CN104297921A - 光学可调滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学可调滤波器，包括双光纤尾纤以及设置在双光纤尾纤一侧的准直透镜，准直透镜远离双光纤尾纤的一侧设有微电机反射镜，其中，双光纤尾纤与准直透镜之间设有楔形片，楔形片的端面与双光纤尾纤的端面倾斜设置，光学可调滤波器还设有位于微电机反射镜的反射光路上的反射衍射装置，从准直透镜出射的光束经过微电机反射镜后入射到反射衍射装置上。本发明提供的光学可调滤波器能灵活、方便地调节输出光信号的中心波长，并且可以做成紧凑型的小型化器件。

Description

光学可调滤波器

技术领域

本发明涉及一种用于光纤通信系统的光学器件，具体地说，是涉及一种光学可调滤波器。 

背景技术

光学滤波器是一种用于对光束的波长进行选择的器件，包含有多种波长的光束组经过光学滤波器以后，只有特定波长的光束输出，其他波长的光束被过滤掉，从而实现从多种波长的光束组中过滤出特定波长的光束。 

由于光学器件使用过程中，对接收的光束的波长并不是完全不变的，因此需要使用具有可调节输出波长的光学滤波器进行滤波，输出光束的波长可调的光学滤波器被称为光学可调滤波器。 

现在的光学可调滤波器按照其产生色散的原理可以分为两大类：光栅衍射型滤波器以及法布里-帕罗(Fabry-Perot)腔型滤波器。光栅衍射型滤波器是利用具有不同波长的入射光束入射到光栅表面时，不同波长的光束分量对应着不同的衍射角，从而把不同波长的光束分开形成光谱，同时通过电光、声光、热光效应或者常规机械转动的方式改变入射光束的入射角，使光谱的中心波长发生移动，从而产生滤波的效果。法布里-帕罗腔型滤波器是基于多光束干涉原理，从而形成特定反射和透射谱线，并且通过改变入射到法布里-帕罗腔的光束的角度，可以改变反射和透射谱线的中心波长，达到可以调谐的目的。 

通常，基于电光、声光、热光效应的光学可调滤波器都存在结构复杂、功耗大、中心波长可调谐范围小等缺点；而基于传统机械转动方式的光学可调滤波器，则存在体积庞大、稳定性差、重复性差和响应时间长的缺点。因此，人们开始研发基于微电机系统的光学可调滤波器。 

公告号为CN202182973U的中国实用新型专利公开了名为“一种光栅型的可调滤波器”的发明创造，该滤波器具有一个输入准直器，在 输入准直器的一侧设有第一光栅，第一光栅的后级设有微电机反射镜，在微电机反射镜的后级依次设有扩束棱镜、第二光栅以及反射镜，输出准直器基本上与输入准直器平行设置，且均位于第一光栅的同一侧。具有多种波长的光束从输入准直器入射后，经过第一光栅发射衍射，不同波长的光束因穿过第一光栅时折射角度不同而以不同的入射角度入射至微电机反射镜上，从而将多束光束分开形成光谱。多束光束经过微电机反射镜的反射依次入射到扩束棱镜、第二光栅以及反射镜后，只有特定波长的光束能够原路返回并且入射到输出准直器上，实现对特定波长的光束滤波。 

通过调节微电机反射镜的角度可以改变光束从微电机反射镜入射到扩束棱镜、第二光栅的角度，从而改变光学可调滤波器的中心波长，因此调节微电机反射镜的角度即可以实现光学可调滤波器调节输出光束波长的功能。 

