CN104698545A - 一种具有光谱分析功能的光滤波器及其实现方法 - Google Patents

一种具有光谱分析功能的光滤波器及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有光谱分析功能的光滤波器及其实现方法，该实现方法包括以下步骤：光信号经光环行器、准直器阵列进入偏振转换单元转化为同一偏振态的光信号；通过光信号扩束单元在X方向上进行扩束，并投射到衍射光栅上；衍射光栅将按波长不同进行色散，并反射至X方向第三柱透镜，射入具有驱动机构的三角反射镜上；控制单元控制驱动机构改变三角反射镜的位置，使其仅反射与其位置对应波长的光信号；反射出的光信号再按原路返回到准直器阵列，由准直器阵列输出到光环形器，光探测单元检测由光环形器输出的光信号的波长和光强度，并记录得到连续的光谱图。本发明在光滤波器上实现光谱分析，大大增加了光滤波器的适用范围。

Description

一种具有光谱分析功能的光滤波器及其实现方法
技术领域
本发明涉及光通信领域，具体涉及一种具有光谱分析功能的光滤波器及其实现方法。
背景技术
光滤波器和光谱分析仪是常用的光信号设备，随着光通信技术的飞速发展，可调谐光滤波器更是成为光通信系统中必不可少的光学器件。
众所周知，光滤波器与光谱分析仪都建立在光调制原理基础上，致使光滤波技术与光谱分析技术具有相似之处。然而，现有的可调谐光滤波器都不具备光谱分析功能，因此，如果能够在可调谐光滤波器上实现光谱分析功能，则会大大增加可调谐光滤波器的适用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何在光滤波器上实现光谱分析功能的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种具有光谱分析功能的光滤波器，包括光环形器、准直器阵列、偏振转换单元、光信号扩束单元、衍射光栅、X方向第三柱透镜、三角反射镜、控制单元和光探测单元；
光信号从所述光环行器的第一端口输入、第二端口输出，经过所述准直器阵列准直，进入所述偏振转换单元转化为同一偏振态的光信号；再通过光信号扩束单元，将该光信号在X方向上进行扩束，并投射到所述衍射光栅上；所述衍射光栅对入射的扩束光信号按波长不同进行色散并反射至所述X方向第三柱透镜，由所述X方向第三柱透镜将不同波长的色散光信号射入所述三角反射镜上；所述三角反射镜具有驱动机构，所述控制单元控制所述驱动机构改变所述三角反射镜的位置，使所述三角反射镜仅反射与其位置对应波长的光信号；经所述三角反射镜反射出的光信号依次经过所述X方向第三柱透镜、衍射光栅、光信号扩束单元和偏振转换单元返回到所述准直器阵列，由所述准直器阵列输出到所述光环形器，并由所述光环形器的第三端口输出；所述光探测单元检测由所述光环形器的第三端口输出的光信号的波长和光强度，并记录得到连续的光谱图。
在上述具有光谱分析功能的光滤波器中，所述控制单元控制所述驱动机构垂直上、下和沿X轴水平左、右改变所述三角反射镜在特定位置，并保持该位置不变，使所述三角反射镜仅反射与其位置对应波长的光信号，实现光滤波功能。
在上述具有光谱分析功能的光滤波器中，所述控制单元控制所述驱动机构垂直上、下和沿X轴水平左、右改变所述三角反射镜的位置，并按预设规律连续改变位置，使所述三角反射镜每次在其位置上仅反射唯一对应波长的光信号，实现进行光谱分析功能。
在上述具有光谱分析功能的光滤波器中，所述光信号扩束单元由X方向第一柱透镜和X方向第二柱透镜组成。
在上述具有光谱分析功能的光滤波器中，在所述衍射光栅与所述X方向第三柱透镜之间设有Y方向柱透镜阵列。
本发明还提供一种具有光谱分析功能的光滤波器的实现方法，包括以下步骤：
使光信号从光环行器的第一端口输入、第二端口输出后，经过准直器阵列准直，进入偏振转换单元转化为同一偏振态的光信号；
再将光信号通过光信号扩束单元在X方向上进行扩束，并投射到衍射光栅上；
入射衍射光栅的扩束光信号将按波长不同进行色散，并反射至X方向第三柱透镜，由X方向第三柱透镜将不同波长的色散光信号射入具有驱动机构的三角反射镜上；
控制单元控制所述驱动机构改变所述三角反射镜的位置，使所述三角反射镜仅反射与其位置对应波长的光信号；
经所述三角反射镜反射出的光信号依次经过所述X方向第三柱透镜、衍射光栅、光信号扩束单元和偏振转换单元返回到所述准直器阵列，由所述准直器阵列输出到所述光环形器，并由所述光环形器的第三端口输出；
