CN106019488A - 一种带宽可调光滤波器组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带宽可调光滤波器组件，由光输入单元，前端角度控制单元，滤波光栅，后端角度控制单元，光输出单元构成。所述光输入单元对输入光进行准直和扩束，前端角度控制单元控制光束进入滤波光栅的角度，滤波光栅对光束进行分离并将各波长光按照角度进行分布，后端角度选择单元对特定角度的光进行选择传向输出单元，光输出单元耦合进该光后对外输出。本发明通过控制光束对滤波光栅的入射角度实现对滤波带宽的连续可调，通过对滤波光栅滤出光进行选择实现波长同时可调。

Description

一种带宽可调光滤波器组件

技术领域

本发明涉及光通信领域和光传感领域，尤其涉及一种带宽可调光滤波器组件。

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。随着未来技术的不断发展，特别是智能化的需求增加，各种信道栅格可变的应用场景对滤波器提出了带宽可变的需求。

同时调节带宽和波长的滤波器为通信、传感、物联等领域提供了更多技术支撑，将很多复杂和庞大的系统、机架简化成为单元化、模块化的设备，将大大降低使用成本和空间成本。

常见波长可调滤波器设计如图2所示，这种方案中2-1为光输入单元，2-2为滤波光栅，2-3为角度控制单元，2-4为光输出单元。这种滤波器通过滤波光栅2-2将混合光波分解成各个单波长的光，各单波长的光会依照不同的角度从滤波光栅2-2出射。角度控制单元2-3位于滤波光栅2-2后方，通过选择相应角度，就能把相应波长的光进行输送到光输出单元2-4，而其他波长的光会耗散在空气当中，实现波长可调谐滤波器的功能。

目前常见的带宽可调技术都是基于液晶、或者光子晶体等高成本技术之上，对于控制和工艺都提出了非常高的要求。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种带宽与波长都可调谐的光滤波器，通过本发明的技术革新，可以实现在波段范围与带宽范围内滤出任意带宽、任意波长的光，本发明提出的设计方案采用了易于实现的角度控制单元，通过对滤波光栅的特性使用达到了简单、可靠的带宽与波长调节。

本发明采用如下技术方案实现：

一种带宽可调光滤波器组件，包括光输入单元、前端角度控制单元、滤波光栅、后端角度控制单元、光输出单元，

所述光输入单元用于对输入光进行准直和扩束，所述前端角度控制单元用于控制光束进入滤波光栅的角度，所述滤波光栅用于对光束进行分离并将各波长光按照角度进行分布，所述后端角度控制单元用于控制滤波光栅出射光束对光输出单元的耦合，所述光输出单元用于耦合进该光后对外输出。

其中，所述光输入单元与光输出单元集成在一个单元上，记为集成光输入、输出单元。

其中，所述集成光输入、输出单元，包括输入光纤、输出光纤、自聚焦透镜及玻璃套筒，所述输入光纤、输出光纤及自聚焦透镜通过玻璃套筒连接在一起，且所述输入光纤、输出光纤作为与外界连接的光输入端与光输出端位于玻璃套筒的一侧，所述自聚焦透镜位于玻璃套筒的另一侧。

其中，所述前端角度控制单元和后端角度控制单元使用的是电机驱动镜面转动系统。

其中，所述电机驱动镜面转动系统，包括固定细杆、平面反射镜、电机及驱动细杆，所述平面反射镜以固定细杆为轴转动，所述驱动细杆与平面反射镜连接，所述电机的前端连接驱动细杆并通过电驱动控制驱动细杆沿其径向进行伸缩。

其中，所述后端角度控制单元和前端角度控制单元使用的是MEMS转镜。

其中，所述MEMS转镜，包括硅基板、活动反射镜、第一电极、第二电极，所述硅基板是硅材质底板，所述活动反射镜是镀金的可以转动的反射镜，所述第一电极与第二电极是用来加电的电极；当对第一电极、第二电极加电时，所述活动反射镜的镜面会沿其中轴进行受控转动。

