可调光滤波器.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103018837 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103018837 A *CN103018837A* (21)申请号 201110295065.X (22)申请日 2011.09.28 G02B 6/293(2006.01) G02B 27/44(2006.01) (71)申请人 福州高意光学有限公司 地址 350001 福建省福州市晋安区福新东路 253 号中航技工业小区 (72)发明人 林磊 张建英 张新汉 (74)专利代理机构 福建炼海律师事务所 35215 代理人 许育辉 (54) 发明名称 可调光滤波器 (57) 摘要 本发明公开了一。

2、种可调光滤波器， 包括光纤 准直器、 扩束系统、 衍射光栅、 4f 系统和带反射镜 的微电机系统 （MEMS） ， 还包括一标准具或者狭缝 光阑 ； 利用衍射光栅的色散作用配合 MEMS 技术的 调节作用实现光滤波器的可调滤波性能， 利用标 准具和狭缝光阑解决光通信中的平顶问题。该可 调光滤波器所滤出的信号具有很好的边缘陡直度 和顶端平坦度， 该滤波器具有插损小、 结构紧凑、 成本低和操作简便等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 10 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 10 页 1/1。

3、 页 2 1. 可调光滤波器， 包括光纤准直器、 扩束系统、 衍射元件、 4f 系统和带反射镜的微电机 系统， 光由光纤准直器输入经扩束系统扩束后， 经过衍射元件后， 不同波长的光被色散， 以 不同的衍射角入射到 4f 系统， 之后被微电机系统的反射镜反射回光路中， 再次经过 4f 系 统、 衍射元件、 扩束系统， 最后由光纤准直器输出， 其特征在于 ： 所述滤波器还包括一标准 具 ； 所述标准具为透射式标准具， 位于衍射元件之前或之后的光路中 ； 所述光纤准直器为 两个单光纤准直器， 或者一个双光纤准直器。 2. 如权利要求 1 所述的可调光滤波器， 其特征在于 ： 所述透射式标准具由一反射。

4、式标 准具替代， 位于微电机系统后面， 4f 系统的虚焦面处， 光经微电机系统反射后进入反射式标 准具， 经该反射式标准具反射之后， 再由微电机系统反射回光路中。 3. 如权利要求 1 所述的可调光滤波器， 其特征在于 ： 所述透射式标准具由一反射式标 准具替代， 设置于微电机系统的反射面上。 4. 如权利要求 1 所述的可调光滤波器， 其特征在于 ： 所述标准具为可调单腔标准具， 或 者可调多腔标准具。 5. 如权利要求 1 所述的可调光滤波器， 其特征在于 ： 所述标准具由一镀膜的梳状滤波 器替代， 位于衍射元件之前或之后的光路中。 6. 如权利要求 1-5 任一权利要求所述的可调光滤波器。

5、， 其特征在于 ： 所述滤波器还包 括一狭缝光阑， 位于 4f 系统的频谱面上， 仅设置于光被微电机系统反射之前的光路上。 7. 可调光滤波器， 包括光纤准直器、 扩束系统、 衍射元件、 4f 系统和带反射镜的微电机 系统， 光由光纤准直器输入经扩束系统扩束后， 经过衍射元件后， 不同波长的光被色散， 以 不同的衍射角入射到 4f 系统， 之后被微电机系统的反射镜反射回光路中， 再次经过 4f 系 统、 衍射元件、 扩束系统， 最后有光纤准直器输出， 其特征在于 ： 所述滤波器还包括一狭缝光 阑， 位于 4f 系统的频谱面上， 仅设置于光被微电机系统反射之前的光路 ； 所述光纤准直器 为两个单。

6、光纤准直器， 或者一个双光纤准直器。 8. 如权利要求 1 或 7 所述的可调光滤波器， 其特征在于 ： 所述衍射元件为透射式衍射 光栅或者反射式衍射光栅 ； 所述扩束系统为开普勒扩束系统或者伽利略扩束系统。 9. 如权利要求 6 所述的可调光滤波器， 其特征在于 ： 所述狭缝光阑的狭缝阵列不等间 距设置， 波长短的位置狭缝密度高， 波长长的位置狭缝排列密度低。 10. 如权利要求 6 所述的可调光滤波器， 其特征在于 ： 所述狭缝光阑的狭缝呈锯齿状或 者梳状。 权 利 要 求 书 CN 103018837 A 2 1/5 页 3 可调光滤波器 技术领域 0001 本发明涉及光学及光通信领域，。