随着光纤通信技术的发展，光学设备的小型化已经是发展趋势。如将光学可调滤波器小型化，则往往需要使用准直透镜。然而，准直透镜的工作受限于双光纤尾纤发光的交叉点的位置，对于一般的准直透镜而言，工作距离很短，通常只有3毫米左右。如果使用3毫米的工作距离的双光纤尾纤，不能满足上述设计的准直透镜的工作要求。如果增加双光纤尾纤的工作距离，必须增加准直透镜的曲率半径，使之产生一个较大的光斑，这样的数据不但增大光学可调滤波器的尺寸，还会增加微电机反射镜的直径，进而增加微电机反射镜的驱动电压和功耗，增加了微电机反射镜的生产成本。可见，现有的光学可调滤波器存在体积过大以及功耗过高的问题。 

此外，由于现有的光学可调滤波器从输入准直器出射的光束先经过第一光栅的衍射再入射至微电机反射镜内，导致微电机反射镜每旋转固定的角度后，从第一光栅出射的光束入射到微电机反射的角度变化较小，导致需要微电机反射镜每次旋转较大的角度才能满足大范围的中心波长的调节需求。此外，上述的光学可调滤波器设置两个光栅，导致光学可调滤波器的生产成本高，且体积庞大，不能满足光学器件小型化的发展趋势。 

发明内容

本发明的主要目的是提供一种体积小且生产成本低的光学可调滤波器。 

本发明的另一目的是提供一种微电机反射镜功效小的光学可调滤波器。 

为了实现上述的主要目的，本发明提供的光学可调滤波器具有双光纤尾纤以及设置在双光纤尾纤一侧的准直透镜，准直透镜远离双光纤尾纤的一侧设有微电机反射镜，其中，双光纤尾纤与准直透镜之间设有楔形片，楔形片的端面与双光纤尾纤的端面倾斜设置，光学可调滤波器还设有位于微电机反射镜的反射光路上的反射衍射装置，从准直透镜出射的光束经过微电机反射镜后入射到反射衍射装置上。 

由上述方案可见，从双光纤尾纤出射的光束先经过位于双光纤尾纤与准直透镜之间的楔形片并发生折射后，再入射至准直透镜，使用普通的准直透镜即可以将光纤准直器的工作距离增加至9毫米左右，并且不会增加光斑的尺寸，微电机反射镜的尺寸可以做得很小，从而减小光学可调滤波器的尺寸。 

此外，由于反射衍射装置设置在微电机反射镜的后级，从准直透镜出射后的光束直接入射到微电机反射镜，并经微电机反射镜后再入射到反射衍射装置。由于从反射衍射装置返回的光束也需要经过微电机反射镜后再入射到准直透镜，因此，相比于现有的光学可调滤波器，微电机反射镜旋转相同的角度，即可以产生两倍的入射角的变化量，对于相同的中心波长的改变，微电机反射镜只需要旋转更小的角度，消耗的功率较小，也减小光学可调滤波器的体积。 

一个优选的方案是，反射衍射装置包括透射式光栅以及位于透射式光栅后级的反射镜。 

由此可见，使用透射式光栅以及反射镜组成的反射衍射装置结构简单，且实现灵活，方便光学可调滤波器的制造。 

进一步的方案是，透射式光栅与反射镜均固定在光学可调滤波器内。这样，可以避免透射式光栅与反射镜的转动，避免光学可调滤波器内具有多个可转动的器件，影响中心波长的调节。 

一个可选的方案是，反射衍射装置包括反射式光栅，微电机反射镜与反射式光栅之间设有扩束棱镜。 

可见，使用反射式光栅作为反射衍射装置，可以减小光学可调滤波器的生产成本，并减小光学可调滤波器的体积。 

附图说明

图1是本发明第一实施例的光学结构示意图。 

图2是本发明第一实施例另一视角的光学结构示意图。 

图3是本发明第一实施例出射光纤处检测到的波形图。 

图4是本发明第二实施例的光学结构示意图。 

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。 

具体实施方式

本发明的光学可调光滤波器用于对入射的光束进行滤波，从包含多种不同波长的光束组中过滤出特定波长的光束，并且可以调节过滤出的光束的波长，满足不同光学器件的使用需要。 

第一实施例： 

参见图1，本实施例具有双光纤尾纤10，双光纤尾纤10内设有两根光纤，分别是入射光纤11以及出射光纤12，包含多种波长的光束从入射光纤11进入光学可调滤波器，过滤后的特定波长的光束从出射光纤12输出。 

