專利名稱：光學(xué)模組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種用于波分多路復(fù)用光學(xué)通訊技術(shù)領(lǐng)域和光譜技術(shù)領(lǐng)域的光學(xué)模組。本發(fā)明的一個方面涉及一種光學(xué)模組中的光學(xué)路徑改變光學(xué)系統(tǒng)。此外，本發(fā)明的另一方面涉及一種用于保持構(gòu)成關(guān)學(xué)模組的光學(xué)零件的機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
另一方面，在光譜技術(shù)領(lǐng)域中，衍射光柵廣泛用于分析光譜設(shè)備中光線的光譜。光譜分析需要在寬頻帶內(nèi)高效率使用能量。反射型衍射光柵適用于獲得寬頻帶內(nèi)的高衍射效率。因為反射型衍射光柵具有較好的衍射角與光線波長的改變比，也就是說，波長角度分布特性很好(例如，參見Tadao Tsuruta，“應(yīng)用光學(xué)1”Baifukan Co.Ltd，1990，p.307)，所以，反射型衍射光柵廣泛用于光譜設(shè)備中。
特別在環(huán)境測量等領(lǐng)域中，對于可以攜帶到工作現(xiàn)場并可以在現(xiàn)場進(jìn)行測量的小型光譜設(shè)備的需求逐漸增加。已經(jīng)提出了通過利用液體的光譜，用于在微小流體路徑中測量液體流動的光譜或測定如液體的pH值的性質(zhì)的幾種小型傳感器，并已經(jīng)將小型光譜設(shè)備用于環(huán)境測量領(lǐng)域中。
同樣在用于這些目的的小型光譜設(shè)備中，反射型衍射光柵作為光譜分布元件以與根據(jù)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的大型光譜設(shè)備的同樣方式使用?？傮w上說，反射鏡等用于設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)以實現(xiàn)光譜分布功能的尺寸減少。
衍射光柵還用于波分多路復(fù)用光學(xué)通信領(lǐng)域中的光解復(fù)用器(demultiplexer)中。當(dāng)反射型衍射光柵用于校準(zhǔn)入射光的光學(xué)軸線和衍射光的光學(xué)軸線接近在一條直線上時，也就是說，當(dāng)形成所謂的利特羅設(shè)置(Littrow)的光學(xué)系統(tǒng)時，可以獲得小型光線解復(fù)用模組(例如，參見國際專利公開，No.99/46638號說明書)。
然而，反射型衍射光柵具有入射光和衍射光之間的位置關(guān)系依據(jù)衍射光柵的安裝角敏感地變化的特性。例如，如圖16所示，包含波長成分λ1、λ2和λ3的入射光402通過透鏡430校準(zhǔn)為平行光線束404，然后，入射在反射型衍射光柵410上。光線束通過衍射光柵410根據(jù)波長以不同的向外方向衍射。例如，波長λ2的衍射光線束成分在衍射光線束成分的光學(xué)軸407和從衍射光線束的基板412引出的垂直線405之間的角(衍射角)為β2的方向輸出。衍射光線會聚為以便入射在元件420-2上，如衍射光線檢測裝置420的光電探測器上。
當(dāng)入射光線的光學(xué)軸403和從衍射光線束基板412引出的垂直線405之間的角(入射角)α在此情況改變時，入射光線的光學(xué)軸403和衍射光線的光學(xué)軸407之間的角(用于在前述實施例中具有波長λ2的衍射光線的角γ2)也改變。因此，需要嚴(yán)格調(diào)節(jié)衍射光柵相對入射光線的安裝角，并嚴(yán)格調(diào)節(jié)衍射光線檢測裝置的安裝位置。但其問題在于很難裝配光學(xué)模組。
同樣由于此原因，在使用反射型衍射光柵的光學(xué)模組中，用于調(diào)節(jié)各個零件位置的復(fù)雜機(jī)構(gòu)需要設(shè)置在模組的殼體中，或需要預(yù)先保存用于保持元件的粘接/固定空間。因此，其問題在于增加了使用光學(xué)模組設(shè)備的尺寸。
對于光電子學(xué)領(lǐng)域，技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)提高到用于部分更換裝置之間或具有光學(xué)信號傳輸/處理裝置中的電子信號傳輸/信號處理。此技術(shù)需要光學(xué)信號和電子信號之間的中間轉(zhuǎn)換裝置以及分別用于傳輸和處理光學(xué)信號和電子信號的信號傳輸和處理裝置。因此，如果產(chǎn)生這些功能的光學(xué)元件和電子元件混合安裝在板子上，以便光學(xué)信號和電子信號兩者都可以在同樣的板子上傳輸、處理以及中間轉(zhuǎn)換，則可以具有許多優(yōu)點(diǎn)，如信號處理效率的改進(jìn)以及裝置尺寸的減少。在光學(xué)元件和電子元件混合安裝的所謂光電混載板上，需要提供下述光學(xué)系統(tǒng)，其中通過該關(guān)學(xué)系統(tǒng)，在光管如光學(xué)纖維、光學(xué)波導(dǎo)管等中傳播，或在空間中傳播的光可以通過固定在板中的片狀光電控測元件接收，或從安裝在板上的片狀光線發(fā)射元件發(fā)射的光線能夠被發(fā)出到光管或主要在光學(xué)信號和電子信號之間轉(zhuǎn)換部分的空間光路徑上。
優(yōu)選的是，從方便布局和小安裝空間的觀點(diǎn)出發(fā)，光學(xué)纖維、光學(xué)波導(dǎo)管和空間光學(xué)路徑設(shè)置為以便其光學(xué)軸平行于板。另一方面，用于在光學(xué)信號和電子信號之間進(jìn)行中間轉(zhuǎn)換的光學(xué)元件被安裝在板上。因此，在具有此光學(xué)設(shè)置的光學(xué)系統(tǒng)中，優(yōu)選使用具有平行于板表面的入射和輸出表面的所謂片狀光學(xué)元件，以便平行于板的光學(xué)路徑彎曲90°，以便垂直地連接到安裝在所述板上的片狀光學(xué)元件。
雖然用于改變光學(xué)路徑的角度可以為銳角、或不是90°的鈍角，但因為入射到光學(xué)元件的入射或從光學(xué)元件的輸出具有傾斜角，所以此種情況帶來降低調(diào)節(jié)的效率和難度的情況。如果光線要垂直入射到光學(xué)元件上或從光學(xué)元件上發(fā)出，因為傳播光線的光學(xué)路徑不能與板子表面平行，所以將增加裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性并增加裝置的尺寸。
然而，不需要精確調(diào)節(jié)光學(xué)路徑改變角到90°。即使選擇遠(yuǎn)偏離90°幾度的角度作為設(shè)計的彎曲角的情況下，如果每個光學(xué)元件的安裝結(jié)構(gòu)根據(jù)所述角度進(jìn)行設(shè)計，則前述問題也不會變?yōu)檫@樣的實際情況。在以下說明中，“90°光學(xué)路徑改變”意味著包括以此幾度寬度的變化的接近90°的光學(xué)路徑改變。
當(dāng)使用光線的反射時，可以實現(xiàn)90°光學(xué)路徑改變。總體上說，可以通過使用平面鏡或棱鏡實現(xiàn)(例如，參見日本專利出版號No.2004-85913A)。
