專利名稱：具有波長選擇性的光學元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有波長選擇性的光學元件，更具體地說，涉及一種對不同波長光束進行復用或者對復用光束按波長進行解復用的光學元件。
已知如例如

圖1中所示的光通信設備部件100是采用這種光學濾波器的傳統(tǒng)光通信設備部件。光通信設備部件100將包含有中心波長不同的八種光信號(Ch1-8)的混合光解復用為單獨的光信號。
如圖1中所示，光通信設備部件100包括多個準直透鏡101、102、104至119，衰減器103以及多個光學濾波器F1至F9。各準直透鏡101、102、104-119由棒狀透鏡構成，衰減器103將入射光光強衰減至既定值。光信號通過光纖在這些部件之中傳送。
入射至光通信設備部件100的混合光首先由光學濾波器F5分離成透射光(光信號Ch5)和反射光(光信號Ch1-4、6-8)。光信號Ch5在其光強由衰減器103衰減至既定值之后出射。光信號Ch1-4、6-8由光學濾波器F9分離成透射光(光信號Ch6-8)和反射光(光信號Ch1-4)。光信號Ch6-8由光學濾波器F6分離成透射光(光信號Ch6)和反射光(光信號Ch7、8)。光信號Ch6通過準直透鏡107出射。同時，光信號Ch7、8由光學濾波器F7分離成透射光(光信號Ch7)和反射光(光信號Ch8)。光信號Ch7通過準直透鏡109出射，光信號Ch8透過光學濾波器F8并且通過準直透鏡111出射。
光信號Ch1-4作為來自光學濾波器F9的反射光由光學濾波器F1分離成透射光(光信號Ch1)和反射光(光信號Ch2-4)，光信號Ch1通過準直透鏡113出射。光信號Ch2-4由光學濾波器F2分離成透射光(光信號Ch2)和反射光(光信號Ch3，4)，光信號Ch2通過準直透鏡115出射。光信號Ch3、4由光學濾波器F3分離成透射光(光信號Ch3)和反射光(光信號Ch4)。Ch3通過準直透鏡117出射，光信號Ch4透過光學濾波器F4并通過準直透鏡119出射。
圖1所示的現(xiàn)有技術存在下述問題。
(1)因為復用的混合光被分離成不同中心波長的光束，所以需要很多光學部件，比如光學濾波器和準直透鏡，從而增加了制造成本。特別對于光學濾波器，由于應當采用不同種類的多個光學濾波器，所以需要花時間來準備多種光學濾波器，進一步增加了制造成本。
(2)必須將光學濾波器F1-F9單獨地安裝在相關準直透鏡的端面上，并且因為準直透鏡相當小，使得光學濾波器的安裝成為很精細的工作。因此，光學濾波器的安裝是困難的，其工作效率較低。結果使得制造成本進一步增加。
(3)需要進行麻煩的對準工作以使位于各光學濾波器之前和之后的準直透鏡的光軸彼此一致。對準工作應當由所述諸多光學濾波器進行，從而增加了制造步驟。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種具有波長選擇性的光學元件，它包括一個透鏡陣列，該陣列具有一個端面和多個設在此一端面上的透鏡；和一個多層膜濾波器，形成在該透鏡陣列的所述一個端面上。該多層膜濾波器包括交替地層疊的高折射率介電層和低折射率介電層，其膜厚根據(jù)單個透鏡的位置而連續(xù)改變。
優(yōu)選地，所述多個透鏡沿著從透鏡陣列所述一個端面的第一端朝向第二端的直線加以對準，多層膜濾波器的膜厚從該第一端向該第二端線性改變。
優(yōu)選地，所述透鏡陣列為包含有多個棒狀透鏡的棒狀透鏡陣列。
優(yōu)選地，所述透鏡陣列為梯度折射率平面微透鏡，包含有一個基板和多個以直線形式形成在該基板上的微透鏡。
