CN1441266A - 三维光学波导及其制造方法、光学模块和光学传输系统 - Google Patents

三维光学波导及其制造方法、光学模块和光学传输系统 Download PDF

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Abstract

常规三维波导成本高，要求复杂的调整。通过层叠平面基片，诸如多块透镜基片、隔离器基片和波分复用滤波器，可形成三维光学波导，光学基片至少包括带波导和反射表面的波导基片。在该三维光学波导中，诸平面基片利用一体形成在至少两块平面基片上的标记定位。导入波导的光经反射表面反射，通过透镜基片和隔离器基片。

Description

三维光学波导及其制造方法、光学模块和光学传输系统
技术领域
本发明涉及三维光学波导及其制造方法、光学模块和增强光学装置性能的光学传输系统。
背景技术
通常在形成三维光学波导时，例如为使正在传播通过波导的光相对该波导垂直地输出，如图26所示，要把波分复用(WDM)滤波器一类的平面滤波器1006插在倾斜形成在平面波导1001里的槽1002中，被平面滤波器1006反射或发射的光相对空间设置的受光元件1008、透镜系统和另一平面光学波导定向，由此形成三维光学波导。
发明内容
因而，本发明的目的是提供一种三维光学波导及其制造方法、光学模块和光学传输系统，它们的成本低廉，不要求复杂的调整。
本发明的第一方面是一种三维光学波导，包括至少由一块具有平面光学波导的平面基片和一块具有片状光学元件的平面基片组成的叠层。
本发明的第二方面是根据第一方面的三维光学波导，其中具有片状光学元件的平面基片是透镜层、隔离器层和滤波器层之一。
本发明的第三方面是根据第二方面的三维光学波导，其中具有平面波导的平面基片和所述透镜层、隔离器层与滤波器层之一在形成玻璃上一体形成。
本发明的第四方面是根据第二和第三方面的三维光学波导，其总反射表面形成在平面光学波导上，光通过所述透镜层、隔离器层和滤波器层之一。
本发明的第五方面是根据第四方面的的三维光学波导，还至少包括受光元件和发光元件中的至少一个。
本发明的第三方面是根据第一方面的的三维光学波导，其中诸平面基片利用在至少两块平面基片上一体形成的标记相互定位。
本发明的第三方面是一种制造三维光学波导的方法，其特征在于，包括：
提供多块各自具有平面光学波导的平面基片；
在每块平面基片上同时形成标记；和
通过用标记对诸平面基片定位，层叠诸平面基片。
本发明的第八方面是根据第七方面的的制造三维光学波导的方法，其中标记为凹形或凸形，而且在层叠平面基片前，通过对标记加光并使光被标记反射或透射而定位平面基片。
本发明的第九方面是根据第八方面的的制造三维光学波导的方法，其中标记底表面是斜表面、散射表面和透镜表面之一。
本发明的第十方面是一种光学发射器模块，包括：
电输入端子；
连接电输入端子的发光元件；
根据本发明第三方面的三维光学波导，用于传输发光元件发射的光；和
输出经三维光学波导传输的光的光学输出端子。
本发明的第十一方面是一种光学接收器模块，包括：
光学输入端子；
连接光学输入端子的如权利要求3所述的三维光学波导；
受光元件，接收经三维光学波导传输的光；和
与受光元件连接的电输出端子。
本发明的第三方面是一种光学收发器模块，包括：
电输入端子；
三维光学波导，包括至少由带平面光学波导的平面基片、带隔离器的平面基片和带波分复用滤波器的平面基片组成的叠层；
连接电输入端子和三维光学波导的发光元件；
连接三维光学波导的受光元件；
与受光元件连接的电输出端子；和
连接三维光学波导的光学输入与输出端子，
其中从电输入端子输入的电信号被转换成光学信号而从光学输入与输
出端子出射，而光学输入与输出端子收到的光学信号被转换成电信号并输
出给电输出端子。
本发明的第三方面是一种供收发的光学传输系统，包括：
光学发射器模块，包括：
电输入端子；
接电输入端子的发光元件；
三维光学波导具有：
至少由一块带接至发光元件的平面光学波导的平面基片和一块带片
状光学元件的平面基片组成的叠层；
波导用于传输从发光元件发射的光；和
输出经三维光学波导传输的光的光学输出端子；
接光学发射器模块的光缆；和
光学接收器模块，包括：
光学输入端子；
三维光学波导，具有：
至少由一块带接至光学输入端的平面光学波导的平面基片和一块带
片状光学元件的平面基片组成的叠层；
受光元件，接收经三维光学波导传输的光；和
接受光元件的电输出端子；
光学接收器模块连接光缆。本发明的第十四方面是一种供光学收发的光学传输系统，包括：
如本发明第十二方面所述的光学收发器模块；和
连接光学收发器模块的光缆。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例的三维光学波导结构的剖视图。
图2是表示本发明第一实施例修正的三维光学波导结构的剖视图。
图3是表示本发明第二实施例的三维光学波导结构的剖视图。
图4是表示本发明第二实施例修正的三维光学波导结构的剖视图。
