专利名称：利用球端节精密调谐滤光器的方法和装置的制作方法
相关申请本申请是2000年7月17日提交的美国申请No.09/617,736和2000年11月14日提交的美国申请09/713,634的部分继续申请。本申请还要求了2000年8月28日提交的美国临时申请No.60/228,908的优先权。
背景领域本发明总的涉及纤维光学，并尤其涉及精密调谐光学元件的方法和装置。
现有技术背景利用薄膜介质涂层形成的滤光器对于当今的光学装置非常关键。随着光学薄膜涂层技术的改进，更大阵列的滤光器也成为现实。
图1是现有滤光器的简图。滤光器一般形成在一个很大的、如图1所示的衬底100上。衬底100的直径可以在几个厘米的范围内，并且可以包含几个形成在一起的分层以满足所需的规格。依据采用的分层类型，衬底100的厚度可以在1～4mm的范围内。在衬底100之内形成几个更小的代表各个滤光器的切块，如图1中的小片102。各个小片可以是正方形、矩形或圆形，直径一般在1-2mm。
制造商制备的滤光器要满足顾客所需的特定指标。这些指标之一是滤光器的中心波长(CWL)。本领域的技术人员知道，CWL是现代光学装置、如波分复用器的工作关键。顾客通常将CWL规定在ITU栅的+/-50pm～+/-100pm之内。
但是，对于滤光器的制造商来说要到达这种精度是非常困难的，并且因而满足特定CWL的切块产量非常低。实际上，对于给定的衬底，低至5-10％的产量是很典型的。这样的低产量使得薄膜滤光器的价格保持在较高的价位。
典型的做法是将滤光器的CWL规定在滤光器的中心。例如，薄膜滤光器装置的制造商通常只将中心波长规定在滤光器的物理中心。这样做是因为一般滤光器设置在光学装置内，使得光入射到滤光器的中心。因而如果客户所需的主要指标在滤光器的中心得不到满足，则该滤光器必将不被接受。
在为提高滤光器产量的努力中，现有技术采用的公知事实是滤光器的CWL取决于入射光的角度。如果滤光器具有稍稍处于规定指标之外的CWL，则可以转变滤光器的角度以调节入射光的角度以及滤光器的CWL。如果CWL偏离规定的指标太远，则倾斜滤光器可以使滤光器的CWL回到规定的指标之内。
但是，在诸如高密度波分复用的应用中倾斜滤光器是不被赞成的，因为从滤光器反射的光通常被利用，并且滤过的光通过该滤光器。如果在试图调节CWL时倾斜滤光器，则反射的光通常不能正确地对准。
简述在此公开了调节光学元件的方法和装置。一方面包括一个在预定位置有规定的响应的光学元件以及用于将入射光重新定向到光学元件上除预定位置以外的位置上、从而实现所需响应的装置。
揭示的光学装置的一部分可以包括一个柱体和一个具有互补的凹凸表面、从而允许光学元件被调谐到理想响应的模块。
附图简述图1是现有技术中滤光器衬底的简图；图2A是表示基于入射光束位置的响应于光学元件的变化简图；图2B是光学装置的部分端视图；图3A是光学装置的部分侧视图；图3B是光学装置的另一部分简图；图4是DWDM的简图；图5是光学装置的部分截面详解图；图6是光学装置的部分等距图；图7是光学装置的部分等距图；图8是光学装置的部分详细等距图。
详细说明本领域的普通技术人员将会知道，下面的描述只是示意性的讲解而并非有任何限定。在得到本公开的有益提示下这些技术人员将很容易进行其它的改型和改进。在全文中相同或类似的部件将采用相同的标号。
在本公开的一个方面，光学元件用于通过对除制造商指定的位置以外的位置施加入射光而调谐光学装置。例如，可以通过对光学元件表面上除中心以外的点施加入射光而改变或调谐光学装置的中心波长，直到达到理想的响应。
图2A中展示了一个在一条表示光学元件表面上对应位置处的中心波长曲线上的光学元件206。当把薄膜滤光器用作光学元件时，中心波长一般在滤光器的中心最高(最长的波长)。当光束位置远离中心时，中心波长典型地会降低。因而在位置1测得的中心波长将典型地高于在位置2测得的中心波长。
在图2B中，示出的模块208具有在模块208的旋转中心交叉的轴300和302。图2B还包括一个具有在光学元件的中心交叉的轴302和304的光学元件206。在图2B中将光学元件206的中心标为位置1。光学元件206可以定位在模块208上，使得光学元件206的中心1偏离模块208的旋转中心。在公开的光学元件的一方面中，光学元件206的中心可以偏离模块208的旋转中心距离d。
利用图2A和2B中公开的结构公开了一种方法，其中光学元件的中心波长可以通过对光学元件的不同区域施加入射光而得到精确地调谐。