優(yōu)選地，所述多個微透鏡從基板上突出。
優(yōu)選地，所述透鏡陣列具有與所述一個端面相對的另一端面；并且所述光學元件還具有發(fā)光裝置，用于通過透鏡陣列的單個透鏡向多層膜濾波器發(fā)出光束。
優(yōu)選地，所述發(fā)光裝置與透鏡陣列集成為一體。
優(yōu)選地，所述發(fā)光裝置包括多個與透鏡陣列的單個透鏡相關聯(lián)設置的光源。
優(yōu)選地，所述透鏡陣列具有與所述一個端面相對的另一端面；并且該光學元件還具有多個光接收元件，用于分別接收通過所述透鏡陣列的單個透鏡由多層膜濾波器對入射光進行解復用而獲得的具有不同中心波長的多個光信號。
優(yōu)選地，所述多個光接收元件與所述透鏡陣列集成為一體。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種制造具有波長選擇性的光學元件的方法。該制造方法包括制備一個透鏡陣列的步驟，其中該透鏡陣列具有一個端面和多個設在此一端面上的透鏡；和通過物理氣相淀積方法在該透鏡陣列的所述一個端面上直接形成多層膜濾波器的步驟，其方式使得其膜厚根據(jù)所述多個單獨透鏡的位置而連續(xù)改變。
優(yōu)選地，該制造方法還包括在形成所述多層膜濾波器的步驟之前設置所述透鏡陣列的步驟，其方式使得該透鏡陣列的所述一個端面相對于蒸發(fā)源或靶傾斜。
優(yōu)選地，該制造方法還包括在形成所述多層膜濾波器的步驟之前在所述透鏡陣列與所述蒸發(fā)源或靶之間設置一個具有大致梯形開口部分的膜厚校正板的步驟。
圖1為傳統(tǒng)光學元件的連接示意圖。
圖2為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的光學元件的剖面示意圖。
圖3為圖2光學元件制造過程中采用的淀積設備的透視示意圖。
圖4為圖2光學元件的棒狀透鏡陣列的透視示意圖。
圖5表示圖2光學元件的多層膜濾波器特性的曲線圖。
圖6表示多層膜濾波器的中心波長相對于圖4中棒狀透鏡陣列變化的曲線圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光學元件的剖面示意圖。
圖8為根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光學元件的剖面示意圖。
圖9為根據(jù)本發(fā)明第四實施例的光學元件的剖面示意圖。
圖10為圖9光學元件的平面微透鏡的透視示意圖。
圖11為圖9光學元件的平面微透鏡另一例的透視示意圖。
圖12為膜厚校正板的透視示意圖。
圖13為圖9光學元件的平面微透鏡再一例的透視示意圖。
如圖4中所示，棒狀透鏡陣列12包括多個(本實施例中為八個)棒狀透鏡L1至L8。棒狀透鏡L1-L8為梯度折射率光學元件，以使得相鄰棒狀透鏡的光軸平行的方式并排設置。在單個棒狀透鏡L1-L8之間及其周圍的間隙中填充有樹脂，棒狀透鏡陣列12由固定板(未示出)集成一體。棒狀透鏡陣列12沿長度方向的一個端面14為平面。
多層膜濾波器13以這樣的方式形成在棒狀透鏡陣列12所述一個端面14的整個表面上，即，其厚度根據(jù)單個棒狀透鏡L1-L8的位置而連續(xù)變化。具體地說，多層膜濾波器13的膜厚沿棒狀透鏡L1-L8的延伸方向從棒狀透鏡陣列12的一端14a向其另一端14b線性增加。也就是說，多層膜濾波器13的膜厚從一端14a向棒狀透鏡陣列12的另一端14b增加。因此，透過多層膜濾波器13各個部分的光束的中心波長隨著多層膜濾波器13厚度的變薄而變短。如圖2中所示，在棒狀透鏡L1-L8的對應部分透過多層膜濾波器13的光束的中心波長(λ1至λ8)是不同的。
