专利名称：：可调光滤波器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及光学及光通信领域，尤其涉及一种光栅可调光滤波器。
背景技术：
：随着现代通信业务的不断发展，对光纤通信的带宽要求越来越高。目前增加光纤通信带宽的首选方案是波分复用系统(WDMffavelengthDivisionMultiplexing),随着波分复用系统内光信道间隔的不断减小，信道数的不断增加，WDM逐渐向DWDM发展，其光信道间隔已由IOOGHz向50GHz系统迈进，正向25GHz系统发展。光滤波器是一种带通滤波器，在WDM中，光滤波器可用于不同信道的筛选。传统光滤波器属于不可调光滤波器，其滤波性能是针对某一个或几个特定的信道。在WDM系统发展初期由于信道数较少，这种不可调光滤波器被普遍运用。随着WDM向DWDM系统发展，通信信道大量增加，不可调光滤波器在DWDM系统中的运用局限性越来越突出，这就迫使不可调光滤波器向可调光滤波器发展。光滤波器实现滤波的核心技术方案主要有F-P谐振腔技术、环形谐振腔技术、光栅衍射效应技术、马赫-曾德干涉技术和介质薄膜技术，不同的技术方案各有优缺点。总的来说，随着DWDM信道的不断增加，传统的固定滤波器的应用局限性越来越突出。光滤波器已经开始向可调光滤波器发展，但对于不同核心技术方案的滤波器在实现可调性能上，有各自的优势也存在各自的困难，或是技术，或是成本，或是可靠性等。一种理想的可调光滤波器一般应具备如下优点插损小、调节范围宽、带宽窄、隔离度高、调谐速率快、稳定性高、偏振相关性小、成本低和结构紧凑等。美国专利《光谱可调滤波器》(SpectrallyAdjustableFilter,NO.US7,864,423,B2)虽提到可以使用4f系统，但该专利使用窄带反射镜将所选择的光反射之后沿原光路返回，这就需要在输入/输出端使用环行器，降低了光的利用率的同时提高了成本。该专利公开的光谱可调滤波器，如图1所示，包括光纤准直器101、扩束系统102、光栅元件103、4f系统104，105和微电机系统106(MEMS,Micro-electromechanicalSystems),该结构通过调节MEMS系统使得入射光线和出射光线的夹角发生变化，可达到滤波的效果，但滤出的波形边缘陡直度和顶端平坦度都不够好。美国专利《使用衍射光学元件和镜子的紧凑型高分辨率的可调谐光滤波器〉〉(CompactHigh-ResolutionTunableOpticalFilterUsingOpticalDiffractionElementAndaMirror,NO.US2008/0085119Al)虽提及使用单个光栅的方法，但没有具体实施方案，并认为这样的系统光学性能较低，如降低相邻信道隔离度等。
发明内容为克服上述问题，本发明提出一种可调光滤波器，利用光栅衍射效应结合微电机系统(MEMS)技术和标准具技术，所滤得的光信号具有很好的边缘陡直度和顶端平坦度，而且该滤波器具有结构紧凑、成本低、操作简便等优点。为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为可调光滤波器，包括光纤准直器、扩束系统、衍射兀件、4f系统和带反射镜的微电机系统，光由光纤准直器输入经扩束系统扩束后，经过衍射元件后，不同波长的光被色散，以不同的衍射角入射到4f系统，之后被微电机系统的反射镜反射回光路中，再次经过4f系统、衍射元件、扩束系统，最后由光纤准直器输出。所述滤波器还包括一标准具；所述标准具为透射式标准具，位于衍射元件之前或之后的光路中；所述光纤准直器为两个单光纤准直器，或者一个双光纤准直器。或者，不利用标准具，而利用狭缝光阑，其技术方案为可调光滤波器，包括光纤准直器、扩束系统、衍射兀件、4f系统和带反射镜的微电机系统,光由光纤准直器输入经扩束系统扩束后，经过衍射元件后，不同波长的光被色散，以不同的衍射角入射到4f系统，之后被微电机系统的反射镜反射回光路中，再次经过4f系统、衍射元件、扩束系统，最后有光纤准直器输出，所述滤波器还包括一狭缝光阑，位于4f系统的频谱面上，仅设置于光被微电机系统反射之前的光路；所述光纤准直器为两个单光纤准直器，或者一个双光纤准直器。进一步的，所述透射式标准具可由一反射式标准具替代，位于微电机系统后面，4f系统的虚焦面处，光经微电机系统反射后进入反射式标准具，经该反射式标准具反射之后，再由微电机系统反射回光路中。或者，所述透射式标准具由一反射式标准具替代，设置于微电机系统的反射面上。