可调谐光学滤波器 本发明涉及到用于光通信系统中的可调谐光滤波器。
普通的光通信系统包括一些通过光纤波导互相连接的空间分布节点。承载信息的光辐射通过波导传递以在各节点之间传送信息。本发明所说的光辐射是指波长基本上在150纳米至5微米范围内的电磁辐射。
信息往往按波分复用(WDM)的方式调制到光辐射上，就是说，信息被细分成一些信道，每个信道被调制到相应光辐射波长的范围内。举例来说，当采用1.5微米波长的光辐射时，与各信道有关的波长范围可以相继隔开0.8纳米的距离。光辐射滤波器一般用于将与特定信道相关的辐射隔离开来的系统中。
当系统不能重新配置时，其中的光学滤波器在制造时就设定在特定信道的辐射波长。但是对于通信系统能重新配置的要求在不断增加，这种系统就需要包含至少能在几个信道范围内可调谐光学滤波器。
虽然大家都知道机械可调谐的光辐射滤波器(例如在实验或天文波谱仪中)，但一般认为这些滤波器用在现代光通信系统中太昂贵，不可靠，笨重，而且速度慢，现代光通信系统中在各信道间进行选择(例如当重新配置节点时)，需要作频繁的调谐调整。此外，大家都清楚，当对精密机械作频繁的调节时会出现磨损问题，从而产生机械回差而限制调节的精度。因此，在光通信系统中一般都采用热调谐光辐射滤波器和电子可开关光学滤波器。
在美国专利5,459,799中描述了一种用于WDM多路复用通信系统中的可调谐光学滤波器。此滤波器包括一个串联反射光栅装置；每个光栅用来阻止与它相关的对应信道的波长范围的辐射。另外，这些光栅加工成能阻挡互相不同地信道，使得滤波器通常可操作成能阻止包括输入到该装置的WDM辐射的所有信道。每个反射光栅都有一个电极或加热元件用来使它解调；加到电极或各元件上的控制信号可将与其光栅相关的波长范围移动，从而不与透过该串联装置有选择地传输的一个或几个希望的信道相重合。这种布置的缺点是不能连续调谐，而只能按相应于其光栅的辐射阻止频带宽度的离散波长梯级进行转换。如果包含这种滤波器的通信系统以后要升级的话(这时要求波长梯级更细，例如信道波长间隔从0.8纳米减至0.3纳米)，这种离散的梯级就将是一种限制。另外，为了获得细的调谐分辨率，串联装置需要有许多反射光栅，这使得装置的制造复杂而成本高。
本发明人认为，光通信系统希望装有可连续调谐或至少是按足够细的波长梯级调谐的滤波器，以应付系统的将来升级要求。另外，与传统的光通信系统设计的做法不同，本发明人认为可采用机械光学滤波器来为将来的光通信系统提供可以接受的性能，特别是可以将回差减至可容许的程度。
根据本发明的第一方面，提供了一种可调谐的光学滤波器，它包括：将接收到的光辐射束滤波的光学滤波装置，它具有空间不均匀的光学滤波特性；光束形成装置，用来接收滤波器上的光输入辐射并将输入辐射形成辐射束，同时还用来接收与滤波装置发生过光学相互作用的束以形成输出辐射用于从滤波器输出，这个滤波器的特征在于它还包括：驱动装置，用以相对于辐射束可控制地移动滤波装置以选择滤波装置的优选滤波特性，此驱动装置包括：一个螺旋驱动元件，其螺纹具有前面和后面；一个互补螺纹接收元件，它与驱动元件的前面和后面弹性地接合以减小回差，此接收元件与滤波装置相连，以便响应驱动元件相对于接收元件的旋转相对于辐射束移动滤波装置。
本发明的一个优点是能把光学滤波器中的回差减至足够低的水平，使该滤波器能用于可重新配置的光通信系统中。
所谓回差是指与机构运动方向有关的调节不精确度，这个机构运动没有受到能补偿调节不精确度的弹性偏置力的作用。
通常为减小回差，接收件包含相互弹性偏置的第一和第二元件，以便与驱动件的前和后螺纹面相接合。在前和后侧面上都施上一个弹性偏置力能保证滤波器内的回差被消减。
驱动件最好包含一个可旋转安装的螺纹轴，以及第一和第二元件，第一和第二元件包括与所述轴相接合的第一和第二螺纹区，第一区与滤波装置机械上相连，第二区被限制在相对于第一区基本不变的角度方向。这种装置使得对后和前螺纹侧面的接合度增强，特别当滤波器的机构在使用中受到磨损时。
希望采用容易获得的零件来制造滤波器以降低成本。因此，最好在第一和第二区之间装一个弹性元件使得它们能相互弹性偏置。简单的方法是在第一和第二区之间装一个弹簧(例如螺纹旋弹簧)使它们能被相互弹性偏置。或者也可采用弹性聚合材料等来做弹性元件。
