CN1839332A

CN1839332A - 一种可调谐法布里－珀罗滤波器

Info

Publication number: CN1839332A
Application number: CNA2004800114416A
Authority: CN
Inventors: 卢良驹
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2003-04-29
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2006-09-27
Also published as: US20040218865A1; WO2004097463A3; JP2006525510A; US6996312B2; WO2004097463A2

Abstract

可调法布里－珀罗滤波器(TFPF)使用MEMS和微型光学组件的混合集成。将形成TFPF的反射镜主动地对准，以提供高精细度的TFPF。将反射器中的一个安装在挠性元件(例如两端固定的横梁式元件)上。该挠性元件可在与TFPF的轴平行的方向上弯曲，以调整反射器之间的间隙，从而对TFPF进行调谐。可将反射镜中的一个或两个设置在光纤的末端上。

Description

一种可调谐法布里-珀罗滤波器

技术领域

本发明涉及微光学装置，更具体地讲，涉及一种可调谐的微光学滤波器。

背景技术

可调谐法布里-珀罗滤波器(TFPF)是窄带滤波器，其优点是光传输高、波前畸变小、插入损耗低且可调性好。因此，TFPF广泛应用于例如WDM、波长锁模、可调谐滤波器等光纤通信领域中。TFPF作为前置放大接收器中的可调谐的解复用器或噪声滤波器已经被广泛地应用于WDM系统中。它们也用于对DWDM系统中的光信道进行在线监测。

为了传输多条DWDM信道，TFPF的精细度应该是大约1000，其中信道间隔为100GHz(0.8nm)，通带宽达到10GHz(0.08nm)。目前基于微电子机械系统(MEMS)的TFPF由于精细度低而不能满足DWDM应用的要求。反射镜的表面质量决定最大可能的精细度。在MEMS器件中难以得到如光学抛光表面一样平坦的、无衍射的反射镜面，所以更难得到如微光学组件中可能达到的高精细度。由于MEMS的结构没有绝对的稳定性而导致MEMS的另一问题出现。结果，在特定需要的反射镜间距的情况下，反射镜之间难以保持完全的平行。反射镜容易产生0.01°量级的倾斜，从而导致精细度下降10％。MEMS的另一问题涉及镜面反射率。可将反射率为大约95％的介质反射镜设置在MEMS器件上，而不产生残余应力：这导致最大精细度仅为大约61。通过进一步添加介质涂层来提高反射率会产生残余应力，该残余应力使得MEMS反射镜变形，从而降低反射率＞95％的涂层的精细度。

提供TFPF的另一方式是压电扫描TFPF，其中，反射镜设置在两个不同的基底上，通过压电式变换器使一个基底与另一基底发生相对运动。然而，压电扫描TFPF会存在与压电式变换器相关的正常滞后和非线性的问题。另外，这些器件存在压电蠕变的问题，其中压电扫描反射镜的位置随着时间而改变。所以，压电扫描TFPF的工作是不稳定的。因此，压电扫描TFPF需要十分复杂的控制系统来补偿所述的滞后和蠕变。压电扫描TFPF的另一缺点是压电变换器没有高的膨胀系数。目前，在施加的电压和设备尺寸是合理的情况下，压电元件被限制在大约10μm或更小的扫描范围内。

发明概述

考虑到上文中就当前可用的TFPF所列的问题，概括而言，本发明涉及使用MEMS和微型光学组件的混合集成的TFPF。这样的方法可以用来克服MEMS和压电扫描方法的缺点。这种装置在产生30μm数量级的扫描范围的同时可用来把反射镜之间的间距控制在皮米数量级的分辨率。此外，反射镜是通过将涂层沉积在高度抛光的光学表面上而形成的，然后使所述光学表面主动地对准，以提供高精细度的TFPF。这种方法基本上消除了MEMS反射镜出现的镜面变形问题。另外，控制电路能够补偿由于该装置的热膨胀而产生的波长变化。本发明方法的其它特征包括能够使用共焦法布里-珀罗(FP)结构，从而获得较高的精细度和分辨率。这种TFPF也可以使用级联结构，这样允许在保持相同传输带宽的同时增大有效自由光谱范围。

在一个具体实施例中，本发明涉及一种可调谐光学装置，该装置包含第一反射器和第二反射器，这两个反射器形成具有第一光轴的第一法布里-珀罗滤波器。该第一法布里-珀罗滤波器限定所述第一反射器和所述第二反射器之间的可调间隙。所述第一反射器和所述第二反射器中的一个安装在挠性元件上。该挠性元件可在与所述第一光轴平行的方向上弯曲，以调整所述反射器之间的间隙。

本发明的另一实施例涉及使用第一法布里-珀罗滤波器来进行滤光的方法，所述第一法布里-珀罗滤波器在第一反射器和第二反射器之间形成。这种方法包括使输入光进入到该第一法布里-珀罗滤波器中。使第一挠性元件致动，以使其在与所述第一法布里-珀罗滤波器的光轴平行的方向上弯曲。将所述第一反射器和所述第二反射器中的一个连接到所述第一挠性元件上，以调整所述第一反射器和所述第二反射器之间的间距。所述第一法布里-珀罗滤波器的共振从而被调整，以使其与输入光所需的频率重合。

