专利名称：两端口可调谐tff光滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可调谐TFF光滤波器。特别是涉及一种可被广泛应用于密集波分 复用系统中，或用于光波长计中做为波长扫描器件，或应用在光传感领域中的两端口可调 谐TFF光滤波器。
背景技术：
可调谐光滤波器是光通信网络中非常关键的一个器件，随着密集波分复用(DWDM) 信道数的增加，可调谐滤波器也就成为一个热点。目前用于实现可调谐光滤波器的技术较 多，主要有多腔TFF型、FP腔型、声光可调型和微环谐振腔型。其中，声光可调型利用声表 面波(SAW)与光波相互作用下产生的反常布拉格衍射，可以与偏振控制器一起实现滤波， 当改变SAW频率时，滤出波长随之改变，其调谐速度快，但是制造成本高，相邻通道隔离度 低，工程中应用比较少。微环谐振腔型通常采取电光调制来改变半导体折射率来实现波长 滤波，但目前输出光插损较大，调谐范围有限，技术并不成熟。FP腔型一般利用压电或微 机电等机理对腔长进行精密调节，其相应速度快，也可实现较宽的调节范围，但在通信系统 中，由于光源波长不可能绝对稳定，因此一般要求滤波器具有一定的通带平坦度，而这点对 于FP腔型光滤波器则是非常困难的。与上述技术相比，基于多腔TFF技术来实现可调谐滤 波器具有输出光谱矩形度好，相邻通道隔离度高，调谐范围大和环境稳定性大的优点，已经 得到了广泛的应用。由干涉原理可知，相位差满足如下关系式
Annd cos θ^ =——-——(公式1)
Λ式中，λ ^为起始波长；η为腔内介质折射率；d为有效腔长；θ为入射角，由公式1 可知，影响相位变化的因素有入射角、腔长和腔内介质折射率。目前改变腔内介质折射率的 方案主要为在液晶材料中注入电流，从而改变液晶分子的折射率，TFF技术并不适用于这种方案。因此，目前可调谐多腔干涉薄膜滤光片技术一般采用改变入射角或改变腔长两种 方式，由于滤波片峰值波长需满足2 π Ndcos θ / λ = m ji(公式 2)其中N为薄膜材料的有效折射率，θ为光束从空气入射到薄膜材料的折射角，m为 干涉级次，d为膜层的物理厚度。令空气的折射率为1，光束垂直入射到薄膜滤光片时Δ λ = 2Ν Δ d(公式 3)令空气的折射率为1，则由折射定律可得Δ λ = λ c- λ = cos θ ^ 1-0. 5 ( θ /N)2(公式 4)日本SANTEC公司采取改变腔长的方式改变透射光波长，如图1所示，其在滤光片 不同位置镀制不同厚度的多腔薄膜，利用水平推拉方式来实现可调谐光滤波；美国AFOP公司采用改变入射角的方式改变透射光波长，如图2所示，其提出使用等厚度多腔薄膜滤光 片，利用旋转角度方式来实现可调谐光滤波。前者的主要缺点是要求不能够有垂直方向上 的角度偏差，同时对非均勻薄膜滤光片的制备要求非常高；后者的主要缺点是光路设计中 没有考虑光学薄膜和基板产生的光位移对输出准直器的影响，从而要求对机械件的加工精 度的要求非常高。无论采用哪种方式，输出光的中心波长稳定性是其最关键的指标之一，采 取开环机械运动的方式都很难达到要求的精度。除上述两项国外专利外，国内的山东招金光电子科技有限公司在2008年获得了 授权的一项可调谐滤波器专利(公开号CN1632633A)，如图3，它也是基于转动滤光片来实 现可调谐滤波。主要特点是利用平面反射镜将透射信号原路返回滤光片，避免了光学薄膜 和基板所产生的光位移对输出准直器的影响。但由于使用了大量的透镜，半波片和法拉第 旋转器等分离元件，使得光路的实现非常复杂，并且增加了模块损耗，在这个设计中，它同 样也采取全开环机械控制的方式。