CN111694103B - 一种光学滤波器的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学滤波器的技术领域，具体涉及一种光学滤波器的设计方法。所述光学滤波器包括依次设置的输入输出双芯波导、准直透镜、透射光栅和反射镜，所述输入输出双芯波导的输入端输入光信号并依次经过准直透镜和透射光栅至反射镜，并反射且经过透射光栅和准直透镜至所述输入输出双芯波导的输出端；所述设计方法的步骤包括：根据输入输出双芯波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系，调节输入输出双芯波导的模场直径，以调节光学滤波器的带宽。设计方法简单，不需要更改光学滤波器的结构，而且带宽设计范围大，可以在满足广泛应用需求的同时，缩短产品开发周期。

Description

一种光学滤波器的设计方法
技术领域
本发明涉及光学滤波器的技术领域，具体涉及一种光学滤波器的设计方法。
背景技术
在现代智能光通信网中，可调谐光学滤波器(TOF)是不可或缺的器件，小型化、灵活的带宽设计是其发展趋势。目前，随着MEMS技术的发展，基于MEMS+光栅结构的光学滤波器由于其紧凑的结构、较小的体积，成为了可调谐光学滤波器家族中重要的一员，市场份额逐年提升。而随着光通信网络的发展，在不同的应用场合，要求光学滤波器具有不同的带宽(3dB带宽从100GHz～400GHz不等)。因此，如何能更快速的设计出符合市场带宽需求的小型化TOF，是器件厂家能否抓住市场机遇的关键。
现有带宽设计方法包括：
1、调节光栅刻线数。但是缺点是受限于光栅供应商，导致可选型号有限；若定制则周期长，价格贵。
2、调节光栅上的光斑大小。但是缺点是需采用更改准直器或者引入扩束原件，需要改结构，设计周期长。
3、在光路上引入光阑。缺点是结构复杂，体积大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光学滤波器的设计方法，解决现有带宽设计方法具有各种缺点的问题，难以实现满足广泛应用需求的同时，缩短产品开发周期的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光学滤波器的设计方法，所述光学滤波器包括依次设置的输入输出双芯波导、准直透镜、透射光栅和反射镜，所述输入输出双芯波导的输入端输入光信号并依次经过准直透镜和透射光栅至反射镜，并反射且经过透射光栅和准直透镜至所述输入输出双芯波导的输出端；所述设计方法的步骤包括：根据输入输出双芯波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系，调节输入输出双芯波导的模场直径，以调节光学滤波器的带宽。
其中，较佳方案是：所述调节输入输出双芯波导模场直径的方式包括选择输入输出双芯波导的类型，或者选择输入输出双芯波导的模场形状；所述输入输出双芯波导的类型包括硅波导和二氧化硅光纤中的一种；所述输入输出双芯波导的模场形状包括方形、矩形、圆形和椭圆形中的一种。
其中，较佳方案是：所述调节输入输出双芯波导模场直径的方式还包括：增大输入输出双芯波导的模场直径，或缩小输入输出双芯波导的模场直径；或者，分别调节输入输出双芯波导的输入端模场直径和输出端端模场直径；或者，同时调节输入输出双芯波导的输入端模场直径和输出端端模场直径，保持两者的一致。
其中，较佳方案是：所述输入输出双芯波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系通过仿真软件获取计算结果；以及，所述输入输出双芯波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系包括调整后模场直径与原始模场直径的比值和调整带宽与原始带宽的比值的正相关关系。
其中，较佳方案是：所述准直透镜的焦距在0.5至3mm之间，其总长度在1至5mm之间；所述透射光栅的刻线数在850至1200刻线/mm之间，其尺寸在1mm*1mm到5mm*5mm之间，其数量为1至2个；所述反射镜包括普通玻璃反射镜和MEMS反射镜中的一种。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种光学滤波器的设计方法，所述光学滤波器包括依次设置的输入波导、准直透镜、透射光栅、汇聚透镜和输出波导，所述输入波导输入光信号并依次经过准直透镜、透射光栅和汇聚透镜至输出波导；所述设计方法的步骤包括：根据输入波导及输出波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系，调节输入波导和输出波导的模场直径，以调节光学滤波器的带宽。
其中，较佳方案是：所述调节输入波导和输出波导的模场直径的方式包括选择输入波导和输出波导的类型，或者选择输入波导和输出波导的模场形状；所述输入波导和输出波导的类型包括硅波导和二氧化硅光纤中的一种；所述输入波导和输出波导的模场形状包括方形、矩形、圆形和椭圆形中的一种。
其中，较佳方案是：所述输入波导和输出波导导的模场直径的方式还包括：增大输入波导和输出波导的模场直径，或缩小输入波导和输出波导的模场直径；或者，分别调节输入波导和输出波导的模场直径；或者，同时调节输入波导和输出波导的模场直径，保持两者的一致。
其中，较佳方案是：所述输入波导及输出波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系通过仿真软件获取计算结果；以及，所述输入输出双芯波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系包括调整后模场直径与原始模场直径的比值和调整带宽与原始带宽的比值的正相关关系。
