專利名稱：基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器及其調(diào)諧方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)濾波技術(shù)，具體的說是涉及一種基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào) 濾波器以及采用該濾波器調(diào)諧光柵反射波長的方法
背景技術(shù)：
光學(xué)可調(diào)濾波器是一種重要的光學(xué)器件，是光通信DWDM(密集波分復(fù)用)信號傳 輸系統(tǒng)中不可或缺的光學(xué)元器件，該器件可實現(xiàn)在全光通訊網(wǎng)中通訊節(jié)點的光信號的上下 載，進行有效的光信號的調(diào)度。該器件在傳感系統(tǒng)中也有大量的應(yīng)用，它在光纖傳感系統(tǒng)中 是解調(diào)部分的核心器件，其自身也可作為光譜儀來使用。目前基于不同技術(shù)的光學(xué)掃描濾 波器，如法布里-珀羅(F-P)腔技術(shù)，聲光技術(shù)和薄膜技術(shù)以及自由空間光柵技術(shù)，均存在 不同程度的缺陷。例如聲光技術(shù)成本較高、而且其濾波器的譜線寬度較寬，一般在2nm以 上，對于一些應(yīng)用，如光通訊領(lǐng)域來說，其線寬不能達到光通訊的指標要求。而利用薄膜技 術(shù)(指利用帶通濾波器的濾波中心波長隨光的入射角的變化而偏移的特性)制成的濾波器 由于調(diào)諧時需要轉(zhuǎn)動濾波器，因此，其存在機械活動部件，需要電機轉(zhuǎn)動薄膜濾波器以獲取 相應(yīng)的波長信號，電機的長期轉(zhuǎn)動磨損影響濾波器的精度極其壽命，對于長期監(jiān)控光通訊 網(wǎng)的器件來講，其壽命是應(yīng)該重視的問題。光柵技術(shù)同樣存在機械活動部件，雖然其濾波的 帶寬可以做得較窄，但同樣也存在與薄膜技術(shù)同樣的問題，即由機械活動部件引發(fā)的壽命 和精度問題。F-P濾波器有自身的缺陷，由于F-P腔的細度有限，因此濾波器的帶寬只能做 到納米量級，不能滿足光通訊領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)技術(shù)中的光學(xué)濾波器存在的缺陷，提出 一種新型的基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器以及采用該濾波器調(diào)諧光柵反射波長 的方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可 調(diào)濾波器，沿光路依次包括隔離器、第一透鏡、起偏器、寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器、第二透 鏡、光波導(dǎo)，所述寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器與入射光線呈45°角放置，在寬帶半反半透介 質(zhì)膜濾波器的正下方依次設(shè)置第三透鏡、光探測器，所述光探測器連接探測器接收裝置、探 測器接收裝置連接顯示裝置。進一步，所述光波導(dǎo)包括兩個相互串聯(lián)且具有不同的布喇格反射波長的光柵。進一步，該光學(xué)可調(diào)濾波器還包括設(shè)置在寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器和第二透鏡 之間的帶通介質(zhì)膜濾波器。進一步，該光學(xué)可調(diào)濾波器還包括加熱控制器，所示加熱控制器對光波導(dǎo)上的光 柵進行加熱。進一步，所述加熱控制器包括溫度檢測裝置和兩個電加熱器，每一個電加熱器對 應(yīng)一個光柵。
