多端口光学加入/耦出多路复用器及分波多路复用器 【技术领域】
本发明是与分波多路复用器(wave division multiplex，WDM)以及光学加入/耦出多路复用器(optical add-drop Multiplexer，OADM)有关，具体地说，是指一种架构在具有薄膜滤光片的微光学上的高密度整合分波多路复用器(High Density Integrated WDM device)。背景技术
当现代社会中的资讯流通量日渐成长、复杂之际，资料传输能量的需求即变为科技世界的一个重要课题；然而，实体及经济上的因素却限制了增加传输能量的可行性；例如，安装额外的光纤来增加额外的信号频道将会变得非常昂贵，且电子系统的构件可能在实体上限制了资料传输的速度；分波多路复用器(WDM)的使用提供了一个简单且经济的方式，由容许多重波长光源的传输以及透过接收单一波长光源的光纤使用波长的多工/反多工技术，可增加光纤通讯系统的传输能量；
低密度分波多路复用器CWDM以及高密度分波多路复用器DWDM是目前普遍见于市面的，二者间的差异在于传输信号的光谱间隔，前者具有较宽的频道间隔，并且可容许使用未被冷却的激光发射器，后者则具有较小的频道间隔故需使用冷却后的激光来准确地控制其激光光波长为WDM所指定的波长；此外，WDM类的产品可使用在区域性、或主体性的互联网路，其中该资料连结的方式已不再是点对点地方式，而是一个环状或网状架构；在这个例子中，在任意位置耦出或加入一波长信号即变为一个重要的课题，故，光学加入/耦出模块(OADM)即与WDM光学网路系统中的多工/反多工技术同样重要。
OADM类以及WDM类的产品均可使用微光学技术以及绝缘薄膜滤光片来大量制造，以美国专利第6,198,858号专利为例，参照其图1(a)，一双光纤准直器108，具有一双光纤猪尾巴103以及一准直透镜102(例如GRIN lens，或其他任何聚焦凸镜)，自输入光纤105接收输入光，该光线包含数种不同波长的信号，该绝缘薄膜滤光片101让预定波长λ的光通过，然后利用该第二信号光纤准直器109由透镜102收集光信号至第二猪尾巴104的输出光纤107，其余波长的光信号(不等于λ)则反射回第一准直器的输出光纤106；前述的三端口OADM提供了一种“耦出(drop)”功能，如果我们将前述的光信号运动方向反转，一个波长λ的光信号插入至第二猪尾巴104的光纤107，即可与由第一猪尾巴103的光纤106进入的一群不同于波长λ的光信号一起被加入至光纤105；也就是说，要使这个装置呈现出光学的“加入add”或”耦出drop”模块，完全取决于光信号移动的方向，就一波带滤光片而言，耦出光谱是表示于图1(d)中的实线，而反射光谱是以虚线111表示：前述的整体结构是设置于一个以环氧机或焊接而成的坚实壳体内，以提供机构上的稳定；该种结构在过去几年中已被证明是可以提供工业上可信赖的OADM装置，拥有极佳的湿度及环境温度的耐受力；
使用前述图1(a)所示的二相同常用装置，我们可以很容易的实现一个“加入及耦出”模块，例如，图1(b)即表示出一四端口加入及耦出模块，包含有二完全相同的三端口OADM 100，乃是由将该OADM100-1以及OADM 100-2的二输出光纤106-1，106-2连接在一起所形成；在该案中，一个波长λ的光开始时即被该OADM 100-1耦出至光纤107-1中，其波长的光即被反射至光纤106-2并输入至第二个三端口OADM100-2的光纤106-2，如前述把OADM当做“加入”模块的方式，一个新的波长λ的光是由OADM102的输出光纤105-2加入至其余波长的光；由此，前述结构即变成为一四端口的OADM。需注意的是，由于原始讯号是被该薄膜滤光片反射两次(在OADM 100-2及100-2中)，因此由图1(d)中可看出，实线112所具有的内波带隔离(in-band isolation)(例如，在输出端口105-2可看出原始耦出波长的光与其余波长的光二者间的功率差)为虚线111所表示的反射信号光谱的两倍；这是非常重要的，因为大部份的绝缘薄膜滤光片具有少于15dB的反射内波带隔离，不足以充份消除原始耦出信号所产生的干扰；由将内波带隔离提高至两倍，我们可以取得大于25dB的数值，足以满足大部份的应用，而耦出及加入的光谱还是保持如实线110所示的原来状态。
