專(zhuān)利名稱(chēng)：基于mems技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可調(diào)諧光濾波器。特別是涉及一種廣泛應(yīng)用于光電子領(lǐng)域、光譜 分光儀器和傳感領(lǐng)域的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器。
背景技術(shù)：
隨著密集波分復(fù)用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系統(tǒng)的快 速發(fā)展，人們對(duì)系統(tǒng)的靈活性要求逐漸提高，可調(diào)諧光濾波器具有靈活選擇所需波長(zhǎng)的功 能，給光通信系統(tǒng)帶來(lái)了便捷，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器是一種體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的濾波器。 傳統(tǒng)的衍射光柵體積較大，在光纖通信系統(tǒng)中很少采用。隨著光柵技術(shù)的不斷發(fā)展，精 細(xì)度逐步提高，衍射光柵的性能得到了極大的改善；微機(jī)電(Micro Electro Mechanical System, MEMS)技術(shù)的日益成熟使得基于MEMS技術(shù)的光柵可調(diào)諧光濾波器的應(yīng)用逐漸擴(kuò) 大。目前，關(guān)于這種基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器的公開(kāi)報(bào)道有兩種
中國(guó)專(zhuān)利CN201096983Y，公開(kāi)了一種光柵型光可調(diào)諧濾波器。所提供的光可調(diào)諧 濾波器包括可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡，聚焦透鏡，分光元件。該可調(diào)諧濾波器的輸入端口輸入多波長(zhǎng)光 信號(hào)，經(jīng)可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡反射至聚焦透鏡，轉(zhuǎn)換成為平行光束，平行光束繼續(xù)傳播，射在光柵 平面上，經(jīng)光柵衍射產(chǎn)生色散，色散光被棱鏡的反射面反射后再經(jīng)過(guò)光柵二次衍射，經(jīng)過(guò)原 光路返回，通過(guò)光束接收器接收輸出。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)經(jīng)可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡反射后的不同角度的 入射光，通過(guò)聚焦透鏡后變?yōu)槠叫泄猓似叫泄馊肷涞焦鈻派嫌形灰?，?duì)光柵的面積要求較 大；可轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)不能達(dá)到改變光柵的入射角的目的。
美國(guó)專(zhuān)利US20080085119A1，公開(kāi)了一種基于MEMS技術(shù)和衍射光柵的可調(diào)諧光濾 波器。該可調(diào)諧濾波器包括分光元件，光束轉(zhuǎn)換透鏡組，MEMS反射鏡。入射的多波長(zhǎng)光信 號(hào)被分光元件分成單獨(dú)的波長(zhǎng)信道，經(jīng)光束轉(zhuǎn)換透鏡組后，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)MEMS反射鏡選擇反射 波長(zhǎng)信道，達(dá)到波長(zhǎng)選擇的目的。該結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)光束轉(zhuǎn)換透鏡組放在光柵后面，容易偏心， 光路比較敏感，結(jié)構(gòu)不緊湊。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在著的上述缺點(diǎn)和不足，提供 一種體積小、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，包括有沿光 路設(shè)置的輸入準(zhǔn)直器、反射鏡、聚焦透鏡、準(zhǔn)直透鏡、分光元件、反射鏡和輸出準(zhǔn)直器，所述 的反射鏡為可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡，所述的分光元件是衍射光柵，通過(guò)可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡改變衍射 光柵的入射角來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇。
所述的可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡是可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡，或?yàn)榫哂信c可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射 鏡相同功能的反射鏡。