在光電混載板中，因為要使用的光線束直徑、要連接的光線管的芯直徑、片狀光電檢測元件的光電檢測表面的面積等很小，所以，光學(xué)路徑的稍微的差異將產(chǎn)生很大的光線損失。為此，用于安裝角、反射面的角度或平面精度都需要較高的精確度，以便實現(xiàn)90°光學(xué)路徑改變。這就出現(xiàn)了需要復(fù)雜裝配或制造過程的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供解決這些問題的方法。本發(fā)明的目的之一在于提供一種光學(xué)模組，因為其不需要提供任何復(fù)雜的校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，所以其易于裝配以便降低光學(xué)模組的尺寸。
更具體地說，本發(fā)明涉及提供一種光學(xué)模組，其中90°光學(xué)路徑改變光學(xué)系統(tǒng)中的機(jī)械精度可以使裝配過程簡單。
為了解決上述問題，本發(fā)明的一方面提供一種光學(xué)模組，包括使用衍射光學(xué)元件用于彎曲具有特定波長的入射光線束的光學(xué)軸大約90°的光學(xué)系統(tǒng)。優(yōu)選透射型衍射光柵作為衍射光學(xué)元件。如果波長為特定的，則對于安裝和裝配來說，通過衍射彎曲光學(xué)路徑比通過反射彎曲光學(xué)路徑更容易。
在優(yōu)選方式中，要使用的透射型衍射光柵中的凹槽數(shù)目N設(shè)定為通過公式表示的值N＝±(cosα+sinα)/(mλ)其中±為當(dāng)?shù)趍級數(shù)(mth-order)衍射的光線束(m為整數(shù))在具有包含在從光線輸入裝置輸入的波長λ的入射光線以入射角α入射在透射型衍射光柵上的條件下使用時，與m的符號相同的符號。當(dāng)使用滿足此關(guān)系的衍射光柵時，可以形成光學(xué)系統(tǒng)，其中衍射的光線相對以凹槽的第m級數(shù)的45°入射角入射的光線彎曲大約90°。即，當(dāng)具有波長λ的光線束以入射角α入射在透射型衍射光柵上時，透射型衍射光柵輸出具有光學(xué)路徑改變90°的第m級數(shù)的衍射光線束。
在優(yōu)選方式中，透射型衍射光柵的基板以相對入射光線束在α±5°范圍的角度進(jìn)行安裝。當(dāng)衍射光柵安裝在此角度范圍內(nèi)時，可以提供具有低損失的光學(xué)模組。
在光學(xué)模組中，透射型衍射光柵的基板以相對入射光線束在α+Δθ范圍的角度進(jìn)行安裝，且通過透射型衍射光柵衍射的光線束通過具有焦距長度f的透鏡會聚，以便入射在具有沿入射光線束的方向具有寬度W的光電檢測表面的光電檢測器上。另外，滿足下述關(guān)系tan|Δθ|≤W/(2f)當(dāng)在使用具有寬度W的光電檢測表面的光電檢測器的條件下，衍射光柵安裝在此角度范圍內(nèi)時，可以提供具有低損耗的光學(xué)模組。
除了上述結(jié)構(gòu)外，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)模組還包括光線輸入裝置，其用于使具有多路復(fù)用波長的光線束入射在使用所述波長中之一作為特定波長的透射型衍射光柵上；以及多個光電檢測器，其用于接收其中每個都具有通過透射型衍射光柵進(jìn)行解復(fù)用并從透射型衍射光柵輸出的單一波長的各個光線束。通過此結(jié)構(gòu)，可以形成易裝配和小尺寸的解復(fù)用模組。
在優(yōu)選方式中，所述用于使光線束入射到透射型衍射光柵上的光線輸入裝置為光學(xué)纖維或波導(dǎo)管，其固定成以便其光學(xué)軸與所述板平行；透射型衍射光柵固定為以便當(dāng)光線束入射到透射型衍射光柵上時，具有特定波長的光線束在接近垂直于板的方向輸出；以及用于接收從透射型衍射光柵輸出的每個都具有單一波長的各種光線束的光電檢測器為多個片狀光電檢測元件，其平行于光學(xué)軸設(shè)置在其中每個都具有從透射型衍射光柵輸出的單一波長的光線束達(dá)到基板的各個位置中。當(dāng)使用此構(gòu)成件時，可以提供易裝配和小尺寸的解復(fù)用模組。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)模組還包括用于發(fā)射具有不同波長的光線束的多個光線發(fā)射裝置；以及光電檢測器，其用于接收具有從透射型衍射光柵輸出的多路復(fù)用的波長的光線束，以便從多個光線發(fā)射裝置發(fā)出的光線束通過透射型衍射光柵進(jìn)行多路復(fù)用，其中所述特定波長為波長中之一。通過此結(jié)構(gòu)，可以形成易裝配和小尺寸的多路復(fù)用模組。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)模組還包括用于在預(yù)定波長范圍內(nèi)使具有連續(xù)波長譜的光線束入射到透射型衍射光柵上的光線輸入裝置；以及用于接收具有通過透射型衍射光柵進(jìn)行光譜分布并從透射型衍射光柵輸出的預(yù)定波長的光線束的光電檢測器，其中特定波長位于入射光線束的預(yù)定波長范圍中。當(dāng)使用此構(gòu)成件時，可以提供易裝配和小尺寸的光譜分布模組。
在優(yōu)選方式中，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)模組還包括實質(zhì)上用于校準(zhǔn)入射到衍射光學(xué)元件上的光線束的準(zhǔn)直儀。在優(yōu)選方式中，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)模組還包括用于會聚從衍射光學(xué)元件輸出的光線束的會聚裝置。
根據(jù)本發(fā)明以上方面的結(jié)構(gòu)，與使用平面鏡的情況相比，可以大大放松要求用于元件安裝角的精確度。因此，可以簡化裝配過程。
當(dāng)提供多個入射波長時，解復(fù)用和光學(xué)路徑改變兩者可以同時進(jìn)行。因此，光譜分布元件和平面鏡可以組合為一體以便減少零件的數(shù)量。
本發(fā)明的另一方面提供了一種使用衍射光柵的光學(xué)模組，包括具有第一空心部分的第一圓筒保持件；具有第二空心部分的第二圓筒保持件；設(shè)置在第一和第二圓筒保持件之間的衍射光柵；通過第一空心部分中的第一保持件保持以便第一空心部分形成入射光線的光學(xué)路徑的光線輸入裝置；連接到與衍射光柵相對的第二保持件的端部分以便第二保持件的空心部分形成衍射光線的光學(xué)路徑的衍射光線檢測裝置；其中衍射光柵固定為以便衍射光柵的光線入射面鄰接第一保持件的端部分上，而衍射光柵的光線輸出面鄰接第二保持件的端部分上。
在優(yōu)選方式中，可以使用透射型衍射光柵。因為透射型衍射光柵的使用可以允許根據(jù)衍射光柵的安裝角減少入射光線和衍射光線之間的角關(guān)系中的改變比，其不需要嚴(yán)格調(diào)節(jié)衍射光柵的角度。此外，因為衍射光柵通過機(jī)械夾具保持，所以，可以省略衍射光柵、校準(zhǔn)所述衍射光柵以及粘接地安裝衍射光柵的任何復(fù)雜定位過程。
