CN100397123C - 具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器 - Google Patents

Abstract

一种具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，包括：一基片；一第一布拉格反射镜，该第一布拉格反射镜制作在基片上，该第一布拉格反射镜是滤波器的下反射镜；一腔体，该腔体制作在第一布拉格反射镜上，该腔体是滤波器的腔体，决定着滤波器的工作波长；一加热器，该加热器制作在腔体上，用于加热腔体，改变腔体的折射率，从而改变滤波器的工作波长；一第二布拉格反射镜，该第二布拉格反射镜制作在加热器上，该第二布拉格反射镜和上述第一布拉格反射镜构成一对，形成Fabry-Perot腔结构，从而具有波长选择作用。

Description

具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器

技术领域

本发明涉及一种光通讯用的滤波器，特别地涉及一种便于光耦合的多台阶构成的平顶窄带热光调谐法布里-珀罗(Fabry-Perot)滤波器。

背景技术

在光通信网络中，可调谐滤波器用来构成各种解复用器，将复用在一起的光区分开来；将这种可调谐滤波技术应用到激光器和探测器上可以实现密集波分复用(DWDM)系统中重要的可调谐光源和接收器；新一代全光网络的关键器件光上下路器也可以由这种滤波器构成。由此可见，可调谐滤波器成为全光网络和D WDM系统中不可缺少的重要器件。滤波器在光网络中的应用包括对信道光的区别检测，对滤波器除了要求窄带、可调谐外，还希望它是平顶响应的。因为信道光是尖峰波，在实际传输中波长不可避免地会发生漂移，由于Fabry-Perot滤波器是尖峰响应的，当信道光发生波长漂移时，要想很快调谐并对准信道光不是很容易。如果Fabry-Perot滤波器具有平顶响应，则上述问题可以解决，因为只要信道光的尖峰落入平顶范围内都是有效的。因此，具有平顶响应的Fabry-Perot滤波器提高了对信道光检测的快速性和准确性。

2002年5月15日提交的名称为“Narrow-bandtunable filter with multi-cavity structure of flat-topand steep-edgefrequency response”的欧洲专利申请CN1349318号中提出了一种具有平顶和陡峭带边响应的窄带可调谐滤波器，该滤波器的输入和输出端由两个自聚焦透镜来形成，三个平行腔结构在输入和输出端之间，腔的两个壁是合适的反射膜，三个平行腔结构中两侧是介质腔，中间是空气腔，并且空气腔的间距是可调节的。该发明的滤波器可以克服传统滤波器中带宽不够窄以及调谐功能差的缺点。但是，由于这种滤波器包含作为输入和输出端的两个自聚焦透镜和平行多腔结构，并且平行多腔的至少一个是空气腔，因此滤波器的结构和调谐机制相对复杂，不能满足实用化系统应用的小型化可兼容集成的需求。

2001年12月19日提交的名称为“OPTICALFILTER”的欧洲专利申请CA 2344003号中提出了一种具有透镜的光学滤波器，其中透镜具有两个输入端口以及与两个输入端口光通信的两个输出端口，一个部分反射面与透镜的端面光学耦合，另一个反射面与部分反射面相隔距离“d”以在两个反射面之间形成光腔。转换器用于改变两个反射面之间的距离“d”。两个输入端口放置在离透镜光轴不同的径向距离，使得当分开的光束进入两个输入端口时，分开的光束通过反射面之间的具有不同光程长度的光路。该发明的滤波器提供基本上平顶的窄带输出响应。显然，该滤波器需要具有两个输入端口和输出端口的特殊透镜，并且要求分开的光束分别进入离透镜光轴不同径向距离的两个输入端口，因此这种滤波器的结构相对复杂，不能满足实用化系统应用的小型化可兼容集成的需求。此外，两个输入端口离透镜光轴的径向距离的控制以及使用转换器改变反射面之间的距离不是特别容易，从而只能获得基本上平顶的输出响应。

