专利名称：新型可调谐滤波装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光通信网络的滤波技术领域，尤其是一种可调谐滤波装置。
背景技术：
采用波分复用系统可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使传输容量迅速扩大几倍至上百倍，在大容量长途传输时可以节约大量的光纤和再生器，大大降低传输成本。可调谐光学滤波器是实现大容量、高速率全光网通信的关键节点器件，在下一代高速通讯系统中扮演着重要角色。在WDM光网络系统中，光学可调谐滤波器有着广泛的应用利用可调谐滤波器可以实现光开关、增益均衡器、光学传感器、窄带宽反射镜、光分插复用器和光交叉互连器等多种光器件。可调谐滤波器的发展主要经历了法布里波罗干涉滤波器、马赫曾德尔干涉仪滤波器、光纤布拉格光栅滤波器、声光可调谐滤波器、电光可调谐滤波器以及体全息滤波器等类型。从结构来看越来向着集成化方向发展。集成光学元件的最大优点之一是它能将常规的具有各种功能的分立光学元件集成到同一光学衬底上，并具有多个分立光学元件所构成的庞大光学系统处理光信号的同样功能。与分立光学元件相比较，集成光学元件具有体积小、 结构紧凑坚固、抗干扰能力强、稳定可靠、寿命长等优点。在光集成器件领域，由于铌酸锂晶体具有良好的声光、电光、光折变效应以及导波性能等，是一种越来越受到人们青睐的集成器件基底材料。文献(J.Hukriede，D. Kip, Ε. Kratzig. Thermal tuning of a fixedBragg grating for IR light fabricated in a LiNbO3: Ti channel waveguide. Appl. Phys. B 70，73-75，2000)中提到对铌酸锂基底单模波导(如图1所示)进行全息记录形成布拉格光栅。光栅的反射效率达到95%，线宽为0. 09nm。通过改变温度可实现调谐滤波，但是光栅的热调谐系数相对较小，在到 325°C的温度范围内波长仅有0. 2nm的变化，因此较小的温度变化下波长的改变不能满足密集波分复用所需要的波长范围及间隔。此种可调谐的滤波方案对实验温度要求极高、 实际操作比较困难。文献(B. K. DAS, H. SUCHE, W. SOHLER. Single-frequencyTi ErLiNbO3 distributed Bragg reflector waveguide laser with thermallyfixed photorefractive cavity. Appl. Phys. B 73，439-442，2001)运用的双光束干涉装置，其周期干涉图样是由波前分束的子波相干叠加产生，通过旋转平台可以改变干涉光束间的夹角。但由于反射镜垂直于样品，如果角度变化范围稍大那么双光束重叠部分变小，即可用的干涉区域变小，会严重影响滤波效率。因此也只适合于范围很小的调谐。
发明内容为了克服已有调谐滤波装置的实时性较差、不便于集成、调谐麻烦、调谐范围较小的不足，本实用新型提供一种实时性良好、便于集成、调谐方便、调谐范围较大的新型可调谐滤波装置。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是[0007]—种新型可调谐滤波装置，包括制作有单模光波导的铌酸锂晶体、用以提供平行干涉光源的干涉光源系统、用以将平行干涉光源分为两束光线的分束镜、用以分别接受两束光线并将其反射后叠加到铌酸锂晶体上的两个反射镜；所述两个反射镜位于所述分束镜和铌酸锂晶体之间；所述干涉光源系统安装在旋转平台上，所述两个反射镜可上下移动地安装在直线导轨上，所述两个反射镜的移动方向垂直于铌酸锂晶体记录平面法线的方向，所述旋转平台和两个反射镜均与驱动机构联动，所述驱动机构与用以控制旋转平台的移动角度和两个反射镜的移动距离使得两束光线在铌酸锂晶体上的叠加位置不变的控制模块连接。优选的一种方案是所述分束镜、两个反射镜均平行于铌酸锂晶体记录平面的法线，光束与分束镜的交点与双光束在铌酸锂晶体上的交点位置关于两个反射镜中心点的连线对称，两反射镜关于分束镜和铌酸锂晶体中点的连线对称。进一步，所述干涉光源系统包括依次连接的激光器、光衰减器、偏振元件和扩束准直系统。再进一步，所述激光器是532nm微腔倍频Nd YAG激光器。这是由于铌酸锂对蓝绿光敏感，而且光折变光栅的建立不需要很大功率的激光。另外，该类型的激光器有利于实现结构紧凑、小型化的器件。