7、 尤其涉及一种光栅可调光滤波器。 背景技术 0002 随着现代通信业务的不断发展， 对光纤通信的带宽要求越来越高。目前增加光纤 通信带宽的首选方案是波分复用系统 （WDM ： Wavelength Division Multiplexing） ， 随着波 分复用系统内光信道间隔的不断减小， 信道数的不断增加， WDM 逐渐向 DWDM 发展， 其光信道 间隔已由 100GHz 向 50GHz 系统迈进， 正向 25GHz 系统发展。 0003 光滤波器是一种带通滤波器， 在 WDM 中， 光滤波器可用于不同信道的筛选。传统光 滤波器属于不可调光滤波器， 其滤波性能是针对某一个或几个特定的信道。。

8、在 WDM 系统发 展初期由于信道数较少， 这种不可调光滤波器被普遍运用。随着 WDM 向 DWDM 系统发展， 通 信信道大量增加， 不可调光滤波器在 DWDM 系统中的运用局限性越来越突出， 这就迫使不可 调光滤波器向可调光滤波器发展。 0004 光滤波器实现滤波的核心技术方案主要有 F-P 谐振腔技术、 环形谐振腔技术、 光 栅衍射效应技术、 马赫 - 曾德干涉技术和介质薄膜技术， 不同的技术方案各有优缺点。总的 来说， 随着 DWDM 信道的不断增加， 传统的固定滤波器的应用局限性越来越突出。光滤波器 已经开始向可调光滤波器发展， 但对于不同核心技术方案的滤波器在实现可调性能上， 有 。

9、各自的优势也存在各自的困难， 或是技术， 或是成本， 或是可靠性等。 0005 一种理想的可调光滤波器一般应具备如下优点 ： 插损小、 调节范围宽、 带宽窄、 隔 离度高、 调谐速率快、 稳定性高、 偏振相关性小、 成本低和结构紧凑等。美国专利 光谱可调 滤波器 （Spectrally Adjustable Filter， NO.US 7,864,423， B2） 虽提到可以使用 4f 系 统， 但该专利使用窄带反射镜将所选择的光反射之后沿原光路返回， 这就需要在输入 / 输 出端使用环行器， 降低了光的利用率的同时提高了成本。该专利公开的光谱可调滤波器， 如图 1 所示， 包括光纤准直器 1。

10、01、 扩束系统 102、 光栅元件 103、 4f 系统 104,105 和微电机 系统 106（MEMS， Micro-electromechanical Systems） ， 该结构通过调节 MEMS 系统使得入 射光线和出射光线的夹角发生变化， 可达到滤波的效果， 但滤出的波形边缘陡直度和顶端 平坦度都不够好。美国专利 使用衍射光学元件和镜子的紧凑型高分辨率的可调谐光滤波 器 （Compact High-Resolution Tunable Optical Filter Using Optical Diffraction Element And a Mirror， NO.US 2008。

11、/0085119 A1） 虽提及使用单个光栅的方法， 但没有具 体实施方案， 并认为这样的系统光学性能较低， 如降低相邻信道隔离度等。 发明内容 0006 为克服上述问题， 本发明提出一种可调光滤波器， 利用光栅衍射效应结合微电机 系统 （MEMS） 技术和标准具技术， 所滤得的光信号具有很好的边缘陡直度和顶端平坦度， 而 且该滤波器具有结构紧凑、 成本低、 操作简便等优点。 0007 为达到上述目的， 本发明所提出的技术方案为 ： 可调光滤波器， 包括光纤准直器、 说 明 书 CN 103018837 A 3 2/5 页 4 扩束系统、 衍射元件、 4f 系统和带反射镜的微电机系统， 光由光。