入射光束依次通過(guò)的元件分別為輸入準(zhǔn)直器、可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡、聚焦透鏡、準(zhǔn)直透鏡、衍射光柵、反射鏡、衍射光柵、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡、輸出 準(zhǔn)直器。
所述的聚焦透鏡和準(zhǔn)直透鏡共焦，所述的可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡位于聚焦透鏡的 前焦點(diǎn)處，所述的衍射光柵位于準(zhǔn)直透鏡的后焦點(diǎn)處。
所述的所述的準(zhǔn)直透鏡與衍射光柵之間還包括擴(kuò)束元件。
所述的擴(kuò)束元件為棱鏡組，或?yàn)橥哥R組，或?yàn)榫哂欣忡R組或透鏡組功能的擴(kuò)束元 件。
所述的輸入準(zhǔn)直器之前加設(shè)一三端口環(huán)形器，所述的輸出準(zhǔn)直器之后加設(shè)一反射^Mi ο
本發(fā)明的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)和積極效果
1、有效地利用MEMS反射鏡的角度調(diào)節(jié)特性來(lái)改變衍射光柵的入射角，從而實(shí)現(xiàn) 波長(zhǎng)可調(diào)諧功能；
2、不同角度的入射光入射到光柵上的同一位置，入射光相對(duì)于衍射光柵沒(méi)有位 移，從而保證了衍射光柵的小尺寸；
3、設(shè)計(jì)合理，易于實(shí)現(xiàn)并集成，適于批量生產(chǎn)；
4、元件數(shù)目少且簡(jiǎn)單，節(jié)約成本；
5、結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。


圖1是理論計(jì)算的入射光束兩次通過(guò)衍射光柵后的譜線(xiàn)圖2(a)是入射角為50. 6°的光束通過(guò)衍射光柵后的光路圖2(b)是不同入射角的光束通過(guò)衍射光柵后的光路圖3(a)是不同角度的入射光束通過(guò)聚焦透鏡和準(zhǔn)直透鏡后的光路圖3 (b)是平行光通過(guò)聚焦透鏡和準(zhǔn)直透鏡后的光路圖4(a)是本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)示意圖4 (b)是本發(fā)明的MEMS反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)后的光路結(jié)構(gòu)圖5是本發(fā)明的第二實(shí)施例的光路結(jié)構(gòu)圖6是本發(fā)明的第三實(shí)施例的光路結(jié)構(gòu)圖。
其中
1輸入準(zhǔn)直器8 擴(kuò)束元件
2可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡9三端口環(huán)形器
3聚焦透鏡10反射鏡
4準(zhǔn)直透鏡11環(huán)形器的第一端口
5衍射光柵12環(huán)形器的第二端口
6反射鏡13環(huán)形器的第三端口
7輸出準(zhǔn)直器具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器做出詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，為理論計(jì)算的入射光束兩次通過(guò)衍射光柵后的譜線(xiàn)圖，中心波長(zhǎng)處 的光強(qiáng)度最大。
圖2(a)是入射角為50. 6°的光束通過(guò)衍射光柵后的光路圖。不同角度的衍射光 經(jīng)過(guò)反射鏡6反射后，光所走路徑不同，只有垂直于反射鏡6入射的衍射光才能原路返回。 圖2(b)是不同入射角的光束通過(guò)衍射光柵后的光路圖。不同角度的入射光經(jīng)過(guò)衍射光柵 后，總會(huì)有垂直于反射鏡6入射的衍射光能夠各自原路返回。
圖3(a)為不同角度的入射光束通過(guò)聚焦透鏡和準(zhǔn)直透鏡后的光路圖。聚焦透鏡 3和準(zhǔn)直透鏡4組成一個(gè)光束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不同角度的入射光束通過(guò)此光束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后，滿(mǎn)足 關(guān)系fltaneiZfStane^通過(guò)對(duì)fl和f2設(shè)計(jì)，便能實(shí)現(xiàn)Q1* θ 2的關(guān)系轉(zhuǎn)換。同時(shí)，通 過(guò)此轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后，不同角度的入射光匯聚于一點(diǎn)，衍射光柵5放于此點(diǎn)處，保證了不同角度 的入射光無(wú)位移地入射到衍射光柵上，從而實(shí)現(xiàn)了衍射光柵的小尺寸。Π為聚焦透鏡3的 焦距，f2為準(zhǔn)直透鏡4的焦距，θ工為經(jīng)MEMS反射鏡2反射后的光束與水平方向夾角，θ 2 為衍射光柵5的入射光束與水平方向的夾角。