本发明的以上概述并不意味着阐述了本发明的每一个示例性的实施例或每一种实施方式。随后的附图和详细说明更具体地举例说明了这些实施例。

附图说明

结合附图对本发明的各种实施例的以下详细的描述进行思考，可更加全面地理解本发明，其中：

图1示意性地示出根据本发明原理的基于可调谐法布里-珀罗滤波器(TFPF)的可编程光分插复用器系统的实施例；

图2A示意性地示出根据本发明的原理的TFPF的实施例；

图2B-2E示意性地示出图2A中所示的TFPF的组件部分的实施例；

图2F示意性地示出图2A中所示的TFPF的剖视图；

图2G示意性地示出根据本发明的原理的TFPF的另一实施例；

图3A-3D示意性地示出根据本发明的原理可用于TFPF中的法布里-珀罗滤波器的结构的实施例；

图4示意性地示出根据本发明的原理在致动器单元(actuator unit)上有多个TFPF单元的实施例；

图5A显示了具有第一自由光谱范围的第一法布里-珀罗滤波器的传输分布图；

图5B显示了具有第二自由光谱范围的第二法布里-珀罗滤波器的传输分布图；

图5C显示了具有第一法布里-珀罗滤波器和第二法布里-珀罗滤波器的两级法布里-珀罗滤波器的传输分布图；

图6示意性地示出根据本发明的原理的多级TFPF的实施例；

图7A和7B示意性地示出根据本发明的原理的多级TFPF的另一实施例；

图8A-8D示意性地示出根据本发明的原理可用于多级TFPF中的多级法布里-珀罗滤波器的结构的实施例；

图9示意性地示出根据本发明的原理可用于多级TFPF中的多级法布里-珀罗滤波器的结构的另一实施例；

图10示意性地示出根据本发明的原理被安装在单个致动器单元上的使用背对背TFPF的多级TFPF的另一实施例。

虽然对本发明容易进行各种修改和形式替换，但是本发明的细节已经通过附图中的例子被示出并将被详细地描述。然而，应该明白，本发明并不局限于就本发明所述的这些具体实施例。相反，本发明包括落入在由附属权利要求书所界定的本发明的精神和范围内的所有的修改、替换及其等同形式。

发明详述

本发明适用于可调谐法布里-珀罗滤波器(TFPF)，并且被认为特别适用于提供一种可调谐滤波器，该可调谐滤波器具有高精细度、大的自由光谱范围(FSR)，并且具有长期的稳定性，而没有滞后。

TFPF，也称为可调谐法布里-珀罗共振器，可用来传输特定波长范围的光，而拒绝该特定波长范围外的光。结果，TFPF在诸如光谱学、光通信、光学传感器等领域中有很多应用。例如，在光谱学和光学传感器中，可用TFPF来过滤从样品中接收的光。在光通信中使用TFPF的一个具体例子是它在可调谐光分插复用器(TOADM)中的使用。图1中示意性地示出的TOADM可用来将光从多信道信号中分出到一个或多个光信道中，或者用来将一个或多个信道中的光插入多信道信号。TOADM 100的具体实施例包括环行器102和TFPF 104。可把控制单元106连接到104，以控制TFPF 104的工作波长。

在信道分出模式中，几个信道中的光λ_a、λ_b、...λ_n从上游光学系统108(例如光通信系统的多信道光发射器或者某一其它部件)中入射到TOADM 100上。不同信道中的光经由环行器102传输到TFPF104，调节该TFPF 104，以传输波长为λ_j的光。该TFPF 104使其它信道波长为λ_a、λ_b...λ_j-1、λ_j+1...λ_n的光反射。这些反射的波长被发送回到环行器102，然后，该环行器102将反射的波长转向导入到下游光学系统110(例如光通信系统的多信道接收器/检波器系统或者某一其它部件)。通过TFPF 104传输的波长为λ_j的光被传输到光学子系统112(例如光通信系统的本地环路、接收器/检波系统或某一其它子系统)。可调节TFPF 104来传输某一个其它信道中的光。

应该明白，可使用几个TFPF单元， (例如)与多端口环行器或多个三端口环行器一起来分出附加的信道波长。此外，应该明白，对于沿着与上面所述的方向相反的方向传播的光，TOADM可用来插入信道。

根据本发明的原理的TFPF是基于将反射表面连接到MEMS位移致动器的设置方式的。把反射表面与MEMS致动器分开设置本身就可使较高反射率的反射镜不发生畸变，所以TFPF可实现更高的精细度值。可将反射表面中的一个或两个设置在连接于MEMS致动器的光纤的末端上。

现在参照图2A-2F描述根据本发明的TFPF 200的一个具体实施例。在该具体实施例中，TFPF 200在形成于两个光纤的相对端上的反射表面之间形成。第一光纤202连接到致动器单元204的第一侧。第一光纤202可以用第一套管206终接，以增强稳定性和强度。第二光纤208连接到致动器单元204的另一侧。还可以使第二光纤208设有终接套管210。这些反射表面限定了法布里-珀罗滤波器，所述法布里-珀罗滤波器也被称为共振器或腔，并且位于光轴211上。光纤202和208可以是扩展的芯光纤，其芯向光纤末端扩展，使得从光纤射出的光的发散比芯没有扩展的情况少。可把控制单元201耦合于TFPF 200，以控制TFPF 200的工作。

