自由空间光学准直器的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年12月18日提交的美国临时申请序列号62/388,380的权益，所述申请的完整公开内容以引用的方式并入本文。

发明背景

领域

本公开涉及波分多路复用(wdm)多路复用器/多路分解器和可用于此类wdm多路复用器/多路分解器的准直器。

技术背景

波分多路复用(wdm)是这样的技术：其中多个光信号与不同波长的光多路复用，所述不同波长的光由多路复用器在发射器处进行组合、引向单个光纤以便信号运输，并由多路分解器分到接收器处的指定信道。随着对具有更小形状因子的更高信号容量的需求的逐渐上升，可适应紧凑形状因子(例如，cfp4和qsfp28)电信和数据通信设备的wdm装置是有利的。对于具有紧凑形状因子诸如cfp4和qsfp28的光学模块，多路复用器/多路分解器使具有不同工作波长的多个信号信道组合或分开。

图1示出紧凑多路复用/多路分解设计10的典型设计，例如像美国专利号6,748,133中公开。出于多路分解目的，通过光纤1接收的复合光信号分成相应单独信道或波长以便通过光纤2至光纤5进行运输，并且出于多路复用目的，通过光纤2至光纤5接收的单独信道或波长被组合成复合光信号以便通过光纤1进行运输。为了促进多路复用器/多路分解器功能，使用光学滤波器/反射镜阵列(反射镜1至反射镜4)和准直器阵列(准直器1至准直器5)分别进行波长选择和信号接收。准直器在准直器阵列内的对准位置由预成形楔形件紧固并且随后利用粘结剂进一步粘合到公共基板。

美国专利公布号2010/0329678al还描述了用于将准直器阵列安装到基板的方法。图2a-2d示出使用一对柔性楔形件将准直器安装到平坦基板的四种不同安装情况。准直器包括用于巩固玻璃透镜的柱形托管和进入信道部件中的光纤尾纤。在每种设计中，楔形件具有两个接触面：一个具有外部托管，而另一个具有基板。楔形件成对使用以便将准直器紧固到基板。

随着升级成更高传输速度、更多数据信道和更小封装形状因子的需要不断增长，邻近信道之间的空隙需要显著降低以便提高信道密度。对于楔形件制成的准直器(如图1和图2a-2d所示)，当封装大小也变得越来越小时，由于外部托管和支撑楔形件而产生的大小收缩限制使它们变得不太有利。替代性多路复用器/多路分解器子组件设计在美国专利号8,488,244中有描述并且在图3中示出。此设计包括com准直器、具有前侧的高反射涂层314的玻璃块304和附接到端侧的滤波器阵列310(每个带通滤波器具有不同的波长范围)、微透镜阵列306和所有其他部件粘合到其上的基板。微透镜阵列306的采用进一步减小必要部件大小，并且玻璃块304上的高反射涂层表面314使com端口准直器和接收端口出口平行以便在不给部件造成配合和光纤路由问题的情况下配合在更小形状因子封装中。

由于微透镜阵列306和滤波器阵列310的固定间距，每个信道的位置和角度不能进行单独调整。具有不同切割角度和长度的多个补偿板需要插入到光路中以便补偿潜在角度/位置对准误差。

另一紧凑wdm设计在图4中示出。通过利用梯形棱镜，光路转动180度，从而将com端口和接收端口定位在装置的同一侧上。可通过利用单件微透镜阵列(mla)和光纤阵列单元(fau)替换com准直器来改进此设计以提高密度。

先前所描述的超紧凑wdm设计配置使用微透镜阵列作为用于接收端口的聚焦部件。因此，它们经受失准误差并且不能同时对所有接收信道进行优化。这些失准误差来自间距误差、斜切角、刚性聚焦和接收部件的倾斜量和偏移量。所述误差可通过插入一系列带斜角玻璃板(图3)、或完善部件尺寸规格要求(图4)进行补偿。两种设计均需要应用复杂的对准和组装工艺以便测量对准误差并且抵消效果。此外，最后几个信道预计具有由于误差源的聚积影响而降级的光学性能并对环境变化(诸如温度、湿度等)更加敏感。

简述

根据本公开的主题，提供多路复用器/多路分解器组件配置及其部件的新的设计。信号发射器和接收端口包括微型大小的准直器，这不仅允许间距大小的显著减小的可能而且还能够单独地使每个信道对准。

