CN103713360A - 一种带通型可调谐光滤波器阵列 - Google Patents

Abstract

一种带通型可调谐光滤波器阵列，属于可调谐光滤波器，解决现有可调谐光滤波器不能同时满足阵列化集成、平坦的通带特性以及无栅格调谐的问题。本发明包括在光路上依次设置的光纤阵列、微透镜阵列、偏振转换组件、扩束棱镜、柱面镜、衍射光栅、傅里叶透镜以及硅基液晶芯片（LCOS芯片）。本发明基于硅基液晶芯片，采用自由空间光学结构，适当设计微透镜阵列、棱镜、柱面镜和透镜等光学元件的结构及参数，合理分割配置硅基液晶芯片的像素区域，结构简单紧凑，支持对波长的无栅格调谐设计、通带特性进行平坦化设计以及阵列化的集成设计，有较好的热稳定性和偏振稳定性，满足下一代全光网络的发展需求，能广泛应用于光纤通信系统中。

Description

一种带通型可调谐光滤波器阵列

技术领域

本发明属于可调谐光滤波器，具体涉及一种带通型可调谐光滤波器阵列，可广泛应用于光纤通信系统中。

背景技术

随着高输出功率光源、高速率调制技术、宽带光放大技术以及密集波分复用、时分复用、光孤子传输等技术的发展和成熟，光通信系统朝着高速率、超大容量、超长距离以及全光网的方向发展。在光纤传输线路上，采用密集波分复用技术是电信业扩容的主要方法；而在全光网的交换节点中，可重构光分插复用（ROADM）技术被用于克服光-电-光转换的瓶颈效应。在全光网的ROADM节点中，要求进行波长粒度的光交换和上/下路复用操作，可调谐光滤波器是ROADM节点中的重要组成部分。每个ROADM节点中需要多个光滤波器，为了缩小节点设备的尺寸，希望光滤波器能实现阵列化集成；由于光滤波器被用于选择上/下路波长，要求它具有平坦的通带特性，因此带通型可调谐光滤波器阵列的需求应运而生。

现有可调谐光滤波器主要分为以下几种：法布里-珀罗可调谐滤波器、声光可调谐滤波器、马赫-曾德尔可调谐滤波器、光纤光栅滤波器、介质膜滤波器、MEMS光调谐滤波器、液晶光调谐滤波器等。其中，法布里-珀罗可调谐滤波器、声光可调谐滤波器是窄带滤波器；马赫-曾德尔可调谐滤波器损耗较大；光纤光栅滤波器稳定性差；介质膜滤波器、液晶光调谐滤波器为单通道滤波器，均无法满足阵列化集成的需求，MEMS光调谐滤波器则不支持对波长的无栅格调谐。

发明内容

本发明提供一种带通型可调谐光滤波器阵列，解决现有可调谐光滤波器不能同时满足阵列化集成、平坦的通带特性以及无栅格调谐的问题。

本发明所提供的一种带通型可调谐光滤波器阵列，包括在光路上依次设置的光纤阵列、微透镜阵列、偏振转换组件、扩束棱镜、柱面镜、衍射光栅、傅里叶透镜以及硅基液晶芯片（LCOS芯片），其特征在于：

所述光纤阵列为2×M光纤阵列，设置于微透镜阵列前焦面附近，所述微透镜阵列为2×M微透镜阵列，水平方向为2列，竖直方向为M排，M≥2，光纤阵列在竖直方向的M个端口用于输入，竖直方向的另M个端口用于输出，所述微透镜阵列的每个微透镜单独作用于所述光纤阵列的每根光纤；

所述光纤阵列接收来自外部M个端口的宽带光信号，通过微透镜阵列准直为相互独立的M路随机偏振准直光束，送到偏振转换组件，转换成M路偏振态相同的线偏振光，M路线偏振光经过扩束棱镜在水平方向扩束后入射到柱面镜，通过柱面镜在竖直方向扩束后聚焦到衍射光栅，衍射光栅将扩束后的线偏振光在水平方向上色散展开，再经过傅里叶透镜准直后，入射在硅基液晶芯片上的不同像素区域，硅基液晶芯片对入射的线偏振光进行波长筛选，将所需要波长的线偏振光反射回来，经过傅里叶透镜聚焦到衍射光栅后反射到柱面镜上在竖直方向上缩束，再通过扩束棱镜在水平方向上缩束后由偏振转换组件转换为随机偏振光束，通过微透镜阵列耦合到光纤阵列对应输出端口输出。