为了在旋转方向限制第二区相对第一区的位置，最好把第二区做成一个螺母，它包含一个或几个凸出部分，以与和第一区的机械相连的至少一个表面滑动地接合。
为了大大简化采用上述第一和第二螺纹区的滤波器结构，最好把螺纹接收件做成柔顺元件，其中有一个尺寸偏小的孔用来接收螺纹驱动件。这种结构将使所需要的元件数量大大减少，但采用整体的柔顺接收件比采用上述弹性偏置的第一和第二螺纹件可能磨损得更快。用弹性聚合物材料来加工这种柔顺件将很方便。
当螺纹接收件是一个整体元件时，最好用下面一种或几种材料来加工“尼龙6-6，聚四氟乙烯(PTFE)，聚乙二醇，聚环氧乙烷和聚乙烯。这些材料具有吸收滤波器内的回差所必需的柔顺性。
为方便起见，执行装置应包含一个马达，用来控制螺纹驱动件的旋转；和一个电子控制组件，用来接收滤波器的控制信号并按此信号驱动马达。马达可以是一个或几个步进马达，直流马达和线性马达。步进马达基本上是数字装置，其适合于与光通信系统内其它数字电路连接。
为让通信系统监测滤波器的调谐状态，该滤波器最好包含有传感装置，用它来测量滤波装置相对于辐射束的空间位置。此传感装置使与滤波器相连的通信系统能建立一个包含传感装置和步进马达的位置反馈环路，以使滤波器随动处在优选的设定位置上。为降低制造成本，传感装置最好包含一个电位计，其输出电压根据滤波装置相对于辐射束的运动而改变。不过，都知道电位计在长期使用后会磨损，因而噪声大且不可靠。为解决这个磨损问题，传感装置最好装有一个光学编码器，它与滤波装置机械上相连，用来测量滤波装置相对于辐射束的空间位置。
滤波装置最好是一个多层光学校准器结构，其层厚或组成在空间上是变化的，以提供不均匀的光学滤波特性。校准器能提供特殊的比较窄的滤波特性，这种特性是为分隔与通信系统中特定信道相应的辐射所必需的。
或者最好把滤波装置作成衍射光栅结构，其光栅的周期在空间上是变化的，以提供不均匀的光学滤波特性。
希望滤波装置在工作时相对于辐射束的位置牢固不变，使得滤波器不怎么受振动和外界环境的影响。因此，最好把滤波装置安装在一个由机械导轨限定的工作台上，以根据执行装置的机械驱动相对于辐射束基本上按直线轨迹运动。
现在参照以下各图用实例来描述本发明的一些具体实施例，其中：
图1是按本发明一个实施例的机械调谐光辐射滤波器的平面示意图；
图2是图1所示滤波器的侧视示意图；
图3是图1和2所示滤波器中的螺母组件的侧视图；
图4是图3所示螺母组件的端视图；
图5是图3和4所示螺母组件的展开图；
图6是用在图1和2所示滤波器中另一种螺母组件的示意图；
图7是用于图1和2所示滤波器中另外一种螺母组件的示意图。
现在来看图1和2，这里示出的是一个机械调谐光学滤波器10。滤波器10包括一个外壳20(带盖子25)，一个用螺钉与外壳20相连的安装部件30，相互平衡安装的机械导轨40、50，其间有一个可动工作台60安装在导轨40，50中形成的精密机加工槽65内。部件30中有一个步进马达70，其可旋转的螺纹轴80处在与导轨40、50纵轴平行的方向并位于两导轨中间。工作台60包括一个与它相固定的螺母组件90，螺母组件与轴80的螺纹部分相接合。工作台60还包含一个凸出部分100，它与横向位置传感器110相连，传感器110相对于座30和导轨40，50按固定位置和方向安装在壳体20上。滤波器10还包含一个电子控制电路120，它通过接口总线125与安装滤波器10的光通信系统的其它部件(未示)相连。电路120通过驱动总线与马达70相耦合，并通过传感器总线与位置传感器110相耦合。
工作台60还包含一个光学滤波器板130，制造过程中在板上淀积了一些光学层，起光学校准器的作用。这些层的配置使得其厚度沿板130在空间呈锥形，因而板130的传输响应表现为其传输波长沿板130在空间上变化。或者可以把这些层加工成具有空间变化的组成，以提供沿板130空间上有变化的传输响应。板130安装在滤波器10内的工作台60上，故其纵轴平行于工作台60在壳体20内运动的方向，如图中箭头140所示。板130的加工方法是本领域技术人员熟悉的。
板130也可以包括一个衍射光栅结构而不是一些光学层，光栅结构的光栅周期在空间上沿其长度是不均匀的。
