CN103837936B - 一种带宽和中心波长可调的光学带通和陷波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带宽和中心波长可调的光学带通和陷波滤波器，光信号从光纤环行器第一端口进入，从第二端口输出，依次通过光纤准直器、组合扩束器出射在闪耀光栅上，再通过双凸透镜的聚焦变换，使不同波长的光束色散展开并聚焦在竖直放置的反光板上，反光板上有窄带反射区和窄带吸收区，照射在反光板反射区的光经反射后按照原路返回光纤环行器第二端口，再从光纤环行器第三端口输出。通过反光板的窄带反射或窄带吸收的设计实现带通滤波和陷波滤波两种功能；通过直线调节反光板的中心位置实现滤波中心波长可调节功能；通过调节扩束器使聚焦在反光板上的光束光斑大小发生变化，实现调节滤波器带宽；本发明结构简单、操控方便、制作成本低、性能稳定。

Description

一种带宽和中心波长可调的光学带通和陷波滤波器

技术领域

本发明涉及一种光学滤波器件，特别涉及一种带宽和中心波长可调的光学带通和陷波滤波器。

背景技术

光波长控制对用于通信、成像和测量的许多光学系统工作是至关重要的。波分复用系统中，不同波长的光信号分配给不同用户，实现多用户单通道高速传输。双光子显微镜和其他非线性显微镜技术使用光学滤波器分离出所需的波长成分用于成像。光学传感器依赖于波长稳定的光源和滤波器进行精确可重复测量。

专利“带宽和波长可变可调的光学滤波器”(专利申请号201220297288.X)介绍了一种通过调节由两片平行排列的胆固醇液晶片来实现滤波功能的滤波器。专利“一种光纤可调谐滤波器”(专利申请号200310121601.X)通过在多层压电陶瓷位移器表面中心线上开沟槽，将输入光纤与输出光纤的端面相对，然后固定在沟槽上，端面上镀光学介质膜，构成法布里-珀罗腔（F-P腔），经过F-P腔进行光学谐振以实现滤波功能。这个结构比较复杂，制作和安装调试要求较高，操作繁琐。专利“一种波长可调的光学滤波器”(专利申请号201210055838.1)用透射式相位光栅对光束进行空间色散分离，再通过直线步进电机精确地改变棱镜位置来实现中心波长的调节。但是这个方法无法改变滤波器的带宽，也无法实现陷波功能。

发明内容

本发明是针对现有光学滤波器功能单一、结构复杂的问题，提出了一种带宽和中心波长可调的光学带通和陷波滤波器，是一种同时具有带通滤波和陷波滤波两种滤波功能的光学滤波器，并且带宽和中心波长可以调节。

本发明的技术方案为：一种带宽和中心波长可调的光学带通和陷波滤波器，由光纤环行器、光纤准直器、扩束器、闪耀光栅、双凸透镜和反光板构成，光纤环行器有三个端口，光信号从光纤环行器第一端口进入，从第二端口输出，依次通过光纤准直器、组合扩束器出射在闪耀光栅上，再通过双凸透镜的聚焦变换，使不同波长的光束色散展开并聚焦在竖直放置的反光板上，反光板上有窄带反射区和窄带吸收区，照射在反光板反射区的光经反射后按照原路返回光纤环行器第二端口，再从光纤环行器第三端口输出。

所述反光板的窄带反射区由下面公式确定：

，，其中表示宽度为a、高度为1的门函数，a为反光板窄带的宽度，L为反光板的宽度，窄带反射区实现带通滤波；

所述反光板的窄带吸收区由下面公式确定：

，，窄带吸收区实现陷波滤波。

所述第三端口输出光强度计算公式如下：

其中Ein(λ)是输入光信号在波长λ上的强度，Δx为双凸透镜与反光板平行距离保持不变情况下，反光板水平方向直线移动距离，

其中，

，

，

c为真空中的光速，d为光栅常数，为闪耀光栅的闪耀角，为光束入射闪耀光栅时的入射角，为扩束后入射闪耀光栅时的光斑半径，f为双凸透镜的焦距，为光信号的中心波长，表示所采用反光板的区域，i=1或2，当i=1时，为采用反光板的窄带反射区，可实现带通滤波；当i=2时，为采用反光板的窄带吸收区，可实现陷波滤波。

本发明的有益效果在于：本发明本带宽和中心波长可调的光学带通和陷波滤波器，通过反光板的窄带反射或窄带吸收的设计可以实现带通滤波和陷波滤波两种功能；通过直线调节反光板的中心位置可以实现滤波中心波长可调节的功能；通过调节扩束器使聚焦在反光板上的光束光斑大小发生变化，可以实现调节滤波器带宽的功能；本发明结构简单、操控方便、制作成本低、性能稳定。

附图说明

图1为本发明一种带宽和中心波长可调的光学带通和陷波滤波器的结构俯视图；

图2为本发明利用反光板的窄带设计实现带通滤波和陷波滤波功能的原理图；

图3为本发明通过直线调节反光板中心位置调节中心波长的原理图；

图4为本发明光束扩束后入射光栅时光斑大小对带通滤波带宽的影响；

图5为本发明光束扩束后入射光栅时光斑大小对陷波滤波带宽的影响；

图6为本发明光束扩束后入射光栅时光斑大小对滤波带宽的影响。

具体实施方式

如图1所示一种带宽和中心波长可调的光学带通和陷波滤波器的结构示意图，包括光纤环行器1、光纤准直器2、扩束器3、4、5、闪耀光栅6、双凸透镜7和反光板801、802。