优选的，所述标准具为可调单腔标准具，或者可调多腔标准具。进一步的，所述标准具还可以由一镀膜的梳状滤波器替代，位于衍射元件之前或之后的光路中。进一步的，所述含有标准具的滤波器还可以增加一狭缝光阑，位于4f系统的频谱面上，仅设置于光被微电机系统反射之前的光路上。优选的，所述衍射元件为透射式衍射光栅或者反射式衍射光栅；所述扩束系统为开普勒扩束系统或者伽利略扩束系统。进一步的，所述狭缝光阑的狭缝阵列不等间距设置，波长短的位置狭缝密度高，波长长的位置狭缝排列密度低；该狭缝光阑的狭缝呈锯齿状或者梳状。直边的狭缝容易产生直边衍射，狭缝边缘的光强将高于其他地方，导致“兔耳现象”的出现，顶端平坦度较差，所以本发明将狭缝设置成锯齿状，可有效减小直边衍射效应，以得到较好的边缘陡直度和顶端平坦度。本发明的有益效果本发明的可调光滤波器主要利用衍射光栅的色散作用配合微电机系统(MEMS)技术的调节作用实现光滤波器的可调滤波性能，再利用标准具再次滤波便可很好地解决光通信中的平顶(FlatTopSteepEdge)问题，所得到的滤波信号具有很好的边缘陡直度和顶端平坦度；而且该滤波器具有插损小、结构紧凑、成本低、操作简便等优图1为现有技术的实施案例结构示意图；图2为本发明实施例一的结构示意图；图3为本发明实施例一的X-Z面光路不意图；图4为本发明实施例一的Y-Z面光路不意图；图5为本发明实施例二的结构示意图；图6为本发明实施例二的X-Z面光路示意图；图7为本发明实施例二的Y-Z面光路示意图；图8为本发明实施例三的结构示意图；图9为本发明实施例二的X-Z面光路不意图；图10为本发明实施例三的Y-Z面光路示意图；图11为本发明实施例四的结构示意图；图12为本发明实施例四的X-Z面光路示意图；图13为本发明实施例四的Y-Z面光路示意图；图14为本发明实施例五的结构示意图；图15为本发明实施例五的X-Z面光路不意图；图16为本发明实施例五的Y-Z面光路不意图；图17为本发明实施例六的结构示意图；图18为本发明实施例四至六中所提及的狭缝光阑结构示意图；图19为本发明实施例的插入损耗与波长关系曲线。标号说明101—光纤准直器；102—扩束系统；103—光栅兀件；104，105—4f系统；106—微电机系统；201—光纤准直器；202，203—扩束系统；204—标准具；205—衍射光栅；206，207—4f系统；208—微电机系统；301—光纤准直器；302，303—扩束系统；304—标准具；305_-衍射光栅；306，307—4f系统；308—微电机系统；401—光纤准直器;402，403—扩束系统；404—标准具;405—衍射光栅;406，407—4f系统;408—微电机系统；501—光纤准直器；502，503—扩束系统；504—狭缝光阑；505—衍射光栅；506，507—4f系统；508—微电机系统；601—光纤准直器；602，603—扩束系统；604—标准具；605—衍射光栅；606，607—4f系统；608—微电机系统；609—狭缝光阑；701—光纤准直器；702，703—扩束系统；704—标准具；705—衍射光栅；706，707—4f系统；708—微电机系统；709—狭缝光阑。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。本发明的一种可调光滤波器，主要利用衍射光栅的色散作用，结合微电机系统(MEMS)技术的调节作用和标准具技术，以提高信号光边缘陡直度和顶端平坦度，其具体实施方式如下所述。实施例一，如图2-4所示，其中，图3和4分别为该滤波器X-Z平面与Y-Z平面的光路示意图，该滤波器包括光纤准直器201、两透镜组组成的扩束系统202，203、标准具204、衍射光栅205、4f系统206，207、微电机系统208，如图中所示，微电机系统208位于4f系统206，207的焦平面处，其中光纤准直器201可采用两个单光纤准直器或者是一个双光纤准直器，考虑成本和结构问题，本发明优选双光纤准直器以实现光的输入输出，准直器上的一根光纤(IN)作为信号光的输入端口，另一根光纤(OUT)作为信号光的输出端口；所用标准具204为透射式标准具，可采用可调单腔标准具，也可以采用可调多腔标准具。