CN1489715A - 可调的滤光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可调滤光器(10)，它包括可移动的滤光器板(20)和相连的光区(30)用于滤光输入辐射束(40a)以便提供对应的滤光后输出辐射(40b)。该光区(30)有空间变化的滤光特性。装设压电驱动元件(70a到70d)用于相对光束(40a)移动滤光器板(20)和它相连的光区(30)，选择光区(30)的一部分用于滤光该光束(40a)和调谐该滤光器(10)。当有电信号驱动时可操作驱动部件(70a至70d)重复啮合或重复可滑动地接触从而将侧向力传给滤光器板(20)的表面使光区(30)相对光束(40)至少在一个方向上移动。驱动元件(70a至70d)重复啮合或重复可滑动地接触能提供给滤光器(10)，与已知的可调滤光器比较，减少的后冲和更细的调节分辨率中至少一种。滤光器(10)特别适合应用于光通讯系统，该系统有需要偶然进行系统的重新配置，包括重新调谐该系统的滤光器。

Description

可调的滤光器
本发明涉及可调谐的滤光器，例如，用于滤长分隔多路复用(WDM)的光通讯系统。
常规光通讯系统包括许多空间分布通过光纤波导互相连接的节点。由波导引导承载信息的光辐射用于在节点之间进行信息通讯。在本发明的上下文中光辐射定义为有真空波长基本上在150nm(纳米)到5μm(微米)范围内的电磁辐射。
信息常常以波长分隔多路复用(WDM)的方式调制到光辐射上，即将信息再分成许多信道，将每个信道调制到光辐射波长相应的范围上。例如，在采用1.5μm真空波长光辐射时，与各信道相关联的各个波长范围可以顺序地相距0.8nm的间隔。在系统中常规地采用光辐射滤光器用于隔离与特定信道相关的辐射。
当系统是不可重新配置时，其中的滤光器在制造时设定在特定信道的辐射波长。但是，对通讯系统应是可重新配置的要求不断增加，这样的系统必需包括至少在几个信道范围内可调的滤光器。
虽然已知机械的可调光辐射滤光器，例如在实验室或天文光谱仪中，但用于现代的光通讯系统中(这种系统需要经常调谐调整来选择信道，例如在重新配置节点时)，这样机械式滤光器习惯地被看成太贵、不可靠、笨重和使用缓慢。还有，已知精密的机械受到磨损的困扰，当经常调整时，这样的磨损使机械后冲上升，这可能限制调节的精度；再有，这样的后冲随着机械长时间的使用可能变得更加严重。因此，在现代的光通讯系统中常规地采用热调谐光辐射滤光器和电子可开关的滤光器。
在美国专利US 5,459,799号中描述了用于WDM通讯系统的可调的滤光器。该滤光器包括反射光栅的串联装置；可操作每个光栅屏蔽与该光栅相关联的相应信道的波长范围的辐射。还有，制造光栅可屏蔽互相不同的信道，从而使该滤光器正常操作来屏蔽包含输入到该装置的WDM辐射输入的所有信道。对每个反射光栅装设一电极或加热元件用于解调；加在电极或元件上的控制信号可以偏移它们相连的光栅的波长范围，使其与选择通过该串联装置传递的一个或几个所需的信道不一致。该装置有不能连续可调的缺点；它的调谐仅可在对应它的光栅辐射屏蔽带宽的离散波长步长上进行变换。这样的离散步长受到限制，如果包括这样滤光器的通讯系统在将来需要更新，使用更细的波长步长，例如信道波长间隔需要从0.8nm减小到0.4nm的话。还有，为了得到微调的高分辨率，串联装置需要装入许多反射光栅，这使该装置结构复杂和制造成本高昂。
发明者已经意识到对光通讯系统来说希望装入能连续可调的滤光器，或者至少在足够细的波长步长上是可调的，以便应付系统将来的更新是理想的。还有，与光通讯系统设计的常规实践相反，发明者已经体会到可以改造机械可调滤光器来在将来的光通讯系统中提供可接受的性能。
但是，用于相对于要滤光的光束精确移动一个或几个滤光器组件的常规机械装置，看来是太笨重和制造成本高；例如，常规的机械可调滤光器采用步进电机和螺纹驱动以便相对于待滤光的光束驱动一个或几个滤光器的元件，例如光栅。还有，这样的机械装置会有有限的操作寿命，当其经受频繁的调整时，这样频繁的调整是以机械后冲的形式显示的。所以，对光通讯系统设计所属技术领域的普通技术人员来说，在这样的系统中电子可调滤光器技术上是优选于机械可调滤光器。
发明者已经意识到有可能创造出另一形式的机械可调滤光器，它采用驱动机构，其依靠一个或几个滤光元件相对于要滤过一个或几个元件的光辐射束的步进式静摩擦(即静态摩擦)。
因此，按照本发明的第一方面，提供一种可调的滤光器，它包括用于滤光输入辐射的可移动的滤光机构以便提供相应的滤光后输出辐射，滤光机构具有空间变化的滤光特性；用于使滤光机构相对输入辐射移动的驱动机构，以便选择滤光机构的一部分用于滤光输入辐射从而调谐滤光器，其特征在于驱动机构包括一个或几个驱动元件可操作在重复啮合或者重复可滑动接触，因此给予侧向力使滤光机构相对输入辐射移动。
本发明提供的优点是，与先有技术中已知的可调滤光器比较它能提供一个或多个提高的调整分辨率，更简单和成本更低的结构和减小了后冲。
