一种基于MEMS的可调谐平顶窄带型光学滤波器

摘要

本发明公开了一种基于MEMS的可调谐平顶窄带型光学滤波器，包括双芯光纤准直器、扩束棱镜、透射式相位光栅、缩束棱镜和MEMS微镜，其中双芯光纤准直器的一根尾纤为单模光纤，另一根尾纤为多模光纤或者少模光纤。DWDM光信号从双芯光纤准直器的单模光纤输入，变成准直光束，经扩束棱镜扩束后，被透射式相位光栅色散分光，再经缩束棱镜压缩后，入射至MEMS微镜，只有垂直入射的信道光信号才能沿原路返回至双芯光纤准直器，从多模光纤或者少模光纤输出。通过改变MEMS微镜的转角，就可以输出不同波长的光信号，实现可调谐滤波功能。由于采用多模光纤或者少模光纤作为输出端，可以实现平顶光谱响应，应用于DWDM系统中的波长下路探测。

说明书

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种基于微机电系统 (Micro Electro Mechanical System，MEMS)的可调谐平顶窄带型光学滤波 器，特别地涉及一种单模光纤输入/多模光纤(或者少模光纤)输出的可调 谐平顶窄带型光学滤波器，可广泛应用于密集波分复用(Dense Wavelength  Division Multiplexing，DWDM)系统中的波长下路探测。

背景技术

近年来，随着DWDM技术的发展，光通信系统中所用波段被不断拓宽， 信道间隔变得越来越小，这要求可调谐光学滤波器不仅是大调谐范围、窄 带宽的，还希望它能具有平顶响应特性，从而实现信道波长的快速精确对 准。

现有的平顶可调谐光学滤波器的实现方式多种多样，按照结构原理主 要可以分为法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪和光栅结构等三种类 型。这些滤波器均采用单模光纤作为输入/输出端，能够获得较好的平顶响 应，但很难同时满足大调谐范围和窄带宽的要求，并且往往制作工艺复杂、 成本较高。

在一些应用场合，DWDM系统中的信道光信号被滤波下路，直接接入 到光电探测器，此时则允许滤波器采用多模光纤(或者少模光纤)作为输 出端。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种基于MEMS，以单模光纤输入， 多模光纤(或者少模光纤)输出的光学滤波器结构，可实现平顶和窄带的 光谱响应；本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种大调谐 范围、窄带宽、平顶响应、低成本的光学滤波器，旨在解决DWDM系统中 的波长下路探测问题。

本发明提出了一种基于MEMS的可调谐平顶窄带型光学滤波器，包括 有沿光路依次设置的双芯光纤准直器、扩束棱镜、透射式相位光栅、缩束 棱镜和MEMS微镜；所述双芯光纤准直器用于对其输入端接收的DWDM 光信号进行准直处理并输出准直光束；所述扩束棱镜用于对所述准直光束 进行扩束处理；所述透射式相位光栅用于对所述扩束棱镜输出的光进行色 散分光处理；所述缩束棱镜用于对所述透射式相位光栅输出的光进行压缩 处理；所述MEMS微镜用于接收所述缩束棱镜输出的光，当所述缩束棱镜 输出的光垂直入射至所述MEMS微镜时，该光信号可沿原路返回至所述双 芯光纤准直器，并由所述双芯光纤准直器的输出尾纤输出；工作时，通过 调节所述MEMS微镜的转角使得不同波长的光信号输出，实现可调谐滤波 功能。

其中，所述双芯光纤准直器包括输入尾纤、输出尾纤、双孔管和准直 透镜；所述输入尾纤的端面和所述输出尾纤的端面位于所述准直透镜的前 焦平面，所述MEMS微镜位于所述准直透镜的后焦平面；所述双孔管用于 容纳所述输入尾纤和所述输出尾纤。