在该具体实施例中，致动器单元204包括三个元件，即在图2B-2E中示意性地示出的中心元件212、第二元件214和第三元件216。该中心元件212用作固定基底，也被称为固定元件，第二元件214和第三元件216被安装在所述的固定元件上。该中心元件212提供用于使设置于第二元件214上的校直机构和设置于第三元件216上的位移机构致动的电极。

现在具体参照图2B和2C，中心元件212具有孔径218，光经由该孔径218从光纤202和208之间通过。第一表面220包括电极模式222。该电极模式222可能包括一组x电极224和一组y电极226，其中x电极用于提供光纤202在x-z平面上的旋转校直，y电极用于提供光纤202在y-z平面上的旋转校直。中心元件212的第二表面228位于与第一表面220不同的另一侧，也设有一组(包括一个或多个)位移电极230，所述位移电极用于控制第二光纤208的末端和第一光纤202的末端之间的间距。虽然该组(包括一个或多个)位移电极230显示出仅有一个电极，但是应该明白，可以使用多个电极。

现在参照图2D，第二元件214包括旋转校直机构232。在该具体实施例中，旋转校直机构232包括两个包含在法兰盘238内的同心安装部分234和236。外侧部分234通过两个铰链240连接到法兰盘238，所述铰链240是由薄片材料形成的。内环236通过两个铰链242连接到外环，所述铰链242也是由薄片材料形成的。内侧部分236的孔径244可使光从两个光纤202和208之间通过。

外侧部分234设有两个y电极246，内侧部分236设有两个x电极248。通过将第二元件214的表面247连接到中心元件212的安装表面250来安装该第二元件214，使得中心元件212的x电极224与第二元件214的x电极248相对，并且中心元件212的y电极226与第二元件214的y电极246相对。使用任何合适的技术例如焊接、熔接或粘接，可将第二元件214和第三元件216连接到中心元件212。在x-z和y-z平面上的最大校直程度可以是旋转一度或两度或者更大的数量级。

校直机构232操作如下。可将各种控制电压施加到x电极224和248，以控制第一光纤202在x-z平面上的取向。通过调节施加到x电极224和248的控制电压来提供相对于轴254的非平衡的静电力，就可使内侧部分236绕着轴254旋转，该轴254通过两个铰链242形成。同样，可将控制电压施加到y电极226和246来控制第一光纤202在y-z平面上的取向。通过调节施加到y电极226和246的控制电压来提供相对于轴252的非平衡的静电力，就可使外侧部分234绕着轴252旋转，该轴252通过两个铰链240形成。

现在参照图2E，第三元件216设有挠性元件256，该挠性元件允许z方向平移来调节法布里-珀罗腔。在该示例性的实施例中，挠性元件256是通过在第三元件216上切出两条平行的狭缝258而形成的横梁式元件(beam element)。置于该横梁式元件256中的孔径259可使光从第一光纤202和第二光纤208之间通过。该横梁式元件256设有一个或多个电极260，所述电极与置于中心元件212上的电极组230中的电极对应。第三元件216的表面261连接到中心元件212的安装表面231，其中电极260与电极组230相对。

光纤202的末端262和光纤208的末端264之间的间距可以通过调节施加到电极230和260上的控制电压来改变。通过在电极230和260上施加相同极性的电势，横梁式元件256被中心元件排斥而弯曲，从而增大光纤202和208的末端之间的z方向的间距。另一方面，通过在电极230和260上施加不同极性的电势，使得横梁式元件256向中心元件212弯曲，从而减小光纤202的末端262和光纤208的末端264之间的z方向的间距。

这些不同的元件212、214和216可以使用任何适合类型的材料形成。一种特别适合类型的材料是硅，可以使用标准平板印刷和蚀刻技术来形成这些元件的不同特征。使用硅的一个好处是横梁式元件能够由单晶体形成，从而具有单晶体的附带的物理性质。

两端被约束的横梁式元件用来移动TFPF的一个或多个反射表面，这样使用这种横梁式元件的一种结果是，横梁式元件具有恒定的棱形截面，并且由挠性的均质材料构成，所述均质材料在拉伸和压缩时具有相同的弹性模量。因此，对横梁式元件施加相同的应力，其缩短或伸长的量相同。横梁式元件通常在线性弹性状态下工作，所以，施加的应力和所得到的应变之间是成正比例的关系。因此，横梁式元件不会呈现滞后现象。

此外，两端被约束的横梁的这种几何结构使得平移这些反射表面时能不失准。这可以通过对横梁的中性面进行研究而解释清楚。所述中性面穿过横梁的中心截面。当横梁弯曲时，弯曲面的外表面上的材料呈现拉伸状态，而内表面上的材料呈现压缩状态。中性面限定了当横梁弯曲时既不处于拉伸也不处于压缩状态的材料的外形。在弯曲前与该中性面垂直的横梁的剖面在弯曲后还与该中性面垂直。因此，如果将反射表面放置在横梁的约束端之间的中间位置上，并且该横梁式元件内的静力相对于横梁的中心是对称的，那么当横梁式元件弯曲时该反射表面依旧保持原来的取向。另外，反射表面可以与挠性元件分离开，并且当横梁式元件弯曲时它的曲率半径不变。因此，TFPF即使在反射表面发生大的z方向位移时也保持高的精细度。