入射光经光纤准直器201之后被扩束系统202，203扩束，增大了光斑尺寸，经过标准具204滤波，形成具有陡峭边缘和顶端平坦的波形，再入射到衍射光栅205上，光斑尺寸变大，有利于提高衍射光栅205的分辨率，经衍射光栅205衍射之后，不同波长的信号光将产生不同的衍射角，之后再经过由柱面镜206和球面镜207组成的4f系统206，207，相同波长的光被会聚，不同波长的光被准直，之后再会聚到微电机系统208的反射镜上，通过调节反射镜，将信号光反射回4f系统206，207并与原光路平行返回，当信号光再次经过标准具204，达到对最初信号光的截止滤波，“陡直”与“平顶”效果将十分明显。其中，只有与微电机系统208的反射镜具有特定角度关系的信号光才会被很好的耦合到光纤准直器201的输出端口，偏离这一特定角度较大的信号光将无法被耦合输出。实施例二，透射式单腔标准具所滤出的波形“平顶”效果不明显，而反射式单腔标准具原则上可以得到更好的“陆直”和“平顶”效果，因此考虑利用标准具的反射特性，使用单个反射式单腔标准具替换实施例一中的透射式标准具，将其放置于微电机系统之后。如图5，将微电机系统308与4f系统306，307的距离缩小，并利用微电机系统308的反射镜将信号光反射至4f系统306，307的虚焦面，标准具304便设置于该虚焦面上，利用其反射特性将光反射，经由微电机系统308的反射镜再次反射回4f系统306，307，经衍射光栅305和扩束系统302，303之后被耦合到光纤准直器301的输出端口输出。如图6和7所示，图6为该实施例在X-Z平面的光路示意图，标准具304在视图上被微电机系统308所覆盖，图7为该实施例在Y-Z平面的光路示意图。实施例三，利用反射式单腔标准具时，也可以将标准具直接嵌入于微电机系统的反射镜之上，如图8-10所示，其中图9和图10为该实施例在X-Z和Y-Z平面的光路示意图，标准具404直接设置于微电机系统408之上，设于4f系统406，407的焦平面处，利用标准具404的反射特性将信号光反射回4f系统，再经衍射光栅405和扩束系统402，203之后被耦合到光纤准直器401的输出端口输出。该实施例的滤波器结构更加紧凑，滤波效果也更佳。实施例四，本发明的可调光滤波器还可采用狭缝光阑对4f系统频谱面的信号光进行滤波，其具体结构如图11所示，图12和13分别为其X-Z和Y-Z平面的光路示意图，该结构包括光纤准直器501、扩束系统502，503、衍射光栅505、4f系统506，507、微电机系统508和位于4f系统506，507频谱面上的狭缝光阑504。其中，光纤准直器501可采用两个单光纤准直器，也可采用单个双光纤准直器，包括输入端口和输出端口；狭缝光阑504只设于4f系统506，507频谱面的一侧上，即信号光第一次经过衍射光栅505后到被微电机系统508的反射镜反射之前的光路上。信号光从光纤准直器501输入端口进入之后经由两透镜组组成的扩束系统502，503之后被扩束，光斑变大，再经衍射光栅505的衍射，不同波长的信号光被色散，各自以不同的衍射角入射到4f系统506，507，安装于4f系统506，507频谱面上的狭缝光阑504对特定波长范围的信号光进行滤波，经4f系统506，507之后的信号光被微电机系统508的反射镜反射回4f系统506，507光路中，并再次经过衍射光栅505、扩束系统502，503之后由光纤准直器501的输出端口输出。其中只有与微电机系统508的反射镜具有特定角度关系的信号光才会被很好的耦合到光纤准直器501的输出端口，偏离这一特定角度较大的信号光将无法被耦合输出。由于直边的狭缝容易产生直边衍射，狭缝边缘的光强高于其他地方，导致“兔耳现象”的出现，顶端平坦度较差，所以本发明将狭缝设置成锯齿状，如图18所示，可有效减小直边衍射效应。另外，狭缝的宽度也会影响选择的结果，因此需要可调光滤波器的其他器件尽量将会聚到狭缝光阑504的光斑尺寸减小到小于狭缝宽度，而且根据不同波长，狭缝阵列设置成不等间距，波长短的地方狭缝密，波长长的地方狭缝疏，从而尽可能地减弱“兔耳现象”，得到较好的边缘陡直度和顶端平坦度。结合上述实施例，还可以同时利用狭缝光阑的滤波作用和标准具的特性，实现更好的滤波效果，得到更理想的边缘陡直度和顶端平坦度，如图14-16所示的实施例五，其在实施例一的基础上，根据实施例四的方法在4f系统606，607的频谱面添加一狭缝光阑609，信号光从光纤准直器601输入,经扩束系统602，603扩束后进入标准具604,再经衍射光栅605的色散作用之后，以不同的衍射角入射到4f系统606，607，经设置于4f系统606，607频谱面上狭缝光阑609再次滤波，最后入射到微电机系统608的反射镜上，被反射回光路中。