为了给滤光器提供简化的构形，滤光机构优选地包括具有空间变化滤光特性的滤光结构和可移动的支持部件，滤光结构连接到可移动的支持部件，和其中可操作一个或几个驱动元件重复啮合和传送重复的侧向力给可移动的支持部件。这样的滤光机构提供的好处是，对滤光输入辐射可以最优化滤光结构，鉴于可以最优化支持部件使之重复啮合一个或几个驱动元件。滤光结构可以形成在或支持在支持部件的表面上或另一种是机械连接到该支持部件。
当滤光结构形成或支持在支持部件表面上时，优选的是使支持部件有选择的热膨胀系数，用来补偿滤光结构光学调谐特征作为温度函数的变化。这样的补偿有助于保证，响应它的周围大气温度的变化使滤光器表现出更加稳定的调谐特征。
在一个实施例中滤光结构的构形是部分或整个的环形，其滤光特征基本上是在圆周方向变化和可操作一个或几个驱动元件以便转动地驱动滤光结构相对输入辐射进行调谐。滤光结构的转动驱动能使滤光器制造更加紧凑。
方便地，滤光结构包括离散的滤光器区的陈列以便提供空间变化的滤光特性。这样的阵列提供的好处是，例如，每个区可以有对应通讯系统一个波长分隔多路复用(WDM)信道的滤光特性，滤光器是装设在该通讯系统中，从而可以在信道到信道的基础上调谐滤光器。
优选地，该陈列是一维的阵列，其优点是驱动机构只需能够驱动一维的滤光机构用来调谐滤光器，从而得到相对简单的滤光器构形。
另一种是该阵列可以是二维的阵列。二维阵列提供的潜在优点是，可以将滤光器制造得比使用一维阵列更加紧凑。
在滤光机构中布置最经常选择的区域互相相对贴近是有利的，从而使滤光机构为了调谐相对输入辐射需要移动的距离平均起来就会减小，因此改进滤光器回复的响应时间。因此，优选地，该阵列包括在结构中最经常选择的区域集结在一起。
例如，在这些区域中其滤光特性对应于光通讯系统中各WDM信道，滤光器提供精细程度的调谐控制对付系统内轻微的波长漂移是有利的。因此，每个区域有空间变化滤光特性用于细调滤光器是有利的。
优选地各区域包括一个或几个光栅和多层光学基准。有利地，可操作各区域在反射和透射输入辐射的至少一种以便提供滤光后的输出辐射；这样的反射和透射提供了在滤光器机械设计中的灵活性。
为了提供成本相对低和结构紧凑的装置，可移动的支持部件优选地是安装在外部部件之间的平面部件和驱动元件设置在外部部件和可移动的平面部件中间。在第一个这样的装置中，驱动元件优选地是连接到外部部件和可操作与可移动的平面支持部件重复啮合或重复地可滑动接触，从而将重复的侧向力传递到那里使支持部件相对外部部件移动，因此使滤光结构相对输入辐射移动用来调谐滤光器。这种第一装置不再需要对一个或几个驱动元件的柔性电气连接，如果将一个或几个驱动元件连接到支持部件这种电气连接将是需要的。另一种是，驱动元件优选地是连接到可移动的支持部件和可操作与外部部件重复啮合或重复地可滑动接触，从而将重复的侧向力传递到那里使支持部件相对外部部件移动。
为了达到驱动元件重复的啮合，各元件优选地可操作弯曲，从而通过采用一种或几种压电、静磁、电磁、静电和热膨胀效应产生重复的侧向力。优选地，为了减小成本和达到紧凑，驱动元件包括一个或几个微机械加工组件，例如硅微机械加工组件。
为了低成本、紧凑和相对低电压驱动的需要，每个驱动元件优选地包括多层压电结构。还有，为了获得滤光机构相对输入辐射令人满意的步进或移动，希望一个或几个驱动元件应重复地啮合在支持部件或外部部件的表面上，有侧向和垂直的两个力分量。为了获得这样的装置，使压电结构的每一层在该层主表面的非垂直方向极化是优选的。另一种是，压电结构的每一层有利地有各向异性的结晶取向和在该层主表面的基本垂直方向极化和当激励时可操作在主表面的非垂直方向起动。
在一个实施例中支持部件包括多边形截面的棒，在它上面可操作一个或几个驱动元件以便传递它们相关的力。实际上，发明者已经发现使棒为基本上三角形截面和基本上矩形截面中至少一种是特别有利的。
按照本发明的第二方面，为按照本发明第一方面的滤光器提供用于滤光器的滤光器结构，该滤光器结构包括用于滤光输入辐射的离散滤光器区的阵列。
按照本发明的第三方面，提供调谐滤光器的方法，该滤光器包括：用于滤光输入辐射的滤光机构以便提供对应的滤光后输出辐射，该滤光机构有空间变化的滤光特性，和使滤光机构相对输入辐射移动的驱动机构，选择滤光机构的一部分用于滤光输入辐射，其特征在于该方法包括：在驱动机构中装设一个或几个驱动元件；用一个或几个电驱动信号驱动所述的一个或几个元件，使所述一个或几个元件重复啮合或重复可滑动接触滤光器的表面以便将侧向力传给滤光机构，从而使它相对输入辐射移动。
现在仅通过实例的方式，参考附图描述本发明的各实施例，附图有：
图1是按照本发明第一实施例可调滤光器的平面图说明；
图2是图1中说明的可调滤光器的侧视图说明；
图3是表示携带图1和2中所示的可调滤光器光栅的滤光器板步进式移动的示意图；
图4是说明用于驱动在图1到3中所示滤光器板的多层压电元件中的电气连接；
图5是按照本发明第二实施例的可调滤光器的示意图，该滤光器包括相对要滤光的光束能二维移动的滤光器组件，该组件装入滤光器区的二维阵列；
图6是按照本发明第三实施例的可调滤光器的说明，该滤光器包括相对要滤光的光束能二维移动的滤光器组件，该组件装入一串平行细长光栅滤光器；
图7是按照本发明第四实施例的可调滤光器的示意图，该滤光器包括可驱动的三角形部件使滤光器组件相对要滤光的光束移动；