其中，所述光输入单元和光输出单元采用光纤插针与准直透镜组合的方式，且所述光纤插针位于准直透镜前焦点处；其中，所述光纤插针可使用单芯或多芯插针，所述准直透镜可使用体透镜或者自聚焦透镜。

其中，在滤波光栅前设置扩束系统对入射光进行扩束。

其中，所述扩束系统采用扩束直角棱镜或者多个棱镜组合的形式，或者采用扩束透镜组；所述扩束透镜组，包括扩束前透镜、扩束后透镜，所述扩束前透镜的后焦点与扩束后透镜的前焦点重合。

本发明的优点为：

1、本发明实现方便，结构简单：本发明主要在波长可调滤波器基础上增加了带宽选择的部分，结构简单，技术控制方便；

2、本发明成本低廉：本发明各个元件易于获取，组装工艺简单，比其他方案具有明显成本优势；

3、本发明在光通信的监控、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是波长可调谐滤波器的工作原理图；

图3是带宽可调谐滤波器的工作原理图；

图4是本发明的一种优选实例光路图；

图5是本发明的输入输出单元举例，集成光输入、输出单元结构图；

图6是本发明的一种角度控制单元举例，电机驱动镜面转动系统；

图7是本发明的一种角度控制单元举例，MEMS转镜工作原理图；

图8是本发明的另一种优选实例光路图；

图9是本发明的一种光路输入、输出单元举例，光纤插针与准直透镜组合；

图10是本发明的一种扩束系统举例，直角棱镜结构图。

图11是本发明的另一种扩束系统举例，透镜组结构图。

其中：

1-1、光输入单元； 1-2、前端角度控制单元；

1-3、滤波光栅； 1-4、后端角度控制单元；

1-5、光输出单元； 2-1、光输入单元；

2-2、滤波光栅； 2-3、角度控制单元；

2-4、光输出单元； 3-1、光输入单元；

3-2、角度控制单元； 3-3、滤波光栅

3-4、光输出单元； 4-1、集成光输入、输出单元；

4-2、电机驱动镜面转动系统； 4-3、滤波光栅；

4-4、MEMS转镜； 5-1、输入光纤；

5-2、输出光纤； 5-3自聚焦透镜；

5-4、玻璃套筒 6-1、固定细杆；

6-2、平面反射镜； 6-3、电机；

6-4、驱动细杆 7-1、硅基板；

7-2、活动反射镜； 7-3、第一电极；

7-4、第二电极； 8-1、带准直的光输入端；

8-2、扩束系统； 8-3、前端角度控制单元；

8-4、滤波光栅； 8-5、后端角度控制单元；

8-6、带准直的光输出端 9-1、光纤插针；

9-2、准直透镜； 10-1、扩束直角棱镜；

11-1、扩束前透镜； 11-2、扩束后透镜。

具体实施方式

结合图示详细说明本发明的技术方案。

根据高斯光束耦合效率的描述：

式中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。由于一束混合的光波以固定角度经光栅滤波后，其衍射角度已经确定，根据式中描述，其耦合效率为固定值，即其滤波带宽为固定值。

本发明所公开的滤波器设计中，创造性提出了在光栅之前设置角度控制单元的思路，通过控制入射混合光波进入光栅的角度来实现对带宽的控制。

根据光栅角分辨率的描述：

$\frac{d\mathrm{\θ}}{d\mathrm{\λ}}=\frac{m}{dcos\mathrm{\θ}}$

式中λ为波长，θ为衍射光出射角，m为衍射级次。在一个固定的滤波系统中，m是光栅的固有特性是固定值，θ与入射光的角度相关。由该式可知，光束对光栅的入射角度改变，会引起光栅角分辨能力的改变，导致相邻波长的光之间夹角发生变化，引入上述高斯光束耦合的公式可知，此时的滤波带宽会发生改变。

