CN102608708A - 一种波长可调的光学滤波器 - Google Patents

Abstract

一种波长可调的光学滤波器，包括光环行器、光纤准直器、扩束棱镜组、透射式相位光栅、傅里叶透镜、反射镜、直线步进电机和调谐棱镜。从光环行器端口①输入的DWDM光信号，经端口②进入光纤准直器，变成准直光束，经棱镜组扩束之后，被光栅衍射和透镜变换，不同波长的光束色散展开并保持相互平行，经调谐棱镜折射后，垂直入射在反射镜上，反射镜足够窄，保证只有一个信道的光束被反射，该信道的光束经反射后沿原路返回，从光环行器的端口③输出，其他信道的光束因不能被反射而损耗掉，从而实现滤波功能。通过直线步进电机精确地控制调谐棱镜的位置，就可以调谐滤波器的透射光中心波长。与反射式结构相比，本发明对机械抖动的容差更大。

Description

一种波长可调的光学滤波器

技术领域

本发明涉及一种应用于光纤通信领域中的光器件，具体地说涉及一种中心波长可逐个信道调谐的光学滤波器。

背景技术

目前的光纤通信系统普遍采用DWDM传输技术，而且光纤网络正在从点到点传输向全光网络发展，光纤链路变得复杂化，光信道的管理越来越重要，而光信道的在线监测是管理的基础。

光信道的在线监测，一般以一个小分光比的光纤耦合器，从传输光纤中分出部分光功率，再用可调光学滤波器依次滤出各个光信道进行监测，或者同时滤出其中几个光信道进行处理。

可调光学滤波器的主流技术方案，是采用法布里-珀罗腔(FP腔)结构，通过调节腔长来实现波长调谐，FP腔长的调节方式则多种多样，可以采用MEMS结构、压电效应、声光效应和热光效应等。这种基于FP腔的结构，其滤波谱为尖顶型，可用于DWDM信号的光谱分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波长可调的光学滤波器，该光学滤波器可以对信道进行监测，并具有调试方便，机械抖动的容差大的特点。

本发明提供的波长可调的光学滤波器，其特征在于，它包括光环行器、光纤准直器、扩束棱镜组、透射式相位光栅、傅里叶透镜、第一反射镜、直线步进电机和调谐棱镜；

光环行器和光纤准直器的输入端通过光纤连接，光纤准直器的输出端、扩束棱镜组和透射式相位光栅依次位于同一光路上，透射式相位光栅和反射镜分别位于傅里叶透镜的前、后焦面上，直线步进电机用于控制调谐棱镜的位置，以逐个信道的调谐滤波器的透射光中心波长。

作为上述技术方案的改进，从扩束棱镜组出来的光在透射式相位光栅上的入射角θ由公式

计算得到，其中λ为信号光的中心波长，d为光栅常数。

作为上述技术方案的进一步改进，第一反射镜的宽度小于DWDM光信号的相邻信道光束间距，并为高斯光束束腰直径的2-3倍。

作为上述技术方案的更进一步改进，该光学滤波器还包括用于对光路进行折叠的第二反射镜和转角棱镜，以及用于实现对光束进行第二次衍射的第三反射镜，第三反射镜位于透射式相位光栅之后，将第一次衍射之后的光束反射回到透射式相位光栅上，进行第二次衍射。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

(1)本发明提出一种波长可调的光学滤波器，可以从光纤中传输的DWDM信号中选择滤出一个光信道，以进行信道监测。

(2)本发明采用透射式相位光栅和傅里叶透镜的组合对DWDM信号光束进行空间色散分离。

(3)本发明采用一个扩束棱镜组对DWDM信号光束进行扩束以提高光栅的分辨率，扩束棱镜没有光轴，在器件调试过程中无需考虑光轴调节问题，降低了光路调试难度。

(4)本发明对中心波长的调谐通过直线步进电机精确地改变棱镜的位置来实现，该滤波器中的唯一可动部件是透射式调谐棱镜，其滤波效果对调谐过程中的机械抖动容差较大。

(5)反射镜的宽度小于相邻信道光束间距，以保证每次只有一个信道的光束能被反射并沿原光路返回。

附图说明

图1为波长可调光学滤波器的结构和原理；

图2为光栅和透镜对DWDM光束的色散分离情况；

图3为棱镜对光波长的调谐原理；

图4为扩束棱镜组对光束的展宽原理；

图5为实际方案图；

图6为光栅+反射镜的两次衍射光学结构；

图7为反射镜光束限制因子对滤波器谱线的影响。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的光学滤波器包括一个光环行器1、一个光纤准直器2、一个扩束棱镜组3、一个透射式相位光栅4、一个傅里叶透镜5、一个第一反射镜8和一个由直线步进电机7控制的调谐棱镜6。

光环行器1的第二端口②和光纤准直器2的输入端通过光纤连接，光纤准直器2的输出端、扩束棱镜组3和透射式相位光栅4依次位于同一光路上。从扩束棱镜组3出来的光在透射式相位光栅4上的入射角θ由公式

给出，其中λ为信号光的中心波长(1550nm)，d为光栅常数(选用的光栅线数为966线/毫米，因此

)。透射式相位光栅4和反射镜8分别位于傅里叶透镜5的前后焦面上.直线步进电机7与调谐棱镜6相连，可以控制棱镜的位置。

从光环行器1的第一端口①输入的DWDM光信号，经第二端口②进入光纤准直器2，变成准直光束，经棱镜组3扩束之后，被透射式相位光栅4衍射和傅里叶透镜5变换，不同波长的光束色散展开并保持相互平行，经调谐棱镜6折射后，垂直入射在反射镜8上，反射镜8小于相邻信道光束间距，保证只有一个信道的光束被反射，该信道的光束经反射后沿原路返回，从光环行器1的第三端口③输出，其他信道的光束因不能被反射而损耗掉，从而实现滤波功能。通过直线步进电机7精确地控制调谐棱镜6的位置，就可以逐个信道的调谐滤波器的透射光中心波长。

