CN1556424A - 一种光纤可调谐滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤可调谐光滤波器，其结构为：多层压电陶瓷微位移器表面的中心线上开有沟槽，输入光纤与输出光纤的端面相对、固定在沟槽上，端面上镀有反射率R为0.99至0.999的光学介质膜，端面在多层压电陶瓷微位移器的中部形成空气隙，构成F－P腔，光通过输入光纤输入到F－P腔中进行光学谐振，调谐后的光再通过输出光纤输出。上述多层压电陶瓷微位移器采用机械上的串联，电路上的并联方法形成多片级联，陶瓷片的层数为20－70。本发明具有较大的自由光谱范围，较宽的波长调节范围，并且其F－P腔的精细度的高，带宽窄。本发明的最大工作电压为24伏，微位移器的位移量可达1μm，重复精度优于10nm，对应的波长调节范围达100～300nm。

Description

一种光纤可调谐滤波器

技术领域

本发明涉及一种可调谐光滤波器，具体而言，是一种片式多层压电微位移光纤可调谐滤波器。本发明不仅可应用于光通信领域，还可以应用于光学测量，光谱分析等领域。

背景技术

随着光纤通信的发展，网络已从干线网向城域网纵深发展，城域网需传送大量的图像和数据，可调谐光滤波器在其中担当了重任。可调谐光滤波器可应用于波分复用解复用，构成可重构的光分插复用(OADM)光学监控器；并可应用于调谐发射器、接收器中，进行自发辐射(ASE)的抑制；还可用于制作高“开关比”的光开关。

为满足城域网的需求，可调谐光滤波器在技术和成本上应具备以下特点：(1)低生产成本；(2)技术安全可靠；(3)高信道隔离度；(4)低插入损耗；(5)低偏振度依赖性；(6)低色散；(7)体积小。

基于MEMS原理的可调谐滤波器具备以上特点，它的成本低廉，适于大规模化生产，能满足城域网的特殊要求。根据工作原理，可调谐滤波器主要可划分为F-P腔(法布里-柏罗腔)型、声光调制型和可调节光纤光栅型几大类。目前研究得最多的是F-P腔型可调谐滤波器。该滤波器通过F-P腔的一个镜面的快速运动，来精确调谐滤波器的通带。目前主要采用静电原理来控制腔面的运动(见Carlos F.R.Mateus，Widely Tunable TorsionalOptical Filter，IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，14(6)，2002，819-821)。

采用静电原理来控制腔面的运动的可调谐滤波器，一般利用InP、GaAsIII-V族或者Si系化合物制作成分布布拉格反射(DBR)的反射镜，构成F-P腔。这种类型的可调谐滤波器通过两腔镜面间的静电效应调谐波长，其调谐的范围只能在10～20nm，否则要求很高的调节电压，导致腔膜面弯曲变形过大，或易引起F-P腔两腔膜近距离静电放电使器件再无法继续使用。另一方面，由于滤波器3dB带宽取决于F-P腔的精细度F，外延生长DBR的层数不多，反射率均不高，形成的F-P腔的精细度不高，滤波器带宽难以做到很窄。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足之处，提供一种光纤可调谐滤波器，该滤波器具有较大的自由光谱范围，较宽的波长调节范围，并且其F-P腔的精细度的高，带宽窄。

本发明提供的一种光纤可调谐滤波器，其特征在于：多层压电陶瓷微位移器表面的中心线上开有沟槽，输入光纤与输出光纤的端面相对、固定在沟槽上，端面上镀有反射率R为0.99至0.999的光学介质膜，端面在多层压电陶瓷微位移器的中部形成空气隙，构成F-P腔，光通过输入光纤输入到F-P腔中进行光学谐振，调谐后的光再通过输出光纤输出。