進一步，所述電加熱器采用在光柵的周圍蒸鍍金屬電極的方式制成。進一步，所述偏振器采用C-polarizer。基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器的調(diào)諧方法，對于折射率隨溫度變化分別為大于零和小于零的兩類不同物質(zhì)，即折射率隨溫度變化系數(shù)存在為正或為負兩種情況。 其調(diào)諧方法也不同，現(xiàn)分別敘述。包括以下步驟a.在常溫下，當(dāng)即折射率隨溫度變化系數(shù)為負時，調(diào)節(jié)帶通介質(zhì)膜濾波器的特性 曲線，使得第一個光柵的反射波長λ 1位于特性曲線的中間位置，第二個光柵的反射波長 λ 2位于特性曲線的長波截止端；首先加熱第一個光柵，使該光柵掃描，由λ 1掃描至特性 曲線的低頻截止位置λ s，持續(xù)加熱，使其反射波長停留在λ s;然后加熱第二個光柵，使其 反射波長由λ 2移動至λ 1，完成一個調(diào)諧循環(huán)。b.在常溫下，當(dāng)折射率隨溫度變化系數(shù)為正時，調(diào)節(jié)帶通介質(zhì)膜濾波器的特性曲 線，使得第一個光柵的反射波長λ 1位于特性曲線的短波截止端，第二個光柵的反射波長 λ 2位于特性曲線的中心位置；首先加熱第二個光柵，使該光柵掃描，由λ 2掃描至長波截 止端λ L，持續(xù)加熱，使其反射波長停留在XL;然后加熱第一個光柵，使其反射波長由λ 移動至λ 2，完成一個調(diào)諧循環(huán)。本發(fā)明的有益效果是采用兩個不同布喇格反射波長的光柵串聯(lián)使用，調(diào)諧范圍 寬，不存在機械活動部件，穩(wěn)定性好，由于光波導(dǎo)器件可使用半導(dǎo)體工藝制成，其體積小，熱 容量小，較小的加熱功率即可完成波長調(diào)諧，因此其功耗小。


圖1為實施例中的光學(xué)可調(diào)濾波器的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為dn/dT < 0時的帶通介質(zhì)膜濾波器光譜和光柵反射譜；圖3為dn/dT > 0時的帶通介質(zhì)膜濾波器光譜和光柵反射譜。圖1中，10為光纖，20為第一透鏡，30為隔離器，50為C-PolariZer，60為第三透 鏡，70為顯示裝置，80為光探測器，90為探測器接收裝置，100為寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波 器，130為第二透鏡，200為光波導(dǎo)，300為加熱控制器，500為帶通介質(zhì)膜濾波器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的描述。本發(fā)明針對傳統(tǒng)技術(shù)中的光學(xué)濾波器存在的缺陷，提出一種新型的基于平面集成 光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器以及采用該濾波器調(diào)諧光柵反射波長的方法。該濾波器可調(diào)諧范 圍寬、功耗小且不存在機械活動部件、穩(wěn)定性高。本發(fā)明是基于光波導(dǎo)上的光柵在熱調(diào)制下 發(fā)生的布喇格反射波長變化的原理，結(jié)合自由空間光學(xué)器件制成的光學(xué)可調(diào)濾波器。在平面光波導(dǎo)上光刻布喇格光柵，在光柵的周圍蒸鍍金屬電極使之成為電加熱 器。使用電加熱器加熱光柵，其折射率將發(fā)生變化，而折射率的變化就會導(dǎo)致其反射波長的 移動，這就是光學(xué)可調(diào)濾波的原理。為了擴大調(diào)諧范圍，本發(fā)明使用了兩個具有不同的布喇 格反射波長的光柵，串聯(lián)使用。每一個光柵對應(yīng)一個電加熱器，這樣每一個光柵都可以完成 一部分調(diào)節(jié)范圍，兩個光柵串聯(lián)起來可以將調(diào)節(jié)范圍擴大一倍，實現(xiàn)較大范圍的光波長調(diào) 諧。
由于兩個光柵具有不同的反射波長，為了解決這一問題，我們在光波導(dǎo)前加入一 個帶通介質(zhì)膜濾波器，通過調(diào)節(jié)其特性曲線，使得在某一時刻只有一個光柵的反射波長通 過濾波器，而另一個光柵的反射波長通過加熱的調(diào)制方法，移到帶通介質(zhì)膜濾波器的特性 曲線之外，從而實現(xiàn)單一波長反射。布喇格光柵的反射波長遵循公式AB = 2Neff*A ；
Δ Neff ^ (dn/dT) * Δ T其中，Neff表示有效折射率，Λ表示柵格常數(shù)，dn/dT表示折射率隨溫度變化系 數(shù)。λ B為反射光柵的布拉格波長，△ T表示加熱所導(dǎo)致的溫度變化?？梢詮墓街锌闯?，布喇格反射波長隨有效折射率Neff及柵格常數(shù)Λ變化而變 化，但是柵格常數(shù)的變化比起有效折射率Neff的變化通常要小上兩到三個數(shù)量級，且有效 折射率Neff的變化與溫度變化是緊密相關(guān)的，因此本發(fā)明正是利用了該特性完成波長調(diào) 諧。