图8是按照本发明第五实施例的可调滤光器的示意图，该滤光器包括与滤光器区正交连接的平面部件，驱动该平面部件使滤光器区相对要滤光的光束移动；
图9是按照本发明第六实施例的可调滤光器的平面示意图，该滤光器包括布置成相对要滤光的光束转动驱动的滤光器结构；和
图10是图9中所示可调滤光器的侧视图。
在图1和2中，表示按照本发明第一实施例可调滤光器的平面图说明，滤光器一般用10表示。滤光器10包括滤光器板20，在板上形成光区30用于光辐射输入束40a的滤光，以便提供对应的辐射滤光后的输出束40b。
区30是光栅结构，具有空间变化的光栅周期，如说明那样它从左到右方向变化。另一种是，该区可以是多层衍射结构，具有空间变化的层厚度。滤光器板20是可滑动地安装在上、下外部板50a、50b之间，上下板被间隔部件60a、60b分隔开。将外部板50a、50b连接到间隔部件60a、60b构成单一的装置。将压电元件70a、70b、70c、70d连接到外部板50a、50b的向内主表面上，各元件70紧贴在滤光器板20。在外部板50a、50b中分别形成互相对齐的孔80a、80b，从而使光束40a、40b可以更加有效地进入滤光器板20。
滤光器板20是由熔融的硅石材料制成，并将其抛光到镜面光洁度，它的主平面平行度小于10μm(微米)。代替使用熔融的硅石，板20另外也可由一种有相对低的热膨胀系数的材料制造，例如，膨胀系数小于5p.p.m./℃(千分之一/℃)。确实，如果用于制造板20的材料具有热膨胀系数，能基本补偿光区30随温度光特性的变化，是特别有利的。合适的低膨胀系数的材料包括柯伐合金、殷钢和超级殷钢(它们从美国的Engle Alloge Corp.公司有售。柯伐合金、殷钢和超级殷钢登记的商标为CRS Holding)。
外部板50a、50b和间隔部件60a、60b是由硅石或硅制成；另外该板50a、50b和与它们相连的间隔部件60a、60b可以由硬金属制成，例如抛光的不锈钢。优选地，滤光器板20的热膨胀系统应该基本匹配于，例如在1p.p.m./℃之内，外部板50a、50b和间隔部件60a、60b的对应膨胀。
在操作中，输入辐射束40a传播通过孔80a，入射到光区30的一部分上。区30透射光束40a的滤光后的部分作为滤光后的光束40b，它通过滤光器板20传播然后通过孔80b离开滤光器10。为了调谐滤光器10，通过元件70的作用使滤光器板20和光区30从左到右的方向上平移。为了如箭头90所示的左手方向(LHS)上调谐滤光器10。通过至少一个电信号驱动元件70a、70c，它们在相对孔80a、80b的LHS方向上移动区30。相反，为了如箭头90所示的右手方向(RHS)上调谐滤光器10，通过至少一个电信号驱动元件70b、70d，它们如箭头90所示的RHS方向上移动区30。在控制的电子线路(未表示)中产生用于驱动元件70a、70b、70c、70d的一个或多个信号。在操作期间，在向着滤光器板20的方向上将相对较弱的力垂直加到外部板50a、50b的朝外的主面上，以便保证元件70a、70b、70c、70d接触到滤光器板20上。
加到元件70a、70b、70c、70d的一个或几个信号提供滤光器板20相对元件的步进式移动。在这样的移动中，驱动信号包括两个不同的相位：
(a)在第一相位，一个或几个元件在第一驱动方向相对缓慢地弯曲而同时保持与滤光器板20完全的摩擦接触，从而将动量传给板20；和
(b)在第二相位，一个或几个元件在第二方向相对很快地弯曲，第二方向与第一方向互相相反，在该期间一个或几个元件与板20的接触瞬息间丧失同时元件回到它们在第一相位信号开始之前的位置；失去接触因为滤光器板20和外部板50a、50b有比元件70a、70b、70c、70d大得多的惰性。
所以，元件70a、70c在第一相位时相对缓慢地弯曲在LHS方向用于在LHS方向驱动滤光器板20和在第二相位时相对很快地弯曲在RHS方向。以类似的方式，元件70b、70d在第一相位时相对缓慢的弯曲在RHS方向用于在RHS方向驱动滤光器板20和在第二相位时相对很快地弯曲在LHS方向。元件70a、70b、70c、70d每个极化以便有特定的驱动方向。因此，元件70a、70c被极化和连接到外部板50a、50b上，其取向是在图1和2中所示的LHS方向驱动滤光器板20。还有，元件70b、70d被极化和连接到外部板50a、50b上，其取向如说明的那样在RHS方向驱动滤光器板20。
元件70a、70b、70c、70d每个包括一层或几层压电材料，如铅锆钛(PZT)堆积连接。各层也可以用低蠕变硬环氧树脂粘接，该树脂从Ciba GEigy公司有售，或者用相对熔点的易熔焊料软焊在一起。
在图3中用200指示元件70a驱动操作中的各步。元件70a包括第一层B和第二层A，它们依次连接到外部板50a。将第一层B离外部板50a远的端面布置成紧挨着和静摩擦接触滤光器板20的主表面。在元件70a制造时将金属电极(未表示)附着到层A、B的主面上用于接受从控制线路来的驱动信号，驱动信号在元件70a中产生电场其取向为外部板50a主表面的垂直方向。在外部板50a的主表面上的金属连接线路(未表示)从元件70a连接到控制线路，连接线路是真空沉积的金属线，例如2μm厚的铝线。
