CN104950397A - 一种带宽压缩的光滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种带宽压缩的光滤波器，包括光输入单元(1-1)、分光单元(1-2)、反射单元(1-3)，所述光输入单元(1-1)设置有多个通道，分光单元(1-2)位于光输入单元(1-1)、反射单元(1-3)之间，反射单元(1-3)与光输入单元(1-1)通道为光耦合设置；光输入单元(1-1)的各通道呈中心对称分布进行级联，每一对对称的通道位于二维空间设置实现完成一次光的进和出，每一个出通道与顺序的下一个入通道相连直至最后一对通道；本发明装置由于采用了二维中心对称结构，每一个通道间的耦合误差被减小到很低的程度，多次级联后的插入损耗近似可认为是中心元件多次经过的积累，输入端的复用影响不大，而带宽指标则具有非常大的压缩。

Description

一种带宽压缩的光滤波器

技术领域

本发明提出一种带宽压缩的光滤波器，本发明属于光通信领域和光传感领域。

背景技术

随着光通信技术的发展，特别是DWDM技术的成熟和不断进步，窄信道，高速率的通信系统不断诞生。光学滤波器是光通信和光传感的基础器件，是实现复杂功能的基本技术。光学滤波器成为了这些技术或者系统中不可或缺的部分。精准的波长滤出能力，将帮助实现对系统运行状况的监控，以及准确完成多波长交换等复杂高难度功能。

而随着通信要求提升，信号速率增大，信道容量提升，信道宽度、密度都提出了更严苛的标准。因此需要滤波器实现更窄带宽，即更好的滤波能力的要求。窄带滤波器当带宽实现进一步压缩时，能呈现出更精准的波长选择能力、更精细的能量分布空间，更趋近于理论上的冲击函数，也就允许了在同样光谱范围内拥有更多的采样点，为更精准和广泛的应用提供了实现可能。

目前常见的带宽压缩技术基本都是基于级联原理。通常是多个滤波器外部连接，拼接成一个大的滤波单元。或者在滤波器中重复设置滤波单元即分光元件，实现分光的顺序拼接。

但是同一光束多次往返分光元件时，由于高斯光束对耦合条件的约束非常强，横向位移和角度的失配都会引起非常大的损耗。

根据高斯光束耦合效率的描述：

$\mathrm{\η}:=\frac{1}{\frac{{(w{1}^2+w{2}^2)}^2}{4w{1}^2\·w{2}^2}+{\[\frac{\frac{\mathrm{\λ}}{n}\·(z1+z2)}{2\mathrm{\π}\·w1\·w2}\]}^2}\·\exp \[-\frac{\frac{2z{1}^2\·w{2}^2+2z{2}^2\·w{1}^2}{{(w{1}^2+w{2}^2)}^2}+\frac{2{\mathrm{\π}}^2\·w{1}^2\·w{2}^2}{{\mathrm{\λ}}^2\·(w{1}^2+w{2}^2)}}{1+{\[\frac{\frac{\mathrm{\λ}}{n}\·(z1+z2)}{2\mathrm{\π}\·w1\·w2}\]}^2}\·{\mathrm{\θ}}^2\]$ 式中η为耦合效率，w1和w2为相互耦合的高斯光束束腰半径，z1和z2为轴向传输距离，λ为波长，θ为两束高斯光束形成的夹角，n为折射率。

当存在角度偏差时，光束耦合的损耗是成指数增长的。对于想采用同一光束多次往返的做法，很难做到将光束都进行完美耦合。故目前市面上看到的多为多个器件直接连接的级联方式，以避开多次往返的光束控制问题。

国内专利CN103257404A描述的就是一种通过利用输出端与输入端直接相连两次经过滤波元件的级联方案，该方案在压缩带宽的效果上由于仅能完成两次级联效果有限且不具备更高阶的扩展性，在可推广性上不具备简易的可移植性，因此仅能作为单一器件的有限带宽压缩方案。其在效果和适用性上具有很大的局限性。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种宽压缩的光滤波器，能够强化其滤波能力，通过本发明的技术革新，可以实现在不改变滤波结构和光学元件的基础上实现对带宽这一核心指标的优化。

本发明采用如下技术方案实现：

一种带宽压缩的光滤波器，包括光输入输出单元、分光单元、反射单元，所述光输入输出单元包括由偶数根光纤形成的光纤簇，所有光纤呈中心对称分布，形成相互隔离的多个光通道，每一对沿中心对称的光纤相对于对称中心具有相同的相对位置和角度形成对称的光通道，每对所述对称的光通道中有一路光纤用于输入光信号，而另一路光纤用于输出光信号，并且一个对称的光通道中用于输出光信号的光纤与另一个对称的光通道中用于输入光信号的光纤相连以将所有对称的光通道级联起来，分光单元位于光输入单元、反射单元之间，反射单元与光输入单元通道为光耦合设置。

