CN102033312B - 基于mems技术的可调谐光滤波器 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS技术的可调谐光滤波器，包括有沿光路设置的：输入准直器、反射镜、聚焦透镜、准直透镜、分光元件、反射镜和输出准直器，所述的反射镜为可转动的反射镜，所述的分光元件是衍射光栅，通过可转动的反射镜改变衍射光栅的入射角来实现波长选择。所述的可转动的反射镜是可转动的MEMS反射镜，或为具有与可转动的MEMS反射镜相同功能的反射镜。本发明有效地利用MEMS反射镜的角度调节特性来改变衍射光栅的入射角，从而实现波长可调谐功能，保证衍射光栅的小尺寸，易于实现并集成，适于批量生产，元件数目少且简单，节约成本，结构紧凑，体积小。

Description

基于MEMS技术的可调谐光滤波器

技术领域

本发明涉及一种可调谐光滤波器。特别是涉及一种广泛应用于光电子领域、光谱分光仪器和传感领域的基于MEMS技术的可调谐光滤波器。

背景技术

随着密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)系统的快速发展，人们对系统的灵活性要求逐渐提高，可调谐光滤波器具有灵活选择所需波长的功能，给光通信系统带来了便捷，已经得到了广泛的应用。

基于MEMS技术的可调谐光滤波器是一种体积小，结构简单，性能稳定的滤波器。传统的衍射光栅体积较大，在光纤通信系统中很少采用。随着光栅技术的不断发展，精细度逐步提高，衍射光栅的性能得到了极大的改善；微机电(Micro Electro Mechanical System，MEMS)技术的日益成熟使得基于MEMS技术的光栅可调谐光滤波器的应用逐渐扩大。目前，关于这种基于MEMS技术的可调谐光滤波器的公开报道有两种：

中国专利CN201096983Y，公开了一种光栅型光可调谐滤波器。所提供的光可调谐滤波器包括可转动反射镜，聚焦透镜，分光元件。该可调谐滤波器的输入端口输入多波长光信号，经可转动反射镜反射至聚焦透镜，转换成为平行光束，平行光束继续传播，射在光栅平面上，经光栅衍射产生色散，色散光被棱镜的反射面反射后再经过光栅二次衍射，经过原光路返回，通过光束接收器接收输出。该结构的缺点：经可转动反射镜反射后的不同角度的入射光，通过聚焦透镜后变为平行光，此平行光入射到光栅上有位移，对光栅的面积要求较大；可转动反射镜的转动不能达到改变光栅的入射角的目的。

美国专利US20080085119A1，公开了一种基于MEMS技术和衍射光栅的可调谐光滤波器。该可调谐滤波器包括分光元件，光束转换透镜组，MEMS反射镜。入射的多波长光信号被分光元件分成单独的波长信道，经光束转换透镜组后，通过转动MEMS反射镜选择反射波长信道，达到波长选择的目的。该结构的缺点：光束转换透镜组放在光栅后面，容易偏心，光路比较敏感，结构不紧凑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在着的上述缺点和不足，提供一种体积小、成本低、结构紧凑的基于MEMS技术的可调谐光滤波器。

本发明所采用的技术方案是：一种基于MEMS技术的可调谐光滤波器，包括有沿光路设置的：输入准直器、反射镜、聚焦透镜、准直透镜、分光元件、反射镜和输出准直器，所述的反射镜为可转动的反射镜，所述的分光元件是衍射光栅，通过可转动的反射镜改变衍射光栅的入射角来实现波长选择。

所述的可转动的反射镜是可转动的MEMS反射镜，或为具有与可转动的MEMS反射镜相同功能的反射镜。

入射光束依次通过的元件分别为：输入准直器、可转动的MEMS反射镜、聚焦透镜、准直透镜、衍射光栅、反射镜、衍射光栅、准直透镜、聚焦透镜、可转动的MEMS反射镜、输出准直器。