我们也可以使用3端口OADM100来建立一多频道的多路复用器或反多路复用器；如图1(c)所示，一个n端口WDM，主要是通过将前面的OADM的输出光纤106连接至后面的OADM的输入光纤105，以n个不同波长的OADM 100-λn串接而成；欲当做多路复用器使用时，将各个不同波长的信号分别独立地输送至各个光纤107-λx内，并连续地被该等OADM 101-λx(使用加入功能)所合并至输出光纤105-λ1来形成一混合信号，然后被传送入一光纤内传送至接收端；欲当做反多路复用器时，将混合信号(具有所有波长信号)送人光纤105-λ1，特定波长的信号是连续的被各个OADM 101-λx所分隔出来，并分别传送至各个输出光纤107-λx；这种技术已成为目前光纤元件产业中最常使用在4，8，16端口的CWDM以及DWDM。
当WDM产业变得日益竞争且持续需要降低成本，且又得同时兼顾更小的封装尺寸与更高的可靠度时，本发明即显得相当重要，因为本发明可让我们以相同的元件数来制造更多组的OADM，可进而降低成本以及使封装尺寸更缩小化。发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多端口光学加入/耦出多路复用器及分波多路复用器，其可降低成本。
本发明的次一目的在于提供一种多端口光学加入/耦出多路复用器及分波多路复用器，其可缩小封装尺寸。
为实现上述目的，本发明提供的一种多端口光学加入/耦出多路复用器及分波多路复用器，包含有：
一第一准直器，具有第一及第二对光纤；
一第二准直器，具有第一及第二耦出光纤；
一滤波器，供预定波长的光通过，并使非预定波长的光反射，该滤波器设置于该第一及第二准直器间，由此
反射，即，在第一对光纤中，由第一光纤所传来的非预定波长的光，反射至第二光纤；
通过，即，在第一对光纤中，由第一光纤所传来的预定波长的光，通过该滤波器而进入该第一耦出光纤；
反射，即，在第二对光纤中，由第一光纤所传来的非预定波长的光，反射至第二光纤；
通过，即，在第二对光纤中，由第一光纤所传来的预定波长的光，通过该滤波器而进入该第二耦出光纤。
本发明包含有：
一第一准直器，具有第一及第二对光纤，第一对光纤的第一光纤做为输入光纤，第二对光纤的第一光纤做为输出光纤，第一对光纤的第二光纤与第二对光纤的第二光纤耦合；
一第二准查器，具有一耦出光纤以及一加入光纤；
一滤波器，供预定波长的光通过，并使非预定波长的光反射，该滤波器设置于该第一及第二准直器间，由此
反射，即，在第一对光纤的第一光纤所传来的非预定波长的光，反射至第一对光纤的第二光纤；
通过，即，在第一对光纤的第一光纤所传来的预定波长的光，通过该滤波器而进入该耦出光纤；
反射，即，在第二对光纤的第二光纤所传来的非预定波长的光，反射至第二对光纤的第一光纤；
通过，即，由该加入光纤所传来的预定波长的光，通过该滤波器而进入该第二对光纤的第一光纤。
本发明包含有：
一第一准直器，具有至少四对光纤；
一第二准直器，具有至少四光纤；
一滤波器，供预定波长的光通过，并使非预定波长的光反射，该滤波器设置于该第一及第二准直器间，由此
反射，即，自该第一准直器中各对光纤的第一光纤所传来非预定波长的光，反射至该第一准直器中各对光纤的第二光纤；
通过，即，自该第一准直器中各对光纤的第一光纤所传来预定波长的光，通过该滤波器而进入该第二准直器中对应的光纤。
其中该第一对光纤的第二光纤是由一低耗损小型(minisize)光纤弯曲(fiber bend)与该第二对光纤的第二光纤耦合。
其中该低耗损小型光纤弯曲具有一高数值孔径(high NA)光纤。
其中该低耗损小型(minisize)光纤弯曲具有一直径缩减(diameter-reduced)光纤。
其中该滤波器设置于用来消除第一准直器的光纤间的反射耦含现象(reflection coupling)。
其中该第一准直器中第一对光纤的第二光纤与第二多端口光学加入/耦出多路复用器的第一输入光纤耦合，及该第一准直器中第二对光纤的第二光纤与第二多端口光学加入/耦出多路复用器的第二输入光纤耦合。
综上所述，本发明提供一种OADM的结构，相较于已知技术而言，其具有多数的输入/输出光纤，使用本发明的结构，我们可使用相当于已知结构一半数量的元件来制造一个四端口的OADM装置；而且，我们也可使用与已知的双光纤的单导向通讯系统相同数量的元件来制造出一个双-4端口的OADM；而且，我们可以根据本发明的技术来制造出完整的多工/反多工模块应用于双光纤的单导向通讯系统。附图说明
有关本发明的详细结构，特征及功效，以下举一较佳实施例，并配合附图作进一步的说明，其中：
图1(a)是已知的3端口OADM的结构示意图；
