CN103913852A

CN103913852A - 具有成形棱镜的可调干涉滤波器

Info

Publication number: CN103913852A
Application number: CN201210592627.1A
Authority: CN
Inventors: 谢永杰
Original assignee: Optoplex Corp
Current assignee: Optoplex Corp
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2014-07-09

Abstract

本发明涉及一种具有成形棱镜的可调干涉滤波器。将传统干涉可调滤波器与一对成形棱镜组合以在与光束传播的方向正交并与可调滤波器的旋转轴正交的方向上放大圆形输入光束。扩展的程度被定制以最小化由在可调滤波器的腔中的连续反射产生的离散损失。通过适当地对放大调整大小，由成形棱镜产生的大体椭圆的光束在通过可调滤波器后包括足够的反射光束，以产生与在可能要求实质上更大的输入光束的传统滤波器中基本上相同的滤波器输出。优选地，输入光束首先被转换为相同偏振状态的两个平行光束。两个光束然后被棱镜扩展并且被可调滤波器处理。

Description

具有成形棱镜的可调干涉滤波器

技术领域

本申请涉及可调干涉滤波器的一般领域，并且更具体地，涉及具有改进的透射效率的可调滤波器。

背景技术

可调干涉滤波器是在光学系统中、特别是在光通信系统中的广泛使用的构件，在该光学系统中，以不同的光波长（信道）沿着相同的光路来传送信息。为了取得在特定信道中包含的信息，需要在光谱上分离信号波长。类似地，为了向光学信息流添加特定信道，需要光谱地添加特定波长。这在原理上使用各种光学滤波器来实现，该光学滤波器通过输入光的在预定光谱范围内的至少一部分，并且反射（停止）该光的在另一个光谱范围内的至少一部分。

本领域中已知多种可调光学滤波器，最基础的一种是通过在适当的衬底上沉积薄膜堆叠而制作的简单的薄膜滤波器。几乎所有的窄带薄膜光学滤波器至少部分地取决于干涉来用于它们的操作。因此，通过滤波材料的固有光学属性（诸如折射率、反射率、透射率、吸收率）的混和并且通过它们的几何布置（例如，厚度）来确定这样的滤波器的光谱特性。

通常，干涉滤波器是多层薄膜装置，并且波长选择基于相消的光干涉的属性。这是法布里-珀罗干涉仪的操作所基于的相同原理。入射光通过每对被涂敷的反射表面。在反射涂层之间的距离确定哪些波长相消地干涉，并且哪些波长同相并且将最后通过涂层。输入光束在每对涂层之间被来回反射多次。在滤波器的输出侧上，如果这些反射光束同相，则光通过反射表面。另一方面，如果该多个反射不同相，则相消干涉将通过装置的这些波长的透射降低为接近零。这个过程强烈地衰减在高于或低于感兴趣的波长的波长下的透射的光强度。

通常的干涉滤波器的多层结构由电介质隔离器材料组成，该电介质隔离器材料限定了在反射平行表面之间的间隙；反射薄膜层的堆叠至少在间隙的一侧上限定。隔离器具有在期望的峰值透射波长处的二分之一波长的倍数的厚度，由此在该波长处产生相长干涉和透射。堆叠和隔离器的组合包括单腔通带滤波器。然而，因为单腔通带滤波器在通带和通带外波长之间不显示陡峭的过渡，所以惯例是将几个腔依序分层放置为多腔滤波器设计，以将截止锐化，并且减小带外波长的透射率。

可以简单地通过改变输入光束的入射角（相对于滤波器的表面的法线限定和测量）而实现在这样的可调滤波器中的滤波功能的光谱调谐（或滤波器的通带/阻带的峰值波长的光谱移位）。输入光的入射角的变化最容易通过薄膜滤波器相对于入射光的物理旋转而实现。

如图1中示意地图示的，当输入光I关于入射平面的法线N的入射角θ不是零时，在标准具结构内反射的通带光产生顺序的移位，该顺序的移位使得许多能量被引导到第一透射光束的截面之外（所谓的“离散（walk-off）”效应）。为了方便，贯穿本公开，将单腔滤波器用于示例，并且提供笛卡尔坐标系作为基准。本领域内的技术人员容易明白，整个公开等同地适用于多腔滤波器。

窄带干涉滤波器的透射波长是在隔离器内的光束的角度的余弦函数。λθ≈λ0cos(θ)， (1)

