具有成形棱鏡的可調(diào)干涉濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有成形棱鏡的可調(diào)干涉濾波器。將傳統(tǒng)干涉可調(diào)濾波器與一對成形棱鏡組合以在與光束傳播的方向正交并與可調(diào)濾波器的旋轉(zhuǎn)軸正交的方向上放大圓形輸入光束。擴展的程度被定制以最小化由在可調(diào)濾波器的腔中的連續(xù)反射產(chǎn)生的離散損失。通過適當?shù)貙Ψ糯笳{(diào)整大小，由成形棱鏡產(chǎn)生的大體橢圓的光束在通過可調(diào)濾波器后包括足夠的反射光束，以產(chǎn)生與在可能要求實質(zhì)上更大的輸入光束的傳統(tǒng)濾波器中基本上相同的濾波器輸出。優(yōu)選地，輸入光束首先被轉(zhuǎn)換為相同偏振狀態(tài)的兩個平行光束。兩個光束然后被棱鏡擴展并且被可調(diào)濾波器處理。
【專利說明】具有成形棱鏡的可調(diào)干涉濾波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及可調(diào)干涉濾波器的一般領(lǐng)域，并且更具體地，涉及具有改進的透射效率的可調(diào)濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002]可調(diào)干涉濾波器是在光學系統(tǒng)中、特別是在光通信系統(tǒng)中的廣泛使用的構(gòu)件，在該光學系統(tǒng)中，以不同的光波長(信道)沿著相同的光路來傳送信息。為了取得在特定信道中包含的信息，需要在光譜上分離信號波長。類似地，為了向光學信息流添加特定信道，需要光譜地添加特定波長。這在原理上使用各種光學濾波器來實現(xiàn)，該光學濾波器通過輸入光的在預(yù)定光譜范圍內(nèi)的至少一部分，并且反射(停止)該光的在另一個光譜范圍內(nèi)的至少一部分。
[0003]本領(lǐng)域中已知多種可調(diào)光學濾波器，最基礎(chǔ)的一種是通過在適當?shù)囊r底上沉積薄膜堆疊而制作的簡單的薄膜濾波器。幾乎所有的窄帶薄膜光學濾波器至少部分地取決于干涉來用于它們的操作。因此，通過濾波材料的固有光學屬性(諸如折射率、反射率、透射率、吸收率)的混和并且通過它們的幾何布置(例如，厚度)來確定這樣的濾波器的光譜特性。
[0004]通常，干涉濾波器是多層薄膜裝置，并且波長選擇基于相消的光干涉的屬性。這是法布里-珀羅干涉儀的操作所基于的相同原理。入射光通過每對被涂敷的反射表面。在反射涂層之間的距離確定哪些波長相消地干涉，并且哪些波長同相并且將最后通過涂層。輸入光束在每對涂層之間被來回反射多次。在濾波器的輸出側(cè)上，如果這些反射光束同相，則光通過反射表面。另一方面，如果該多個反射不同相，則相消干涉將通過裝置的這些波長的透射降低為接近零。這個過程強烈地衰減在高于或低于感興趣的波長的波長下的透射的光強度。
[0005]通常的干涉濾波器的多層結(jié)構(gòu)由電介質(zhì)隔離器材料組成，該電介質(zhì)隔離器材料限定了在反射平行表面之間的間隙；反射薄膜層的堆疊至少在間隙的一側(cè)上限定。隔離器具有在期望的峰值透射波長處的二分之一波長的倍數(shù)的厚度，由此在該波長處產(chǎn)生相長干涉和透射。堆疊和隔離器的組合包括單腔通帶濾波器。然而，因為單腔通帶濾波器在通帶和通帶外波長之間不顯示陡峭的過渡，所以慣例是將幾個腔依序分層放置為多腔濾波器設(shè)計，以將截止銳化，并且減小帶外波長的透射率。
[0006]可以簡單地通過改變輸入光束的入射角(相對于濾波器的表面的法線限定和測量)而實現(xiàn)在這樣的可調(diào)濾波器中的濾波功能的光譜調(diào)諧(或濾波器的通帶/阻帶的峰值波長的光譜移位)。輸入光的入射角的變化最容易通過薄膜濾波器相對于入射光的物理旋轉(zhuǎn)而實現(xiàn)。
[0007]如圖1中示意地圖示的，當輸入光I關(guān)于入射平面的法線N的入射角Θ不是零時，在標準具結(jié)構(gòu)內(nèi)反射的通帶光產(chǎn)生順序的移位，該順序的移位使得許多能量被引導到第一透射光束的截面之外(所謂的“離散(walk-off)”效應(yīng))。為了方便，貫穿本公開，將單腔濾波器用于示例，并且提供笛卡爾坐標系作為基準。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員容易明白，整個公開等同地適用于多腔濾波器。