圖5表示多層膜濾波器13的單個透射光波長與透射率之間的關系。圖5表示在多層膜濾波器13是邊緣濾波器情況下的特性。在圖6中，水平刻度將棒狀透鏡L1-L8表示為透鏡序號1至8，垂直刻度表示其它棒狀透鏡L2-L8的中心波長與透鏡1(棒狀透鏡L1)中心波長的比值。例如，透鏡3(棒狀透鏡L3)的中心波長與透鏡1中心波長的比值近似為1.04，而透鏡6(棒狀透鏡L6)的中心波長與透鏡1中心波長的比值近似為1.10。
多層膜濾波器13是窄帶濾波器或邊緣濾波器，通過交替地層疊高折射率的介電層和低折射率的介電層而制成，并且用物理氣相淀積方法在真空中直接淀積在棒狀透鏡陣列12的一個端面14上。此處，例如，采用氧化鉭作為高折射率介電層，并且采用二氧化硅作為低折射率介電層。
采用例如如圖3中所示淀積設備15用濺射鍍(物理氣相淀積方法)對多層膜濾波器13進行淀積。在淀積設備15的真空室16中將靶17固定在靶電極18上。通過DC電壓源或AC電壓源或脈沖電壓源向靶電極18施加負電壓。將一個抽真空系統(tǒng)(未示出)固定至真空室16上。將單個或多個棒狀透鏡陣列12以近似相等的間距固定于設在真空室16中的旋轉鼓19的外表面上。圖3表示單個棒狀透鏡陣列12。
各棒狀透鏡陣列12以這樣的方式固定在旋轉鼓19的外表面上，即，其長度方向的一個端面14在相對于靶17以角度α傾斜的狀態(tài)下朝向靶17。
在抽真空系統(tǒng)將真空室16的內部空間設定在高真空狀態(tài)之后，向靶電極18提供負電壓，同時將惰性氣體例如Ar供入真空室16中。然后，在靶電極18表面附近的蒸汽中產(chǎn)生等離子體，靶原子通過濺射現(xiàn)象從靶電極18的表面發(fā)射出來。所發(fā)射的靶原子吸附并淀積在棒狀透鏡陣列12的此一端面14上，從而形成薄膜。
在以此方式將薄膜形成在棒狀透鏡陣列12一個端面14的步驟中，以既定的速度旋轉旋轉鼓19，從而各棒狀透鏡陣列12的此一端面14以傾斜狀態(tài)在靶17之前通過。相應地，此一端面14與靶17之間的距離(以下稱作靶陣列距離)從棒狀透鏡陣列12的一端14a向著另一端14b變短。因此，形成在此一端面14上的薄膜從一端14a向著另一端14b變厚。以此方式形成在棒狀透鏡陣列12一個端面14上的該多層膜濾波器13的厚度沿著各棒狀透鏡L1-L8的延伸方向從棒狀透鏡陣列12(見圖2)的一端(第一端)14a向著另一端(第二端)14b線性增加。
注意多層膜濾波器13在濺射方法之外還可以用真空淀積或其它濺射方法等物理氣相淀積方法來淀積。為了通過多層膜濾波器13獲得較高的耐候性，可以采用電磁濺射鍍、離子束濺射以及離子輔助氣相淀積等方法。
第一實施例的光學元件11A具有如下優(yōu)點。
(1)解復用混合光的多層膜濾波器13以使其厚度變化的方式通過濺射形成在棒狀透鏡陣列12長度方向一個端面14的整個表面上。這使得不需要多個不同類型的光學濾波器來解復用混合光，從而減少了光學元件11A的部件數(shù)量并且可以容易地制作多層膜濾波器13。這導致光學元件11A的加工步驟數(shù)量的減少以及制造成本的降低。
(2)多層膜濾波器13的膜厚沿著棒狀透鏡L1-L8的延伸方向從棒狀透鏡陣列12的一端14a向著另一端14b線性增加。因此，各棒狀透鏡L1-L8的位置與通過多層膜濾波器13的與該位置對應的各部分的光束的中心波長之間的關系可以統(tǒng)一地加以確定。也就是說，多層膜濾波器13的各位置與透射光的中心波長可以由線性方程表示。因此，可以容易地改變與各棒狀透鏡L1-L8的位置和數(shù)量有關的設計。
