专利名称：基于空间双折射元件的可调谐带通滤波器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光学系统中应用的可调谐带通滤波器，特别是一种基于空间双折射元件的可调谐带通滤波器。其主要用于光波分复用(WDM)系统中，此外，还可用于一切需要平坦化通带和阻带的调谐滤波器。
背景技术：
光学带通滤波器是光波分复用(WDM)系统，光通信相关测量以及其它光学系统应用中的关键器件。在WDM系统中，末端的每个接收机都必须选择所需要的信道。可调谐滤波器是一种波长(或频率)选择器件，其功能是从多个不同频率的输入光信号中，选择出一个特定频率的光信号，在WDM系统中有很重要的应用。为使性能最佳化，光学带通滤波器应同时具有大的平坦通频带和阻带宽度、高的隔离度、中心波长(或频率)和带宽的可调谐特性。
在先技术[1](参见M.Oguma，K.Jinguji，T.Kitoh，T.Shibataand A.Himeno，Electron.Lett.，36(15)，2000，1299-1300)中描述的是一种基于平面波导格子结构的光交错复用滤波器。其采用了两级格子结构，利用平面波导线路技术实现了平坦化通带和阻带的滤波特性，但其不具备波长或带宽的可调谐特性。
在先技术[2](参见W.Warzanskyj，F.Heismann and R.C.Alferness，Appl.Phys.Lett，1988，53(1)，13-15)描述的是一种利用单模波导制作的偏振无关电光调谐窄带滤波器。该滤波器的带宽很窄，且只具有中心波长的可调谐特性。
在先技术[3](参见W.J.Carlsen and C.F.Buhrer，Eltctron.Lett.，23(3)，1987，106-107)描述的是一种产生平坦化光谱透射率函数的级联双折射偏振干涉技术。其采用三块厚度比为1∶2∶2的双折射晶体波片，通过控制晶体波片的方位角实现了具有平坦化通带和阻带的光谱透射率，但透射率的隔离度和平坦通频带宽度都不是很好，且其也不具有中心波长或带宽的可调谐特性。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题在于克服上述在先技术的困难，提供一种基于空间双折射元件的可调谐带通滤波器，该滤波器在具有大平坦宽度的通带和阻带及高隔离度的同时，还具有中心波长和带宽的可调谐特性。
本实用新型的构思是采用级联的楔形介质对结构，通过控制各楔形介质对中介质的方位角、光在其中传播的光程差和检偏器与起偏器偏振方向的夹角以实现具有大平坦通频带和阻带宽度以及高隔离度的滤波特性。其中通过改变光在各楔形介质对中的光程差以实现中心波长和带宽的可调谐特性。
本实用新型的具体技术解决方案如下一种基于空间双折射元件的可调谐带通滤波器，其特征在于沿输入光束的前进方向依次设有输入光纤、准直透镜、起偏器、K(1＜K≤3)个级联的楔形介质对、检偏器、聚焦透镜和输出光纤，其中级联楔形介质对封装为一个整体并与一步进马达相连。
所述的K个级联楔形介质对依次级联构成，所述的楔形介质对均由两个楔形介质片组成，其中第一介质片的材料为晶体，且光轴平行于晶体表面，与光束入射方向垂直，第二介质片的材料可为玻璃，也可为晶体，第二介质片的材料若为晶体，其光轴与光束入射方向相同；当楔形介质对中的第二介质片的材料为玻璃材料时，所选玻璃的折射率与晶体的两个本征折射率接近；当楔形介质对中的两个介质片均为晶体材料时，所选第二介质片的寻常光折射率与第一介质片的两个本征折射率接近。
所述的楔形介质对中的介质片的形状为一个底角等于90°的楔形，其两头都具有一定宽度的楔形，也可以为只有一头具有一定宽度的楔形。
当所选级联楔形介质对的个数K＝2时，两个介质对在形状上满足光在介质对中传播的光程差为1∶2，两个介质对中的第一介质片的方位角θ1、θ2和检偏器与起偏器偏振方向的夹角θP应满足下列的角度组合