在箭头210所示的方向上极化元件70a，当将元件70a连接到外部板50a时，极化的取向在外部板50a主表面的非垂直方向。当电场加到元件70a时，元件以如在图3中步骤2所示的方式弯曲，即本身剪切和变厚。
另一种是，元件70a可以包括压电多晶材料，在箭头方向上有各向异性的晶体取向但沿垂直于平行于层A、B主表面的平面的方向极化。
现在参考图3将描述元件70a驱动滤光器板20的操作。
在步骤1中，在由250指示的曲线图中t0时刻，一个基本上零偏压加在元件70a上。元件70a在无偏斜的状态，如点P1和P2在外部板50a和滤光器板20上分别对齐说明的那样。
在步骤2中，在t0到t1的时间内跨过元件70a的偏置电压逐步增加，使元件70a如显示的那样分别在X和Z轴方向剪切和增厚。在步骤2中保持层B远处主面和滤光器板20之间的接触。在步骤2中如说明那样滤光器板20在LHS方向平移从而使P1和P2点不再对齐。还有，外部板50a进一步移动离开滤光器板20a。在步骤2的终点t1时刻在元件70a的两端加上幅值VB的偏置电压。
在步骤3中t1到t2的时间间隔小于t0到t1的时间间隔，跨接在元件70a的偏置电压迅速从VB减少到基本为零。由于元件70a有比板50a、20相对小的惰性，所以在板50a、20有机会改变它们的动量之前元件70a能够收缩回到它在步骤1中原来的形状。在步骤3中，元件70a与板20脱离接触。因此，在步骤3中与在步骤2的终点一样点P1、P2保持互相不对齐。
在步骤4中，在t2到t3的时间内跨接在元件70a的偏置电压保持基本为零以便为滤光器板20提供机会与元件70a重新啮合接触。当滤光器板20重新接触元件70a时，如图中所示点P1和P2不再对齐对应于滤光器板20相对外部板50a的侧向LHS平移。
实际上，步骤2和4可以做得非常短，从而将加在元件70a的偏置电压的瞬时变化仿造成锯齿波形。但是，为了移动更加精确，在曲线图250中所示的波形是优选的，即t1到t2的时间段在t0到t1时间段的1％到20％的范围内。
如果需要，在驱动元件时可以加上弹性偏置力以便使元件70a连续啮合在板20上。在这样的操作模式中，层B重复地可滑动接触板20。
虽然上面参考图3描述了元件70a的操作，但人们将能理解可以采用许多方案驱动70a到70d元件。例如，可以同步同相驱动元件70a、70c，从而使它们同时重复地啮合在板20上驱动该板在LHS方向。另一种是，可以同步但有相位差驱动元件70a、70c，从而使某些元件收缩同时其他元件完全伸展。类似地，可以同步同相驱动元件70b、70d，从而使它们同时重复地啮合在板20上驱动该板在RHS方向。另一种是，可以同步但有相位差驱动元件70b、70d，从而使某些元件收缩同时其他元件完全伸展。
将能进一步理解，层B在它暴露的表面上可以装设微型脊用于啮合到板20上，微型脊有间隔其范围在3nm至30nm，即在10nm的数量级。类似地，与元件70a到70b啮合的板20上也可以装设微型脊其间隔在3nm至30nm的范围内，也即在10nm的数量级，板20的微型脊与层B的微型脊平行对齐和互相配合，从而可操作元件70a至70d产生由脊所定义的步长尺寸。例如，通过离子束研磨技术，采用软×射线或深UV(紫外线)干涉条纹平移通过金属层上的有机聚合物光敏抗蚀剂，可以形成这些脊。在半导体工业中经常使用聚合物光敏抗蚀剂，该抗蚀剂由Shipley Inc.公司等制造。可操作脊以便提供在元件70a到70d和板20之间齿状配合啮合的形式，从而提供更高的控制精度。
在实践中发现，当500KHz频率左右合适的锯齿型驱动信号加到一个或几个元件70a到70d上时，可以达到3mm/s至5mm/s(毫米/秒)范围内的驱动速率，每个静摩擦步对应于约10nm。通过调制从控制线路来的所加驱动信号的幅值可以改变每个静摩擦步的大小，静摩擦步对应于压电元件70a到70d中一个或几个的一个弯曲。所以，通过控制驱动信号幅值和频率两者，可以获得5mm/s数量级的驱动速率和在几纳米(nm)范围内步长大小的调节。这样的性能是对用于可调滤光器的常规机械移动的显著改进并提供：
·比许多电子可调滤光器，例如热可调滤光器，程度更高的稳定性；和
·比许多常规机械可调滤光器更快的响应。
现在参考图4，在侧视图中用300表示元件70a是由压电层310a、310b、310c、310d和保护层3205层堆积构成的。压电层310a、310b、310c、310d以平行的方式电气连接到两根真空沉积的金属连接印刷线330、340，各层以图中所示的交替的方式互相连接。为了防止该堆最外面的电极350被滤光器板20的移动而磨损，该堆包括接触滤光器板20的保护层320。压电板310a、310b、310c、310d的平行连接，与用单层的压电材料实现元件70a比较起来，对给定的所加驱动电压能产生更高的电场。但是，如图4中所示的这样的平行连接造成对上述控制线路内输出驱动器的电容负荷增加，尽管它能产生几伏电压幅值的适中信号，例如从逻辑门和驱动器，来驱动元件70a。如果需要，在它的外表面可以装设有微型脊的保护层320，用于提供更精确定义的步长大小。