所述的聚焦透镜和准直透镜共焦，所述的可转动的MEMS反射镜位于聚焦透镜的前焦点处，所述的衍射光栅位于准直透镜的后焦点处。

所述的所述的准直透镜与衍射光栅之间还包括扩束元件。

所述的扩束元件为棱镜组，或为透镜组，或为具有棱镜组或透镜组功能的扩束元件。

所述的输入准直器之前加设一三端口环形器，所述的输出准直器之后加设一反射镜。

本发明的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，具有以下突出优点和积极效果：

1、有效地利用MEMS反射镜的角度调节特性来改变衍射光栅的入射角，从而实现波长可调谐功能；

2、不同角度的入射光入射到光栅上的同一位置，入射光相对于衍射光栅没有位移，从而保证了衍射光栅的小尺寸；

3、设计合理，易于实现并集成，适于批量生产；

4、元件数目少且简单，节约成本；

5、结构紧凑，体积小。

附图说明

图1是理论计算的入射光束两次通过衍射光栅后的谱线图；

图2(a)是入射角为50.6°的光束通过衍射光栅后的光路图；

图2(b)是不同入射角的光束通过衍射光栅后的光路图；

图3(a)是不同角度的入射光束通过聚焦透镜和准直透镜后的光路图；

图3(b)是平行光通过聚焦透镜和准直透镜后的光路图；

图4(a)是本发明的光路结构示意图；

图4(b)是本发明的MEMS反射镜转动后的光路结构图；

图5是本发明的第二实施例的光路结构图；

图6是本发明的第三实施例的光路结构图。

其中：

1：输入准直器          8：扩束元件

2：可转动的MEMS反射镜  9：三端口环形器

3：聚焦透镜            10：反射镜

4：准直透镜            11：环形器的第一端口

5：衍射光栅            12：环形器的第二端口

6：反射镜              13：环形器的第三端口

7：输出准直器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于MEMS技术的可调谐光滤波器做出详细说明。

如图1所示，为理论计算的入射光束两次通过衍射光栅后的谱线图，中心波长处的光强度最大。

图2(a)是入射角为50.6°的光束通过衍射光栅后的光路图。不同角度的衍射光经过反射镜6反射后，光所走路径不同，只有垂直于反射镜6入射的衍射光才能原路返回。图2(b)是不同入射角的光束通过衍射光栅后的光路图。不同角度的入射光经过衍射光栅后，总会有垂直于反射镜6入射的衍射光能够各自原路返回。

图3(a)为不同角度的入射光束通过聚焦透镜和准直透镜后的光路图。聚焦透镜3和准直透镜4组成一个光束转换系统，不同角度的入射光束通过此光束转换系统后，满足关系f1tanθ₁＝f2tanθ₂，通过对f1和f2设计，便能实现θ₁和θ₂的关系转换。同时，通过此转换系统后，不同角度的入射光汇聚于一点，衍射光栅5放于此点处，保证了不同角度的入射光无位移地入射到衍射光栅上，从而实现了衍射光栅的小尺寸。f1为聚焦透镜3的焦距，f2为准直透镜4的焦距，θ₁为经MEMS反射镜2反射后的光束与水平方向夹角，θ₂为衍射光栅5的入射光束与水平方向的夹角。

图3(b)为平行光通过聚焦透镜和准直透镜后的光路图。聚焦透镜3和准直透镜4组成一个光束转换系统，平行光通过此光束转换系统后，满足关系w1/f1＝w2/f2，w1为入射平行光的光斑直径，w2为出射平行光的光斑直径。若使f2＞f1，则有w2＞w1，即入射到衍射光栅5上的光斑增大，有利于窄带滤波。

如图4(a)所示，本发明的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，包括有沿光路设置的：输入准直器1、反射镜2、聚焦透镜3、准直透镜4、分光元件、反射镜6和输出准直器7，其特征在于，所述的反射镜2为可转动的反射镜，所述的分光元件是衍射光栅5，通过可转动的反射镜2改变衍射光栅5的入射角来实现波长选择。其中，所述的可转动的反射镜2是可转动的MEMS反射镜，或为其它能够实现同样功能的反射镜。

本发明的入射光束依次通过的元件分别为：输入准直器1、可转动的MEMS反射镜2、聚焦透镜3、准直透镜4、衍射光栅5、反射镜6、衍射光栅5、准直透镜4、聚焦透镜3、可转动的MEMS反射镜2、输出准直器7。即，从输入准直器1输出的多波长平行光束，入射到可转动的MEMS反射镜2上，经可转动的MEMS反射镜2反射后，射向聚焦透镜3，会聚于聚焦透镜3的焦点处，光线经过焦点后继续转播至准直透镜4，经准直透镜4准直后的平行光射向与水平方向成(90-50.6)°的衍射光栅5，经衍射光栅5分光成衍射角各不相同的单波长光信号，这些不同角度的单波长光信号继续传播至反射镜6，只有垂直于反射镜6入射的光信号才能原路返回到输出准直器7，改变可转动的MEMS反射镜2的转角就会得到不同波长的光信号。

如图4(b)所示，本发明的MEMS反射镜转动后，所述的聚焦透镜3和准直透镜4共焦，所述的可转动的MEMS反射镜2位于聚焦透镜3的前焦点处，所述的衍射光栅5位于准直透镜4的后焦点处，聚焦透镜3与准直透镜4组成一个光束转换系统，不同角度的入射光通过此光束转换系统后，入射到光栅上的同一位置，入射光相对于衍射光栅5没有位移。

从输入准直器1输出的多波长平行光束，入射到可转动的MEMS反射镜2上，可转动的MEMS反射镜2的角度转动后，反射光与水平方向呈不同夹角，这些不同角度的反射光射向聚焦透镜3后被准直，继续传播至准直透镜4后，无位移地聚焦至与水平方向成(90-50.6)°的衍射光栅5处，不同入射角的光线经过衍射光栅5分光后，垂直于反射镜6入射的衍射光波长各不相同，经反射镜6反射后，就会得到不同波长的光信号。