组合θ1(°)θ2(°)θP(°)1 45 -79 -42 45 -78 -43 45 -77 -44 45 -76 -45 45 -14 46 45 -13 47 45 -12 48 45 -11 4当所选级联楔形介质对的个数K＝3时，三个介质对在形状上满足光在介质对中传播的光程差为1∶2∶2，三个介质对中的第一介质片的方位角θ1、θ2、θ3满足文中的下列的角度组合组合θ1(°) θ2(°)θ3(°)1 45 -72 842 45 -18 63 45 -71 834 45 -19 75 45 -70 826 45 -20 87 45 -70 838 45 -20 79 45 -69 8110 45 -21 911 45 -69 8212 45 -21 8本实用新型的技术效果
本实用新型基于空间双折射元件的可调谐带通滤波器同时实现了大平坦而高对比度的通带和阻带的光谱特性以及中心波长和带宽的可调谐特性。与各在先技术相比，克服了在先技术[1]的不能实现中心波长和带宽的可调谐特性；克服了在先技术[2]的不能实现平坦化通带和阻带以及带宽的可调谐特性；克服了在先技术[3]的隔离度和平坦化宽度的不足以及不能实现中心波长和带宽的可调谐特性。
图1为本实用新型基于空间双折射元件的可调谐带通滤波器实施例的结构示意图。
图2为具有一定宽度的光束在楔形介质对中的介质片11中传播时所通过的距离的变化。
图3为本实用新型实施例的中心波长的可调谐特性图。
图4为本实用新型实施例的带宽的可调谐特性图。
具体实施方式
请先参阅图1，由图可见，本实用新型基于空间双折射元件的可调谐带通滤波器，包括输入光纤1、准直透镜2、起偏器3、K(1＜K≤3)个级联的楔形介质对4、5、6、步进马达7、检偏器8、聚焦透镜9和输出光纤10。
K个级联楔形介质对依次由楔形介质对4，5，6级联构成。所说的上述楔形介质对均由两个楔形介质片11和12组成，其中第一介质片11的材料为晶体，光轴平行于晶体表面，且与光束入射方向垂直，第二介质片12的材料为玻璃或晶体(光轴与光束入射方向相同)。当楔形介质对中的第二介质片12为玻璃材料时，所选玻璃的折射率与晶体的两个本征折射率接近；当楔形介质对中的第二介质片12均为晶体材料时，所选介质片12的寻常光折射率与第一介质片11的两个本征折射率接近。楔形介质对中的第一介质片11和第二介质片12的形状为一个底角等于90°的楔形，其可以为两头都具有一定宽度的楔形，也可以为只有一头具有一定宽度的楔形。当所选级联楔形介质对的个数为K＝2时，两个介质对在形状上满足光在介质对中传播的光程差为1∶2，两个介质对中的第一介质片11的方位角，即晶体快轴或慢轴相对于输入光偏振方向的偏角θ1、θ2和检偏器与起偏器偏振方向的夹角θP满足文中的表一所示的角度组合。当所选级联楔形介质对的个数为K＝3时，三个介质对在形状上满足光在介质对中传播的光程差为1∶2∶2，三个介质对中的第一介质片11的方位角满足文中的表二所示的角度组合，其中检偏器与起偏器偏振方向平行。
准直透镜2用于对输入光纤1发射的无规偏振波分复用信号光束x进行准直和扩束，准直透镜2输出平行细光束，其入射起偏器3后偏振方向与起偏器偏振方向相同，接着入射级联介质对4，5，6。从级联介质对4，5，6输出的光束接着入射检偏器8，最后经聚焦透镜9聚焦并耦合入输出光纤10中而最终输出光束y。
起偏器3和检偏器8中的级联楔形介质对为整个系统的核心。各级联介质对中的第一介质片11(晶体)用于产生一定的位相延迟；第二介质片12(玻璃或晶体)的折射率接近第一介质片11(晶体)的本征折射率，用以补偿光在两个介质片界面处发生的折射，从而使光束沿原入射方向出射各介质对。入射级联介质对的光束首先入射第一个介质对，在其第一介质片11内被分解为偏振方向互相正交的两个偏振光，经过一定距离后产生一定的位相延迟，接着进入该介质对中的第二介质片12，由于介质片12的折射率接近介质片11的本征折射率，因而可忽略光在其界面发生的折射，这两个偏振光最后沿原方向出射该介质对。在第二个介质对中，由于该介质对中介质片11的方位角与前一个介质对中介质片11的方位角不同，因而在第二个介质对的介质片11内，这两个偏振光又各自被分解为偏振态互相正交的两个偏振光，经过该介质片后又产生一定的位相延迟，同样，由于该介质对内介质片12的折射率与介质片11的本征折射率接近，光束最后沿原方向出射第二个介质对。以此方式经过多个该同样结构的介质对后共产生多个位相互不相同的光束，最后这些光束在检偏器8的偏振方向上发生干涉，其中通过控制各介质对内介质片11的方位角、检偏器与起偏器偏振方向的夹角和光在其内的光程差，以产生具有平坦化通带和阻带的光谱透射率，最后光信号经聚焦透镜9聚焦并耦合入输出光纤10而输出。连接于整个级联楔形介质对的步进马达7用于使整个级联楔形介质对沿竖直方向运动，从而可调节光在每个楔形介质对内的光程差，用于实现中心波长和带宽的调谐。