12、纤准直器输入经扩束系统扩 束后， 经过衍射元件后， 不同波长的光被色散， 以不同的衍射角入射到 4f 系统， 之后被微电 机系统的反射镜反射回光路中， 再次经过 4f 系统、 衍射元件、 扩束系统， 最后由光纤准直器 输出。 所述滤波器还包括一标准具 ； 所述标准具为透射式标准具， 位于衍射元件之前或之后 的光路中 ； 所述光纤准直器为两个单光纤准直器， 或者一个双光纤准直器。 0008 或者， 不利用标准具， 而利用狭缝光阑， 其技术方案为 ： 可调光滤波器， 包括光纤准 直器、 扩束系统、 衍射元件、 4f 系统和带反射镜的微电机系统， 光由光纤准直器输入经扩束 系统扩束后， 经过衍射元件。

13、后， 不同波长的光被色散， 以不同的衍射角入射到 4f 系统， 之后 被微电机系统的反射镜反射回光路中， 再次经过 4f 系统、 衍射元件、 扩束系统， 最后有光纤 准直器输出， 所述滤波器还包括一狭缝光阑， 位于 4f 系统的频谱面上， 仅设置于光被微电 机系统反射之前的光路 ； 所述光纤准直器为两个单光纤准直器， 或者一个双光纤准直器。 0009 进一步的， 所述透射式标准具可由一反射式标准具替代， 位于微电机系统后面， 4f 系统的虚焦面处， 光经微电机系统反射后进入反射式标准具， 经该反射式标准具反射之后， 再由微电机系统反射回光路中。 0010 或者， 所述透射式标准具由一反射式标准。

14、具替代， 设置于微电机系统的反射面上。 0011 优选的， 所述标准具为可调单腔标准具， 或者可调多腔标准具。 0012 进一步的， 所述标准具还可以由一镀膜的梳状滤波器替代， 位于衍射元件之前或 之后的光路中。 0013 进一步的， 所述含有标准具的滤波器还可以增加一狭缝光阑， 位于 4f 系统的频谱 面上， 仅设置于光被微电机系统反射之前的光路上。 0014 优选的， 所述衍射元件为透射式衍射光栅或者反射式衍射光栅 ； 所述扩束系统为 开普勒扩束系统或者伽利略扩束系统。 0015 进一步的， 所述狭缝光阑的狭缝阵列不等间距设置， 波长短的位置狭缝密度高， 波 长长的位置狭缝排列密度低 ； 。

15、该狭缝光阑的狭缝呈锯齿状或者梳状。直边的狭缝容易产生 直边衍射， 狭缝边缘的光强将高于其他地方， 导致 “兔耳现象” 的出现， 顶端平坦度较差， 所 以本发明将狭缝设置成锯齿状， 可有效减小直边衍射效应， 以得到较好的边缘陡直度和顶 端平坦度。 0016 本发明的有益效果 ： 本发明的可调光滤波器主要利用衍射光栅的色散作用配合微 电机系统 （MEMS） 技术的调节作用实现光滤波器的可调滤波性能， 再利用标准具再次滤波便 可很好地解决光通信中的平顶 （Flat Top Steep Edge） 问题， 所得到的滤波信号具有很好 的边缘陡直度和顶端平坦度 ； 而且该滤波器具有插损小、 结构紧凑、 成。

16、本低、 操作简便等优 点。 附图说明 0017 图 1 为现有技术的实施案例结构示意图 ； 图 2 为本发明实施例一的结构示意图 ； 图 3 为本发明实施例一的 X-Z 面光路示意图 ； 图 4 为本发明实施例一的 Y-Z 面光路示意图 ； 图 5 为本发明实施例二的结构示意图 ； 说 明 书 CN 103018837 A 4 3/5 页 5 图 6 为本发明实施例二的 X-Z 面光路示意图 ； 图 7 为本发明实施例二的 Y-Z 面光路示意图 ； 图 8 为本发明实施例三的结构示意图 ； 图 9 为本发明实施例三的 X-Z 面光路示意图 ； 图 10 为本发明实施例三的 Y-Z 面光路示意图。