圖3(b)為平行光通過(guò)聚焦透鏡和準(zhǔn)直透鏡后的光路圖。聚焦透鏡3和準(zhǔn)直透鏡 4組成一個(gè)光束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，平行光通過(guò)此光束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后，滿(mǎn)足關(guān)系wl/Π = w2/f2, wl為 入射平行光的光斑直徑，w2為出射平行光的光斑直徑。若使f2 > fl，則有w2 > wl，即入 射到衍射光柵5上的光斑增大，有利于窄帶濾波。
如圖4(a)所示，本發(fā)明的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，包括有沿光路設(shè)置 的輸入準(zhǔn)直器1、反射鏡2、聚焦透鏡3、準(zhǔn)直透鏡4、分光元件、反射鏡6和輸出準(zhǔn)直器7，其 特征在于，所述的反射鏡2為可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡，所述的分光元件是衍射光柵5，通過(guò)可轉(zhuǎn)動(dòng) 的反射鏡2改變衍射光柵5的入射角來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇。其中，所述的可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡2是 可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡，或?yàn)槠渌軌驅(qū)崿F(xiàn)同樣功能的反射鏡。
本發(fā)明的入射光束依次通過(guò)的元件分別為輸入準(zhǔn)直器1、可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡 2、聚焦透鏡3、準(zhǔn)直透鏡4、衍射光柵5、反射鏡6、衍射光柵5、準(zhǔn)直透鏡4、聚焦透鏡3、可轉(zhuǎn) 動(dòng)的MEMS反射鏡2、輸出準(zhǔn)直器7。即，從輸入準(zhǔn)直器1輸出的多波長(zhǎng)平行光束，入射到可 轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2上，經(jīng)可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2反射后，射向聚焦透鏡3，會(huì)聚于聚焦透 鏡3的焦點(diǎn)處，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)后繼續(xù)轉(zhuǎn)播至準(zhǔn)直透鏡4，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡4準(zhǔn)直后的平行光射向 與水平方向成(90-50. 6) °的衍射光柵5，經(jīng)衍射光柵5分光成衍射角各不相同的單波長(zhǎng)光 信號(hào)，這些不同角度的單波長(zhǎng)光信號(hào)繼續(xù)傳播至反射鏡6，只有垂直于反射鏡6入射的光信 號(hào)才能原路返回到輸出準(zhǔn)直器7，改變可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2的轉(zhuǎn)角就會(huì)得到不同波長(zhǎng)的 光信號(hào)。
如圖4 (b)所示，本發(fā)明的MEMS反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)后，所述的聚焦透鏡3和準(zhǔn)直透鏡4共 焦，所述的可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2位于聚焦透鏡3的前焦點(diǎn)處，所述的衍射光柵5位于準(zhǔn) 直透鏡4的后焦點(diǎn)處，聚焦透鏡3與準(zhǔn)直透鏡4組成一個(gè)光束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，不同角度的入射光 通過(guò)此光束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后，入射到光柵上的同一位置，入射光相對(duì)于衍射光柵5沒(méi)有位移。
從輸入準(zhǔn)直器1輸出的多波長(zhǎng)平行光束，入射到可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2上，可 轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2的角度轉(zhuǎn)動(dòng)后，反射光與水平方向呈不同夾角，這些不同角度的反 射光射向聚焦透鏡3后被準(zhǔn)直，繼續(xù)傳播至準(zhǔn)直透鏡4后，無(wú)位移地聚焦至與水平方向成(90-50. 6) °的衍射光柵5處，不同入射角的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)衍射光柵5分光后，垂直于反射鏡6 入射的衍射光波長(zhǎng)各不相同，經(jīng)反射鏡6反射后，就會(huì)得到不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。