例如根据本公开的一个实施方式，提供自由空间光学准直器。自由空间光学准直器包括基座，所述基座具有长度、大体上平坦的底表面和顶表面。凹槽沿着基座的延伸穿过基座的长度的顶表面设置。透镜设置在基座的凹槽内，并且光纤尾纤设置成大体上邻近于透镜的焦点。透镜和光纤尾纤在凹槽内对准以便减小传播通过自由空间光学准直器的光学光信号的偏角偏移。

根据本公开的另一实施方式，提供多信道波分多路复用器(wdm)。在此实施方式中，多路复用器包括基板、多路复用器端口和多个多路分解器端口。多路复用器端口被配置来传播多路复用光信号并且包括安装在基板的表面上的第一光学准直器。多个多路分解器端口中的第一多路分解器端口被配置来传播第一多路分解光信号并且包括第二光学准直器。第二多路分解器端口被配置来传播第二多路分解光信号并且包括第三光学准直器。光学滤波部件被安装到基板并且光学地耦接在多路复用器端口与第一多路分解器端口和第二多路分解器端口对之间。光学滤波部件被配置来使来自多路复用器端口的多路复用信号分成至少第一波长分量和第二波长分量，并且将所述至少第一波长分量和第二波长分量分别传播到第一多路分解器端口和第二多路分解器端口。第一光学准直器、第二和第三光学准直器中的至少一个包括基座，所述基座具有长度、大体上平坦的底表面和顶表面。凹槽沿着基座的延伸穿过基座的长度的顶表面设置。透镜设置在基座的凹槽内并且光纤尾纤设置成大体上邻近于透镜的焦点。透镜和光纤尾纤在凹槽内对准以便减小传播通过自由空间光学准直器的光学光信号的偏角偏移。

根据本公开的又一实施方式，提供一种生产自由空间光学准直器的工艺。在一个实施方式中，例如，所述工艺包括在基座元件的顶表面中形成凹槽。所述工艺还包括将透镜设置在凹槽中并且至少大体上邻近于凹槽中的透镜的焦点设置光纤尾纤。所述工艺包括使所述透镜和所述光纤尾纤在所述凹槽内对准以便减小传播通过所述自由空间光学准直器的光学光信号的偏角偏移并且将透镜和光纤尾纤固定在凹槽内。

尽管本文主要参考wdm多路复用器/多路分解器和可与此类wdm多路复用器/多路分解器一起使用的光学准直器描述了本公开的概念，但在此考虑了所述概念也将适用于其他光学系统。例如而非限制性地，在此考虑了本公开的概念将适用于采用准直器的其他光学系统。

附图的若干视图的简述

当结合以下附图阅读时，可最好地理解本公开的具体实施方式的以下详细描述，其中相同结构利用相同参考数字指示，并且其中：

图1描绘典型紧凑光学多路复用器/多路分解器设计的示例性设计；

图2a-2d描绘使用一对楔形件将准直器安装到平坦基板的不同实例；

图3描绘多路复用器/多路分解器子组件设计的另一实例；

图4描绘又一示例性紧凑wdm多路复用器/多路分解器设计；

图5描绘根据本文描述或示出的一或多个实施方式的紧凑自由空间wdm多路复用器/多路分解器的示例性实施方式；

图6a和图6b描绘根据本文描述或示出的一或多个实施方式的光学准直器的示例性实施方式；

图6c和图6d描绘根据本文描述或示出的一或多个实施方式的光学准直器的另一示例性实施方式；

图7描绘光学准直器的透镜与光纤尾纤之间的可调整界面的示例性实施方式的示意图；并且

图8描绘根据本文描述或示出的一或多个实施方式的构造诸如用于wdm多路复用器/多路分解器的基板上或另一光学系统内的准直器的工艺180的示例性流程图。

详述

图5描绘提供紧凑设计、同时仍允许单独信道对准的紧凑自由空间wdm多路复用器/多路分解器100配置的示例性实施方式。在这个特定实施方式中，wdm多路复用器/多路分解器100的信号传输和接收端口102、104各自包括设置在基板116的同一侧上的微型大小的准直器106、108、110、112、114。复合多路复用光信号118接收在棱镜120(例如，梯形棱镜)处并且朝向薄膜滤波器阵列122往回重新引导180度。薄膜滤波器阵列122包括多个多路分解的信道分段124、126、128、130，它们各自被配置为用来传递多路复用光信号118的预定部件/信道125、127、129、131并且与薄膜滤波器阵列122偏置和相反地朝向反射镜132反射多路复用光信号118的剩余部分带通滤波器(bpf)。反射镜132进而朝向薄膜反射镜122的下一信道分段126、128、130反射多路复用光信号。