其中，采用单模光纤作为所述输入尾纤、多模光纤或者少模光纤作为 所述输出尾纤。

其中，所述准直透镜为C-Lens准直透镜。

其中，从所述扩束棱镜透射出来的光束在所述透射式相位光栅上的入 射角其中λ_c为信号光的中心波长，d为光栅常数。

其中，所述扩束棱镜和所述缩束棱镜均为直角棱镜，所述扩束棱镜的 扩束比其中α为直角棱镜的顶角、n为折射率；扩束棱镜 水平翻转可得到缩束棱镜。

其中，所述扩束棱镜和所述缩束棱镜均镀有增透膜。

其中，所述缩束棱镜和所述MEMS微镜可由一大尺寸MEMS微镜(限 制因子大于1.5)替代，位于所述准直透镜的后焦平面。

本发明由于利用多模光纤(或者少模光纤)输出和棱镜扩束来实现平 顶和窄带的光谱响应，能够取得插入损耗低、结构简单、成本低等有益效 果；由于利用MEMS微镜来实现波长调谐，能够取得调谐范围大、性能稳 定、无串扰等有益效果。本发明的基于MEMS的可调谐平顶窄带型光学滤 波器，能够同时满足大调谐范围、窄带宽、平顶响应的要求，并且结构简 单、性能稳定、适合批量生产，可广泛应用于DWDM系统中的波长下路探 测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于MEMS的可调谐平顶窄带型光学滤波 器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于MEMS的可调谐平顶窄带型光学滤波 器中双芯光纤准直器的内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的棱镜整形原理示意图；

图4为本发明实施例提供的光栅的色散分光；

图5为本发明实施例提供的返回光场在输出尾纤内的模式激发；

图6为多模光纤输出模式下，仿真滤波谱线随输出尾纤芯径a的变化；

图7为少模光纤输出模式下，仿真滤波谱线随输出尾纤芯径a的变化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的可调谐平顶窄带型光学滤波器基于MEMS，以单 模光纤输入，多模光纤(或者少模光纤)输出，可实现平顶和窄带的光谱 响应；是一种大调谐范围、窄带宽、平顶响应、低成本的光学滤波器。

本发明实施例中，基于MEMS的可调谐平顶窄带型光学滤波器包括有 沿光路依次设置的双芯光纤准直器、扩束棱镜、透射式相位光栅、缩束棱 镜和MEMS微镜，其中，双芯光纤准直器采用单模光纤作为输入尾纤、多 模光纤(或者少模光纤)作为输出尾纤，通过改变MEMS微镜的转角来实 现波长调谐。双芯光纤准直器的输入/输出尾纤端面位于准直透镜的前焦平 面，MEMS微镜位于准直透镜的后焦平面。双芯光纤准直器为基于C-Lens 的双芯光纤准直器。透射式相位光栅采用利特罗自准形式装配，即中心波 长光束的衍射角与入射角相等。扩束棱镜和缩束棱镜通过镀制增透膜来减 小光能的损耗。缩束棱镜和MEMS微镜可由一大尺寸MEMS微镜(限制因 子大于1.5)替代，位于准直透镜的后焦平面。

工作时，通过调节MEMS微镜的转角使得不同波长的光信号输出，实 现可调谐滤波功能。MEMS微镜的基本工作原理就是通过静电(或磁力) 的作用使可以活动的微镜面发生转动或平动，从而改变输入光的传播方向， 本领域普通技术人员都知道如何去调节MEMS微镜的转角，在此不再赘述 其具体调节过程。

本发明由于利用多模光纤(或者少模光纤)输出和棱镜扩束来实现平 顶和窄带的光谱响应，能够取得插入损耗低、结构简单、成本低等有益效 果；由于利用MEMS微镜来实现波长调谐，能够取得调谐范围大、性能稳 定、无串扰等有益效果。本发明的基于MEMS的可调谐平顶窄带型光学滤 波器，能够同时满足大调谐范围、窄带宽、平顶响应的要求，并且结构简 单、性能稳定、适合批量生产，可广泛应用于DWDM系统中的波长下路探 测。

本发明的主要思想是采用多模光纤(或者少模光纤)作为输出端，以 达到滤波通带平坦化的目的；由于不同波长会产生不同的x轴向偏移： Δx(λ)＝-2MfΔθ，而多模光纤(或者少模光纤)的芯径较大，对于接近中心 波长的波长的损耗不会因为较小的偏移量而增加太多，故可以实现滤波通 带平坦化。

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此 处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅附图1，该可调谐平顶窄带型光学滤波器结构的具体实施例中，包 括有沿光路依次设置的双芯光纤准直器1、扩束棱镜2、透射式相位光栅3、 缩束棱镜4和MEMS微镜5，其中透射式相位光栅3可以采用利特罗自准形式 装配，扩束棱镜2和缩束棱镜4均可以为直角棱镜，调整装配角保证光束入 射/出射角β＝arcsin(nsinα)，使得中心波长光束从其直角面垂直出射/入射。

相位光栅采用利特罗自准形式，可达到最大的衍射效率；也可以采用 其他形状的棱镜整形，但为了加工方便，简单确定扩束比(压缩比)，一 般采用直角棱镜并保证光束垂直于直角面出射/入射。