滤波器10包括第一和第二镜子150，160，它们以相对于导轨40，50和安装部件30为固定的空间位置分别安装在壳体20上。镜子150，160的方位被确定成使得它们的反射面相对于箭头140所示的方向成45°角，也即对导轨40，50的长轴基本成45°角。滤波器10还包含一个输入光学界面170，用来接收从第一光纤波导180来的辐射并在工作时输出一个相应的第一自由空间辐射束190；和一个输出光学界面200，用来在工作时接收第二自由空间辐射束210并将它作为辐射耦合到第二光纤波导230内。
应该指出，在其它形式的滤波器10中，可以用其它类型的马达来代替步进马达70，例如用一个或几个直流马达，线性马达或螺线管马达来带动螺纹轴80。
现在参照图1和2来描述滤波器10的工作。包含由几个信道的辐射分量的输入辐射沿着光纤波导180被导向光界面170。界面170使该输入辐射变成第一辐射束190，传向第一镜子150的反射面。第一镜子150将它接收到的辐射反射成第三辐射束240，辐射束240传向板130；第三辐射束240在板130的一个区域被垂直地接收。第三束240中与通过板130这个区域传输的波长范围相对应的辐射分量穿过板130传向第二镜子160并被它接收。第二镜子160将它接收到的辐射反射成第二束210，第二束210通过收集它的光学界面第二光学界面200并聚焦在第二光纤波导230内，然后继续传播。
将工作台60相对于镜子40，50作横向移动，可使板130的优选选定区接收第三束240，从而对滤波器10进行调谐。位置传感器110检测出工作台60相对于镜子150、160的位置，也就是相对于第三束240的位置，由此显示滤波器10被调谐到的波长。利用步进马达70转动轴80可使工作台60相对于第三束240运动。马达70的功率由控制电路120提供，控制电路根据通过接口总线125从通信系统(未示)接收到的控制指令确定轴80应该转动多少节距。另外，控制电路120也可以操作成接收从传感器110来的位置检测信号，并将它处理成适当的数字形式以经由接口总线125输出给系统。通过对经过处理的位置检测信号的监控，系统可以把滤波器10调谐到一个优选的波长。
对于低成本的应用场合，可以很方便地采用一个电位器来制成传感器110，因为此时工作台60的位置精度要求不那么高。为要求很高的位置检测精度时，传感器110可以是用莫尔干涉条纹计数技术等的光学传感器，或者是光学编码器。
本发明人开发的螺母组件90基本上是没有回差的。回差的减小增加了调节的精度和滤波器10的光学调谐的准确性。另外，这种螺母组件90还能调节轴80的螺纹的磨损，因而在一定程度上增加了滤波器10的可靠性，使它优于前述电子调谐滤波器，而在将来的光通信系统中长期使用好几年。
现在参照图3和4来对螺母组件90作进一步的描述。此螺母组件90包括一个与工作台60相固定的组件壳体，它包含一个第一螺母区300，其中有螺纹孔用于与螺纹轴80相接合。组件壳体两个横侧面还有两个槽310，在槽310之间还有一个圆形长条空腔区320，如图4所示。第一螺母区300形成于空腔区320的一端。壳体可用青铜，铝，或不锈钢等材料制造，在其上铣出空腔区320和槽310，并形成第一螺母区300的孔和相应的螺纹。
组件90还包括一个第二螺母330，其中有一个中心螺纹孔用于与轴80相接合。螺母330上有两个凸出部分340，它们与槽310滑动接合。在第一螺母区300和第二螺母330之间的空腔区320内装有一个螺旋压缩弹簧350。
工作时弹簧350保持在压缩状态，从而施加一个基本不变的偏置力将第一和第二螺母300，330分开。由于两个螺母300，330都和螺纹轴80相接合并保持一个不变的相对角向方位且相互分开，当轴80相对于螺母300，330和工作台60转动而使工作台60在外壳20中运动时，偏置力基本上保持不变。
必须指出，在其它形式的滤波器10中，弹簧350可以用其它类型的弹性元件来代替，例如，可以用一个弹性件在螺母300，330之间提供一个斥力或吸力以消减回差。
凸出部分340最好在槽310中精确配合，例如回差不大于25微米。这各精确配合可以保证当马达70使轴80的放置方向反向时，凸出部分340碰上槽310的侧壁所引起的振动不会造成板130的扰动而使滤波器10的光学性能变坏。