在此实施方式中，当wdm多路复用器/多路分解器100作为多路分解器操作时，复合多路复用光信号118通过准直器106接收在端口102处，所述准直器106使光准直。在图5所示特定实施方式中，准直光束随后以由梯形棱镜120确定的预设偏移量转动180度。多路复用光信号118随后传播到分光子模块，所述分光子模块包括反射镜132和薄膜滤波器阵列122。在此特定实施方式中，薄膜滤波器阵列122包括四个带通滤波器区段(尽管可使用任何数目的区段)，其中它们中的每一个被配置来允许特定波长范围穿过并且反射其他波长的多路复用光信号。在薄膜滤波器阵列122与反射镜132之间多次跳动之后，多路复用光信号束分裂成具有不同波长的四个多路分解光信号125、127、129、131。多路分解信号125、127、129、131由接收端口104的对应准直器108、110、112、114收集。

图6a-6b示出微型大小的准直器150的一个示例性实施方式。图6a例如示出准直器150的侧视图，而图6b示出准直器150的端视图。准直器150包括形成在基座158中的透镜152(例如，玻璃或硅石准直透镜)、光纤尾纤154和凹槽156(例如，大体上v形的凹槽)。透镜152和尾纤154设置在凹槽中。透镜152被配置来接收从外部光传输系统提供给wdm多路复用器/多路分解器的光信号或将由wmd多路复用或多路分解的光信号提供给外部光传输系统。透镜152例如可配置来接收来自光纤元件的光信号以进行多路复用或多路分解和/或将多路复用的或多路分解的光信号提供给外部光纤元件。光纤尾纤154光学地耦接到透镜152并且被配置来将来自外部光纤元件的光信号提供给透镜152和/或接收来自透镜152的光信号以传输到外部光纤元件。

在各种实施方式中，透镜152和光纤尾纤154可或可不彼此接触。透镜152和光纤尾纤154可彼此独立地紧固到凹槽156以便允许对来自准直器150的光束与凹槽156的侧表面和/或底表面之间的指向角进行准确调整。另外，透镜152和光纤尾纤154可具有相同外径。

准直器150的基座158具有大体上平坦的底表面159以便安装在wdm多路复用器/多路分解器或其他光学系统的基板上。基座158还包括宽度200，所述宽度200小于透镜152的宽度202和光纤尾纤154的宽度。例如在一些实施方式中，准直器150可并排地布置在基板的表面上，诸如图5所示。例如在图5的实施方式中，并排准直器106、108、110、112、114的基座158(图5未示出)之间的间隔大于并排的准直器106、108、110、112、114的透镜152与光纤尾纤154之间的间隔。

图6c-6d示出微型大小的准直器160的另一个示例性实施方式。图6c例如示出准直器160的侧视图，而图6d示出准直器160的端视图。在此特定实施方式中，准直器160包括形成在基座158中的透镜162(例如，玻璃或硅石准直透镜)、光纤尾纤164和凹槽166(例如，大体上u形的凹槽)。透镜162被配置来接收从外部光传输系统提供给wdm多路复用器/多路分解器的光信号或将由wmd多路复用或多路分解的光信号提供给外部光传输系统。透镜162例如可配置来接收来自光纤元件的光信号以进行多路复用或多路分解和/或将多路复用的或多路分解的光信号提供给外部光纤元件。光纤尾纤164光学地耦接到透镜162并且被配置来将来自外部光纤元件的光信号提供给透镜162和/或接收来自透镜162的光信号以传输到外部光纤元件。准直器160的基座168具有大体上平坦的底表面169以便安装在wdm多路复用器/多路分解器或其他光学系统的基板上。