在優(yōu)選方式中，在鄰接衍射光柵的第一保持件的端部分的端表面和第一保持件的圓筒的軸方方向之間的角，以及鄰接衍射光柵的第二保持件的端部分的端表面和第二保持件的圓筒的軸向方向之間的角的和設(shè)定在入射光線和衍射光線之間角的范圍內(nèi)。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，當(dāng)透射型衍射光柵固定的同時放置在兩個保持件之間，可以獲得光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，其中入射光線和衍射光線彼此以預(yù)定角度彎曲。
在優(yōu)選方式中，光線輸入裝置包括準(zhǔn)直儀。因為設(shè)置了準(zhǔn)直儀，所以在使用發(fā)散光源的情況下，光線可以通過準(zhǔn)直儀校準(zhǔn)為模組中的平行光線束，以便入射到衍射光柵上。
在優(yōu)選方式中，第二保持件保持會聚裝置在其空心部分中。因為設(shè)置了會聚裝置，所以衍射光線可以通過會聚裝置會聚在模組中，以便有效地入射到衍射光線檢測裝置上。
在優(yōu)選方式中，第一保持件具有用于調(diào)節(jié)準(zhǔn)直儀的機(jī)構(gòu)。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)沿平行和垂直于光學(xué)軸的位置和角度，而不增加任何校準(zhǔn)或粘接/安裝空間到其中組合光學(xué)模組的殼體中?？梢詫崿F(xiàn)極大減少光學(xué)模組尺寸的目的。
在優(yōu)選方式中，第二保持件和衍射光線檢測裝置之間的連接部分配合到安裝件，用于保持衍射光線檢測裝置，以便連接部分可以繞光學(xué)軸旋轉(zhuǎn)。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，可以繞光學(xué)軸的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，而不增加任何校準(zhǔn)或粘接/安裝空間到其中組合光學(xué)模組的殼體中?？梢詫崿F(xiàn)極大減少光學(xué)模組尺寸的目的。
在優(yōu)選方式中，光線輸入裝置具有光學(xué)纖維以及平凸型透鏡。或光線輸入裝置具有光學(xué)纖維以及分級分度桿透鏡(graded index rod lens)。當(dāng)使用這些構(gòu)成零件時，可以形成與保持件為一體的準(zhǔn)直儀。
在優(yōu)選方式中，會聚裝置為平凸型透鏡。此構(gòu)成零件的使用可以提供與保持件為一體的準(zhǔn)直儀。
在優(yōu)選方式中，衍射光線檢測裝置為光電檢測器陣列。此構(gòu)成零件的使用可以減少光學(xué)模組的尺寸，從而可以完成光學(xué)模組中的光譜分布作用。
根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以提供一種光學(xué)模組，其中可以只通過機(jī)械配合操作而沒有原先的衍射光柵的安裝位置的非常復(fù)雜調(diào)節(jié)就可以定位和安裝衍射光柵。
此外，因為組合了用于校準(zhǔn)衍射光柵檢測裝置的機(jī)構(gòu)，所以，可以極大地簡化裝配過程。
此外，因為不需要單獨(dú)設(shè)置任何特殊的光學(xué)元件定位機(jī)構(gòu)或光學(xué)模組外殼中的任何粘接/固定空間，所以，可以實現(xiàn)極大減少光學(xué)模組尺寸的目的。


圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的90°光學(xué)路徑改變光學(xué)系統(tǒng)的視圖；圖2是顯示根據(jù)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的主要部分的放大視圖；圖3是顯示根據(jù)本發(fā)明光學(xué)模組的基本光學(xué)系統(tǒng)的視圖；圖4是顯示衍射光柵或平面鏡安裝角的允許誤差的曲線圖；圖5是顯示用于說明根據(jù)本發(fā)明另一光學(xué)模組的基本光學(xué)系統(tǒng)的視圖；圖6是顯示透射型衍射光柵和反射型衍射光柵之間特征差異的曲線圖；圖7是顯示使用根據(jù)本發(fā)明實施例1的90°光學(xué)路徑改變光學(xué)系統(tǒng)的光線解復(fù)用模組的結(jié)構(gòu)視圖；圖8是顯示使用根據(jù)本發(fā)明實施例2的90°光學(xué)路徑改變光學(xué)系統(tǒng)的光線解復(fù)用模組的結(jié)構(gòu)視圖；圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明光學(xué)模組的實施例3的實施方式的剖面視圖；圖10是顯示根據(jù)本發(fā)明光學(xué)模組的實施例3的剖面視圖；圖11A和11B是顯示根據(jù)實施例3的準(zhǔn)直儀保持件的結(jié)構(gòu)的剖面視圖；圖12A和12B是顯示根據(jù)實施例3的會聚透鏡保持件和光電檢測器保持件的結(jié)構(gòu)的剖面視圖；圖13是顯示用于說明在根據(jù)實施例3的光學(xué)模組的衍射光柵的周邊中的光學(xué)系統(tǒng)的視圖；圖14是顯示根據(jù)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的90°光學(xué)路徑改變光學(xué)系統(tǒng)的視圖；圖15是顯示根據(jù)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的光學(xué)系統(tǒng)的主要部分的放大視圖；以及圖16是顯示用于說明使用根據(jù)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的反射型衍射光柵的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的視圖。
具體實施例方式
圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明實施方式的基本結(jié)構(gòu)的視圖。在本發(fā)明中，衍射光學(xué)元件用于改變光學(xué)路徑。在圖1所示的實施例中，具有形成于片狀透明基板12上的周期凹槽(柵格)14的透射型衍射光柵10用于作為衍射光學(xué)元件。
在衍射光柵的情況下，作為入射光線束50和從衍射光柵基板表面引出的垂直線1之間角的入射角α，以及作為輸出光線束(衍射光線束)52和從衍射光柵基板表面引出的垂直線1之間角的輸出角(衍射角)β具有通過以下表達(dá)式表示的關(guān)系sinβ＝sinα+Nmλ(1)其中N為衍射光柵中的凹槽數(shù)目，m為衍射的級數(shù)，而λ為入射光線束的波長。
