CN113777712A - 一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器 - Google Patents

一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，属于光谱滤波领域。所述滤波器包括：倾斜光栅，用于将输入光以波长相关的衍射角衍射到自由空间；透镜组，用于将自由空间中的波长相关的衍射光在垂直方向上准直，在水平方向上聚焦，并将聚焦后的衍射光入射至光束偏转模块；光束偏转模块，用于将接收到的聚焦后的衍射光波长的反射角进行选择性调制。本发明使用倾斜光栅作为光收发元件和色散元件，通过将光栅直接刻蚀在传输光的平板波导或光纤中，省去了传统可编程滤波器中的光纤阵列和体衍射光栅，在实现可编程滤波器的同时，提升了系统的集成度。同时，整个滤波系统体积小，结构简单。

Description

一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器
技术领域
本发明属于光谱滤波领域，更具体地，涉及一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器。
背景技术
随着通信技术的不断发展，光网络建设规模愈加庞大，未来光网络将从静态波长光网络向能够动态分配光通信资源的可重构光网络发展，以便实现信道带宽的动态分配。
传统的可编程滤波器一般由光纤阵列、准直透镜，垂直聚焦透镜，水平聚焦透镜、体衍射光栅、LCOS空间光调制器等诸多器件组成，通过将输入光从光纤阵列中耦合出来，经过准直透镜和垂直聚焦透镜进行光束整形，之后入射到体衍射光栅上形成衍射光，衍射光经水平聚焦透镜后入射到LCOS空间光调制器上，LCOS空间光调制器对不同波长的衍射光进行调制后将其反射，之后光路反过来依次经过水平聚焦透镜，体衍射光栅，垂直聚焦透镜，准直透镜后返回光纤阵列中传输。这种传统的可编程滤波器需要的设备过多，容易受外界振动等因素的干扰，使得整个光路系统复杂且体积较为庞大，从而使得传统的可编程滤波器在实际应用中受到一定的限制。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，其目的在于简化传统可编程滤波器的结构，提升系统集成度。
为实现上述目的，提供了一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，包括：
倾斜光栅，用于将输入光以波长相关的衍射角衍射到自由空间；
透镜组，用于将自由空间中的波长相关的衍射光在垂直方向上准直，在水平方向上聚焦，并将聚焦后的衍射光入射至光束偏转模块；
光束偏转模块，用于将接收到的聚焦后的衍射光波长的反射角进行选择性调制。
进一步地，所述倾斜光栅包括：光栅条纹、纤芯及包层，所述光栅条纹刻蚀在纤芯上，并与所述纤芯在垂直方向上有夹角，所述包层包覆在纤芯的外侧。
进一步地，所述夹角为0-45°。
进一步地，所述光栅条纹通过紫外曝光方法刻写于纤芯上。
进一步地，所述透镜组包括：
第一透镜，用于将从倾斜光栅衍射到自由空间中的不同波长的衍射光在垂直方向准直；
第二透镜，用于将经过第一透镜准直后的衍射光在水平方向上进行聚焦。
进一步地，所述第一透镜和第二透镜正交放置；所述第一透镜的主平面与倾斜光栅的距离等于第一透镜的焦距；第二透镜的主平面与倾斜光栅的距离等于第二透镜的焦距；第二透镜的主平面与光束偏转模块的距离等于第二透镜的焦距。
进一步地，所述光束偏转模块为LCOS空间光调制器或MEMS反射镜。
一种倾斜光栅，包括：光栅条纹、纤芯及包层，所述光栅条纹刻蚀在纤芯上，并与所述纤芯在垂直方向上有夹角，所述包层包覆在纤芯的外侧。
进一步地，所述夹角为0-45°。
进一步地，所述光栅条纹通过紫外曝光方法刻写于纤芯上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明使用倾斜光栅作为光收发元件和色散元件，通过将光栅直接刻蚀在传输光的平板波导或光纤的纤芯中，省去了传统可编程滤波器中的光纤阵列和体衍射光栅，在实现可编程滤波的同时，提升了系统的集成度。
(2)本发明整个滤波系统只需要通过倾斜光栅、透镜组和光束偏转模块便可实现滤波功能，系统体积小，结构简单。
总而言之，本发明的基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，整个装置的体积小，组成简单，不易受外界振动等因素的干扰，方便大规模生产和集成。
附图说明
图1是本发明实施例1所述的一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器的结构图。
图2是本发明实施例1的系统光路图俯视图。