微调光纤阵列光纤端面与微透镜阵列前焦面的距离z₀，可大范围改变准直光束的束腰位置，当

时，得到准直光束的束腰距微透镜阵列最大距离Z_max，其中ω₀为单模光纤的模场半径，λ为入射波长。

所述的带通型可调谐光滤波器阵列，其特征在于：

所述偏振转换组件由位移晶体和两片半波片组成，两片半波片贴于所述位移晶体的右端面，在垂直方向互相平行，其中心点位于同一水平面，所述位移晶体将入射光分为相互平行的o光与e光，由两片半波片中的一片半波片将其中o光的偏振方向旋转90°，成为e光，最后输出到扩束棱镜上的两束e光互相平行，具有相同偏振态。

所述的带通型可调谐光滤波器阵列，其特征在于：

所述扩束棱镜为直角三棱镜，当输出光束垂直于其直角面时，M路线偏振光在水平方向得到最好的扩束效果，其扩束比β为：

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}=\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \left(\arcsin \left(n_l\sin \mathrm{\α}\right)\right)},$

其中，ω₁，ω₂分别为扩束前后的光斑半径，α为扩束棱镜的顶角，n_l为扩束棱镜材料的折射率。

所述柱面镜的后焦面与傅里叶透镜的前焦面在所述衍射光栅上重合，所述衍射光栅将通过柱面镜聚焦到衍射光栅上的宽带光信号在水平方向上色散展开；所述衍射光栅将经过傅里叶透镜聚焦到衍射光栅上的所需波长的光信号反射到柱面镜上。

柱面镜和傅里叶透镜构成一个望远镜系统，放大率γ=f₂/f₁，即在竖直方向上的扩束比，其中，f₁和f₂分别为柱面镜和傅里叶透镜的焦距。

应用于全光网络光分插复用节点中的带通滤波器，要具有平坦的通带和陡直的边缘，而这些性能指标取决于LCOS芯片上为通带分配的有源区宽度与光束尺寸的比值，称为光束限制因子ξ，光束限制因子越大则通带特性越好。为了得到更好的通带特性，在LCOS芯片上，沿着光信号色散展开的方向，光束应聚焦到尽量小。而在其正交方向，光斑应覆盖尽量多的像素，得到锐度更好的衍射图样，因此，需采用扩束棱镜和柱面镜分别对信号光束进行扩束。

所述的带通型可调谐光滤波器阵列，其特征在于：

所述硅基液晶芯片设置于傅里叶透镜的后焦面上，所述硅基液晶芯片具有二维像素结构，像素数量为m×n，m×n一般为1920×1080、792×600或512×512，其中m为竖直方向像素数量，n为水平方向像素数量，在竖直方向为每个端口分配的像素数量为

在水平方向为每个信道分配的像素数量为

为每个端口-信道分配的像素数量为

其中，y≥1，为竖直方向保留的空置像素总量，x≥1，为水平方向保留的空置像素总量，B为滤波器波长调谐范围，Δλ为信道间隔。

为每个端口-信道分配像素数量的准则为：在竖直方向上，保留少量的空置像素y，以保证端口之间的相对独立，并按照端口数M平均分配像素；在水平方向上，保留些许余量x，以保证所有信道光信号均入射到硅基液晶芯片上，然后根据调谐带宽的要求和水平像素的数量n，为每个信道分配像素。

硅基液晶芯片工作原理类似于衍射光栅，其衍射特性由三个因子构成，第一个因子是大周期闪耀光栅的多周期之间的干涉因子η₁；第二个因子是阶梯光栅各个栅格之间的干涉因子η₂；第三个因子是单个像素的衍射因子η₃。