在双光纤尾纤10的一侧设有准直透镜20，在准直透镜20与双光纤尾纤10之间设有楔形片14，本实施例中，楔形片14粘贴在双光纤尾纤10的端面13上，端面13是靠近准直透镜20的端面。优选地，楔形片14的端面与双光纤尾纤10的端面倾斜设置，如图2所示，楔形片14的端面15向双光纤尾纤10的方向凹陷。当然，楔形片的端面也可以是一个平面，但楔形片的端面与双光纤尾纤的端面之间形成的夹角为锐角。 

准直透镜20靠近楔形片14的端面21为平面，与端面21相对的端面22为弧面，从楔形片14出射的光束经端面21入射至准直透镜 20，并从端面22出射。返回至准直透镜20的光束从端面22入射，并从端面21出射。 

在准直透镜20的后侧设有微电机反射镜25，本实施例中，微电机反射镜25为罐型封装的微电机反射镜，其具有一个封装的壳体，在壳体内设有反射镜，反射镜由微电机系统驱动并可以在一定角度范围内旋转。 

在微电机反射镜25的反射光路上设有透射式光栅27以及反射镜28，本实施例中，透射式光栅27以及反射镜28构成反射衍射装置，并且反射镜28位于透射式光栅27的后级。优选地，透射式光栅27以及反射镜28均固定安装在光学可调滤波器的壳体内，即透射式光栅27以及反射镜28不会相对于光学可调滤波器的壳体旋转。这样，光学可调滤波器内只有微电机反射镜25内部的反射镜可以旋转，改变光束的反射角度。 

从图1可见，反射镜28与透射式光栅27相互分离地设置，从入射光束的光路上看，反射镜28位于透射式光栅27的后级。并且，反射镜28的反射面29与透射式光栅27之间形成一个夹角，该夹角为锐角。 

包括有多种波长的光束组L11从入射光纤11入射后，经过楔形片14的折射，并入射到准直透镜20中，形成光束组L12。准直后的光束组L12从准直透镜20的端面22出射后，形成光束组L13并入射到微电机反射镜25的反射镜上，形成反射光束组L14并入射到透射式光栅27上。由于透射式光栅27对光束有衍射作用，不同波长的光束经过光栅27后，因折射角度不同而发散并形成光谱，也就是形成由多束光束组成的光束组L15。光束组L15入射到反射镜28的反射面29后沿路返回至透射式光栅27。 

经过反射镜28反射形成的光束组L16再次入射到光栅27，光束组L16再次发生衍射，不同波长的光束因折射角度不相同而以不同的入射角度入射至微电机反射镜25上。 

由于光束组L14经过光栅27后，不同波长的光束因折射角度不相同而发散，经过反射镜28反射后的光束组L16入射到光栅27后，形 成的光束组L17中只有一束光束能够沿着光束组L14的入射光路返回，而该束光束的波长就是光学可调滤波器的中心波长，并且该束光束可以最终从出射光纤12出射。 

光束组L17入射到微电机反射镜25后，经过微电机反射镜25的反射后形成光束组L18并且入射到准直透镜20的端面22，光束组L18中有一束光束L21能够沿光束组L13的入射方向返回。光束组L18入射到准直透镜20后，形成光束组L19，并且从端面21出射后，再次经过楔形片14并入射至双光纤尾纤10。 

由于光束组L18中只有一束光束L21能够沿光束组L13的入射方向返回，光束组L19中也只有一束光束L22能够沿光束组L12的入射方向返回，因此光束L22经过楔形片14后能够入射到出射光纤12并形成出射光束L20出射。光束组L19的其他波长的光束因色散而不能沿原路返回，无法入射至出射光纤12。 