實施例如圖1所示，本例中的基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器，沿光路依次包括 隔離器30、第一透鏡20、偏振器、寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器100、第二透鏡130、光波導(dǎo) 200，所述寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器100與入射光線呈45°角放置，在寬帶半反半透介質(zhì) 膜濾波器100的正下方依次設(shè)置第三透鏡60、光探測器80，所述光探測器80連接探測器接 收裝置90、探測器接收裝置90連接顯示裝置70。所述光波導(dǎo)200包括兩個相互串聯(lián)且具 有不同的布喇格反射波長的光柵(圖中未顯示)。該光學(xué)可調(diào)濾波器還包括設(shè)置在寬帶半 反半透介質(zhì)膜濾波器100和第二透鏡130之間的帶通介質(zhì)膜濾波器500以及用于對光波導(dǎo) 200上的光柵進行加熱的加熱控制器300。偏振器采用C-polarizer 50，加熱控制器300包 括溫度檢測裝置和兩個電加熱器，每一個電加熱器對應(yīng)一個光柵。其工作原理是待測信號由光纖10輸入，經(jīng)隔離器30后由第一透鏡20進行準直。 該光束的偏振態(tài)是隨機的，為使其具有單一的偏振態(tài)，在準直光線之后，通過一個光學(xué)偏振 器件C-polarizerfO，該器件將任意偏振光轉(zhuǎn)換成為在空間上有一微小距離的兩束相同偏 振態(tài)的光，即TE模式。出射光經(jīng)由45°角放置的寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器100后，再經(jīng) 由帶通介質(zhì)膜濾波器500，使需要測量的波段通過，不在測量波段的光作為雜光經(jīng)一個小角 度反射出去。經(jīng)由帶通介質(zhì)膜濾波器500出射的光線由第二透鏡130耦合進入擁有兩個光 柵的光波導(dǎo)200。假設(shè)第一個光柵和第二個光柵的在常溫下的反射波長分別為λ 1、λ 2，當(dāng)dn/dT < 0，即折射率隨溫度變化系數(shù)為負時，調(diào)節(jié)帶通介質(zhì)膜濾波器500的特性曲線，使得第一 個光柵的反射波長λ 1位于特性曲線的中間位置，第二個光柵的反射波長λ 2位于特性曲 線的長波截止端，參見圖2 ；首先加熱第一個光柵，使該光柵掃描，由λ 1掃描至特性曲線的 低頻截止位置λ s，持續(xù)加熱，使其反射波長停留在λ s;然后加熱第二個光柵，使其反射波 長由λ 2移動至λ 1，完成一個調(diào)諧循環(huán)；當(dāng)dn/dT > 0，即折射率隨溫度變化系數(shù)為正時， 調(diào)節(jié)帶通介質(zhì)膜濾波器500的特性曲線，使得第一個光柵的反射波長λ 1位于特性曲線的 短波截止端，第二個光柵的反射波長λ 2位于特性曲線的中心位置；首先加熱第二個光柵， 使該光柵掃描，由λ 2掃描至長波截止端λ L，持續(xù)加熱，使其反射波長停留在XL;然后加 熱第一個光柵，使其反射波長由λ 移動至λ 2，完成一個調(diào)諧循環(huán)。
這樣，在整個 調(diào)諧過程中，對于寬帶光源的入射，保證始終只有一個波長反射。因 此，通過對光柵的分別加熱和控溫，從而完成了從λ 到λ 2的波長調(diào)諧過程。由光波導(dǎo) 200反射的光信號原路返回，經(jīng)第二透鏡130、帶通介質(zhì)膜濾波器500、寬帶半反半透介質(zhì)膜 濾波器100反射經(jīng)由第三透鏡60聚焦，聚焦后的光信號由光探測器80探測到，并被探測器 接收裝置90接收，然后送入顯示裝置70，給出原始數(shù)據(jù)及繪圖，完成波長顯示。
權(quán)利要求
基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器，其特征在于沿光路依次包括隔離器、第一透鏡、偏振器、寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器、第二透鏡、光波導(dǎo)，所述寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器與入射光線呈45°角放置，在寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器的正下方依次設(shè)置第三透鏡、光探測器，所述光探測器連接探測器接收裝置、探測器接收裝置連接顯示裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器，其特征在于所述光 波導(dǎo)包括兩個相互串聯(lián)且具有不同的布喇格反射波長的光柵。