光迅公司近年申请过一个基于薄膜干涉滤波技术的三端口可调滤波器的专利 (专利申请号200610019486，如图4，该方案主要特点在于通过步进电机改变一对膜系优 化后平行放置的均勻薄膜滤光片来实现可调谐光滤波器，其结构简单，使用灵活，并且通过 双级滤波大大改善了信道的隔离度。但是该方案还存在一个问题，虽然设计并优化膜系后 的滤光片在较大角度入射时两个偏振光的中心波长对得较准，从而使得偏振相关损耗较 低。但是这一方案由于采用两个滤光片，极大的增加了成本，并且随着调谐角度的加大，由 于两个偏振光带宽的变化，透射光会不可避免的出现偏振光分离现象，这种偏振光分离到 一定程度会影响器件的滤波性能，限制了调谐范围的进一步扩大。此外，光迅公司在所提出专利的基础上，于2006申请并获得授权的一项可调谐滤 波器专利(专利号20061012M95)，其光路设计如图5，主要特点是在上述专利基础上增加 了对反射光的输出，构成了一种三端口的可调谐光滤波器，它使用准直器和环形器对透射 光和反射光信号进行下路，消除偏振相关损耗以及偏振光分离现象，调谐范围能更大，性能 更好。同时采用反射镜代替滤光片，可节约一定的成本，另外由于监测Tap/光电探测器及 反馈控制电路的引入，对机械部件加工精度的要求降低。然而，由于透射光束会由于滤光片的倾斜角不同而存在一定的上下位置漂移，因 此接收准直器必须跟着上下移动(如图6)，这样就给透射光信号的接收增添很大的难度， 对相应的机械件的加工精度要求也就非常高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用合理的光路结构降低偏振相关损耗 并降低器件成本，结构简单、性价比高、使用灵活的两端口可调谐TFF光滤波器。本发明所采用的技术方案是一种两端口可调谐TFF光滤波器，包括有可调谐光滤波器单元，将输入的信号光部分反馈给波长探测单元；波长探测单元，与可调谐光滤波器单元相连，检测出所接收到的信号光功率变化 情况，并输出给控制单元；控制单元，与波长探测单元相连，通过波长探测单元的输出光功率的变化情况，判 断输出光中心波长漂移情况，然后修正与该控制单元相连的调谐控制器。
所述的可调谐光滤波器单元包括有准直器，对普通光进行准直；薄膜滤光片，位 于准直器的输出光路上，对通过准直器准直的普通光信号产生第一次透射光；全反射直角 棱镜，位于薄膜滤光片的输出光路上，将薄膜滤光片输出的透射光反射后输入到薄膜滤光 片上，薄膜滤光片产生第二次透射光，所述的第二次透射光经准直器输出以及进入波长探 测单元。所述的准直器是由2个单芯准直器，或1个双芯准直器，或一个单芯准直器加1个 三端口环形器构成。所述的薄膜滤光片是由等厚度多腔薄膜滤光片构成，所述的薄膜滤光片固定在步 进电机的转动轴上，所述的步进电机与控制单元相连，在控制单元的控制下驱动薄膜滤光 片旋转。所述的可调谐光滤波器单元还包括有输入光分束器，位于准直器的输出光路上， 将通过准直器准直的普通光信号通过光分束器分解为P光和S光后输出；输入光半波片，位 于输入光分束器的输出光路上，将其中一路S光旋转为P光后输出给薄膜滤光片，所述的薄 膜滤光片对输入光半波片输出的P光及输入光分束器输出的P光产生第一次透射，输出两 束平行P光；输出光半波片，位于薄膜滤光片的反射光路上，将其中一路P光恢复为S光后 输出；输出光分束器，位于输出光半波片的S光输出光路及薄膜滤光片另一路P光的反射光 路上，将两路光再次合并为普通光信号后经准直器输出以及进入波长探测单元。