所述光纤簇粘接有G-LENS透镜。

所述光纤簇的光路方向独立设置有准直作用的透镜，所述透镜采用G-lens透镜或者球面透镜或者非球面透镜。

所述光纤簇由4根光纤成中心对称分布组成，其中第一入射光纤与第一出射光纤对称，第二入射光纤与第二出射光纤对称；第一入射光纤与第二入射光纤是入通道，第一出射光纤与第二出射光纤是出通道，第二入射光纤与第一出射光纤熔接相连。

所述光纤簇由8根光纤按照圆环状等分分布，第一光纤与第二光纤、第三光纤与第四光纤、第五光纤与第六光纤、第七光纤与第八光纤为几何对称的一对光纤而形成一对光进出通道；其中第二光纤与第三光纤相连，第四光纤与第五光纤相连。

所述反射单元采用MEMS型反射镜或者固定反射镜。

所述MEMS型反向镜包括硅基板、活动反射镜、第一电极、第二电极，所述硅基板采用硅材质底板，第一电极、第二电极对活动反射镜加电使其沿中轴受控转动。

采用熔接方式或者反射端子耦合连接方式将所有对称的光通道级联起来，所述反射端子包括玻璃管和高反射镜面，所述玻璃管内固定两根光纤的尾端，所述玻璃管末端设置有高反射镜面。

所述分光单元采用衍射元件或者干涉元件，将光按照波长在空间中分散开，使各波长的光被选择性的耦合进光通道。

所述衍射元件采用衍射光栅或者所述干涉元件采用F-P标准具。

本发明的优点为：

1、本发明装置体积小巧：实现方便，本发明装置在原有滤波器基础上进行修改，主要在光输入端进行集成，并没有进行器件或元件级级联，方便实现小体积的带宽压缩；

2、本发明装置成本低廉：通过对核心元件的高度的复用，多次利用相同的结构和部分，自身修改部分原料简单，结构易操作，性能提升相对成本优势明显；

3、本发明装置性能指标优越：由于采用了二维中心对称结构，每一个通道间的耦合误差被减小到很低的程度，多次级联后的插入损耗近似可认为是中心元件多次经过的积累，输入端的复用影响不大，而带宽指标则具有非常大的压缩；

4、本发明装置在光通信的监控、复用，光纤传感等领域有着显著作用和应用前景。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是本发明的输入单元正视图；

图3是本发明的输入单元截面图；

图4是本发明的一种分光元件光栅工作原理图；

图5是本发明的一种反射单元，MEMS反射镜工作原理图；

图6是本发明的优选案例工作光路图；

图7是本发明的滤波图谱对比图；

图8是本发明的一种光纤连接方式举例；

图9是本发明的输入单元光纤簇二维对称分布举例；

图10是本发明的一种输入单元举例；

图11是本发明的一种分光元件F-P标准的工作原理

图12是本发明的一种反射单元，固定反射镜的工作原理

其中：

1-1、光输入输出单元；           1-2、分光单元；

1-3、反射单元；                       2-1、光纤簇；

2-2、G-LENS透镜；                 2-3、第一入射光纤；

2-4、第二入射光纤；               2-5、第一出射光纤；

2-6、第二出射光纤；               4-1、入射混合光束；

4-2、衍射光栅；                       4-3、经衍射分开的光束；

5-1、硅基板；                          5-2、活动反射镜；

5-3、第一电极；                     5-4、第二电极；

7-1、单次滤波光谱；             7-2、多次滤波光谱；

8-1、反射端子；                   10-1、透镜；

11-1、F-P标准具；                11-2、干涉输出光；

12-1、固定反射镜；

具体实施方式

结合图示以一个实例详细说明本发明的技术方案。图1表示本发明适用的滤波器基本结构，其包括三个部分，光输入输出单元1-1、分光单元1-2、反射单元1-3沿光路排列。在实际的器件中，这三者应该固定在一个外部底板上或壳套中。

普通滤波器工作时，光从光输入输出单元1-1入射，经过分光单元1-2时光束按照波长不同实现了空间上的分开，反射单元1-3对某一特定空间分布的光进行了反射，反射光沿光路原路返回到光输入输出单元1-1中进行输出。

本发明提出的带宽压缩技术是对光输入输出单元1-1进行了重新设计，其使用多根光纤形成光纤簇，所有光纤按照二维中心对称分布。这样的设计使得光束能多次通过后面的滤波元件形成级联达到压缩带宽的特性。