可按以下的方式校直和操作TFPF 200。一旦致动器单元204与第一光纤202和第二光纤208已装配在一起时，光学测试信号就从一个光纤传到另一个光纤。光学信号可以处于TFPF的优选的工作波长范围外，从而降低TFPF的反射表面的反射率。此外，测试信号的带宽可以比TFPF的FSR宽。可通过控制施加到中心元件212和第二元件214上的x电极和y电极的电压来调节光纤202和208之间的旋转校直，以使光从光纤202和208之间通过的数量最大。一旦找到了第一光纤202的最佳取向，就可将施加到x电极和y电极的电压设定为不变，以保持光学校直不变。在保持校直不变的另一方法中，除了电极外(或者不用电极)，中心元件212和第二元件214可以设有其它的电荷存储器件，例如驻极体。

一旦光纤202和208已经对准，就可以通过控制施加到位移电极230和260上的电压来调节光纤末端262和264之间的间距，以实现所需的共振传输频率。可以保持该施加的电压来保持光纤202和208之间所需的间距。

控制单元201可以用来向x电极224和248、y电极226和246及/或位移电极230和260施加特定的电压。该控制单元也可以用来测量这些电极之间的电容值。例如，x电极224和248形成电容器，该电容器的值称为x电容，其可以通过控制单元来测量和存储。控制单元可以通过控制x电极224和248上的电荷来稳定x电容值。稳定的电容确保x电极保持恒定的物理间距，从而使光纤202在x-z平面的校直保持不变。因此，保持恒定的x电容和恒定的y电容可使光纤202的取向保持不变，而不需要使用光学反馈。同样，位移电极230和260的测量和稳定可以允许TFPF被稳定在选定的峰值传输频率。

TFPF 270的另一实施例以分解图的形式示意地示于图2G中。TFPF 270包括上文所述的中心元件212和第二元件214。第二元件214设有两个部分234和236，这两个部分可使光纤202末端的反射器与另一光纤208的另一端的反射器旋转对准。但是，在这个实施例中，TFPF能通过相对于中心元件212移动挠性元件274来使光纤208在z方向平移。挠性元件274不必非得是横梁式元件，而可以采用别的几何结构。挠性元件在它的外围上至少有两个点是固定的，在固定的外围点之间是可移动部分。在使用横梁式元件的情况下，有两个固定点，分别位于横梁的两端。在图示的例子中，挠性元件274是圆形的，如同光阑一样工作，其外围可视为具有无穷多的固定点。应该明白，挠性元件的其它几何结构可以在它的外围上具有其它数量的固定点。

调整挠性元件274上的电极276和中心元件212下侧的对应电极(未示出)之间的电压来控制挠性元件274和中心元件212之间的静电力。挠性元件274所产生的弹性变形使得下光纤208和上光纤202之间的间距发生了改变，所以法布里-珀罗腔的长度可能会改变。

使用挠性元件274保留了上述横梁式元件的很多优点。例如，静电力相对于光纤208末端上的反射器是对称的，所以即使在反射器平移时法布里-珀罗腔也保持对准。

应该明白，可以使用别的反射器排列方式。例如，可将分离的反射器置于挠性元件274的中心孔径278上，而不使用光纤208末端上的反射器。而且，可将一个附加的反射器置于安装在第二元件214和第三元件272上的反射器之间。例如，可将一个附加的反射器置于中心元件212的孔径218上。

更应该明白，这两个部分234和236可以被当作挠性元件，因为它们固定在两个外围点上，而且在固定点之间可以自由弯曲。因此，可以调节施加到校直电极224、226、246和248的电压的绝对值，同时仍保持对准，从而导致这两个部分234和236以及铰链240和242弯曲。这导致与第二元件214相关的反射器的平移。因此，可以认为第二元件214包括允许反射器z方向平移的挠性元件。

TFPF可以使用多种FP标准具几何结构，其中的一些示意性地示于图3A-3D中。图3A示意性地示出两根光纤302和308及其各自的套管306和310。反射表面312和314置于光纤302和308的末端上。反射表面312和314可以使用多层介质涂层或者其它适合的反射材料来形成。在实际应用中，一旦光纤连接到套管上，就可以对光纤末端进行抛光，因此该套管也被抛光了。然后，使用反射材料对光纤末端和套管进行涂覆。在另一种方法中，在光纤安装到套管后，可以将光纤末端抛光成具有所需的曲率。然后，在抛光套管后就可以对光纤末端进行涂覆。

在示意性地示于图3A中的具体实施例中，反射表面312和314是平坦的，并且彼此平行。在示意性地示于图3B中的实施例中，反射表面312和314中的一个是弯曲的，而另一个是平坦的。在该示例性的实施例中，第二反射表面314是弯曲的，但是应该明白，第一反射表面312可以是弯曲的。

在示意性地示于图3C中的实施例中，反射表面312和314都是弯曲的。反射表面312和314的曲率半径可以相同也可以不同。如果反射表面312和314的曲率半径等于表面312和314之间的间距，那么FP标准具可以说是共焦的。当使用一个或多个凹曲面时，衍射损耗降低，并且对镜面缺陷的灵敏度会降低。结果，使用凹曲面系统比使用平面系统更容易获得较高的精细度。

在示意性地示于图3D中的实施例中，一个反射表面314设为凸曲面。应该明白，反射表面312和314中的一个或两个可以是凸曲面形，或者反射表面312和314每个都可以是凹曲面或者凸曲面形。