可操作在图1和2中说明的滤光器10相对外部板50a、50b在1维线性轨道中驱动滤光器板20。也可应用本发明2维驱动滤光器板。在图5中说明本发明的第2实施例，其中用400整体表示平面图中另一种可调滤光器。可调滤光器400也在端视图以405表示。用410表示正交的X-Y参考轴并与平面图中滤光器400相联系。
可调滤光器400包括滤光器板420，该板可滑动地安装在两块外部板440a、440b之间，外部板由间隔部件450保持在如图所示的间隔分开的结构。外部板440a、440b和间隔部件450构成单一的装置。滤光器板420包括35个滤光器区的阵列，例如滤光器区430。连接到外部板440a、440b朝向滤光器板420的主面上的是压电元件480a到480h；这些元件480a到480h在结构上与可调滤光器10的元件70a、70b、70c、70d相同和设置在滤光器板420和外部板440a、440b之间。外部板440a、440b、包括出入孔460a、460b，通过该孔辐射束470照射到滤光器板420上和通过该孔离开。
以参考图3描述的方式操作元件480a到480h，即步进静摩擦驱动来相对孔460a、460b因而相对束470移动滤光器板420。在本专利申请的上下文中，静摩擦移动应理解为所指的移动包括使用两个表面之间的静摩擦以便在表面之间传递侧向力。在驱动使滤光器板420在平行Y轴方向上移动时可操作元件480a、480b、480e、480f。类似地，在驱动使滤光器板420在平行X轴方向上移动时可操作元件480c、480d、480g、480h。
元件480g、480h有它们取向在LHS x方向的非垂直极化方向，当用从控制线路来的信号驱动时使滤光器板420在LHS方向上移动。相反，元件480c、480d有它们取向在RHS x方向的非垂直极化方向，当驱动时使板420驱动在RHS方向。
以类似的方式，元件480a、480b有它们取向在向上y方向的非垂直极化方向，当用从控制线路来的信号驱动时使滤光器板420在向上y方向移动。相反，元件480e、480f有它们取向在向下y方向的非垂直极化方向，当驱动时使板420驱动在向下y方向。
在滤光器板420上阵列中各区是衍射光栅，每个区提供互相不同的滤光特征，在整个区上滤光特征基本上是恒定的。另一种是各区可以包括多层光结构，从一个区到另一个区层厚和层的数目是变化的以便提供不同滤光特征的一个范围。还有，在每个区内，提供的滤光特征可以是空间恒定的；另一种是，每个区可以是空间分级的以便给每个区提供光调谐能力的单元。例如，当滤光器400装入到光通讯系统中用于在其中执行滤光时每个区可以对应波长分隔多路复用信道；其中每个区对应光通讯系统的特定WDM信道，每个区可以有滤光特征，该特征跨过该区空间变化相对小的量从而在WDM信道之间提供迅速的调谐和在每个信道内相对小范围的调谐调整。另外，滤光器400提供的好处是，如果装入到WDM光通讯系统中，如果该系统要更新包括更多的信道或信道间隔要改变，例如从0.8nm间隔到0.4nm间隔新的体制，只需用对应的替换板代替它的滤光器板420就可更新滤光器400，替换板包括它的各区调谐到新的体制的阵列。
滤光器400与滤光器10比较提供的好处是可将它制造得更加紧凑。还有，从操作的观点，滤光器400从信道到信道可以调谐得更快，比起各区，例如区430，以滤光器10中线性顺序的方式布置要快。可以将各区布置成空间上升或下降的次序作为设计要滤光的辐射波长的函数。另一种是，可以将经常选择的区在滤光器板420上集结在一起以便能达到更迅速的信道切换。
在操作中可将相对弱的力加到外部板440a、440b的朝向外的主表面上和指向滤光器板420，用于保证使元件480a到480h保持与滤光器板420的接触，除了在驱动时如上面描述那样那时产生瞬时脱离接触。
外部板440a、440b和滤光器板420优选地是用熔融的硅石或石英制造，在其上面形成各区的阵列之前将它们的表面抛光到镜面光洁度和平行度小于10μm误差。
在图6中说明本发明的第三实施例，其中用500整体表示在平面图中另一个可调滤光器。在用505表示的端视图中也说明可调滤光器500，由510表示正交的X-Y参考轴系和在平面图中该轴系与滤光器500相关联。
可调滤光器500包括滤光器板530，该板可滑动地安装在两块外部板520a、520b之间，外部板由间隔部件540保持在如图所示的间隔分开的结构，外部板520a、520b和间隔部件540构成单一的装置。滤光器板530包括5个细长滤光器区，例如滤光器区560的线性阵列。压电元件550a到550h连接到外部板520a、520b的主面上朝向滤光器板530；这些元件550a到550h在结构上与可调滤光器10的元件70a、70b、70c、70d相同和设置在滤光器板530和外部板520a、520b之间。外部板520a、520b包括出入孔580a、580b，通过该孔辐射束570照射到滤光器板530上和通过该孔离开。
以参考图3描述的方式操作元件550a到550h，即步进静摩擦驱动来相对孔580a、580b因而相对束570移动滤光器板530。当驱动使滤光器板530在平行X轴方向移动时可操作元件550a、550d、550e、550h。类似地，当驱动使板530在平行Y轴方向移动时可操作元件550b、550c、550f、550g。