图1(b)是已知的4端口OADM建构于2组相同的3端口OADM的结构示意图；
图1(c)是已知的n端口WDM的结构示意图；
图1(d)是已知的3端口及4端口OADM的输出光谱示意图；
图1(e)是已知的单导向的双光纤WDM通讯系统的结构示意图；
图1(f)是已知的双导向WDM通讯系统使用在光学回路的示意图；
图2是本发明一较佳实施例的结构示意图，显示6端口OADM的结构；
图3是本发明一较佳实施例的一4端口OADM结构示意图；
图4是本发明一较佳实施例的结构示意图，显示完整的多工/反多路复用器的结构；
图5是本发明一较佳实施例的8端口光学装置的结构示意图；
图6(a)及(b)是显示二实施例分别表示12端口及16端口光学装置的结构；
图7(a)及(b)是显示二实施例表示二准直器各具有两对光纤，而为不同的排列方式；
图8(a)及(b)是显示二实施例表示二准直器各具有四对光纤，而为不同的排列方式；
图9(a)及(b)是显示二实施例表示二准直器各具有不同数目的奇数光纤。具体实施方式
请参阅图2，本发明一较佳实施例所提供的一种多端口光学加入/耦出多路复用器及分波多路复用器，其基本结构是为一6端口光学装置；一具有至少四光纤的光纤猪尾巴203插入于一玻璃环且表面已被打光并加上防反射镀膜；一前准直器透镜102具有四逆光纤，正好对正于前述四光纤；由该种相对称的光学路径结构，由一光纤所输出的光即会被一WDM滤光片101所反射(该滤光片需置于适当位置)，而进入与该光纤对称的逆光纤中；由此，由光纤205-1所输出的光即反射至光纤206-1中，光纤205-2所输出的光即反射至光纤206-2；同时，具有至少二输出光纤207-1及207-2的第二光纤准直器209设于适当位置来分别接收光纤205-1及205-2所传送的光，由此，光纤205-1，206-1，207-1以及滤光片101所形成的组合即类同于一已知的三端口OADM，而光纤205-2，206-2，207-2以及滤光片101即类同于另一已知的三端口OADM；该三组三端口OADM可个别独立作用于任意光学介面；该种结构也因此提供了二组相同的三端口装置，而其仅需要与已知的三端口装置相同数量的元件即可达成。
请再参阅图3，利用本发明的技术，我们可以制造一组四端口加入/耦出模块(4-port add-and-drop module)；由将二输出光纤206-1，206-2连接，使光纤205-1为一输入端口，光纤205-2为一输出端口，光纤207-1为耦出端口，以及光纤207-2为加入端口，即可形成一4端口OADM；光纤206-1及206-2间的连接方式可为融接或机械式连接，或在直接为光纤的一部份而成形于猪尾巴内；须注意的是，为了维持光纤内的低传导损耗，该二光纤206-1，206-2的弯曲半径必须保持在至少15mm，才能满足商业上的需求，例如，SMF-28；该种限制导致了整个装置的体积无法缩小；为了改善这种状况，我们可以将一段高数值孔径(high NA)光纤连接于光纤206-1、206-2，以达到更小的弯曲半径并且维持低光耗损的效果，进而减少光纤弯曲区域对空间的需求，也因此整体装置可以封装成更小的尺寸(直径约5-10mm)；另一种方法是使用合适的光纤薄化技术(fiber-thinning technique)(例如，光纤融解或蚀刻)来直接减少SMF-28光纤的直径，主要是制一个高数值孔径段以及提供一低插入损耗的小型(minisize)弯曲，其详细内容记载于美国专利第5,138,676号；前述两种结构中，特殊光纤段可在猪尾巴成形以及AR镀膜前即整合在玻璃环中，以降低制造难度；
在大多数的通讯网路中，均需要在二个端点间双向地传送资讯，而这种需求可以由一种双-光纤设计来解决，如图1(e)所示，其中具有二相同的单-方向系统(每个系统具有一多路复用器121，一反多路复用器122，以及传输光纤124)可将反向的信号排除；我们也可以使用单-光纤系统，如图1(f)所示，其中光学循环器123是使用在每一连络端用来将不同方向的光信号分离；此种方法适用于在传输线路上使用单一光纤的状况，在极长的传输距离下，将能大量减少建置费用；前述二种方式中，均需要在二传输端分别装设一多路复用器模块以及一反多路复用器模块；传统上我们可以如图1(c)所示制造两个分开的盒子用以容置使用传统OADM的多路复用器以及反多路复用器；然而，我们可以使用本发明来将该二盒子整合为一，且仅使用与一反多路复用器相同的构件数量；该种结构如图4所示，使用多数不同波长的6端口光学装置200-λx；由于各个6端口装置200均代表了二相同的3端口OADM，因此我们可以由将多数3端口OADM沿图1(c)所示的方式串接来实现出左右两组的多路复用器及反多路复用器；该种装置也因此提出了二多路复用器、二反多路复用器，或是在单一包装中的一对多路复用器及一对反多路复用器(取决于光信号的移动方向)，进而大大的减少了建置费用；