TFPF也可以是格瑞斯-图尔努瓦(Gires-Tournois)干涉仪，其中光通过第一反射器进入干涉仪，第二反射器是100％反射器或者非常接近100％反射器。来自格瑞斯-图尔努瓦干涉仪的输出被反射而不被传输。但是，因为在格瑞斯-图尔努瓦干涉仪的共振频率下的光在该干涉仪内积聚需要一定时间，所以在共振光和非共振光的反射之间有延迟。因此，格瑞斯-图尔努瓦干涉仪可用来给某些频率的光增加时间延迟，并且在例如补偿群速度色散方面有用。

示意性地示于图2A-2F中的实施例是针对形成在致动器单元上的单个TFPF的。本发明并不限于此，几个TFPF可在该致动器单元上形成，每个TFPF可独立地寻址和调谐。具有多个TFPF的致动器单元400的例子以分解图的形式示意性地示于图4中。第三元件416包括几个横梁式元件456，这些横梁式元件456与相应的光纤408和套管410一起设置在该元件416上。第三元件416安装在中心元件412上，所述中心元件412包括多个孔径，以允许光从形成TFPF的多根光纤之间通过。中心元件412也可设有适当的电极，所述电极用来分别激励不同的横梁式元件456。第二元件414设有多个校直机构，可以连接到中心元件412的另一侧。将第二元件414上的校直机构放置在适当的位置上，以便与第三元件416上的横梁式元件456对准。这样，可以在同一TFPF致动器单元400上构建几个TFPF。

为了提高光学分辨率，可将一个以上的法布里-珀罗滤波器(FPF)串联使用。这可以参照图5A-5C来解释。通过第一FPF的光传输随频率υ的变化被示意性地示于图5A中。传输最大值之间的间距Δυ，也叫做自由光谱范围(FSR)，由下面表达式给出：

Δυ＝c/(2nL)

其中c是光速，n是反射表面之间的平均折射率，L是反射表面之间的间距。每个传输峰值的带宽δυ(即半高全宽FWHM)由FSR除以精细度F给出，即δυ＝FSR/F。在对准和完全反射表面的理想情况下，精细度F表达为：

F＝πR^1/2/(1-R)

其中R是反射率，接近于1。因此，随着反射表面的反射率逼近100％，精细度将升高。

由于假设精细度不变，因此增大反射表面之间的间距不仅会导致传输峰值之间的间距增大，而且会导致带宽增大。这在图5B的曲线图中示出，其中假设反射表面的反射率与图5A的FPF中所用的反射表面的反射率相同，但反射表面之间的间距却增大了。传输峰值的带宽与峰间间距之间的比例分数仍保持不变。

同时获得窄传输带宽和大FSR的方法是将至少两个FPF串联工作。两级FPF的滤波器传输光谱示于图5C中。所得到的两级滤波器兼具示于图5A中的FPF的窄传输带宽和示于图5B中的FPF的大FSR。应该明白，为了最好的性能，两个FPF的传输光谱在频率上应该近似一致。

使用两级TFPF获得的好处的例子可以通过考虑精细度为150(对应于大约98％的滤波器反射率)的单个TFPF来理解。如果所需的带宽为10GHz，那么FSR就是1500GHz。另一个具有相同精细度但FSR为15000GHz的TFPF可以串联加入。两个TFPF串联的组合的带宽是10GHz，而FSR是15000GHz，从而得到1500的有效精细度。

得到两级FPF的一个具体方法示意性地示于图6中。第一光纤602和套管604面向第二光纤608和第二套管610。第一光纤602具有第一反射表面612，第二光纤608具有第二反射表面614。透明基底616与第一光纤602相邻设置，其第三反射表面618置于距第一反射表面612固定距离的位置上。基底616的输入表面620通常涂有抗反射(AR)涂层，以减少反射。这样，一个FPF在第一反射表面612和第三反射表面618之间形成，第二个FPF在第三反射表面618和第二反射表面614之间形成。在第二反射表面614和第三反射表面618之间的间距可以调整，例如使用上文所述的致动器。而使用致动器不能调整第一反射表面612和第三反射表面618之间的间距。

在光纤602的末端上形成第一反射表面612和第三反射表面618的一种方法是，首先设置第一反射器612。第一反射器612可以是多层介质反射镜的形式，其由四分之一波长厚度的高/低折射率材料膜层交替堆叠而成。接下来，可将基底层616设置成单层，其厚度为设计波长的半波长的整数倍。然后可将第三反射器618也为作四分之一波堆设置在基底层616上。

这个两级FPF可用于其中不必调节第一反射表面612和第三反射表面618之间的间距的应用中，例如由于在第一FPF中这些平面612和618之间的间距产生固定的频率间隔，比如这些频率间隔对应于如在DWDM信号中可以找到的一组间隔相同的频率。第二级FPF的反射器间距是可以调整的，因此该FPF是可调谐的，可以用它来选择第一FPF的一个传输峰值。

现在参照图7A和图7B来描述另一种两级FPF，图7A示意性地示出透视图，图7B示意性地示出分解图。在两级FPF 700的这个实施例中，该FPF的两级都是可调谐的。该两级TFPF在两根光纤相对端上的反射表面与置于光纤末端之间的固定反射器之间形成。第一光纤702连接在致动器704的第一侧。第一光纤702可以用第一套管706终接，以提高稳定性和强度。第二光纤708连接到FP致动器704的另一侧。也可以给第二光纤708提供终接套管710。第一光纤的末端703设有反射表面，第二光纤的末端709也设有反射表面。反射器711置于光纤末端703和709之间。反射器711通常在基底的一侧形成，基底的另一侧设有AR涂层以减少反射。反射器711可以安装到中心元件712上，例如邻近孔径718或在孔径718中安装。

