CN102411245A

CN102411245A - 利用级联标准具的可调谐滤光器

Info

Publication number: CN102411245A
Application number: CN2011103406973A
Authority: CN
Inventors: A·J·齐尔基
Original assignee: Oclaro North America Inc
Current assignee: Oclaro North America Inc
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-04-11
Also published as: WO2012039921A3; WO2012039921A2; US20120075636A1

Abstract

本发明涉及利用级联标准具的可调谐滤光器。成本低并且制造简单的温度调谐的电介质板标准具扫描光谱仪使用级联标准具模块，每个模块包括具有相对小的自由频谱范围(FSR)的法布里-珀罗(FP)标准具，其中至少两个模块被设置有温度控制器。根据本发明，多个FP模块产生游标调谐控制。在这些装置中，调谐温度范围典型地小于10℃，并且所需的板厚度可小于1mm。这减小了制造和材料需求，并且结果导致较低的装置成本和改善的可靠性。

Description

利用级联标准具的可调谐滤光器

技术领域

本发明的领域是滤光。更具体地，其针对利用级联标准具的可调谐滤光器。

背景技术

可调谐滤光器为用于光频率选择的器件。它们用在宽范围的应用中，例如，在可调谐激光器中选择激光腔模，产生窄带可调谐光源，增加或丢弃来自光谱复用束的不同频率的光信号，或者制作扫描频谱仪。可调谐滤光器的普通结构为可调谐法布里-珀罗(Fabry-Perot，FP)标准具，由于其低成本而具有吸引力。在可调谐FP标准具结构中，通过改变标准具腔中的介质的折射率或者通过改变标准具腔的长度，来改变腔光路长度，从而调谐器件的谐振频率。基于光纤的可调谐法布里-珀罗标准具的普通低成本实施方式是：i)自由空间介质板，其中介质板的谐振通过温度来调谐，ii)在两个裂开的纤维端之间的间隙，其中间隙距离可通过压电效应来调谐，以及iii)液晶板，其中通过施加的可变电压来改变液晶的折射率。

对于许多广泛使用的应用来说，需要大的自由频谱范围(FSR)。一个重要的应用，C波段扫描光谱仪，需要比C波段(＞5THz)大的FSR，因此在所有调谐点其仅通过C波段频谱的一段。对于要求低成本和高可靠性的应用，被确定为上面的种类ii)的可调谐滤波器实施方式具有以下缺点：压电效应遭受磁滞现象、粘附现象、以及使用寿命的不可重复性。被确定为上面的种类iii)的实施方式呈现出在制造方面的艰巨挑战，包括例如在存在被涂覆的电介质电极的情况下来设计反射表面的平行性和反射率。工业中发现的另一种可调谐滤波器种类是可调谐的平面光波导(PLC)环形谐振器滤波器。在环形谐振器结构中，谐振可通过温度来调谐，或通过改变通过消逝光场可见的环之上的材料来调谐。然而，这种结构所承受的主要缺点是PLC设备制造成本高。最终，近来的工业大规模部署基于精确温度调谐的电介质板标准具的可调谐色散补偿器已经降低了纤维透镜准直器的成本，并且降低了封装纤维/电介质板标准具设备的成本。由于不仅高性能而且简单并可靠，因此温度调谐的电介质板实施方式是本发明的焦点。

对于主要感兴趣的应用，归于温度调谐的电介质板设备的挑战是需要大的温度范围来在感兴趣的整个频率波段(例如，5THz)上扫描滤波器，以扫描上面所提及的C波段。对于温度调谐的电介质板设备，硅是工业标准衬底材料。典型地，需要＞300℃的温度范围来在5THz之上调谐硅板滤波器。该结构还需要10至20个具有不同折射率的薄层材料的叠层。为了避免结构退化，这些层需要与硅衬底的热膨胀系数精确匹配的热膨胀系数。对于诸如在多路复用光通信网络中的光信道监测(OCM)的应用来说，可使用在15-20年的设备使用寿命内每隔几秒钟扫描一次。需要复杂和昂贵的制造过程来构造和封装这种结构，因此，它在这样紧张的温度循环下没有显示出性能退化或失效。另外，对于5THz的FSR要求板的厚度必须大(例如，～10mm)会使制造复杂化。