对于连结到模块208的光学元件206，模块208可以绕其旋转中心旋转。如果模块208旋转的同时将光施加到光学元件206，则入射光束将入射到光学元件206表面上的不同位置。当模块208绕其轴旋转时，入射光束将跟踪光学元件206表面上的路径306。
当装置旋转时，可以监视测试中的光学元件的输出以确定特定位置处的中心波长。当确定了理想的响应时，可以对将来的使用标注精确的位置。
预期可以使路径306绘制成各种路径或形状。从图2B中可以看到，施加的光可以沿着光学元件206的表面，使得形成一个圆。在公开的光学元件的一方面中，路径306的一部分将处于光学元件206的中心上。但预期入射光可以以任何所需的形状施加到光学元件206表面上的任何所需位置，使得获得理想的响应。
甚至在光入射到一个偏离滤光器中心的位置时，很多滤光器也可以维持适当的响应曲线形状。因而利用本公开的技术，通过对滤光器的表面施加光束、并在维持适当的响应曲线形状的同时将滤光器调谐到特定的ITU栅，先前被排除在指标之外的滤光器也变得可以利用。
光学元件206表面上的整条路径306沿其不同的位置可以有不同的响应，如中心波长。因而通过绕路径306旋转光学元件206，可以选择预定的响应，如理想的中心波长。但是，预期可以利用本发明的指导调谐光学装置的任何特性。
参见图3A，图中示出的光学装置200包括模块208。模块208可以包括适于保持或固定光学元件的很宽泛的材料和形状。模块208可以绕一个定义为旋转轴的轴210形成。
装置200还包括光学元件206。光学元件206可以包括现有技术中精确校准的各种光学元件。光学元件206还绕轴212形成，该轴定义了光学元件206的物理的或特定的中心。
光学元件206可以固定到模块208，使得光学元件206的轴212基本上平行于模块208的轴210但不直接重叠。因而轴210和212可以分开距离d。入射光205可以沿光学元件206的轴212施加。入射光205由此可以偏离模块208的轴210距离d。
在公开的光学元件的一方面中，轴212和210可以分开距离120μm，当绕圆旋转时产生绕光学元件的表面大约240μm的总平移，也产生调谐能力约为200pm的连续调谐性。如同本领域的技术人员所知，距离d的量依据于具体的应用和所需的调谐性。
下面将公开用于重新定向入射光的装置的更详细的实例。
图3B表示一个包括沿轴210设置的抽头202的光学装置201。抽头202可以包括现有技术中公知的光纤抽头。抽头202还包括一个发射端203，发射端203中形成的角度为α的楔用于将光束重定向到一个角度。抽头202可以包括现有技术中标准的楔角，如8°或12°。但也可以根据具体应用中所需的偏离距离d选择该角度。
沿轴210设置透镜204。透镜204可以包括现有技术中公知的适于接收从抽头202的发射端203入射的光并将该光束导向离开轴210预定距离的任何透镜。透镜204可以构造成沿轴212对准。
抽头202和透镜204提供了沿预定路径偏置或导向光束的装置的实例。但预期可以利用现有技术中公知的各种结构的光学元件完成将光束导向图3B中所示的预定偏置的任务。
无论哪里需要精确的校准和调谐光学元件，都可以利用所公开的光学元件。例如，从本发明的公开技术中可以有利地精确校准光学装置。例如，光学元件如滤光器必须精确校准的任何复用器或解复用器将受益于本公开的内容。另外，本公开还可以与其它类型的滤光器如长通、短通或宽带等一起使用。
下面将对根据本发明的用于调谐光学元件的光学装置进行更详细的描述。
图4表示包括形成为绕轴408的柱状第一准直器402的光学装置400。第一准直器402还有一个第一端405和一个第二端424。光学装置400的元件可以由现有技术中公知的材料制作，如不锈钢材料。
第一准直器402还包括一个包含现有技术中公知元件的套筒404，其中包括光学结构做成接收入射光信号的入射光纤410和光学结构做成发射被装置400反射的光信号的反射光纤412。套筒404可以沿轴408设置在第一端405和第二端424之间。第一准直器402还包括一个沿轴408设置在第一端405和第二端424之间的透镜406，通过套筒404与信号光学耦合。预期在本发明中可以采用现有技术中很多不同类型的透镜，如GRIN透镜或非球面透镜。
光学装置400还包括滤光器模块428。滤光器模块428最好形成为绕轴408的柱形，并具有第一端430和第二端431。滤光器模块428包括设置在第一端430和第二端431之间绕着偏离轴408的轴427的薄膜滤光器426。预期在本发明中可以采用现有技术中各种公知的光学元件，如GRIN透镜、球面或非球面透镜、带通滤光器、长或短通滤光器或选通滤光器。滤光器426设置成接近第一端430并构造成通过透镜406与信号光学耦合。另外，还可以如上所述地接近滤光器426地设置重新导向入射光路径的装置。
