CN108732744A - 一种mems可调光滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种MEMS可调光滤波器，是一种基于MEMS微镜和滤光片的可调光滤波器，该可调光滤波器包括以光路依次连接的MEMS微镜(4)、滤光片(5)、透镜(3)、反射镜(8)。本发明通过旋转MEMS微镜，可以改变入射到滤光片上的光线角度，从而改变滤光片输出的光波长，达到滤波的目的；通过级联滤波片，在实现精细光谱输出的同时，还可以实现输出光谱带宽的灵活可调，级联的方式有滤光片直接级联，也有级联可调光滤波器模块；有效地利用了MEMS微镜的旋转角度，光路设计紧凑。

Description

一种MEMS可调光滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，尤其涉及一种基于MEMS技术的可调光滤波器

背景技术

可调光滤波器是一种重要的光通信器件，用于滤出***所需要的波长，并将不需要的波长信号屏蔽掉，广泛应用于波分复用***、可重构光分插复用***、光性能监控、光器件测试和光电传感等领域。实现可调光滤波器的技术主要包括：马赫-曾德干涉型滤波器、基于F-P腔的滤波器、基于光栅的滤波器、基于介质薄膜的滤波器等。

随着微电机***(Miro-Electro Mechanical Systems，以下简称MEMS)和介质镀膜技术的发展，可调光滤波器逐渐形成了两种主要的技术方案，分别是方案(1)基于MEMS微镜和光栅；方案(2)基于滤光片和旋转电机，其原理分别如图1和图2所示。方案(1)中，棱镜组合1将光斑整形成所需的形状，经光栅2将不同波长的光信号在空间沿不同的角度展开，透镜3将光斑压缩至MEMS微镜4上，通过MEMS微镜4的旋转，实现不同波长光信号的输出，达到滤波的目的。方案(2)中，棱镜组合1调节光斑的形状，全反棱镜7实现光路的偏折，旋转电机6控制滤光片5的旋转，通过改变入射到滤光片5上的入射角，改变滤光片5输出的波长。方案(1)利用了MEMS微镜的小尺寸，但光栅滤波的设计增加了***的复杂度，也不利于成本降低。方案(2)中的滤光片尺寸较小，但旋转电机的尺寸较大，且成本较高。因此，上述两种方案都存在一定的缺陷。

鉴于此，克服上述现有技术存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为克服上述现有技术不足，并结合二者的技术优点，提供一种基于MEMS微镜和滤光片的可调光滤波器的技术方案。MEMS微镜可以通过旋转镜面，改变入射到滤光片上的光线角度，从而改变滤光片输出的光波长，实现输出光波长可调谐的功能。并在此基础上，进一步提出了滤光片级联的创新性设计，可以输出更精细的光谱带宽，并实现光谱带宽的灵活可调，可极大地改善可调光滤波器的性能指标。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的MEMS可调光滤波器，是一种基于MEMS微镜和滤光片的可调光滤波器，该可调光滤波器包括以光路依次连接的MEMS微镜、滤光片、透镜、反射镜。

所述MEMS微镜采用一维旋转的MEMS微镜，通过施加不同的驱动电压，可实现MEMS微镜的连续旋转，用于改变入射到滤光片上的光线的角度，进而改变滤光片的输出波长，其尺寸应满足高斯光束的变换要求。

所述滤光片采用介质镀膜的工艺，通过MEMS微镜与输入输出端口相连，用于波长调谐的输出，其尺寸为MEMS微镜旋转时，光线扫描过的空间距离。

所述滤光片通过级联，实现光谱的“游标”效应，进而在单个滤光片输出光波长的基础上，实现更为精细的光谱带宽。

所述滤光片的级联方式为：滤光片和级联滤光片保持一固定的夹角，该夹角的具体数值应由所需输出的光谱波长和带宽值决定；滤光片和级联滤光片的光线入射角不一样，分别输出不同的光谱波长和带宽，级联之后，可以输出更加精细的光谱带宽；当MEMS微镜旋转时，可同时改变滤光片和级联滤光片之上的光线入射角，但二者之间的相对角度关系会保持，输出带宽固定的光波长调谐光谱曲线。

所述透镜采用体透镜，用于实现高斯光束的耦合匹配，该透镜的尺寸应匹配滤光片的尺寸。

所述反射镜采用平面反射镜，用于实现光线的原路反射，使光线再次通过透镜、滤光片、MEMS微镜，从输出端口输出。

本发明通过级联的方式，实现精细和带宽灵活可调的光谱输出；通过增加一个MEMS微镜，单独改变级联滤光片上的入射角度，即可实现带宽可调的精细波长调谐。

本发明采用两个可调光滤波器级联的方案，具体为：滤光片和级联滤光片分别构成一个可调光滤波器模块，每个滤光片单独对应一个MEMS微镜，二者的光线入射角度独立进行调节，在实现精细光谱输出的同时，也可对带宽进行灵活调整。