由于反射光路耦合时只与入射和出射光纤的相对位置、相对角度相关，与绝对位置无关，具有的是一种一维的等效特性。而本发明提出的二维中心对称分布的光纤簇，就是重复利用这种一维等效特性。当所有光纤都按照二维中心对称分布时，每一对沿中心对称的光纤都具有相同相对位置与角度。光从任意一根光纤进入，都能在经过光路后从对应的光纤进行耦合输出。这时再顺次连接每一对可以耦合的光纤对就实现了同一束光在滤波光路中的多次重复，形成实际意义上的级联。

下面结合图2与图3说明光输入单元1-1在使用本发明设计的方案时的工作方法。图2为光输入输出单元1-1的一种实例的侧视图，光纤簇2-1由4根光纤组成，4根光纤由小孔穿入玻璃管中用胶水固定。光纤簇2-1同G-LENS透镜2-2粘接成一体，G-LENS透镜2-2其作用是将光纤输出的光进行准直。图3为该实例中光输入输出单元1-1的截面图。

如图3所示4根光纤成中心对称分布，其中第一入射光纤2-3与第一出射光纤2-5对称，第二入射光纤2-4与第二出射光纤2-6对称。第一入射光纤2-3与第二入射光纤2-4是入通道，第一出射光纤2-5与第二出射光纤2-6是出通道，第二入射光纤2-4与第一出射光纤2-5采用熔接法将两根光纤连接在一起。

由于前述的一维等效性，第一入射光纤2-3、第一出射光纤2-5这一对光纤与第二入射光纤2-4、第二出射光纤2-6这一对光纤具有相同的相对位置、角度。如果第一入射光纤2-3的光能被反射耦合到第一出射光纤2-5中，那么第二入射光纤2-4出射的光也能被耦合到第二出射光纤2-6中。在工作过程中第一入射光纤2-3入射的光经第一出射光纤2-5耦合输出，而第一出射光纤2-5与第二入射光纤2-4相连，光会再次从第二入射光纤2-4入射，这时该光束会被反射耦合至第二出射光纤2-6中出射。

回到图1，再来详细描述滤波过程。如图1所示，分光元件1-2将光按照波长在空间中分散开，使各波长的光被选择性的耦合进光路。图4所示是分光元件1-2的一种实例，分光元件1-2采用衍射光栅4-2实现分光功能。衍射光栅4-2工作时，入射混合光束4-1所示的一束混合波长的光按照相同的角度入射，经过衍射光栅4-2时会发生衍射，混合的光会依据衍射光栅方程的描述，依波长按照不同的角度进行出射，形状如同经衍射分开的光束4-3所示。

图1中反射单元1-3，用于将光反射耦合至光输入输出单元1-1中。图5所示是一种反射单元的实例，采用一种MEMS型反射镜，其具有加电可以使镜面转动的功能。MEMS型反射镜包括硅基板5-1、活动反射镜5-2、第一电极5-3、第二电极5-4，其中硅基板5-1是硅材质底板，活动反射镜5-2是镀金的反射镜，其可以转动，第一电极5-3与第二电极5-4是用来加电的电极。当对电极加电时，活动反射镜5-2镜面与硅材质底板之间会带有不同极性的电荷，在这种不同极性电荷作用下，活动反射镜5-2镜面会沿中轴进行受控转动。

本发明基本思想为多次经过分光元件的级联方法来实现压缩滤波器带宽的技术。由于分光元件分光能力限制，会部分输出主滤出波长附近的光，形成光谱上的展宽；当同一束光反复经过滤波元件时，主滤出波长附近的光会被多次衰减，因此通过反复经过滤波元件能够强化滤波能力，压缩带宽。如图6所示是经过上述选型后本发明装置的实际光路过程，具体如下：