3.如權(quán)利要求2所述的基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器，其特征在于該光學(xué) 可調(diào)濾波器還包括設(shè)置在寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器和第二透鏡之間的帶通介質(zhì)膜濾波ο
4.如權(quán)利要求3所述的基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器，其特征在于該光學(xué) 可調(diào)濾波器還包括加熱控制器，所示加熱控制器對光波導(dǎo)上的光柵進行加熱。
5.如權(quán)利要求4所述的基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器，其特征在于所述加 熱控制器包括溫度檢測裝置和兩個電加熱器，每一個電加熱器對應(yīng)一個光柵。
6.如權(quán)利要求5所述的基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器，其特征在于所述電 加熱器采用在光柵的周圍蒸鍍金屬電極的方式制成。
7.如權(quán)利要求1至6任意一項所述的基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器，其特征 在于所述偏振器采用C-polarizer。
8.基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器的調(diào)諧方法，其特征在于包括以下步驟a.在常溫下，當(dāng)折射率隨溫度變化系數(shù)為負時，調(diào)節(jié)帶通介質(zhì)膜濾波器的特性曲線，使 得第一個光柵的反射波長λ 1位于特性曲線的中間位置，第二個光柵的反射波長λ 2位于 特性曲線的長波截止端；首先加熱第一個光柵，使該光柵掃描，由λ 1掃描至特性曲線的低 頻截止位置λ s，持續(xù)加熱，使其反射波長停留在λ s;然后加熱第二個光柵，使其反射波長 由λ 2移動至λ 1，完成一個調(diào)諧循環(huán)；b.在常溫下，當(dāng)折射率隨溫度變化系數(shù)為正時，調(diào)節(jié)帶通介質(zhì)膜濾波器的特性曲線， 使得第一個光柵的反射波長λ 1位于特性曲線的短波截止端，第二個光柵的反射波長λ 2 位于特性曲線的中心位置；首先加熱第二個光柵，使該光柵掃描，由λ 2掃描至長波截止端 λ L，持續(xù)加熱，使其反射波長停留在XL;然后加熱第一個光柵，使其反射波長由λ 移動 至λ 2，完成一個調(diào)諧循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)濾波技術(shù)。本發(fā)明針對傳統(tǒng)技術(shù)中的光學(xué)濾波器存在的缺陷，提出一種新型的基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器，其技術(shù)方案的要點是基于平面集成光子學(xué)的光學(xué)可調(diào)濾波器，沿光路依次包括隔離器、第一透鏡、偏振器、寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器、第二透鏡、光波導(dǎo)，寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器45°角放置，在寬帶半反半透介質(zhì)膜濾波器的正下方依次設(shè)置第三透鏡、光探測器，光探測器連接探測器接收裝置、探測器接收裝置連接顯示裝置。此外，本發(fā)明還公開了采用該濾波器調(diào)諧光柵反射波長的方法。本發(fā)明采用兩個不同布喇格反射波長的光柵串聯(lián)使用，調(diào)諧范圍寬，不存在機械活動部件，穩(wěn)定性好，功耗小，適用于光學(xué)濾波。
文檔編號G02B6/124GK101968577SQ20101028496
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者李若林, 樊文俊, 王江 申請人:四川馬爾斯科技有限責(zé)任公司