图5是表示本发明第三实施例的三维光学波导结构的剖视图。
图6是表示本发明第三实施例修正的三维光学波导结构的剖视图。
图7是表示本发明第四实施例的三维光学波导结构的剖视图。
图8是表示本发明第四实施例修正的三维光学波导结构的剖视图。
图9是表示本发明的第五实施例的三维光学波导结构的剖视图。
图10是表示本发明第六实施例的三维光学波导结构的剖视图。
图11(a)～11(f)是表示形成在各基片内并在制造本发明的三维光学波导时使用的标记的剖视图。
图12(a)～12(c)是表示制造本发明的三维光学波导方法的示意图。
图13(a)～13(c)是表示制造本发明的三维光学波导的修正方法的示意图。
图14(a)与14(b)是表示制造本发明的三维光学波导的另一方法的示意图。
图15(a)与15(b)是表示制造本发明的三维光学波导的再一种方法的示意图。
图16(a)与16(b)是表示制造本发明的三维光学波导的又一种方法的示意图。
图17(a)～17(d)是表示制造本发明的三维光学波导的另一方法的示意图。
图18(a)与18(b)是表示制造本发明的三维光学波导的还有一种方法的示意图。
图19是表示本发明的光学发射器模块结构的示意图。
图20是表示本发明的光学发射器模块结构的示意图。
图21是表示本发明的光学接收器模块结构的示意图。
图22是表示本发明的光学接收器模块结构的示意图。
图23是表示本发明的光学收发器模块结构的示意图。
图24是表示本发明的光学收发器模块应用结构的示意图。
图25是表示本发明的光学输入端、光学输出端或光学输入与输出端实例的透视图。
图26示出原有计数的波导结构。
标号说明
1，11       波导基片
2，12       波导
3，10       透镜基片
4，9        透镜
8           隔离器基片
13，14      反射表面
59，99      表面发射激光器
69，89      表面安装光二极管
101，103    标记
102，104    底表面
105         光源
106         受光器
107，108    图像
具体实施方式
第一实施例
图1示出本发明第一实施例的三维光学波导的剖视结构。
作为具有本发明的平面波导的平面基片，波导基片1由形成玻璃(formingglass)构成，波导2是本发明的平面光学波导，形成在波导基片1的顶表面上。在波导2端部，形成反射表面13，它是本发明的反射表面，包括一小镜等。在波导基片1顶表面上，层叠了透镜基片3，它是具有本发明透镜层的平面基片。在透镜基片3中，透镜4由形成玻璃一体构成(与下述的透镜基片一样)。
透镜基片3上方依次层叠了偏振片5、法拉第旋转器6和偏振片7，这些元件构成的隔离器基片8，是具有本发明隔离器的平面基片。在隔离器基片8的顶表面上，层叠了透镜基片10，这是具有本发明透镜层的平面基片。在透镜基片10中，透镜9由形成玻璃一体构成。透镜层10上方，层叠的波导基片11是本发明的平面光学波导，也由形成玻璃构成。
在波导基片11下部，形成的波导12是本发明的平面光学波导，在其一端形成的反射表面14是本发明含小镜的反射表面。设置反射表面13、透镜4、透镜9和反射表面14，使它们的垂直位置垂向对准。位置对准方法将在后面描述。反射表面13倾斜(45°)，使得沿水平方向传播的光沿垂向传播。反射表面14倾斜(45°)，使垂向传播的光沿水平方向传播。诸基片用紫外固化粘剂粘合。
描述中假定垂直与水平(纵向)方向同图1的垂直与水平(纵向)方向相符(适于下面描述)。
在制造这种三维光学波导时，必须在带反射表面13的波导基片1与带透镜4的透镜基片3之间。透镜基片3与带透镜基片9的透镜基片10之间，以及在透镜基片10与带反射表面14的光学波导基片11之间作精密的位置对准。图11与12有助于说明这种位置对准方法。
首先，通过压制形成玻璃，使图11(a)的凹形标记101与诸基片(波导基片1、透镜基片3与10和波导基片11)一体构成。如图11(a)所示，标记101的底表面102倾斜45°。
接着参照图12(a)～12(c)，以波导基片1与透镜基片3为例，描述对准基片的过程。
上述倾斜的底表面102的形成方向与诸基片的长度方向相同。确定形成在基片上的标记101的水平位置，以便沿诸基片的长度方向(下称x方向)、与基片平面内x方向正交的方向(下称y方向)和诸基片层叠方向(垂向即与x和y方向正交的方向，下称z方向)设置预定间距。例如，层叠诸基片，如图12(a)～12(c)所示，使形成在波导基片1里的标记101的位置和形成在透镜基片3里的标记101的位置同为基片的y方向，在x方向设置预定间距a，在z方向设置预定间距c。
如图12(a)所示，通过紫外固化粘剂将波导基片1置于下面，而将透镜基片3置于波导基片1的上方。然后，将发射平行光的光源105置于波导基片1下面，将CCD摄像机等受光器106置于透镜基片3上方的层叠基片一侧。当光源105发射平行光时，部分发射的平行光被底表面102中有标记101的部分反射，光的反射部分到达层叠基片一侧的受光器106。在没有标记101的部分，发射的平行光全部透射并到达透镜基片3上方的受光器106。