光探测单元检测由所述光环形器的第三端口输出的光信号的波长和光强度，并记录得到连续的光谱图。
在上述方法中，
控制单元控制所述驱动机构垂直上、下和沿X轴水平左、右改变所述三角反射镜在特定位置，并保持该位置不变，使所述三角反射镜仅反射与其位置对应波长的光信号，进行光滤波；
控制单元控制所述驱动机构垂直上、下和沿X轴水平左、右改变所述三角反射镜的位置，并按预设规律连续改变位置，使所述三角反射镜每次在其位置上仅反射唯一对应波长的光信号，进行光谱分析。
在上述方法中，所述光信号扩束单元由X方向第一柱透镜和X方向第二柱透镜组成。
在上述方法中，在所述衍射光栅与所述X方向第三柱透镜之间设有Y方向柱透镜阵列。
本发明充分的利用光路可逆性和控制单元构造了结构简单的光滤波器，并通过增加光探测单元和控制单元对三角反射镜位置的规律性改变实现光滤波器具有光谱分析功能，大大增加光滤波器的适用范围；同时，利用控制单元对三角反射镜位置不同方向的改变，还实现了滤波器对中心波长和带宽的调节，操作简单、灵活，能够满足技术人员对光滤波器的不同要求。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有光谱分析功能的光滤波器的结构图；
图2为本发明实现光谱分析功能时三角反光镜的位置改变示意图；
图3为利用本发明光谱分析功能得到的1530nm到1570nm波长光信号的连续光谱的分析图；
图4为本发明实现带宽和中心波长调节时三角反光镜的位置改变示意图；
图5为本发明图4中三角反光镜不同位置对应的中心波长。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。
如图1所示，本发明提供的一种具有光谱分析功能的光滤波器，包括环形器100、准直器阵列101、偏振转换单元102、光信号扩束单元、衍射光栅105、X方向第三柱透镜106、三角反射镜107、控制单元108和光探测单元109；
其中，光环形器100具有第一端口a、第二端口b和第三端口c三个端口；准直器阵列101包括入射端口和出射端口。
光信号从光环行器100的第一端口a输入、第二端口b输出，从准直器阵列101的入射端口进入准直器阵列101准直，再由准直器阵列101出射端口进入偏振转换单元102转化为同一偏振态的光信号；然后通过光信号扩束单元，将该光信号在X方向上进行扩束，使得同一偏振态的光信号在X方向上投射在衍射光栅105上的光斑足够大，以增加衍射光栅105的衍射效率，扩束光信号投射到衍射光栅105上；衍射光栅105对入射的扩束光信号按波长的不同进行色散，使反射的不同波长的光信号被分开；在X方向上，由衍射光栅105反射的角度发散的光信号经过X方向第三柱透镜106，由X方向第三柱透镜106将不同波长的色散光信号准直射入三角反射镜107所在平面上，且不同波长的光信号聚焦在不同位置上；三角反射镜107具有驱动机构，控制单元108控制驱动机构改变三角反射镜107的位置，使三角反射镜107仅接收并反射与其位置对应波长的光信号，经三角反射镜107反射后的光依次经过X方向第三柱透镜106、衍射光栅105、光信号扩束单元和偏振转换单元102按原路回到准直器阵列101出射端口，由准直器阵列101的入射端口输出到光环形器100的第二端口b；从第二端口b进入光环形器100的光信号，从其第三端口c输出到光探测单元109；光探测器单元109对接收到的光信号进行光信号的波长和光强度检测，并记录得到连续的光谱图。
在本发明中，当控制单元108控制所述驱动机构垂直上、下和沿X轴水平左、右改变三角反射镜107在特定位置，使三角反射镜107仅反射与其位置对应波长(用户要求波长)的光信号，并保持该位置不变，实现光滤波器功能；
当控制单元108控制所述驱动机构垂直上、下和沿X轴水平左、右改变三角反射镜107的位置，并按预设规律连续改变位置，使三角反射镜107每次在其位置上仅反射唯一对应波长的光信号，并通过光探测单元109检测每次反射的光信号的波长和光强度，并记录得到连续的光谱图，实现光谱分析功能。
下面结合实施例，具体说明本发明提供的一种具有光谱分析功能的光滤波器实现光谱分析功能的具体工作过程。