在文献Electronics Letters，Volume：26，Issue：14，Pages：1073-1074(1990)中描述了一种具有平顶和陡峭带边响应的三反射镜、全光纤Fabry-Perot滤波器。该器件是III型结构的，具有对称的三个反射镜，其中两个外侧反射镜以及两个半腔的长度是相同的。中间反射镜具有反射率R₀＝99.0％+0.1％，每个端镜具有反射率R₁≈89％，接近于临界关系：R_0c＝4 R₁/(1+R₁)²。两个半腔通过同步斜坡电压以压电方式驱动。对于WDM应用，这种滤波器优于两反射镜Fabry-Perot滤波器，具有更加平顶和陡峭的带边。但是，这种滤波器结构是复杂的，要求分别形成对称的三个反射镜，其中两个外侧反射镜的反射率相同并与中间反射镜的反射率满足临界关系。此外，这种滤波器的平顶响应中间处的下降比较大，大约是最大透射率的20％，因此只是基本上实现平顶。而且，这种器件不易与其他光子器件集成以实现各种复杂功能，从而不能满足实用化系统应用的小型化可兼容集成的需求。

2004年我们小组申请的平顶和陡峭带边响应的窄带热光调谐Fabry-Perot滤波器专利中，其Fabry-Perot腔由两个台阶构成，台阶上面和台阶下面分别代表着两种不同的腔长，即对两个波长具有选择透过作用，这两个光响应谱叠加后形成良好的平顶及调谐性能，但在光耦合时存在一定困难。就此，我们提出了多台阶的设计思想，Fabry-Perot腔由正方形网格构成，其边长远小于光纤的芯径，这样保证了来自光纤的入射光照射到两个部分的面积相等，从而便于光纤的对准与耦合。

本发明所揭示的滤波器，它将Fabry-Perot腔分成不同厚度的两个部分，由正方形网格构成。由于正方形网格的边长远小于光纤的芯径，使得来自光纤的入射光通过器件的通光窗口照射到Fabry-Perot腔的两个部分的面积基本上相同。由于Fabry-Perot腔的两个部分具有不同的光学厚度，光束在Fabry-Perot腔的两个部分中经过的光程不同，被选择通过的光的波长不同，从而两种波长的光被选择通过而其他波长成分被阻隔。Fabry-Perot的两个部分的厚度差(Δ)可以选择设置，使得器件具有平顶的输出响应。

众所周知，可以通过提高反射镜的反射率来压窄Fabry-Perot腔的带宽以获得好的波长选择性，也可以增加Fabry-Perot腔的长度来压窄带宽。在本发明的器件中，使用SOR专利技术将薄片Si材料低温键合到下反射镜上，经减薄抛光获得几十微米量级的较厚的Fabry-Perot腔，从而获得很窄的带宽。

本发明的器件采用由金属或合金制成的加热器，该加热器在Fabry-Perot腔在下反射镜上形成并被分成具有不同厚度的两个部分之后，在Fabry-Perot腔上形成，随后在上反射镜已经形成之后，被刻出两个电极。通入电流后，加热器提供热量使Fabry-Perot腔被加热，热光效应引起腔体折射率增大，从而达到调谐响应波长的目的。

本发明的器件通过将Fabry-Perot腔分成具有不同厚度两个部分来实现平顶的输出响应。从下文的公式可以知道，希望获得好的平顶输出响应所需的该两个部分的厚度差Δ与上下反射镜中的介质层的数量有关。  本发明利用较厚的Fabry-Perot腔，从而只需要上下反射镜中较少的介质层，来获得窄的带宽和陡峭带边。更重要的是，由于上下反射镜中包含较少的介质层，所以获得平顶响应所需的厚度差Δ容易实现，并具有足够的裕度，对加工精度并不要求特别苛刻。本发明提出的方案工艺简单，实现容易，可靠性高，性能良好，并且器件容易与其他有源或无源光子器件集成以实现各种复杂功能。