所述的输入光分束器和输出光分束器是由偏振分束器构成。所述的输入光半波片、输出光半波片是由旋光波片和法拉第旋转片构成。所述的波长探测单元包括有光耦合器，输入端接收可调谐光滤波器单元输出的 光信号，将该光信号分光为两路，一路直接通过第一光电探测器输出到控制单元，另一路通 过F-P标准腔后再通过第二光电探测器输出到控制单元。所述的控制单元包括有分别接收波长探测单元所输出的两路信号的第一数据采 集器和第二数据采集器，分别与第一数据采集器和第二数据采集器的输出端相连的微处理 器，以及与微处理器输出信号端相连的电机驱动器，所述的电机驱动器与可调谐光滤波器 单元中的驱动薄膜滤光片旋转的步进电机相连，所述的第一数据采集器和第二数据采集器 将波长探测单元所输出的两路信号采集后送入微处理器，所述的微处理器分析所接收的信 号并用于修正电机驱动器，从而使所述的薄膜滤光片在控制单元的控制下旋转。本发明的两端口可调谐TFF光滤波器，具有以下优点①结构简单，降低了模块对薄膜滤光片均勻性要求。使用了全反射镜使光路反转， 两束偏振光始终对称的入射到薄膜滤光片的物理中心。另外，由于透射光反射后再次经过 薄膜滤光片，两次滤波后对单波长的光信号滤波更为彻底，能够为模块提供更好的相邻与 非相邻隔离度。②内置波长反馈结构，利用两个光电探测器分别探测FP标准具前后功率变化情 况，可以完全消除由于光源功率不稳定带来的影响。数据采集器将信息采集后交由微处理 器分析并修正调谐控制器，进一步提高了调谐精度。③采用对称光路，使得通过分束器后的两束光各通过一次半波片，P光，S光在整 个光路中所走过的光程基本相同，从而实现所有波长与入射角都能够完全补偿光程差所带 来的偏振模色散，不再需要额外的波片补偿。
④通过分束器和半波片后的一般信号光变为2束平行P光，有效解决了大角度入射时偏振相关损耗以及改进膜系后偏振光中心波长偏离与带宽偏离现象，使得调谐范围大大增加并提高了器件的调谐性能。在本发明中，C波段长波、短波偏振相关损耗均小于o．1dB。
⑤便于升级，结合DSP技术、薄膜滤波技术、机械控制技术，本发明可以具备()SA、仁)WM等光信号监测模块功能。
图l是日本SANuC公司基于腔长可调的TFF滤波器的结构示意图2是美国AF。P公司基于角度可调的TFF滤波器的结构示意图3是招金光电子科技有限公司基于TFF技术的两端口低偏振相关损耗的可调滤波器结构侧视图4是光迅公司基于TFF技术的可调谐滤波器的结构示意 图5是光迅公司基于TFF技术的三端口可调谐滤波器的结构示意 图6是旋转一定角度后滤光片引起的透射光位移示意 图7(1)是依据本发明设计的T。F实测长波透射谱；
图7(2)是依据本发明设计的T。F实测短波透射谱；
图8是本发明带内置反馈波长T。F实施例的结构示意 图9是本发明带内置反馈波长T。F优化设计后的结构示意图。
其中，
l、8单芯准直器2输入分束器
3输入半波片4滤光片
5全反射直角棱镜6输出半波片
7输出分束器9耦合器
loF—P标准腔11第一光电探测器
12第二光电探测器13第一数据采集器
14第二数据采集器15微处理器
16电机驱动器17准直器具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的两端口可调谐TFF光滤波器做出详细说明。
如图8所示，本发明的两端口可调谐TFF光滤波器，包括有可调谐光滤波器单元A，将输入的信号光部分反馈给波长探测单元B；波长探测单元B，与可调谐光滤波器单元A相连，检测出所接收到的信号光功率变化情况，并输出给控制单元C；控制单元C，与波长探测单元B相连，通过波长探测单元B的输出光功率的变化情况，判断输出光中心波长漂移情况，然后修正与该控制单元C相连的调谐控制器。其中