元件550a、550h有它们取向在LHSx方向的非垂直极化方向，当用从控制线路来的信号驱动时使滤光器板530在LHS方向移动。相反，元件550d、550e有它们取向在RHS y方向的非垂直极化方向，用于在驱动时使板530驱动在RHS方向。
以类似的方式，元件550b、550c有它们取向在向上y方向的非垂直极化方向，当用从控制线路来的信号驱动时使滤光器板530在向上y方向移动。相反，元件550f、550g有它们取向在向下y方向的非垂直极化方向，当驱动时使板530驱动在向下y方向。
在滤光器板530上线性阵列中各细长的区是衍射光栅，每个区提供互相不同的滤光特征。另一种各区可以包括多层光结构，从一个区到另一个区层厚和层的数目是变化的以便提供不同滤光特征的一个范围。还有，在每个区内，在X方向上滤光特征是空间分级的以便给每个区提供光调谐能力的程度。例如，当滤光器500装入到光通讯系统中用于在其中执行滤光时每个区可以对应波长分隔多路复用信道的一个范围。
滤光器500与滤光器10比较提供的好处是可将它制造得更加紧凑。还有，滤光器500在波长更大的范围内还是潜在连续可调的。还有，从操作的观点，滤光器500从信道到信道可以调谐得更快，比起各区，例如区560，以滤光器10中线性顺序的方式布置要快。例如，可以这样调谐滤光器500，操纵区560使它的第一端与束570对齐；如果有需要将滤光器500调谐到区560第二端的另一个波长，那么控制线路可操纵区560的相邻的区提供在另一个波长处的滤光，而不是将滤光板530在区560的整个长度上平移。
在操作中，以类似的方式对滤光器500，可将相对弱的力加到外部板520a、520b的朝向外主表面上并指向滤光器板530，用于保证使元件550a到550g保持与滤光器530接触，除了在驱动时如上面描述那样，特别是参考图3描述的产生瞬时脱离接触。
外部板520a、520b和滤光器板530优选地是用熔融的硅石或石英制造，在其上面形成各区的阵列之前将它们的表面抛光到镜面光洁度和平行度小于10μm误差。
上述中，描述了根据各板的可调滤光器10、400、500。使用其他类型的部件也能获得按照本发明的静摩擦模式的驱动。图7是说明另一种可调滤光器，指示为600。610指示滤光器600的侧视图。滤光器600包括细长的三角形部件620，它保持与6个压电元件630a到630f可滑动接触。元件630a到630d连接到成角度的支持部件635，和元件630e、630f连接到支持板645。通过合适的机构(未表示)防止支持板645和支持部件635在方向680上互相相对移动。将相对弱的力F1和F2分别加到支持部件635和支持板645，以便保证使元件630a到630f保持与部件620接触，除了当驱动信号加到元件630a到630f中一个或几个时瞬时脱离之外。元件630a、630c、630e它们的压电极化轴取向便于当从控制线路(未表示)来的信号驱动连接到滤光器600时，在箭头680所指的LHS方向驱动细长部件620。类似地，元件630b、630d、630f它们的压电极化轴取向便于当从控制线路来的信号驱动时，在箭头680所指的RHS方向驱动部件620。布置光学组件(未表示)如透镜来生成光辐射束670，在操作中该光束入射到区660上和当透射通过后被滤光。
细长部件620在其一端附连到装载细长滤光器区660的滤光器板650。滤光器区660包括衍射光栅，该光栅的周期沿着区660空间改变以便将空间变化的滤光特征传给该区。
滤光器600提供的好处是，可以使用细长部件620驱动器装置来驱动由板650代表的现有设计的滤光器板。因此，可以使用滤光器600作为采用线性驱动和滤光器板的现有滤光器的更新。
尽管描述了使用细长的三角形部件620，但滤光器600可以改造成使用其他类型的可移动部件，例如细长的方形截面部件或细长六角形截面部件，只要为压电元件装设合适的支持结构使其紧挨和驱动这些类型的部件。
发明者已经提议另一种类型的可调滤光器。例如，图8是按照本发明第五实施例的可调滤光器的说明，由700表示滤光器。由710指示的端视图中也表示滤光器700。滤光器700包括平台720，它有与平台720成整体的正交叶片部件730，使平台有图中所示的“T”形截面。平台720包括斜面的细长边缘，该边缘与互补支持部件525a、525b中“V”形细长凹槽啮合。支持部件525a、525b被弹性偏压，例如使用叶片弹簧，通过所加的力G1、G2使其朝向平台720以便减小后冲。在平台720上面露出的表面上，离叶片730连接平台720处的远端，制成滤光器区740，它有光栅周期在平台720的行程780的方向上沿着区740的空间变化。另一种是该区740可以是多层光结构，它的光特征沿着区740的空间变化；例如，该结构可以是多层基准反射结构，它的层厚度或层射率沿着区740的空间变化。
叶片部件730由支持部件760a、760b对叶片部件730两侧的主面进行侧面支持。每个支持部件760a、760b已经有两个压电元件770a、770b连接在那里，压电元件能以在图3中说明和上面描述的方式对叶片部件730提供静摩擦驱动。通过垂直向内朝向叶片部件730的两个主面的力H1、H2将元件770a、770b保持与叶片部件730接触。元件770a、770b仅在当从相连的控制电子线路来的驱动信号驱动元件770a、770b时静摩擦移动期间瞬时丧失与叶片部件730的接触。