為了改變光學(xué)路徑90°，需要滿足以下表達(dá)式表示的關(guān)系α+|β|＝90°(2)因為表達(dá)式(2)可以用sinβ＝-cosα替換，所以，將此關(guān)系帶入表達(dá)式(1)，以便衍射光柵中的凹槽數(shù)目N可以通過以下表達(dá)式給出N＝-(cosα+sinα)/(mλ) (3)也就是說，如果入射角α、特定波長λ和使用的衍射波長的級數(shù)m按照設(shè)計值給出，則衍射光柵中的凹槽數(shù)目可以根據(jù)表達(dá)式(3)確定。例如，當(dāng)入射光線束需要以入射角α＝45°入射到透射型衍射光柵的衍射表面?zhèn)壬蠒r，負(fù)第一級數(shù)的衍射光線束可以從基板的后表面以衍射角β＝-45°時提取，從而實現(xiàn)如果使用的衍射光柵具有表達(dá)式表示的凹槽的數(shù)目的90°光學(xué)路徑改變。
N=2/λ---(4)]]>另一方面，圖14顯示了使用平面鏡440用于彎曲入射光線束450的光學(xué)路徑90°以獲得反射的光線束454的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的光學(xué)系統(tǒng)。在平面鏡的情況下，需要條件α＝β＝45°用于實現(xiàn)90°光學(xué)路徑改變。
為了實現(xiàn)上述光學(xué)系統(tǒng)，需要相對入射光線束的方向以角度α精確地固定衍射光柵基板或平面鏡?，F(xiàn)在考慮安裝角變位Δθ的情況。
在衍射光柵的情況下，當(dāng)入射光線束50的入射角α改變到圖2所示的α+Δθ時，衍射光線束52的輸出角β′改變表達(dá)式(1)給出的值，也就是說，根據(jù)以下表達(dá)式(5)sinβ′＝sin(α+Δθ)+Nmλ (5)表1顯示了入射角α+Δθ、輸出角β′以及入射光線束和輸出光線束之間的角，當(dāng)元件安裝角變位Δθ時，其通過表達(dá)式(5)計算。
附帶地說，衍射光柵10中的凹槽數(shù)目N設(shè)定為每mm 900個，且將具有波長λ＝1570nm的校準(zhǔn)光線束用作入射光線束。在此情況下，如果α＝|β|＝45°，則負(fù)第一級數(shù)衍射光線束(m＝-1)滿足表達(dá)式(4)。在此衍射光柵的情況下，可以發(fā)現(xiàn)，即使安裝角變位3°，光學(xué)路徑改變也可以保持90°。也就是說，當(dāng)安裝角在角度范圍α±3°內(nèi)時，β′可以保持接近等于β-Δθ。如果彎曲角允許在90°4±2°內(nèi)，則安裝角可以允許在α±5°內(nèi)。
另一方面，如圖15所示，在平面鏡的情況下，當(dāng)安裝角相對入射光線束的光學(xué)軸從45°變位Δθ時，也就是說，當(dāng)安裝角變化到45°+Δθ時，反射角也從45°變位Δθ，也就是說，反射角也變化到45°+Δθ。結(jié)果，入射光線束和輸出光線束之間的角度從90°變位2Δθ。表2顯示了在與用于比較的衍射光柵情況的同樣方式中計算的平面鏡的數(shù)值?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)Δθ等于3°時，光學(xué)路徑的數(shù)量變位到96°。
在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)模組中，彎曲90°的光線束入射到光電檢測器20上。光電檢測器20可以為光電檢測器，例如光電二極管或可以為光學(xué)纖維。因為以入射角α入射到衍射光柵上的光線束彎曲90°，所以，每個光電檢測器的光電檢測表面可以設(shè)置在衍射光線束入射的位置。
如果Z為從衍射光柵或平面鏡到光電檢測器20的光電檢測表面的距離。例如，當(dāng)Z等于3mm時，在衍射光柵的情況下，光學(xué)軸在光電檢測表面上的位置位移Δx相對安裝角的位移Δθ可以忽略，但在平面鏡的情況下達(dá)到315μm。從此結(jié)果可以清晰地看出，衍射光柵中的允許安裝角誤差比平面鏡中的誤差大很多。
讓W(xué)為在此使用的光電檢測器20的有效光電檢測表面22的寬度。有效光電檢測表面22的寬度為沿入射光線束50的方向的寬度。當(dāng)光電檢測表面與光通量相比相對小時，圖3所示，會聚裝置30如透鏡優(yōu)選設(shè)置在衍射光柵10和光電檢測器20之間。如上所述，在衍射光柵的情況下，當(dāng)入射角變位Δθ時，輸出角變位接近-Δθ。因此，入射到會聚裝置(透鏡)30上的光線的光學(xué)軸相對透鏡的主軸變位-Δθ。當(dāng)f為透鏡的焦距時，此光線聚焦在距離透鏡軸f×tan(Δθ)遠(yuǎn)的位置。
光點(diǎn)的位置位移必須不大于W/2，以便光電檢測器，例如光電二極管的有效光電檢測表面的中心可以位于透鏡的主軸上，同時透鏡和光電檢測器之間的損耗可以降低到不高于3dB的值。因此，當(dāng)滿足以下表達(dá)式(6)時，由衍射光柵安裝角的位移Δθ造成的損耗可以降低到不高于3dB的值。
|tan(Δθ)|≤W/(2f) (6)另外，在反射光線的角位移與Δθ一致的情況下，此關(guān)系可以施用到平面鏡。
由安裝角的位移造成的影響將在下面根據(jù)具體實施例進(jìn)行說明。
衍射光線通過透鏡會聚并通過具有35μm×100μm(W＝35μm)尺寸的有效光電檢測表面的光電檢測器(光電二極管)接收。會聚透鏡的焦距f為7.96mm。在具有波長λ＝1570nm的光線的最佳聚焦位置中的光點(diǎn)直徑大約為14μm。
圖4是顯示安裝角的位移和光點(diǎn)的位置位移之間的關(guān)系。為了將透鏡和光電二極管之間的損耗降低到不高于3dB的值，在衍射光柵的情況下，安裝角的位移需要在大約±3°的范圍內(nèi)，在平面鏡的情況下，大約在±0.07°的范圍內(nèi)。從此情況可以清晰地看出，衍射光柵的允許角度誤差不小于平面鏡的允許角度誤差的40倍。
表1

表2

其次，將說明入射光線4接近包含多個波長成分的平行光線束的情況。在此情況下，入射光線4通過衍射光柵衍射，通過會聚裝置40會聚，并通過衍射光線檢測裝置20-1、20-2、20-3檢測。
例如，如圖5所示，包含波長成分λ1、λ2和λ3的入射光線4入射到透射型衍射光柵10上。通過衍射光柵10衍射的光線束8根據(jù)波長在不同的方向發(fā)出。例如，波長λ2的衍射光線束成分以此方向輸出，以便衍射光線束成分的光學(xué)軸7和從衍射光柵10的基板12引出的垂直線5之間的角(衍射角)為β2。衍射光線束成分通過為會聚裝置的會聚透鏡40會聚，并入射到作為衍射光線檢測裝置的光電檢測器陣列20中相應(yīng)的光電檢測器20-2上。
在本發(fā)明中，用于使接近平行的光線束入射到光學(xué)模組上的光線輸入裝置可以為激光束源或光學(xué)纖維準(zhǔn)直儀，或可以為散光源和準(zhǔn)直儀透鏡的組合。會聚裝置可以為會聚平面鏡或衍射光學(xué)元件，而不是會聚透鏡。如果為光譜分布元件的衍射光學(xué)元件其本身具有會聚作用，則不需要提供任何專用的會聚裝置。衍射光線檢測裝置可以為光電檢測器如光電二極管或可以為光學(xué)纖維。
雖然為簡化起見，圖5顯示了三個波長的情況，但入射光線可以包括大量的波長成分(不小于兩個波長成分)或可以為具有連續(xù)波長分布的光線。衍射光線檢測裝置的元件可以根據(jù)通道的需要數(shù)量進(jìn)行設(shè)置。
作為實施例，現(xiàn)在要考慮具有波長λ1＝1550nm、λ2＝1570nm和λ3＝1590nm的光線以45°的入射角入射到每mm具有900個凹槽的透射型衍射光柵。在此實施方式的情況下，表達(dá)式(2)幾乎由波長λ2滿足。
