該波長選擇裝置緊湊。
文檔編號G02B6/34GK1996075SQ200610082605
公開日2007年7月11日 申請日期2006年5月18日
發(fā)明者柴田康平, 福島暢洋, 赤司保, 岸田俊哉, 山本毅, 青田宏史, 山下真司, 竹內真一, 古川博之, 久保田嘉伸 申請人:富士通株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan