专利名称：多波长光讯号处理装置及其制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种多波长光讯号处理装置，可应用于光通讯分波多工系统；其使用光纤阵列或平面光波导管阵列作为多波长光讯号的输入端与输出端，并使用微机电技术制作的1×N微光学振镜一维阵列，改变各组光纤阵列或平面光波导管阵列间各通道光讯号的传播方向，以达到将一通道多波长光讯号切换至另一对应通道的目的。前述的光纤阵列或平面光波导管阵列若改以阵列波导光栅元件取代，可于输入端将单一通道输入的多波长光讯号按其波长的不同予以分开至各通道，而后使用1×N微光学振镜一维阵列分别调整各通道光讯号的传播路径，最后于输出端再将许多不同波长的光讯号重新汇合成一多波长讯号由单一通道输出，藉此可互换各多波长光讯号内相同波长的光讯号。若以前述一输入端阵列波导光栅元件作为一主要多波长光讯号的输入端，其余输入端阵列波导光栅元件则作为欲对此主要多波长光讯号加入新讯号的输入端，并以一输出端阵列波导光栅元件作为此主要多波长光讯号的输出端，其余输出端阵列波导光栅元件则作为欲自此主要多波长光讯号中取出其中部份波长光讯号的输出端，则此多波长光讯号处理装置可作为光通讯系统中多波长光讯号加入取出多工的用途；藉此可自一多波长光讯号中取出其中部份波长的光讯号进行处理，并可选择性地以此取出的波长重新加入新讯号或前述经过处理的讯号，再与原未取出波长的光讯号汇合而成一新的多波长光讯号输出。
多波长光讯号处理装置，在先前已有一些制作方法提出，分别描述如下(1)美国专利第6,097,859号的Olav Solgaard等所开发的多波长光交换开关元件(Multi-Wavelength Cross-Connect Optical Switch)(请参阅
图1)，是使用光栅11(Grating)(请参看图2)作为分波元件，将输入端各光纤12a、12b、12c的多波长光讯号以其波长的不同而分开，波长分开方向则与光纤一维阵列排列方向垂直，而后使用微光学振镜阵列13改变各光纤各波长光讯号的传播路径，重新排列组合，再使用另一光栅14将其汇合进入输出端的各光纤15a、15b、15c，具多波长光讯号加入取出多工功能。
如图3与图4所示，微光学振镜元件16a、16b、16c与17a、17b、17c的功能在于改变输入端各光纤内波长λk光讯号的传播路径，如此可重新安排各光讯号至指定的输出端光纤输出。前述微光学振镜阵列的元件结构为镜面平行于硅基板的结构，以F条光纤输入端、各W个频道的多波长交换开关元件为例，于制作时，其微光学振镜阵列即由两个W×F的镜面阵列平面16、17组成；整个元件的光学系统设计复杂，制作较不易。
(2)另如美国专利第6,148,124号的Vladimir A Aksyuk等所开发的多波长光讯号加入取出多工装置(请参阅图5)，是使用阵列波导光栅元件21作为分波元件，而后使用静电驱动的微机电光开关作为遮断器22(Shutter)(请参阅图6)，控制该波长光讯号的通过或反射，并配合环流器23(Circulator)完成部份波长光讯号取出的动作，通过遮断器的讯号再经另一阵列波导光栅元件24汇合后输出。新讯号加入的动作则使用耦合器25于输出端再予耦合加入。无法直接防止使用未取出的波长再行加入另一新讯号的情形发生。
(3)再如美国专利第5,745,612号的Weyl-Kuo Wang等所开发的多波长光讯号交换多工器(Wavelength Sorting Multiplexer)(请参阅图7)，是使用一N×N阵列波导光栅元件31同时作为分波与合波元件，将输入端F条波导32各自的W个波长光讯号以其波长的不同而分开后，使用W个F×F光开关阵列33分别对各光讯号的行径进行改变，而后输入回前述的阵列波导光栅元件，各光讯号再汇合由输出端的F条波导34输出，可应用于多波长光讯号加入取出多工系统。其中N的数值必须大于F与(W+1)的乘积，应用上通道数与波长容量易受到限制；故其设计较复杂、制作不易、相对的零元件数目较多、成本也较高。
(4)更如美国专利5,953,141与6,208,443B1号的Karen Liu等所开发的多波长光讯号加入取出多工装置(请参看图8)，是使用可调式反射性滤波器41(TunableReflection Filters)与环流器42(Circulator)所组成，故有体积较大的缺点。
本发明的内容本发明即旨在提供一种多波长光讯号处理装置，其可应用于光通讯分波多工系统，制作上具有可以大量批次制造的特性，且可弹性运用熟知的封装技术在晶片阶段完成元件初步封装，并能因此降低量产成本，及能有良好的信赖性与稳定性。
依本发明的多波长光讯号处理装置，其使用光纤阵列或平面光波导管阵列作为多波长光讯号的输入端与输出端，并利用微机电技术，制作1×N微光学振镜一维阵列的单一元件或多个元件的组合，用以改变各组光纤阵列或平面光波导管阵列间各通道光讯号的传播方向，以达到将一通道多波长光讯号切换至另一对应通道的目的。于前述光纤阵列的制作上，并可利用熟知的硅微加工技术于基板上制作V型或U型凹槽阵列，以固定各光纤位置，同时可解决光纤导入时的对准问题。
前述输入端与翰出端的光纤阵列或平面光波导管阵列若分别改以1×N与N×1阵列波导光栅元件取代，可于输入端将单一通道输入的多波长光讯号按其波长的不同予以分开至各通道，而后使用1×N微光学振镜一维阵列分别调整各通道光讯号的传播路径，最后于输出端再将许多不同波长的光读号重新汇合成一多波长光讯号由单一通道输翰出，藉此可互换各多波长光讯号内相同波长的光讯号。若以前述一输入端阵列波导光栅元件当作光讯号的解多工器，作为主要多波长光讯号的输入端；其余输入端阵列波导光栅元件当作光讯号的加入器，作为欲对此主要多波长光讯号加入新讯号的输入端；并以一输出端阵列波导光栅元件当作光讯号的多工器，作为此主要多波长光讯号的输出端；其余输出端阵列波导光栅元件当作光讯号的取出器，作为欲自此主要多波长光讯号中取出其中部份波长光讯号的输出端，如此可作为光通讯系统中多波长光讯号加入取出多工的用途；藉此可自一多波长光讯号中取出其中部份波长的光讯号进行处理，并可选择性地以此取出的波长重新加入新讯号或前述经过处理的讯号，再与原未取出波长的光讯号汇合而成一新的多波长光讯号输出。
另除前述使用1×N与N×1阵列波导光栅元件分别取代输入端与输出端的光纤阵列或平面光波导管阵列的方法外，亦可于各输入端与输出端的光纤阵列或平面光波导管阵列的外端另分别接以一使用阵列波导光栅元件、光纤光栅元件、或薄膜滤镜技术等方法制作的分波与合波多工器，则亦可作为多波长光讯号加入取出多工的用途。
除上述元件外，亦可利用前述的硅微加工技术或电镀技术等方法，制作固定式反射镜面，或以切割方式(Dicing)，直接于光纤或平面光波导管上制作45度斜面，用以改变固定偏向角度的光讯号的传播方向，此法可减少微光学振镜阵列的数量；并可配合各类型的准直透镜(Collimating Lens)、聚光透镜(Collecting Lens)，诸如光学球形镜(Ball Lens)、柱形镜(Cylindrical Lens)、折射式微透镜(请参看Optical FiberCommunication Conference，March17-22，2001，Anaheim，California和IEEE Photon.Tech.Lett.8，1349-1351(1996))、绕射式微透镜如微Fresnel透镜(请参看Opt.Eng.36(5)，1282-1297(1997)和Elect.Lett.30，448-449(1994))、及其它非球面透镜等的应用，提升系统中光讯号的传播效率或耦合效率；于输入输出介面上，亦可与光纤直接相接合，更增加其实用性。
本发明的整个系统大致可区分为上下相对应的两层，所有元件可分别整合制作于两片基板上，而后配合封装制造过程将两片基板固定在一起，于此同时，也可选择性的加入其它主动及被动的光电元件，整合于封装中，整个多波长光讯号加入取出多工系统亦完成制作。另一方面，当所制作的元件制造过程为晶片级制造过程时，本发明所强调的特色为相关元件封装可利用晶片级封装技术如芯片对芯片接合(Wafer to WaferBonding)、覆晶接合(Flip-Chip Bonding)、晶粒接合(Die Attach/Bonding)等，于晶片阶段完成初级封装(First-level Package)后，再进行所完成的系统装置的分割(Device Dicing)，再配合光纤定位与封止的过程，与外部封装来完成整个产品的制作(Housing Process)。
本发明的详细组成、制造过程、其它目的与功效，则参照下列依附图所作的说明即可得到完全的了解。
图2显示Olav Solgaard等所开发的多波长光交换开关元件中光栅的剖面图。
图3显示Olav Solgaard等所开发的多波长光交换开关元件中微光学振镜阵列的示意图。
图4显示Olav Solgaard等所开发的多波长光交换开关元件中微光学振镜阵列的立体图。
图5显示Vladimir A.Aksyuk等所开发的多波长光讯号加入取出多工装置。
图6显示Vladimir A.Aksyuk等所开发的多波长光讯号加入取出多工装置中微机电式遮断器的示意图。
图7显示Weyl-Kuo Wang等所开发的多波长光讯号交换多工器。
图8显示Karen Liu等所开发的多波长光讯号加入取出多工装置。
图9显示本发明四个光纤一维阵列元件间各对应光纤内光讯号交换情形的立体示意图。
图10显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置I的立体结构图。
图11显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置I中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图12显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置I中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图13显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置I中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。
图14显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置I中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。
图15显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置I中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
图16显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置II中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图17显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置II中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图18显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置II中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。
图19显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置II中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。
图20显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置II中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
图21显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置III中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图22显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置III中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图23显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置III中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。
图24显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置III中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。
图25显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置III中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
图26显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置IV中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图27显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置IV中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图28显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置IV中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。
图29显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置IV中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。
图30显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置IV中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
图31显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置V中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图32显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置V中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图33显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置V中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。
图34显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置V中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。
图35显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置V中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
图36显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置VI中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图37显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置VI中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图38显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置VI中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。
图39显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置VI中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。
图40显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置VI中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
图41显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置VII的立体结构图。
图42显示本发明多波长光记号加入取出多工装置VII中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图43显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置VII中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
图44显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置VIII中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图45显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置VIII中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
图46显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置IX的立体结构图。
图47显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置IX中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图48显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置IX中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
图49显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置X中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。
图50显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置X中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
图51显示本发明四波长光讯号加入取出多工装置的示意图。
图52显示本发明多波长光讯号加入取出多工装置另一种结构的示意图。
图53显示本发明多波长光讯号处理装置整合于两片基板上的一种实施示意图。
图54显示本发明多波长光讯号处理装置于晶片级制造过程时的一种实施示意图。
较佳
具体实施例方式
以下针封本发明较佳实施例的多波长光讯号处理装置及其制作方法进行描述。
实施例1图9为本发明的四个光纤一维阵列元件间各对应光纤内光讯号交换情形的立体示意图。利用熟知的硅微加工技术于硅基板上制作V型或U型凹槽阵列，可用以固定光纤阵列各光纤位置，同时可解决光纤导入时的封准问题；并利用微机电技术，制作的立起镜面结构，组成微光学振镜阵列105，用以改变各光纤间光讯号的传播路径，以此可交换各光纤一维阵列元件间各对应光纤内的光讯号。微光学振镜阵列105包含四个1×N微光学振镜一维阵列，振镜的驱动方法则可使用热驱动、静电驱动、电磁驱动、压电驱动、或气压及液压等由压力变化产生驱动力等的各种驱动方式。前述的微光学振镜立起镜面结构亦可使用可洛诺司集成微系统(Cronos Integrated Microsystems)公司所提供的MUMPs(Multi User MEMS Processes)微机电开放制造过程(请参看URLhttp//www.memsrus.com/cronos/svcsmumps.html)制作。
自第一个光纤一维阵列元件101的第k-1条光纤111输出的光讯号，通过微光学振镜112、113后，入射进入第二个光纤一维阵列元件102的第k-1条光纤114继续传播，其中微光学振镜112、113的镜面与光讯号传播方向平行，不改变其传播路径；自第一个光纤一维阵列元件101的第k条光纤121输出的光讯号，经微光学振镜122、123反射后，入射进入第三个光纤一维阵列元件103的第k条光纤124继续传播；自第一个光纤一维阵列元件101的第k+1条光纤131输出的光讯号，经微光学振镜132、133反射后，通过微光学振镜134，入射进入第四个光纤一维阵列元件104的第k+1条光纤135继续传播，其中微光学振镜134的镜面与光讯号传播方向平行，不改变其传播路径；自第一个光纤一维阵列元件101的第k+2条光纤141输出的光讯号，经微光学振镜142反射后，入射回原光纤141继续传播，其中微光学振镜142的镜面与光讯号传播方向垂直，使光讯号依原传播路径反射。此照前述方法，则可重新安排各光纤一维阵列元件间各光纤内光讯号的传播路径。
前述的光纤一维阵列元件亦可改以平面光波导管阵列取代；另外，各光纤一维阵列元件或平面光波导管阵列的外端若再接以一使用阵列波导光栅元件、光纤光栅元件、或薄膜滤镜技术等方法制作的分波或合波多工器，则此多波长光讯号处理装置可作为光通讯系统中多波长光讯号加入取出多工的用途。
实施例2如实施例1所述的多波长光讯号处理装置，改以阵列波导光栅元件取代前述的光纤一维阵列元件或平面光波导管阵列，则可作为光通讯系统中多波长光讯号加入取出多工的用途。如图10所示，为多波长光讯号加入取出多工装置I的立体结构图。其利用1×N阵列波导光栅元件的分波功能制作光讯号解多工器201与加入器202，和N×1阵列波导光栅元件的合波功能制作光讯号多工器203与取出器204；N条波导阵列205、206、207、208分别为解多工器201、加入器202的输出端与多工器203、取出器204的输入端；微光学振镜阵列209则为以微机电技术制作的立起镜面结构，包含四组1×N微光学振镜一维阵列，用以改变各光讯号的传播路径。
一多波长光讯号输入解多工器201后，经解多工器201按其波长的不同予以分开，各波长光讯号分别由波导阵列205的各波导输出；而后再以微光学振镜阵列209的振镜元件分别控制各波长光讯号的传播路径，其中每一波长光讯号的路径控制可由四个振镜元件完成；不取出的波长光讯号最后入射进入多工器203输入端的波导阵列207，而后经多工器203汇合后由一通道输出；欲取出的波长光讯号最后则入射进入取出器204输入端的波导阵列208，而后经取出器204汇合后由一通道输出。若欲以已被取出光讯号的波长重新加入新讯号，则由加入器202输入，新讯号经加入器202按其波长分至不同通道，分别由波导阵列206的各波导输出，而后经微光学振镜阵列209改变其传播路径，最后入射进入多工器203输入端的波导阵列207，而后经多工器203与不取出的波长光讯号汇合后由一通道输出。
图11为多波长光讯号加入取出多工装置I中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图；请合并参照图10，多波长光讯号经解多工器201分波后，波长λk的光讯号自波导阵列205第k道波导211输出，经微光学振镜212、213后，入射进入波导阵列207的第k道波导214，而后经多工器203同其它通道光讯号汇合后输出；其中微光学振镜212、213的镜面与光讯号传播方向平行，不改变其传播路径。不取出的光讯号亦可以另一传播路径向前传播，如图12为多波长光讯号加入取出多工装置I中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图；请合并参照图10，多波长光讯号经解多工器201分波后，波长λk+1的光讯号自波导阵列205第k+1道波导221输出，依序经微光学振镜222、223、224、225反射后，入射进入波导阵列207的第k+1道波导226，而后经多工器203同其它通道光讯号汇合后输出。