17、 ； 图 11 为本发明实施例四的结构示意图 ； 图 12 为本发明实施例四的 X-Z 面光路示意图 ； 图 13 为本发明实施例四的 Y-Z 面光路示意图 ； 图 14 为本发明实施例五的结构示意图 ； 图 15 为本发明实施例五的 X-Z 面光路示意图 ； 图 16 为本发明实施例五的 Y-Z 面光路示意图 ； 图 17 为本发明实施例六的结构示意图 ； 图 18 为本发明实施例四至六中所提及的狭缝光阑结构示意图 ； 图 19 为本发明实施例的插入损耗与波长关系曲线。 0018 标号说明 ： 101- 光纤准直器 ； 102- 扩束系统 ； 103- 光栅元件 ； 104,105-4f 系。

18、 统 ； 106- 微电机系统 ； 201- 光纤准直器 ； 202,203- 扩束系统 ； 204- 标准具 ； 205- 衍 射光栅 ； 206,207-4f 系统 ； 208- 微电机系统 ； 301- 光纤准直器 ； 302,303- 扩束系统 ； 304- 标准具 ； 305- 衍射光栅 ； 306,307-4f 系统 ； 308- 微电机系统 ； 401- 光纤准直 器 ； 402,403- 扩束系统 ； 404- 标准具 ； 405- 衍射光栅 ； 406,407-4f 系统 ； 408- 微 电机系统 ； 501- 光纤准直器 ； 502,503- 扩束系统 ； 504- 狭缝。

19、光阑 ； 505- 衍射光栅 ； 506,507-4f 系统 ； 508- 微电机系统 ； 601- 光纤准直器 ； 602,603- 扩束系统 ； 604- 标 准具 ； 605- 衍射光栅 ； 606,607-4f 系统 ； 608- 微电机系统 ； 609- 狭缝光阑 ； 701- 光纤 准直器 ； 702,703- 扩束系统 ； 704- 标准具 ； 705- 衍射光栅 ； 706,707-4f 系统 ； 708- 微 电机系统 ； 709- 狭缝光阑。 具体实施方式 0019 下面结合附图和具体实施方式， 对本发明做进一步说明。 0020 本发明的一种可调光滤波器， 主要利用衍射光栅。

20、的色散作用， 结合微电机系统 （MEMS） 技术的调节作用和标准具技术， 以提高信号光边缘陡直度和顶端平坦度， 其具体实 施方式如下所述。 0021 实施例一， 如图2-4所示， 其中， 图3和4分别为该滤波器X-Z平面与Y-Z平面的光 路示意图， 该滤波器包括光纤准直器 201、 两透镜组组成的扩束系统 202,203、 标准具 204、 衍射光栅 205、 4f 系统 206,207、 微电机系统 208， 如图中所示， 微电机系统 208 位于 4f 系统 206,207 的焦平面处， 其中光纤准直器 201 可采用两个单光纤准直器或者是一个双光纤准 直器， 考虑成本和结构问题， 本发明。

21、优选双光纤准直器以实现光的输入输出， 准直器上的一 根光纤 （IN） 作为信号光的输入端口， 另一根光纤 （OUT） 作为信号光的输出端口 ； 所用标准 具 204 为透射式标准具， 可采用可调单腔标准具， 也可以采用可调多腔标准具。入射光经光 纤准直器 201 之后被扩束系统 202,203 扩束， 增大了光斑尺寸， 经过标准具 204 滤波， 形成 具有陡峭边缘和顶端平坦的波形， 再入射到衍射光栅 205 上， 光斑尺寸变大， 有利于提高衍 说 明 书 CN 103018837 A 5 4/5 页 6 射光栅 205 的分辨率， 经衍射光栅 205 衍射之后， 不同波长的信号光将产生不同的。