将本发明大型化bn是可能的，例如，如图5所示，第二准直器504可建置为具有与第一准直器503相同数目的输出光纤(本例中是为4条)，如果该第二准直器的其中二光纤不使用，则其所能表现出的功效与图2所示类似；更进一步来说，如图6(a)及(b)所示，一12光纤以及16光纤的系统可以根据相同的概念来建置，其中，二者的玻璃环603或605内的光纤呈圆形排列，每一光纤沿其长轴向具有一逆光纤，由此可实现一个三重三端口以及四重三端口OADM(其中第二准直器的半数光纤是未被使用)；请注意虽然有其他的光纤排列方式可以使用，但，在每个架构中，各对光纤的间隔须维持不变，且滤光片101的光入射角也同样须保持不变，以维持每一输出光谱的中心波长；
然而，有时候在猪尾巴中的光纤对间使用非成对光纤以中心对中心的方式也是有用的，图7(a)及(b)即显示两种不同形态的排列方式，在图7(a)中，水平光纤对与垂直光纤对之间中心对中心的距离差为(√3-1)d＝0.3205d，其中d是光纤直径；在图7(b)中，内光纤对与外光纤对之间的距离差可由改变玻璃环的设计来轻易的调整；众所周知，改变光纤间的距离即可改变滤光片的光入射角，且同时也使反射及传送的光谱产生相位位移；据实验可知。使用NSG公司出品的0.23间距且直径为1.8mm的GRIN透镜，当光纤间距由0.125mm增加到0.200mm时，光波长几乎以系数约为-6.1nm/mm线性递减；因此，若猪尾巴内的光纤排列成二光纤对之间的间距为0.06557mm时，双三端口装置将具有间隔为0.4nm的二不同中心波长；一种可能的排列方式显示于图7(a)，其中水平光纤对与垂直光纤对间的中心对中心的距离差为(√3-1)d＝0.73205d，其中d为光纤直径，因此，对应于光纤直径约0.090mm所需要的0.06557mm的距离差，将可很容易的取得，例如，将商业上的0.125mm光纤以化学蚀刻方式调整至正确直径；如果多路复用器(或反多路复用器)的频道空间为0.4mm，则前述结构即特别有用，此乃由于前述结构的一个装置即可取代图1(c)所示的二紧邻的传统三端口装置，因此降低了建置费用以及整体尺寸大小；而较大中心波长差，例如，约1.6nm，也可透过利用图7(b)所示的结构来取得，其中光纤间距较大，但，实际上的距离将因不同的准直器透镜而不同；显然，此种方式可被应用在多于二光纤对以上的结构上，例如图8(a)所示，某些光纤对具有接近的分隔距离，或如图8(b)所示，彼此间完全不同。
其他有用的光学构件同样可被实现，例如根据本发明的技术所形成的一滤光片阵列，以图5为例，由光纤505-1、505-2、505-3、505-4的四不同的输入光，通过滤光片101，分别由输出光纤508-1、508-2、508-3、508-4所接收；由此，可提供一种少于传统构件数，而呈线性排列(in-line)且由四成对元素所组成的滤光片阵列，非成对波长的光也可由使用图7或图8所示的结构所取得；特别是，避免让由一光纤所传来的输入光信号被反射至相同准直器中对应于相反位置的逆光纤中将有其必要，如此一来，输入光源将不会被反射光所干扰；有两种方法可以达到此目的，第一种方法是刻意的使滤光片101稍微倾斜以使光不是很准确的反射至光纤端口中；第二种方法则是使光纤在猪尾巴内的位置呈现非对称的状态，两种例子显示于图9，其中奇数的三或五光纤可用提供解决的方案；线性排列的滤光片可以为增益平坦化(gain-flattening)滤光片，或为自发杂讯(spontaneous emission noise)滤光片，可用来做为光纤的放大器，或是反多路复用器的WDM滤光片用来增加信号的单一性。
本发明的前述各实施例仅是用来说明，并非用以限制本发明的范围，将本发明略加变化或修改对于熟知此项技术的人员而言是极为容易，但其并不能脱出本发明所涵盖的范围，例如，虽然预定数目的输出光纤已被描述用来实施OADM以及多路复用器/反多路复用器，根据本发明的技术，任何适当的组合均可以被用来制造出一预定的OADM或多路复用器/反多路复用器结构；由此，附属项的申请专利范围包含了所有可能的变化以及修改，进而能包含在本发明的真正意旨中。