在工作时，第一入射光纤2-3与外部宽谱光源相连，作为总输入端。光经第一入射光纤2-3后，在G-LENS透镜2-2处准直，再经衍射光栅4-2分光后，依照波长按照角度分散开。所有的光会行进到活动反射镜5-2，即MEMS反射镜，MEMS反射镜的初始位置会对一个特定角度的光进行反射，反射光会再次经衍射光栅4-2和G-LENS透镜2-2耦合进入第一出射光纤2-5光纤，其他角度的光会被散射而不能耦合回去。当需要选择波长时，使MEMS反射镜转动角度，选择不同角度的光返回，将不同波长的光耦合回去。这时第一次滤波过程完成，由于光栅分光能力的限制，滤出的光在光谱分析中可以看出具有明显的展宽如图7中的单次滤波光谱7-1所示，即邻近波长的光也耦合了一小部分回第一出射光纤2-5。第一出射光纤2-5与第二入射光纤2-4相连，第二入射光纤2-4作为入通道将使该滤出光继续进入下一次滤波过程。由于具有对称性，第二入射光纤2-4、第二出射光纤2-6这一对进出端所经历的光路与第一入射光纤2-3、第一出射光纤2-5这一对进出端等效，故第二入射光纤2-4出去的光经准直后依然按照上次相同的角度入射光栅，也依照相同的角度出射光栅，再被MEMS反射镜反射回光栅，最终进入第二出射光纤2-6出射。这一次的滤波与单次滤波光谱7-1相比，会按照自身衰减程度再衰减一次成如图7中的多次滤波光谱7-2所示，即原来衰减弱的地方这次衰减更弱，原来衰减强的地方衰减更强，从图谱上可见其带宽变窄，达到了压缩带宽的目的。

如图8是如图2的另一种实例，其被称为反射端子，是一种利用耦合连接两根光纤的方法。其基本构成与图2所示相同，区别在于图2中第一出射光纤2-5与第二入射光纤2-4光纤使用熔接法进行连接，而图8中使用反射端子8-1完成两个通道的互联。其工作时，反射端子8-1将第一出射光纤2-5与第二入射光纤2-4光纤的尾端套入同一个玻璃管中固定起来，玻璃管的末端有高反射的镜面，通过反射作用将第一出射光纤2-5的光耦合进入第二入射光纤2-4当中，完成两个光纤的连接。

图9是图3的另一种实例，该截面图所示的入射端实例可以完成多级级联。其入射端侧视结构与图2相同，前端有透镜，中部是光纤束，尾端光纤束依照进出顺序逐级相连。具体链接方法见图9中所示，第一光纤9-1至第八光纤9-8为8根光纤，这8根光纤按照圆环状等分分布。成几何对称的一对光纤为一对光进出通道，分别是：第一光纤9-1与第二光纤9-2，第三光纤9-3与第四光纤9-4，第五光纤9-5与第六光纤9-6，第七光纤9-7与第八光纤9-8。其中每一对进出通道的出端与下一对通道的入端相连，如第二光纤9-2与第三光纤9-3，第四光纤9-4与第五光纤9-5，最后第一光纤9-1作为总的光接入，第八光纤9-8作为总的光输出与外部相连。该结构可以表征更多或者更少次级联的入射端方法，将偶数根光纤按照圆环状等分分布，每一对对称的光纤作为一对进出通道，每一对进出通道的出端与下一对通道的入端相连。

该实例在工作时，第一光纤9-1出射的光经会被外部光路耦合进入第二光纤9-2中，由于第二光纤9-2与第三光纤9-3相连，光由第三光纤9-3出射。由于光纤的排布具有几何对称性，在光路上具有等效性，光会耦合进入第四光纤9-4，第四光纤9-4与第五光纤9-5相连光会再由第五光纤9-5出射。这样多次的对称通道进出，光最终会从第七光纤9-7耦合进入第八光纤9-8，形成最终的出射，此时，由于4次经过分光元件，带宽获得了极大的压缩。

图10是光输入单元1-1的另一种实例，其在光纤簇2-1多光纤簇外单独固定一个透镜10-1进行准直，其可以是G-lens透镜、球面透镜或者非球面透镜。该透镜不与光纤簇粘接成整体，具有独立的空间位置，可单独粘接在用于固定光学元件的底板上或者壳套中。

图11是分光单元1-2的另一种实例，分光单元1-2采用F-P标准具。当一束与图4中相同的混合波长的入射混合光束4-1以相同角度入射时，其在F-P标准具内进行多次反射，形成干涉，最终符合波长出射条件的干涉输出光11-2会在另一端出射，其余的光会留在F-P标准具内。同样由于分光能力的限制，F-P标准具输出的光在光谱图上也有类似单次滤波光谱7-1的展宽，当多次经过F-P标准具11-1后，光谱也会出现谱线7-2的带宽压缩。

图12是图6的另一种实例，其使用的是固定反射镜12-1取代图6中MEMS活动反射镜5-2。其中光经输入单元1-1、分光元件1-2后，来到固定反射镜12-1，该反射镜固定反射回一个固定波长的光，该光会多次经过分光元件，与图6所示过程相同，最终形成滤出光带宽压缩。

本发明提供了一个光束多次往返分光元件的技术实现方法，组建一个输入单元，该单元将多个光通道按照二维中心对称进行分布，每一组对称的通道作为一对进出通道，再将每一个出通道与下一对通道中的入通道进行连接。