${\mathrm{\η}}_1=\frac{1}{M^2}{\left[\frac{\sin \left(M\frac{\mathrm{\π}\mathrm{Nd}\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}{\sin \left(\frac{\mathrm{\π}\mathrm{Nd}\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}\right]}^2;$

大周期闪耀光栅的光栅方程为：Ndsinθ＝mλ；

${\mathrm{\η}}_2=\frac{1}{N^2}{\left[\frac{\sin (\mathrm{\π}-\frac{\mathrm{N\π}d\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}})}{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{N}-\frac{\mathrm{\π}d\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}})}\right]}^2;$

阶梯光栅的光栅方程为：2Δ-dθ＝mλ；

其中，中间参量γ=πasinθ/λ；

其中，d为硅基液晶芯片上的像素间距，M为带通型可调谐光滤波器阵列端口数（即闪耀光栅缝数），N为每个闪耀光栅周期内的像素数量，Δ为阶梯光栅的等效阶梯高度，θ为衍射角，λ为入射光波长，a为每个像素的有源区宽度。

单像素的衍射因子η₃对其他两项干涉因子进行调制，最终的总体衍射图样中只有一个衍射级次。事实上，硅基液晶芯片上反射光束的衍射角θ就是对应阻带光束在竖直平面内的偏转角度。

在对应阻带的像素区域，对各个像素分别施加偏置电压，入射光束在硅基液晶芯片竖直平面内因衍射效应而发生偏转，反向光到达扩束棱镜右侧时，与光纤阵列输出端口能够接收的水平方向光束成一定的夹角，因角向失配而损耗掉。在硅基液晶芯片上对应通带的像素区域，不产生衍射效应，反向光依次经过傅里叶透镜、衍射光栅、柱面镜、扩束棱镜、偏振转换组件、微透镜阵列，从光纤阵列相应输出端输出。

本发明基于硅基液晶芯片，采用自由空间光学结构，适当设计微透镜阵列、棱镜、柱面镜和透镜等光学元件的结构及参数，合理分割配置硅基液晶芯片的像素区域，结构简单紧凑，支持对波长的无栅格调谐设计、通带特性进行平坦化设计以及阵列化的集成设计，有较好的热稳定性和偏振稳定性，满足下一代全光网络的发展需求，能广泛应用于光纤通信系统中。

附图说明

图1为本发明的俯视图；

图2为本发明的侧视图；

图3为偏振转换组件正向光和反向光光路示意图；

图4为扩束棱镜对信号光束的作用原理示意图；

图5为柱面镜和傅里叶透镜对信号光束的作用原理示意图；

图6（a）为LCOS构成的闪耀光栅的光路示意图；

图6（b）为单个周期内的阶梯光栅的光路示意图；

图6（c）为单个像素的衍射效应示意图；

图7为LCOS芯片衍射分布图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1和图2中，实心黑箭头表示正向光，空心箭头表示对应通带的反向光，箭头表示对应阻带的反向光；

如图1和图2所示，本发明的实施例，包括在光路上依次设置的光纤阵列11、微透镜阵列12、偏振转换组件13、扩束棱镜14、柱面镜15、衍射光栅16、傅里叶透镜17以及硅基液晶芯片（LCOS芯片）18，其特征在于：

所述光纤阵列11接收来自外部M个端口的宽带光信号，通过微透镜阵列12准直为相互独立的M路随机偏振准直光束，送到偏振转换组件13，转换成M路偏振态相同的线偏振光，M路线偏振光经过扩束棱镜14在水平方向扩束后入射到柱面镜15，通过柱面镜15在竖直方向扩束后聚焦到衍射光栅16，衍射光栅16将扩束后的线偏振光在水平方向上色散展开，再经过傅里叶透镜17准直后，入射在硅基液晶芯片18上的不同像素区域，硅基液晶芯片18对入射的线偏振光进行波长筛选，将所需要波长的线偏振光反射回来，经过傅里叶透镜17聚焦到衍射光栅16后反射到柱面镜15上在竖直方向上缩束，再通过扩束棱镜14在水平方向上缩束后由偏振转换组件13转换为随机偏振光束，通过微透镜阵列12耦合到光纤阵列11对应输出端口输出。