图13为多波长光讯号加入取出多工装置I中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图；请合并参照图10，多波长光讯号经解多工器201分波后，波长λk-1的光讯号自波导阵列205第k-1道波导231输出，经微光学振镜232、233反射后，入射进入波导阵列208的第k-1道波导234，而后经取出器204同其它被取出的光讯号汇合后取出。图14为多波长光讯号加入取出多工装置I中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图；请合并参照图10，欲加入的光讯号经加入器202分波后，波长λk-1的光讯号自波导阵列206第k-1道波导241输出，经微光学振镜242、243反射后，入射进入波导阵列207的第k-1道波导244，而后经多工器203同其它通道的光讯号汇合后一同输出。
前述取出波长λk-1的旧讯号及以同波长加入新讯号的动作可同时执行，如图15所示为多波长光讯号加入取出多工装置I中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
实施例3实施例2所述的多波长光讯号加入取出多工装置I，可相互对换解多工器201、加入器202、多工器203、取出器204的位置，而产生不同的系统结耩；微光学振镜阵列209中各振镜元件于执行不取出光讯号、取出旧讯号或加入新讯号时的镜面方向亦随系统结构的不同而异。
图16所示为多波长光讯号加入取出多工装置II中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。图17为多波长光讯号加入取出多工装置II中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图。图18为多波长光讯号加入取出多工装置II中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。图19为多波长光讯号加入取出多工装置II中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。图20为多波长光讯号加入取出多工装置II中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。图21所示为多波长光讯号加入取出多工装置III中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。图22为多波长光讯号加入取出多工装置III中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图。图23为多波长光讯号加入取出多工装置III中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。图24为多波长光讯号加入取出多工装置III中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。图25为多波长光讯号加入取出多工装置III中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。图26所示为多波长光讯号加入取出多工装置IV中第k通道光读号在不取出的情形下的示意图。图27为多波长光讯号加入取出多工装置IV中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图。图28为多波长光讯号加入取出多工装置IV中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。图29为多波长光讯号加入取出多工装置IV中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。图30为多波长光讯号加入取出多工装置IV中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。图31所示为多波长光讯号加入取出多工装置V中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。图32为多波长光讯号加入取出多工装置V中第k+1通道光讯号在不取出的情形下的示意图。图33为多波长光讯号加入取出多工装置V中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。图34为多波长光讯号加入取出多工装置V中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。图35为多波长光讯号加入取出多工装置V中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。图36所示为多波长光讯号加入取出多工装置VI中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。图37为多波长光讯号加入取出多工装置VI中第k+1通道讯号在不取出的情形下的示意图。图38为多波长光讯号加入取出多工装置VI中第k-1通道光讯号被取出的情形的示意图。图39为多波长光讯号加入取出多工装置VI中第k-1通道加入新讯号的情形的示意图。图40为多波长光讯号加入取出多工装置VI中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
实施例4如实施例3所述的多波长光讯号加入取出多工装置III，可减少微光学振镜阵列的振镜元件数量，每一波长光讯号的传播路径控制仅由两个振镜元件完成。如图41所示，为多波长光讯号加入取出多工装置VII的立体结构图，其使用阵列波导光栅元件制作解多工器301、加入器302、多工器303与取出器304，N条波导阵列305、306、307、308分别为解多工器301、加入器302的输出端与多工器303、取出器304的输入端；微光学振镜阵列309则为以微机电技术制作的立起镜面结耩，包含两个1×N微光学振镜一维阵列。