这样，具有不同波长的光束的光束组L11中，只有特定波长的光束L20才能从出射光纤12出射，实现对光束的过滤，这个特定波长就是光学可调滤波器的中心波长。可见，只要调节微电机反射镜25的反射镜与准直透镜20轴线之间的倾斜角度，光束组L14中不同波长的光束经过光栅27的折射角度随之发生变化，且不同波长的光束的折射角度变化情况不相同，能够原路返回的光束的波长也随即改变。可见，通过改变微电机反射镜25的反射镜的倾斜角度，可以改变光学可调滤波器的中心波长，实现对输出光束L20的波长的调节。 

图3是从出射光纤12处检测的波形图，可以看出其半高谱宽，也就是衰减量为3dB的带宽约为200GHz，可以满足放大器等光学器件的噪声抑制的需要。当然，衰减量为3dB的带宽为200GHz只是部分光学器件的要求，也仅仅是本实例的设计值，实际应用中，还可以调整光栅的入射角，根据实际需要改变3dB带宽的值。 

由于在双光纤尾纤10的端部设有楔形片14，从双光纤尾纤10出射的光束组L11先经过楔形片14并发生折射后，再入射至准直透镜20，因此，本实施例可以使用普通的准直透镜即可以将准直透镜20的 工作距离增加至9毫米左右，并且不会增加光斑的尺寸，微电机反射镜25的尺寸可以做得很小，从而减小光学可调滤波器的尺寸。 

此外，由于从准直透镜20出射的光束组L13直接出射至微电机反射镜25，经过微电机反射镜25反射后再入射至透射式光栅27。这样，相对于现有的光学可调滤波器，从准直透镜20出射的光束组L13不需要先经过光栅再入射至微电机反射镜，当本实施例的微电机反射镜25旋转相同的角度，相对于现有的光学可调滤波器，返回准直透镜20的光束可以产生2倍的入射角的改变，因此，在相同的中心波长的改变的情况下，本实施例的微电机反射镜25旋转的角度只需要现有的可调光学滤波器的一半，因此微电机反射镜25的体积可以做得更小，且消耗的功率也更小。这样，光学可调滤波器的体积很小，可以做成紧凑型的小型化器件。 

第二实施例： 

参见图4，本实施例具有双光纤尾纤30，双光纤尾纤30内设有两根光纤，分别是入射光纤31以及出射光纤32，在双光纤尾纤30的一侧设有准直透镜40，双光纤尾纤30与准直透镜40之间设有楔形片34，楔形片34粘贴在双光纤尾纤30靠近准直透镜40的端面33上。并且，楔形片34的端面35与双光纤尾纤30的端面33倾斜布置，如楔形片34的端面35向双光纤尾纤30的方向凹陷。 

准直透镜40的端面41靠近双光纤尾纤30，端面42为远离双光纤尾纤30的端面，在端面42的外侧设有微电机反射镜45，从准直透镜40出射的光束组入射到微电机反射镜45的反射镜后发生反射。在微电机发射极45的反射光路上设有扩束棱镜46以及位于扩束棱镜46后方的反射式光栅47。不同波长的光束入射到反射式光栅47因折射率不同而发散，并且在反射面48上发生反射，返回至扩束棱镜46。可见，本实施例中，反射衍射装置为反射式光栅47。 

包含不同波长光束的光束组L31从入射光纤31入射到双光纤尾纤30，并经过楔形片34时发生折射，再入射到准直透镜40并形成光束组L32，经过准直的光束组L32从准直透镜40出射后形成光束组L33入射至微电机反射镜45上。经过反射后的光束组L34入射至扩束棱镜 46，形成的光束组L35的光斑增大，并入射至反射式光栅47，光束组L35中不同波长的光束因折射率不同而发散并在反射面48上发生反射，形成光束组L36并入射至扩束棱镜46。 