本发明采用滤光片级联的结构，在实现精细光谱输出的同时，还实现输出光谱带宽的灵活可调，级联的方式有滤光片直接级联，或者有级联可调光滤波器模块。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.现有可调光滤波器的实现方案主要包括方案(1)基于MEMS微镜和光栅，方案(2)基于滤光片和旋转电机，二者的设计都存在一定的缺陷，设计较复杂，尺寸也较大，本发明提出的基于MEMS微镜和滤波片的可调光滤波器利用MEMS微镜作为改变光线角度的元件，滤光片作为波长调谐的输出元件，二者都属于小尺寸的光学元件，可有效地降低可调光滤波器的整体模块尺寸，减小设计难度；

2.旋转MEMS微镜，改变入射到滤光片上的光线角度，从而改变滤光片的输出波长，达到滤波的目的；该设计易实现滤光片的级联，光线以不同的角度入射到滤光片上面，实现光谱的二次调谐，产生光谱“游标”效应，进而实现更为精细的光谱带宽；

3.给每个滤光片单独配置一个MEMS微镜，即可单独改变每个滤光片的光线入射角度，两个滤光片之间不再具有固定的夹角关系，可在实现更为精细光谱带宽输出的同时，还可以实现光谱带宽的灵活可调；

4.本发明提出的基于MEMS微镜和滤光片的可调光滤波器，也可通过模块级联的方式使用，单独改变每个滤光片的光线入射角度，也可实现精细带宽和灵活带宽光谱的同时输出，具有较大的设计和加工灵活性。

附图说明

图1为基于MEMS微镜和光栅的可调光滤波器原理光路图。

图2为基于滤光片和旋转电机的可调光滤波器原理光路图。

图3为本发明基于MEMS微镜和滤光片的可调光滤波器原理光路图。

图4为两个滤光片级联的原理光路图。

图5为带宽固定的精细光谱输出示意图。

图6为两个可调光滤波器的级联示意图。

图7为带宽可调的光谱输出示意图。

图8为本发明另一实施例的原理示意图。

图9为本发明另一实施例的滤光片级联示意图。

图10为本发明另一实施例的可调光滤波器级联示意图。

其中：1.棱镜组合；2.光栅；3.透镜；4.MEMS微镜；5.滤光片；6.旋转电机；7.全反棱镜；8.反射镜；9.级联滤光片。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限于本发明。

本发明提供的MEMS可调光滤波器，是一种基于MEMS微镜和滤光片的可调光滤波器，其结构如图3所示，包括以光路依次连接的MEMS微镜4、滤光片5、透镜3、反射镜8，其中：

所述MEMS微镜4采用一维旋转的MEMS微镜，通过施加不同的驱动电压，可实现MEMS微镜的连续旋转，用于改变入射到滤光片5上的光线的角度，其尺寸应满足高斯光束的变换要求。

所述滤光片5采用介质镀膜的工艺，通过MEMS微镜4与输入输出端口相连，用于波长调谐的输出，其尺寸为MEMS微镜4旋转时，光线扫描过的空间距离。

所述滤光片5易通过级联，实现光谱的“游标”效应，进而在单个滤光片输出光波长的基础上，实现更为精细的光谱带宽，如图5所示。

所述滤光片5的级联方式如图4所示，具体为：滤光片5和级联滤光片9保持一固定的夹角，该夹角的具体数值应由所需输出的光谱波长和带宽值决定。滤光片5和级联滤光片9的光线入射角不一样，分别输出不同的光谱波长和带宽，级联之后，可以输出更加精细的光谱带宽，如图5所示。当MEMS微镜4旋转时，可同时改变滤光片5和级联滤光片9之上的光线入射角，但二者之间的相对角度关系会保持，可以输出带宽固定的光波长调谐光谱曲线，如图5所示。

上述MEMS微镜4和滤光片5都属于小尺寸的光学元件，可有效地降低可调光滤波器的整体模块尺寸。

所述透镜3采用体透镜，用于实现高斯光束的耦合匹配，该透镜3的尺寸应匹配滤光片5的尺寸。

所述反射镜8采用平面反射镜，用于实现光线的原路反射，使光线再次通过透镜3、滤光片5、MEMS微镜4，从输出端口输出。

本发明提供的一种基于MEMS微镜和滤光片的可调滤波器，通过旋转MEMS微镜，可以改变入射到滤光片上的光线角度，从而改变滤光片输出的光波长，达到滤波的目的。

本发明提出的滤光片级联的设计方案，在实现精细光谱输出的同时，还可以实现输出光谱带宽的灵活可调，级联的方式有滤光片直接级联，也有级联可调光滤波器模块。

本发明提供的MEMS可调光滤波器，也可以通过级联的方式，实现精细和带宽灵活可调的光谱输出。通过增加一个MEMS微镜，单独改变级联滤光片9上的入射角度，即可实现带宽可调的精细波长调谐。但在一个光路里面使用两个MEMS微镜，会极大地增加MEMS微镜的设计和加工难度，不利于本发明的产品化应用。因此，本发明重点介绍了两个可调光滤波器级联的方案，如图6所示。在此方案中，滤光片5和级联滤光片9单独对应一个MEMS微镜4，二者的光线入射角度独立进行调节，在实现精细光谱输出的同时，也可对带宽进行灵活调整，如图7所示。该方案采用两个独立的MEMS微镜，可采用目前标准的MEMS微镜产品，不会增加整体的产品难度和成本，是产品化应用的优化选择。