图42为多波长光讯号加入取出多工装置VII中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图；请合并参照图41，多波长光讯号经解多工器301分波后，波长λk的光讯号自波导阵列305第k道波导311输出，经微光学振镜312、313反射后，入射进入波导阵列307的第k道波导314，而后经多工器303同其它通道光讯号汇合后输出。
图43所示为多波长光讯号加入取出多工装置VII中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图；请合并参照图41，多波长光讯号经解多工器301分波后，波长λk-1的光讯号自波导阵列305第k-1道波导321输出，经微光学振镜322后，入射进入波导阵列308的第k-1道波导323，而后经取出器304同其他被取出的光讯号汇合后取出，其中微光学振镜322的镜面与光讯号传播方向平行，不改变其传播路径。另外，欲加入的新讯号经加入器302分波后，波长λk-1的新讯号自波导阵列306第k-1道波导331输出，经微光学振镜332后，入射进入波导阵列307的第k-1道波导333，而后经多工器303同其他通道的光讯号汇合后一同输出。前述取出波长λk-1的旧讯号及以同波长加入新讯号的动作可不同时执行，亦可仅取出旧讯号而不以同波长加入新讯号。
如实施例3所述的多波长光讯号加入取出多工装置V，亦可减少微光学振镜阵列的振镜元件数量，每一波长光讯号的传播路径控制仅由两个振镜元件完成。如图44所示为多波长光讯号加入取出多工装置VIII中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。图45所示为多波长光讯号加入取出多工装置VIII中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
实施例5如实施例2所述的多波长光讯号加入取出多工装置I，可使用两固定式反射镜面取代微光学振镜阵列中的2N个振镜元件。如图46所示，其为多波长光讯号加入取出多工装置IX的立体结构图，可使用硅微加工技术制作凸形平台410作为两固定式反射镜面；解多工器401、加入器402、多工器403与取出器404可使用阵列波导光栅元件制作，N条波导阵列405、406、407、408分别为解多工器401、加入器402的输出端与多工器403、取出器404的输入端；微光学振镜阵列409则为以微机电技术制作的立起镜面结耩。
图47为多波长光讯号加入取出多工装置IX中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图；请合并参照图46，多波长光讯号经解多工器401分波后，波长λk的光讯号自波导阵列405第k道波导411输出，经微光学振镜412、413后，入射进入波导阵列407的第k道波导414，而后经多工器403同其它通道光讯号汇合后输出；其中微光学振镜412、413的镜面与光讯号传播方向平行，不改变其传播路径。
图48所示为多波长光讯号加入取出多工装置IX中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图；请合并参照图46，多波长光讯号经解多工器401分波后，波长λK-1的光讯号自波导阵列405第k-1道波导421输出，经微光学振镜422、及固定式反射镜面423反射后，入射进入波导阵列408的第k-1道波导424，而后经取出器404同其它被取出的光讯号汇合后取出；欲加入的新讯号经加入器402分波后，波长λk-1的新讯号自波导阵列406第k-1道波导431输出，经固定式反射镜面432、及微光学振镜433反射后，入射进入波导阵列407的第k-1道波导434，而后经多工器403同其它通道的光讯号汇合后一同输出。前述取出波长λk-1的旧讯号及以同波长加入新讯号的动作可不同时执行，亦可仅取出旧讯号而不以同波长加入新讯号。
如实施例3所述的多波长光讯号加入取出多工装置IV，亦可使用如前述的两固定式反射镜面取代微光学振镜阵列中的2N个振镜元件。如图49所示为多波长光讯号加入取出多工装置X中第k通道光讯号在不取出的情形下的示意图。图50为多波长光讯号加入取出多工装置X中第k-1通道同时执行取出旧讯号与加入新讯号动作的示意图。
实施例6如实施例2至实施例5所述的多波长光讯号加入取出多工装置，图51为四波长光讯号加入取出多工装置的示意图。解多工器501与加入器502为1×4阵列波导光栅元件，多工器503与取出器504为4×1阵列波导光栅元件。第一至四个1×4微光学振镜一维阵列505至508，由微机电技术制作的立起镜面结构微光学振镜元件所组成。
一个四波长光讯号(内含λ1、λ2、λ3、λ4四种波长)经过解多工器501后，按照波长的不同分开，依序以四个不同的通道进入第一个1×4微光学振镜一维阵列505，第一个1×4微光学振镜一维阵列505中四个振镜元件分别控制四个通道光讯号的传播路径，而后波长λ2、λ3与λ4等欲取出的光讯号向第二个1×4微光学振镜一维阵列506传播，经第二个1×4微光学振镜一维阵列506后进入取出器504，各通道光讯号汇合成一通道后取出；波长λ1的光讯号则向第三个1×4微光学振镜一维阵列507传播，欲分别以波长λ2与λ3加入的新讯号自加入器502的输入端输入，经加入器502分波后，分别进入第二、三个通道，再经第四个1×4微光学振镜一维阵列508反射后，亦向第三个1×4微光学振镜一维阵列507传播；原先波长λ1的光讯号及波长λ2、λ3新加入的光讯号经第三个1×4微光学振镜一维阵列507的后进入多工器503，多工器503将上述三个讯号汇合成一通道后输出。
实施例7如实施例2至实施例5所述的多波长光讯号加入取出多工装置，除了可相互对换解多工器、加入器、多工器、取出器的位置外，亦可变化前述各元件与微光学振镜阵列间相对应的架构，而产生不同的系统结构。如图52所示即为多波长光讯号加入取出多工装置另一种结构的示意图。一多波长光讯号输入解多工器601分波后，由微光学振镜一维阵列605、606的振镜元件分别控制各波长光讯号的传播路径，欲取出的波长光讯号最后进入取出器604汇合后由一通道输出，不取出的波长光讯号最后则进入多工器603汇合后由一通道输出。若欲以己被取出光讯号的波长重新加入新讯号，则由加入器602输入，分波后经微光学振镜一维阵列606的振镜元件反射，而后进入多工器603与前述不取出的波长光讯号汇合后由一通道输出。熟习本技艺者当能在不脱离本发明的实际精神及范围的情况下，做出种种变化及修改。