尽管图6a-6d所示的实施方式分别包括大体上v形的和大体上u形的凹槽156和166，但也可使用其他形状的凹槽。

准直器150、160至少部分地在凹槽156、166内分别提供例如自由空间路径以便光信号在wdm多路复用器/多路分解器的内部光学系统与透镜152、162之间传播。以此方式，准直器不需要玻璃管或玻璃结构来限制准直器160、170的透镜和光纤尾纤。这会通过移除由于玻璃管而产生的外部约束尺寸来减小准直器的外部/横向尺寸，从而在一些实施方式中产生可完全地取决于透镜和/或光纤尾纤的尺寸的横向尺寸。例如，准直器结构的凹槽156、166可延伸到基座158、168中并且提供至少部分地延伸到基座158、168中达一定深度的传输路径，并且因此可进一步减小整体多路复用器/多路分解器的形状因子。并且，准直器150、160不需要使用设置在基板的表面上的外部楔形件或其他结构来固定到基板而占据相邻准直器之间对的横向间隔，并且因此允许减小单独的准直器之间的间距大小。不仅可显著减小单个准直器横向尺寸，而且可在不失去与基板的接触区域的情况下减小邻近准直器之间的空隙。

现在参考图7，可通过控制准直器170的透镜172与光纤尾纤174之间的相对位置来消除(或至少减小)来自微型大小的准直器170的光束与凹槽156的侧表面和底表面之间的指向角。图7例如示出准直器170的透镜172与光纤尾纤174之间的可调整界面的示例性实施方式。图7进一步示出透镜172和光纤尾纤174的指向角监测和相对调整的示例性原理。通过微调光纤尾纤174的位置以便使射出光束碰到透镜172的焦点，可实现其中具有细微离轴偏移量的经准直的零指向角光束。在一个实施方式中，例如，调节可由近场光束位置和远场光束位置比较(例如，使用光束扫描器)来监测。零指向角准直部件更易于在几乎没有倾斜的情况下附接到基板，并且由于可实现均匀的环氧环氧树脂或粘合剂，更可靠的粘合是可能的。应指出，图7是用来示出说明概念以及玻璃透镜和光纤尾纤的端部可以其他角度(包括垂直)分别定向到玻璃透镜和光纤尾纤的主体的示意图。

与其中准直器通过外部楔形件或支撑件耦接并附接到基板的设计相比，准直器160、170的结构允许更容易模块化并且移除冗余的自由度。因此，准直器160、170可减小复杂性并且进一步提高整体多路复用器/多路分解器设计的组装效率和处理可靠性。

图8示出构造诸如用于wdm多路复用器/多路分解器的基板上或另一光学系统内的准直器的工艺180的示例性流程图。例如在此实施方式中，工艺180包括在准直器的基座元件中形成凹槽的操作182。凹槽例如可包括可将透镜安装到其中的横截面形状，诸如但不限于大体上v形的凹槽、大体上u形的凹槽或大体上正方形或矩形形状。在操作184中，将透镜设置在凹槽中，并且在操作186中，将光纤尾纤设置在凹槽中、与透镜光通信。光纤尾纤可例如设置成大体上绕透镜的焦点，使得由透镜聚焦的光信号耦合到尾纤以便与外部光传输系统进行通信。在操作188中，使透镜和光纤尾纤相对于彼此对准，并且在操作190中，将所述透镜和光纤尾纤固定(例如，粘结、粘附和/或利用环氧树脂胶合)到基座的凹槽。

应指出，本文对“至少一个”部件、元件等的表述不应用来产生冠词“一个”或“一种”的替代使用应局限于单个部件、元件等的推断。

还应指出，与预期用途的表述相反，本文对本公开的部件以特定方式进行“构造”来体现特定属性或以特定方式起作用的表述是结构性表述。更确切地，本文所引述的对部件进行“配置”的方式是指所述部件的现有的物理条件，并且被视为所述部件的结构特征的明确引述。

出于描述和限定本发明的目的，应指出，术语“大体上”、“基本上”和“近似地”在本文利用来表示可归因于任何定量比较、值、测量或其他表示的固有的不确定程度。术语“大体上”、“基本上”和“近似地”在本文还利用来表示定量表示可与规定的参考不同而不导致讨论中的主题的基本功能发生变化的程度。

已详细描述了本公开的主题并参考其具体实施方式，应指出，即使在伴随本说明书的附图中的每个示出特定元件的情况下，本文公开的各种细节不应被认为是暗示这些细节与是本文所述的各种实施方式的基本部件的元件相关。另外，将显而易见的是，在不脱离本公开(包括但不限于随附权利要求书中限定的实施方式)的范围的情况下，修改和变型是可能的。

应指出，以下权利要求书中的一或多个利用术语“其中”作为连接短语。出于限定本发明的目的，应指出，此术语在权利要求书中作为开放式的连接短语引入，所述术语用来引入结构的一系列特征的表述并且应被解释成更常使用的开放式前导术语“包括”。