CN103969822B - 电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器，包括两个相对设置的第一波导结构和第二波导结构，利用电磁场作用力改变两个波导结构之间的距离实现波长可调。其中，第一波导结构包括第一波导，该第一波导外套设有圆筒形永磁体，该圆筒形永磁体外设有电磁线圈；该第一波导的端面上放置有高反射结构层，固定于金属薄膜弹片上。本发明采用电磁力这一新的驱动方式以改变法布里-珀罗谐振腔的长度实现波长调谐，不仅充分发挥了法布里-珀罗型可调谐滤波器的优点，还有效克服了压电陶瓷驱动方案的多种弊病，提升了产品的一致性，降低了生产难度和成本。

Description

电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器

技术领域

本发明涉及布里-珀罗光滤波器，尤其涉及一种电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器。

背景技术

波长可调谐光滤波器是非常重要的光学器件。在光通信中，波长可调谐光滤波器可用于波分复用网络；在光传感系统中，其也是光纤光栅解调系统和法布里-珀罗解调系统里的核心器件。此外，在光纤激光器、光谱分析等领域，可调谐光滤波器也有重要的应用。

从实现原理分，波长可调谐光滤波器主要有环形谐振腔技术、马赫-曾德干涉技术、光栅衍射效应技术、介质薄膜技术和法布里-珀罗谐振腔技术等。环形谐振腔(CN200810040447.6)和马赫-曾德干涉技术(CN200710098462.1)是利用电光效应改变半导体折射率来实现波长滤波，调谐速度但调谐范围有限；光栅衍射效应技术在调谐范围和调谐分辨率难以均衡，在传感领域应用有限(CN201110295065.X)；介质薄膜技术(CN201010609580.6)对光学薄膜制备要求高；法布里-珀罗谐振腔技术仅需镀高反射膜，通过改变两个高反射膜之间的距离实现波长改变，不仅工艺要求低、易装配，而且可以实现大的调谐范围和调谐分辨率，因此应用前景广泛。

目前法布里-珀罗光滤波器以美国MOI公司为主导，均采用压电陶瓷作为驱动力以改变空间距离实现波长调谐(US4861136，US5062684，US5208886，US5212745和US5212746)，国内主要研究机构如中科院半导体研究所(200810106218.X)、珠海光联通讯(201310224730.5)、华中科技大学(CN101982803A)、北京理工大学(200710177835.4)等也都是采用压电陶瓷方案。但是压电陶瓷的非线性、迟滞和蠕变特性，导致波长调谐的非均匀性和产品差异性；此外压电陶瓷方案还需要复杂的机械结构设计，压电陶瓷外形也需要特殊定制(US7063466)及多层堆叠(CN101982803A)等，一些器件甚至需要考虑加热(200810106218.X)造成器件生产难度增加，成本上升的不利影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中采用压电陶瓷作为驱动力时，会导致波长调谐的非均匀性和产品差异性，以及结构复杂性的缺陷，提供一种电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器，包括两个相对设置的第一波导结构和第二波导结构，利用电磁场作用力改变两个波导结构之间的距离实现波长可调；其中，

第一波导结构包括第一波导，该第一波导外套设有圆筒形永磁体，该圆筒形永磁体外设有电磁线圈；该第一波导的端面上固定有金属薄膜弹片，该金属薄膜弹片的一面吸附在圆筒形永磁体的端面上，另一面的中间位置放置有高反射结构层；

第一波导结构根据电磁线圈内变化的电压信号产生电磁作用力，在该电磁作用力下，第一波导结构与第二波导结构的距离发生改变，从而实现波长可调。

本发明所述的滤波器中，所述第二波导结构包括第二波导，该第二波导的端面设置有高反射结构层，垂直固定于金属薄膜弹片。

本发明所述的滤波器中，所述第二波导结构与所述第一波导结构相同。

本发明所述的滤波器中，该金属薄膜弹片的中心与该圆筒形永磁体端面的圆心重合。

本发明所述的滤波器中，所述电磁线圈采用三角波或是正弦电压等周期性往复信号供电。

本发明所述的滤波器中，所述第一波导或者所述第二波导为准直器，所述高反射结构层为高反射镜片或者高反射滤波片。

本发明所述的滤波器中，所述第一波导为陶瓷插芯，所述高反射结构层为陶瓷插芯端面镀膜。

本发明产生的有益效果是：本发明通过电磁线圈产生周期往复的磁场，该磁场与圆筒形永磁体产生相吸或相斥的作用力，推动金属薄膜弹片往复运动，改变了两个高反射结构层间的距离，实现波长调谐。如果两个波导结构均采用相同的结构，则可以实现一倍的距离改变量，实现更大的波长调谐。采用电磁力这一新的驱动方式以改变法布里-珀罗谐振腔的长度实现波长调谐，不仅充分发挥了法布里-珀罗型可调谐滤波器的优点，还有效克服了压电陶瓷驱动方案的多种弊病，提升了产品的一致性，降低了生产难度和成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为单边行程结构电磁驱动型波长可调谐滤波器；

图2为双边行程结构电磁驱动型波长可调谐滤波器；

图3为电磁驱动装置工作原理示意图；

图4为位移与驱动电压信号示意图；

图5a、5b为两种不同波导结构示意图。

图中：

1高反射结构层；

1’高反射结构层；

2第二波导；

2’第一波导；

3刚性物体；

4金属薄膜弹片；

5圆筒形永磁体；

6电磁线圈；

7光学准直器；

8高反射滤波片；

9光纤；

10陶瓷插芯；

11陶瓷插芯端面镀膜。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器，包括单边行程结构和双边行程结构的滤波器。

