CN103293698B - 一种基于光栅的可调滤波器 - Google Patents

一种基于光栅的可调滤波器 Download PDF

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Abstract

在一种基于光栅的可调滤波器中，包括多波长的输入波束被导入环行器的输入光纤。所述波束被准直，之后被一执行旋转的平面镜反射。而后所述波束被放大，被传送到且通过一个透射衍射光栅，该透射衍射光栅使被透射的波束的不同波长被偏转到不同角度。波长传送到一平面镜并被反射，只有被透射的波束中的极小部分波长光谱将沿着输入路径被反射回来，之后传送到输出光纤。

Description

一种基于光栅的可调滤波器
交叉引用相关申请
本申请要求享有于2012年4月8日提交的发明名称为“一种基于光栅的可调滤波器”的美国临时专利申请No.13/441,899的优先权，该专利在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及可重构光网络和分光计扫描引擎，尤其涉及可用于该网络和引擎的可调滤波器。
背景技术
本领域已知多种类型的可调光学滤波器。常用滤波器包括旋转或倾斜薄膜带通光学滤波器，线性可变薄膜滤波器，电控、热控或声控可调波长标准具以及热敏腔层位于反射层之间的薄膜滤波器结构。发明名称为“使用光衍射元件和平面镜的紧凑高分辨率可调光学滤波器”的美国专利No.7,899,330克服了现有技术的一些缺陷。该专利使用至少一个衍射元件，将多波长的光衍射为不同的波长分量。与某些现有滤波器中移动衍射元件所不同的，该专利用一个可调节的MEMS镜，将来自至少一个元件的光反射回至少一个元件，以便所述光被该至少一个元件衍射至少两次。这种反射将导致所述波长分量中的至少一个被选中的波长分量顺利从一输入端口通过到一输出端口或另一个设备。该专利给出了使用单一光透射光栅通常将获得非常低的色散效果的教导。这使得用于DWDM系统中的具有100GHz或50GHz信道间隔的紧密间隔波长信道很难被分开。该专利进一步教导了，虽然存在大色散功率的光栅，但它们往往非常昂贵且由于需要增加特定的棱镜而更加复杂。发明人试图通过使用两个级联光学透射光栅以及一个高分辨率MEMS镜以使得信号通过一个光栅四次(通过两个光栅中的每一个各两次)，以克服上述缺陷。这极大地增加了总的色散角度，从而导致了高度临近信道分离开。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种可调光学滤波器以克服上述的问题。在本发明中，输入路径中将使用一个MEMS镜。因此，该透镜需要旋转的角度仅仅为将该镜放置在光栅后面的情况的一半。这使得相比于现有技术而言，所述MEMS镜和可调光学滤波器系统的制造都更加简单。本发明中，将波束扩展器布置在光栅的前面，使得可以使用具有短焦距的准直器，还实现了光栅上的大波束尺寸以维持好的光谱分辨率。较短焦距的准直器使得排列更加稳定。由于MEMS镜和望远镜均设置在光栅前，就能够在带宽选择器后使用聚焦透镜来获得平顶光的可调滤波器。
在本发明的一个示范性实施例中，包括多波长的输入波束被直接输入到环行器的输入光纤。所述波束被准直，之后被一旋转的平面镜，如MEMS镜，反射。而后所述波束被放大，被传送到且通过一个透射衍射光栅，该透射衍射光栅使被透射的波束的不同波长偏转到不同角度。波长光传送到一平面镜并被反射，只有被透射的波束中的极小部分波长光谱将沿着输入路径被反射回来，之后传送到输出光纤。