光学装置400包括优选形成为绕轴408的柱形的第二准直器416。第二准直器416还包括一个包含现有技术中标准元件的套筒420，其中包括光学构造成将光信号耦合到装置400的发射光纤410。套筒404可以沿轴408地设置在套筒420内。
装置400还包括一个沿轴408设置的构造成通过套筒模块428与信号光耦合的透镜。透镜418可以包括如上所述的非球面透镜。
如上所述，滤光器426的校准和固定对于光学装置的操作非常重要。本公开提供了一种允许精确放置并校准滤光器426的新颖且有用的方案。检查图4可以看到，第一准直器402的第二端424形成为限定了一个面朝内凹的球面片段。同样，滤光器模块428的第一端430形成为限定一个面朝外凸的球面片段，凸面在形状上与凹面互补。凹面和凸面允许光学元件、如滤光器绕旋转中心旋转，由此将光施加到光学元件表面上的不同位置。通过这样旋转模块，可以精确地调谐光学元件的响应。
图5是光学装置集中在凹面和凸面上的部分的截面详解图。图5表示第一准直器402的第二端424以及滤光器模块428的第一端430。图5表示设置在第二端430内绕偏离轴408的轴427的滤光器426。除去第二端424处形成第一准直器402的柱体的材料，从而形成半径为R的面朝内的球面片段，并除去第一端430处形成滤光器模块428的壁的材料，从而形成半径为R的面朝外的球面片段。
参见图6，图中示出了沿轴408朝滤光器模块428的第一端看去时光学装置一部分的等距图，并且包括沿第一准直器402的第二端424的截面图。图6还表示从第一准直器402发出的套筒434。套筒434可以包含入射光纤410和反射光纤412。图6还包括沿偏离轴408的轴427设置的光纤426。
图6还表示如何除去第二端424处形成第一准直器402的柱形壁的材料以形成面朝内的球面片段，以及如何除去第一端430处形成滤光器模块428的壁的材料以形成面朝外的球面片段。图6的等距图还表示滤光器模块和准直器的互补表面如何允许二者匹配。
参见图7，图中示出了沿轴408朝第一准直器402的第二端看去时光学装置一部分的等距图。图7还包括沿第一准直器402的第二端424的截面图。图7还表示从第一准直器402发出的套筒434。
图7还表示如何除去第二端424处形成第一准直器402的柱形壁的材料以形成面朝内的球面片段。同样，研究图7可以看出，该图还表示如何除去第一端430处形成滤光器模块428的壁的材料以形成面朝外的球面片段，以及如何允许滤光器模块和准直器的互补表面二者匹配。
参见图8，图中所示的光学装置的等距图包括第一准直器402的截面，展示了本发明的操作优点。
图8还表示如何除去第二端424处形成第一准直器402的柱形壁的材料以形成面朝内的球面片段。同样，检查图8可以看出，该图还表示如何除去第一端430处形成滤光器模块428的壁的材料以形成面朝外的球面片段。图8的等距图还表示如何允许滤光器模块和准直器的互补表面二者匹配。图8还包括沿偏离轴408的轴427设置的滤光器426。
制造时还可以将模块428以其第一端430面朝上地放置在装配架中。然后，可以将第一准直器402以其第二端424面朝下地放置在模块428之上。滤光器模块428的第一端430由此与第一准直器402的第二端424搭配，届时二者可以相互移动，同时仍保持面-面接触。然后操作者可以通过在第一端430和第二端424的互补面形成的球端节内滑动滤光器模块428而精确地校准滤光器426并选择中心波长。
如上所述，滤光器426的校准对于光学装置的操作很关键。研究图8可以看出，滤光器426的面形成一个与轴408相交的平面。因此，滤光器426的面提供了两个自由度而仍然维持面与面的接触。所以，由滤光器426形成的平面可以预定的角度与轴408对准。
特别是，滤光器模块428可以角度绕轴408旋转。通过滤光器模块428绕轴408旋转，沿轴427放置在滤光器模块内的光学元件在其表面有入射光照射在不同的位置，由此调谐光学元件。这种调节滤光器426的能力较现有技术装置有很大改进。
预期可以采用现有技术中公知的很多光学元件，如带通滤光器、长或短通滤光器或选通滤光器。预期本公开可以用在诸如中心波长很重要的DWDM应用中以及分段波长很重要的分束器中。因此，本公开不应限于采用的光学元件类型。