在这个具体实施例中，第二元件714包括校直机构734和横梁式元件756，其中校直机构734用来将第一光纤702与反射器711旋转对准，横梁式元件756用来改变光纤末端703和反射器711之间的间距。因此，中心元件712在其上表面720上包括一组x电极724、一组y电极726和一组(包括一个或多个)横梁式元件电极728，其中x电极724用来使光纤702在x-z平面上倾斜，y电极726用来使光纤702在y-z平面上倾斜，横梁式元件电极728用来使横梁式元件756弯曲。相应地，第二元件714的底面(未示出)设有与x电极724、y电极726和横梁式元件电极728对应的电极组。因此，对不同电极组上的相对电势的受控调整会导致对第一光纤末端703相对于反射器711的受控的旋转调整和位移。

第三元件716也设有校直机构734a和横梁式元件756a，其中校直机构734a用来将第二光纤708与反射器711旋转对准，横梁式元件756a用来改变第二光纤末端709和反射器711之间的间距。因此，中心元件712在其下表面(未示出)上包括一组x电极、一组y电极和一组横梁式元件电极，其中x电极用来使第二光纤708在x-z平面上倾斜，y电极用来使第二光纤708在y-z平面上倾斜，横梁式元件电极用来使横梁式元件756a弯曲。第三元件716的上表面设有相应的电极组724a、726a和728a，它们分别与中心元件712下侧的x电极、y电极和横梁式元件电极对应。因此，对不同电极组上相对电势的受控调整会导致对第二光纤末端709相对于反射器711的受控的旋转调整和位移。

可将套管706和710分别连接到第二元件714和第三元件716上，例如通过焊接或环氧树脂粘合进行连接，并且可将第二元件714和第三元件716连接到中心元件712的两侧以产生两级TFPF装置。在两级TFPF装置700中的每个FP滤波器都是独立于其它滤波器可调谐的，所以用TFPF可获得宽范围的各种频率。

两级TFPF可以使用多种FP标准具几何结构，其中一些示意性地示于图8A-8D中。图8A示意性地示出两根光纤802和808及其各自的套管806和810。在光纤802和808的末端上设有反射表面812和814。反射表面812和814可以使用多层介质涂层或者某一其它适合的反射材料来形成。对应于反射器711的第三反射表面816设置于两根光纤802和808之间。这样，按照第一光纤802和第二光纤808的各自横梁式元件的操作，可使反射表面812和814相对于第三反射表面816发生移动。

在图8A中示意性地示出的具体实施例中，反射表面812和814是平坦的，并且彼此平行。虽然反射表面816被图示为平坦的，但是应该明白，反射表面816可以是凹的或凸的。在图8B中示意性地示出的实施例中，反射表面812和814中的一个是弯曲的，而另一个是平坦的。在该示例性的实施例中，第二反射表面814是弯曲的，但是应该明白，第一反射表面812也可以是弯曲的。反射表面816也可以是平坦的或者是弯曲的，为凹面或凸面。

在示意性地示于图8C中的实施例中，反射表面812和814都是弯曲的，而第三反射表面816仍是平坦的。反射表面812和814的曲率半径可以相同也可以不同。应该明白，反射表面816可以是平坦的或者是弯曲的，为凹面或凸面。

在示意性地示于图8D中的实施例中，反射表面中的一个814设为凸曲面，而不是凹曲面。应该明白，反射表面812和814中的一个或两个可以是凸曲面形，或者反射表面812和814各自可以是凹曲面或者凸曲面形。另外，第三反射表面816是凹的。也应该明白，第三反射表面可以是弯曲的，以便凹向第一光纤802或第二光纤808。

多级TFPF 900的另一种方法示意性地示于图9中。第一光纤902和套管906面向第二光纤908和第二套管910。第一光纤902具有第一反射表面912，第二光纤908具有第二表面914。第三反射表面916置于第一光纤902和第二光纤908之间。为了进行法布里-珀罗调谐，第一光纤902和第二光纤908相对于第三反射表面916是可独立移动的。置于基底919上的第四反射表面918被置于距第一反射表面912固定距离的位置上。基底919的输入表面920通常涂有抗反射(AR)涂层，以减少反射。这样，一个FPF在第一反射表面912和第四反射表面918之间形成，第二个FPF在第四反射表面918和第三反射表面916之间形成，第三个FPF在第三反射表面916和第二反射表面914之间形成。在第一反射表面912和第四反射表面918之间的间距通常是固定的，然而可使用TFPF致动器来调节第四反射表面918和第三反射表面916之间以及第三反射表面916和第二反射表面914之间的间距。