图12(b)示出按这种方式从透镜基片3上方的受光器106得到的图像。图中，图像108对应与形成在波导1内的标记101，图像107对应于形成在透镜基片3内的标记101，这些图像在受光器106上示成比周围任何部分更暗的部分。然后沿水平方向移动波导基片1和透镜基片3作调整，使图像107与108沿y方向的位置相合，二者的间距沿x方向为预定的间距a。
图12(c)示出从置于层叠基片一侧的受光器106得到的图像，如上所述。图中，图像116对应于形成在透镜基片3内的标记101，图像117对应与形成在波导基片1内的标记101，这些图像在受光器106上示成比周围任何部分更亮的部分。然后沿z方向移动波导1和透镜基片3作调整，使图像116与117的间距为预定的间距c。当元件进入预定的位置对准时，对波导基片1和透镜基片3施加紫外光而固化填充两者之间空间的紫外固化粘剂，由此粘合基片1与3。
同样地，在透镜基片3与10之间和透镜基片10与波导基片11之间也作位置调整。此时，透镜基片3与10之间的位置对准，其操作类似于上述在透镜基片3与10之间夹着有隔离器基片8的情况。
此时虽然诸基片之间的预定间距a可能不同，但经测定，基片层叠时，反射表面13、透镜4与9以及反射表面9的水平位置垂向对准。
接着，将描述使用这种三维光学波导时的操作。
导入波导基片1的光传播通过波导2，被反射表面13向上反射而入射在透镜4上。从透镜4出射的光通过隔离器基片8和透镜9，经反射表面4的水平反射而传播通过波导12。
这样提供的廉价而精密的三维光学波导，不要求复杂的调整。
在上面描述中，虽然把基片定位成使形成在基片内的标记101的水平位置(沿x与y方向)沿y方向相同，而且沿x方向设置了预定间距a，但是诸基片也可定位成沿y方向设置预定间距b。
在第一实施例中，透镜基片10出现在隔离器基片8与波导基片11之间。然而，当只用图2所示的透镜24把反射表面13反射的光聚集在反射表面14上时，透镜基片10就不需要了。此时可得到与上述类似的效果。
例中，虽然在波导基片1与透镜基片3之间作位置对准时把光源105置于波导基片1下面，但是也可将光源105置于波导基片1和透镜基片3一侧，如图13(a)所示。此时，在与标记101底表面102不一致的部分，光源105发射的平行光在到达置于波导1和透镜基片3一侧的受光器106时，被透射到波导基片1和透镜基片3的相对侧，而在与标记101底表面102相一致的部分，部分平行光向上反射而到达透镜基片3上方的受光器106。
因此，作为在透镜基片3上方的受光器106上得到的图像，如图13(b)所示，对应于透镜基片3的标记101的图像109和对应于波导基片1的标记101的图像110，在受光器106上示成比周围部分更亮的部分。如上所述，在光源105置于波导基片1和透镜基片3一侧时，通过类似于上述情况调整图像109与110之间的间距a，可将波导基片1和透镜基片3沿水平方向置于预定位置。
图13(c)示出如上述那样从置于波导基片1和透镜基片3一侧的受光器106得到的图像，这里的图像118对应于形成在透镜基片3内的标记101，图像119对应于形成在波导基片1内的标记101，这些图像在受光器106上示为比周围部分更暗的部分。然后，沿z方向移动波导1和透镜基片3作调整，使图像118与119的间距为预定的间距c。当诸元件进入预定的位置对准时，波导1和透镜基片3就像上述那样粘合在一起。
在以上描述中，虽然用凹形标记101定位诸基片，但是也可用凸形标记103来定位。图11(d)示出凸形标记103底表面104倾斜45°的情况，图11(e)示出凸形标记103底表面104具有散射表面的情况，图11(f)示出凸形标记103底表面104有一透镜结构的情况。
使用这些凸形标记103时，诸基片的水平与垂直位置的调整类似于凹形标记101的情况，如上所述，各基片之间的空间由隔片固定(未示出)或用粘剂填充，光源105置于下面或波导1一侧。
在以上描述中，虽然标记101和103底表面倾斜45°，但是也可倾斜不同的角度，此时通过设置受光器106，使来自光源105的光相对于基片斜向上或斜向下投射到受光器106上，通过观察受光器106上示出的图像，同样可调整各基片的间距。
在以上描述中，虽然用底表面倾斜的标记101和103沿水平与垂直方向定位诸基片，但是可以考虑使用底表面102结构不同的标记101。
图14(a)与15(a)示出几例在底表面102具有透镜结构的标记101的情况中使用的元件配置。如图14(a)所示，光源111是漫射光源，置于波导基片1下面一预定距离。受光器106位于透镜基片3上方。在波导基片1中，设置一凹形标记101，从下面看时，其透镜结构的底表面102为凹形，而在透镜基片3中，设置一凹形标记101，当从下面看时，其透镜结构的底表面102为凸形。这里，形成在波导基片1内的底表面102的凹镜有一透镜结构和折射率，将离波导基片1预定距离的光源111发射的漫射光折射成平行光。