如图2所示，在t1时刻，控制单元108控制三角形反射镜107沿水平方向移动到特定的位置，使其仅反射一种波长的光信号到准直器阵列101出射端口，再经光环形器100进入光探测单元109，例如1530nm波长的光信号，光探测单元109接收到该波长的光信号并记录其波长1530nm和光强度P1；在t2时刻，控制单元108控制三角形反射镜107的位置，使其仅反射另一种波长的光信号，到准直器阵列101出射端口，再经光环形器100进入光探测单元109，例如1530.05nm波长的光信号，光探测单元109接收到该光信号并记录其波长1530.05nm和光强度P2；以此方式，在其他时刻探测其它波长的光，持续扫描，直到在tn时刻，探测到最后一种波长的光信号的波长和光强度Pn，例如在tn时刻的光信号的波长为1570nm，如图3所示即得到1530nm到1570nm波长光信号的连续光谱的分析图。
本发明充分的利用光路可逆性和控制单元构造了结构简单的光滤波器，并通过增加光探测单元109和控制单元108对三角反射镜107位置的规律性改变实现光滤波器具有光谱分析功能，大大增加光滤波器的适用范围，操作简单、灵活。
在本发明中，具有光谱分析功能的光滤波器构造的光谱分析仪的波长分辨率与衍射光栅105色散能力和三角反射镜107的大小有关。
在本发明中，光信号扩束单元由X方向第一柱透镜103和X方向第二柱透镜104组成。
在本发明中，在衍射光栅105与X方向第三柱透镜106之间还设有Y方向柱透镜阵列110，在Y方向上，Y方向柱透镜阵列110保证从衍射光栅105出射的角度发散的光信号在Y方向上不会发散。
本发明提供的光滤波器具有带宽和中心波长的调节功能，下面进行具体说明。
(1)带宽调节功能。
在本发明中，控制单元108能够控制三角反射镜107的位置垂直移动(垂直向上或向下)，使三角反射镜107在相应位置同时反射光信号的波长种类增多或减少，并将该位置对应的所述不同波长的光信号反射到准直器阵列101的出射端口，从光环形器100第二端口b进入光环行器100，进行带宽调节，实现本发明提供的滤波器的带宽可调功能。
如图4所示，控制单元108控制三角反射镜107的位置至S0处，其在该位置只反射一个波长为λ0的光信号，而其它波长的光信号三角反射镜107没有接收到，因而不会反射；当控制电路单元108垂直向上移动三角反射镜107的位置至S1时，三角反射镜107将接收到另一波长为λ1的光信号，并对其进行反射，检测其对应光强度为P1(如图5所示)，由于三角反射镜107在S1处与其在S0处反射位置有重叠，所以在S1处三角反射镜107还可以同时接收到在S0处反射的波长为λ0的光信号，这样，在光环行器100接收到的光信号为波长为λ0和λ1两种，增加了滤波器的带宽。
(2)中心波长调节功能。
在本发明中，控制单元108能够控制三角反射镜107位置水平移动(水平向左或向右)，使三角反射镜107反射相应位置对应波长的光信号，并将该位置对应波长的光信号反射到准直器阵列101的出射端口，从光环形器100第二端口b进入光环行器100，进行中心波长的调节，实现本发明提供的滤波器的中心波长可调功能。
如图4、图5所示，控制单元108控制三角形反射镜107的位置至S0处，其在该位置只反射相应波长的光信号到所述准直器阵列101出射端口，经光环形器100第三端口进入光探测单元109，此时，控制单元108控制光探测单元109对其进行检测，并记录相应的中心波长1530nm和光强度P0；当控制单元108水平向右移动三角反射镜107的位置至S2时，其在该位置时反射相应波长的光信号到所述准直器阵列101出射端口，经光环形器100第三端口进入光探测单元109，此时，控制单元108控制光探测单元109对其进行检测，并记录相应的中心波长1570nm和光强度P2；可见，光信号的中心波长增大，实现了中心波长的调整；同理，控制电路单元108还可以能够控制三角形反射镜107位置水平向左移动，光信号的中心波长将减小。
本发明还提供了上述一种具有光谱分析功能的光滤波器的实现方法，包括以下步骤：
使光信号从光环行器的第一端口输入、第二端口输出后，经过准直器阵列准直，进入偏振转换单元转化为同一偏振态的光信号。
再将光信号通过光信号扩束单元在X方向上进行扩束，并投射到衍射光栅上；
入射衍射光栅的扩束光信号将按波长不同进行色散，并反射至X方向第三柱透镜，由X方向第三柱透镜将不同波长的色散光信号射入具有驱动机构的三角反射镜上。
控制单元控制所述驱动机构改变所述三角反射镜的位置，使所述三角反射镜仅反射与其位置对应波长的光信号；