由弹簧350产生的使螺母300，330相互排斥的偏置力对减小滤波器10中的回差是有效的。另外，这个力还能补偿轴80的螺纹以及与轴80接合的螺线300，330的螺纹所产生的磨损。
需要的话，螺旋弹簧350可以用其它类型的柔顺元件来代替，只要它能施加一个力使螺母300，330相互分离；例如，可以用一个可压缩的弹性聚合物套筒来替代弹簧350。
螺母组件90的优点在于为消减回差提供了一个基本不变的力。也可以通过使工作台相对于外壳20弹性偏置而使回差减小，而不必依靠螺母组件90，例如可以在工作台60和外壳20之间设置一个压缩弹簧。工作台60相对于外壳20的这种弹性偏置有一个缺点，就是外壳20和工作台60间产生的力随着工作台60相对于外壳20的运动而变化，因而轴80的螺纹的磨损比用螺母组件90时更不均匀。
现在参照图5来对螺母组件90的工作作进一步的详细描述。弹簧350产生一个推力F1，将第一螺母300接合在轴80螺纹的后螺旋面上，如410所示。此外，弹簧350也产生一个相应的推力F2，该力将第二螺母330接合在轴80螺纹的前螺旋面上，如400所示。通过与前边缘和后边缘的弹性接合，大大减小了滤波器10中的回差。
可以对组件加以改变的简化其制造。一种替代的组件90示于图6，其中与轴80接合的第二螺母500的外形为直线。组件90的另一种壳体510包含一个矩形空腔，用来滑动地安装第二螺母500。空腔可用铣削加工制成。此外，当第二螺母500装好后，可将一个可移动的支持板520用螺纹拧进壳体510内，以防止第二螺母500在工作时产生横向运动。
组件90还可以象图7那样进一步简化。螺母组件可以作成一个柔顺的聚合物部件600，其固定在工作台60上，部件600上有一个螺纹孔用于与轴80的螺纹相接合。由于部件600具有柔顺性，故能有效地在轴80螺纹的前螺旋面和后螺旋面弹性接合。因此，上述的第一和第二螺母300，330被有效地合并成部件600的形式，同时此部件的材料提供弹性偏置力以接合到螺纹面上。制造时确保用来安装轴80的部件600中的孔稍小一些是很重要的，这样可让轴80和部件600在工作时得到弹性接合；倘若孔太大，回差就会很明显。
部件600最好用以下的弹性聚合物中的一种或几种加工而成：尼龙6-6，聚四氟乙烯(PTFE)，聚乙二醇，聚环氧乙烷和聚乙烯。
也可以用金属或金属合金来加工部件600，例如用不锈钢，青铜或铝，同时在轴80的螺纹上共形地覆上一层柔顺的聚合物，以与用来安装轴80的部件600的孔中形成的相应螺纹的前面和后面产生弹性接合。但当采用这种替代装置时，其制造公差需要比图1至4所示的螺母组件90的公差控制得更为精确。
应该指出，本领域技术人员可以对滤波器10进行很多改变而不超出本发明的范围。例如，轴80的螺纹及第一和第二螺母300，330的互补螺纹可以是正弦形的横截面。另外，螺纹也可以是矩形截面，而且在其前面和后面上带一层柔顺聚合物(如PTFE)。
上面已经指出，如采用具有单个螺母的螺母组件90与轴80相接合，同时在轴80和螺母的螺纹之间添加黏性填充剂(如石油脂，油或润滑粉)来填满间隙空间，并不是使滤波器10中回差减小的一种满意的解决方案；这种黏性填充剂在滤波器10的使用中可以重新分布，从而当马达70接到指令要将工作台60移至一个优选位置时，工作台60在壳体20内的位置不具有重复性，这种不可重复性表现为回差。
前面所述的轴80本身是被马达70中的圆片簧等而产生弹性偏置的，因而轴80没有相对于导轨40，50和外壳20的轴向线性回差。
虽然上面所述的滤波器10包含工作台60，其上载有光学滤波器板130，光学滤波器板130相对于第三束240是被直线驱动的，但应指出，可以把滤波器10改成其工作台60是一个旋转件，通过轴80相对于它的转动而旋转。轴80的螺纹可将互补结构接合到该旋转件上，而旋转件可与螺纹的前和后面相接合。
上面所述在第一螺母300，330之间的弹性偏置力是由螺旋弹簧350提供的，以保证螺母300，330弹性接合到轴80的前和后螺纹侧面上。在另一种滤波器10的实施例中，可以不用弹簧350而采用磁性元件来将力加到螺母300，330上，以保持与轴80的弹性接和。可以把磁性元件按需要安装成产生吸力或斥力。此外，磁性元件可以由一种或几种永磁材料和电磁铁构成。
也可以用静电方法产生弹性力来将螺母300，330弹性接合到轴80上。