图3是本发明实施例1的系统光路图侧视图。
图4是本发明实施例1中的倾斜光栅的结构示意图。
图5是本发明实施例1中得到的带阻滤波器透射谱图。
图6是本发明实施例1中得到的带通滤波器透射谱图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为倾斜光栅，2为透镜组，3为LCOS空间光调制器，11为包层，12为光栅条纹，13为纤芯，21为第一透镜，22为第二透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“垂直”、“水平”、“上”等指示的方位关系为基于附图所示的方位关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
如图1所示，本实施例提出的一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，包括倾斜光栅1，透镜组2，LCOS空间光调制器3三个部分。
倾斜光栅1，用于将输入光以波长相关的衍射角衍射到自由空间中。
透镜组2，用于将倾斜光栅1衍射到自由空间中的不同波长的衍射光在垂直方向上准直，在水平方向上聚焦，并将聚焦后的衍射光入射至LCOS空间光调制器3。
LCOS空间光调制器3，用于将接收到的聚焦后的衍射光波长的反射角进行选择性调制，实现可编程滤波。
将一定的波长范围的输入光通过光纤或平板波导传输到倾斜光栅1中，倾斜光栅1将输入光以波长相关的衍射角衍射到自由空间中；透镜组2将自由空间不同波长的衍射光在垂直方向准直，在水平方向上聚焦，之后入射至LCOS空间光调制器3；LCOS空间光调制器3对聚焦后的衍射光波长的相位进行选择性调制，进而控制衍射光波长的反射角，波长反射角为0的光返回到透镜组2，根据光路的可逆性，经过透镜组2后的光原路返回到倾斜光栅1，最后输出滤波后的光。
如图2、图3所示，为本发明所述的一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器的系统光路图，其中，图2为俯视图，z轴方向为空间光传播方向，x轴方向为光纤或平板波导的轴向；图3为侧视图，z轴方向为空间光传播方向，y轴方向为系统的垂直方向。
倾斜光栅1、透镜组2和LCOS空间光调制器3在空间上平行放置，且三者的主平面的中心在一条轴线上。透镜组2位于倾斜光栅1和LCOS空间光调制器3之间，用于将倾斜光栅1发出的波长相关的衍射光聚焦到LCOS空间光调制器3上，并将LCOS空间光调制器3调制后的反射光聚焦到倾斜光栅1上。
如图4所示，为本发明实施例中倾斜光栅的结构示意图，包括光栅条纹12、纤芯13、包层11，其中光栅条纹12刻蚀在的纤芯13上，并与纤芯13在垂直方向上夹角为0-45°，用于将平板波导或光纤中的输入光以波长相关的衍射角衍射到自由空间中，同时实现光的收发和色散功能；所述纤芯13优选为平板波导或光纤的纤芯；包层11包覆在纤芯13的外侧，用于将传输光束缚在纤芯中传播。光栅条纹12优选通过紫外曝光方法刻写于平板波导或光纤中的纤芯13上，纤芯13的材料优选Si。图4中，λ1、λ2、λ3为不同波长的衍射光。
透镜组2包括第一透镜21和第二透镜22，两个透镜正交放置，其中，第一透镜21的主平面与倾斜光栅1的距离等于第一透镜21的焦距；第二透镜22的主平面与倾斜光栅1的距离等于第二透镜22的焦距。第一透镜21用于将从倾斜光栅1衍射到自由空间中的不同波长的衍射光在垂直方向准直，使准直后的衍射光入射方向与xz平面平行，便于LCOS空间光调制器3对接收到的衍射光进行波长选择性调制；第二透镜22将经过第一透镜21准直后的衍射光在水平方向上进行聚焦。在本实施例中，两个透镜优选为柱形透镜，在其它实施例中，两个透镜也可以是其它形状的透镜。
LCOS空间光调制器3与第二透镜22的距离等于透镜组2的焦距，用于将经过第二透镜22聚焦后的不同波长的衍射光聚焦到LCOS空间光调制器的不同位置上。即LCOS空间光调制器3每个像素点对应经第二透镜22聚焦后不同波长的衍射光，使LCOS空间光调制器3可通过编程控制不同像素点上聚焦后不同波长的衍射光的相位进而来控制其反射角，使需要得到的波长区域光的反射角为0，从而使经过LCOS空间光调制器3调制后的光能够原路返回到透镜组2，然后根据光路的可逆性，使返回到透镜组2中的光返回到倾斜光栅1中；同理，控制不需要的波长区域光的反射角不为0，从而使经过LCOS空间光调制器3调制后的光不能回到倾斜光栅1中，最终得到所需波长的滤波光谱。
在本实施例中，输入光的波长范围为1530nm～1565nm；倾斜光栅1的倾角为45°，周期为780nm，长度为2cm；透镜组2中的第一柱透镜焦距为5cm，第二柱透镜焦距为10cm；LCOS空间光调制器3像素点数量为1272×1024个，像素点尺寸为12.5μm。