发明内容

本发明的目的在于，提出了一种具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，。

本发明一种具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，包括：

一基片；

一第一布拉格反射镜，该第一布拉格反射镜制作在基片上，该第一布拉格反射镜是滤波器的下反射镜；

一腔体，该腔体制作在第一布拉格反射镜上，该腔体是滤波器的腔体，决定着滤波器的工作波长，该腔体分成第一厚度和第二厚度，而这两种不同厚度的腔由多个正方形网格构成；

一加热器，该加热器制作在腔体上，用于加热腔体，改变腔体的折射率，从而改变滤波器的工作波长；

一第二布拉格反射镜，该第二布拉格反射镜制作在加热器上，该第二布拉格反射镜和上述第一布拉格反射镜构成一对，形成法布里—珀罗腔结构，从而具有波长选择作用。

其中正方形网格为测试光纤，该测试光纤为单模光纤，正方形网格的边长为2微米至5微米。

其中所述的第一厚度为30-40微米。

其中所述的第二厚度比第一厚度小6-12纳米。

其中所述的第一厚度和第二厚度的部分的厚度差通过刻蚀方法来实现。

其中所述的加热器制作有电极和电阻。

其中所述的电极和电阻都由同一金属制成。

其中所述的电阻的电阻为5-50欧姆。

其中滤波器的输出响应的3dB带宽为0.7纳米。

其中滤波器的调谐范围为23纳米，响应时间大于300微秒。

附图说明

为进一步说明本发明器件的结构，下面结合实施例对本发明器件作详细描述，其中：

图1是本发明器件的俯视图；

图2是本发明器件的剖视图；

图3是本发明器件的上反射镜的反射率波长响应曲线；

图4是本发明器件的下反射镜的反射率波长响应曲线；

图5是本发明器件的简化原理图；

图6是说明本发明器件输出响应的波谷处的相对透射率对Fabry-Perot腔厚度的关系曲线；

图7是说明本发明器件输出响应的波峰处的相对透射率对Fabry-Perot腔厚度的关系曲线；

图8是本发明器件的输出响应的起伏度对Fabry-Perot腔厚度的关系曲线；

图9是本发明器件的典型输出响应。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明一种具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，包括：

一基片10；

一第一布拉格反射镜20，该第一布拉格反射镜20制作在基片10上，该第一布拉格反射镜20是滤波器的下反射镜；

一腔体30，该腔体30制作在第一布拉格反射镜20上，该腔体30是滤波器的腔体，决定着滤波器的工作波长，其中所述的腔体30分成具有第一厚度31和第二厚度32，而这两种不同厚度的腔由多个正方形网格构成，该正方形网格为测试光纤，该测试光纤为单模光纤，正方形网格的边长为2微米，最大至5微米，该第一厚度31为30-40微米，该第二厚度32为6-12纳米；该第一厚度31和第二厚度32的厚度差通过刻蚀方法来实现；

一加热器40，该加热器40制作在腔体30上，用于加热腔体30，改变腔体的折射率，从而改变滤波器的工作波长，该加热器40制作有电极41和电阻42，该电极41和电阻42都由同一金属制成，该电阻42的电阻为5-50欧姆，；

一第二布拉格反射镜50，该第二布拉格反射镜50制作在加热器40上，该第二布拉格反射镜50和上述第一布拉格反射镜20构成一对，形成Fabry-Perot腔结构，从而具有波长选择作用。