由于不同波长的光束在反射式光栅47上发散，多束光束中只有特定波长的光束才能沿光束组L35入射到反射式光栅47的路径返回，其他波长的光束因发散而无法原路返回，因此光束组L36中只有一束光束是沿光束组L35的入射方向返回至扩束棱镜46。 

光束组L36穿过到扩束棱镜46后形成光束组L37并入射到微电机反射镜45，并形成光束组L38，光束组L38中只有一束光束L41沿光束组L33的方向返回至准直透镜40。光速组L38入射到光纤准直40后形成光束组L39，且光束组L39中只有特定波长的光束L42原路返回并经过楔形片34后从出射光纤32中出射，形成光束L40。光束组L39中的其他波长的光束因色散导致光斑无法入射到出射光纤32上，也就被过滤掉，无法从出射光纤32中出射。 

通过改变微电机反射镜45与准直透镜40轴线之间的角度，可以改变光学可调滤波器的中心波长，也就是改变从出射光纤32出射的光束的波长。 

优选地，扩束棱镜46以及反射式光栅47均固定安装在光学可调滤波器的壳体内，这样，微电机反射镜45的反射镜旋转时，扩束棱镜47以及反射式光栅47均不会相对于微电机反射镜45的反射镜发生旋转，确保光学可调滤波器的工作稳定性。 

在微电机反射镜45与反射式光栅47之间设置扩束棱镜46，可以使光束组L34入射到反射式光栅47前被更多的分割，从而产生更大的分辨率和衍射效率。 

当然，上述实施例仅是本发明优选的实施方案，实际应用时还可有更多的改变，例如，微电机反射镜可以不是罐型封装，可以采用其他结构的微电机反射镜；或者，使用色散棱镜替代透射式光栅作为衍射器件等，这样的改变并不会影响本发明的实施。 

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如微电机反射镜与透射式光栅等器件在光学可调滤波器的壳体内安装位置的改变、 使用的光栅器件的类型的改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。 

Claims (10)

1.光学可调滤波器，包括

双光纤尾纤以及设置在所述双光纤尾纤一侧的准直透镜，所述准直透镜远离所述双光纤尾纤的一侧设有微电机反射镜；

其特征在于：

所述双光纤尾纤与所述准直透镜之间设有楔形片，所述楔形片的端面与所述双光纤尾纤的端面倾斜设置；

所述光学可调滤波器还设有位于所述微电机反射镜的反射光路上的反射衍射装置，从所述准直透镜出射的光束经过所述微电机反射镜后入射到所述反射衍射装置上。

2.根据权利要求1所述的光学可调滤波器，其特征在于：

所述反射衍射装置包括透射式光栅以及位于所述透射式光栅后级的反射镜。

3.根据权利要求2所述的光学可调滤波器，其特征在于：

所述透射式光栅与所述反射镜均固定在所述光学可调滤波器内。

4.根据权利要求2所述的光学可调滤波器，其特征在于：

所述透射式光栅与所述反射镜之间形成的夹角为锐角。

5.根据权利要求1所述的光学可调滤波器，其特征在于：

所述反射衍射装置包括反射式光栅。

6.根据权利要求5所述的光学可调滤波器，其特征在于：

所述反射衍射装置还包括位于所述微电机反射镜与所述反射式光栅之间的扩束棱镜。

7.根据权利要求6所述的光学可调滤波器，其特征在于：

所述扩束棱镜与所述反射式光栅固定安装在所述光学可调滤波器内。

8.根据权利要求1至7任一项所述的光学可调滤波器，其特征在于：

所述楔形片粘贴在所述双光纤尾纤靠近所述准直透镜的端面上。

9.根据权利要求1至7任一项所述的光学可调滤波器，其特征在于：

所述微电机反射镜为罐型封装反射镜。

10.根据权利要求1至7任一项所述的光学可调滤波器，其特征在于：

所述楔形片的端面向所述双光纤尾纤一侧凹陷。