本发明还可以在图4(a)的基础上，在所述的准直透镜4与衍射光栅5之间还包括扩束元件8，所述的扩束元件8或为棱镜组，或为透镜组，或为其它能够实现同样功能的扩束元件。如图5所示，包括有输入准直器1、可转动的MEMS反射镜2、聚焦透镜3、准直透镜4、扩束元件8、衍射光栅5、反射镜6和输出准直器7。从输入准直器1输出的多波长平行光束，入射到可转动的MEMS反射镜2上，经可转动的MEMS反射镜2反射后，射向聚焦透镜3，会聚于聚焦透镜3的焦点处，光线经过焦点后继续转播至准直透镜4，经准直透镜4准直后的平行光射向扩束元件8，扩束后的光线射向与水平方向成(90-50.6)°的衍射光栅5，经衍射光栅5分光成衍射角各不相同的单波长光信号，这些不同角度的单波长光信号继续传播至反射镜6，只有垂直于反射镜6入射的光信号才能原路返回到输出准直器7，改变可转动的MEMS反射镜2的转角就会得到不同波长的光信号。

本实施例中，加入扩束元件8是为了增大衍射光栅5上的入射光斑，有利于提高基于MEMS技术的可调谐光滤波器的性能。

本发明还可以在图4(a)的基础上，在所述的输入准直器1之前加设一三端口环形器9，所述的输出准直器7之后加设一反射镜10，使光信号多次经过光路，滤波器滤出的光谱更窄。如图6所示，包括有输入准直器1、可转动的MEMS反射镜2、聚焦透镜3、准直透镜4、衍射光栅5、反射镜6、输出准直器7、三端口环形器9和反射镜10。多波长光信号从三端口环形器9的第一端口11输入至三端口环形器9的第二端口12，从三端口环形器9的第二端口12输入至输入准直器1，经输入准直器1输出的多波长平行光束，入射到可转动的MEMS反射镜2上，经可转动的MEMS反射镜2反射后，射向聚焦透镜3，会聚于聚焦透镜3的焦点处，光线经过焦点后继续转播至准直透镜4，经准直透镜4准直后的平行光射向水平方向成(90-50.6)°的衍射光栅5，经衍射光栅5分光成衍射角各不相同的单波长光信号，这些不同角度的单波长光信号继续传播至反射镜6，只有垂直于反射镜6入射的光信号才能原路返回到输出准直器7，经输出准直器7输出的平行单波长光信号，再经反射镜10垂直原路返回，再次往返两次经过光路后，从三端口环形器9的第三端口13输出，改变可转动的MEMS反射镜2的转角就会得到不同波长的光信号。

本实施例中，加入反射镜10是为了使入射光第二次往返经过衍射光栅5，使得滤波器滤出的光谱带宽更窄。

本实施例中，多波长光信号从三端口环形器9的第一端口11输入，从第二端口12输出的光信号经输入准直器1准直后进入光路，往返2次经过光路后，从输出准直器7输出，然后经过反射镜10返回光路，再次往返2次经过光路后，从三端口环形器9的第三端口13输出。

Claims (7)

1.一种基于MEMS技术的可调谐光滤波器，包括有沿光路设置的：输入准直器(1)、反射镜(2)、聚焦透镜(3)、准直透镜(4)、分光元件、反射镜(6)和输出准直器(7)，其特征在于，所述的反射镜(2)为可转动的反射镜，所述的分光元件是衍射光栅(5)，通过可转动的反射镜(2)改变衍射光栅(5)的入射角来实现波长选择。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，所述的可转动的反射镜(2)是可转动的MEMS反射镜，或为具有与可转动的MEMS反射镜相同功能的反射镜。

3.根据权利要求2所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，入射光束依次通过的元件分别为：输入准直器(1)、可转动的MEMS反射镜(2)、聚焦透镜(3)、准直透镜(4)、衍射光栅(5)、反射镜(6)、衍射光栅(5)、准直透镜(4)、聚焦透镜(3)、可转动的MEMS反射镜(2)、输出准直器(7)。

4.根据权利要求2所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，所述的聚焦透镜(3)和准直透镜(4)共焦，所述的可转动的MEMS反射镜(2)位于聚焦透镜(3)的前焦点处，所述的衍射光栅(5)位于准直透镜(4)的后焦点处。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，所述的所述的准直透镜(4)与衍射光栅(5)之间还包括扩束元件(8)。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，所述的扩束元件(8)为棱镜组，或为透镜组，或为具有棱镜组或透镜组功能的扩束元件。

7.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，所述的输入准直器(1)之前加设一三端口环形器(9)，所述的输出准直器(7)之后加设一反射镜(10)。

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