压电元件770a这样连接到支持部件760a、760b，使元件770a极化方向取向在朝向如箭头780所指的LHS方向。由于这个取向的结果，当加在那里的信号驱动叶片部件730因而在LHS方向相对支持部件725a、725b、760a、760b驱动平台720时可以操作元件770a，这些支持部件是机械保持在基本上相互恒定的空间关系。
类似地，压电元件770b这样连接到支持部件760a、760b，使元件770b极化方向取向在朝向如箭头780所指的RHS方向。由于这个取向的结果，当加在那里的信号驱动叶片部件730因而在RHS方向相对支持部件725a、725b、760a、760b驱动平台720时可以操作元件770b。
对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，将能理解可以对滤光器10、400、500、600、700进行各种修改而不会背离本发明的范畴。例如，虽然描述了滤光器使用压电元件相对辐射来作静摩擦移动，但也可采用能够提供如图3中所示的弯曲运动的其他类型元件。可以代替地或另外采用静电元件、静磁元件、电磁元件和热弯曲元件如双压电晶片来传递静摩擦移动。采用静电、电磁、热或压电驱动结构的硅微机加工的元件是特别适合本发明。
由相连的控制电子线路可以驱动在滤光器10、400、500、600、700中使用的压电元件，在一个元件提供驱动的同时暂时顺序地与某些元件保持接触和弱势维持。相反，可在任何时刻以2个或多个为一组驱动压电元件而同时没有驱动的元件保持弱势接触和维持。将根据上述滤光器板或平台被驱动的精度和速度选择用于驱动元件的手段。
虽然在滤光器10、400、500、600、700内包括的压电元件是连接到滤光器的支持部分，该部分分别相对滤光器区30、430、560、660、740移动，但是也可以将元件结合以相对滤光器区保持固定的相对位置和相对于支持部件静摩擦驱动；例如在可调滤光器10中，可将元件70a、70b连接到滤光器板20和驱动在与外部板50a、50b朝内主表面的可滑动啮合中；对这样的结构需要可弯曲的导体从滤光器板20连接到相连的控制线路。
将能进一步理解可以修改滤光器10、400、500、600、700使其驱动结构，例如滤光器10中的板20，是可转动地安装的，从而可操作与它们相连的压电元件使该结构转动，通过相对入射到该结构的光束移动该结构上的光区实现滤光器的调谐。例如，在图9和10中表示按照本发明的可调滤光器的示意图，由800表示的滤光器包括可转动地支持在两块支持板820、830之间的圆形滤光器板810和压电元件840a、840b、840c、840d，这些元件设置在滤光器板810的两侧主面和支持板820、830之间。支持板820、830是通过间隔部件850、860连接在一起，可操作间隔部件紧贴圆形板810上两个位置。偏压部件870，即跟从的磷铜弹簧，是相对支持板820、830弹性地安装的，间隔部件850、860布置在紧贴圆形板810上的第三位置。可操作偏压部件870以便防止圆形板810在它的平面中相对间隔部件850、860和支持板820、830的侧向移动。通过压电元件840a、840b、840c、840d基本上防止了圆形板810移动出它的平面。如果需要，可以对支持板820、830在指向圆形板810的方向上加上偏压力，以便帮助防止后冲和保证元件840a、840b、840c、840d在操作中维持与圆形板810重复可滑动接触，用于以相对要滤光的输入光束880转动的方式驱动圆形板810。如果不加偏压力，那么元件840a、840b、840c、840d在操作中是与圆形板810重复接触，用于以相对光束880转动的方式驱动圆形板810。圆形板810包括环形的滤光器区885，通过支持板820、830中的孔890可以进出入该区。该区885有空间变化的滤光特征。还有，可将该区885布置成完整的环形。另一种是，可选择地可将滤光器区885再分成离散的区，例如作为离散滤光器区的弧形阵列，每个区可选择地有互相不同的滤光特征。
可以修改滤光器800，使其圆形板810包括中心孔。孔中布置对准的中心部件，在操作中由元件840a、840b、840c、840d围绕中心部件以转动方式驱动板810。

Claims (30)

1.一种可调的滤光器(10；400；500；600；700；800)，包括：用于接收和过滤输入辐射(40a；470；570；670；750；880)以提供相应的滤光后的输出辐射的可移动的滤光机构(30；430；560；660；740；885)，滤光机构具有依空间变化的滤光特性；用于使滤光机构相对输入辐射移动，以便选择滤光机构的一部分用于滤光输入辐射从而调谐滤光器的驱动机构，其特征在于驱动机构包括一个或几个驱动元件(70a-70d；480a-480h；550a-550h；630a-630f；770a-770b)，该驱动元件可操作以重复啮合或者重复地可滑动接触，从而施加侧向力以使滤光机构相对输入辐射移动。