同样的，图17所示的实施例六，是在实施例二的基础上，根据实施例四的方法在4f系统706，707的频谱面上添加一狭缝光阑709，信号光经狭缝光阑709滤波之后入射到微电机系统708的反射镜上，被反射到标准具704上，该标准具为反射式单腔标准具，信号光再次被标准具704反射到微电机系统708，之后被微电机系统708的反射镜反射回4f系统706，707，再次经过衍射光栅705和扩束系统702，703之后，由光纤准直器701的输出端口输出。在上述各实施例中的标准具，也可以由一镀膜的梳妆滤波器代替；各实施例中的衍射光栅采用的是透射式光栅，还可以采用反射式光栅；使用的扩束系统是按激光(高斯)光束设计，更具实用价值，可以采用开普勒扩束系统，也可以是伽利略扩束系统，系统中可采用普通透镜，也可采用双胶合透镜。4f系统可采用柱面镜与双胶合透镜的组合，其光轴面与柱面镜的母线垂直。微电机系统对反射镜的调节可采用电压信号调节，也可采用温度信号或者电磁信号调节。图19为进行理论模拟所得出的使用标准具与未使用标准具时的插入损耗与波长的关系曲线。若只依靠微电机系统和光纤准直器的调节作用，得到插入损耗(IL，InsertLoss)与中心波长偏离量(CU)的关系如图19中的虚线所示，计算结果与理论分析一致。如实施例五，使用了标准具之后，则得出的计算结果如图19中的实线所示。可以看出，在使用标准具的情况下，在IL为20dB的插入损耗值时，cU缩小到±0.2nm范围内。尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出的各种变化，均为本发明的保护范围。权利要求1.可调光滤波器，包括光纤准直器、扩束系统、衍射元件、4f系统和带反射镜的微电机系统，光由光纤准直器输入经扩束系统扩束后，经过衍射兀件后，不同波长的光被色散，以不同的衍射角入射到4f系统，之后被微电机系统的反射镜反射回光路中，再次经过4f系统、衍射元件、扩束系统，最后由光纤准直器输出，其特征在于所述滤波器还包括一标准具；所述标准具为透射式标准具，位于衍射元件之前或之后的光路中；所述光纤准直器为两个单光纤准直器，或者一个双光纤准直器。2.如权利要求1所述的可调光滤波器，其特征在于所述透射式标准具由一反射式标准具替代，位于微电机系统后面，4f系统的虚焦面处，光经微电机系统反射后进入反射式标准具，经该反射式标准具反射之后，再由微电机系统反射回光路中。3.如权利要求1所述的可调光滤波器，其特征在于所述透射式标准具由一反射式标准具替代，设置于微电机系统的反射面上。4.如权利要求1所述的可调光滤波器，其特征在于所述标准具为可调单腔标准具，或者可调多腔标准具。5.如权利要求1所述的可调光滤波器，其特征在于所述标准具由一镀膜的梳状滤波器替代，位于衍射元件之前或之后的光路中。6.如权利要求1-5任一权利要求所述的可调光滤波器，其特征在于所述滤波器还包括一狭缝光阑，位于4f系统的频谱面上,仅设置于光被微电机系统反射之前的光路上。7.可调光滤波器，包括光纤准直器、扩束系统、衍射元件、4f系统和带反射镜的微电机系统，光由光纤准直器输入经扩束系统扩束后，经过衍射兀件后，不同波长的光被色散，以不同的衍射角入射到4f系统，之后被微电机系统的反射镜反射回光路中，再次经过4f系统、衍射元件、扩束系统，最后有光纤准直器输出，其特征在于所述滤波器还包括一狭缝光阑，位于4f系统的频谱面上，仅设置于光被微电机系统反射之前的光路；所述光纤准直器为两个单光纤准直器，或者一个双光纤准直器。8.如权利要求1或7所述的可调光滤波器，其特征在于所述衍射元件为透射式衍射光栅或者反射式衍射光栅；所述扩束系统为开普勒扩束系统或者伽利略扩束系统。9.如权利要求6所述的可调光滤波器，其特征在于所述狭缝光阑的狭缝阵列不等间距设置，波长短的位置狭缝密度高，波长长的位置狭缝排列密度低。10.如权利要求6所述的可调光滤波器，其特征在于所述狭缝光阑的狭缝呈锯齿状或者梳状。全文摘要本发明公开了一种可调光滤波器，包括光纤准直器、扩束系统、衍射光栅、4f系统和带反射镜的微电机系统(MEMS)，还包括一标准具或者狭缝光阑；利用衍射光栅的色散作用配合MEMS技术的调节作用实现光滤波器的可调滤波性能，利用标准具和狭缝光阑解决光通信中的平顶问题。该可调光滤波器所滤出的信号具有很好的边缘陡直度和顶端平坦度，该滤波器具有插损小、结构紧凑、成本低和操作简便等优点。文档编号G02B6/293GK103018837SQ20111029506公开日2013年4月3日申请日期2011年9月28日优先权日2011年9月28日发明者林磊,张建英,张新汉申请人:福州高意光学有限公司