其中，θ是在隔离器层中的光束角度；λ₀和λ_θ分别是当在隔离器层中的光束角度是零时和当它是θ时的透射波长。在隔离器层内的这个光束角度可以通过斯涅耳定律与入射角（AOI）相关，

n_o sin(φ)=n_e sin(θ), (2)

其中，n_o是空气的折射率，n_e是隔离器的有效折射率。φ是在空气中的AOI，并且θ是在隔离器中的光束角度。因此，波长随着AOI而改变，并且它在垂直入射处最大，当AOI增大时减小。在接近零度的入射角处，透射波长被影响较小，但是在较大的AOI，诸如20度或更大，透射波长可以对于在AOI中的每一角秒改变而移位一个微微米（在通常在本领域中使用的1525nm–1565nm的低音频带（bassband）范围处）。

理想地，由输入光I产生的所有反射光束在隔离器间隙中相长地干涉，并且在透射中作为单个输出光束T共线地通过。然而，在大的入射角处，在两个相邻的透射光束之间的离散变得显著，并且随后的反射产生在输出中不被考虑的透射光束，如图1中所示，这大大地影响滤波器轮廓。如果累积的离散大于光束大小，则这些透射光束将在输出空间中不重叠，并且失去它们对于相长干涉过程的贡献。因此，当AOI大时，离散大小与光束直径的比率变为需要被最小化的重要参数。如果光束大小太小，则滤波器的性能变差，即，滤波器形状（即，通带的频率透射轮廓）差，并且插入损失增大。因此，为了降低在离散对于滤波器性能的影响，已经使用大的光束大小（大约或大于2mm）作为在本领域中的必需。例如，2mm的光束可以提供充分的多光束干涉的条件，以显著地降低对于1,525至1,565nm的通带在20度或更大的入射角处离散对于滤波器形状的影响。

另外，因为在大的入射角处，P和S偏振状态的透射功能很不同，所以优选的是，使用偏振转换器来将入射光束划分和转换为具有相同偏振状态的两个平行光束。如在美国专利No.6,909,549中所述。这使得滤波器能够接收输入光束的实质上全部的辐射能量。如果入射光束具有直径为例如2mm的圆形高斯分布，则由转换器产生的两个平行光束的距离应当略大于2mm，以便产生必要的分离。因此，滤波器的面积必须至少是2×4mm（而不考虑滤波器的边缘效应）。另外，准直器（产生入射光束）、偏振转换器和滤波器需要在大小上相应地匹配。结果，它们的组合大小不仅很庞大，而且要求在大面积上具有均匀的性能的大滤波器，这是难以实现的。

鉴于上述情况，需要一种可调滤波器结构，其允许使用较小的输入光束，而没有如上所述的有害的离散效果。本方面提供了基于成形棱镜的革新性使用的实用解决方案。

发明内容

本发明基于传统干涉可调滤波器与成形棱镜组件的组合，该成形棱镜组件在与光束传播的方向正交并与可调滤波器的旋转轴正交的方向上放大圆形输入光束。扩展的程度被定制以最小化由在可调滤波器的腔中的连续反射产生的离散损失。通过适当地将该放大调整大小，由成形棱镜产生的大体椭圆的光束在通过可调滤波器后将包括足够的反射光束，以产生使用传统滤波器和实质上较大的输入光束可以实现的基本上相同的滤波器输出。

在本发明的优选实施例中，输入光束首先被转换为相同偏振状态的两个平行光束。两个光束然后被棱镜组件扩展并且被可调滤波器处理。

通过在随后的说明书中的本发明的描述和在所附的权利要求中具体指出的新颖特征，各种其他优点将变得清楚。因此，为了实现如上所述的目的，本发明由在以下附图中图示、在优选实施例的详细说明中充分说明并且在权利要求中具体指出的特征组成。然而，这样的附图和说明仅公开了可以实施本发明的各种方式中的仅一些。