发明内容

成本低并且制造简单的温度可调谐电介质板标准具扫描光谱仪使用了级联标准具模块，每个模块包括具有相对小的自由频谱范围(FSR)的法布里-珀罗(FP)标准具，其中至少两个模块设置有温度控制器。根据本发明，多个FP模块产生游标(Vernier)调谐控制。具有该特征的装置以下被称为游标法布里-珀罗滤波器(VTFPF)。在这些装置中，调谐温度范围可小于10℃，并且所需的板厚度可小于1mm。这大大减小了制造和材料需求，并且结果导致较低的装置成本和改善的可靠性。

附图说明

当与附图一起考虑时，本发明可以更容易被理解，其中：

图1为示出典型FP标准具的操作的示意图；

图2为使用具有独立温度控制的级联FP标准具的两模块VTFPF的示意图；

图3为与图2类似的三模块VTFPF的示意图；

图4为示出结合图2描述的VTFPF的模拟滤波器透射率的曲线图；

图5为更详细地示出图4的一部分的曲线图；

图6为示出图5的主谐振的增强邻道抑制(adjacent channel rejection)的曲线图；

图7为示出结合图3描述的VTFPF的模拟滤波器透射率的曲线图；

图8为更详细地示出图7的一部分的曲线图。

图9为二标准具VTFPF的频率相对透射率的曲线图，其说明由于温度变化引起的谐振峰值的偏移；

图10和11为两个标准具中的每个的温度相对频率的曲线图，其示出扫描中的多次循环。

图12和13为在图10和11的频率扫描期间两个标准具之间的温度差的曲线图；

图14和15为示出在图10和11的频率扫描期间两个标准具的FSR的变化的曲线图；

图16为与图10和11相似的针对使用较少循环的粗扫描的曲线图；以及

图17为示出在图16的扫描期间FSR的变化的曲线图。

具体实施方式

本发明的VTFPF装置中的标准具被示为根据已知的光学原理工作的法布里-珀罗标准具。法布里-珀罗标准具典型地由具有两个反射表面的透明板制成。可代替的设计为由一对中间具有间隙的透明板制成，其中任一对板表面形成两个反射表面。从成本和制造的观点来说，优选的板材料为硅。法布里-珀罗标准具的作为波长的函数的透射谱展示相应于标准具的谐振的大透射的峰值。

参考图1，光进入标准具并且经历多次内反射。变化的透射功能由两个反射表面之间的光的多次反射之间的干涉引起。如果透射光束同相位则发生积极的干涉，并且这对应于标准具的高透射峰值。如果透射光束不同相位则发生破坏性的干涉，并且这对应于透射最小值。多次反射的光束是同相位还是不同相位取决于光的波长(λ)，光穿过标准具的角度(θ)，标准具的厚度(l)和反射表面之间的材料的折射率(n)。

当每个透射光束之间的光路长度的差值(2nlcosθ)是波长的整数倍时，发生最大透射(T_e＝1)。在没有吸收的情况下，标准具的反射率R_e是透射率的补数，使得T_e+R_e＝1，并且这在光路长度差值等于波长的奇数倍的一半时发生。

通过使标准具的表面的反射率变化，可以调谐装置的等强干涉束有效数(finesse)。标准具的等强干涉束有效数通过下式与标准具反射率相关：

F = \frac{π {(R_{1} R_{2})}^{1 / 4}}{1 - {(R_{1} R_{2})}^{1 / 2}}

其中F为等强干涉束有效数，R₁，R₂为标准具的面1和面2的反射率。

相邻透射峰值之间的波长间隔为标准具的自由频谱范围(FSR)，Δλ，由以下给出：

Δλ＝λ₀ ²/(2nlcosθ)

其中λ₀为最近的透射峰值的中心真空波长。FSR通过标准具的等强干涉束有效数与半峰全宽相关。具有高等强干涉束有效数的标准具表明具有较低最小透射系数的较尖锐的透射峰值。