虽然以上展示并描述了本发明的实施例及应用，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明原理的前提下可以做各种改型。本发明的范围将由所附的权利要求唯一地限定。
权利要求
1.一种用于调谐光学元件的装置，包括光学元件，在第一位置处有规定的响应；和用于将入射光重新定向到所述光学元件上第二位置、从而实现除所述规定的响应以外的所需响应的机构。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述光学元件包括薄膜滤光器，并且所述规定的响应包括薄膜滤光器的中心波长。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的重定向机构包括抽头，在所述抽头的发射端有一个楔。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述的楔包括一个大约为8°-12°之间的角。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的入射光沿偏离所述光学元件的中心形成的轴的路径重新定向。
6.一种用于调谐光学元件的装置，包括具有旋转中心的模块；光学元件，具有旋转中心并被固定到所述模块，使得所述光学元件的所述旋转中心偏离所述模块的所述旋转中心；和用于重新定向光束的机构，所述机构包括一个楔，其中所述重定向机构将入射光束重新定向到所述光学元件的一个位置上。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述的重定向机构包括一个在发射端有一个楔的抽头。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述的楔包括一个大约为8°-12°之间的角。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述光学元件上的所述位置是一个除所述光学元件的所述中心以外的一个位置。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于可以选择所述的位置，从而由所述光学元件产生所需的响应。
11.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述重定向机构构造成沿一条与垂直于所述模块的所述旋转中心的轴基本上平行且偏离的路径指导光束。
12.一种调谐光学元件的方法，包括提供一种在预定的位置处有规定的响应的光学元件；和向所述光学元件上的一个位置处提供入射光，从而实现除所述规定的响应以外的所需响应。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于提供入射光的行为包括沿一条偏离由所述光学元件的中心形成的轴的路径重新指导光束。
14.一种调谐光学元件的方法，包括提供一个具有旋转中心的模块和具有中心的光学元件；将所述的光学元件固定到所述模块，使得所述光学元件的所述中心偏离所述模块的所述旋转中心；对所述的光学元件施加入射光，所述的入射光沿一条偏离所述旋转中心的路径传播；和绕所述旋转中心转动所述模块，直到实现所述光学元件预定的响应。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于所述光学元件包括有多种响应的滤光器，转动行为包括将多种响应中的一种选做预定的响应。
16.一种用于调谐光学元件的装置，包括绕旋转中心转动的模块装置；光学装置，由所述的模块装置支撑，用于响应于入射光并产生多种响应，所述的光学装置在偏离所述旋转中心的一个位置处具有预定的响应；用于对所述光学装置施加入射光的装置，所述的入射光沿一条偏离所述旋转中心的路径传播；和用于绕所述旋转中心转动所述模块、直到实现所述光学装置对所述入射光有所需的响应的装置。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于所述的光学装置包括一个具有多种响应的滤光器。
全文摘要
在此公开了一种用于调谐光学元件的方法和装置。其一方面包括一个在预定位置有规定响应的光学元件以及用于将入射光重新定向到光学元件上除预定位置以外的位置上，从而实现所需响应的装置。
文档编号G02B6/34GK1549941SQ02816930
公开日2004年11月24日 申请日期2002年8月26日 优先权日2001年8月28日
发明者张大鹏, 谢平 申请人:菲尼萨公司