形成多级TFPF 1000的另一种方法示意性地示于图10中。在这个实施例中，在单个致动器组件1002上使用多个TFPF来形成多级TFPF。第一TFPF 1004由光纤1006与第二TFPF 1008串联。在某些实施例中，第一TFPF 1004或第二TFPF 1008的一个反射器可以用抗反射涂层代替，这样，所得到的两级TFPF由三个反射表面形成。由于光纤1006具有最小的弯曲半径，所以容纳光纤1006的空腔通常至少是几(或几十)毫米长，例如20毫米或更长。如果抗反射涂层置于一个TFPF的与另一TFPF更近的一侧，那么所得到的两级TFPF由两个独立可调谐的TFPF形成，这两个TFPF被容纳光纤1006的空腔隔开。

腔体长度大于20毫米的标准具腔的FSR和带宽比本文所述的其它一些实施例的FSR和带宽窄。例如，这类TFPF的FSR可以小于4GHz，而其分辨率在MHz范围内。这样的TFPF可以用来测量激光线宽，或者用来检测激光模结构、边模抑制、波长啁啾或者调制内容。

本发明被视为涵盖了上文揭示的本发明的多种变形。例如，单级TFPF可以使用一种致动器单元来形成，该致动器单元在一个元件上包括旋转和位移变换器，如就图7A和7B中描述的实施例所讨论的。在另一个例子中，尽管一直按照使用法布里-珀罗滤波器的方法来描述TFPF，其中，在光纤末端形成的反射器通过轴向移动来调节TFPF，但是应该明白，也可以移动其它类型的反射器。例如，置于基底的反射器可以安装到位移变换器上。此外，对TFPF的调节包括取向和位移，每种调节都可以使用电极、驻极体或者电极和驻极体的组合来控制。

如上标注，本发明适用于全息曝光技术，并被认为特别适用于光学和光电子设备的光栅结构曝光。本发明不应该被认为只局限于上文所述的具体例子，相反，应该这样理解，本发明涵盖在附属权利要求书中清楚地陈述的本发明的所有方面。当本发明所涉及的领域的技术人员对本说明书进行回顾时，对他们来说，可应用本发明的各种变体、等效处理和多种结构将是显而易见的。本权利要求书旨在涵盖这些变体和装置。

Claims

1.一种可调谐光学装置，包括：

第一反射器和第二反射器，其中所述第一反射器和所述第二反射器形成具有第一光轴的第一法布里-珀罗滤波器，所述第一法布里-珀罗滤波器限定所述第一反射器和所述第二反射器之间的可调间隙；

弹性挠性元件，其中所述第一反射器和所述第二反射器中的一个被安装到所述挠性元件上，为了调节所述反射器之间的所述间隙，所述挠性元件在与所述第一光轴平行的方向上是可弯曲的。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器中的至少一个在各自相应的第一光纤和第二光纤中的至少一个的末端上形成。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述第二反射器在基底上形成。

4.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器在各自相应的所述第一光纤和所述第二光纤的末端上形成。

5.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括固定元件，所述固定元件在沿所述第一轴的方向上邻近所述挠性元件设置，为了改变所述固定元件和所述挠性元件的部分之间的间隔距离，所述挠性元件在一定方向上是可弯曲的。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器中的一个被安装到可调校直元件上，所述可调校直元件是可绕着与所述第一光轴垂直的第二轴旋转的。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述校直元件是可绕着与所述第一轴和所述第二轴垂直的第三轴旋转的。

8.如权利要求6所述的装置，所述装置还包括固定元件，所述固定元件邻近所述可调校直元件和所述挠性元件设置。

9.如权利要求8所述的装置，所述装置还包括所述可调校直元件上的一组电荷存储元件和所述固定元件上的一组对应的电荷存储元件，所述两组电荷存储元件都具有一个或多个电荷存储元件，为了在相对于所述第一光轴的所需方向上稳定所述可调校直元件，所述可调元件上的所述电荷存储元件和所述固定元件上的所述电荷存储元件被充电至各自相应的值。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述电荷存储元件是电极。

11.如权利要求9所述的装置，所述装置还包括所述挠性元件上的至少一个电荷存储元件和所述固定元件上的至少一个对应的电荷存储元件，其中，对所述挠性元件上的所述至少一个电荷存储元件和所述固定元件上的所述至少一个对应的电荷存储元件之间的电势差的调整会导致所述挠性元件弯曲。

12.如权利要求8所述的装置，其中，所述第二反射器被安装到所述校直元件上，并且，所述固定元件被置于所述挠性元件和所述校直元件之间。

13.如权利要求8所述的装置，其中，所述第一反射器被安装成能使得该第一反射器的取向由所述校直元件的取向决定。

14.如权利要求1所述的装置，其中，所述挠性元件包括横梁式元件，所述横梁式元件具有第一端、第二端以及位于所述第一端和所述第二端之间的中间部分，所述第一端和所述第二端是被约束的，而所述挠性横梁式元件的所述中间部分相对于所述第一端和所述第二端是可自由弯曲的。

15.如权利要求1所述的装置，其中，所述挠性元件在至少两个外围点上是固定的，并且所述挠性元件包括位于所述的固定的外围点之间的中间部分，所述中间部分相对于所述的固定的外围点是可自由弯曲的。

16.如权利要求1所述的装置，其中，所述挠性元件由单晶体材料形成。

17.如权利要求1所述的装置，其中，所述挠性元件在弹性状态下具有可用的挠性范围。

18.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器中被安装到所述挠性元件上的那个反射器在所述挠性元件弯曲时相对于所述第一光轴保持相同的曲率和取向。