图1是本发明的工作原理示意图。如图1所示，本发明所述的一种带宽可调光滤波器组件的基本结构，其包括五个部分，光输入单元1-1、前端角度控制单元1-2、滤波光栅1-3，后端角度控制单元1-4，光输出单元1-5沿光路排列，所述光输入单元1-1用于对输入光进行准直和扩束，所述前端角度控制单元1-2用于控制光束进入滤波光栅1-3的角度，所述滤波光栅1-3用于对光束进行分离并将各波长光按照角度进行分布，所述后端角度控制单元1-4用于控制滤波光栅1-3出射光束对光输出单元1-5的耦合，所述光输出单元1-5用于耦合进该光后对外输出。在实际的器件中，这五者应该固定在一个外部底板上或壳套中。

实际工作时，一束混合光从光输入单元1-1入射，经过前端角度控制单元1-2按照选定的角度入射至滤波光栅1-3。混合光束行动轨迹如图1中粗线箭头所示。滤波光栅1-3将光束分开，后端角度控制单元1-4对某一特定角度的光进行了反射，被选中反射的光被输出至光输出单元1-5中进行输出，如图1中实线箭头所示，其他未被选中的光被消耗在空气中无法出射，如图1中虚线箭头所示。

本发明提出的带宽、波长同时可调的光滤波器组件是在波长可调滤波器的基础上增加带宽可调单元构成，现结合图2说明波长可调的原理，结合图3说明带宽可调的原理。

如图2所示，2-1为光输入单元，2-2为滤波光栅，2-3是角度控制单元，2-4是光输出单元。滤波光栅2-2的功能是将一束混合的光波分解成不同波长的光，并依照光栅方程的描述遵循不同的角度进行出射，经滤波光栅2-2后的光束在其后方空间内成扇形分布。当光输入单元2-1与滤波光栅2-2的夹角i固定时，滤波光栅2-2的分光作用是恒定的，即各波长的光分离的角度是相同的，根据高斯光束耦合原理，各波长的光对应的带宽也是一定的。经滤波光栅2-2的光束，由角度控制单元2-3对角度进行筛选，成扇形分布光束有且仅有一支能依照反射原理经角度控制单元2-3进入光输出单元2-4进行输出。在控制波长可调谐时，通过转动角度控制单元2-3，使角度控制单元2-3与滤波光栅2-2的夹角发生改变，能够选择不同的光进入光输出单元2-4，由此实现波长可调。在这种设计中各光波的带宽是固定不可改变的。

如图3所示，3-1为光输入单元，3-2为角度控制单元，3-3为滤波光栅，3-4为光输出单元。由于角度控制单元3-2是可以转变角度的控制单元，光输入单元3-1出射的光会与滤波光栅3-3形成各种不同的夹角。如图3中所示，光输入单元3-1到角度控制单元3-2之间的粗线箭头表示光的传播方向。在角度控制单元3-2处，实线箭头表示一种角度，虚线箭头表示另一种角度。这两种情况的光波经过滤波光栅3-3时，滤波光栅3-3后方空间的分散开的光波会呈现出不同的带宽，即滤波光栅3-3后方，实线箭头代表的光与虚线箭头代表的光带宽不一样，而相同样式箭头表述的光具有相同的带宽。需要说明的是，在这种设计中，角度控制单元3-2每转过一个角度时，滤波光栅3-3后的各光束角度分布会发生一次改变，当光输出单元3-4是固定角度时，光输出单元3-4向外界输出的波长会随着角度控制单元3-2的改变发生改变，也即选择特定带宽时波长不可控制。从图3中看，就是实线箭头代表的光最终输出的波长与虚线箭头代表的光最终输出的波长不一样，这也意味着这样的设计无法对波长进行选择。

回到图1所示的设计中，该设计将图2与图3的设计进行了融合和优化，合并了重复的单元，形成前端角度控制单元1-2、后端角度控制单元1-4两个角度控制单元共存的设计。在实际工作时，光经光输入单元1-1入射至前端角度控制单元1-2时，由于前端角度控制单元1-2可以进行角度转动，控制了相对滤波光栅1-3的入射角，进而控制了滤波光栅1-3后方出射光波的带宽。然后后端角度控制单元1-4可以覆盖滤波光栅1-3之后出射光波的全部空间，可以针对需要的波长进行再一次选择，整个过程可以认为前端角度控制单元1-2选择带宽，后端角度控制单元1-4选择波长，组合输出特定波长特定带宽的光。该结构集成了波长可调滤波器(图2)与带宽可调滤波器(图3)。