实施例8如实施例1至实施例7所述的多波长光讯号处理装置，整个装置大致可区分为上下相对应的两层，所有元件可分别整合制作于两片基板上，而后配合封装制造过程将两片基板固定在一起，于此同时，也可选择性的加入其它主动及被动的光电元件，整合于封装中，整个多波长光讯号处理装置亦完成制作。
如图53所示，为多波长光讯号处理装置整合于两片基板上的一种实施示意图。输入端光纤711、分波元件712、微光学振镜阵列713、合波元件714、输出端光纤715依序整合制作于硅基板701上；其中，分波元件712与合波元件714可使用阵列波导光栅元件制作，微光学振镜阵列713则由微机电技术制作的两微光学振镜一维阵列721、722组成，另可利用熟知的硅微加工技术于硅基板上制作V型或U型凹槽，用以固定光纤位置，同时可解决光纤导入时的对准问题。并以相同或类似方法制作硅基板702，而后配合封装制造过程将两片硅基板701、702固定在一起而完成整个多波长光讯号处理装置703的制作。
实施例9如实施例8所述的多波长光讯号处理装置整合制作于两片基板上，并配合封装制造过程将两片基板固定在一起。当所制作的元件制造过程为晶片级制造过程时，可利用晶片级封装技术如芯片封芯片接合(Wafer to Wafer Bonding)、覆晶接合(Flip-ChipBonding)、晶粒接合(Die Attach/Bonding)等，于晶片阶段完成初级对装(First-levelPackage)。如图54所示，可将多波长光讯号处理装置的所有元件集成化制作(Integration)于晶片801上，或利用前述的覆晶接合或晶粒接合技术，将个别制作的元件整合固定于晶片对晶片接合技术将两晶片801、802接合在一起完成初级封装；而后再进行所完成的系统装置的分割(Device Dicing)，之后可再配合光纤定位与封止的过程，与外部封装来完成整个产品的制作(Housing Process)。以此方法制作完成的多波长光讯号处理装置803与实施例8的多波长光讯号处理装置703相同。
本发明的多波长光讯号处理装置，使用光纤阵列或平面光波导管阵列作为多波长光讯号的输入端与输出端，并使用微机电技术制作的1×N微光学振镜一维阵列，改变各组光纤阵列或平面光波导管阵列间各通道光讯号的传播方向；可搭配阵列波导光栅元件作为光讯号分波多工/解多工器，而达到光通讯系统中多波长光讯号加入取出多工的用途，在做光讯号取出动作的同时，亦可做新讯号的加入动作，可防止使用未取出的波长再行加入另一新讯号的情形发生；且微光学振镜阵列的结构为立起的镜面结构，可配合晶片级封装，将整个多波长光讯号处理装置整合于一晶片上。系统架构不但与已知技术并不相同，且具有设计简单、制作容易、相封的零部件数目少、成本较低等优点，为习见技术所不及，合于专利法的发明专利授权要件，恳请赐准专利，实为德便。
权利要求
1.一种多波长光讯号处理装置，其特征在于包含(1)一组或多组输入端的光纤阵列或平面光波导管阵列，用以于不同通道光纤或不同通道平面光波导管中，输入须作后续传输方向切换的光讯号；(2)一组或多组输出端的光纤阵列或平面光波导管阵列，用以于不同通道光纤或不同通道平面光波导管中，输出经传输方向切换后的光讯号；(3)一组或多组使用微机电技术制作的1×N微光学振镜一维阵列，用以切换各组光纤阵列或平面光波导管阵列间各通道光讯号的传输方向；其中，所述的多组光纤阵列或平面光波导管阵列可同时重复作为输入端与输出端；所述光纤阵列的制作，可利用熟知的硅微加工技术于基板上制作V型或U型凹槽等阵列，以固定各光纤位置，同时可解决光纤导入时的对准问题；以及所述的1×N微光学振镜一维阵列的驱动方法可使用热驱动、静电驱动、电磁驱动、压电驱动、或气压及液压等由压力变化驱生驱动力的各种驱动方式。
2.如权利要求1所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于使用硅微加工技术或电镀技术方法制作的固定式反射镜面，或以切割方式直接于光纤或平面光波导管上制作的45度斜面，取代部份1×N微光学振镜一维阵列，以改变固定偏向角度的光讯号的传播方向。
3.如权利要求1所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于一组输入端的光纤阵列或平面光波导管阵列改以1×N阵列波导光栅元件取代，作为光讯号的解多工器，用以将输入端的单一通道输入的多波长光讯号按其波长的不同予以分开至各光波导管通道。
4.如权利要求3所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于其余输入端的光纤阵列或平面光波导管阵列可作为光讯号加入器，用以于与解多工器相对应的通道光纤或平面光波导管中，以该通道相对应的波长输入欲新加入的光讯号；或改以1×N阵列波导光栅元件取代，将欲新加入的各波长光讯号由同一通道输入，而后按其波长的不同分开至与解多工器相对应的各通道。
5.如权利要求3所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于一组输出端的光纤阵列或平面光波导管阵列改以N×1阵列波导光栅元件取代，作为光讯号的多工器，用以将经传输方向切换后各波长的光讯号汇合成一多波长光讯号由输出端的单一通道输出。
6.如权利要求5所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于其余输出端的光纤阵列或平面光波导管阵列可作为光讯号取出器，用以于与解多工器相对应的通道光纤或平面光波导管中，输出前述解多工器输入的多波长光讯号中欲取出的波长光讯号；或改以N×1阵列波导光栅元件取代，将欲取出的波长光讯号汇合至同一通道输出。
7.如权利要求3或4或5或6所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于所述一组或多组使用微机电技术制作的1×N微光学振镜一维阵列，用以切换前述解多工器、多工器、加入器、取出器间相封虑各通道光讯号的傅播方向，使自解多工器输入的多波长光讯号中，欲取出的波长光讯号朝取出器传播，而欲保留的波长光讯号及自加入器输入的欲新加入的光讯号则朝多工器传播。
