专利名称：基于mems技术的可调谐光滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可调谐光滤波器。特别是涉及一种广泛应用于光电子领域、光谱 分光仪器和传感领域的基于MEMS技术的可调谐光滤波器。
背景技术：
随着密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统的快 速发展，人们对系统的灵活性要求逐渐提高，可调谐光滤波器具有灵活选择所需波长的功 能，给光通信系统带来了便捷，已经得到了广泛的应用。
基于MEMS技术的可调谐光滤波器是一种体积小，结构简单，性能稳定的滤波器。 传统的衍射光栅体积较大，在光纤通信系统中很少采用。随着光栅技术的不断发展，精 细度逐步提高，衍射光栅的性能得到了极大的改善；微机电(Micro Electro Mechanical System, MEMS)技术的日益成熟使得基于MEMS技术的光栅可调谐光滤波器的应用逐渐扩 大。目前，关于这种基于MEMS技术的可调谐光滤波器的公开报道有两种
中国专利CN201096983Y，公开了一种光栅型光可调谐滤波器。所提供的光可调谐 滤波器包括可转动反射镜，聚焦透镜，分光元件。该可调谐滤波器的输入端口输入多波长光 信号，经可转动反射镜反射至聚焦透镜，转换成为平行光束，平行光束继续传播，射在光栅 平面上，经光栅衍射产生色散，色散光被棱镜的反射面反射后再经过光栅二次衍射，经过原 光路返回，通过光束接收器接收输出。该结构的缺点经可转动反射镜反射后的不同角度的 入射光，通过聚焦透镜后变为平行光，此平行光入射到光栅上有位移，对光栅的面积要求较 大；可转动反射镜的转动不能达到改变光栅的入射角的目的。
美国专利US20080085119A1，公开了一种基于MEMS技术和衍射光栅的可调谐光滤 波器。该可调谐滤波器包括分光元件，光束转换透镜组，MEMS反射镜。入射的多波长光信 号被分光元件分成单独的波长信道，经光束转换透镜组后，通过转动MEMS反射镜选择反射 波长信道，达到波长选择的目的。该结构的缺点光束转换透镜组放在光栅后面，容易偏心， 光路比较敏感，结构不紧凑。发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在着的上述缺点和不足，提供 一种体积小、成本低、结构紧凑的基于MEMS技术的可调谐光滤波器。
本发明所采用的技术方案是一种基于MEMS技术的可调谐光滤波器，包括有沿光 路设置的输入准直器、反射镜、聚焦透镜、准直透镜、分光元件、反射镜和输出准直器，所述 的反射镜为可转动的反射镜，所述的分光元件是衍射光栅，通过可转动的反射镜改变衍射 光栅的入射角来实现波长选择。
所述的可转动的反射镜是可转动的MEMS反射镜，或为具有与可转动的MEMS反射 镜相同功能的反射镜。
入射光束依次通过的元件分别为输入准直器、可转动的MEMS反射镜、聚焦透镜、准直透镜、衍射光栅、反射镜、衍射光栅、准直透镜、聚焦透镜、可转动的MEMS反射镜、输出 准直器。
所述的聚焦透镜和准直透镜共焦，所述的可转动的MEMS反射镜位于聚焦透镜的 前焦点处，所述的衍射光栅位于准直透镜的后焦点处。
所述的所述的准直透镜与衍射光栅之间还包括扩束元件。
所述的扩束元件为棱镜组，或为透镜组，或为具有棱镜组或透镜组功能的扩束元 件。
所述的输入准直器之前加设一三端口环形器，所述的输出准直器之后加设一反射^Mi ο
本发明的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，具有以下突出优点和积极效果
1、有效地利用MEMS反射镜的角度调节特性来改变衍射光栅的入射角，从而实现 波长可调谐功能；
2、不同角度的入射光入射到光栅上的同一位置，入射光相对于衍射光栅没有位 移，从而保证了衍射光栅的小尺寸；
3、设计合理，易于实现并集成，适于批量生产；
4、元件数目少且简单，节约成本；
5、结构紧凑，体积小。
图1是理论计算的入射光束两次通过衍射光栅后的谱线图2(a)是入射角为50. 6°的光束通过衍射光栅后的光路图2(b)是不同入射角的光束通过衍射光栅后的光路图3(a)是不同角度的入射光束通过聚焦透镜和准直透镜后的光路图3 (b)是平行光通过聚焦透镜和准直透镜后的光路图4(a)是本发明的光路结构示意图4 (b)是本发明的MEMS反射镜转动后的光路结构图5是本发明的第二实施例的光路结构图6是本发明的第三实施例的光路结构图。
其中
1输入准直器8 扩束元件
2可转动的MEMS反射镜9三端口环形器
3聚焦透镜10反射镜
4准直透镜11环形器的第一端口
5衍射光栅12环形器的第二端口
6反射镜13环形器的第三端口