相比于图2的设计，图1的设计增加了前端角度控制单元1-2，可以控制带宽。相比于图3的设计，滤波光栅1-3的后方不是固定角度输出，虽然滤波光栅1-3前方入射光的角度改变还是会引起角度分布的改变，但是滤波光栅1-3后方的后端角度控制单元1-4可以覆盖全部的角度空间，能够对全部的光波进行一次扫描，确定最终输出的光波。

所述光输入单元1-1与光输出单元1-5可集成在一个单元上，记为集成光输入、输出单元4-1。图4是一种优选实例光路图，下面结合该实例说明本发明工作过程。如图4中所示，包括集成光输入、输出单元4-1、电机驱动镜面转动系统4-2、滤波光栅4-3、MEMS转镜4-4。

所述集成光输入、输出单元4-1是一种自聚焦的准直系统，集成了输入输出光路，具体结构剖面图如图5所示。所述集成光输入、输出单元4-1，包括输入光纤5-1、输出光纤5-2、自聚焦透镜5-3及玻璃套筒5-4，所述输入光纤5-1、输出光纤5-2及自聚焦透镜5-3通过玻璃套筒5-4连接在一起，且所述输入光纤5-1、输出光纤5-2作为与外界连接的光输入端与光输出端位于玻璃套筒5-4的一侧，所述自聚焦透镜5-3位于玻璃套筒5-4的另一侧。

所述电机驱动镜面转动系统4-2为一种电机驱动镜面转角控制单元，具体设计如图6所示。所述电机驱动镜面转动系统4-2，包括固定细杆6-1、平面反射镜6-2、电机6-3及驱动细杆6-4，所述平面反射镜6-2以固定细杆6-1为轴转动，所述驱动细杆6-4与平面反射镜6-2连接，所述电机6-3的前端连接驱动细杆6-4并通过电驱动控制驱动细杆6-4沿其径向进行伸缩。在实际使用时，电机6-3收到电驱动指令，控制驱动细杆6-4沿其径向运动，平面反射镜6-2受到驱动细杆6-4的力沿固定细杆6-1所定的转轴进行转动。当电驱动信号反向时，驱动细杆6-4反向运动，也会带动平面反射镜6-2向反向转动。

所述滤波光栅4-3是一个衍射滤波光栅，一束多波长的混合光束经过其后会在其后方空间按照分开，各个波长的光依照角度进行分布，每一波长占据一个角度。

所述MEMS转镜4-4是一个MEMS型反射镜，其工作原理如图7所示。所述MEMS转镜4-4，其具有加电可以使镜面转动的功能。MEMS转镜4-4包括硅基板7-1、活动反射镜7-2、第一电极7-3、第二电极7-4，其中硅基板7-1是硅材质底板，活动反射镜7-2是镀金的反射镜，其可以转动，第一电极7-3与第二电极7-4是用来加电的电极。当对第一电极7-3与第二电极7-4加电时，活动反射镜7-2镜面与硅基板7-1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7-2镜面会沿其中轴进行受控转动。硅基板7-1是电信号接收单元，活动反射镜7-2是平面镜。当电信号进行驱动时，活动反射镜7-2发生转动。

图4所示，设计实际工作时，光通过集成光输入、输出单元4-1进入，沿粗箭头方向入射到电机驱动镜面转动系统4-2，并经电机驱动镜面转动系统4-2选择角度出射到滤波光栅4-3上。混合光束经滤波光栅4-3后分散开，依角度成扇形分布。分散后的光投射到MEMS转镜4-4所在空间，MEMS转镜4-4接受外部电信号控制选择一个特定的角度，将某一光束垂直反射回去，滤波光栅4-3后的实线箭头表明了被选择的光束行进的过程，虚线箭头代表了未被选择的光耗散在空气中。经MEMS转镜4-4反射的光由原路经滤波光栅4-3、电机驱动镜面转动系统4-2进入集成光输入、输出单元4-1，过程如反向的箭头所示，最终从集成光输入、输出单元4-1另一根光纤对外输出。