另外，所述的记录光源可以是功率直接可调，或者利用所述的光衰减器对固定输出功率激光器进行调整，以取得合适的记录光功率。所述的偏振控制元件用来控制记录光的偏振状态，以最大程度地利用铌酸锂的光折变效应。所述的扩束准直系统是由两个凸透镜组成的反向望远镜系统。所述铌酸锂晶体采用X或Y切Z传的方式，采用钛扩散或质子交换技术制得平行于铌酸锂Z轴方向的单模光波导。铌酸锂晶体放置在夹具上，光轴与水平面平行。以保证两束光干涉形成的光栅矢量平行于光轴。本实用新型的技术构思为利用双光束干涉在铌酸锂单模波导上产生干涉条纹， 再通过铌酸锂晶体的光折变效应形成光折变光栅。形成光栅的周期与滤波波长的关系为 λρ = 2ηΛ，其中λ 5为峰值反射滤波波长，Λ为光栅的周期。而光栅周期Λ由光栅记录条件决定Λ = Ar/(2sin6), λ^为记录光波长，2Θ为记录光束之间的夹角。在记录光源波长λ ^—定的情况下，改变记录光束之间的夹角2 θ就可以获得不同的光栅周期Λ，而不同的光栅周期Λ可以反射不同的滤波波长λρ。因此，可以根据所需要的波长信号实时的改变记录角度，动态的记录相应周期的光栅，实现可调谐滤波。本实用新型的有益效果主要表现在1、不需要在铌酸锂晶体上加装电极等复杂结构，只需通过改变干涉用双光束的夹角来改变光折变光栅的光栅常数，便可实时调谐滤波； 2、由于微结构制备在同一基板上，便于集成；3、避免了利用刻蚀等方法制作光栅，使得制造技术简单、调谐方便；4、滤波效率高，峰值半高宽(带宽)较小，调谐范围大，而且相邻信道之间的串扰很小，满足密集波分复用技术的需求。
[0019]图1是铌酸锂基底单模光波导示意图。图2是本实用新型中的记录光源系统图。图3是本实用新型中可变夹角双光束干涉装置光栅的实时记录过程示意图。图4是实施例中可调谐滤波示意图。图5是实施例中的光栅滤波效率和带宽示意图(λ p = 1550. Onm)。图6是实施例中的光栅滤波效率和带宽示意图(λ p = 1551. 6nm)。图7是实施例中光栅衍射效率及峰值半高宽FWHM与光栅长度的关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步描述。参照图2和图3，一种新型可调谐滤波器，将激光器21、光衰减器22、偏振元件23 和扩束准直系统M这几部分组成的干涉光源系统2置于旋转平台5上。从激光器21出射的光束经过扩束、准直后，经过分束镜3分光后分别入射到两个反射镜41和42上，通过反射镜反射到铌酸锂晶体1上进行叠加干涉形成光栅滤波器。进行调谐时，根据所需中心波长，由单片机控制模块6进行理论计算并驱动步进电机7，带动旋转平台旋转；与此同时，步进电机7带动导轨8上的两反射镜41和42沿垂直于铌酸锂晶体记录平面法线的方向上下移动相应距离，使得两光束在晶体上的叠加位置不变。旋转装置和移动平台反应灵敏，调谐速度比较快，能用于大调谐范围的应用中。参照图3，对一种优选的实例进行说明。分束镜3，反射镜41和反射镜42都平行于铌酸锂晶体1记录平面的法线，光束与分束镜3的交点与双光束在晶体上的交点位置关于反射镜41、反射镜42中心点的连线对称，两反射镜41和42关于分束镜3和铌酸锂晶体 1中点的连线对称。图3中，实线部分为记录第一个光栅的中心光线的光路情况记录的光功率密度为1500W/m2，记录波长为532nm，晶体的折射率为2. 211 ；反射镜41到两反射镜连线中心点的距离d = 25cm,经过反射镜41反射的光线411与经过反射镜42反射的光线421之间的夹角为2 θ = 98. 74°，两反射镜连线的中心点O到铌酸锂晶体1的距离1 = 21. 44cm ；形成的光栅周期为350. 5nm，光栅的中心波长为1550nm。虚线部分为调谐到中心波长1551. 6nm光栅时的记录情况在单片机控制模块6和步进电机7的驱动下，精密旋转台5旋转过Δ θ， 的角度，同时控制平直导轨上的反射镜41和反射镜42向上、向下移动相对量△(!，使得记录夹角相对于第一个光栅记录时改变2 △ θ ；反射镜41和反射镜42分别向上、向下移动的距离即相对于第一个光栅的改变量Δ d满足Δ d = [tan ( θ + Δ θ ) -tan θ ]· 1，得到Δ θ =-O. 09° ,Ad = -0· 08cm ；此时，记录的光功率密度为1500ff/m2, 1 = 21. 44cm，记录波长为 532nm。当中心波长由小变大时，记录光束之间的夹角变小，且两反射镜的距离也变小，即 Δ θ、Ad都为负。在此实施例中，由于分束镜3和铌酸锂晶体1关于平直导轨8对称，可得旋转平台5旋转的角度与两光束夹角变化的一半相等，S卩Δ θ ’ = Δ θ。