如图1所示，为单边行程结构的电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器，包括两根光纤9，分别连接在两个相对设置的第一波导结构和第二波导结构上，在电磁作用力下，第一波导结构与第二波导结构的距离发生改变，从而实现波长可调。

其中第一波导结构包括第一波导2’，第一波导2’外套设有圆筒形永磁体5，该圆筒形永磁体5外设有电磁线圈6，电磁线圈6的直径应大于圆筒形永磁体5，以确保无摩擦运动；其中第一波导2’垂直固定于金属薄膜弹片4，该金属薄膜弹片4的一面吸附在圆筒形永磁体5的端面上，第一波导2’端面设置有高反射结构层1’。金属薄膜弹片4可固定在滤波器的外壳上。

第二波导结构包括第二波导2，第二波导2垂直固定于刚性物体3，第二波导2端面上也设有高反射结构层1。调整光路使高反射结构层1和高反射结构层1’准直，并通过各自的第一波导2’和第二波导2将光导出。

圆筒形永磁体5的直径应大于高反射结构层1’的直径。本发明的较佳实施例中，该金属薄膜弹片4的中心与该圆筒形永磁体5端面的圆心重合，将高反射结构层1’放置在金属薄膜弹片4中间，因为此位置挠度最大，以保证高反射结构层1’沿直线运动并且获得最大的位移改变量，从而实现最大的波长调谐范围。

本发明实施例中，第一波导2’和第二波导2为准直器或者陶瓷插芯。当波导为准直器时，高反射结构层1可为高反射镜片或者高反射滤波片；当波导为陶瓷插芯时，高反射结构层可为镀在陶瓷插芯端面上的高反射镀膜。

根据圆形平面膜片原理，膜片的最大挠度在中心，平面膜片受均部载荷q的情况下中心最大挠度：

$w_{\max }=\frac{{\mathrm{qR}}^4}{64D}$

上式中，D是薄板的抗弯刚度，R是膜片半径。

电磁驱动装置工作原理如图3所示。滤波器工作时，采用三角波或是正弦电压信号给电磁线圈提供周期性电压。例如图4所示的三角波电压，则电磁线圈产生周期往复变化的磁场。该磁场与圆筒形永磁体5的磁极会产生周期性的相吸或相斥作用力，推动圆筒形永磁体5运动，从而推动金属薄膜弹片4的中心位置发生改变，进而改变高反射结构层1和1’之间的相对距离。由公式：

$\mathrm{\Δw}=\frac{m}{2n}\mathrm{\Δ\λ}$

可知，当膜片中心挠度发生改变时，同时引起波长变化，达到滤波效果。与压电陶瓷方案相比，本发明不需要复杂的结构设计，而且电磁驱动不存在迟滞和蠕变等缺陷。

本发明另一实施例双边行程结构的电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器，第一波导结构和第二波导结构都采用相同的金属薄膜弹片+圆筒形永磁体+电磁线圈结构，与上述实施例相比，该结构可以获得两倍的调谐距离，因此可以实现两倍的波长调谐范围。

如图2所示，为双边行程结构的电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器，包括两个相对设置的波导结构，两个波导结构完全相同。两根光纤分别连接在这两个波导结构上。波导结构包括波导，波导外套设有圆筒形永磁体5，该圆筒形永磁体5外设有电磁线圈6；波导的端面上固定有金属薄膜弹片4，该金属薄膜弹片4的一面吸附在圆筒形永磁体5的端面上，另一面的中间位置放置有高反射结构层，且均垂直固定于金属薄膜弹片4。金属薄膜弹片4的中心可位于圆筒形永磁体5的中心线上，以保证高反射结构层1’沿直线运动并且获得最大的位移该变量。

高反射结构层和波导可以用多种方式实现，如图5a所示，波导可选用光学准直器7，高反射结构层为高反射镜片或者高反射滤波片8；如图5b所示，波导还可选择陶瓷插芯10，高反射结构层为陶瓷插芯端面镀膜11。

本发明采用电磁力这一新的驱动方式以改变法布里-珀罗谐振腔的长度实现波长调谐，不仅充分发挥了法布里-珀罗型可调谐滤波器的优点，还有效克服了压电陶瓷驱动方案的多种弊病，提升了产品的一致性，降低了生产难度和成本。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种电磁驱动型波长可调法布里-珀罗光滤波器，其特征在于，包括两个相对设置的第一波导结构和第二波导结构，其中，

第一波导结构包括第一波导，该第一波导外套设有圆筒形永磁体，该圆筒形永磁体外设有电磁线圈；该第一波导的端面上固定有金属薄膜弹片，该金属薄膜弹片的一面吸附在圆筒形永磁体的端面上，另一面的中间位置放置有高反射结构层；第二波导端面上也设有高反射结构层；

第一波导结构根据电磁线圈内变化的电压信号产生电磁作用力，在该电磁作用力下，第一波导结构与第二波导结构的距离发生改变，从而实现波长可调。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述第二波导结构包括第二波导，该第二波导的端面上固定有刚性物体，该刚性物体上也设有高反射结构层。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，所述第二波导结构与所述第一波导结构相同。

4.根据权利要求2或3所述的滤波器，其特征在于，该金属薄膜弹片的中心与该圆筒形永磁体端面的圆心重合。

5.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述电磁线圈采用三角波或正弦波的周期性电压信号供电。

6.根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于，所述第一波导或者所述第二波导为准直器，所述高反射结构层为高反射镜片或者高反射滤波片。

7.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于，所述第一波导为陶瓷插芯，所述高反射结构层为陶瓷插芯端面镀膜。