在另一实施例中，光栅为反射光栅且被用于返回输出波束到输出光纤。实施例中还描述了使用双光纤准直器、且每一个准直器将其输出导向分离的专用于旋转的平面镜上的情况。另一个示范性的实施例提供了一个光栅后面的透镜。该透镜被配置为将偏转后的波长引导到一个焦平面，在该焦平面上设置有带宽选择器区分波长大小以反射预定的带宽。另一个实施例利用放大镜来引导偏转后的波长到所述焦平面。另一个实施例还通过在波束中插入光楔来纠正返回波束中的移位。还有一个实施例通过利用一个两维可调节的可调平面镜来纠正波束移位。
附图说明
并入说明书并构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同说明书一起用来解释本发明的原理。
图1示出了本发明一利用透射光栅和旋转执行器上的反射镜的实施例的示意图。
图2示出了使用反射光栅的设计。
图3是示出同一模块中两个可调滤波器的阵列的示意图。
图4是示出具有带宽调节能力的可调滤波器设计的示意图。
图5示出了另一设计，使用一个透镜在光栅之前扩展波束且将衍射后的波束聚焦到带宽选择器的平面。
图6为具有包含小楔形的光平面板的基于透射光栅的可调滤波器示意图。
具体实施方式
图1为本发明一实施例的示意图。将包括多种波长的光谱的输入波束10导入环行器14的输入光纤12。输入/输出准直器16对该波束进行准直。准直后的波束射到安装在旋转执行器上的平面镜18上。这类执行器为本领域所公知的。为了实现高光谱分辨率，所述波束需要被扩展到更大的直径以覆盖光栅上的更多刻线。因此，输入波束10经平面镜18反射后，被波束扩展器20放大，该波束扩展器20包括放大镜22和24，在本方案中22和24均为正透镜。之后输入波束10被传送到并通过透射衍射光栅26。被透射的波束的不同波长被衍射光栅偏转到不同的角度。这些波长传送到平面镜28且被反射。被透射的波束中只有极小部分波长光谱会垂直到达所述反射镜从而会沿着输入的路径被反射回来，之后传送到输出光纤30。
所述旋转执行器能够沿着与页面垂直的Y轴旋转以改变所述平面镜的角度，从而改变所述衍射光栅的入射角。在图1中，实线32和虚线34分别对应以两种入射角到达光栅的波束。对执行器的每一种角度而言，只有极小部分波长光谱的波束与所述反射镜垂直。该具有有用波长的波束沿着输入路径被反射回来，之后到达输出光纤，实现了可调滤波器的功能。
为简明起见，在图1中，输出光通过环行器导入输出光纤。亦可使用其它设计。例如，使用具有沿Y方向分离的两条光纤的双光纤准直器，通过一条光纤发射输入光，在另一条光纤收集输出光。一个双光纤准直器由并行的两条光纤和一个透镜组成。光纤的末端被放置在透镜的焦平面附近。调整该双光纤准直器，使得连接准直器的一条光纤末端的中心与另一条光纤末端的中心的线，与所述执行器平面镜的入射面垂直。
图2为使用反射光栅的设计图。将包括多种波长的光谱的输入波束110导入环行器114的输入光纤112。输入/输出准直器116对该波束进行准直。准直后的波束射到安装在旋转执行器上的平面镜118上。输入波束110经平面镜118反射后，被波束扩展器120放大，该波束扩展器120包括放大镜122和124，在本方案中122和124均为正透镜。之后输入波束110被传送到反射衍射光栅126并被反射。被反射的波束中只有极小部分波长光谱会沿着输入的路径被反射回来，之后传送到输出光纤130。