22、衍射角， 之后再经过由柱面镜206和球面镜207组成的4f系统206,207， 相同波长的光被会聚， 不同 波长的光被准直， 之后再会聚到微电机系统 208 的反射镜上， 通过调节反射镜， 将信号光反 射回4f系统206,207并与原光路平行返回， 当信号光再次经过标准具204， 达到对最初信号 光的截止滤波，“陡直” 与 “平顶” 效果将十分明显。其中， 只有与微电机系统 208 的反射镜 具有特定角度关系的信号光才会被很好的耦合到光纤准直器 201 的输出端口， 偏离这一特 定角度较大的信号光将无法被耦合输出。 0022 实施例二， 透射式单腔标准具所滤出的波形 “平顶” 效果不明显， 而。

23、反射式单腔标 准具原则上可以得到更好的 “陡直” 和 “平顶” 效果， 因此考虑利用标准具的反射特性， 使用 单个反射式单腔标准具替换实施例一中的透射式标准具， 将其放置于微电机系统之后。如 图 5， 将微电机系统 308 与 4f 系统 306,307 的距离缩小， 并利用微电机系统 308 的反射镜 将信号光反射至 4f 系统 306,307 的虚焦面， 标准具 304 便设置于该虚焦面上， 利用其反射 特性将光反射， 经由微电机系统 308 的反射镜再次反射回 4f 系统 306,307， 经衍射光栅 305 和扩束系统 302,303 之后被耦合到光纤准直器 301 的输出端口输出。如。

24、图 6 和 7 所示， 图 6 为该实施例在 X-Z 平面的光路示意图， 标准具 304 在视图上被微电机系统 308 所覆盖， 图 7 为该实施例在 Y-Z 平面的光路示意图。 0023 实施例三， 利用反射式单腔标准具时， 也可以将标准具直接嵌入于微电机系统的 反射镜之上， 如图8-10所示， 其中图9和图10为该实施例在X-Z和Y-Z平面的光路示意图， 标准具 404 直接设置于微电机系统 408 之上， 设于 4f 系统 406,407 的焦平面处， 利用标准 具 404 的反射特性将信号光反射回 4f 系统， 再经衍射光栅 405 和扩束系统 402,203 之后被 耦合到光纤准直器。

25、 401 的输出端口输出。该实施例的滤波器结构更加紧凑， 滤波效果也更 佳。 0024 实施例四， 本发明的可调光滤波器还可采用狭缝光阑对 4f 系统频谱面的信号光 进行滤波， 其具体结构如图 11 所示， 图 12 和 13 分别为其 X-Z 和 Y-Z 平面的光路示意图， 该 结构包括光纤准直器 501、 扩束系统 502,503、 衍射光栅 505、 4f 系统 506,507、 微电机系统 508 和位于 4f 系统 506,507 频谱面上的狭缝光阑 504。其中， 光纤准直器 501 可采用两个 单光纤准直器， 也可采用单个双光纤准直器， 包括输入端口和输出端口 ； 狭缝光阑 50。

26、4 只设 于 4f 系统 506,507 频谱面的一侧上， 即信号光第一次经过衍射光栅 505 后到被微电机系统 508 的反射镜反射之前的光路上。信号光从光纤准直器 501 输入端口进入之后经由两透镜 组组成的扩束系统 502,503 之后被扩束， 光斑变大， 再经衍射光栅 505 的衍射， 不同波长的 信号光被色散， 各自以不同的衍射角入射到 4f 系统 506,507， 安装于 4f 系统 506,507 频谱 面上的狭缝光阑 504 对特定波长范围的信号光进行滤波， 经 4f 系统 506,507 之后的信号光 被微电机系统508的反射镜反射回4f系统506,507光路中， 并再次经过。

27、衍射光栅505、 扩束 系统 502,503 之后由光纤准直器 501 的输出端口输出。其中只有与微电机系统 508 的反射 镜具有特定角度关系的信号光才会被很好的耦合到光纤准直器 501 的输出端口， 偏离这一 特定角度较大的信号光将无法被耦合输出。 0025 由于直边的狭缝容易产生直边衍射， 狭缝边缘的光强高于其他地方， 导致 “兔耳现 象” 的出现， 顶端平坦度较差， 所以本发明将狭缝设置成锯齿状， 如图18所示， 可有效减小直 边衍射效应。 另外， 狭缝的宽度也会影响选择的结果， 因此需要可调光滤波器的其他器件尽 说 明 书 CN 103018837 A 6 5/5 页 7 量将会聚到。