其中滤波器的输出响应的3dB带宽为0.7纳米。

其中滤波器的调谐范围为23纳米，响应时间大于300微秒。

下面请再结合参阅图1和图2说明本发明所揭示的滤波器的器件结构。

在一个实施例中，可调谐滤波器其结构包括：基片10；下反射镜(DBR)20；Fabry-Perot腔30；加热器40；上反射镜(DBR)50。

下面具体阐述本实施例所揭示的器件结构：

基片10，基片10由单晶硅材料制成；

下DBR 20，下DBR 20具体包括：

SiO₂层21；

Si层22；

SiO₂层23；

Fabry-Perot腔30，Fabry-Perot腔30由硅材料制成，具有两种厚度，具体包括：

第一厚度31；

第二厚度32，这两部分形成两个长度不同的腔长；

加热器40，用于加热滤波器进行波长调谐，加热器40由金属或合金材料制成，具体包括：

电极41；

电阻42；

上DBR 50，上DBR 50具体包括：

SiO₂层51；

Si层52。

其中所述的基片10由单晶硅材料制成，折射率大约是35；

其中所述的SiO₂层21的光学厚度是中心波长(1300纳米)的四分之一，即325纳米，物理厚度大约为222纳米，折射率大约为1.46。

其中所述的Si层22的光学厚度是中心波长的四分之一，即325纳米，物理厚度大约为93纳米，折射率大约为3.5。

其中所述的SiO₂层23的光学厚度是中心波长的四分之一，即325纳米，物理厚度大约为222纳米，折射率大约为1.46。

其中所述的Fabry-Perot腔30由硅材料制成，折射率大约为3.5。

其中所述的Fabry-Perot腔30的一个部分31的第一厚度大约为30-40微米或更大，其正方形边长为2微米或10微米。

其中所述的Fabry-Perot腔30的另一个部分第二厚度32比第一厚度31小6-12纳米，其正方形边长为2微米或10微米。

其中所述的加热器40所包围的通光窗口60是直径大约100微米的圆形。

其中Fabry-Perot腔30的两个部分的分界线在通光窗口60的一条直径上，以使来自光纤的入射光经过通光窗口照射到Fabry-Perot腔30的两个部分的面积相等。

其中所述的电极41和电阻部分42都由铬金合金制成，电阻部分42的电阻大约为20-30欧姆。

其中所述的SiO₂层51的光学厚度为中心波长的四分之一，即325纳米，物理厚度大约为222纳米，折射率大约为1.46。

其中所述的Si层52的光学厚度为中心波长的四分之一，即325纳米，物理厚度大约为93纳米，折射率大约为3.5。

图3是本发明器件上反射镜的反射率波长响应曲线。分层媒质的传输矩阵方法对分析本领域的物理特性是众所周知的。利用计算机程序实现传输矩阵方法发现在本发明中使用的由多层介质膜构成的上反射镜的反射率虽然与波长有关，但是在很宽的波长范围内变化缓慢。本发明滤波器器件具有在中心波长(1300纳米)附近很窄(小于1纳米)的输出响应，上反射镜的反射率在这么窄的带宽范围内几乎没有太大改变。如图3给出本发明器件的上反射镜在1100nm到1600nm波长范围内的反射率，可以看到在1300附近反射率的变化很小。因此，上反射镜的反射率基本上可以看作常数，在下文表示为R₁，其大约为0.8195。

图4是本发明器件下反射镜的反射率波长响应曲线。同样地，利用计算机程序实现的传输矩阵方法发现本发明的下反射镜的反射率在将要实现的窄带输出响应附近的改变很小。如图4给出本发明器件的下反射镜在1100nm到1600nm波长范围内的反射率。因此，下反射镜的反射率基本上可以看作常数，在下文表示为R₂，其大约为0.8859。

图5是本发明器件的简化原理图。由于上、下反射镜的反射率在窄带的输出响应附近可以看作是常数，因此图2中所示本发明器件的结构可以用图5中所示的简化原理图来表示以便于计算和分析。其中Fabry-Perot腔的折射率为n，厚度为h，上反射镜的反射率为R₁，下反射镜的反射率为R₂。如果忽略吸收损耗，利用本领域众所周知的多光束干涉方法计算得到：

I^(t)/I⁽ⁱ⁾＝(1-R₁)(1-R₂)/(1+R₁R₂-2R₁ ^1/2R₂ ^1/2cosδ)(1)

其中I^(t)是透射光强度，I⁽ⁱ⁾是入射光强度，I^(t)/I⁽ⁱ⁾表示相对透射率。相位因子δ满足：

δ＝4πnhcosθ/λ(2)

其中θ为入射角，λ为波长，n为腔的折射率。当入射角为0°时，相位因子为：

δ＝4πnh/λ(3)

由公式(1)式可知，Fabry-Perot腔的共振发生在相位因子等于2的整数倍时，也就是：

δ＝2mπ(4)

由公式(3)和(4)式可知，共振波长λ_m为：

λ_m＝2nh/m    (5)