其中，较佳方案是：所述准直透镜的焦距在0.5至3mm之间，其总长度在1至5mm之间；所述透射光栅的刻线数在850至1200刻线/mm之间，其尺寸在1mm*1mm到5mm*5mm之间，其数量为1至2个；所述聚焦透镜的焦距在0.5至3mm之间，其总长度在1至5mm之间。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过根据输入输出波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系，调节输入输出波导的模场直径，以调节光学滤波器的带宽，设计方法简单，不需要更改光学滤波器的结构，而且带宽设计范围大，可以在满足广泛应用需求的同时，缩短产品开发周期。
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是本发明光学滤波器实施例一的结构示意图；
图2是本发明输入输出波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系的结构示意图；
图3是本发明光学滤波器实施例二结构示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供一种光学滤波器的设计方法的优选实施例。
一种光学滤波器的设计方法，所述光学滤波器包括依次设置的输入输出双芯波导110、准直透镜120、透射光栅130和反射镜140，所述输入输出双芯波导110的输入端输入光信号并依次经过准直透镜120和透射光栅130至反射镜140，并反射且经过透射光栅130和准直透镜120至所述输入输出双芯波导110的输出端；所述设计方法的步骤包括：根据输入输出双芯波导110的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系，调节输入输出双芯波导110的模场直径，以调节光学滤波器的带宽。
具体地，光学滤波器的工作方式是：光信号通过输入输出双芯波导110的输入端输入至光学滤波器，并依次经过准直透镜120的准直和透射光栅130的将不同波长的光从角度上分开以减少光信号的带宽，再入射至反射镜140中，经过反射镜140将光信号原路返回，即经过透射光栅130和准直透镜120的光汇聚入射至输入输出双芯波导110的输出端，将光信号导出光学滤波器。其中，所述准直透镜120的焦距在0.5至3mm之间，其总长度在1至5mm之间；所述透射光栅130的刻线数在850至1200刻线/mm之间，其尺寸在1mm*1mm到5mm*5mm之间，其数量为1至2个以减少光信号的带宽；所述反射镜140包括普通玻璃反射镜和MEMS反射镜中的一种，普通玻璃反射镜的滤波器中心波长不可调谐，MEMS反射镜，转角由电压控制，调节范围在0～10度之间，其滤波器中心波长可调谐。
在设计方法中，为了不改变光学滤波器的结构本身，根据如图2所述的输入输出双芯波导110的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系，更换具有不同的模场直径的输入输出双芯波导110或所对应的输入波导和输出波导。图2还表示3dB带宽的变化和输入输出双芯波导110的模场直径的正相关关系，输入输出双芯波导110的模场直径可认为是输入波导模场直径和输出波导模场直径。其中，可分别调节输入输出双芯波导110的输入端模场直径和输出端端模场直径；或者，可同时调节输入输出双芯波导110的输入端模场直径和输出端端模场直径，保持两者的一致。单独调节模场直径设置一个输入波导模场直径与输出波导模场直径比例与光学滤波器的带宽的正相关关系，同时调节模场直径设置一个输入输出双芯波导110的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系。具体地，图2可认为3dB带宽的变化和输入波导及输出波导的模场直径的关系。假设原始波导模场直径为MFD0，3dB带宽为BW0，以及假设输入波导及输出波导的模场形状是圆形且属于协同调节。横坐标表示更新设计之后的模场直径和初始MFD0的比值；纵坐标表示在相应的比值下，调节后的3dB带宽和初始BW0的比值。
在本实施例中，所述调节输入输出双芯波导110模场直径的方式包括选择输入输出双芯波导110的类型，或者选择输入输出双芯波导110的模场形状，具体地，所述输入输出双芯波导110的类型包括硅波导和二氧化硅光纤中的一种；所述输入输出双芯波导110的模场形状包括方形、矩形、圆形和椭圆形中的一种。以及，所述调节输入输出双芯波导110模场直径的方式还包括：增大输入输出双芯波导110的模场直径，或缩小输入输出双芯波导110的模场直径。
在本实施例中，，所述输入输出双芯波导110的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系通过仿真软件获取计算结果。例如，采用Zemax仿真获取计算结果。
本发明设计方法简单，不需要更改光学滤波器的结构，而且带宽设计范围大，可以在满足广泛应用需求的同时，缩短产品开发周期。
如图3所示，本发明提供一种光学滤波器的设计方法的较佳实施例。