由于标准具的光学长度或标准具中的折射率典型地是温度敏感的，所以标准具的FSR是温度敏感的。该温度敏感性常常是不需要的，但如果被控制的话，可用来有利于调谐包含标准具的装置。

本发明的VTFPF包括N＞1个单法布里-珀罗标准具滤波器模块的级联。图2中示出VTFPF的实施例，其中N＝2。每个模块21、22包括法布里-珀罗板标准具24、25，和以电引线27、28表示的相关联的温度控制单元。箭头表示光束通过装置的方向。VTFPF的游标效应(Vernier effect)产生于级联多个具有FSR的滤波器部件，其中所期望的FSR的一小部分用于整个VTFPF。该小部分可为0.33或更小，优选为0.1或更小。这允许每个滤波器部件在比单个标准具自身所需要的温度范围小得多的温度范围(典型地小于30摄氏度)上被调谐。因此，VTFPF滤波器的温度范围小于或者约等于早先提及的已知的波长选择滤波器所需的温度范围的十分之一，并且产生具有微调能力的VTFPF。在这种VTFPF中，VTFPF模块中的标准具被设计为FSR小于300GHz，优选小于150GHz，并且用于调谐VTFPF的每个模块的温度范围小于20摄氏度。重要的特征是，滤波器中的每个标准具具有的FSR相对于级联中的其它标准具的FSR稍微偏移。图2中示出的VTFPF的例子是：

例子1

N＝2个标准具

FSR₁＝100GHz

FSR₂＝101.8GHz

在这个例子中的标准具的各面的反射系数为0.95。该例子的VTFPF产生具有8THz的扫描FSR和对于相邻的100GHz WDM信道的7dB邻道抑制(ACR)的滤波器。

图3示出具有三级31、32、33的VTFPF装置。该三级如图中所示地被串联地光学耦合。该三级中的每个包括标准具34、35、36，并且每个被设有由电引线37、38、39表示的独立的温度控制。图3中的VTFPF的FSR的例子为：

例子2

N＝3个标准具

FSR₁＝100GHz

FSR₂＝101.8GHz

FSR₃＝103.8GHz

在该例子中的标准具的各面的反射系数为0.95。该例子的VTFPF具有8THz的总FSR，并且提供16dB ACR。

对于上述VTFPF的模拟滤波器透射率在图4-7中示出。图4示出对于例子1中的两个VTFPF模块(标示为标准具1和标准具2)中的每一个，所感兴趣的从191.5THz至196.5THz的频率范围上的透射率，以及级联模块的整体透射率。图5仅针对范围191.5THz至192.5THz重复相同的数据以更加清楚地示出在192THz的谐振附近的数据。

通过将各面的反射系数从0.95(如例子1中)改变到0.99，可增加装置的等强干涉束有效数。其结果(对于N＝2的装置)在图6中示出。在该情况下的ACR为22dB。

图7示出对于例子2中的三个VTFPF模块(标示为标准具1，标准具2和标准具3)中的每一个，所感兴趣的从191.5THz至196.5THz的频率范围上的透射率，以及三个级联模块的整体透射率。图8仅针对范围191.5THz至192.5THz重复相同的数据以更加清楚地示出在主谐振频率附近的数据。

如之前所描述的，VTFPF的主谐振频率是温度敏感的，并且通过改变VTFPF的N个模块的温度来调谐VTFPF。本发明的VTFPF的特点是N个模块的温度是被独立控制且被独立改变的。图9中示出内在机制，其中两模块(N＝2)VTFPF装置的谐振在两个温度状态示出。两个模块都开始于第一温度状态，例如，25摄氏度。在第二温度状态，第一模块(标准具1)被加热到27.29摄氏度，同时第二模块(标准具2)加热到27.37摄氏度。在第一温度状态的主谐振频率是191.6THz。在第二温度状态的主谐振频率是191.65THz。