图3是示出了同一模块中两个可调滤波器阵列的示意图。在该图中，仅画出了每个可调滤波器的主光线。一整套装置将使用两个平面镜-执行器组件、两个双光纤准直器、一个波束扩展器、一个光栅和一个反射镜。因而具有在人力和物力上节约成本和占用面积紧凑的优点。具体而言，输入波束200被导入连接输入/输出准直器212的输入光纤210中。输入波束200被一个执行旋转的平面镜214反射并通过放大镜216和218，再通过透射光栅220到达平面镜222。如在前实施例所述，平面镜的旋转角度决定了即将被反射回来到达输出光纤224的波长。以相似的方式，输入波束300被导入连接输入/输出准直器312的输入光纤310中。输入波束300被一个执行旋转的平面镜314反射并通过放大镜216和218，再通过透射光栅220到达平面镜222。如在前实施例所述，平面镜的旋转角度决定了即将被反射回来到达输出光纤324的波长。通过采用如图2的实施例中的反射衍射光栅126取代透射光栅可以对本设计进行修改。
图4示出了具有带宽调节能力的可调滤波器设计示意图。在该设计中，一个聚焦透镜被放置在光栅之后以将被衍射的光聚集到焦平面。每一波长在该焦平面上都有自己的焦斑。在该焦平面上，使用带宽选择器来代替简单的反射镜。该带宽选择器被设计为只反射光轴附近的光。例如，该带宽选择器可以为一个被非反射区域包围的高反射圆盘。滤波器的带宽与反射圆盘的直径成比例。通过改变反射盘的直径就可以改变滤波器的带宽。为简明起见，在图4中，光栅之后仅画出了两个波长。击中反射器中心的波束被反射回到光栅，被接收光纤收集。相反，聚焦到反射器以外的波束将错失接收光纤而被拒绝。更具体而言，输入波束400被导入引导光通过环形器412的输入光纤410，，之后被输入/输出准直器414准直。准直后的波束被旋转的平面镜416反射，被透镜418和420扩展并直接通过衍射光栅422。该衍射后的光被收集并聚焦到焦平面424。一个带宽选择器426位于该焦平面。焦平面的其余部分是非反射的。只有被带宽选择器反射的那部分波束能够到达输出光纤428。
图5为类似于图4的另一个设计图。采用一个透镜在光栅之前提供大收敛波束以及聚焦衍射后的波束到带宽选择器的平面。在图4中有两个透镜分别位于衍射光栅的前后。在本方案中，光栅在准直的间隔中。
输入波束500被导入环行器511的输入光纤510中，来自光纤510的光被输入/输出准直器512准直，之后被执行旋转的平面镜514反射。被反射后的波束被透镜516在其焦平面聚焦，该焦平面是输入端光纤的末端上源的中间成像平面，而后焦点被透镜518成像在成像平面522上。中间成像平面上的图像既可以是源的实像也可以是虚像，这依赖于所使用的波束扩展器的类型。如果波束扩展器的两个透镜都是正透镜，源的中间成像为实像。如果一个正透镜和一个负透镜(比如伽利略望远镜中的情况)，那么中间成像为虚像。选择这些透镜以便于扩展后的波束针对不同的波长分量可以在成像平面上聚焦在不同的焦点。通过透镜518后的大收敛波束通过衍射光栅520，每一波长都被聚焦在成像平面上。带宽选择器524位于该焦平面。只有带宽选择器反射的光才能被反射到输出光纤526。
为了使偏振相关损耗降到最小，在图1和图3中，可以在反射镜和光栅之间插入一1/4波片。在图4和图5中，可以在光栅之后插入一1/4波片。
图6除了包括一2-DMEMS镜600和/或光平面板610之外，与图1相同。图1中使用的MEMS镜能够以一个轴(Y轴)倾斜，因此被称为1-DMEMS镜。该1-DMEMS镜的旋转轴被调整为与光栅刻线槽平行。
在设备的运行过程中，返回的波束有可能偏离输入的路径。如果在接收光纤处的偏离是在与光栅刻线槽垂直的方向，则输出波长将会改变。这种情况通过倾斜所述MEMS镜能够很容易地被纠正。当偏离是在与光栅刻线槽平行的方向，插入损耗会变大。如图6所示，具有非常小的楔形的光平面板610能够被插入到准直的间隔，如第一放大透镜之前的间隔或放大透镜之后的间隔，以更正组件中的未对准。这能够有效地提高滤波器的收益。