像凸镜一样的透镜结构和形成在透镜基片103内的底表面102的折射率，是将入射在透镜基片3底表面102上的平行光聚集在透镜基片3上方受光器106上的透镜结构与折射率。基片标记101的位置沿x与y方向均相同，即预定位置。在该配置中，光源11发光时，光通过波导基片1的标记101和透镜基片3的标记101而聚集在受光器106上，此时从受光器106得到的图像示于图14(b)，即在受光器106上，形成的图像112时标记101自身的图像，由带透镜结构的底表面102聚集的图像113形成在图像112里边。如上所述，沿水平方向调整波导基片1或透镜基片3，使图像113形成在图像112里边，可沿水平方向定位波导基片1和透镜基片3。
调节波导基片1与透镜基片3的间距，使受光器106上图像113的外径为预定值(即光源111发射的光大部分聚集在受光器106上)，可调节(垂直方向定位)波导基片1与透镜基片3的间距。图14(b)中，虽然两图像112与113并排安置，但是这些图像是在设置了同类型的另一标记101而在基片上并排时形成的。标记101在每块基片上一个一个设置，如图14(a)所示。
图15(a)示出图14(a)结构的修正，此时，形成在波导基片1里的标记101底表面102具有从下面看呈凸形的透镜结构。形成在波导基片1的底表面102和形成在透镜基片3的底表面102的作为凸镜的透镜结构和折射率，利用波导基片1和透镜基片3的底表面102，把光源111发射的光聚集在透镜基片3上方的受光器106上。在受光器106上，像图15(b)那样形成图像114与115，且与上述情况一样沿水平与垂直方向定位波导基片1和透镜基片3。
虽然图14(a)、14(b)、15(a)与15(b)参照应用凹形标记101的实例作了描述，但是上述情况适用于应用如图11(f)的凸形标记101的情况。
图16(a)与16(b)示出标记101底表面102为散射表面的情况(见图11(b))。此时如图16(a)所示，受光器106和光源105置于波导基片1下面而相互邻接。在该配置中，当光源105发射平行光时，光在标记101底表面102的散射表面被散射，部分散射光到达波导基片1下面的受光器106。图16(b)示出受光器106接收的图像光。图中，图像120对应于形成在透镜基片3内的标记101，图像121对应于形成在波导基片1内的标记101。把图像120与121的距离调节预定间距a，可沿水平方向定位诸基片。
图17(a)～(d)示出标记101底表面102为斜散射表面的情况。此时如图17(a)所示，受光器106在波导基片1和透镜基片3一侧置于波导基片1下面或透镜基片上方。在该配置中，应用来自波导基片1下面的光源105的光，调节诸基片的水平或垂直位置。
例如，将受光器106置于透镜基片3上方和波导基片1与透镜基片3一侧，可同时沿水平与垂直方向定位基片，像图12(a)～(c)的情况一样。再者，将受光器106置于波导基片1下面和波导基片1与透镜基片3一侧，也可同时沿水平与垂直方向定位基片。图17(b)示出透镜基片3上方受光器106所示的图像，图像122对应于形成在透镜基片3内的标记101，图像123对应于形成在波导基片1内的标记101。图17(c)示出透镜基片3和波导基片1一侧受光器106所示的图像，图像124对应于形成在透镜基片3内的标记101，图像125对应于形成在波导基片1内的标记101。图17(d)示出波导基片1下面受光器106所示的图像，图像126对应于形成在透镜基片3内的标记101，图像127对应于形成在波导基片1内的标记101。
如上所述，在标记101底表面为斜散射表面时，因受光器106可相对基片沿三个方向设置，故定位方法具有灵活性。例如，当层叠基片不透射光时，也可以定位，如后面描述的那样。调节观察沿三个方向设置的受光器106，可更精密地定位。
而且，要考虑标记101底表面102为斜透镜表面的情况。此时如图18(a)与18(b)所示，将受光器106设置成偏离光源105的光轴。
另外，要研究标记101底表面102为带散射表面的透镜表面的情况。
在以上描述中，形成在基片内的标记101是同类标记101的组合，但也可用不同类标记101的组合实现定位。例如，执行定位时，可在一块基片内形成底表面102倾斜的标记101，在另一块基片内形成底表面102具有散射表面的标记101。再者，执行定位时，可在一块基片内形成底表面102倾斜的标记101，在另一块基片内形成底表面102具有透镜表面的标记101。另外，执行定位时，可在一块基片内形成底表面102具有扫描表面的标记101，在另一块基片内形成底表面102具有透镜表面的标记101。在组合带透镜表面的标记101时，光源105发射的光不必严格平行。
以上描述中，基片定位法被描述成定位波导基片1和透镜基片3的情况，但该方法同样可用于定位其它基片(即本发明的平面基片)的情况。