多个温度状态用于在感兴趣的频带内扫描VTFPF。在这里所示的实施例中，该频带是约191.5THz到196.5THz(参见图4)。可选择其它频带。根据本发明的一个方面，N个模块的温度在相对小的温度范围内多次循环以产生整个频带的扫描。这在图10和11中示出。为了简化，这些图仅示出该频带的一部分。图10示出频带191.5THz到192.4THz的温度循环，并且图11示出频带195.5THz到196.5THz的温度循环。每个图示出9次循环。应当理解，对于被设计用于整个频带范围的VTFPF，这些图表示191.5THz到196.5THz的频带内的连续区间(continuum)。每次循环越过0.1THz，故由图10和11所表示的实施例中的整个频带上的扫描将具有大约50次循环。

温度从基础温度被示为Δ。这是为了表示基础温度可在宽范围(例如0-400摄氏度)内变化。基础温度也可在室温之下。为了清楚，两个标准具的温度循环被示为在分开的温度标度上，其中标准具1的温度循环参考图左边的标度，并且标准具2的温度参考右边的标度。

图10中所示的循环遵循锯齿图案。然而，图案的形状对于本发明的操作并不是关键的。上下台阶(up and down steps)可具有任何合适的形状。在一些情况下，优选正弦波图案。

图10和11中的温度循环的绝对温度范围小于5摄氏度。对于其它应用，可使用不同的温度范围设置。为了获得本发明的益处，即在小温度范围内热循环标准具，循环的温度范围可小于30摄氏度，并且优选小于10摄氏度。

温度循环被定义为从T1到T2的温度改变。在扫描期间的任何给定时间，标准具N1的温度被定义为T_N1，并且标准具N2的温度被定义为T_N2。标准具N1在T1_N1和T2_N1之间循环。该循环的范围为ΔT_N1。标准具N2在T1_N2和T2_N2之间循环。该循环的范围为ΔT_N2。

仔细检查图10和11的循环，得出在4.1摄氏度的范围上，标准具N1在相同的两个温度T1_N1和T2_N1之间循环。然而，标准具N2在相同的绝对温度范围4.1摄氏度上循环，但是在扫描过程中，温度T1_N2和T2_N2从循环到循环逐步改变。还应当理解，标准具1，T_N1和标准具2，T_N2之间的温度差在每次循环期间是固定的，但是从循环到循环是增加的。这是本发明的重要特征，并且在图12和13中示出。这些图均示出9次循环，还示出每次循环期间标准具1和标准具2之间的温度差增值。在该实施例中，从循环到循环的温度差增值为0.085摄氏度，即一般而言小于0.1摄氏度。

循环之间的温度差增值可以根据所使用的循环的数目而相当大地变化，所使用的循环的数目又取决于扫描的应用和精度。一般，在可能的商业应用中，阶梯状的或其它循环图案的从循环到循环的温度差增值将小于1.0摄氏度。

图14和15示出了作为图12和13中所示的温度循环的结果的每个标准具的FSR的变化。每个标准具的每次循环的FSR范围大约为0.05GHz每循环。

装置中的两个模块(N＝2)是对于这里所描述的装置的最小值。可预料，更多要求的应用可能需要至少三个模块。

每个模块的温度应被调准(align)以与在期望的调谐频率处相关联的标准具的FSR峰值匹配。为了维持滤波器形状和FSR调整从而使ACR下降例如小于1dB，调谐温度优选精确到±0.01℃。取决于应用，该精确度可显著改变。通常，根据本发明构造的装置将具有温度变化公差小于±0.1℃的VTFPF模块。应该理解，当温度被称为“等于”或“相同”时，这些公差应是被推知的。

可理解，由于每个模块的温度是独立控制的，每个模块应和其它模块物理分开，并且可被充分移动来允许每一级的(多个)标准具的温度被独立控制。

这里主要感兴趣的VTFPF是针对光学透射系统的，所述光学透射系统通常在中心在或者靠近1.55微米的波长带操作。许多系统应用所需的波长范围是1.525到1.610微米。这意味着标准具所使用的材料具有大约1.55微米的宽透明窗口。然而，对于其它波长状况，例如1.310微米，VTFPF装置是有用的。