(3)在棒狀透鏡陣列12的透鏡數(shù)量(該實施例中為八個)增加以提高信息量的情況下，多層膜濾波器與所增加棒狀透鏡分別對應的各部分的中心波長可以通過各部分的厚度統(tǒng)一地限定。因此可以容易地處理透鏡數(shù)量的增加。[第二實施例]圖7為剖面圖，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的光學元件11B。在第一實施例的光學元件11A結構基礎上，光學元件11B還包括激光二極管陣列(發(fā)光裝置)30，用于通過棒狀透鏡陣列12的各棒狀透鏡L1-L8向多層膜濾波器13發(fā)出光束。激光二極管陣列30設在棒狀透鏡陣列12與所述一個端面14相對的另一端面24上并且與棒狀透鏡陣列12集成為一體。激光二極管陣列30具有與各棒狀透鏡L1-L8相關聯(lián)設置的八個激光二極管(多個光源)LD1至LD8。
各激光二極管LD1至LD8發(fā)出例如具有相同中心波長的激光束。來自各激光二極管LD1至LD8的激光束的半值寬度可以很寬。也就是說，根據(jù)第二實施例，在各激光二極管LD1至LD8半值寬度的波長范圍內，多層膜濾波器13可以對具有八種波長λ1至λ8的光束進行解復用。多層膜濾波器13構造成窄帶濾波器。
從激光二極管LD1輸出的激光束由棒狀透鏡L1準直，并入射至多層膜濾波器13。在入射至多層膜濾波器13的激光束中，具有中心波長λ1的光束通過多層膜濾波器13。類似地，從激光二極管LD2-LD8輸出的激光束分別由棒狀透鏡L2-L8準直，并且分別具有中心波長λ2-λ8的光束通過多層膜濾波器13。
第二實施例的光學元件11B具有如下優(yōu)點。
(1)從激光二極管陣列30的各激光二極管LD1-LD8發(fā)出的光束通過各棒狀透鏡L1-L8入射至多層膜濾波器13，并且由多層膜濾波器13解復用成為具有不同中心波長的光束。通過將具有不同中心波長的解復用光束加以會聚產(chǎn)生復用的混合光。假設棒狀透鏡陣列12的透鏡數(shù)量為例如n，則產(chǎn)生包含中心波長為λ1-λn光束的混合光。
(2)激光二極管陣列30與棒狀透鏡陣列12集成為一體。因此，從各激光二極管LD1-LD8發(fā)出的光束直接進入對應的棒狀透鏡L1-L8。結果減少了光學損耗。另外，不必要進行與光源例如激光二極管的連接，從而提供了一種易于使用的光學元件。
(3)由于激光二極管LD1-LD8的開關由控制電路(未示出)分別控制，所以從多層膜濾波器13可以發(fā)出具有28信息量的光信號。當例如只有激光二極管LD1和LD2開啟時，由多層膜濾波器13提取(選擇)出中心波長為λ1和λ2的光束，從而通過對此二光束進行復用，可以產(chǎn)生包含有中心波長為λ1和λ2的光束的混合光信號。[第三實施例]圖8為剖面圖，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的光學元件11C。在第一實施例的光學元件11A結構基礎上，光學元件11C還包括光電探測器陣列40。光電探測器陣列40通過棒狀透鏡陣列12的各棒狀透鏡L1-L8對由多層膜濾波器13解復用的多個光束(波長為λ1-λ8的光束)進行探測。光電探測器陣列40設在棒狀透鏡陣列12與所述一個端面14相對的另一端面24上并且與棒狀透鏡陣列12集成為一體。光電探測器陣列40具有與棒狀透鏡L1-L8相關聯(lián)設置的八個光電探測器PD1至PD8。多層膜濾波器13構造成窄帶濾波器。