本发明提出的MEMS可调光滤波器还有以下几种实施方式：

实施方式1：相对于图3所示的光路，在实现波长调谐的同时，图8的整体光路更为紧凑，对称性更强，易于设计和生产。

如图8所示，光信号从输入端口进入，经过透镜3的高斯变换之后，耦合至MEMS微镜4上，通过调节施加在MEMS微镜4上的电压，旋转经过MEMS微镜4上的光线角度，改变入射到滤光片5上的光线角度，再经透镜3耦合变换至反射镜8，光线通过反射镜8原路返回，再依次经过透镜3、滤光片5、MEMS微镜4、透镜3，从输出端口输出。

实施方式2：图9所示的是基于图8的级联设计。

如图9所示，该方式的主要元件和图8所示一致，只是增加一个级联滤光片9，并和滤光片5成一个固定的夹角，产生不同的波长调谐输出，二者通过级联，实现光谱的二次滤波，可输出更为精细的光谱。

实施方式3：图10为基于图8的两个可调光滤波器级联示意图。

如图10所示，将图8所示的可调光滤波器进行级联，与图9所不同的是，模块单独级联时，可以单独改变每个滤光片的光线入射角度，二者之间没有固定的夹角关系，在输出更为精细光谱的同时，可以实现输出光谱带宽的灵活可调。

上述图8、图9和图10所实现的功能和原理与图3、图4、图6类似，此处不再赘述。此实施例光路也可在实现精细光谱输出的同时，对带宽进行灵活调整。

本发明提出的基于MEMS微镜和滤光片的技术方案，能够有效地利用MEMS微镜的旋转角度，光路设计紧凑。

虽然本发明已经详细地示出并描述了一个相关的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内，可以在形式上和细节上做出各种改变，这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种MEMS可调光滤波器，其特征是一种基于MEMS微镜和滤光片的可调光滤波器，该可调光滤波器包括以光路依次连接的MEMS微镜(4)、滤光片(5)、透镜(3)、反射镜(8)。

2.根据权利要求1所述的MEMS可调光滤波器，其特征在于所述MEMS微镜(4)采用一维旋转的MEMS微镜，通过施加不同的驱动电压，可实现MEMS微镜的连续旋转，用于改变入射到滤光片(5)上的光线的角度，进而改变滤光片的输出波长，其尺寸应满足高斯光束的变换要求。

3.根据权利要求1所述的MEMS可调光滤波器，其特征在于所述滤光片(5)采用介质镀膜的工艺，通过MEMS微镜(4)与输入输出端口相连，用于波长调谐的输出，其尺寸为MEMS微镜(4)旋转时，光线扫描过的空间距离。

4.根据权利要求1所述的MEMS可调光滤波器，其特征在于所述滤光片(5)通过级联，实现光谱的“游标”效应，进而在单个滤光片输出光波长的基础上，实现更为精细的光谱带宽。

5.根据权利要求4所述的MEMS可调光滤波器，其特征在于所述滤光片(5)的级联方式为：滤光片(5)和级联滤光片(9)保持一固定的夹角，该夹角的具体数值应由所需输出的光谱波长和带宽值决定；滤光片(5)和级联滤光片(9)的光线入射角不一样，分别输出不同的光谱波长和带宽，级联之后，可以输出更加精细的光谱带宽；当MEMS微镜(4)旋转时，可同时改变滤光片(5)和级联滤光片(9)之上的光线入射角，但二者之间的相对角度关系会保持，输出带宽固定的光波长调谐光谱曲线。

6.根据权利要求1所述的MEMS可调光滤波器，其特征在于所述透镜(3)采用体透镜，用于实现高斯光束的耦合匹配，该透镜(3)的尺寸应匹配滤光片(5)的尺寸。

7.根据权利要求1所述的MEMS可调光滤波器，其特征在于所述反射镜(8)采用平面反射镜，用于实现光线的原路反射，使光线再次通过透镜(3)、滤光片(5)、MEMS微镜(4)，从输出端口输出。

8.根据权利要求1所述的MEMS可调光滤波器，其特征在于该可调光滤波器通过级联的方式，实现精细和带宽灵活可调的光谱输出；通过增加一个MEMS微镜，单独改变级联滤光片(9)上的入射角度，即可实现带宽可调的精细波长调谐。

9.根据权利要求8所述的MEMS可调光滤波器，其特征是采用两个可调光滤波器级联的方案，具体为：滤光片(5)和级联滤光片(9)分别构成一个可调光滤波器模块，每个滤光片单独对应一个MEMS微镜(4)，二者的光线入射角度独立进行调节，在实现精细光谱输出的同时，也可对带宽进行灵活调整。

10.根据权利要求1所述的MEMS可调光滤波器，其特征在于采用滤光片级联的结构，在实现精细光谱输出的同时，还实现输出光谱带宽的灵活可调，级联的方式有滤光片直接级联，或者有级联可调光滤波器模块。