本发时装置由于中心对称的存在，每一个输入通道与输出通道的相对位置和角度具有相同的设置，通过控制位置的精度即可实现在二维层面上每一对通道的迭代和等效。从而克服了同时控制多个通道耦合的困难。

同时，由于通常光滤波器的尺寸限制，光学元件的有效面积通常有限，如果采用轴对称等方式组件输入单元会使光斑溢出，无法通过光学元件的有效面积。而采用中心对称时，每一对通道使用的是二维层面上的一个角度空间，不会在单独维度上扩展，因此能够合理高效地使用光学元件的有效面积。

本发明与之不同的是本方案提出的是一项具备可移植性的压缩带宽技术，输出输入都在同一侧，可适用于多种滤波元件。本发明利用了光路在反射耦合时具有几何对称的特性，独特设计了光纤簇按照二维中心对称的分布进行输入和输出，实现了对一维滤波光路的多次重复，可以支持多种衍射元件解决方案，并可在不改变光滤波器尺寸的状态下实现多次级联。

虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内，可以在形式上和细节上作出各种改变，这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种带宽压缩的光滤波器，包括光输入输出单元(1-1)、分光单元(1-2)、反射单元(1-3)，其特征是：所述光输入输出单元(1-1)包括由偶数根光纤形成的光纤簇(2-1)，所有光纤呈中心对称分布，形成相互隔离的多个光通道，每一对沿中心对称的光纤相对于对称中心具有相同的相对位置和角度形成对称的光通道，每对所述对称的光通道中有一路光纤用于输入光信号，而另一路光纤用于输出光信号，并且一个对称的光通道中用于输出光信号的光纤与另一个对称的光通道中用于输入光信号的光纤相连以将所有对称的光通道级联起来，分光单元(1-2)位于光输入单元(1-1)、反射单元(1-3)之间，反射单元(1-3)与光输入单元(1-1)通道为光耦合设置。

2.根据权利要求1所述的一种带宽压缩的光滤波器，其特征在于：所述光纤簇(2-1)粘接有G-LENS透镜(2-2)。

3.根据权利要求1所述的一种带宽压缩的光滤波器，其特征在于：所述光纤簇(2-1)的光路方向独立设置有准直作用的透镜(10-1)，所述透镜(10-1)采用G-lens透镜或者球面透镜或者非球面透镜。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种带宽压缩的光滤波器，其特征在于：所述光纤簇(2)由4根光纤成中心对称分布组成，其中第一入射光纤(2-3)与第一出射光纤(2-5)对称，第二入射光纤(2-4)与第二出射光纤(2-6)对称；第一入射光纤(2-3)与第二入射光纤(2-4)是入通道，第一出射光纤(2-5)与第二出射光纤(2-6)是出通道，第二入射光纤(2-4)与第一出射光纤(2-5)熔接相连。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种带宽压缩的光滤波器，其特征在于：所述光纤簇(2)由8根光纤按照圆环状等分分布，第一光纤(9-1)与第二光纤(9-2)、第三光纤(9-3)与第四光纤(9-4)、第五光纤(9-5)与第六光纤(9-6)、第七光纤(9-7)与第八光纤(9-8)为几何对称的一对光纤而形成一对光进出通道；其中第二光纤(9-2)与第三光纤(9-3)相连，第四光纤(9-4)与第五光纤(9-5)相连。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种带宽压缩的光滤波器，其特征在于：所述反射单元(1-3)采用MEMS型反射镜(5-2)或者固定反射镜(12-1)。

7.根据权利要求6所述的一种带宽压缩的光滤波器，其特征在于：所述MEMS型反向镜包括硅基板(5-1)、活动反射镜(5-2)、第一电极(5-3)、第二电极(5-4)，所述硅基板(5-1)采用硅材质底板，第一电极(5-3)、第二电极(5-4)对活动反射镜(5-2)加电使其沿中轴受控转动。

8.根据权利要求1所述的一种带宽压缩的光滤波器，其特征在于：采用熔接方式或者反射端子(8-1)耦合连接方式将所有对称的光通道级联起来，所述反射端子(8-1)包括玻璃管和高反射镜面，所述玻璃管内固定两根光纤的尾端，所述玻璃管末端设置有高反射镜面。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种带宽压缩的光滤波器，其特征在于：所述分光单元(1-2)采用衍射元件或者干涉元件，将光按照波长在空间中分散开，使各波长的光被选择性的耦合进光通道。

10.根据权利要求9所述的一种带宽压缩的光滤波器，其特征在于：所述衍射元件采用衍射光栅(4-2)或者所述干涉元件采用F-P标准具。