对于上述发明的分析如下平坦化光谱透射率在可忽略光束宽度的前提下，该楔形级联介质对与普通的等厚晶体波片的级联行为相同。对应于一定楔形介质对厚度位置处，其光谱透射率可表达为T(f)＝T0+T1cos(2πγ′1f)+T2cos(2πγ′2f)+....+Tncos(2πγ′nf)+.... (1)其中，Tn是与各楔形介质对中的第一介质片11的方位角θ1，θ2，...，θK有关的系数，γ′n为该位置处每个楔形介质对中的介质片1的时延γ1，γ2，...，γK的单独或者其任意组合的差项，和项或者和差项。其中，该位置处每个楔形介质对中的介质片11的时延γk或频率间隔Δfk可表达为γk=1Δfk=Δn·dkC---(2)]]>这里Δn为介质片11的双折射，dk为该位置处介质片11的厚度，C为光速。
通过控制各楔形介质对中介质片11的方位角和厚度以及检偏器与起偏器偏振方向的夹角可得到具有平坦化通带和阻带的光谱透射率。下表一为当采用两块厚度比为1∶2的楔形介质对级联的结构，在通带和阻带的平坦宽度大于2/11周期，隔离度不小于-22dB时，各楔形介质对中介质片1的方位角θ1、θ2、和检偏器与起偏器偏振方向的夹角θp所应满足的角度值。下表二为当采用三块厚度比为1∶2∶2的楔形介质对级联的结构，在通带和阻带的平坦宽度大于2/11周期，隔离度不小于-30dB时，各楔形介质对中介质片11的方位角θ1、θ2和θ3所应满足的角度值(此时检偏器与起偏器偏振方向平行，即θp＝0°)。
表一 表二
调谐特性通过调节各楔形介质对中光的光程差，同时保持该光程差的比例为一定值，可在不影响该光谱透射率形状的同时实现中心波长和带宽的调谐特性。
若整个级联的楔形介质对沿竖直方向运动，则可以调节各楔形介质对中光的光程差，而且可保持该光程差的比例不变，从而可以实现调谐特性。
当刚开始运动时，光在介质片11中经过的距离变化很小，此时带宽的变化可忽略不记，只有中心波长发生平移；随着整个级联的楔形介质对的不断运动，光在介质片11中经过的距离变化越来越大，此时将不能忽略带宽的变化，中心波长和带宽的变化同时存在。
光束宽度的限制上述特性都是在可忽略光束宽度的条件下得到的，如果光束宽度不能忽略，则光在楔形介质对中传播时对应的厚度不唯一，即有一定偏差，这就会对光谱特性产生一定模糊量的影响，从而影响整个器件的性能，因而必须对光束宽度进行限定。
图2中，设光束宽度为D，该宽度的光在介质片11中经过的最短距离为di，最长距离为di+δdi，楔角为α。由上面的分析可知，该光束在介质片11中经过的距离从di到di+δdi中变化，则所对应的中心波长分别发生平移，为了不影响该器件的交叉串扰(即隔离度)，必须要求该最大平移量不超过通带的半宽度。
该宽度的光束在介质片11中经过的最短和最长距离对应的频率间隔分别为Δfs=CΔn·di;---(3)]]>Δfl=CΔn·(d+δdi),----(4)]]>则中心频率的平移量为δf=Δfs-Δfl=D·ctgαdi+D·ctgα·Δfs,---(5)]]>若通带频率宽度为L，则对光束宽度D的限制为D·ctgαdi+D·ctgα·Δfs≤L2,---(6)]]>当级联的整个楔形介质对沿竖直方向运动时，di在楔形介质片11的短边和长边之间变化，di应取介质片11的短边长度来计算。不同的楔形介质对介质片11的短边长度不同，且楔角大小也不同，最后光束宽度的限制根据要求按(6)式计算后取最小的那个值。