所述的可调谐光滤波器单元A包括有准直器17，对普通光进行准直；薄膜滤光片4，位于准直器17的输出光路上，对通过准直器17准直的普通光信号产生第一次透射光；全反射直角棱镜5，位于薄膜滤光片4的输出光路上，将薄膜滤光片4输出的透射光反射后输入到薄膜滤光片4上，薄膜滤光片4产生第二次透射光，所述的第二次透射光经准直器17 输出以及进入波长探测单元B。所述的准直器17是由2个单芯准直器1、8，或1个双芯准 直器，或一个单芯准直器加1个三端口环形器构成。全反射直角棱镜5的镜面始终与2个 单芯准直器1、8中入射光的出射方向保持垂直。所述的薄膜滤光片4是由等厚度多腔薄膜滤光片构成，所述的薄膜滤光片4固定 在步进电机的转动轴上，所述的步进电机与控制单元C相连，在控制单元C的控制下驱动薄 膜滤光片4旋转。如图9所示，本发明的可调谐光滤波器单元A可优化升级为还包括有输入光分束 器2，位于准直器17的输出光路上，将通过准直器17准直的普通光信号通过光分束器2分 解为P光和S光后输出；输入光半波片3，位于输入光分束器2的输出光路上，将其中一路 S光旋转为P光后输出给薄膜滤光片4，所述的薄膜滤光片4对输入光半波片3输出的P光 及输入光分束器2输出的P光产生第一次透射，输出两束平行P光；输出光半波片6，位于 薄膜滤光片4的反射光路上，将其中一路P光恢复为S光后输出；输出光分束器7，位于输 出光半波片6的S光输出光路及薄膜滤光片4另一路P光的反射光路上，将两路光再次合 并为普通光信号后经准直器17输出以及进入波长探测单元B。所述的输入光分束器2和输出光分束器7是由偏振分束器构成；所述的输入光半 波片3、输出光半波片6是由旋光波片和法拉第旋转片构成。如图8、图9所示，所述的波长探测单元B构成内部波长参考源，包括有光耦合器 9，输入端接收可调谐光滤波器单元A输出的光信号，将该光信号分光为两路，一路直接通 过第一光电探测器11输出到控制单元C，另一路通过F-P标准腔10后再通过第二光电探测 器12输出到控制单元C。所述的控制单元C包括有分别接收波长探测单元B所输出的两路信号的第一数据 采集器13和第二数据采集器14，分别与第一数据采集器13和第二数据采集器14的输出端 相连的微处理器15，以及与微处理器15输出信号端相连的电机驱动器16，所述的电机驱动 器16与可调谐光滤波器单元A中的驱动薄膜滤光片4旋转的步进电机相连。所述的第一 数据采集器13和第二数据采集器14将波长探测单元B所输出的两路信号采集后送入微处 理器15，所述的微处理器15通过采集波长探测单元的输出光功率的变化情况，分析判断输 出光中心波长漂移情况，并用于修正电机驱动器16，从而使所述的薄膜滤光片4在控制单 元C的控制下旋转，可以使光滤波器输出光波长达到很高的要求精度。本发明的两端口可调谐TFF光滤波器，输入信号光经过可调谐滤波器单元后，由 耦合器将部分输出光反馈给波长探测单元，控制单元通过采集波长探测单元的输出光功率 的变化情况，判断输出光中心波长漂移情况，然后修正调谐控制器，从而使光滤波器输出光 波长达到很高的要求精度。