表3和圖6是顯示在衍射光柵和作為入射光線的接近平行光線束之間的角(此后稱為“衍射光柵安裝角”)在前述條件下變位預(yù)定角(在此實施方式中α＝45°)的情況下的入射光線和衍射光線之間的角的視圖。
從表3可以清晰地看出，即使衍射光柵安裝角變位±5°，在透射型衍射光柵的情況下，入射光線和衍射光線之間的角的改變量不大于0.3°。
也就是說，作為入射光線源和會聚透鏡的準(zhǔn)直儀和用于接收衍射光線的光電檢測器之間的位置關(guān)系保持恒定，而與衍射光柵安裝角無關(guān)。
另一方面，在具有波長λ1＝1550nm、λ2＝1570nm和λ3＝1590nm的光線，與前述實施例方式相同，以45°的入射角入射到每mm具有900個凹槽的衍射光柵情況下，考慮使用圖16所示的反射型衍射光柵的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)。表4和圖6是顯示在衍射光柵安裝角從預(yù)定角變位的情況下(在此實施方式中α＝45°)，入射光線和衍射光線之間的角的視圖。
從表4可以清晰地看出，當(dāng)衍射光柵安裝角變位±5°時，在反射型衍射光柵情況下的入射光線和衍射光線之間的角的改變量達(dá)到大約20°。
也就是說，除非作為入射光線源和會聚透鏡的準(zhǔn)直儀和用于接收衍射光線的光電檢測器之間的位置關(guān)系根據(jù)衍射光柵安裝角進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則光譜分布光線不能引導(dǎo)到相應(yīng)的光電檢測器。
從表3和4以及圖5可以清晰地看出，就入射光線和衍射光線之間角的改變量而言，透射型衍射光柵的穩(wěn)定性不低于反射型衍射光柵穩(wěn)定性的60倍。
例如，當(dāng)具有7.96mm焦距的會聚透鏡用于產(chǎn)生通過具有35μm的有效光電檢測寬度的光電檢測器接收的光點(diǎn)時，此情況與透射型衍射光柵中的允許角度誤差不小于反射型衍射光柵的允許角度誤差的25倍的情況相同。
在前述情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)本發(fā)明一個方面的光學(xué)模組的特征在于光學(xué)模組具有用于保持各個組成零件的從動機(jī)構(gòu)。
表3

表4

實施例下面將說明使用根據(jù)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用實施例。
實施例1在實施例1中，透射型衍射光柵用于改變光學(xué)路徑。眾所周知，透射型衍射光柵具有根據(jù)波長顯示不同衍射角的光譜分布功能。因此，除了光學(xué)路徑改變之外，還將說明使用此光譜分布功能的實施例。圖7是顯示使用根據(jù)本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的實施例1的情況。
實施例1顯示了解復(fù)用模組，其包括光學(xué)纖維160、準(zhǔn)直儀透鏡132、透射型衍射光柵110、會聚透鏡130、以及光電檢測器陣列120。
相對1550nm波長，具有4mm直徑和7.96mm焦距f的平凸透鏡用作準(zhǔn)直儀透鏡132和會聚透鏡130中的每一個。具有4×6mm的有效面積和每mm 900個凹槽的深凹槽薄片衍射光柵用作衍射光柵110。光柵部分用SiO2和Ta2O5作為兩層設(shè)置。每個凹槽的寬度大約為1.45μm。每個導(dǎo)管(flue)的寬度與凹槽的間距之間的比(負(fù)荷比)設(shè)定為0.5。每個都具有35μm×100μm尺寸的有效光電檢測表面的光電檢測器122以200μm的間隔設(shè)置的陣列用作光電檢測器陣列120。
通過光學(xué)纖維160傳播的具有1510nm、1530nm、1550nm和1570nm的多路復(fù)用的波長的光線51從光學(xué)纖維的端表面160b輸出，并入射到準(zhǔn)直儀透鏡132上。從光學(xué)纖維的端表面160b到準(zhǔn)直儀透鏡的第一表面132a的距離設(shè)定為大約6.21mm。從準(zhǔn)直儀透鏡的第二表面132b輸出的光線作為接近平行光線束53設(shè)置。平行光線束53以大約45°的入射角入射到衍射光柵的表面上。通過衍射光柵110衍射的輸出光線束54根據(jù)波長從衍射光柵的基板表面110b以不同的角度發(fā)出。
由電介質(zhì)多層膜制作的反射還原膜(未示出)設(shè)置在基板表面110b上。入射到會聚透鏡130上的輸出光線束54通過會聚透鏡130會聚，然后根據(jù)波長分別入射到光電檢測器陣列120的光電檢測器122上。在此情況下，光電檢測器陣列安裝于其上的基板124的表面，也就是說，光電檢測器122的光電檢測表面122a平行于光學(xué)纖維160的光學(xué)軸固定。從會聚透鏡的第二表面130b到光電檢測器122的光電檢測表面122a的距離設(shè)定為大約6.17mm。
在此情況下，因為衍射光柵中的凹槽數(shù)等于前述衍射光柵中的凹槽數(shù)，所以，具有1570nm波長的入射光線和輸出光線之間的角變?yōu)榇蠹s90°。也就是說，當(dāng)使用前述結(jié)構(gòu)時，可以同時實現(xiàn)解復(fù)用和90°光學(xué)路徑改變。因為不需要使用任何平面鏡，所以，可以減少零件的數(shù)量并方便裝配/校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)。準(zhǔn)直儀透鏡、衍射光柵和會聚透鏡可以安裝在10×10mm的面積內(nèi)，以便可以極大地減少解復(fù)用模組的尺寸。
雖然此實施例顯示了入射光線的波長離散的情況，但本發(fā)明也可以施用到波長具有連續(xù)波長光譜的情況。在此情況下，衍射光線的輸出角連續(xù)改變，但當(dāng)光電檢測器放置在預(yù)定的位置時，可以檢測具有預(yù)定波長的光線束。
實施例2
雖然上述已經(jīng)說明了光線解復(fù)用模組形成的情況，但上述同樣的光學(xué)系統(tǒng)也可以用于形成圖8所示的光線解復(fù)用模組。對于光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成件，圖7的光電檢測器陣列可以用光線發(fā)射元件陣列替換。
在光線發(fā)射元件陣列270中，每個都具有50μm直徑的有效光線發(fā)射表面的四個表面光線發(fā)射半導(dǎo)體激光元件272以200μm的間隔設(shè)置。激光元件分別發(fā)射1510nm、1530nm、1550nm和1570nm波長的光線束。從激光元件272輸出的光線束55通過準(zhǔn)直透鏡232分別校準(zhǔn)為接近平行的光線束56。平行光線束56以大約45°的入射角入射到衍射光柵的表面上。具有通過衍射光柵210衍射的多個波長的光線束被多路復(fù)用并作為波分多路復(fù)用光線束被輸出。入射到會聚透鏡230上的輸出光線57通過會聚透鏡230會聚，然后與光學(xué)纖維260的端表面連接。