法布里-珀罗标准具的结构基本上是常规的，每个包括具有平行边界的透明板。可使用多种材料，部分地根据信号波长(如前所述)以及所需的温度调谐范围来选择。标准具的光学特性随着温度改变，归因于至少两个参数：折射率随温度的变化，通常被称为热光效应，并被写成dn/dt，其改变光学界面之间的光路长度；和热膨胀系数(CTE)，其改变光学界面之间的物理间距。在标准标准具装置设计中，装置对温度改变的光学灵敏度被最小化。可以选择具有低dn/dt和/或低CTE的材料。也可选择其中dn/dt和CTE符号相反且互补的材料。用于标准具的普通材料是熔凝石英、五氧化二钽或五氧化铌。也可以使用半导体材料或玻璃。

优选的是，本发明的VTFPF基于作为体标准具衬底材料的硅。硅具有大的热光系数，并且因此不适用于大多数光学装置。然而，非晶硅、多晶硅以及优选地单晶硅被推荐用于这里所描述的方法，因为大的热光系数是期望的。在用于调谐标准具的温度范围内，单晶硅的热光系数大约为1.9-2.4×10^-4每开氏度。

标准具的典型的截面尺寸为1.8毫米见方，其中光学活性区域大约为1.5毫米见方。如以上所述，VTFPF标准具的厚度可小于1mm，典型地为0.05至1mm。标准具的尺寸将影响温度可如何快速地改变，并且因此影响循环时间。取决于该变量和其他变量，循环时间可广泛地变化。对于大多数应用，其中滤波器的带通被扫描，目标是快速的扫描时间。在这些应用中，可使用小于10秒的扫描时间，并且利用最新的标准具温度控制器可以容易地实现小于10秒的扫描时间。

图1-8中所示的实施例制造具有微调能力的VTFPF装置。但是，可以发现重要的工业应用，其中期望具有更快的调谐。为实现这个，根据本发明的替代实施例，一个标准具执行仅仅一次循环，而其它(多个)标准具保持在固定的温度。

更快速的调谐的另一个选择是将扫描分为较少的循环，并且使用具有更大FSR的标准具。该选择在图16和17中被示出，其使用N＝2的VTFPF。FSR数目用GHz表示。这里，扫描同样的5THz频带，但是用仅9次循环来替代50次。图16示出该实施例的温度循环范围。每次循环的温度范围也是先前所描述的实施例的温度范围的5倍以上，即大约26摄氏度。图17所示的是，对于每个标准具，由图16中所示的温度循环导致的FSR的变化。每个标准具具有更大的FSR，是结合图1-8所描述的FSR的5倍以上。标准具分别具有572GHz和589.5GHz的标称(室温)FSR，差值是17.5GHz。在所示的温度循环内每个标准具中的FSR的变化大约为1.75GHz。这说明标准具模块之间的FSR差值可能相对较大。对于本发明的大多数实际实施例，FSR的差值将至少为0.1GHz。0.1至50GHz的范围是合适的。

应当明显的是，用于扫描给定频带的温度循环的数目S可以广泛地变化。任何给定的循环数的存在可以是根据本发明的VTFPF的操作的有用的指示。由于对于给定的频率扫描带，本发明的原理是将该带分为S个子带，并且对于每个子带循环N个标准具的温度，因此如果在扫描期间扫描分为至少3个子带并且标准具的温度被循环至少3次(S＝3)，可认为实现了本发明的优点。然而，如果整个扫描被分为更多的子带，将实现更多最佳的游标操作。典型地，这将是7个以上，并且对于每次扫描，N个标准具将被循环7次以上。

其它替代的实施例包括使用多腔标准具。例如，对于具有N＝2的VTFPF装置，可使用双腔标准具。然而，第三个内反射镜腔的存在在滤波器透射率上产生较高阶调制，并且单个FP腔之间的不需要的耦合变得更严重，因为标准具之间的间隔减小了。而且，标准具紧密地间隔会干扰先前提及的独立温度控制。因此，优选标准具间隔开至少1mm。而且，在标准具腔隔开的情况下，可使用一个或多个光纤隔离器来控制内腔耦合。