以上描述中，定位应用了来自基片下面的光，但也要研究应用来自基片上方的光。例如，如图1所示，在层叠了波导基片1、透镜基片3、隔离器基片8和透镜基片10的状态下，还将波导基片12层叠在透镜基片10上并对透镜基片10与波导基片11定位，光源105和受光器106置于波导基片11上方，且受光器106位于透镜基片10和波导基片11一侧。此时，使用底表面102为斜散射表面的标记101。当将来自波导基片11上方的光加到无标记101的部分时，光被隔离器基片11反射，而在由标记101的部分，光侧向反射。因而在波导基片11上方的受光器106上，投射出类似于图12(b)的图像。在波导基片11一侧的受光器106上，投射出类似于图12(c)的图像，这样，利用来自基片上方的光，可沿水平与垂直方向同时对基片定位。
第二实施例
下面参照图3描述本发明的第二实施例。
在图3的三维光学波导中，波导基片31有两个波导22与32，波导32位于图3平面较远一侧而平行于波导22。波导22在其端部有一反射表面313，波导32在其端部有一反射表面333。透镜基片33的透镜34对应于反射表面313，透镜304对应于反射表面333。
在隔离器基片8上方，层叠的透镜基片30具有对应于透镜34的透镜29，在透镜基片30上方，层叠的波导基片31具有波导312和位于波导312一端对应于透镜29的反射表面314。在波导基片31上方，层叠了具有对应于透镜304的透镜209的透镜基片300，而在透镜基片300上方，层叠的波导基片301具有波导302和位于波导302一端对应于透镜209的反射表面324。
图中，反射表面313与333倾斜45°，像第一实施例的反射表面13一样。反射表面314与324都倾斜45°，像第一实施例的反射表面14一样。与第一实施例一样，反射表面314、透镜34与29和反射表面314的水平位置都沿垂直方向对准，而反射表面33、透镜304与209和反射表面324的水平位置以垂向对准。
其中，波导基片31与透镜基片33的定位、透镜基片33与30的定位、透镜基片30与波导基片31的定位、波导基片31与透镜基片300的定位，透镜基片300与波导基片301的定位，都类似于第一实施例(同样适用于下述诸
实施例)。
构制上述的三维光学波导，通过类似于第一实施例的措施，把导入波导基片31的波导22与32的光分别导向波导312与302。如上所述，将本发明的平面基片层叠起来并以三维方式形成两个波导，可提供不要求复杂调整的廉价与高性能的三维光学波导。
在第二实施例中，透镜基片30位于隔离器基片8与波导基片31之间，透镜基片300位于波导基片31与301之间，当能够只用透镜44把反射表面313反射的光聚集在反射表面314上，并且如图4所示，当只用透镜404把反射表面333反射的光聚集在反射表面324上时，就不需要透镜基片30与300了，此时效果与上述情况相同。
在第二实施例中，波导32位于离图3平面较远一侧而平行于波导22，但波导22与32的配置并不限于此。只要将波导22和32分开置于同一波导基片31上，并使导入其内的光分别导向其它波导312和302，任何配置都可获得上述一样的效果。
波导22与32不一定出现在同一波导基片31上，可以出现在不同的层叠波导基片上，而波导312与302不一定出现在波导基片31与301上，可以出现在同一波导基片上，此时效果与上述同。
第三实施例
图5示出本发明第三实施例的三维光学波导结构。
在本发明该三维光学波导中，置于隔离器基片8上方的表面发射激光器(VCSEL)59是本发明的发光元件，而设置反射表面513、透镜54和表面发射激光器59的水平位置使可垂向对准。其中，波导基片51、透镜基片53和隔离器基片8构成的部件结构与第一实施例类似，故不再描述。
根据上述结构，表面发射激光器59发射的激光束通过隔离器基片8和透镜54，导向波导基片51的波导52。这样，可提供不要求复杂调整的廉价而高性能的三维光学波导。
在第三实施例中，虽然透镜基片53与表面发射激光器59之间有隔离器基片8，但是隔离器基片8不一定需要有，而效果与上述相同。
以上描述参照了将表面发射激光器59置于隔离器基片8上方的一个实例，如图6所示，可以用作为本发明受光元件的表面安装光二极管69来代替表面发射激光器59。图6的三维光学波导包括带波导62的波导基片61、带透镜64的透镜基片63和表面安装光二极管69。其中波导基片61和透镜基片63的结构类似于上述结构，不再描述。在图6结构中，隔离器基片8可以层叠在透镜基片63与表面安装光二极管69之间。
第四实施例
图7示出本发明第四实施例的三维光学波导结构。
在第四实施例的三维光学波导中，波导基片71具有波导72和与之反向的波导702。在波导72一端形成反射表面713，在波导702一端形成反射表面733，其中这两个反射表面相互相对，各自沿形成梯形斜率的方向与水平面倾斜22.5°。在层叠于波导基片71上方的透镜基片73上，将透镜74和704同透镜基片73形成一体而相互邻接。