當(dāng)使用前述結(jié)構(gòu)時，可以同時實現(xiàn)多路復(fù)用和90°光學(xué)路徑改變。因為不需要使用任何平面鏡，所以，可以減少零件的數(shù)量并方便裝配/校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)。準(zhǔn)直儀透鏡、衍射光柵和會聚透鏡可以安裝在10×10mm的面積內(nèi)，以便可以極大地減少多路復(fù)用模組的尺寸。
可以組合使用圖7所示的結(jié)構(gòu)和圖8所示的結(jié)構(gòu)。也就是說，通過光學(xué)纖維傳播的波分多路復(fù)用光線通過光線解復(fù)用模組被解復(fù)用。當(dāng)電處理如調(diào)制根據(jù)波長施加到解復(fù)用的光線束時，光線束通過光線多路復(fù)用模組被多路復(fù)用，以便最終的光線束可以再次作為波分多路復(fù)用光線束與光學(xué)纖維耦合。在此情況下，當(dāng)光電檢測器、光線發(fā)射元件和電子電路集成在板上時，也就是說，當(dāng)形成所謂的光電混載板時，可以整體上減少光學(xué)模組的尺寸。
實施例3圖9和10顯示了根據(jù)本發(fā)明的實施例3。
圖9是顯示沿根據(jù)本發(fā)明光學(xué)模組的中心軸剖開的剖視圖。光線輸入裝置為具有光學(xué)纖維350以及準(zhǔn)直儀透鏡330的準(zhǔn)直儀。從光學(xué)纖維350的端表面輸出的光線校準(zhǔn)為平行光線束。平行光線束入射到透射型衍射光柵10上。準(zhǔn)直儀通過第一保持件(準(zhǔn)直儀保持件)335保持。準(zhǔn)直儀保持件335為圓筒形，以便準(zhǔn)直儀透鏡330和用于保持光學(xué)纖維350的套圈360，被插進(jìn)并保持在準(zhǔn)直儀保持件335的圓筒的空心部分中。空心部分為圓形截面，并形成從準(zhǔn)直儀輸出的平行光線通量的光學(xué)路徑。
通過衍射光柵衍射的光線通過會聚透鏡40會聚在作為衍射光線檢測裝置的光電檢測器陣列20的光電檢測表面上。會聚透鏡40通過第二保持件(會聚透鏡保持件)345保持。同樣，會聚透鏡保持件345為圓形，以便會聚透鏡40被插入并保持在會聚透鏡保持件345的圓筒的空心部分中。空心部分為圓形截面，并形成從衍射光柵輸出的衍射光線的光學(xué)路徑。
透射型衍射光柵10保持為以便被放置在準(zhǔn)直儀保持件335和會聚透鏡保持件345的端面之間。
此外，用于保持光電檢測器陣列20的第三保持件(光電檢測器保持件)325連接到會聚透鏡保持件。下面將具體說明光電檢測器保持件325和會聚透鏡保持件之間的連接部分。
雖然前述實施例顯示了保持在套圈360中的光學(xué)纖維350和作為準(zhǔn)直儀透鏡330的平凸透鏡330通過準(zhǔn)直儀保持件335固定的情況，但分級分度桿透鏡等也可以作為準(zhǔn)直儀透鏡使用。另外，如圖10所示的預(yù)先制作的光學(xué)纖維準(zhǔn)直儀可以固定進(jìn)準(zhǔn)直儀保持件335中。光學(xué)纖維準(zhǔn)直儀形成為以便用于固定光學(xué)纖維350的套圈360和分級分度桿透鏡332安裝進(jìn)管件334中。
在光學(xué)纖維準(zhǔn)直儀的裝配中，光學(xué)纖維的光線輸出端表面和透鏡之間的距離以及光學(xué)纖維和/或透鏡的光學(xué)軸的仰角需要根據(jù)用于獲得良好平行光線束的條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)模組中，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)置在準(zhǔn)直儀保持件中。具體地說，使用螺旋的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作為圖11A或11B所示的實施例設(shè)置。在圖11A所示的實施例中，使用了測量裝置，其中螺紋孔以對稱位置設(shè)置在準(zhǔn)直儀保持件335的側(cè)表面上，以便套圈360的光學(xué)軸根據(jù)調(diào)節(jié)螺紋338的推進(jìn)量進(jìn)行調(diào)節(jié)并固定。在圖11B所示的實施例中，光學(xué)纖維準(zhǔn)直儀以同樣的方式整體調(diào)節(jié)。
如上所述，透射型衍射光柵10保持為以便放在準(zhǔn)直儀保持件335和會聚透鏡保持件345的端表面之間。因此，準(zhǔn)直儀保持件335的光線輸出開口側(cè)端表面317處理為如此傾斜以便相對光學(xué)軸等于衍射光柵安裝角θ。
當(dāng)設(shè)置在準(zhǔn)直儀保持件335的端表面的衍射光柵保持部分315與設(shè)置在會聚透鏡保持件的端表面的衍射光柵保持部分組合在一起時，形成空腔318以便衍射光柵基板配合進(jìn)空腔318彼此部分鄰接的端表面之間。在特別優(yōu)選方式中，用于配合衍射光柵的空腔318的深度為衍射光柵基板312的厚度的51-53％，以便防止衍射光柵破裂和變位。一空腔還設(shè)置在會聚透鏡保持件345的端表面中。在如上所述透射型衍射光柵的情況下，因為安裝角的允許誤差很大，所以，不需要特別提供用于調(diào)節(jié)安裝角的任何機(jī)構(gòu)。
如圖12A和2B所示，一結(jié)構(gòu)設(shè)置在相對衍射光柵保持部分348的會聚透鏡保持件345的側(cè)面上，以便結(jié)構(gòu)可以配合到光電檢測器保持件325并繞光學(xué)軸旋轉(zhuǎn)。配合到光電檢測器保持件325的會聚透鏡保持件345的端部分347具體形成為象圓筒形。形成類似圓形截面的通孔326設(shè)置在配合到會聚透鏡保持件345的端部分347的光電檢測器保持件325的部分中。通孔326的內(nèi)徑形成為稍微大于會聚透鏡保持件345的圓筒端部分347的外徑，以便通孔326和圓筒端部分347可以彼此可旋轉(zhuǎn)地配合。
光電檢測器保持件325需要具有用于保持光電檢測器陣列20的機(jī)構(gòu)以及配合到會聚透鏡保持件345的端部分的結(jié)構(gòu)。例如，如圖12B所示，光電檢測器陣列20的模組配合和保持進(jìn)設(shè)置在光電檢測器保持件325中的U型部分327中。另外，圖12B是顯示沿用圖12A的箭頭XIIB-XIIB剖開的剖面圖。
光電檢測器陣列20可以在沿U型部分327的光電檢測器的設(shè)置方向滑動。多個螺紋孔設(shè)置在光電檢測器保持件325的U型部分327中。當(dāng)光電檢測器陣列定位在光電檢測器的設(shè)置方向和垂直于光電檢測表面的方向后，光電檢測器陣列20通過安裝螺栓328進(jìn)行安裝。
因為光電檢測器保持件325可以相對用于保持衍射光柵的會聚透鏡保持件345旋轉(zhuǎn)，通過衍射光柵的不同波長的衍射方向(散射方向)可以調(diào)節(jié)以與光電檢測器的設(shè)置方向一致。調(diào)節(jié)后，光電檢測器保持件325通過設(shè)置在光電檢測器保持件中的固定螺栓323進(jìn)行安裝。