本发明的两端口可调谐TFF光滤波器的工作原理(1)在可调谐光滤波器单元中，普通光信号通过准直器准直后入射到分束器，半波 片将通过准直器的普通光信号分解为P光和S光后输出，利用半波片将其中一路S光旋转 为P光后得到两束平行P光，通过薄膜滤光片发生第一次透射，再经过全反射直角棱镜二次 反射使两束P光光路在全反棱镜内两次反射，返回光路中，两束P光沿相反的方向与薄膜滤 光片再次发生干涉并透射，最后半波片将其中未改变过偏振态的一束P光恢复为S光与另外一路P光再次合并成普通光信号后由接收端准直器输出。本发明采用角度调制薄膜滤光 片的方式来调节波长，设计了一种两次滤波新光路如图9，通过偏振光光路的反射实现器件 指标优化，可接受20度入射角倾斜入射并保证滤波平顶，从而覆盖整个C波段。(2)在波长探测单元中，输入信号光经过可调谐滤波单元后一部分进入耦合器， 耦合器将输出光分别反馈给F-P标准腔前后的2个光电探测器。透射光使用耦合器分出 1%-10%的光信号作为内部波长参考源，此光信号再通过一个3dB耦合器后使得两个光电 探测器分别探测出F-P标准腔前后功率变化情况，由此精确反馈出两端口可调谐TFF光滤 波器的输出波长。(3)在控制单元中，数据采集器将信息采集后交由微处理器分析，微处理器芯片根 据算法自动补偿输出光中心波长偏移并修正电机驱动器，使输出光波长能够达到高精度要 求。当普通光信号经准直器后到达分束器，分束器将输入光信号的偏振态分离成P光 和S光后平行输出。将半波片平行于分束器，置于S光输出端，将S光的偏振态旋转为P光， 两路平行P光到达均勻厚度薄膜干涉滤光片后，根据薄膜滤光片旋转角度，滤出对应波长 的两路平行P光。将全反射直角棱镜垂直于两路P光方向放置，并且使得2路P光通过全 反射直角棱镜后反射至薄膜滤光片，由于薄膜滤光片倾斜角度不变，故2路P光仍然能够透 过薄膜滤光片出射至偏振分束器，此时将没有改变过偏振态的P光经过半波片后偏振态旋 转为S光，与另一路P光合光后由接收准直器接收。在此光路中，使用了偏振分离思想实现模块较低的偏振相关损耗，由于P光和S光 光路对称，模块不需要增加额外的光程补偿元件。最后，利用全反棱镜使透射波两次通过薄 膜滤光片，大大的提高了模块的隔离度。当需要滤出另一路光信号时，通过机械控制转动薄 膜滤光片，即不断改变入射光的角度就可以实现模块的可调谐滤波。其中薄膜滤光片根据 设计需要可以实现约96个信道左右的上下路选择，可以实现在506DWDM系统中整个C波段 共96路单波长光信号的可调谐滤波。
权利要求
1.一种两端口可调谐TFF光滤波器，其特征在于，包括有可调谐光滤波器单元(A)，将输入的信号光部分反馈给波长探测单元(B)；波长探测单元(B)，与可调谐光滤波器单元(A)相连，检测出所接收到的信号光功率变 化情况，并输出给控制单元(C)；控制单元(C)，与波长探测单元⑶相连，通过波长探测单元⑶的输出光功率的变化 情况，判断输出光中心波长漂移情况，然后修正与该控制单元(C)相连的调谐控制器。
2.根据权利要求1所述的两端口可调谐TFF光滤波器，其特征在于，所述的可调谐光滤 波器单元(A)包括有准直器(17)，对普通光进行准直；薄膜滤光片G)，位于准直器(17) 的输出光路上，对通过准直器(17)准直的普通光信号产生第一次透射光；全反射直角棱镜 (5)，位于薄膜滤光片(4)的输出光路上，将薄膜滤光片(4)输出的透射光反射后输入到薄 膜滤光片(4)上，薄膜滤光片(4)产生第二次透射光，所述的第二次透射光经准直器(17) 输出以及进入波长探测单元(B)。
3.根据权利要求2所述的两端口可调谐TFF光滤波器，其特征在于，所述的准直器 (17)是由2个单芯准直器(1、8)，或1个双芯准直器，或一个单芯准直器加1个三端口环形 器构成。