因此，只要设定中心滤波波长，就能有单片机控制模块6计算出记录光束角度的变化和旋转平台5旋转的角度，同时也能确定平直导轨8上反射镜上下移动的改变量。图4是光栅可调谐滤波器在光通信系统中的使用案例。铌酸锂晶体1的波导11两端与光纤921和922连接，光环行器的端口 91通过光纤与波分复用信号源9相连，端口 92与光纤921相连，端口 93与光纤931相连。一束波分复用信号光通过光环形器端口 91 到达端口 92，然后进入到波导11中。记录装置通过实施例一中的调谐方法根据希望的中心波长记录出光栅13，进入波导后满足匹配条件的波长被光栅13反射由环行器端口 92再次进入光环行器，然后从端口 93出射，出射光纤931若与光纤光谱仪相连则可测得滤波波长； 而不满足匹配条件的信号波长通过滤波器后继续向前传输，如果波导另一端的光纤922与探测系统94相连，可观测到某个波长处下陷的带阻光谱。图5是1550nm峰值反射波长下光栅的滤波效率和峰值半高宽，所用光栅的厚度为 d = 15mm ；得到的滤波效率最大值为0. 9665，峰值半高宽为0. 0725nm。图6是1551. 6nm峰值波长下的衍射效率和峰值半高宽，所用光栅的厚度为d = 15mm ；得到滤波效率最大值为 0. 9664，峰值半高宽为0. 07^nm。由计算可知，相邻的1550. 8nm和1M9. 2nm信道滤波后的强度小于0. 1 %，可见该滤波器的FWHM满足密集波分复用(信道间隔0. 8nm)技术的要求。参照图7光折变光栅的衍射效率及FWHM与光栅长度有关。横坐标为光栅长度，长度从8mm到18mm变化，左边纵坐标为衍射效率η，右边纵坐标为FWHM。由图可以看出衍射效率随着光栅长度的增大而增加，FWHM的值随着光栅长度增大而减小。因此，在其他条件一定的情况下，如果实验条件允许，应该优先选择记录长度大的光栅来提高衍射效率，减小 FWHM。这可以作为实验选取材料的理论依据。
权利要求1.一种新型可调谐滤波装置，其特征在于所述可调谐滤波装置包括制作有单模光波导的铌酸锂晶体、用以提供平行干涉光源的干涉光源系统、用以将平行干涉光源分为两束光线的分束镜、用以分别接受两束光线并将其反射后叠加到铌酸锂晶体上的两个反射镜；所述两个反射镜位于所述分束镜和铌酸锂晶体之间；所述干涉光源系统安装在旋转平台上，所述两个反射镜可上下移动地安装在直线导轨上，所述两个反射镜的移动方向垂直于铌酸锂晶体记录平面法线的方向，所述旋转平台和两个反射镜均与驱动机构联动，所述驱动机构与用以控制旋转平台的移动角度和两个反射镜的移动距离使得两束光线在铌酸锂晶体上的叠加位置不变的控制模块连接。
2.如权利要求1所述的新型可调谐滤波装置，其特征在于所述分束镜、两个反射镜均平行于铌酸锂晶体记录平面的法线，光束与分束镜的交点与双光束在铌酸锂晶体上的交点位置关于两个反射镜中心点的连线对称，两反射镜关于分束镜和铌酸锂晶体中点的连线对称。
3.如权利要求1或2所述的新型可调谐滤波装置，其特征在于所述干涉光源系统包括依次连接的激光器、光衰减器、偏振元件和扩束准直系统。
4.如权利要求3所述的新型可调谐滤波装置，其特征在于所述激光器是532nm微腔倍频Nd: YAG激光器。
5.如权利要求3所述的新型可调谐滤波装置，其特征在于所述的扩束准直系统是由两个凸透镜组成的反向望远镜系统。
6.如权利要求1或2所述的新型可调谐滤波装置，其特征在于所述铌酸锂晶体采用X 或Y切Z传的方式，采用钛扩散或质子交换技术制得平行于铌酸锂Z轴方向的单模光波导。
7.如权利要求6所述的新型可调谐滤波装置，其特征在于铌酸锂晶体放置在夹具上， 光轴与水平面平行。
专利摘要一种新型可调谐滤波装置，包括制作有单模光波导的铌酸锂晶体、用以提供平行干涉光源的干涉光源系统、用以将平行干涉光源分为两束光线的分束镜、用以分别接受两束光线并将其反射后叠加到铌酸锂晶体上的两个反射镜；所述两个反射镜位于所述分束镜和铌酸锂晶体之间；所述干涉光源系统安装在旋转平台上，所述两个反射镜可上下移动地安装在导轨上，所述两个反射镜的移动方向垂直于铌酸锂晶体记录平面法线的方向，所述旋转平台和两个反射镜均与驱动机构联动，所述驱动机构与用以控制旋转平台的移动角度和两个反射镜的移动距离使得两束光线在铌酸锂晶体上的叠加位置不变的控制模块连接。本实用新型实时性良好、便于集成、调谐方便、调谐范围较大。
文档编号G02F1/35GK202230282SQ201120258840
公开日2012年5月23日 申请日期2011年7月20日 优先权日2011年7月20日
发明者乐孜纯, 孟惠云, 张明 申请人:浙江工业大学