2-DMEMS镜600具有两个旋转轴，如：图6中的两个轴(Y’轴和X’轴)，能够用于改变波束的方向。旋转执行器具有第一轴(Y’轴)以改变与光栅刻线槽垂直的方向上的波束方向，从而改变光栅的入射角度和波长。
当平面镜围绕2-DMEMS镜的第二轴(X’轴)旋转时，反射波束沿着与光栅刻线槽平行的方向背离。由于波束沿着光栅刻线槽的方向背离，这个移动导致返回的波束偏离接收光纤(输出口)。结果是，插入损耗改变了，但波长不受影响。因此，该第二轴提供了一种改变滤波器传递系数(如：插入损耗)的功能。如果模块变得方向偏离，以第二轴旋转能够被用于纠正插入损耗。
出于描述和说明的目的提供了本发明的前述内容，并且前述内容并非旨在是穷举性的或者将本发明局限于所公开的精确形式。根据上面的教导，可以进行许多修改和变化。所公开的实施例仅为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够以各种实施例和利用适合于所考虑的特定用途的各种修改来最佳地使用本发明。本发明的范围由下面的权利要求来限定。

Claims (28)

1.一种可调光学滤波器，包括：
一输入端口，用于接收多波长的输入光；
一第一可调节平面镜，被安置为反射所述输入光以产生反射光；
一衍射光栅，被安置为将所述反射光衍射为不同的波长分量，以产生衍射光；
用于将所述衍射光回传到所述第一可调节平面镜的装置；
用于调节所述第一可调节平面镜的方向以便于所述不同的波长分量中被选中的波长能够传送到一输出端口的装置；
其中，所述衍射光栅为反射光栅，所述反射光栅被可操作性地设置为执行如用于回传衍射光的装置一样的功能；或者，所述衍射光栅为透射光栅，且所述可调光学滤波器进一步包括一透镜，被安置为将所述衍射光聚焦到一焦平面，用于回传衍射光的装置包括一反射器，被安置在所述焦平面。
2.如权利要求1所述的可调光学滤波器，进一步包括：
一准直器，被安置在所述输入端口和所述第一可调节平面镜之间，且被配置为在所述输入光被所述第一可调节平面镜反射之前对所述输入光进行准直。
3.如权利要求1所述的可调光学滤波器，进一步包括：
一波束扩展器，可操作性地位于所述第一可调节平面镜和所述光栅之间，在所述反射光传送到所述光栅之前对其进行扩展。
4.如权利要求1所述的可调光学滤波器，其中用于回传衍射光的装置包括：
一反射器，被安置为接收和反射所述衍射光到所述第一可调节平面镜。
5.如权利要求1所述的可调光学滤波器，其中所述第一可调节平面镜包括微机电系统(MEMS)平面镜。
6.如权利要求5所述的可调光学滤波器，其中用于调节第一可调节平面镜的装置包括：用于向所述MEMS平面镜提供电压的装置。
7.如权利要求1所述的可调光学滤波器，其中用于调节第一可调节平面镜的装置包括：附着于所述第一可调节平面镜的旋转执行器。
8.如权利要求1所述的可调光学滤波器，进一步包括：
一光纤光环行器，其中所述输入端口为所述光纤光环行器的输入光纤，所述输出端口为所述光纤光环行器的输出光纤。
9.如权利要求1所述的可调光学滤波器，进一步包括：
一第二输入端口，用于接收多波长的第二输入光；
一第二可调节平面镜，被安置为反射所述第二输入光以产生第二反射光；
其中所述衍射光栅被安置为将所述第二反射光衍射为不同的波长分量，以产生第二衍射光；
其中用于将所述衍射光回传到所述第一可调节平面镜的装置，被配置为将所述第二衍射光回传到所述第二可调节平面镜；
用于调节所述第二可调节平面镜的方向以便于所述不同的波长分量中被选中的波长能够传送到一第二输出端口的装置。
10.如权利要求1所述的可调光学滤波器，其中所述反射器包括一维度，能够确定将被回传给所述第一可调节平面镜的所述衍射光的带宽。