第三實施例的光學元件11C具有如下優(yōu)點。
(1)包含有中心波長為λ1-λ8的光束的混合光由多層膜濾波器13進行解復用，并且由光電探測器PD1-PD8通過棒狀透鏡L1-L8對中心波長為λ1-λ8的解復用光束進行探測。例如假設棒狀透鏡的數(shù)量為n，混合光為具有2n信息量的光信號，則多層膜濾波器13將混合光分離成用于各相應的棒狀透鏡L1-L8的具有不同中心波長λ1-λn的光束，并且由相應的光電探測器PD1-PD8加以接收。因此，光電探測器陣列40可以將具有2n信息量的光信號轉換成具有2n信息量的電信號。[第四實施例]
圖9為剖面圖，示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的光學元件11D。圖10為光學元件11D的平面微透鏡50的透視示意圖。光學元件11D具有梯度折射率平面微透鏡50以替代圖2中所示第一實施例的棒狀透鏡陣列12。
平面微透鏡50具有例如六個微透鏡51至56，它們是位于單塊基板59上的梯度折射率區(qū)域。如圖9和10所示，微透鏡50的長度方向一個端面50a形成為平面，多層膜濾波器13形成在此一端面50a上。
第四實施例的光學元件11D具有與第一實施例中相同的優(yōu)點。
本領域技術人員應當清楚，本發(fā)明也可以用其它替代例子加以實施而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
在第一實施例中，棒狀透鏡陣列12的棒狀透鏡數(shù)量并不限于八個?？梢詫⒍鄠€棒狀透鏡設置成兩行或更多行。
在第一實施例中，多層膜濾波器13可以通過設在例如棒狀透鏡陣列12與靶17之間的膜厚校正板70(見圖12)形成。膜厚校正板70具有大致為梯形的開口部分(71)。在此情況下，靶17表面相對于所述一個端面14暴露的部分由該膜厚校正板70加以遮蔽。
具體地說，開口部分(71)形成為大致梯形，并且其形成方式為使得該開口部分的寬度從棒狀透鏡陣列12一端面14的長度方向一端向另一端逐漸改變。靶17和棒狀透鏡陣列12以使其長度方向相同的方式設置。因此，在棒狀透鏡陣列12的長度方向一端面14上形成多層膜濾波器，它具有根據(jù)靶17表面的暴露寬度(開口部分寬度)而變化的膜厚。也就是說，多層膜濾波器朝向靶17表面開口寬度較窄部分的膜厚是較薄的，而多層膜濾波器朝向開口寬度較寬部分的膜厚是較厚的。膜厚校正板70可以設在透鏡陣列12與蒸發(fā)源之間。
在第二實施例中，可以采用LED陣列作為發(fā)光裝置。
在第四實施例中，多層膜濾波器13可以形成在與梯度折射率平面微透鏡50的所述一個端面50a相對的另一端面50b上。
在第四實施例中，在光學元件11D中可以采用圖11中所示的梯度折射率平面微透鏡50′。六個為梯度折射率區(qū)域的微透鏡51′至56′以半圓柱形狀形成在微透鏡50′的基板59上。在此情況下，多層膜濾波器13形成在基板59的兩個端面50a′和50b′之一上。兩個端面50a′和50b′都形成為平面。
在第四實施例中，在光學元件11D中可以采用圖13中所示的梯度折射率平面微透鏡60。例如，六個大致半球形的微透鏡61至66突起地形成在平面微透鏡60的基板69的一個端面60a上。
權利要求
1.一種具有波長選擇性的光學元件，其特征在于一個透鏡陣列，具有一個端面和多個設在此一端面上的透鏡(L1-L8)；和一個多層膜濾波器(13)，形成在該透鏡陣列的所述一個端面(14)上，包括交替地層疊的高折射率介電層和低折射率介電層，其膜厚根據(jù)單個透鏡的位置而連續(xù)改變。