[0008]窄帶干涉濾波器的透射波長是在隔離器內(nèi)的光束的角度的余弦函數(shù)。λ Θ = AOc
os ( Θ ),(I)
[0009]其中，Θ是在隔離器層中的光束角度；λ 0分別是當在隔離器層中的光束角度是零時和當它是Θ時的透射波長。在隔離器層內(nèi)的這個光束角度可以通過斯涅耳定律與入射角(AOI)相關(guān)，
[0010]n。sin ( Φ) =ne sin ( Θ ),(2)
[0011]其中，n。是空氣的折射率，ne是隔離器的有效折射率。Φ是在空氣中的Α0Ι，并且Θ是在隔離器中的光束角度。因此，波長隨著AOI而改變，并且它在垂直入射處最大，當AOI增大時減小。在接近零度的入射角處，透射波長被影響較小，但是在較大的Α0Ι，諸如20度或更大，透射波長可以對于在AOI中的每一角秒改變而移位一個微微米(在通常在本領(lǐng)域中使用的1525nm_ 1565nm的低音頻帶(bassband)范圍處)。
[0012]理想地，由輸入光I產(chǎn)生的所有反射光束在隔離器間隙中相長地干涉，并且在透射中作為單個輸出光束T共線地通過。然而,在大的入射角處,在兩個相鄰的透射光束之間的離散變得顯著，并且隨后的反射產(chǎn)生在輸出中不被考慮的透射光束，如圖1中所示，這大大地影響濾波器輪廓。如果累積的離散大于光束大小，則這些透射光束將在輸出空間中不重疊，并且失去它們對于相長干涉過程的貢獻。因此，當AOI大時，離散大小與光束直徑的比率變?yōu)樾枰蛔钚』闹匾獏?shù)。如果光束大小太小，則濾波器的性能變差，即，濾波器形狀(即，通帶的頻率透射輪廓)差，并且插入損失增大。因此，為了降低在離散對于濾波器性能的影響，已經(jīng)使用大的光束大小(大約或大于2mm)作為在本領(lǐng)域中的必需。例如，2mm的光束可以提供充分的多光束干涉的條件，以顯著地降低對于1，525至1，565nm的通帶在20度或更大的入射角處離散對于濾波器形狀的影響。
[0013]另外，因為在大的入射角處，P和S偏振狀態(tài)的透射功能很不同，所以優(yōu)選的是，使用偏振轉(zhuǎn)換器來將入射光束劃分和轉(zhuǎn)換為具有相同偏振狀態(tài)的兩個平行光束。如在美國專利N0.6，909，549中所述。這使得濾波器能夠接收輸入光束的實質(zhì)上全部的輻射能量。如果入射光束具有直徑為例如2_的圓形高斯分布，則由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的兩個平行光束的距離應(yīng)當略大于2mm，以便產(chǎn)生必要的分離。因此,濾波器的面積必須至少是2X4mm (而不考慮濾波器的邊緣效應(yīng))。另外，準直器(產(chǎn)生入射光束)、偏振轉(zhuǎn)換器和濾波器需要在大小上相應(yīng)地匹配。結(jié)果，它們的組合大小不僅很龐大，而且要求在大面積上具有均勻的性能的大濾波器，這是難以實現(xiàn)的。
[0014]鑒于上述情況，需要一種可調(diào)濾波器結(jié)構(gòu)，其允許使用較小的輸入光束，而沒有如上所述的有害的離散效果。本方面提供了基于成形棱鏡的革新性使用的實用解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明基于傳統(tǒng)干涉可調(diào)濾波器與成形棱鏡組件的組合，該成形棱鏡組件在與光束傳播的方向正交并與可調(diào)濾波器的旋轉(zhuǎn)軸正交的方向上放大圓形輸入光束。擴展的程度被定制以最小化由在可調(diào)濾波器的腔中的連續(xù)反射產(chǎn)生的離散損失。通過適當?shù)貙⒃摲糯笳{(diào)整大小，由成形棱鏡產(chǎn)生的大體橢圓的光束在通過可調(diào)濾波器后將包括足夠的反射光束，以產(chǎn)生使用傳統(tǒng)濾波器和實質(zhì)上較大的輸入光束可以實現(xiàn)的基本上相同的濾波器輸出。