本發(fā)明還可以在圖4 (a)的基礎(chǔ)上，在所述的準(zhǔn)直透鏡4與衍射光柵5之間還包括 擴(kuò)束元件8，所述的擴(kuò)束元件8或?yàn)槔忡R組，或?yàn)橥哥R組，或?yàn)槠渌軌驅(qū)崿F(xiàn)同樣功能的擴(kuò) 束元件。如圖5所示，包括有輸入準(zhǔn)直器1、可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2、聚焦透鏡3、準(zhǔn)直透鏡 4、擴(kuò)束元件8、衍射光柵5、反射鏡6和輸出準(zhǔn)直器7。從輸入準(zhǔn)直器1輸出的多波長(zhǎng)平行光 束，入射到可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2上，經(jīng)可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2反射后，射向聚焦透鏡3， 會(huì)聚于聚焦透鏡3的焦點(diǎn)處，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)后繼續(xù)轉(zhuǎn)播至準(zhǔn)直透鏡4，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡4準(zhǔn)直后 的平行光射向擴(kuò)束元件8，擴(kuò)束后的光線(xiàn)射向與水平方向成(90-50.6)°的衍射光柵5，經(jīng) 衍射光柵5分光成衍射角各不相同的單波長(zhǎng)光信號(hào)，這些不同角度的單波長(zhǎng)光信號(hào)繼續(xù)傳 播至反射鏡6，只有垂直于反射鏡6入射的光信號(hào)才能原路返回到輸出準(zhǔn)直器7，改變可轉(zhuǎn) 動(dòng)的MEMS反射鏡2的轉(zhuǎn)角就會(huì)得到不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。
本實(shí)施例中，加入擴(kuò)束元件8是為了增大衍射光柵5上的入射光斑，有利于提高基 于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器的性能。
本發(fā)明還可以在圖4(a)的基礎(chǔ)上，在所述的輸入準(zhǔn)直器1之前加設(shè)一三端口環(huán)形 器9，所述的輸出準(zhǔn)直器7之后加設(shè)一反射鏡10，使光信號(hào)多次經(jīng)過(guò)光路，濾波器濾出的光 譜更窄。如圖6所示，包括有輸入準(zhǔn)直器1、可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2、聚焦透鏡3、準(zhǔn)直透鏡 4、衍射光柵5、反射鏡6、輸出準(zhǔn)直器7、三端口環(huán)形器9和反射鏡10。多波長(zhǎng)光信號(hào)從三端 口環(huán)形器9的第一端口 11輸入至三端口環(huán)形器9的第二端口 12，從三端口環(huán)形器9的第 二端口 12輸入至輸入準(zhǔn)直器1，經(jīng)輸入準(zhǔn)直器1輸出的多波長(zhǎng)平行光束，入射到可轉(zhuǎn)動(dòng)的 MEMS反射鏡2上，經(jīng)可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡2反射后，射向聚焦透鏡3，會(huì)聚于聚焦透鏡3的 焦點(diǎn)處，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)焦點(diǎn)后繼續(xù)轉(zhuǎn)播至準(zhǔn)直透鏡4，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡4準(zhǔn)直后的平行光射向水平方 向成(90-50.6)°的衍射光柵5，經(jīng)衍射光柵5分光成衍射角各不相同的單波長(zhǎng)光信號(hào)，這 些不同角度的單波長(zhǎng)光信號(hào)繼續(xù)傳播至反射鏡6，只有垂直于反射鏡6入射的光信號(hào)才能 原路返回到輸出準(zhǔn)直器7，經(jīng)輸出準(zhǔn)直器7輸出的平行單波長(zhǎng)光信號(hào)，再經(jīng)反射鏡10垂直 原路返回，再次往返兩次經(jīng)過(guò)光路后，從三端口環(huán)形器9的第三端口 13輸出，改變可轉(zhuǎn)動(dòng)的 MEMS反射鏡2的轉(zhuǎn)角就會(huì)得到不同波長(zhǎng)的光信號(hào)。
本實(shí)施例中，加入反射鏡10是為了使入射光第二次往返經(jīng)過(guò)衍射光柵5，使得濾 波器濾出的光譜帶寬更窄。
本實(shí)施例中，多波長(zhǎng)光信號(hào)從三端口環(huán)形器9的第一端口 11輸入，從第二端口 12 輸出的光信號(hào)經(jīng)輸入準(zhǔn)直器1準(zhǔn)直后進(jìn)入光路，往返2次經(jīng)過(guò)光路后，從輸出準(zhǔn)直器7輸 出，然后經(jīng)過(guò)反射鏡10返回光路，再次往返2次經(jīng)過(guò)光路后，從三端口環(huán)形器9的第三端口 13輸出。