2.如權利要求1所述的光學元件，其特征在于，所述多個透鏡沿著從透鏡陣列所述一個端面的第一端朝向第二端的直線加以對準，多層膜濾波器的膜厚從該第一端向該第二端線性改變。
3.如權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于，所述透鏡陣列為包含有多個棒狀透鏡的棒狀透鏡陣列。
4.如權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于，所述透鏡陣列為梯度折射率平面微透鏡(50，60)，包含有單個基板(59，69)和多個以直線形式形成在該基板上的微透鏡(51-56，61-66)。
5.如權利要求4所述的光學元件，其特征在于，所述多個微透鏡(61-66)從基板上突出。
6.如權利要求1至5任一所述的光學元件，其特征在于，所述透鏡陣列具有與所述一個端面相對的另一端面(24)；并且所述光學元件還具有形成在該另一端面上的發(fā)光裝置(30)，用于通過透鏡陣列的單個透鏡向多層膜濾波器發(fā)出光束。
7.如權利要求6所述的光學元件，其特征在于，所述發(fā)光裝置與透鏡陣列集成為一體。
8.如權利要求6或7所述的光學元件，其特征在于，所述發(fā)光裝置包括多個與透鏡陣列的單個透鏡相關聯(lián)設置的光源(LD1-LD8)。
9.如權利要求1至5任一所述的光學元件，其特征在于，所述透鏡陣列具有與所述一個端面相對的另一端面；并且該光學元件還具有多個形成在所述另一端面上的光接收元件(PD1-PD8)，用于分別接收通過所述透鏡陣列的單個透鏡由多層膜濾波器對入射光進行解復用而獲得的具有不同中心波長的多個光信號。
10.如權利要求9所述的光學元件，其特征在于，所述多個光接收元件與所述透鏡陣列集成為一體。
11.一種制造具有波長選擇性的光學元件的方法，其特征在于制備一個透鏡陣列(12)的步驟，其中該透鏡陣列具有一個端面和多個設在此一端面上的透鏡(L1-L8)；和通過物理氣相淀積方法在該透鏡陣列的所述一個端面上直接形成多層膜濾波器的步驟，其方式使得其膜厚根據(jù)所述多個單獨透鏡的位置而連續(xù)改變。
12.如權利要求11所述的光學元件制造方法，其特征還在于在形成所述多層膜濾波器的步驟之前設置所述透鏡陣列的步驟，其方式使得該透鏡陣列的所述一個端面相對于蒸發(fā)源或靶傾斜。
13.如權利要求12所述的光學元件制造方法，其特征還在于在形成所述多層膜濾波器的步驟之前，在所述透鏡陣列與所述蒸發(fā)源或靶之間設置一個具有大致梯形開口部分(71)的膜厚校正板(70)的步驟。
全文摘要
一種具有波長選擇性的光學元件,其易于制造并且降低了制造成本。該光學元件包括一個透鏡陣列(12),具有一個端面和多個設在此一端面上的透鏡(L1－L8);和一個多層膜濾波器(13),形成在該透鏡陣列的所述一個端面(14)上。多層膜濾波器包括交替地層疊的高折射率介電層和低折射率介電層,其膜厚根據(jù)單個透鏡的位置而連續(xù)改變。來自多層膜濾波器的透射光的中心波長根據(jù)透鏡陣列的位置而變化。在混合光從所述單個透鏡入射至多層膜濾波器的情況下,該混合光由所述具有不同厚度的多層膜濾波器解復用成為不同中心波長的光束。
文檔編號G02B6/34GK1386205SQ01802031
公開日2002年12月18日 申請日期2001年7月11日 優(yōu)先權日2000年7月14日
發(fā)明者豐島隆之, 安崎利明 申請人:日本板硝子株式會社