[0016]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，輸入光束首先被轉(zhuǎn)換為相同偏振狀態(tài)的兩個平行光束。兩個光束然后被棱鏡組件擴展并且被可調(diào)濾波器處理。
[0017]通過在隨后的說明書中的本發(fā)明的描述和在所附的權(quán)利要求中具體指出的新穎特征，各種其他優(yōu)點將變得清楚。因此，為了實現(xiàn)如上所述的目的，本發(fā)明由在以下附圖中圖示、在優(yōu)選實施例的詳細說明中充分說明并且在權(quán)利要求中具體指出的特征組成。然而，這樣的附圖和說明僅公開了可以實施本發(fā)明的各種方式中的僅一些。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1示意地示出了單腔干涉可調(diào)濾波器，用于說明當輸入光束以非零入射角撞擊時由在腔內(nèi)的連續(xù)反射產(chǎn)生的離散。
[0019]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的偏振轉(zhuǎn)換器、成形棱鏡組件和窄帶干涉濾波器的組合的正視示意圖。
[0020]圖3是圖2的可調(diào)濾波器的透視示意圖。
[0021]圖4是在被設(shè)計用于產(chǎn)生特定輸出的傳統(tǒng)可調(diào)濾波器的光具組的不同位置處的光束大小和該濾波器所需的對應(yīng)的最小尺寸的圖示。
[0022]圖5是在根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)濾波器的光具組的不同位置處的光束大小，該可調(diào)濾波器被設(shè)計用于產(chǎn)生圖4的傳統(tǒng)濾波器的大體相同的輸出。
【具體實施方式】
[0023]術(shù)語“變形(anamorphic)”在本領(lǐng)域中用于指示有意畸變的光學協(xié)同性，諸如沿著垂直軸產(chǎn)生不等的放大率的變形透鏡。這樣，變形成形棱鏡已經(jīng)被用于改善光束的形狀，諸如將二極管激光束的橢圓輸出圓形化。它們的結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的光學功能是本領(lǐng)域中公知的。例如參見由索雷博(Thorlabs)作為零件PS872-B或由愛特蒙特光學(Edmund Optics)作為零件NT47-244銷售的變形棱鏡對。
[0024]本發(fā)明基于下述思想:將這樣的棱鏡組件與現(xiàn)有的干涉可調(diào)濾波器技術(shù)組合，以便將在一個方向上的輸出光束的大小提高到用于包括足夠的透射反射以保持輸出輪廓的期望的質(zhì)量所需的程度。由于光束擴展，可以利用比使用傳統(tǒng)系統(tǒng)配置產(chǎn)生相同結(jié)果所需的整體大小小得多的整體大小來實現(xiàn)可調(diào)濾波器的可接受的性能。
[0025]因此，可以使用一對變形棱鏡來通過將輸入光束在與傳播方向垂直并與可調(diào)濾波器的旋轉(zhuǎn)軸垂直的方向上擴展的方式來改變輸入光束的形狀，由此將通常圓形的激光束轉(zhuǎn)換為橢圓光束。濾波器大小被定制以適應(yīng)擴展光束的大小。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，諸如在Z方向上行進的圓形激光束I的向可調(diào)濾波器的輸入光束首先通過偏振轉(zhuǎn)換器10，以產(chǎn)生在相同方向上行進的兩個等同地偏振的平行光束，如圖2中所示(其中，兩個光束位于X-Z平面上；因此，僅示出一個光束)。以傳統(tǒng)方式使用一對棱鏡12、14以在Y方向上將兩個平行光束擴展至被認為是為了濾波器輸出光束包括足夠數(shù)量的反射干涉以產(chǎn)生可接受的濾波器形狀所需的程度。然后，以傳統(tǒng)方式通過濾波器16處理擴展的一對光束。注意，濾波器通過圍繞軸X旋轉(zhuǎn)而可調(diào)諧，該軸X與在本說明書中使用的坐標系中的X軸平行。[0027]圖3以透視圖圖示相同的布置。輸入光束I與由偏振轉(zhuǎn)換器10產(chǎn)生的平行光束I’和I”在它們擊中棱鏡組件12、14之前具有圓形。變形棱鏡在Y方向上擴展該光束，同時在X方向上保持光束大小，如所示的。因此，輸出光束IY’和IY”變?yōu)榇篌w橢圓的光束。例如,0.6mm的圓形光束可以在Y方向(橢圓的長軸或橫徑)上被擴展為2.0mm,并且在X方向(橢圓的短軸或共軛直徑)上保持0.6mm的寬度。