28、狭缝光阑 504 的光斑尺寸减小到小于狭缝宽度， 而且根据不同波长， 狭缝阵列 设置成不等间距， 波长短的地方狭缝密， 波长长的地方狭缝疏， 从而尽可能地减弱 “兔耳现 象” ， 得到较好的边缘陡直度和顶端平坦度。 0026 结合上述实施例， 还可以同时利用狭缝光阑的滤波作用和标准具的特性， 实现更 好的滤波效果， 得到更理想的边缘陡直度和顶端平坦度， 如图 14-16 所示的实施例五， 其在 实施例一的基础上， 根据实施例四的方法在4f系统606,607的频谱面添加一狭缝光阑609， 信号光从光纤准直器 601 输入， 经扩束系统 602,603 扩束后进入标准具 604， 再经衍射光栅 6。

29、05 的色散作用之后， 以不同的衍射角入射到 4f 系统 606,607， 经设置于 4f 系统 606,607 频谱面上狭缝光阑 609 再次滤波， 最后入射到微电机系统 608 的反射镜上， 被反射回光路 中。同样的， 图 17 所示的实施例六， 是在实施例二的基础上， 根据实施例四的方法在 4f 系 统 706,707 的频谱面上添加一狭缝光阑 709, 信号光经狭缝光阑 709 滤波之后入射到微电 机系统 708 的反射镜上， 被反射到标准具 704 上， 该标准具为反射式单腔标准具， 信号光再 次被标准具 704 反射到微电机系统 708， 之后被微电机系统 708 的反射镜反射回 。

30、4f 系统 706,707， 再次经过衍射光栅 705 和扩束系统 702,703 之后， 由光纤准直器 701 的输出端口 输出。 0027 在上述各实施例中的标准具， 也可以由一镀膜的梳妆滤波器代替 ； 各实施例中的 衍射光栅采用的是透射式光栅， 还可以采用反射式光栅 ； 使用的扩束系统是按激光 （高斯） 光束设计， 更具实用价值， 可以采用开普勒扩束系统， 也可以是伽利略扩束系统， 系统中可 采用普通透镜， 也可采用双胶合透镜。 4f系统可采用柱面镜与双胶合透镜的组合， 其光轴面 与柱面镜的母线垂直。微电机系统对反射镜的调节可采用电压信号调节， 也可采用温度信 号或者电磁信号调节。 00。

31、28 图 19 为进行理论模拟所得出的使用标准具与未使用标准具时的插入损耗与波长 的关系曲线。若只依靠微电机系统和光纤准直器的调节作用， 得到插入损耗 （IL, Insert Loss） 与中心波长偏离量 (d) 的关系如图 19 中的虚线所示， 计算结果与理论分析一致。 如实施例五， 使用了标准具之后， 则得出的计算结果如图 19 中的实线所示。可以看出， 在使 用标准具的情况下， 在 IL 为 20dB 的插入损耗值时， d 缩小到 0.2nm 范围内。 0029 尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明， 但所属领域的技术人员应该明 白， 在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范。

32、围内， 在形式上和细节上对本发 明做出的各种变化， 均为本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103018837 A 7 1/10 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103018837 A 8 2/10 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103018837 A 9 3/10 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103018837 A 10 4/10 页 11 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 103018837 A 11 5/10 页 12 图 9 图 10 说 明 书 附 图 CN 103018837 A 12 6/10 页 13 图 11 图 12 说 明 书 附 图 CN 103018837 A 13 7/10 页 14 图 13 图 14 说 明 书 附 图 CN 103018837 A 14 8/10 页 15 图 15 图 16 说 明 书 附 图 CN 103018837 A 15 9/10 页 16 图 17 图 18 说 明 书 附 图 CN 103018837 A 16 10/10 页 17 图 19 说 明 书 附 图 CN 103018837 A 17 。