通过上述设置，本实例基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器得到的带阻滤波器透射谱图如图5所示，带阻部分带宽从左到右依次为0.8nm，1.6nm，2.4nm。
图6为本实例基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器得到的带通滤波器透射谱图，带通部分带宽从左到右依次为0.4nm，0.8nm，1.6nm，2.4nm。
设定该系统的光谱调谐精度为R，则：
Figure BDA0003213053740000061
其中，dLCOS为LCOS空间光调制器3单个像素的尺寸，
Figure BDA0003213053740000062
为倾斜光栅1在LCOS空间光调制器上的线色散率。
Figure BDA0003213053740000063
其中，f为透镜组2第二柱透镜的焦距，n为倾斜光栅1上的纤芯折射率，Λ为倾斜光栅1的周期，θ为倾斜光栅1的倾斜角(0°＜θ≤45°)，λ为输入光的波长。
根据上述公式，可计算得到本实施例在1530nm～1565nm波长范围内的光谱调谐精度为0.02±0.001nm，与传统的可编程滤波器光谱调谐精度0.01±0.001nm相差不大。
可以看出，本实施例的装置在提高提高集成度的同时，实现了传统可编程滤波器的带阻滤波和带通滤波功能，简化了整个滤波器。
同时，可以看出，整个光路长度仅20cm，使得整个装置的体积比较小，方便大规模生产和集成。
实施例2
在本实施例中，与实施例1不同的是，用MEMS反射镜代替实施例1中的LCOS空间光调制器，用来调控聚焦后的衍射光波长的反射角。
在其它实施例中，LCOS空间光调制器或MEMS反射镜也可以是其它能够调控衍射光波长反射角的光束偏转模块。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，其特征在于，包括：
倾斜光栅(1)，用于将输入光以波长相关的衍射角衍射到自由空间；
透镜组(2)，用于将自由空间中的波长相关的衍射光在垂直方向上准直，在水平方向上聚焦，并将聚焦后的衍射光入射至光束偏转模块；
光束偏转模块，用于将接收到的聚焦后的衍射光波长的反射角进行选择性调制。
2.根据权利要求1所述的一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，其特征在于，所述倾斜光栅(1)包括：光栅条纹(12)、纤芯(13)及包层(11)，所述光栅条纹(12)刻蚀在纤芯(13)上，并与所述纤芯(13)在垂直方向上有夹角，所述包层(11)包覆在纤芯(13)的外侧。
3.根据权利要求2所述的一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，其特征在于，所述夹角为0-45°。
4.根据权利要求3所述的一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，其特征在于，所述光栅条纹(12)通过紫外曝光方法刻写于纤芯(13)上。
5.根据权利要求1所述的一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，其特征在于，所述透镜组(2)包括：
第一透镜(21)，用于将从倾斜光栅(1)衍射到自由空间中的不同波长的衍射光在垂直方向准直；
第二透镜(22)，用于将经过第一透镜(21)准直后的衍射光在水平方向上进行聚焦。
6.根据权利要求5所述的一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，其特征在于，所述第一透镜(21)和第二透镜(22)正交放置；所述第一透镜(21)的主平面与倾斜光栅(1)的距离等于第一透镜(21)的焦距；第二透镜(22)的主平面与倾斜光栅(1)的距离等于第二透镜(22)的焦距；第二透镜(22)的主平面与光束偏转模块的距离等于第二透镜(22)的焦距。
7.根据权利要求1所述的一种基于倾斜光栅的可编程光谱滤波器，其特征在于，所述光束偏转模块为LCOS空间光调制器或MEMS反射镜。
8.一种倾斜光栅，其特征在于，包括：光栅条纹(12)、纤芯(13)及包层(11)，所述光栅条纹(12)刻蚀在纤芯(13)上，并与所述纤芯(13)在垂直方向上有夹角，所述包层(11)包覆在纤芯(13)的外侧。
9.根据权利要求8所述的一种倾斜光栅，其特征在于，所述夹角为0-45°。
10.根据权利要求8或9所述的一种倾斜光栅，其特征在于，所述光栅条纹(12)通过紫外曝光方法刻写于纤芯(13)上。
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