[0028]如圖1中所示，當濾波器16圍繞其旋轉(zhuǎn)軸X (垂直于紙張并且與坐標X軸平行)旋轉(zhuǎn)時，沿著Y方向出現(xiàn)離散。因此，如本發(fā)明所教導地，通過使用成形棱鏡組件而在Y方向上擴展光束，濾波器的輸出相當小地被離散影響。例如，通過將0.6mm圓形光束擴展為2.0mm(例如，以因子3)，濾波器有效地作為使用2.0mm圓形輸入光束工作的傳統(tǒng)濾波器。然而，這樣的傳統(tǒng)濾波器不僅需要2.0mm的輸入光束，而且需要大得足以處理這樣的光束的轉(zhuǎn)換器和相稱大小的濾波器，如圖4中所示。通過結(jié)合本公開的成形棱鏡，可以使用小得多的輸入光束(在直徑上1/3)、類似地較小的轉(zhuǎn)換器和也在大小上為僅1/3的可調(diào)濾波器來獲得相同的輸出，如圖5中所示。因此，本發(fā)明提供很期望的微型化，并且具體地說，它允許使用較小的濾波器面積，這提高了濾波器的均勻性和性能。
[0029]在密集波分復用(DWDM)應(yīng)用中，濾波器的阻帶的寬度是關(guān)鍵參數(shù)，因為較寬的阻帶可以從相鄰的信道向發(fā)送信道內(nèi)泄漏功率，并且因此，它可以影響性能。例如，50G DffDM系統(tǒng)具有大于20GHz的通帶帶寬，其在1528nm波長處等同于具有大于156pm的通帶帶寬(或小于623pm的阻帶帶寬)。在1568nm波長處，對應(yīng)的帶寬分別是164pm和656pm。該標準阻帶帶寬要求難以以大的入射角在濾波器中實現(xiàn)，因為多個反射光束的相消干涉確定了阻帶帶寬。當濾波器定位在大角度處時，干涉因為光束離散而變得不完整。該不完整的干涉可以導致在透射輪廓上的改變，特別是相對于阻帶帶寬。在極端情況下，當離散大于光束大小時，反射的光束將不再與干涉重疊。
[0030]對于在等于例如零度的AOI處的濾波器，阻帶的寬度(在20dB)在1568nm波長處是0.41nm。在大AOI處,透射波長從1568nm移位到1528nm。使用被設(shè)計用于圓形0.6mm截面的輸入光束的傳統(tǒng)可調(diào)濾波器獲得的阻帶(在20dB)的寬度變?yōu)?.63nm。該寬度可以僅滿足通常的阻帶寬度規(guī)格要求，但是沒有任何容限。相反，使用相同的濾波器，通過根據(jù)本發(fā)明結(jié)合一對成形棱鏡以將輸入光束在Y方向上擴展為2mm而獲得的阻帶的寬度(在20dB)被從0.63nm減小為0.54nm。該比較示出了在通過擴展光束而產(chǎn)生的阻帶濾波器輪廓上的顯著改善。
[0031]雖然已經(jīng)以被相信是最實用和優(yōu)選實施例而示出和描述了本發(fā)明，但是認識到，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)從其做出偏離。例如，已經(jīng)按照變形棱鏡描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員容易明白，可以使用諸如具有變形柱狀透鏡的望遠鏡的其他變形光學系統(tǒng)來實現(xiàn)本發(fā)明。因此，本發(fā)明不限于在此公開的細節(jié)，并且要符合權(quán)利要求的完整范圍，以便涵蓋任何和全部等同設(shè)備和方法。
【權(quán)利要求】