附图说明

图1示意地示出了单腔干涉可调滤波器，用于说明当输入光束以非零入射角撞击时由在腔内的连续反射产生的离散。

图2是示出根据本发明的偏振转换器、成形棱镜组件和窄带干涉滤波器的组合的正视示意图。

图3是图2的可调滤波器的透视示意图。

图4是在被设计用于产生特定输出的传统可调滤波器的光具组的不同位置处的光束大小和该滤波器所需的对应的最小尺寸的图示。

图5是在根据本发明的可调滤波器的光具组的不同位置处的光束大小，该可调滤波器被设计用于产生图4的传统滤波器的大体相同的输出。

具体实施方式

术语“变形（anamorphic）”在本领域中用于指示有意畸变的光学协同性，诸如沿着垂直轴产生不等的放大率的变形透镜。这样，变形成形棱镜已经被用于改善光束的形状，诸如将二极管激光束的椭圆输出圆形化。它们的结构和对应的光学功能是本领域中公知的。例如参见由索雷博（Thorlabs）作为零件PS872-B或由爱特蒙特光学（EdmundOptics）作为零件NT47-244销售的变形棱镜对。

本发明基于下述思想：将这样的棱镜组件与现有的干涉可调滤波器技术组合，以便将在一个方向上的输出光束的大小提高到用于包括足够的透射反射以保持输出轮廓的期望的质量所需的程度。由于光束扩展，可以利用比使用传统系统配置产生相同结果所需的整体大小小得多的整体大小来实现可调滤波器的可接受的性能。

因此，可以使用一对变形棱镜来通过将输入光束在与传播方向垂直并与可调滤波器的旋转轴垂直的方向上扩展的方式来改变输入光束的形状，由此将通常圆形的激光束转换为椭圆光束。滤波器大小被定制以适应扩展光束的大小。

根据本发明的优选实施例，诸如在Z方向上行进的圆形激光束I的向可调滤波器的输入光束首先通过偏振转换器10，以产生在相同方向上行进的两个等同地偏振的平行光束，如图2中所示（其中，两个光束位于X-Z平面上；因此，仅示出一个光束）。以传统方式使用一对棱镜12、14以在Y方向上将两个平行光束扩展至被认为是为了滤波器输出光束包括足够数量的反射干涉以产生可接受的滤波器形状所需的程度。然后，以传统方式通过滤波器16处理扩展的一对光束。注意，滤波器通过围绕轴x旋转而可调谐，该轴x与在本说明书中使用的坐标系中的X轴平行。

图3以透视图图示相同的布置。输入光束I与由偏振转换器10产生的平行光束I’和I”在它们击中棱镜组件12、14之前具有圆形。变形棱镜在Y方向上扩展该光束，同时在X方向上保持光束大小，如所示的。因此，输出光束IY’和IY”变为大体椭圆的光束。例如，0.6mm的圆形光束可以在Y方向（椭圆的长轴或横径）上被扩展为2.0mm，并且在X方向（椭圆的短轴或共轭直径）上保持0.6mm的宽度。

如图1中所示，当滤波器16围绕其旋转轴x（垂直于纸张并且与坐标X轴平行）旋转时，沿着Y方向出现离散。因此，如本发明所教导地，通过使用成形棱镜组件而在Y方向上扩展光束，滤波器的输出相当小地被离散影响。例如，通过将0.6mm圆形光束扩展为2.0mm（例如，以因子3），滤波器有效地作为使用2.0mm圆形输入光束工作的传统滤波器。然而，这样的传统滤波器不仅需要2.0mm的输入光束，而且需要大得足以处理这样的光束的转换器和相称大小的滤波器，如图4中所示。通过结合本公开的成形棱镜，可以使用小得多的输入光束（在直径上1/3）、类似地较小的转换器和也在大小上为仅1/3的可调滤波器来获得相同的输出，如图5中所示。因此，本发明提供很期望的微型化，并且具体地说，它允许使用较小的滤波器面积，这提高了滤波器的均匀性和性能。

在密集波分复用（DWDM）应用中，滤波器的阻带的宽度是关键参数，因为较宽的阻带可以从相邻的信道向发送信道内泄漏功率，并且因此，它可以影响性能。例如，50G DWDM系统具有大于20GHz的通带带宽，其在1528nm波长处等同于具有大于156pm的通带带宽（或小于623pm的阻带带宽）。在1568nm波长处，对应的带宽分别是164pm和656pm。该标准阻带带宽要求难以以大的入射角在滤波器中实现，因为多个反射光束的相消干涉确定了阻带带宽。当滤波器定位在大角度处时，干涉因为光束离散而变得不完整。该不完整的干涉可以导致在透射轮廓上的改变，特别是相对于阻带带宽。在极端情况下，当离散大于光束大小时，反射的光束将不再与干涉重叠。