如图1和图2所示，所述光纤阵列11采用2×16单模光纤阵列，水平方向为2列，竖直方向为16排；微透镜阵列12采用2×16微透镜阵列。

如图3所示，所述偏振转换组件13由位移晶体13-1和两片半波片13-2组成，两片半波片13-2贴于所述位移晶体的右端面，在垂直方向互相平行，其中心点位于同一水平面，所述位移晶体13-1将入射光分为相互平行的o光与e光，由两片半波片13-2中的一片半波片13-2将其中o光的偏振方向旋转90°，成为e光，最后输出到扩束棱镜14上的两束e光互相平行，具有相同偏振态。

另外，从图中可以看到，反向传输的两束相互平行、相同偏振态的线偏振光则被重新合成为一束随机偏振态的光，导向输出端口。

如图4所示，所述扩束棱镜14为直角三棱镜，当输出光束垂直于其直角面时，M路线偏振光在水平方向得到最好的扩束效果，其扩束比β为：

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}=\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \left(\arcsin \left(n_l\sin \mathrm{\α}\right)\right)},$

其中，ω₁，ω₂分别为扩束前后的光斑半径，α为扩束棱镜的顶角，n_l为扩束棱镜材料的折射率。

如图5所示，柱面镜15和傅里叶透镜17构成一个望远镜系统，放大率γ=f₂/f₁，即在竖直方向上的扩束比，其中，f₁和f₂分别为柱面镜15和傅里叶透镜17的焦距。

如图1和图2所示，所述硅基液晶芯片18设置于傅里叶透镜17的后焦面上，本实施例中，硅基液晶芯片18的像素数量为1920×1080，其中1920为竖直方向像素数量，1080为水平方向像素数量，在竖直方向为每个端口分配的像素数量为114，在水平方向为每个信道分配的像素数量为10，为每个端口-信道分配的像素数量为114×10。

硅基液晶芯片18工作原理类似于衍射光栅，其衍射特性由三个因子构成，整个硅基液晶芯片相当于一个大周期闪耀光栅，如图6（a）所示，第一个因子是大周期闪耀光栅的多周期之间的干涉因子η₁；大周期闪耀光栅的每个周期的内部，其实是一个阶梯光栅，如图6（b）所示，第二个因子是阶梯光栅各个栅格之间的干涉因子η₂；每个像素等效于于一个单缝衍射，如图6（c）所示，第三个因子是单个像素的衍射因子η₃。

${\mathrm{\η}}_1=\frac{1}{M^2}{\left[\frac{\sin \left(M\frac{\mathrm{\π}\mathrm{Nd}\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}{\sin \left(\frac{\mathrm{\π}\mathrm{Nd}\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}\right]}^2;$

大周期闪耀光栅的光栅方程为：Ndsinθ＝mλ；

${\mathrm{\η}}_2=\frac{1}{N^2}{\left[\frac{\sin (\mathrm{\π}-\frac{\mathrm{N\π}d\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}})}{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{N}-\frac{\mathrm{\π}d\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}})}\right]}^2;$

阶梯光栅的光栅方程为：2Δ-dθ＝mλ；

其中，中间参量γ=πasinθ/λ；

其中，d为LCOS芯片上的像素间距，M为带通型可调谐光滤波器阵列端口数（即闪耀光栅缝数），N为每个闪耀光栅周期内的像素数量，Δ为阶梯光栅的等效阶梯高度，θ为衍射角，λ为入射光波长，a为每个像素的有源区宽度。

单像素的衍射因子η₃对其他两项干涉因子进行调制，最终的总体衍射图样中只有一个衍射级次，如图7所示，其中，横轴表示衍射角θ的正弦值，纵轴表示衍射光透射率。

Claims (5)

1.一种带通型可调谐光滤波器阵列，包括在光路上依次设置的光纤阵列（11）、微透镜阵列（12）、偏振转换组件（13）、扩束棱镜（14）、柱面镜（15）、衍射光栅（16）、傅里叶透镜（17）以及硅基液晶芯片（18），其特征在于：