如图1所示搭建光学滤波器系统，整个装置放置在水平桌面上，图1为俯视图：

1、将光信号从光纤环行器1端口输入，经端口进入光纤准直器2，再依次通过组合扩束器3、4、5出射在闪耀光栅6上，再通过双凸透镜7的聚焦变换，使不同波长的光束色散展开并聚焦在竖直放置的反光板801、802上；

2、照射在反光板801、802反射区域的光按照原路返回光纤环行器1端口，再从光纤环行器1端口输出；

3、如图2所示利用反光板801、802窄带反光和窄带吸收实现带通滤波和陷波滤波功能的原理图，通过选择反光板的窄带反射区域801或窄带吸收区域802，分别实现带通滤波和陷波滤波两种功能。反光板的窄带反射区域801可由公式：

，计算得到，

其中表示宽度为a、高度为1的门函数，a为反光板窄带的宽度，L为反光板的宽度。反光板的窄带吸收区域802可由公式：

，计算得到；

4、如图3所示通过直线调节反光板中心位置调节中心波长的原理图，保持与双凸透镜的平行距离，沿着图中X方向直线调节反光板中心位置，可以调节滤波器的中心波长。

5、通过调节扩束器的扩束倍数改变入射光的光斑大小，使色散展开并聚焦在反光板上不同波长的光的光斑大小发生变化，使得不同波长的光经过反光板反射的强度发生相应的变化，可以实现调节滤波器的带宽。光束扩束后入射光栅时光斑半径对滤波器带宽的影响如图4、5和6所示。

6、从端口输出的光信号在不同波长上的强度可以由公式（1）描述

（1）

其中Ein(λ)是输入光信号在不同波长λ上的强度，Δx为反光板水平X方向直线移动距离，，，，c为真空中的光速，d为光栅常数，为闪耀光栅的闪耀角，为光束入射闪耀光栅时的入射角，为扩束后入射闪耀光栅时的光斑半径，f为双凸透镜的焦距，为光信号的中心波长。表示所采用反光板的区域，i=1或2，当i=1时，即采用反光板的窄带反射区域801，可实现带通滤波，当i=2时，即采用反光板的窄带吸收区域802，可实现陷波滤波。

综上所述：所述滤波器可以实现光信号的带通滤波和陷波滤波两种滤波功能，并且，滤波器的中心波长和带宽可以被调节。

Claims (1)

1.一种带宽和中心波长可调的光学带通和陷波滤波器，其特征在于，由光纤环行器、光纤准直器、组合扩束器、闪耀光栅、双凸透镜和反光板构成，光纤环行器有三个端口，光信号从光纤环行器第一端口进入，从第二端口输出，依次通过光纤准直器、组合扩束器出射在闪耀光栅上，再通过双凸透镜的聚焦变换，使不同波长的光束色散展开并聚焦在竖直放置在水平面上的反光板上，反光板上有窄带反射区和窄带吸收区，照射在反光板反射区的光经反射后按照原路返回光纤环行器第二端口，再从光纤环行器第三端口输出，

所述反光板的窄带反射区由下面公式确定：

M₁＝G_a(x)，其中G_a(x)表示宽度为a、高度为1的门函数，a为反光板窄带的宽度，L为反光板的宽度，窄带反射区实现带通滤波；

所述反光板的窄带吸收区由下面公式确定：

M₂＝1-G_a(x)，窄带吸收区实现陷波滤波；

所述第三端口输出光强度计算公式如下：

$E\left(\mathrm{\λ}\right)=E_{in}\left(\mathrm{\λ}\right)\underset{-L/2+\mathrm{\Δ}x}{\overset{L/2+\mathrm{\Δ}x}{\∫}}{M}_i(x+\mathrm{\Δ}x)\exp \[-{\left(\frac{x-\mathrm{\α}\mathrm{\Ω}}{W_0}\right)}^2\]dx$

其中E_in(λ)是输入光信号在波长λ上的强度，Δx为双凸透镜与反光板平行距离保持不变情况下，反光板水平方向直线移动距离，

其中 $\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\λ}}^{2}f}{2\mathrm{\π}cdcos\left({\mathrm{\θ}}_d\right)},$

$\mathrm{\Ω}=2\mathrm{\π}c(\frac{1}{\mathrm{\λ}}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_0}),$

$W_0=\frac{cos\left({\mathrm{\θ}}_{in}\right)}{cos\left({\mathrm{\θ}}_d\right)}\frac{f\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\πW}}_{in}},$

c为真空中的光速，d为光栅常数，θ_d为闪耀光栅的闪耀角，θ_in为光束入射闪耀光栅时的入射角，W_in为扩束后入射闪耀光栅时的光斑半径，f为双凸透镜的焦距，λ₀为光信号的中心波长，M_i(x)表示所采用反光板的区域，i＝1或2，当i＝1时，为采用反光板的窄带反射区，可实现带通滤波；当i＝2时，为采用反光板的窄带吸收区，可实现陷波滤波。