雖然前述實施例已經(jīng)顯示了使用用于彎曲大約90°的入射光線的衍射光柵的光學(xué)系統(tǒng)，但彎曲角不局限于90°。當(dāng)彎曲角為90°時，準(zhǔn)直儀保持件的衍射光柵保持部分和會聚透鏡保持件的衍射光柵保持部分中的每個都以相對軸為45°的角度進(jìn)行處理。當(dāng)衍射光柵需要以另一角度固定時，準(zhǔn)直儀透鏡保持件的端表面和軸方方向之間的角以及會聚透鏡保持件的端表面和軸方方向之間的角的和設(shè)定為在入射光線和衍射光線之間的角的范圍內(nèi)。
下面將說明本發(fā)明實施方式的小型光譜分布模組的具體結(jié)構(gòu)。
此實施方式顯示了具有如圖9所示基本結(jié)構(gòu)的光譜分布模組。光譜分布模組包括光學(xué)纖維芯片、準(zhǔn)直儀透鏡、透射型衍射光柵、會聚透鏡以及光電檢測器陣列。
固定進(jìn)具有4mm外徑的筒形套圈360的石英單模式光學(xué)纖維350用作光學(xué)纖維芯片。由BK7制作并具有4mm直徑以及相對1550nm波長的7.96mm焦距的平凸透鏡用作準(zhǔn)直儀透鏡330。
準(zhǔn)直儀保持件335由30mm長、8mm外徑和4mm內(nèi)徑的鋁圓筒體制作。鋁圓筒體處理為以便在圓筒體側(cè)面上的端表面相對圓筒體的軸傾斜45°。一空腔形成于端表面中，以便衍射光柵10可以配合進(jìn)空腔中。M1.4的螺紋孔設(shè)置在圓筒側(cè)表面的四個方向的每個方向的兩個位置，也就是說，螺紋孔總體設(shè)置在八個位置，以便提供用于通過螺紋擰緊固定光學(xué)纖維的位置并通過每個螺紋的推進(jìn)量調(diào)節(jié)光學(xué)纖維仰角的機(jī)構(gòu)。保持件經(jīng)過黑礬(black alumite)處理以便防止雜散光線。
用于準(zhǔn)直儀透鏡的同樣平凸透鏡也用于會聚透鏡40。
會聚透鏡保持件345形成類似具有6mm長、8mm外徑和4mm內(nèi)徑的圓筒體。會聚透鏡保持件345由與以準(zhǔn)直儀保持件同樣的方式經(jīng)過黑礬處理的鋁制作。會聚透鏡保持件345的端表面被處理，以便相對圓筒體的軸傾斜45°。會聚透鏡保持件345的另一端部分的外圓周處理為以便在3mm長度上獲得6mm的外徑，以便會聚透鏡保持件345可以配合到光電檢測器保持件325上。
具有4×6mm的有效面積和每mm 900個凹槽的深凹槽薄片衍射光柵用作衍射光柵110。衍射光柵形成于石英基板上。衍射部分形成為SiO2和Ta2O5的兩層結(jié)構(gòu)。每個凹槽的深度大約為1.45μm。每個凹槽的寬度與凹槽的間距(pitch)之間的比(負(fù)荷比)設(shè)定為0.5。衍射光柵基板的厚度設(shè)定為2mm。
衍射光柵固定為以便其衍射表面作為光線入射表面設(shè)置在準(zhǔn)直儀保持件335的側(cè)面上，同時，其基板后表面作為光線輸出表面設(shè)置在會聚透鏡保持件345的側(cè)面上。為了固定，使用下述方法將衍射光柵10配合進(jìn)形成于準(zhǔn)直儀保持件335的衍射光柵保持部分中的空腔中，然后將準(zhǔn)直儀保持件335螺紋安裝到會聚透鏡保持件345，同時通過會聚透鏡保持件345夾住衍射光柵10。
以50μm的間隔設(shè)置且每個都具有35μm×100μm有效光電檢測表面的22個光電檢測器的設(shè)置用作光電檢測器陣列20。也就是說，光電檢測器陣列20具有22個通道的設(shè)置。
光電檢測器保持件325由經(jīng)過黑礬處理的鋁制作。光電檢測器保持件325由具有10平方毫米的上表面以及大約5mm長的腿的U型形成。大約6.1mm直徑的通孔形成于上表面，以便配合到會聚透鏡保持件345。M1.7mm的螺紋孔設(shè)置在上表面的側(cè)壁中。當(dāng)光電檢測器保持件325配合到會聚透鏡保持件345后，會聚透鏡保持件345通過螺紋連接固定。光電檢測器陣列20配合進(jìn)光電檢測器保持件325的U型部分并通過粘接劑進(jìn)行安裝。
雖然各個保持件都通過螺紋連接彼此安裝，但在優(yōu)選方式中，保持件最終通過熱硬化性的粘接劑等安裝。
雖然實施方式已經(jīng)顯示了準(zhǔn)直儀保持件和會聚透鏡保持件為圓筒形的情況，但外部形狀的截面不局限于圓形。在優(yōu)選方式中，此形狀根據(jù)用于將此模組安裝進(jìn)殼體的條件進(jìn)行選擇。雖然通常在優(yōu)選方式中，每個空心部分的截面為圓形，因為空心部分作為光通量的光學(xué)路徑設(shè)置，但空心部分的截面形狀不是總是局限于此。各個保持件和元件的尺寸、角度、材料等只是作為實施例進(jìn)行顯示，而不是局限于實施例。
根據(jù)前述結(jié)構(gòu)，各個光學(xué)元件如下設(shè)置。
從光學(xué)纖維350的端表面到準(zhǔn)直儀透鏡330的第一表面的距離設(shè)定為大約6.21mm。如圖13所示，準(zhǔn)直儀透鏡330的光學(xué)軸333和會聚透鏡的第一表面40a的頂點(diǎn)之間的距離Y設(shè)定為4.0mm。離開穿過衍射光柵10的基板的中心線10c并平行于準(zhǔn)直儀透鏡330的光學(xué)軸333的線的準(zhǔn)直儀透鏡330的光學(xué)軸333的位移D1設(shè)定為1.1mm。在穿過衍射光柵基板的中心線10c并平行于衍射光柵的表面10a的軸處，會聚透鏡40的光學(xué)軸343距離通過旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直儀透鏡330的光學(xué)軸33390°獲得的軸的位移D2設(shè)定為0.8mm。各個元件設(shè)置為以便從會聚透鏡340的第二表面到每個光電檢測器的前表面的距離設(shè)定為大約6.17mm。
具有從1470nm到1590nm范圍內(nèi)的連續(xù)光譜的光線入射到如此制作的光譜分布模組的光學(xué)纖維350上。當(dāng)光線通過準(zhǔn)直儀透鏡330校準(zhǔn)為接近平行光線束時，接近平行的光線束以45°的入射角入射到衍射光柵表面上。因此，通過衍射光柵10衍射的光線束根據(jù)波長以不同的角度從衍射光柵的基板表面輸出。輸出的光線束(衍射光線)入射到會聚透鏡340上并通過會聚透鏡340進(jìn)行會聚，以便根據(jù)波長入射到光電檢測器陣列20的各個光電檢測器上。在此結(jié)構(gòu)中，可以獲得具有大約5nm波長分辨能力的光譜分布特性。