所述光纤阵列（11）为2×M光纤阵列，设置于微透镜阵列（12）前焦面附近，所述微透镜阵列（12）为2×M微透镜阵列，水平方向为2列，竖直方向为M排，M≥2，光纤阵列（11）在竖直方向的M个端口用于输入，竖直方向的另M个端口用于输出，所述微透镜阵列（12）的每个微透镜单独作用于所述光纤阵列（11）的每根光纤；

所述光纤阵列（11）接收来自外部M个端口的宽带光信号，通过微透镜阵列（12）准直为相互独立的M路随机偏振准直光束，送到偏振转换组件（13），转换成M路偏振态相同的线偏振光，M路线偏振光经过扩束棱镜（14）在水平方向扩束后入射到柱面镜（15），通过柱面镜（15）在竖直方向扩束后聚焦到衍射光栅（16），衍射光栅（16）将扩束后的线偏振光在水平方向上色散展开，再经过傅里叶透镜（17）准直后，入射在硅基液晶芯片（18）上的不同像素区域，硅基液晶芯片（18）对入射的线偏振光进行波长筛选，将所需要波长的线偏振光反射回来，经过傅里叶透镜（17）聚焦到衍射光栅（16）后反射到柱面镜（15）上在竖直方向上缩束，再通过扩束棱镜（14）在水平方向上缩束后由偏振转换组件（13）转换为随机偏振光束，通过微透镜阵列（12）耦合到光纤阵列（11）对应输出端口输出。

2.如权利要求1所述的带通型可调谐光滤波器阵列，其特征在于：

所述偏振转换组件（13）由位移晶体（13-1）和两片半波片（13-2）组成，两片半波片（13-2）贴于所述位移晶体（13-1）的右端面，在竖直方向互相平行，其中心点位于同一水平面，所述位移晶体（13-1）将入射光分为相互平行的o光与e光，由两片半波片（13-2）中的一片半波片（13-2）将入射光中o光的偏振方向旋转90°，成为e光，最后输出到扩束棱镜（14）上的两束e光互相平行，具有相同偏振态。

3.如权利要求1所述的带通型可调谐光滤波器阵列，其特征在于：

所述扩束棱镜（14）为直角三棱镜，当输出光束垂直于其直角面时，M路线偏振光在水平方向得到最好的扩束效果，其扩束比β为：

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ω}}_2}{{\mathrm{\ω}}_1}=\frac{\cos \mathrm{\α}}{\cos \left(\arcsin \left(n_l\sin \mathrm{\α}\right)\right)},$

其中，ω₁，ω₂分别为扩束前后的光斑半径，α为扩束棱镜的顶角，n_l为扩束棱镜材料的折射率。

4.如权利要求1所述的带通型可调谐光滤波器阵列，其特征在于：

所述柱面镜（15）的后焦面与傅里叶透镜（17）的前焦面在所述衍射光栅（16）上重合，所述衍射光栅（16）将通过柱面镜（15）聚焦到衍射光栅（16）上的宽带光信号在水平方向上色散展开；所述衍射光栅（16）将经过傅里叶透镜（17）聚焦到衍射光栅（16）上的所需波长的光信号反射到柱面镜（15）上；

柱面镜（15）和傅里叶透镜（17）构成一个望远镜系统，放大率γ=f₂/f₁，即在竖直方向上的扩束比，其中，f₁和f₂分别为柱面镜（15）和傅里叶透镜（17）的焦距。

5.如权利要求1所述的带通型可调谐光滤波器阵列，其特征在于：

所述硅基液晶芯片（18）设置于傅里叶透镜（17）的后焦面上，所述硅基液晶芯片（18）具有二维像素结构，像素数量为m×n，m×n一般为1920×1080、792×600或512×512，其中m为竖直方向像素数量，n为水平方向像素数量，在竖直方向为每个端口分配的像素数量为

在水平方向为每个信道分配的像素数量为为每个端口-信道分配的像素数量为

其中，y≥1，为竖直方向保留的空置像素总量，x≥1，为水平方向保留的空置像素总量，B为滤波器波长调谐范围，Δλ为信道间隔。

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