附图2为双芯光纤准直器的结构示意图。双芯光纤准直器1包括输入尾 纤6、输出尾纤7、容纳输入/输出尾纤的双孔管8和C-Lens准直透镜9。输入/ 输出尾纤6和7的端面位于C-Lens准直透镜9的前焦平面，MEMS微镜5位于 C-Lens准直透镜9的后焦平面，此时整个光学系统的损耗将降到最小。

附图1中，从单模光纤6输入的DWDM光信号进入双芯光纤准直器1，变 成准直光束，经扩束棱镜2扩束后，被透射式相位光栅3色散分光，再经缩 束棱镜4压缩后，入射至MEMS微镜5，只有垂直入射的信道光信号才能沿 原路返回至双芯光纤准直器1，从多模光纤(或者少模光纤)7输出。通过 改变MEMS微镜5的转角，就可以输出不同波长的信道光信号，实现可调谐 滤波功能。

从扩束棱镜2出来的光束在透射式相位光栅3上的入射角由式(1)给 出(1)；其中λ_c为信号光的中心波长(1550nm)，d为光栅常 数(采用的光栅线对数为966l/mm，即d＝1/966mm)。

从双芯光纤准直器1输入的光束经扩束棱镜2扩束后入射至透射式相位 光栅3，以保证光栅的色散分辨率；再经缩束棱镜4压缩后入射至MEMS微 镜5，以保证光束半径与微镜尺寸相匹配(限制因子大于1.5)。棱镜整形原 理如附图3所示，对于顶角为α、材料折射率为n的直角棱镜，光束从棱镜直 角面垂直出射，则光束入射角β＝arcsin(nsinα)，此时棱镜的扩束比为 将附图3中的扩束棱镜水平翻转即可得到缩束棱镜。

作为本发明的一个实施例，扩束棱镜2和缩束棱镜4可通过镀制增透膜 来减小光能的损耗。

作为本发明的另一个实施例，缩束棱镜4和MEMS微镜5可由一大尺寸 MEMS微镜(限制因子大于1.5)替代，位于C-Lens准直透镜9的后焦平面。

下面通过光线追迹并结合光纤内的模场耦合特性来分析滤波器的光谱 特性：

单模光纤6的端面出射的光场可近似为如下归一化高斯场： (2)；式中ω为高斯光束的模场半径，r为极坐标下的 极径。

从扩束棱镜2出来的高斯光束经透射式相位光栅3衍射后仍为高斯分 布，其光栅方程与均匀平面波的相同。如附图4所示，波长λ与中心波长λ_c的衍射角之差Δθ(λ)可表示为(3)；式中d为光栅常数，θ_c为中心波长λ_c的衍射角。

透射式相位光栅3、缩束棱镜4和MEMS微镜5的作用等效于入射高 斯场2Δθ(λ)的角向失配(实际上，缩束棱镜4和MEMS微镜5可由一大 尺寸MEMS微镜所替代，如附图4所示)。输入/输出尾纤6和7的端面至 MEMS微镜5处构成基于C-Lens准直透镜9的2f光学系统，进行光线追 迹，可求得返回至输出尾纤7端面的光场的x轴向偏移：Δx(λ)＝-2MfΔθ(4)； 式中M为扩束棱镜2的扩束比，f为C-Lens准直透镜9的焦距。

则返回至输出尾纤7端面的高斯场为： (5)；式中r、分别为极坐标下的极 径与极角。

如附图5所示，返回光场E_o将在多模光纤/少模光纤7内激发起不同的 导波模式E_j(j＝0，1，2，3......为各导模的阶数)，各模式的总耦合效率即 为滤波器的透射谱：$\eta =\underset{j}{\Sigma }{\eta }_j=\underset{j}{\Sigma }\frac{{\left|{\int \int E}_o{E}_j^{*}\mathrm{dA}\right|}^2}{\int \int {\left|E_o\right|}^2\mathrm{dA}·\int \int {\left|E_j\right|}^2\mathrm{dA}}---\left(6\right).$

经仿真分析发现：输出尾纤7的数值孔径NA对滤波谱线无明显影响， 而随其纤芯半径a减小，滤波通带会逐渐变窄。如附图6和附图7所示， 分别为采用多模光纤和少模光纤输出模式下，仿真滤波谱线随输出尾纤芯 径a的变化。

设计可调谐光学滤波器的调谐范围为1530-1570nm，进行参数优化后， 仿真结果表明，多模光纤输出、少模光纤输出两种模式下的滤波器均满足： 0.5dB带宽＞0.1nm，25dB带宽＜0.7nm，能够很好地用于50GHz DWDM系 统中的波长下路探测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。