透镜基片73上方层叠了波分复用滤波器76，它是具有本发明的滤波层的平面基片，在其上方层叠了带透镜79的透镜基片70。在透镜基片70上方，层叠的波导基片711具有波导712和形成在波导712一端的反射表面714，其中反射表面714与水平面倾斜22.5°。从反射表面713看，透镜74与79和反射表面714对准成从水平面向左上方倾斜45°。当从反射表面733看时，透镜704沿向右上方倾斜的方向与水平方向倾斜45°。
下面描述上述三维光学波导结构的操作。
沿水平方向向左传播通过波导72的光，被反射表面713沿水平传播方向成45°。向上反射并通过透镜74。通过透镜74的部分光通过波分复用滤波器76(即被波分复用滤波器分出)，经透镜79到达反射表面714而沿水平方向反射，并向左传播通过波导712。包括被波分复用滤波器76分出的其余波长分量的光，沿向下倾斜的方向与水平方向成45°向透镜基片73与波分复用滤波器76的截面左侧反射，并通过透镜704被反射表面733反射，沿水平方向向左传播通过波导702。
如上所述，根据本例的三维光学波导，入射波导72的光在传播通过波导712的光与传播通过波导702的光之间分离后，可提取波长分量。
本例中，当透镜74足以把光聚集在反射表面714上时，就不需要透镜基片70，此时可得到与上述同样的效果。
图8示出本例的修正。修正中，在透镜基片70上方设置了表面安装光二极管89，不层叠波导基片711。因而对于入射波导72的光，只把波长分量被波分复用滤波器76分出的光导入表面安装光二极管89，而把波长分量未被波分复用滤波器76分出的光导入另一波导702。
在形成本例的三维光学波导时，可按要求应用来自三维光学波导上方的光对基片定位。例如，在如图7所示层叠了波导基片71、透镜基片73、波分复用滤波器76和透镜基片70的条件下定位波导基片711的场合中，当光源105发射的光波长不通过波分复用滤波器76时，就把光源105置于波导基片711上方，以类似于第一实施例的方法应用来自上方的光定位波导基片711。
第五实施例
图9示出本发明第五实施例的三维光学波导结构。
本例的三维光学波导，左侧有一三维光学波导，其中在第三实施例所示的三维光学波导(图5)上方层叠了带透镜919的透镜基片900，右侧具有第四实施例所示的三维光学波导(图8)。其中透镜基片900左右侧的厚度不一。本例三维光学波导右侧比左侧厚，厚度为法拉第旋转器96与偏振片97的厚度之和。再者，将波分复用滤波器906设计成反射表面发射激光器99发射的光波长，并且发射自波导92入射的光波长。其它元件类似于第三与第四实施例，不再复述。
在这种结构的三维光学波导中，向左传播通过波导92的光被反射表面913以与水平传播方向成45°向上反射，通过透镜94、波分复用滤波器906与透镜909而到达表面安装光二极管999。表面发射激光器99发射的光向下通过透镜919、隔离器基片98与透镜914，被反射表面943沿水平方向朝右反射，再被反射表面933沿与传播方向成45°的方向朝上反射。反射表面933反射的光通过透镜904，沿下斜方向以45°向波分复用滤波器906与透镜基片93的截面右侧反射，通过透镜94而到达反射表面913。被反射表面913沿水平方向朝右反射的光，向右传播通过波导92。
如上所述，根据本例，提供的一种廉价而高性能的三维光学波导，尽管结构复杂，但是不要求作复杂的调整。
第六实施例
图10示出本发明第六实施例的结构。
图10所示三维光学波导右侧的结构类似于第二实施例的三维光学波导结构(图3)，不再复述。图10所示三维光学波导左侧的结构是将第四实施例中三维光学波导结构(图7)作垂直与水平倒置后得到的，其中设置的波分分复用滤波器1316是本发明的一例波分复用滤波器，可发射波长λ1的光而不发射波长λ2的光。
在这种结构的三维光学波导中，当不同波长λ1与λ2的光分别导入波导1322和1332时，导入波导1322的波长λ1的光通过反射表面1313、透镜1334、隔离器基片1308、透镜1324、反射表面1363和波导1342到达反射表面1373。反射表面1373反射的光通过透镜1344、波分复用滤波器1316和透镜1364，经反射表面1393反射而到达波导1362。
导入波导1332的波长λ2的光，通过反射表面1333、透镜1304、隔离器基片1308、透镜1314和反射表面1353而到达反射表面1383。被反射表面1383反射的光，通过透镜1354从右上方斜向入射到波分复用滤波器1316。由于波分复用滤波器1316不发射波长λ2的光，所以从其右上方斜向入射的光在该滤波器1316与透镜基片1350的界面反射，朝左向上斜向传播，通过透镜1364与反射表面1393导入波导1362。
如上所述，当波长λ1与λ2的光导入波导1322与1332时，波长分量为λ1与λ2的光就从波导1362输出。如上所述，根据本例提供的廉价而高性能的三维光学波导，虽结构复杂，但无需复杂的调整。
第七实施例