上述多层压电陶瓷微位移器采用机械上的串联，电路上的并联方法形成多片级联，陶瓷片的层数为20-70。

本发明利用现有的真空镀膜技术在光纤端面镀上多层介质膜，由光纤端面构成微型F-P腔，腔的调节由压电陶瓷微位移器完成。真空镀膜技术成熟，光学参数优异，性能稳定；微位移器线性度好，迟滞性小，响应速度快，性能稳定，易于控制，压电效应是利用陶瓷材料的电极化效应，无电流不发热，几乎无功耗。并且本发明的谐振腔腔距较短，射出腔外的光线少，此外除光纤自身形成的F-P腔外无其它的光学元件，光的损耗很小。多片级联的压电陶瓷微位移器采用机械上的串联，电路上的并联方法，其应变使电微位移器的总行程将大大增加。本发明的最大工作电压为24伏，微位移器的位移量可达1μm，重复精度可优于10nm。这样，可使可调谐滤波器获得很大的调谐范围。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的可调谐光滤波器结构示意图；

图2为片式级联压电陶瓷微位移器剖视图；

具体实现方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图所示，在压电陶瓷微位移器表面，沿中心线刻蚀一条沟槽13，输入光纤4和输出光纤5的端面相对、固定在沟槽13中。输入光纤4的端面1和输出光纤5的端面2是经过光学抛光的，上面镀有光学介质膜，该光学介质膜的反射率R在0.99至0.999之间。端面1、2平行，在陶瓷微位移器7的表面中央形成空气隙，构成微平面F-P腔3。光通过输入光纤4输入到F-P腔3中进行光学谐振，形成透过率很高的、窄的通带，达到滤波的作用，调谐后的的光再通过输出光纤5输出。

由于光学介质膜的反射率R高(0.99至0.999)，可获得优异的可调谐滤波器光学参数：如高的精细度 $F=\mathrm{\π}\sqrt{R}/(1-R),$ 窄的3dB带宽 $v_{-3\mathrm{dB}}=\frac{\mathrm{FSR}}{F},$ 大约为0.2～0.8nm；根据需要带宽也可做到十几至几十nm，完全可以满足接入网、城域网的要求。通常MEMS可调谐滤波器腔距d是由两镜面上的静电产生的引力调节，而该腔距不是由两镜面上的静电产生的引力调节，不受可能的静电放电影响，F-P腔距可以调到很小(＜0.1μ)，因而可获得很大的自由光谱范围 $\mathrm{FSR}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{2\mathrm{nd}},$ 约为120-240nm。因腔距d小(0.05～10μm)，射出腔外的光线少，此外除光纤自身形成的F-P腔外无其它的学元件，光的损耗很小。

可调谐滤波器要求调谐精度高，特别是F-P腔型的滤波其要求微位移精度高，同时又必须有大的位移距离以满足大的调谐范围，压电陶瓷微位移器可满足通信中的这些要求。

由压电陶瓷逆压电效应可知，对一压电陶瓷片有：

               S₃＝d₃₃·E＝d₃₃·V₃/t                     (1)

               Δp＝S₃·t＝d₃₃·V₃                       (2)

式中，S₃为沿厚度方向的伸缩应变；d₃₃为沿厚度方向的的压电常数(m/V)；E为电场强度(V/m)；t为压电陶瓷片的厚度(m)；Δp为单片压电陶瓷片的变形量(m)；V₃为沿厚度方向上所加的电压(V)。设压电陶瓷材料压电常数d₃₃＝1.2×10^-3μm/V，式(2)说明，无论压电陶瓷片厚度如何，每伏电压仅能产生1.2×10^-3μm的变形量。而为防止压电陶瓷在交变高电压下过早老化，电压峰值应控制在500伏以下为宜。这样，压电陶瓷片的最大变形量为：

               Δp_max＝1.2×10^-3×500＝0.6(μm)