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，包括有沿光路設(shè)置的輸入準(zhǔn)直器(1)、反射 鏡O)、聚焦透鏡(3)、準(zhǔn)直透鏡G)、分光元件、反射鏡(6)和輸出準(zhǔn)直器(7)，其特征在于， 所述的反射鏡( 為可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡，所述的分光元件是衍射光柵(5)，通過(guò)可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射 鏡( 改變衍射光柵(5)的入射角來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，其特征在于，所述的可轉(zhuǎn) 動(dòng)的反射鏡(2)是可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡，或?yàn)榫哂信c可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡相同功能的反 射鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，其特征在于，入射光束依 次通過(guò)的元件分別為輸入準(zhǔn)直器(1)、可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡O)、聚焦透鏡(3)、準(zhǔn)直透鏡 (4)、衍射光柵(5)、反射鏡(6)、衍射光柵(5)、準(zhǔn)直透鏡(4)、聚焦透鏡(3)、可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS 反射鏡⑵、輸出準(zhǔn)直器(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，其特征在于，所述的聚焦 透鏡C3)和準(zhǔn)直透鏡(4)共焦，所述的可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡( 位于聚焦透鏡C3)的前焦 點(diǎn)處，所述的衍射光柵( 位于準(zhǔn)直透鏡的后焦點(diǎn)處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，其特征在于，所述的所述 的準(zhǔn)直透鏡(4)與衍射光柵( 之間還包括擴(kuò)束元件(8)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，其特征在于，所述的擴(kuò)束 元件( 為棱鏡組，或?yàn)橥哥R組，或?yàn)榫哂欣忡R組或透鏡組功能的擴(kuò)束元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，其特征在于，所述的輸入 準(zhǔn)直器(1)之前加設(shè)一三端口環(huán)形器(9)，所述的輸出準(zhǔn)直器(7)之后加設(shè)一反射鏡(10)。
全文摘要
一種基于MEMS技術(shù)的可調(diào)諧光濾波器，包括有沿光路設(shè)置的輸入準(zhǔn)直器、反射鏡、聚焦透鏡、準(zhǔn)直透鏡、分光元件、反射鏡和輸出準(zhǔn)直器，所述的反射鏡為可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡，所述的分光元件是衍射光柵，通過(guò)可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡改變衍射光柵的入射角來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇。所述的可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡是可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡，或?yàn)榫哂信c可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS反射鏡相同功能的反射鏡。本發(fā)明有效地利用MEMS反射鏡的角度調(diào)節(jié)特性來(lái)改變衍射光柵的入射角，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧功能，保證衍射光柵的小尺寸，易于實(shí)現(xiàn)并集成，適于批量生產(chǎn)，元件數(shù)目少且簡(jiǎn)單，節(jié)約成本，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。
文檔編號(hào)G02B26/08GK102033312SQ201010535888
公開(kāi)日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者周婷婷, 孫莉萍, 張傳斌, 楊睿, 湯風(fēng)帆, 胡強(qiáng)高, 謝卉 申請(qǐng)人:武漢光迅科技股份有限公司