应用上述任一实施例的三维光学波导，可构成一种光收发模块。图19是一例这种光学发射器模块的结构。如图19所示，其中对电输入端1105接一只激光二极管1109，电输入端1105是一例本发明的电输入端，激光二极管1109是一例本发明的发光元件。激光二极管1109接波导1102，后者经隔离器1108接波导1112。对波导1112接光学输出端1107，后者是一例本发明的光学输出端。应用图1的三维光学波导(本发明的一例三维光学波导)，可以构成这种光学发射器模块。此时，图19的波导1102对应于图1的波导2，其一端接有激光二极管1109(为边缘发射激光器)。图19的波导1112对应于图1的波导12，在其一端，例如设置图25所示的V槽1042作为光学输出端1107，并固定了光缆(未示出)。
这样，根据输入电输入端1105的电信号，可以从输出端1107输出光学输出，因而可提供无需复杂调整的廉价型光学发射器模块。
不用图1的三维光学波导，可以使用图2的三维光学波导，还可应用图3或图4的三维光学波导。此时，两个波导22与32对应于波导1102，两个波导312与302对应于波导1112。各波导22与32的一端置有激光二极管1109。各波导312与302的一端接光学输出端1107，各激光二极管1109发射的光从光学输出端1107输出。而且，可以使用图5的三维光学波导，此时可省去波导1102，用表面发射激光器59作为激光二极管1109。
另外，图20示出一例波分复用光学发射器模块结构，其两只激光二极管1119和1129各自有电输入端1105。激光二极管1119和1129分别接波导1132和1142，这两个波导通过隔离器1118分别接波导1152和1162，而后两个波导通过波分复用滤波器1106接光学输出端1107。
例如，应用图10的三维光学波导结构可构成这种波分复用光学发射器模块，此时将输出波长λ1光的激光二极管1119置于波导1322一端，把输出波长λ2光的激光二极管1129置于波导1332一端，输出端1107置于波导1362一端。
这样，由两只激光二极管1119和1129输入的电信号因相互组合而输出为一个光学信号。
第八实施例
图21示出一例光学接收器模块的结构。如图21所示，作为本发明一例光学输入端的光学输入端1117(如图25的V槽)置于波导1122一端，而作为本发明一例受光元件的光二极管1209接波导1122。对光二极管1209，接电输出端1115，这是一例本发明的电输出端。例如，应用图6的三维光学波导(一例三维光学波导)，可构成这种光学接收器模块。根据这种结构的光学接收器模块，根据从光学输入端1117输入的光学信号，可从电输出端1115得到电输出。
图22示出一例波分复用光学接收器模块的结构。在该结构例中，光学输入端1117接波分复用滤波器1116，波导1172和1182接波分复用滤波器1116，光二极管1219和1229分别接波导1172和118。
例如，应用图7的三维光学波导，可构成这种波分复用光学接收器模块。此时，光学输入端1117接波导72一端，光二极管1219和1229分别接波导712和702的端部。把波分复用滤波器76置成发射波长λ1光而不发射波长λ2光。
在这种结构的波分复用光学接收器模块中，在波长λ1与λ2的光导入波导71时，波长λ1光通过波导712到达光二极管1219，波长λ2光通过波导702到达光二极管1229，据此,电输出从接至各光二极管1219和1229的电输出端1115输出，即由一个光学输入端1117输入的光学信号，可以作为两个分离的电信号从各电输出端1115获得。
上述光学发射器模块和光学接收器模块，通过一条光缆，可用作收发的光学传输系统。
第九实施例
图23示出一例波分复用光学收发器模块的结构，具有光学发射与接收两种功能。在图23的结构中，具有电输入端1105并发射波长λ1光的激光二极管1139，通过波导1192、作为本发明一例隔离器的隔离器1128和波导1212，接波分复用滤波器1126(本发明的一例波分复用滤波器)。具有电输出端1115并接收波长λ2光二极管1239，通过波导1202接波分复用滤波器1126。波分复用滤波器1126接光学输入与输出端1127(如图25的V槽)，后者是本发明一例光学输入与输出端。
例如，应用图9的三维光学波导可构成这种波分复用光学收发器模块，此时光学输入与输出端1127置于波导92一端。波分复用滤波器906设置成不发射表面激光器99发射的波长λ1光，而发射输入到光学输入与输出端1127的波长λ2光。
根据该结构，表面发射激光器99发射的波长λ1光在波分复用滤波器906与透镜基片93的界面反射，通过波导92从光学输入与输出端1127输出。输入光学输入与输出端1127的波长λ2光，通过波分复用滤波器906到达表面安装光二极管999。根据这种波分复用光学收发器模块，只用一个光学输入与输出端1127就可收发光。
图24示出一例应用这种波分复用光学收发器模块的光传输设备。图24中，激光二极管1149接激光二极管驱动器IC1104，后者接输入多个信号的电信号输入端1125。激光二极管驱动器IC1104控制加到激光二极管的偏流并叠加数字信号。