经所述三角反射镜反射出的光信号依次经过所述X方向第三柱透镜、衍射光栅、光信号扩束单元和偏振转换单元返回到所述准直器阵列，由所述准直器阵列输出到所述光环形器，并由所述光环形器的第三端口输出。
光探测单元检测由所述光环形器的第三端口输出的光信号的波长和光强度，并记录得到连续的光谱图。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种具有光谱分析功能的光滤波器，其特征在于，包括光环形器、准直器阵列、偏振转换单元、光信号扩束单元、衍射光栅、X方向第三柱透镜、三角反射镜、控制单元和光探测单元；
光信号从所述光环行器的第一端口输入、第二端口输出，经过所述准直器阵列准直，进入所述偏振转换单元转化为同一偏振态的光信号；再通过光信号扩束单元，将该光信号在X方向上进行扩束，并投射到所述衍射光栅上；所述衍射光栅对入射的扩束光信号按波长不同进行色散并反射至所述X方向第三柱透镜，由所述X方向第三柱透镜将不同波长的色散光信号射入所述三角反射镜上；所述三角反射镜具有驱动机构，所述控制单元控制所述驱动机构改变所述三角反射镜的位置，使所述三角反射镜仅反射与其位置对应波长的光信号；经所述三角反射镜反射出的光信号依次经过所述X方向第三柱透镜、衍射光栅、光信号扩束单元和偏振转换单元返回到所述准直器阵列，由所述准直器阵列输出到所述光环形器，并由所述光环形器的第三端口输出；所述光探测单元检测由所述光环形器的第三端口输出的光信号的波长和光强度，并记录得到连续的光谱图。
2.如权利要求1所述的具有光谱分析功能的光滤波器，其特征在于，
所述控制单元控制所述驱动机构垂直上、下和沿X轴水平左、右改变所述三角反射镜在特定位置，并保持该位置不变，使所述三角反射镜仅反射与其位置对应波长的光信号，实现光滤波功能。
3.如权利要求1所述的具有光谱分析功能的光滤波器，其特征在于，
所述控制单元控制所述驱动机构垂直上、下和沿X轴水平左、右改变所述三角反射镜的位置，并按预设规律连续改变位置，使所述三角反射镜每次在其位置上仅反射唯一对应波长的光信号，实现进行光谱分析功能。
4.如权利要求1所述的具有光谱分析功能的光滤波器，其特征在于，所述光信号扩束单元由X方向第一柱透镜和X方向第二柱透镜组成。
5.如权利要求1所述的具有光谱分析功能的光滤波器，其特征在于，在所述衍射光栅与所述X方向第三柱透镜之间设有Y方向柱透镜阵列。
6.具有光谱分析功能的光滤波器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
使光信号从光环行器的第一端口输入、第二端口输出后，经过准直器阵列准直，进入偏振转换单元转化为同一偏振态的光信号；
再将光信号通过光信号扩束单元在X方向上进行扩束，并投射到衍射光栅上；
入射衍射光栅的扩束光信号将按波长不同进行色散，并反射至X方向第三柱透镜，由X方向第三柱透镜将不同波长的色散光信号射入具有驱动机构的三角反射镜上；
控制单元控制所述驱动机构改变所述三角反射镜的位置，使所述三角反射镜仅反射与其位置对应波长的光信号；
经所述三角反射镜反射出的光信号依次经过所述X方向第三柱透镜、衍射光栅、光信号扩束单元和偏振转换单元返回到所述准直器阵列，由所述准直器阵列输出到所述光环形器，并由所述光环形器的第三端口输出；
光探测单元检测由所述光环形器的第三端口输出的光信号的波长和光强度，并记录得到连续的光谱图。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，
控制单元控制所述驱动机构垂直上、下和沿X轴水平左、右改变所述三角反射镜在特定位置，并保持该位置不变，使所述三角反射镜仅反射与其位置对应波长的光信号，进行光滤波；
控制单元控制所述驱动机构垂直上、下和沿X轴水平左、右改变所述三角反射镜的位置，并按预设规律连续改变位置，使所述三角反射镜每次在其位置上仅反射唯一对应波长的光信号，进行光谱分析。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光信号扩束单元由X方向第一柱透镜和X方向第二柱透镜组成。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述衍射光栅与所述X方向第三柱透镜之间设有Y方向柱透镜阵列。
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