4.根据权利要求2所述的两端口可调谐TFF光滤波器，其特征在于，所述的薄膜滤光片 (4)是由等厚度多腔薄膜滤光片构成，所述的薄膜滤光片固定在步进电机的转动轴上， 所述的步进电机与控制单元(C)相连，在控制单元(C)的控制下驱动薄膜滤光片⑷旋转。
5.根据权利要求2所述的两端口可调谐TFF光滤波器，其特征在于，所述的可调谐光滤 波器单元(A)还包括有输入光分束器O)，位于准直器(17)的输出光路上，将通过准直器 (17)准直的普通光信号通过光分束器( 分解为P光和S光后输出；输入光半波片(3)，位 于输入光分束器O)的输出光路上，将其中一路S光旋转为P光后输出给薄膜滤光片0)， 所述的薄膜滤光片(4)对输入光半波片C3)输出的P光及输入光分束器( 输出的P光产 生第一次透射，输出两束平行P光；输出光半波片(6)，位于薄膜滤光片(4)的反射光路上， 将其中一路P光恢复为S光后输出；输出光分束器(7)，位于输出光半波片(6)的S光输出 光路及薄膜滤光片(4)另一路P光的反射光路上，将两路光再次合并为普通光信号后经准 直器(17)输出以及进入波长探测单元(B)。
6.根据权利要求5所述的两端口可调谐TFF光滤波器，其特征在于，所述的输入光分束 器( 和输出光分束器(7)是由偏振分束器构成。
7.根据权利要求5所述的两端口可调谐TFF光滤波器，其特征在于，所述的输入光半波 片(3)、输出光半波片(6)是由旋光波片和法拉第旋转片构成。
8.根据权利要求1所述的两端口可调谐TFF光滤波器，其特征在于，所述的波长探测单 元(B)包括有光耦合器(9)，输入端接收可调谐光滤波器单元(A)输出的光信号，将该光 信号分光为两路，一路直接通过第一光电探测器(11)输出到控制单元(C)，另一路通过F-P 标准腔(10)后再通过第二光电探测器(1 输出到控制单元(C)。
9.根据权利要求1所述的两端口可调谐TFF光滤波器，其特征在于，所述的控制单元 (C)包括有分别接收波长探测单元(B)所输出的两路信号的第一数据采集器(1 和第二 数据采集器(14)，分别与第一数据采集器(1 和第二数据采集器(14)的输出端相连的微 处理器(1 ，以及与微处理器(1 输出信号端相连的电机驱动器(16)，所述的电机驱动器(16)与可调谐光滤波器单元㈧中的驱动薄膜滤光片⑷旋转的步进电机相连，所述的第 一数据采集器(1 和第二数据采集器(14)将波长探测单元(B)所输出的两路信号采集后 送入微处理器(15)，所述的微处理器(15)分析所接收的信号并用于修正电机驱动器(16)， 从而使所述的薄膜滤光片(4)在控制单元(C)的控制下旋转。
全文摘要
本发明公开了一种两端口可调谐TFF光滤波器，包括有可调谐光滤波器单元，将输入的信号光部分反馈给波长探测单元；波长探测单元，与可调谐光滤波器单元相连，检测出所接收到的信号光功率变化情况，并输出给控制单元；控制单元，与波长探测单元相连，通过波长探测单元的输出光功率的变化情况，判断输出光中心波长漂移情况，然后修正与该控制单元相连的调谐控制器。本发明结构简单，内置波长反馈结构，可以完全消除由于光源功率不稳定带来的影响。采用对称光路，实现所有波长与入射角都能够完全补偿光程差所带来的偏振模色散。本发明增加并提高了器件的调谐性能。并可以具备OSA、OWM等光信号监测模块功能。
文档编号G02B6/26GK102081196SQ201010609580
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者官成钢, 常进, 马卫东, 黎辉 申请人:武汉光迅科技股份有限公司