19.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括控制单元，所述控制单元被耦合以检测依赖于所述挠性元件和固定元件之间的间隔距离的电容值，其中，所述挠性元件的弯曲导致电容值改变。

20.如权利要求19所述的装置，其中，所述控制单元被耦合以在所述挠性元件的电荷存储元件和所述固定元件的电荷存储元件之间施加电压，从而控制所述第一反射器和所述第二反射器之间的距离。

21.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器是平坦的。

22.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器中的至少一个限定所述第一法布里-珀罗滤波器中的凹表面。

23.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器中的至少一个限定所述第一法布里-珀罗滤波器中的凸表面。

24.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器都是弯曲的。

25.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器形成共焦的法布里-珀罗共振器。

26.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一法布里-珀罗滤波器是格瑞斯-图尔努瓦干涉仪。

27.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括第二法布里-珀罗滤波器，所述第二法布里-珀罗滤波器与所述第一法布里-珀罗滤波器光耦合，所述第二法布里-珀罗滤波器的自由光谱范围与所述第一法布里-珀罗滤波器的自由光谱范围不同，从而被所述第一法布里-珀罗滤波器和所述第二法布里-珀罗滤波器这两者中的一个滤过的光也会被这两者中的另一个滤过。

28.如权利要求27所述的装置，其中，所述第二法布里-珀罗滤波器具有固定的自由光谱范围。

29.如权利要求27所述的装置，其中，所述第二法布里-珀罗滤波器具有可调的自由光谱范围。

30.如权利要求27所述的装置，所述装置还包括第三法布里-珀罗滤波器，所述第三法布里-珀罗滤波器与所述第一法布里-珀罗滤波器和所述第二法布里-珀罗滤波器光耦合，从而被所述第一法布里-珀罗滤波器和所述第二法布里-珀罗滤波器滤过的光也会被所述第三法布里-珀罗滤波器滤过。

31.如权利要求30所述的装置，其中，所述第三法布里-珀罗滤波器具有固定的自由光谱范围。

32.如权利要求27所述的装置，其中，所述第二法布里-珀罗共振器在第三反射器和第四反射器之间形成，在所述第三反射器和所述第四反射器之间具有可调的间隙，所述第三反射器和所述第四反射器中的至少一个在第三光纤的末端上形成。

33.如权利要求32所述的装置，所述装置还包括光纤，所述光纤在所述第一法布里-珀罗共振器和所述第二法布里-珀罗共振器之间提供光耦合。

34.如权利要求27所述的装置，其中，所述第二法布里-珀罗共振器在所述第二反射器和第五反射器之间形成，所述第五反射器在光纤的末端上形成。

35.如权利要求34所述的装置，其中，所述第五反射器被安装成使其可被第二挠性元件致动，所述第二挠性元件在与所述第一法布里-珀罗滤波器的所述第一光轴平行的方向上是可弯曲的。

36.如权利要求34所述的装置，其中，所述第五反射器被安装成使其取向可被第二可调校直元件调节，所述第二可调校直元件是可绕着与所述第一法布里-珀罗滤波器的所述第一光轴垂直的轴旋转的。

37.如权利要求34所述的装置，所述装置还包括中间元件，所述第二反射器被安装到该中间元件上，所述第二反射器置于所述第一反射器和所述第五反射器之间。

38.如权利要求37所述的装置，其中，所述第一反射器被安装到第一可调支架上，该第一可调支架包括所述第一挠性元件和第一可调校直元件，并且所述第五反射器被安装到第二可调支架上，该第二可调支架包括第二横梁式元件和第二可调校直元件，所述中间元件置于所述第一可调支架和所述第二可调支架之间。

39.一种使用第一法布里-珀罗滤波器来进行滤光的方法，所述第一法布里-珀罗滤波器在第一反射器和第二反射器之间形成，所述方法包括以下步骤：

使输入光进入所述第一法布里-珀罗滤波器中；

使第一挠性元件致动，以使其在与所述第一法布里-珀罗滤波器的轴平行的方向上弯曲，所述第一反射器和所述第二反射器中的一个被连接到所述第一挠性元件上，以调节所述第一反射器和所述第二反射器之间的间距，从而调节所述第一法布里-珀罗滤波器的共振，使所述共振与所述输入光的所需频率重合。

40.如权利要求39所述的方法，其中，所述的使所述第一挠性元件致动的步骤包括将电势施加到在所述第一挠性元件和固定元件上的电荷存储元件上，从而调节所述第一挠性元件和所述固定元件之间的静电力。

41.如权利要求39所述的方法，所述方法还包括将电势施加到在校直元件和固定元件上的电极上，以使所述校直元件绕着与所述第一法布里-珀罗滤波器的轴垂直的轴旋转，所述第一反射器和所述第二反射器中的一个的取向由所述校直元件的取向决定。

42.如权利要求39所述的方法，所述方法还包括使被所述第一法布里-珀罗滤波器滤过的光通过第二法布里-珀罗滤波器。

43.如权利要求42所述的方法，所述第二法布里-珀罗滤波器至少包括安装到第二挠性元件上的第三反射器，并且，所述方法还包括使所述第二横梁式元件致动以使其在与所述第一法布里-珀罗滤波器的轴平行的方向上弯曲。

44.如权利要求43所述的方法，其中，所述第二法布里-珀罗滤波器在所述第三反射器与所述第一反射器和所述第二反射器中的一个之间形成。