2.如权利要求1所述的滤光器，其中滤光机构包括具有依空间变化的滤光特性的滤光结构(30；430；560；660；740；885)和该滤光结构连接到其上的可移动的支持部件(20；420；530；620；650；720；810)，其中该一个或几个驱动元件可操作以重复啮合或重复地可滑动接触支持部件，从而施加重复的侧向力到支持部件。
3.如权利要求2所述的滤光器，其中支持部件的热膨胀系数选择为基本补偿滤光结构光调谐特征作为温度函数的变化。
4.如权利要求2或3所述的滤光器(800)，其中滤光结构(885)构造为有基本上沿圆周方向变化的滤光特征的部分或完整的环形并且一个或几个驱动元件(840a-840d)可操作以转动地相对输入辐射驱动支持部件。
5.如权利要求2或3所述的滤光器(400；500)，其中滤光结构包括离散的滤光器区(430；560)的阵列。
6.如权利要求5所述的滤光器(500)，其中该阵列是1维阵列。
7.如权利要求5所述的滤光器(400)，其中该阵列是2维阵列。
8.如权利要求5至7中任一项所述的滤光器，其中该阵列包括在该结构中集结在一起的最频繁选择的区。
9.如权利要求2至8中任一项所述的滤光器，其中每个区有依空间变化的光学特性用于细调滤光器。
10.如权利要求2至9中任一项所述的滤光器，其中各区包括一个或几个光栅和多层光校准器。
11.如权利要求10所述的滤光器，其中各区对反射和透射输入辐射的至少一种可操作以提供输出辐射。
12.如权利要求2至11中任一项所述的滤光器(10；400；500；800)，其中可移动的支持部件(20；420；530；810)是安装在外部部件(50a，50b；440a，440b；520a，520b；820，830)之间的平面部件，和驱动元件(70a-70d；480a-480h，550a-550h；840a-840d)设置在外部部件和可移动的平面支持部件之间。
13.如权利要求12所述的滤光器，包括弹性偏压机构用于对外部部件施加指向平面部件的力，以便减小平面部件相对外部部件滑动移动中的后冲。
14.如权利要求12或13所述的滤光器(10；400；500；800)，其中驱动元件(70a-70d；480a-480h；550a-550h；840a-840d)结合到外部部件(50a，50b；440a，440b；520a，520b；820，830)并可操作以重复啮合或重复地可滑动接触可移动的平面支持部件，从而施加重复的侧向力到那里用于相对外部部件移动滤光结构。
15.如权利要求12或13所述的滤光器，其中驱动元件连接到可移动的平面支持部件并可操作以重复啮合或重复地可滑动接触外部部件和施加重复的侧向力到那里用于相对外部部件移动滤光结构。
16.如权利要求2至6或8至11中任一项所述的滤光器(600；700)，其中可移动的支持部件(620；720，730)包括多边形截面的棒，在其上面一个或几个驱动元件(630a-630f；770a，770b)可操作以施加相关的力。
17.如权利要求16所述的滤光器，其中该棒是基本上三角形截面的棒(620)和基本上矩形截面的棒(720，730)中至少一种。
18.如前述权利要求中任一项所述的滤光器，其中驱动元件通过采用压电、静磁、静电、电磁和热膨胀效应的一种或几种可操作以弯曲从而产生重复的侧向力。
19.如权利要求18所述的滤光器，其中驱动元件包括一个或几个微机械加工元件。
20.如权利要求19所述的滤光器，其中微机械加工的元件包括硅微机械加工组件。
21.如权利要求18所述的滤光器，其中每个驱动元件包括多层(A，B；310a-310b)压电结构。
22.如权利要求21所述的滤光器，其中每层沿非垂直于层(A，B)的主表面的方向(210)极化。
23.如权利要求21所述的滤光器，其中每层有沿非垂直该层主表面的方向设置的各向异性取向的晶体结构，且该结构安排成由基本垂直于主表面建立的电场激励。
24.如权利要求18至23中任一项所述的滤光器，其中至少一个驱动元件在它的外表面包括保护层(320)用于保护至少一个元件的电极(350)免受由于重复静摩擦移动造成的磨损。
25.如权利要求2至24中任一项所述的滤光器，其中至少一个驱动元件包括在它的外表面上形成的脊，用于与支持部件表面上的对应脊啮合。
26.如权利要求25所述的滤光器，其中脊是微型脊。
27.如权利要求25或26所述的滤光器，其中通过使用由平版印刷和蚀刻方法转移的X射线或紫外线干涉图案形成各脊。
28.如权利要求27所述的滤光器，其中以间隔3至30nm范围的区间形成各脊。
29.一种用于如权利要求1所述的滤光器的滤光结构，该滤光结构包括用于滤光输入辐射的离散滤光器区的阵列。
30.一种调谐滤光器的方法，该滤光器包括用于滤光输入辐射以提供对应的滤光后输出辐射的滤光机构，该滤光机构有依空间变化的滤光特性；和使滤光机构相对输入辐射移动以选择滤光机构的一部分用于滤光辐射的驱动机构，，该方法特征在于：在驱动机构中装设一个或几个驱动元件；用一个或几个电驱动信号驱动所述的一个或几个元件来重复啮合或重复可滑动接触滤光器的表面以施加侧向力到滤光机构，从而使它相对输入辐射移动。
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