8.如权利要求7的多波长光讯号处理装置，其特征在于所述的解多工器与多工器，分别用于光通讯系统上多波长光讯号加入取出多工装置中欲接受讯号处理的多波长光讯号的输入端与输出端。
9.如权利要求7的多波长光讯号处理装置，其特征在于所述的加入器与取出器，可分别用于光通讯系统上多波长光讯号加入取出多工装置中欲加入新讯号至前述接受讯号处理的多波长光讯号内的输入端，与欲自此多波长光讯号内取出的其中部份波长光讯号的翰出端。
10.如权利要求1所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于一组输入端的光纤阵列或平面光波导管阵列的讯号输入端再接以一使用1×N阵列波导光栅元件、光纤光栅元件、或薄膜滤镜技术方法制作的分波多工器，作为光讯号的解多工器，用以将输入端的单一通道输入的多波长光讯号按其波长的不同予以分开至前述输入端光纤阵列或平面光波导管阵列的各通道。
11.如权利要求10所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于其余输入端的光纤阵列或平面光波导管阵列可作为光讯号加入器，用以于与解多工器相对应的通道光纤或平面光波导管中，以该通道相对应的波长输入欲新加入的光讯号；或于前述其余输入端的光纤阵列或平面光波导管阵列的讯号输入端再各接以一使用1×N阵列波导光栅元件、光纤光栅元件、或薄膜滤镜技术方法制作的分波多工器，将欲新加入的各波长光讯号由同一通道输入，而后按其波长的不同予以分开至前述其余输入端光纤阵列或平面光波导管阵列的各通道。
12.如权利要求10所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于一组输出端的光纤阵列或平面光波导管阵列的讯号输出端再接以一使用N×1阵列波导光栅元件、光纤光栅元件、或薄膜滤镜技术等方法制作的合波多工器，作为光讯号的多工器，用以将经传输方向切换后进入前述输出端光纤阵列或平面光波导管阵列的各波长光讯号汇合成一多波长光讯号由输出端的单一通道输出。
13.如权利要求12所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于其余输出端的光纤阵列或平面光波导管阵列可作为光讯号取出器，用以于与解多工器相对应的通道光纤或平面光波导管中，输出前述解多工器输入的多波长光讯号中欲取出的波长光讯号；或于前述其余输出端的光纤阵列，或平面光波导管阵列的讯号输出端再各接以一使用N×1阵列波导光栅元件、光纤光栅元件、或薄膜滤镜技术方法制作的合波多工器，将欲取出的波长光讯号汇合至同一通道输出。
14.如权利要求10或11或12或13的多波长光讯号处理装置，其特征在于所述一组或多组使用微机电技术制作的1×N微光学振镜一维阵列，用以切换前述解多工器、多工器、加入器、取出器同相对应各通道光讯号的传播方向，使自解多工器输入的多波长光讯号中，欲取出的波长光讯号朝取出器传播，而欲保留的波长光讯号及自加入器输入的欲新加入的光讯号则朝多工器传播。
15.如权利要求14所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于所述的解多工器与多工器，可分别用于光通讯系统上多波长光讯号加入取出多工装置中欲接受讯号处理的多波长光讯号的翰入端与输出端。
16.如权利要求14的多波长光讯号处理装置，其特征在于所述的加入器与取出器，可分别用于光通讯系统上多波长光讯号加入取出多工装置中欲加入新讯号至前述接受讯号处理的多波长光讯号内的输入端，与欲自此多波长光讯号内取出的其中部份波长光讯号的输出端。
17.如权利要求1所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于于光讯号传播路径上可通常应用各类型的准直透镜、聚光透镜，诸如光学球形镜，柱形镜、折射式微透镜、绕射式微透镜如微弗烈司尼尔透镜、及其它非球面透镜，或其它光学元件，提升系统中光讯号的传播效率或耦合效率；于系统输入输出介面上，平面光波导管可再接以光纤元件，并使用硅微加工技术于基板上制作V型或U型凹槽，用以固定光纤位置，同时可解决光纤导入时的对准问题，增加系统的实用性。
18.如权利要求1所述多波长光讯号处理装置的制作方法，其特征在于制作时系统中所有元件可分别整合制作于两片基板上，而后配合封装制程将两片基板固定在一起，于此同时，也可选择性的加入其它主动及被动的光电元件，整合于封装中，使整个多波长光讯号处理装置亦完成制作；于元件的组装过程中，可使用硅微加工技术于基板上制作V型或U型等凹槽作为元件的定位槽，并可利用焊锡垫(或球)因表面张力所生的自我定位的功能，来提升系统中各组装元件间的对准精度。
19.如权利要求1或18所述的多波长光讯号处理装置，其特征在于可使用晶片级制造过程与封装技术，将系统中所有元件集成化制作于两晶片上，或利用覆晶接合或晶粒接合技术，将个别制作的元件整合固定于两晶片上；而后利用熟知的晶片对晶片接合技术将两晶片接合在一起完成初级封装；而后再进行所完成的光讯号处理系统装置的分割，之后可再配合光纤定位与封止的过程，与外部封装束完成整个产品的制作。
全文摘要
一种可应用于光通讯分波多工系统的多波长光讯号处理装置，使用光纤阵列或平面光波导管阵列作为多波长光讯号的输入端与输出端，并使用微机电技术制作的1×N微光学振镜一维阵列，改变各组光纤阵列或平面光波导管阵列间各通道光讯号的传播方向，以达到将一通道多波长光讯号切换至另一对应通道的目的。前述的光纤或平面光波导管阵列若改以阵列波导光栅元件(Arrayed Waveguide Grating/AWG)取代，则可作为光通讯系统中多波长光讯号加入取出多工(Optical Add－Drop Multiplexing)的用途，将能充分满足未来全光网络以及高频道数(High channel counts)的高密度多波长光通讯应用的需求。
文档编号H04J14/02GK1437346SQ02103520
公开日2003年8月20日 申请日期2002年2月5日 优先权日2002年2月5日
发明者刘醇铠, 李正国 申请人:亚太优势微系统股份有限公司