粗波分复用(CWDM)系统通常被人们认为是一种低成本的DWDM系统的替代品。图1为本实用新型K＝3的用于粗波分复用系统中的实施例的光学系统结构示意图。其中所选各楔形介质对中的介质片11的材料为石英晶体，介质片12的材料为苏联牌号FK13的玻璃。光在三个楔形介质对的介质片11内的通光距离之比为1∶2∶2，方位角分别为45°、-70°和82°。在1.55μm波段处，石英的本征折射率分别为no＝1.528，ne＝1.536，FK13玻璃的折射率为n＝1.531，可以看出所选玻璃的折射率与石英的本征双折射非常接近，光在每个介质对中传播几乎不发生方向偏折。第一个介质对中晶体片的长边对应的频率间隔为2500GHz，即波长间隔20nm，短边长度为长边的三分之一。可计算第一个楔形晶体片长边和短边的长度约为14.1mm和4.7mm，其它两个楔形晶体片的长边和短边长度分别为第一个楔形晶体片的两倍。所选第一个楔形晶体的楔角为α1＝60°，则第二、三个楔形晶体的楔角为α2≈41°，三个楔形晶体片的高度均为h＝16.3mm。当三个晶体片的方位角分别为45°、-70°和82°时，可计算通带宽度与周期的比值为0.202，利用(6)式通过计算可得对入射光束的宽度限制为D≤0.9mm。图3为该滤波器的中心波长的可调谐特性，其中实线、点线和虚点线分别对应于所通过的第一块晶体的距离为14.03mm，14.05mm和14.07mm的情况。图4为该滤波器的带宽的可调谐特性，其中实线、点线和虚点线分别对应于所通过的第一块晶体的距离分别为4.7mm、5.4mm和14.1mm的情况。
权利要求1.一种基于空间双折射元件的可调谐带通滤波器，其特征在于沿输入光束的前进方向依次设有输入光纤(1)、准直透镜(2)、起偏器(3)、K(1＜K≤3)个级联的楔形介质对(4，5，6)、检偏器(8)、聚焦透镜(9)和输出光纤(10)，其中级联楔形介质对(4，5，6)封装为一个整体并与一步进马达(7)相连。
2.根据权利要求1所述的可调谐带通滤波器，其特征在于所述的K个级联楔形介质对(4，5，6)依次级联构成，所述的楔形介质对(4，5，6)均由两个楔形介质片(11、12)组成，其中第一介质片(11)的材料为晶体，且光轴平行于晶体表面，与光束入射方向垂直，第二介质片(12)的材料可为玻璃，也可为晶体，若为晶体，其光轴与光束入射方向相同；当楔形介质对中的第二介质片(12)为玻璃材料时，所选玻璃的折射率与晶体的两个本征折射率接近；当楔形介质对中的第二介质片(12)均为晶体材料时，所选第二介质片(12)的寻常光折射率与第一介质片(11)的两个本征折射率接近。
3.根据权利要求2所述的可调谐带通滤波器，其特征在于所述的楔形介质对中的介质片(11、12)的形状为一个底角等于90°的楔形，其两头都具有一定宽度的楔形，也可以为只有一头具有一定宽度的楔形。
4.根据权利要求2所述的可调谐带通滤波器，其特征在于当所选级联楔形介质对的个数K＝2时，两个介质对在形状上满足光在介质对中传播的光程差为1∶2，两个介质对中的第一介质片(11)的方位角θ1、θ2和检偏器与起偏器偏振方向的夹角θP应满足下列的角度组合组合θ1(°) θ2(°)θP(°)1 45-79 -42 45-78 -43 45-77 -44 45-76 -45 45-14 4645 -13 4745 -12 4845 -11 4
5.根据权利要求2所述的可调谐带通滤波器，其特征在于当所选级联楔形介质对的个数K＝3时，三个介质对(4，5，6)在形状上满足光在介质对中传播的光程差为1∶2∶2，三个介质对中的第一介质片(11)的方位角θ1、θ2、θ3满足文中的下列的角度组合组合θ1(°)θ2(°) θ3(°)1 45 -72 842 45 -18 63 45 -71 834 45 -19 75 45 -70 826 45 -20 87 45 -70 838 45 -20 79 45 -69 8110 45 -21 911 45 -69 8212 45 -21 8
专利摘要一种基于空间双折射元件的可调谐带通滤波器，其特征在于沿输入光束的前进方向依次设有输入光纤、准直透镜、起偏器、K(1＜K≤3)个级联的楔形介质对、检偏器、聚焦透镜和输出光纤，其中级联楔形介质对封装为一个整体并与一步进马达相连。本实用新型具有大平坦宽度的通带和阻带及高隔离度的同时，还具有中心波长和带宽的可调谐特性。
文档编号H03H7/12GK2674469SQ20032012243
公开日2005年1月26日 申请日期2003年12月15日 优先权日2003年12月15日
发明者张娟, 刘立人, 周煜, 栾竹, 刘德安 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所