一种光学滤波器的设计方法，所述光学滤波器包括依次设置的输入波导210、准直透镜220、透射光栅230、汇聚透镜240和输出波导250，所述输入波导210输入光信号并依次经过准直透镜220、透射光栅230和汇聚透镜240至输出波导250；所述设计方法的步骤包括：根据输入波导210及输出波导250的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系，调节输入波导210和输出波导250的模场直径，以调节光学滤波器的带宽。
具体地，光学滤波器的工作方式是：光信号通过输入波导210输入至光学滤波器，并依次经过准直透镜220的准直、透射光栅230的将不同波长的光从角度上分开以减少光信号的带宽和汇聚透镜240的汇聚，再入射至输出波导250，将光信号导出光学滤波器。其中，所述准直透镜220的焦距在0.5至3mm之间，其总长度在1至5mm之间；所述透射光栅230的刻线数在850至1200刻线/mm之间，其尺寸在1mm*1mm到5mm*5mm之间，其数量为1至2个；所述聚焦透镜的焦距在0.5至3mm之间，其总长度在1至5mm之间。
在设计方法中，描述均与上述的描述一致，在此不再一一描述。通过调节调节输入波导210和输出波导250的模场直径，以实现调节光学滤波器的带宽调节。
以上所述者，仅为本发明最佳实施例而已，并非用于限制本发明的范围，凡依本发明申请专利范围所作的等效变化或修饰，皆为本发明所涵盖。

Claims (6)

1.一种光学滤波器的设计方法，其特征在于，所述光学滤波器包括依次设置的输入输出双芯波导、准直透镜、透射光栅和反射镜，所述输入输出双芯波导的输入端输入光信号并依次经过准直透镜和透射光栅至反射镜，并反射且经过透射光栅和准直透镜至所述输入输出双芯波导的输出端；所述设计方法的步骤包括：
根据输入输出双芯波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系，调节输入输出双芯波导的模场直径，以调节光学滤波器的带宽；
所述调节输入输出双芯波导模场直径的方式包括选择输入输出双芯波导的类型，或者选择输入输出双芯波导的模场形状；其中，所述输入输出双芯波导的类型包括硅波导和二氧化硅光纤中的一种；所述输入输出双芯波导的模场形状包括方形、矩形、圆形和椭圆形中的一种；
所述输入输出双芯波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系通过仿真软件获取计算结果；以及，所述输入输出双芯波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系包括调整后模场直径与原始模场直径的比值和调整带宽与原始带宽的比值的正相关关系。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述调节输入输出双芯波导模场直径的方式还包括：
增大输入输出双芯波导的模场直径，或缩小输入输出双芯波导的模场直径；
或者，分别调节输入输出双芯波导的输入端模场直径和输出端端模场直径；
或者，同时调节输入输出双芯波导的输入端模场直径和输出端端模场直径，保持两者的一致。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述准直透镜的焦距在0.5至3mm之间，其总长度在1至5mm之间；所述透射光栅的刻线数在850至1200刻线/mm之间，其尺寸在1mm*1mm到5mm*5mm之间，其数量为1至2个；所述反射镜包括普通玻璃反射镜和MEMS反射镜中的一种，所述普通玻璃反射镜的滤波器中心波长不可调谐，所述MEMS反射镜的转角由电压控制，且调节范围在0~10度之间，其滤波器中心波长可调谐。
4.一种光学滤波器的设计方法，其特征在于，所述光学滤波器包括依次设置的输入波导、准直透镜、透射光栅、汇聚透镜和输出波导，所述输入波导输入光信号并依次经过准直透镜、透射光栅和汇聚透镜至输出波导；所述设计方法的步骤包括：
根据输入波导及输出波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系，调节输入波导和输出波导的模场直径，以调节光学滤波器的带宽；
所述调节输入波导和输出波导的模场直径的方式包括选择输入波导和输出波导的类型，或者选择输入波导和输出波导的模场形状；其中，所述输入波导和输出波导的类型包括硅波导和二氧化硅光纤中的一种；所述输入波导和输出波导的模场形状包括方形、矩形、圆形和椭圆形中的一种；
所述输入波导及输出波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系通过仿真软件获取计算结果；以及，所述输入波导和输出波导的模场直径和光学滤波器的带宽的正相关关系包括调整后模场直径与原始模场直径的比值和调整带宽与原始带宽的比值的正相关关系。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述输入波导和输出波导导的模场直径的方式还包括：
增大输入波导和输出波导的模场直径，或缩小输入波导和输出波导的模场直径；
或者，分别调节输入波导和输出波导的模场直径；
或者，同时调节输入波导和输出波导的模场直径，保持两者的一致。
6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：所述准直透镜的焦距在0.5至3mm之间，其总长度在1至5mm之间；所述透射光栅的刻线数在850至1200刻线/mm之间，其尺寸在1mm*1mm到5mm*5mm之间，其数量为1至2个；所述汇聚透镜的焦距在0.5至3mm之间，其总长度在1至5mm之间。
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