对于在等于例如零度的AOI处的滤波器，阻带的宽度（在20dB）在1568nm波长处是0.41nm。在大AOI处，透射波长从1568nm移位到1528nm。使用被设计用于圆形0.6mm截面的输入光束的传统可调滤波器获得的阻带（在20dB）的宽度变为0.63nm。该宽度可以仅满足通常的阻带宽度规格要求，但是没有任何容限。相反，使用相同的滤波器，通过根据本发明结合一对成形棱镜以将输入光束在Y方向上扩展为2mm而获得的阻带的宽度（在20dB）被从0.63nm减小为0.54nm。该比较示出了在通过扩展光束而产生的阻带滤波器轮廓上的显著改善。

虽然已经以被相信是最实用和优选实施例而示出和描述了本发明，但是认识到，可以在本发明的范围内从其做出偏离。例如，已经按照变形棱镜描述了本发明，但是本领域内的技术人员容易明白，可以使用诸如具有变形柱状透镜的望远镜的其他变形光学系统来实现本发明。因此，本发明不限于在此公开的细节，并且要符合权利要求的完整范围，以便涵盖任何和全部等同设备和方法。

Claims

1.一种干涉可调滤波器，包括：

偏振转换器，所述偏振转换器从输入光束产生两个平行光束，所述平行光束具有相同的偏振状态；

变形光学系统，所述变形光学系统接收所述平行光束，并且将它们扩展以产生扩展光束；以及

干涉可调滤波器，所述干涉可调滤波器接收所述扩展光束；

其中，通过所述变形光学系统在与所述平行光束的传播方向正交并与所述可调滤波器的旋转轴正交的方向上扩展所述扩展光束。

2.根据权利要求1所述的可调滤波器，其中，所述变形光学系统是棱镜组件。

3.根据权利要求2所述的可调滤波器，其中，所述棱镜组件包括两个棱镜。

4.根据权利要求2所述的可调滤波器，其中，所述输入光束是大体圆形的激光束，并且所述扩展光束是大体椭圆的。

5.根据权利要求2所述的可调滤波器，其中，所述输入光束是具有大约0.6mm直径的大体圆形的激光束，并且所述扩展光束是具有大约2mm扩展横径的大体椭圆的光束。

6.根据权利要求2所述的可调滤波器，其中，所述变形棱镜组件包括两个棱镜，所述输入光束是具有大约0.6mm直径的大体圆形的激光束，并且所述扩展光束是具有大约2mm扩展横径的大体椭圆的光束。

7.在包括产生两个平行光束的偏振转换器和接收所述平行光束的干涉滤波器的干涉可调滤波器中，改进包括：

变形棱镜组件，所述变形棱镜组件扩展所述平行光束以产生扩展光束；

其中，所述扩展光束在与所述平行光束的传播方向正交并与所述可调滤波器的旋转轴正交的方向上扩展。

8.根据权利要求7所述的可调滤波器，其中，所述变形棱镜组件包括两个棱镜。

9.根据权利要求7所述的可调滤波器，其中，所述输入光束是大体圆形的激光束，并且所述扩展光束是大体椭圆的。

10.根据权利要求7所述的可调滤波器，其中，所述输入光束是具有大约0.6mm直径的大体圆形的激光束，并且所述扩展光束是具有大约2mm扩展横径的大体椭圆的光束。

11.根据权利要求7所述的可调滤波器，其中，所述变形棱镜组件包括两个棱镜，所述输入光束是具有大约0.6mm直径的大体圆形的激光束，并且所述扩展光束是具有大约2mm扩展横径的大体椭圆的光束。

12.一种利用干涉可调滤波器滤波光束的方法，所述方法包括下面的步骤：

将输入光束转换为具有相同的偏振状态的两个平行光束；

将所述平行光束扩展以产生扩展光束；并且

利用干涉可调滤波器来滤波所述扩展光束；

13.根据权利要求12所述的方法，其中，利用两个变形棱镜来执行所述扩展步骤。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述输入光束是大体圆形的激光束，并且所述扩展光束是大体椭圆的。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述输入光束是具有大约0.6mm直径的大体圆形的激光束，并且所述扩展光束是具有大约2mm扩展横径的大体椭圆的光束。

16.根据权利要求12所述的方法，其中，利用两个变形棱镜来执行所述扩展步骤，所述输入光束是具有大约0.6mm直径的大体圆形的激光束，并且所述扩展光束是具有大约2mm扩展横径的大体椭圆的光束。