该设计在原理图基础上将输入输出单元集成到一个简单结构内,节省空间，而且在反射光回到出射时多经过了一次光栅，滤波性能、谱型更加优秀。

图8所示是另一种本发明的优选实例光路图，包括带准直的光输入端8-1、扩束系统8-2、前端角度控制单元8-3、滤波光栅8-4、后端角度控制单元8-5、带准直的光输出端8-6。该设计采用了扩束系统8-2，增强了滤波能力。

图8中带准直的光输入端8-1是输入单元，具体结构如图9所示。图9是可以使用在输入单元或者输出单元的一种准直方案，图9中，9-1是光纤插针，9-2是准直透镜，所述光输入单元1-1和光输出单元1-5采用光纤插针9-1与准直透镜9-2组合的方式构成，光纤插针9-1处于准直透镜9-2前焦点处。光纤插针9-1是由一种带有细通孔的玻璃管和光纤构成，制作时将光纤从玻璃管的细通孔中穿出，用胶水粘牢，再将突出玻璃管端面的光纤剪去，磨平端面，抛光，镀膜。其中，图9中的准直透镜9-2为一种双面曲面的体透镜，实际使用中可以使用自聚焦透镜进行替换，光纤插针9-1可使用单芯或多芯插针。该方案工作时，光从光纤进入，从光纤插针9-1前端面出射，出射光依照高斯光束传播原理一边扩束一边传播到达准直透镜9-2处，由于光纤插针9-1位于准直透镜9-2的前焦点处，根据透镜准直原理，经准直透镜9-2的光束会调整成一束近平行的光束向后传播。

回到图8，8-2是扩束系统，该扩束系统8-2可以采用图10或者图11的设计实现。

图10是用来扩束的直角棱镜工作原理。10-1是一块三角形状的扩束直角棱镜，长的直角边和斜边都镀有增透膜。当光垂直于扩束直角棱镜10-1的直角边入射时，光斑大小不变，光束在扩束直角棱镜10-1内行进至斜边出射时，出射的光斑大小是光束在斜边上的截面，该截面比原光束光斑大，形成了扩束。需要说明的是可以使用多个棱镜组合的形式按照此方法累积形成更大倍率的扩束。本发明只作简单描述，多个棱镜组合使用情形应视为该扩束系统8-2的一种特例。

图11是利用多个透镜组成的扩束系统8-2。11-1是扩束前透镜，11-2是扩束后透镜，扩束前透镜11-1的后焦点与扩束后透镜11-2的前焦点重合。根据透镜对高斯光束的作用，高斯光束在经过扩束前透镜11-1与扩束后透镜11-2组合的系统后光斑会以一定倍率进行放大。

回到图8，8-3是前端角度控制单元，8-4是滤波光栅，8-5是后端角度控制单元，8-6是带准直的光输出端。带准直的光输出端8-6采用与带准直的光输入端8-1相同的设计。前端角度控制单元8-3、后端角度控制单元8-5采用的是图7所示的MEMS转镜4-4，或者前端角度控制单元8-3、后端角度控制单元8-5采用的是图6所示的电机驱动镜面转动系统4-2。

图8所示的滤波器工作时，光从带准直的光输入端8-1进入滤波器，经过扩束系统8-2扩大光斑，光斑增大后滤波曲线和带宽特性会有增强。然后光到达前端角度控制单元8-3，前端角度控制单元8-3控制光束针对滤波光栅8-4的入射角，以此决定经滤波光栅8-4后的光的带宽。此时经滤波光栅8-4之后的光束已经按照角度散开，全部光到达后端角度控制单元8-5所在界面。由于带准直的光输出端8-6的角度已经固定，所以只有符合带准直的光输出端8-6角度要求的光才能被耦合出射，而后端角度控制单元8-5可以通过转动利用反射定律将所需要波长的光耦合进入带准直的光输出端8-6要求的角度，从而选择波长。

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)