另一方面，光二极管1249接接收前端IC1114，而接收前端IC1114接收解复用器1113，后者接输出多个信号的接收信号输出端1135。接收前端IC1114对光二极管1249输出的微弱信号作低噪声放大。
在图24中，激光二极管1149和置于光二极管1249右侧的诸元件如上所述。应用这种光学传输设备，可在一条光缆上通过一个光学输入与输出端发射多个电信号。
通过光缆将上述多个用于收发的光学模块连接起来，可以用作收发的光学传输系统。此时，例如通过设定一个光学收发器模块的波长λ1发射和以波长λ2接收，另一光学收发器模块以波长λ2发射和以波长λ1接收，可将成对的两个光学收发模块用作光学传输系统的一对收发模块。
以上描述中，上下左右固定成图示那样，只要能获得同样效果，固定方式可以与之不同。
以上描述中，来自水平方向的光沿垂向或以45°角传播，但这些仅为举例。光可以相对层叠基片以任意角度传播，此时可设定反射表面角度和透镜与反射表面的配置，使光以这种方式传播。
在上述诸实施例中，基片用形成玻璃构成，但本发明并不限于此，它们可用树脂等构成。例如，在硅基片上可通过干蚀刻法与波导一起同时形成标记101与103，效果与上述一样。
在上述诸实施例中，除了或者替代透镜层，隔离器层与滤波器层，平面基片不带波导，是片状光学元件。这类片状光学元件的例子包括衰减光功率的片状衰减器。
发明的效果
本发明可提供无需复杂调整的廉价型三维光学波导。
而且，当在形成玻璃上一体形成平面波导和透镜层、隔离器层或滤波器层时，可提供无需复杂调整的廉价型三维光学波导。
再者，当平面基片具有透镜层、隔离器层或滤波器层时，可提供高性能的三维光学波导。
另外，按照本发明制造三维光学波导的方法，可提供能够无需复杂调整的精密而廉价的三维光学波导。
还有，根据具有本发明的三维光学波导的光学模块，可提供无需复杂调整的廉价型光学模块。

Claims (14)

1.一种三维光学波导，其特征在于，包括至少由一块具有平面光学波导的平面基片和一块具有片状光学元件的平面基片组成的叠层。
2.如权利要求1所述的三维光学波导，其中具有片状光学元件的平面基片是透镜层、隔离器层和滤波器层之一。
3.如权利要求2所述的三维光学波导，其中具有平面波导的平面基片和所述透镜层、隔离器层与滤波器层之一在形成玻璃上一体形成。
4.如权利要求2或3所述的三维光学波导，其总反射表面形成在平面光学波导上，光通过所述透镜层、隔离器层和滤波器层之一。
5.如权利要求4所述的三维光学波导，其特征在于，还至少包括受光元件和发光元件中的至少一个。
6.如权利要求1所述的三维光学波导，其中诸平面基片利用在至少两块平面基片上一体形成的标记相互定位。
7.一种制造三维光学波导的方法，其特征在于，包括：
提供多块各自具有平面光学波导的平面基片；
在每块平面基片上同时形成标记；和
通过用标记对诸平面基片定位，层叠诸平面基片。
8.如权利要求7所述的制造三维光学波导的方法，其中标记为凹形或凸形，而且在层叠平面基片前，通过对标记加光并使光被标记反射或透射而定位平面基片。
9.如权利要求8所述的制造三维光学波导的方法，其中标记底表面是斜表面、散射表面和透镜表面之一。
10.一种光学发射器模块，其特征在于包括：
电输入端子；
连接电输入端子的发光元件；
如权利要求3所述的三维光学波导，用于传输发光元件发射的光；和
输出经三维光学波导传输的光的光学输出端子。
11.一种光学接收器模块，其特征在于，包括：
光学输入端子；
连接光学输入端子的如权利要求3所述的三维光学波导；
受光元件，接收经三维光学波导传输的光；和
与受光元件连接的电输出端子。
12.一种光学收发器模块，其特征在于包括：
电输入端子；
三维光学波导，包括至少由带平面光学波导的平面基片、带隔离器的平面基片和带波分复用滤波器的平面基片组成的叠层；
连接电输入端子和三维光学波导的发光元件；
连接三维光学波导的受光元件；
与受光元件连接的电输出端子；和
连接三维光学波导的光学输入与输出端子，
其中从电输入端子输入的电信号被转换成光学信号而从光学输入与输出端子出射，而光学输入与输出端子收到的光学信号被转换成电信号并输出给电输出端子。
13.一种供收发的光学传输系统，其特征在于包括：
光学发射器模块，包括：
电输入端子；
接电输入端子的发光元件；
三维光学波导具有：
至少由一块带接至发光元件的平面光学波导的平面基片和一块带片
状光学元件的平面基片组成的叠层；
波导用于传输从发光元件发射的光；和
输出经三维光学波导传输的光的光学输出端子；
接光学发射器模块的光缆；和
光学接收器模块，包括：
光学输入端子；
三维光学波导，具有：
至少由一块带接至光学输入端的平面光学波导的平面基片和一块带
片状光学元件的平面基片组成的叠层；
受光元件，接收经三维光学波导传输的光；和
接受光元件的电输出端子；
光学接收器模块连接光缆。
14.一种供光学收发的光学传输系统，其特征在于包括：
如权利要求12所述的光学收发器模块；和
连接光学收发器模块的光缆。
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