其它替代的实施例可设计为用反射表面来折叠光路。可使用补充的透镜布置来如所期望地引导或聚焦光束。这些装置的修改种类在本发明的意图和范围内。

对于本领域技术人员来说将出现本发明的各种其他修改。所有从基本上依靠原理及其等同物(通过所述原理及其等同物来推进技术)的该说明书的教导的偏离均应在本发明的如所描述和所要求的范围内被适当地考虑。

Claims

1.一种用于调谐滤光器的方法，其中该滤光器包括至少两个法布里-珀罗标准具模块N₁和N₂，该方法包括通过S次循环来循环所述模块的温度的步骤，其中S次循环中的每一次包括同时将N₁模块的温度T_N1在T_Δ1的范围内从T1_N1改变到T2_N1以及将N₂模块的温度T_N2从T1_N2到T2_N2改变T_Δ2，其中温度差值T_N2-T_N1在每次循环期间是固定的，并且从循环到循环是改变的。

2.如权利要求1所述的方法，其中S至少为3。

3.如权利要求2所述的方法，其中温度改变发生在光信号传输通过滤光器时。

4.如权利要求2所述的方法，其中法布里-珀罗标准具模块N₁和N₁均包括具有自由频谱范围(FSR)的法布里-珀罗标准具，并且模块N₁的FSR和模块N₂的FSR相差至少0.1GHz。

5.如权利要求4所述的方法，其中模块N₁和模块N₂之间的FSR差值在0.1到50GHz的范围中。

6.如权利要求4所述的方法，其中T1_N1和T2_N2在0-400摄氏度的范围中。

7.如权利要求4所述的方法，其中T1_N1和T1_N2在S次循环的至少一次期间是相同的。

8.如权利要求4所述的方法，其中T_Δ1和T_Δ2小于30摄氏度。

9.如权利要求4所述的方法，其中改变温度通过对于每个标准具级调节单独的加热装置来实现。

10.如权利要求4所述的方法，其中温度差值T_N2-T_N1从循环到循环改变小于1.0摄氏度。

11.如权利要求4所述的方法，其中光学信号的中心波长靠近1.55微米。

12.如权利要求4所述的方法，其中S在7以上。

13.一种用于调谐滤光器的方法，其中该滤光器包括至少两个法布里-珀罗标准具模块N₁和N₂，该方法包括通过S＝1次循环来循环N₁模块的温度的步骤，其中S次循环包括将N₁模块的温度在范围T_Δ1从T1_N1改变到T2_N1，同时保持N₂模块的温度固定。

14.一种滤光器，包括：

法布里-珀罗标准具模块N₁，

N₁温度控制器，用于控制模块N₁的温度，

法布里-珀罗标准具模块N₂，其与模块N₁分隔开并与其光学对准，

N₂温度控制器，用于控制模块N₂的温度，

其中，温度控制器N₁和N₂通过S次循环同时循环所述模块的温度，其中S次循环中的每一次包括同时将N₁模块的温度T_N1在T_Δ1的范围内从T1_N1改变到T2_N1并且将N₂模块的温度T_N2从T1_N2到T2_N2改变T_Δ2，其中温度差值T_N2-T_N1在每次循环期间是固定的，并且从循环到循环是改变的。

15.如权利要求14所述的滤光器，其中S至少为3。

16.如权利要求15所述的滤光器，其中法布里-珀罗标准具模块N₁和N₂均包括具有自由频谱范围(FSR)的法布里-珀罗标准具，并且模块N₁的FSR和模块N₂的FSR相差至少0.1GHz。

17.如权利要求16所述的滤光器，其中模块N₁和模块N₂之间的FSR差值在0.1到50GHz的范围中。

18.如权利要求16所述的滤光器，其中标准具模块包括硅。

19.如权利要求18所述的滤光器，其中标准具模块中的标准具包括硅板，并且该板的厚度在0.05mm到1mm的范围中。

20.如权利要求16所述的滤光器，其中该滤光器包括三个法布里-珀罗标准具模块。