显然单片压电陶瓷达不到调谐滤波器的要求(对大的调谐范围而言约为1μm)，而大的工作电压会使陶瓷材料产生大的迟滞效应。为增大控制行程，采用多片级联的方法，制成多层薄膜型压电陶瓷片，形成机械上的串联，电路上的并联，如图2所示。每一层陶瓷片均像陶瓷片8，厚度约为100μm，与电极薄片(如电极9)相互叠压，压制烧结成片式级联压电陶瓷微位移器，为防止漏电，最外层衬以垫板10。相邻的电极极性相反，分别由导线11和12引出。由于每一对电极间压电陶瓷形成薄膜，电场强度很大，其应变使电微位移器的总行程将大大增加。陶瓷片层数约为20～70，在30～50层时效果更好。工作电压只需24v左右，微位移器的位移量可达1μm，使滤波器获得大的波长调节范围Δλ，约为100-300nm。观察不到迟滞效应且重复精度优于10nm。为更好地对准和固定光纤4、5，简化安装工艺，提高产品的稳定性，沟槽13可以采用V型槽，通过金属环6将输入光纤4和输出光纤5分别固定在V型槽中，同时，两金属环分别固定在压电微位移器的两端，压电微位移器的中部固定在基座上，在加电的情况下压电微位移器板对称地向两边延伸，使光纤端面获得最大的位移，达到高效率地调节F-P腔距的效果，可使可调谐滤波器获得很大的调谐范围。

构成微位移器的压电材料有多种，而构成该微位移器的压电材料——弛豫型铁电体(PZN-PT)材料为复合钙钛矿结构的xPZN-(1-x)PT晶体。该晶体的结构随x含量不同而分别为铁电相的三方结构、四方结构和同型相界结构，PZN-PT晶体是由具有三方对称性结构的PZN和具有四方对称性结构的PT形成的固溶体。居里温度为200～300℃，其表现出了良好的介电，压电与电致伸缩性能。普通压电材料的压电常数d₃₃一般为2.2～5.9×10^-10m/V，机电耦合系数K₃₃为0.69～0.75。而PZN-PT压电材料压电常数d₃₃可达5～24×10^-10m/V，机电耦合系数K₃₃达0.66～0.95。其应变达到0.1～0.15％，在低压(＜50V)几乎没有迟滞现象。压电陶瓷微位移器的电压工作在0～24伏，在该电压范围内表现出极好的线性性。

综上所述，本发明提供一种微电机械系统结构的片式多层压电微位移光纤可调谐滤波器。该滤波器控制精度高、成本低廉、体积小，通过压电陶瓷微位移器的精密调节，可获得大的自由光谱范围、大的波长调节范围、窄的3dB带宽。

本发明采用机械上的串联，电路上的并联方法制成多层级联的压电陶瓷微位移器，微位移器线性度好，迟滞性小，响应速度快，性能稳定。直接由输入、输出光纤端面构成的微型F-P腔通过金属环或金属管安置定位在压电陶瓷微位移器上的V型槽中。最大工作电压只需24伏，微位移器的位移量可达1μm，重复精度优于10nm。对应的波长调节范围达100～300nm。以上所述乃本发明的具体实例及所运用的技术原理，依本发明的构思所做的等效变换，所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，如改变实施例中压电陶瓷微位移器级联层数、改变构成的微型F-P腔光纤在压电陶瓷微位移器上的槽的形状或改变构成的微型F-P腔光纤在压电陶瓷微位移器上的定位位置，均应在本发明的范围之列，特此说明。

Claims (5)

1、一种光纤可调谐滤波器，其特征在于：多层压电陶瓷微位移器(7)表面的中心线上开有沟槽(13)，输入光纤(4)与输出光纤(5)的端面(1、2)相对、固定在沟槽(13)上，端面(1、2)上镀有反射率R为0.99至0.999的光学介质膜，端面(1、2)在多层压电陶瓷微位移器(7)的中部形成空气隙，构成F-P腔(3)，光通过输入光纤(4)输入到F-P腔(3)中进行光学谐振，调谐后的光再通过输出光纤(5)输出。

2、根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述多层压电陶瓷微位移器采用机械上的串联，电路上的并联方法形成多片级联，陶瓷片的层数为20-70。

3、根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于：陶瓷片的层数为30-50。

4、根据权利要求1、2或3所述的滤波器，其特征在于：沟槽(13)为V型槽。

5、根据权利要求4所述的滤波器，其特征在于：通过二个位于压电微位移器(7)两端部的金属环(6)将输入光纤(4)和输出光纤(5)固定在V型槽中。

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