11.如权利要求3所述的可调光学滤波器，其中所述光栅包括透射光栅；所述波束扩展器包括一第一透镜和一第二透镜，其中所述第一透镜和所述第二透镜之间的第一图像，虚像或实像，被所述第二透镜中继到一图像平面；用于回传衍射光的装置包括一反射器被安置在所述图像平面。
12.如权利要求11所述的可调光学滤波器，其中所述反射器包括一维度，能够确定将被回传给所述第一可调节平面镜的所述衍射光的带宽。
13.如权利要求5所述的可调光学滤波器，进一步包括用于在两个维度上调节所述MEMS的装置。
14.如权利要求1所述的可调光学滤波器，进一步包括一1/4波片，被插入在所述光栅和所述反射器之间，其中所述波片使偏振相关损耗降到最小。
15.如权利要求1所述的可调光学滤波器，进一步包括具有一楔形的光平面板，可操作性地位于所述光学滤波器中以纠正误差。
16.一种可调滤波方法，包括：
在一输入端口接收多波长的输入光；
用一第一平面镜反射所述输入光以产生反射光；
用一衍射光栅将所述反射光衍射为不同的波长分量，以产生衍射光；
将所述衍射光回传到所述第一平面镜；以及
调节所述第一平面镜的方向以便于所述不同的波长分量中被选中的波长能够传送到一输出端口，
其中所述衍射光栅包括反射光栅，其被可操作性地设置为执行如所述回传的步骤一样的功能；或者，所述光栅包括透射光栅，且所述方法进一步包括将所述衍射光聚焦到一焦平面，所述回传的步骤由一反射器执行，该反射器被安置在所述焦平面。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：
在所述输入光被所述第一平面镜反射之前对所述输入光进行准直。
18.如权利要求16所述的方法，进一步包括：
在所述反射光传送到所述光栅之前对其进行扩展。
19.如权利要求16所述的方法，其中回传的步骤包括：
安置一第二平面镜来接收和反射所述衍射光到所述第一平面镜。
20.如权利要求16所述的方法，其中所述第一平面镜包括一MEMS平面镜。
21.如权利要求20所述的方法，其中调节的步骤包括：向所述MEMS平面镜提供电压。
22.如权利要求16所述的方法，其中调节的步骤包括：旋转附着于所述第一平面镜的旋转执行器。
23.如权利要求16所述的方法，进一步包括：
在一第二输入端口接收多波长的第二输入光；
用一第二可调节平面镜反射所述第二输入光以产生第二反射光；
将所述第二反射光衍射为不同的波长分量，以产生第二衍射光；
将所述第二衍射光回传到所述第二可调节平面镜；
调节所述第二可调节平面镜的方向以便于所述不同的波长分量中被选中的波长能够传送到一第二输出端口。
24.如权利要求16所述的方法，其中所述反射器包括一维度，能够确定将被回传给所述第一平面镜的所述衍射光的带宽。
25.如权利要求18所述的方法，其中所述光栅包括透射光栅；所述扩展的步骤由一波束扩展器执行，所述波束扩展器包括一第一透镜和一第二透镜，其中所述第一透镜和所述第二透镜之间的第一图像，虚像或实像，被所述第二透镜中继到一图像平面；用于回传衍射光的装置包括一反射器被安置在所述图像平面。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述反射器包括一维度，能够确定将被回传给所述第一平面镜的所述衍射光的带宽。
27.如权利要求20所述的方法，进一步包括在两个维度上调节所述MEMS。
28.如权利要求16所述的方法，进一步包括通过可操作性地在所述光栅和所述反射器之间安置一1/4波片来使偏振相关损耗降到最小。
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