1.一种带宽可调光滤波器组件，其特征在于：包括光输入单元（1-1）、前端角度控制单元（1-2）、滤波光栅（1-3）、后端角度控制单元（1-4）、光输出单元（1-5），

所述光输入单元（1-1）用于对输入光进行准直和扩束，所述前端角度控制单元（1-2）用于控制光束进入滤波光栅（1-3）的角度，所述滤波光栅（1-3）用于对光束进行分离并将各波长光按照角度进行分布，所述后端角度控制单元（1-4）用于控制滤波光栅（1-3）出射光束对光输出单元（1-5）的耦合，所述光输出单元（1-5）用于耦合进该光后对外输出。

2.根据权利要求1所述的一种带宽可调光滤波器组件，其特征在于：所述光输入单元（1-1）与光输出单元（1-5）集成在一个单元上，记为集成光输入、输出单元（4-1）。

3.根据权利要求2所述的一种带宽可调光滤波器组件，其特征在于：所述集成光输入、输出单元（4-1），包括输入光纤（5-1）、输出光纤（5-2）、自聚焦透镜（5-3）及玻璃套筒（5-4），所述输入光纤（5-1）、输出光纤（5-2）及自聚焦透镜（5-3）通过玻璃套筒（5-4）连接在一起，且所述输入光纤（5-1）、输出光纤（5-2）作为与外界连接的光输入端与光输出端位于玻璃套筒（5-4）的一侧，所述自聚焦透镜（5-3）位于玻璃套筒（5-4）的另一侧。

4.根据权利要求1所述的一种带宽可调光滤波器组件，其特征在于：所述前端角度控制单元（1-2）和后端角度控制单元（1-4）使用的是电机驱动镜面转动系统（4-2）。

5.根据权利要求4所述的一种带宽可调光滤波器组件，其特征在于：所述电机驱动镜面转动系统（4-2），包括固定细杆（6-1）、平面反射镜（6-2）、电机（6-3）及驱动细杆（6-4），所述平面反射镜（6-2）以固定细杆（6-1）为轴转动，所述驱动细杆（6-4）与平面反射镜（6-2）连接，所述电机（6-3）的前端连接驱动细杆（6-4）并通过电驱动控制驱动细杆（6-4）沿其径向进行伸缩。

6.根据权利要求1所述的一种带宽可调光滤波器组件，其特征在于：所述后端角度控制单元（1-4）和前端角度控制单元（1-2）使用的是MEMS转镜（4-4）。

7.根据权利要求6所述的一种带宽可调光滤波器组件，其特征在于：所述MEMS转镜（4-4），包括硅基板（7-1）、活动反射镜（7-2）、第一电极（7-3）、第二电极（7-4），所述硅基板（7-1）是硅材质底板，所述活动反射镜（7-2）是镀金的可以转动的反射镜，所述第一电极（7-3）与第二电极（7-4）是用来加电的电极；当对第一电极（7-3）、第二电极（7-4）加电时，所述活动反射镜（7-2）的镜面会沿其中轴进行受控转动。

8.根据权利要求1所述的一种带宽可调光滤波器组件，其特征在于：所述光输入单元（1-1）和光输出单元（1-5）采用光纤插针（9-1）与准直透镜（9-2）组合的方式，且所述光纤插针（9-1）位于准直透镜（9-2）前焦点处；其中，所述光纤插针（9-1）可使用单芯或多芯插针，所述准直透镜（9-2）可使用体透镜或者自聚焦透镜。

9.根据权利要求1所述的一种带宽可调光滤波器组件，其特征在于：在滤波光栅（1-3）前设置扩束系统（8-2）对入射光进行扩束。

10.根据权利要求9所述的一种带宽可调光滤波器组件，其特征在于：所述扩束系统（8-2）采用扩束直角棱镜（10-1）或者多个棱镜组合的形式，或者采用扩束透镜组；

所述扩束透镜组，包括扩束前透镜（11-1）、扩束后透镜（11-2），所述扩束前透镜（11-1）的后焦点与扩束后透镜（11-2）的前焦点重合。