7输出准直器具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于MEMS技术的可调谐光滤波器做出详细说明。
如图1所示，为理论计算的入射光束两次通过衍射光栅后的谱线图，中心波长处 的光强度最大。
图2(a)是入射角为50. 6°的光束通过衍射光栅后的光路图。不同角度的衍射光 经过反射镜6反射后，光所走路径不同，只有垂直于反射镜6入射的衍射光才能原路返回。 图2(b)是不同入射角的光束通过衍射光栅后的光路图。不同角度的入射光经过衍射光栅 后，总会有垂直于反射镜6入射的衍射光能够各自原路返回。
图3(a)为不同角度的入射光束通过聚焦透镜和准直透镜后的光路图。聚焦透镜 3和准直透镜4组成一个光束转换系统，不同角度的入射光束通过此光束转换系统后，满足 关系fltaneiZfStane^通过对fl和f2设计，便能实现Q1* θ 2的关系转换。同时，通 过此转换系统后，不同角度的入射光汇聚于一点，衍射光栅5放于此点处，保证了不同角度 的入射光无位移地入射到衍射光栅上，从而实现了衍射光栅的小尺寸。Π为聚焦透镜3的 焦距，f2为准直透镜4的焦距，θ工为经MEMS反射镜2反射后的光束与水平方向夹角，θ 2 为衍射光栅5的入射光束与水平方向的夹角。
图3(b)为平行光通过聚焦透镜和准直透镜后的光路图。聚焦透镜3和准直透镜 4组成一个光束转换系统，平行光通过此光束转换系统后，满足关系wl/Π = w2/f2, wl为 入射平行光的光斑直径，w2为出射平行光的光斑直径。若使f2 > fl，则有w2 > wl，即入 射到衍射光栅5上的光斑增大，有利于窄带滤波。
如图4(a)所示，本发明的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，包括有沿光路设置 的输入准直器1、反射镜2、聚焦透镜3、准直透镜4、分光元件、反射镜6和输出准直器7，其 特征在于，所述的反射镜2为可转动的反射镜，所述的分光元件是衍射光栅5，通过可转动 的反射镜2改变衍射光栅5的入射角来实现波长选择。其中，所述的可转动的反射镜2是 可转动的MEMS反射镜，或为其它能够实现同样功能的反射镜。
本发明的入射光束依次通过的元件分别为输入准直器1、可转动的MEMS反射镜 2、聚焦透镜3、准直透镜4、衍射光栅5、反射镜6、衍射光栅5、准直透镜4、聚焦透镜3、可转 动的MEMS反射镜2、输出准直器7。即，从输入准直器1输出的多波长平行光束，入射到可 转动的MEMS反射镜2上，经可转动的MEMS反射镜2反射后，射向聚焦透镜3，会聚于聚焦透 镜3的焦点处，光线经过焦点后继续转播至准直透镜4，经准直透镜4准直后的平行光射向 与水平方向成(90-50. 6) °的衍射光栅5，经衍射光栅5分光成衍射角各不相同的单波长光 信号，这些不同角度的单波长光信号继续传播至反射镜6，只有垂直于反射镜6入射的光信 号才能原路返回到输出准直器7，改变可转动的MEMS反射镜2的转角就会得到不同波长的 光信号。
如图4 (b)所示，本发明的MEMS反射镜转动后，所述的聚焦透镜3和准直透镜4共 焦，所述的可转动的MEMS反射镜2位于聚焦透镜3的前焦点处，所述的衍射光栅5位于准 直透镜4的后焦点处，聚焦透镜3与准直透镜4组成一个光束转换系统，不同角度的入射光 通过此光束转换系统后，入射到光栅上的同一位置，入射光相对于衍射光栅5没有位移。
从输入准直器1输出的多波长平行光束，入射到可转动的MEMS反射镜2上，可 转动的MEMS反射镜2的角度转动后，反射光与水平方向呈不同夹角，这些不同角度的反 射光射向聚焦透镜3后被准直，继续传播至准直透镜4后，无位移地聚焦至与水平方向成(90-50. 6) °的衍射光栅5处，不同入射角的光线经过衍射光栅5分光后，垂直于反射镜6 入射的衍射光波长各不相同，经反射镜6反射后，就会得到不同波长的光信号。
本发明还可以在图4 (a)的基础上，在所述的准直透镜4与衍射光栅5之间还包括 扩束元件8，所述的扩束元件8或为棱镜组，或为透镜组，或为其它能够实现同样功能的扩 束元件。如图5所示，包括有输入准直器1、可转动的MEMS反射镜2、聚焦透镜3、准直透镜 4、扩束元件8、衍射光栅5、反射镜6和输出准直器7。从输入准直器1输出的多波长平行光 束，入射到可转动的MEMS反射镜2上，经可转动的MEMS反射镜2反射后，射向聚焦透镜3， 会聚于聚焦透镜3的焦点处，光线经过焦点后继续转播至准直透镜4，经准直透镜4准直后 的平行光射向扩束元件8，扩束后的光线射向与水平方向成(90-50.6)°的衍射光栅5，经 衍射光栅5分光成衍射角各不相同的单波长光信号，这些不同角度的单波长光信号继续传 播至反射镜6，只有垂直于反射镜6入射的光信号才能原路返回到输出准直器7，改变可转 动的MEMS反射镜2的转角就会得到不同波长的光信号。