包括殼體和光電檢測器陣列的模組可以安裝在20×40×10mm的空間中，以便可以大大減少光譜分布模組的尺寸。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)模組，包括使用衍射光學(xué)元件用于彎曲具有特定波長的入射光線束的光學(xué)軸大約90°的光學(xué)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)模組，其特征在于所述衍射光學(xué)元件為透射型衍射光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)模組，其特征在于所述透射型衍射光柵中凹槽的數(shù)目N通過下述公式表示N＝±(cosα+sinα)/(mλ)其中±為當(dāng)?shù)趍級數(shù)衍射光線束在具有特定波長λ的光線束以入射角α入射在透射型衍射光柵上的條件下使用時，與m的符號相同的符號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)模組，其特征在于所述透射型衍射光柵的基板以相對所述入射光線束在α±5°范圍的角度進(jìn)行安裝。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)模組，其特征在于所述透射型衍射光柵的基板以相對入射光線束在α+Δθ范圍的角度進(jìn)行安裝；通過透射型衍射光柵衍射的光線束通過具有焦距f的透鏡會聚，以便入射在具有沿入射光線束的方向具有寬度W的光電檢測表面的光電檢測器上；以及滿足下述關(guān)系tan|Δθ|≤W/(2f)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)模組，還包括用于使具有多路復(fù)用波長的光線束入射在使用所述波長中的一個作為特定波長的透射型衍射光柵上的光線輸入裝置；以及用于接收每個都具有通過透射型衍射光柵被解復(fù)用并從所述透射型衍射光柵輸出的單個波長的各個光線束的多個光電檢測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)模組，其特征在于所述用于使光線束入射到透射型衍射光柵上的光線輸入裝置為光學(xué)纖維或波導(dǎo)管，其固定為以便光學(xué)軸與安裝光學(xué)模組的板平行；所述透射型衍射光柵固定為以便當(dāng)光線束入射到透射型衍射光柵上時，具有特定波長的光線束在接近垂至于所述板的方向輸出；以及用于接收從透射型衍射光柵輸出的每個都具有單一波長的各個光線束的光電檢測器為多個片狀光電檢測元件，其平行于所述光學(xué)軸設(shè)置在其中每個都具有從透射型衍射光柵輸出的單一波長的光線束達(dá)到所述板的各個位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)模組，還包括用于發(fā)射具有不同波長的光線束的多個光線發(fā)射裝置；以及用于接收具有從透射型衍射光柵輸出的多路復(fù)用的波長的光線束，以便從多個光線發(fā)射裝置發(fā)出的光線束通過透射型衍射光柵多路復(fù)用的光電檢測器，其中特定波長為所述波長中的一個。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)模組，還包括用于在預(yù)定波長范圍內(nèi)使具有連續(xù)波長的光線束入射到透射型衍射光柵上的光線輸入裝置；以及用于接收具有通過透射型衍射光柵光譜進(jìn)行分布并從透射型衍射光柵輸出的預(yù)定波長的光線束的光電檢測器，其中所述特定波長在入射光線束的預(yù)定波長范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)模組，還包括實質(zhì)用于校準(zhǔn)入射到所述衍射光學(xué)元件上的光線束的準(zhǔn)直儀。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)模組，還包括用于會聚從衍射光學(xué)元件輸出的光線束的會聚裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)模組，還包括具有第一空心部分的第一圓筒保持件；具有第二空心部分的第二圓筒保持件；設(shè)置在第一和第二圓筒保持件之間的衍射光柵；通過第一空心部分中的第一保持件保持以便第一空心部分形成入射光線的光學(xué)路徑的光線輸入裝置；連接到與衍射光柵相對的第二保持件的端部分以便第二保持件的空心部分形成衍射光線的光學(xué)路徑的衍射光線檢測裝置；其中衍射光柵固定為以便衍射光柵的光線入射面鄰接第一保持件的端部分上，而衍射光柵的光線輸出面鄰接第二保持件的端部分上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)模組，其特征在于在鄰接衍射光柵上的第一保持件的端部分的端表面和第一保持件的圓筒的軸向方向之間的角，以及鄰接衍射光柵上的第二保持件的端部分的端表面和第二保持件的圓筒的軸向方向之間的角的和設(shè)定在入射光線和衍射光線之間的角的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)模組，其特征在于所述光線輸入裝置包括準(zhǔn)直儀。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)模組，其特征在于所述第二保持件保持會聚裝置在第二空心部分中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)模組，其特征在于所述第一保持件具有用于調(diào)節(jié)準(zhǔn)直儀的機(jī)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)模組，其特征在于所述第二保持件和所述衍射光線檢測裝置之間的連接部分配合到用于保持衍射光線檢測裝置的保持件，以便所述連接部分可以繞所述光學(xué)軸旋轉(zhuǎn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)模組，其特征在于所述透射型衍射光柵中的凹槽數(shù)目N通過下述公式表示N＝±(cosα+sinα)/(mλ)其中±為當(dāng)?shù)趍級數(shù)衍射的光線束(m為整數(shù))在具有包含在從光線輸入裝置輸入的波長λ的入射光線以入射角α入射到透射型衍射光柵上的條件下使用時，與m的符號相同的符號。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)模組，其特征在于所述光線輸入裝置具有光學(xué)纖維以及平凸型透鏡。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)模組，其特征在于所述光線輸入裝置具有光學(xué)纖維以及分級分度桿透鏡。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光學(xué)模組，其特征在于所述會聚裝置為平凸型透鏡。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)模組，其特征在于所述衍射光線檢測裝置為光電檢測器陣列。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)模組可以實現(xiàn)使用用于彎曲具有特定波長的入射光線的光學(xué)路徑大約90°的光學(xué)系統(tǒng)。透射型衍射光柵的基板以相對入射光線的設(shè)計入射角α在±5°范圍的角度安裝。光學(xué)系統(tǒng)可以施用到光線多路復(fù)用/解復(fù)用模組。
文檔編號H04J14/00GK1800882SQ20061000362
公開日2006年7月12日 申請日期2006年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月7日
發(fā)明者引地奈緒子, 仲間健一, 有馬靖智 申請人:日本板硝子株式會社