1.一種干涉可調(diào)濾波器，包括: 偏振轉(zhuǎn)換器，所述偏振轉(zhuǎn)換器從輸入光束產(chǎn)生兩個平行光束，所述平行光束具有相同的偏振狀態(tài)； 變形光學系統(tǒng)，所述變形光學系統(tǒng)接收所述平行光束，并且將它們擴展以產(chǎn)生擴展光束；以及 干涉可調(diào)濾波器，所述干涉可調(diào)濾波器接收所述擴展光束； 其中，通過所述變形光學系統(tǒng)在與所述平行光束的傳播方向正交并與所述可調(diào)濾波器的旋轉(zhuǎn)軸正交的方向上擴展所述擴展光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)濾波器，其中，所述變形光學系統(tǒng)是棱鏡組件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)濾波器，其中，所述棱鏡組件包括兩個棱鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)濾波器，其中，所述輸入光束是大體圓形的激光束，并且所述擴展光束是大體橢圓的。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)濾波器，其中，所述輸入光束是具有大約0.6_直徑的大體圓形的激光束，并且所述擴展光束是具有大約2mm擴展橫徑的大體橢圓的光束。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)濾波器，其中，所述變形棱鏡組件包括兩個棱鏡，所述輸入光束是具有大約0.6mm直徑的大體圓形的激光束，并且所述擴展光束是具有大約2mm擴展橫徑的大體橢圓的光束。
7.在包括產(chǎn)生兩個平行光束的偏振轉(zhuǎn)換器和接收所述平行光束的干涉濾波器的干涉可調(diào)濾波器中，改進包括: 變形棱鏡組件，所述變形棱鏡組件擴展所述平行光束以產(chǎn)生擴展光束； 其中，所述擴展光束在與所述平行光束的傳播方向正交并與所述可調(diào)濾波器的旋轉(zhuǎn)軸正交的方向上擴展。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可調(diào)濾波器，其中，所述變形棱鏡組件包括兩個棱鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可調(diào)濾波器，其中，所述輸入光束是大體圓形的激光束，并且所述擴展光束是大體橢圓的。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可調(diào)濾波器，其中，所述輸入光束是具有大約0.6_直徑的大體圓形的激光束，并且所述擴展光束是具有大約2mm擴展橫徑的大體橢圓的光束。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可調(diào)濾波器，其中，所述變形棱鏡組件包括兩個棱鏡，所述輸入光束是具有大約0.6mm直徑的大體圓形的激光束，并且所述擴展光束是具有大約2mm擴展橫徑的大體橢圓的光束。
12.一種利用干涉可調(diào)濾波器濾波光束的方法，所述方法包括下面的步驟: 將輸入光束轉(zhuǎn)換為具有相同的偏振狀態(tài)的兩個平行光束； 將所述平行光束擴展以產(chǎn)生擴展光束；并且 利用干涉可調(diào)濾波器來濾波所述擴展光束； 其中，所述擴展光束在與所述平行光束的傳播方向正交并與所述可調(diào)濾波器的旋轉(zhuǎn)軸正交的方向上擴展。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，利用兩個變形棱鏡來執(zhí)行所述擴展步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述輸入光束是大體圓形的激光束，并且所述擴展光束是大體橢圓 的。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述輸入光束是具有大約0.6mm直徑的大體圓形的激光束，并且所述擴展光束是具有大約2mm擴展橫徑的大體橢圓的光束。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，利用兩個變形棱鏡來執(zhí)行所述擴展步驟，所述輸入光束是具有大約0.6mm直徑的大體圓形的激光束，并且所述擴展光束是具有大約2mm擴展橫徑的大體 橢圓的光束。
【文檔編號】G02B27/09GK103913852SQ201210592627
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月31日
【發(fā)明者】謝永杰 申請人:捷迅光電有限公司