调谐原理如图3所示，经透射式相位光栅4衍射和傅里叶透镜5聚焦之后，各信道光束在空间上被色散分离，并且光束之间相互平行，经调谐棱镜6折射之后，各信道光束仍保持相互平行，通过直线步进电机7驱动调谐棱镜6的位置，可以选择让某一特定信道的光入射到反射镜8上。图3中，当棱镜位于位置A、B、C时，分别让波长为λ_a、λ_b、λ_c的光入射到反射镜8上。

透射式相位光栅4和反射镜8分别位于傅里叶透镜5的前后焦面上，构成一个2f系统。从侧视方向观察，从光纤准直器2输出的光束是水平的，并与傅里叶透镜5的光轴重合，这种结构可以保证，被光栅色散分离的不同波长的光束，经傅里叶透镜5变换之后，被调谐棱镜选择的信道光束能正入射在反射镜8上，然后沿原光路返回。

为了提高光栅的分辨本领，需要对从准直器输入的光束进行展宽，常用的扩束结构是以两个透镜构成的望远系统，在器件调试过程中，要求望远系统的光轴与后续傅里叶透镜的光轴重合。为了提高透射式相位光栅4的分辨本领，本发明以一个扩束棱镜组3对从准直器2输出的光束进行展宽，如图4所示。相对于其他方案中常用的以两个透镜构成的望远系统，无需考虑扩束系统(扩束棱镜无光轴)与后续傅里叶透镜5之间的光轴调节问题，降低了光路调试难度。本发明所采用的扩束棱镜没有光轴，在器件调试过程中无需考虑光轴调节问题，降低了光路调试难度。

图1为可调光学滤波器的原理图，实际的器件结构，如图5所示。为了缩小体积，需另外引入第二反射镜10和转角棱镜11，对光路进行折叠。其中，第二反射镜10位于透射式相位光栅4衍射和傅里叶透镜5的光路上，转角棱镜11位于傅里叶透镜5和调谐棱镜6的光路上。另外，由于透射式相位光栅4的色散能力有限，如果只对信号光进行一次衍射，不同信道的光束在空间上分得不够开，这样就导致用作空间滤波的反射镜8必须做得特别窄，增加了反射镜制作和光路调试的难度。因此，在透射式相位光栅4之后引入一个第三反射镜9，将第一次衍射之后的光束反射回到透射式相位光栅4上，进行第二次衍射，如图6所示这种“相位光栅+反射镜”结构的色散能力比单个相位光栅增加一倍。

本发明通过直线步进电机7驱动调谐棱镜6，以控制调谐棱镜6的位置，以选择入射在反射镜上的DWDM光信号波长。这种方式成本低、精度高、操作简单。在设计反射镜8宽度时，需综合考虑以下两个方面：

(一)为了实现对单个信道的滤波，应该保证每次只有一个信道的光束能被反射并沿原光路返回，因此反射镜的宽度应当小于相邻信道光束间距，如图3所示。

(二)要保证光谱的通带平坦度。宽带光源入射在反射镜上，形成的反射光谱可以用式(1)描述：

$\mathrm{\η}\left(v\right)=\frac{1}{2}\left\{\mathrm{erf}\right[\sqrt{2}m(1+\frac{2v}{v_{\mathrm{ch}}})]+\mathrm{erf}[\sqrt{2}m(1-\frac{2v}{v_{\mathrm{ch}}})\left]\right\}---\left(1\right)$

其中，v_ch为DWDM光信号的信道频率间隔，m＝D/2ω为反射镜对光束的限制因子(D为反射镜的宽度，ω为入射在反射镜上的高斯光束的束腰半径)。通过式(1)得到反射镜的光束限制因子对滤波器谱线的影响如图7所示。可以看到，限制因子越大，光谱的通带平坦度越好，这就要求反射镜的宽度不能太小。另外，反射镜太小了也会增加光路调试的难度。基于以上考虑，反射镜宽度应当小于DWDM光信号的相邻信道光束间距，并为高斯光束束腰直径的2-3倍。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种波长可调的光学滤波器，其特征在于，它包括光环行器、光纤准直器、扩束棱镜组、透射式相位光栅、傅里叶透镜、第一反射镜、直线步进电机和调谐棱镜；

光环行器和光纤准直器的输入端通过光纤连接，光纤准直器的输出端、扩束棱镜组和透射式相位光栅依次位于同一光路上，透射式相位光栅和反射镜分别位于傅里叶透镜的前、后焦面上，直线步进电机用于控制调谐棱镜的位置，以逐个信道的调谐滤波器的透射光中心波长。

2.根据权利要求1所述的波长可调的光学滤波器，其特征在于，从扩束棱镜组出来的光在透射式相位光栅上的入射角θ由公式

计算得到，其中λ为信号光的中心波长，d为光栅常数。

3.根据权利要求1所述的波长可调的光学滤波器，其特征在于，第一反射镜的宽度小于DWDM光信号的相邻信道光束间距，并为高斯光束束腰直径的2-3倍。

4.根据权利要求1、2或3所述的波长可调的光学滤波器，其特征在于，该光学滤波器还包括用于对光路进行折叠的第二反射镜和转角棱镜，以及用于实现对光束进行第二次衍射的第三反射镜，第三反射镜位于透射式相位光栅之后，将第一次衍射之后的光束反射回到透射式相位光栅上，进行第二次衍射。

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