本实施例中，加入扩束元件8是为了增大衍射光栅5上的入射光斑，有利于提高基 于MEMS技术的可调谐光滤波器的性能。
本发明还可以在图4(a)的基础上，在所述的输入准直器1之前加设一三端口环形 器9，所述的输出准直器7之后加设一反射镜10，使光信号多次经过光路，滤波器滤出的光 谱更窄。如图6所示，包括有输入准直器1、可转动的MEMS反射镜2、聚焦透镜3、准直透镜 4、衍射光栅5、反射镜6、输出准直器7、三端口环形器9和反射镜10。多波长光信号从三端 口环形器9的第一端口 11输入至三端口环形器9的第二端口 12，从三端口环形器9的第 二端口 12输入至输入准直器1，经输入准直器1输出的多波长平行光束，入射到可转动的 MEMS反射镜2上，经可转动的MEMS反射镜2反射后，射向聚焦透镜3，会聚于聚焦透镜3的 焦点处，光线经过焦点后继续转播至准直透镜4，经准直透镜4准直后的平行光射向水平方 向成(90-50.6)°的衍射光栅5，经衍射光栅5分光成衍射角各不相同的单波长光信号，这 些不同角度的单波长光信号继续传播至反射镜6，只有垂直于反射镜6入射的光信号才能 原路返回到输出准直器7，经输出准直器7输出的平行单波长光信号，再经反射镜10垂直 原路返回，再次往返两次经过光路后，从三端口环形器9的第三端口 13输出，改变可转动的 MEMS反射镜2的转角就会得到不同波长的光信号。
本实施例中，加入反射镜10是为了使入射光第二次往返经过衍射光栅5，使得滤 波器滤出的光谱带宽更窄。
本实施例中，多波长光信号从三端口环形器9的第一端口 11输入，从第二端口 12 输出的光信号经输入准直器1准直后进入光路，往返2次经过光路后，从输出准直器7输 出，然后经过反射镜10返回光路，再次往返2次经过光路后，从三端口环形器9的第三端口 13输出。
权利要求
1.一种基于MEMS技术的可调谐光滤波器，包括有沿光路设置的输入准直器(1)、反射 镜O)、聚焦透镜(3)、准直透镜G)、分光元件、反射镜(6)和输出准直器(7)，其特征在于， 所述的反射镜( 为可转动的反射镜，所述的分光元件是衍射光栅(5)，通过可转动的反射 镜( 改变衍射光栅(5)的入射角来实现波长选择。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，所述的可转 动的反射镜(2)是可转动的MEMS反射镜，或为具有与可转动的MEMS反射镜相同功能的反 射镜。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，入射光束依 次通过的元件分别为输入准直器(1)、可转动的MEMS反射镜O)、聚焦透镜(3)、准直透镜 (4)、衍射光栅(5)、反射镜(6)、衍射光栅(5)、准直透镜(4)、聚焦透镜(3)、可转动的MEMS 反射镜⑵、输出准直器(7)。
4.根据权利要求2所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，所述的聚焦 透镜C3)和准直透镜(4)共焦，所述的可转动的MEMS反射镜( 位于聚焦透镜C3)的前焦 点处，所述的衍射光栅( 位于准直透镜的后焦点处。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，所述的所述 的准直透镜(4)与衍射光栅( 之间还包括扩束元件(8)。
6.根据权利要求5所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，所述的扩束 元件( 为棱镜组，或为透镜组，或为具有棱镜组或透镜组功能的扩束元件。
7.根据权利要求1所述的基于MEMS技术的可调谐光滤波器，其特征在于，所述的输入 准直器(1)之前加设一三端口环形器(9)，所述的输出准直器(7)之后加设一反射镜(10)。
全文摘要
一种基于MEMS技术的可调谐光滤波器，包括有沿光路设置的输入准直器、反射镜、聚焦透镜、准直透镜、分光元件、反射镜和输出准直器，所述的反射镜为可转动的反射镜，所述的分光元件是衍射光栅，通过可转动的反射镜改变衍射光栅的入射角来实现波长选择。所述的可转动的反射镜是可转动的MEMS反射镜，或为具有与可转动的MEMS反射镜相同功能的反射镜。本发明有效地利用MEMS反射镜的角度调节特性来改变衍射光栅的入射角，从而实现波长可调谐功能，保证衍射光栅的小尺寸，易于实现并集成，适于批量生产，元件数目少且简单，节约成本，结构紧凑，体积小。
文档编号G02B26/08GK102033312SQ201010535888
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者周婷婷, 孙莉萍, 张传斌, 杨睿, 汤风帆, 胡强高, 谢卉 申请人:武汉光迅科技股份有限公司