器件的Fabry-Perot腔由具有不同厚度的两个部分构成，假设其中一个部分的厚度为h₁，则共振波长为λ_m1＝2nh₁/m；另一部分的厚度为h₂，则共振波长为λ_m2＝2nh₂/m。假设由该两个部分产生的输出响应的交点对应的波长表示为λ_dip，显然由两个部分产生的输出响应在λ_dip处的相对透射率相等，即

cosδ₁＝cosδ₂(6)

其中δ₁＝4πnh₁/λ_dip，δ₂＝4πnh₂/λ_dip。根据(4)和(6)式可知：

δ₁+δ₂＝4mπ(7)

4πnh₁/λ_dip+4πnh₂/λ_dip＝4mπ

λ_dip＝n(h₁+h₂)/m    (8)

h₂＝h₁-Δ(9)

我们只考虑中心波长(λ₀＝1300nm)附近的输出响应，因此m满足：

m＝Round(2nh₁/λ₀)(10)

其中Round表示四舍五入取整函数。根据公式(1)、(3)、(8)、(9)和(10)式可知，Fabry-Perot的第一部分在λ_dip处产生的相对透射率为：

$F_1=\frac{(1-R_1)(1-R_2)}{1+R_1{R}_2-2\sqrt{R_1{R}_2}\cos \frac{4\mathrm{\π}{h}_1\mathrm{Round}(2{\mathrm{nh}}_1/{\mathrm{\λ}}_0)}{2h_1-\mathrm{\Δ}}}---\left(11\right)$

同理，Fabry-Perot腔的第二部分在在λ_dip处产生的相对透射率为：

$F_2=\frac{(1-R_1)(1-R_2)}{1+R_1{R}_2-2\sqrt{R_1{R}_2}\cos \frac{4\mathrm{\π}(h_1-\mathrm{\Δ})\mathrm{Round}(2{\mathrm{nh}}_1/{\mathrm{\λ}}_0)}{2h_1-\mathrm{\Δ}}}---\left(12\right)$

因此Fabry-Perot腔λ_dip处产生的相对透射率为：

F_dip＝(F₁+F₂)/2(13)

图6给出了用计算机程序实现公式(11)、(12)和(13)而获得的λ_dip处的相对透射率对Fabry-Perot腔厚度h₁的关系曲线，其中R₁＝0.8195，R₂＝0.8859，n＝3.5，Δ＝7nm，λ₀＝1300nm，h₁为30μm-40μm。从图6中可以看到输出响应的波谷大约为0.61，对厚度h₁的变化不敏感。

器件总输出响应的峰值出现在Fabry-Perot腔的每个部分产生的输出响应的峰值附近，因此总的输出响应有两个峰。当h₁比较大时，可以近似为：

λ_peak1＝[2nh₁/m+n(h₁+h₂)/m]/2(14)

根据公式(1)、(3)、(9)、(10)和(14)式可知，对于λ_peak1有：

$F_1^{\′}=\frac{(1-R_1)(1-R_2)}{1+R_1{R}_2-2\sqrt{R_1{R}_2}\cos \frac{8\mathrm{\π}{h}_1\mathrm{Round}(2n{h}_1/{\mathrm{\λ}}_0)}{3h_1+h_2}}---\left(15\right)$

$F_2^{\′}=\frac{(1-R_1)(1-R_2)}{1+R_1{R}_2-2\sqrt{R_1{R}_2}\cos \frac{8\mathrm{\π}(h_1-\mathrm{\Δ})\mathrm{Round}(2n{h}_1/{\mathrm{\λ}}_0)}{3h_1+h_2}}---\left(16\right)$

F_peak1＝(F₁’+F₂’)/2(17)

图7给出了用计算机程序实现公式(15)、(16)和(17)而获得的λ_peak1处的相对透射率对Fabry-Perot腔厚度h₁的关系曲线，其中R₁＝0.8195，R₂＝0.8859，n＝3.5，Δ＝7nm，λ₀＝1300nm，h₁为30μm~40μm。从图7中可以看到输出响应的波峰大约为0.626，对厚度h₁的变化不敏感。用同样的方法可以获得λ_peak2处的相对透射率对Fabry-Perot腔厚度h₁的曲线，发现与λ_peak1处的情况几乎完全相同。

图8给出了本发明器件输出响应的起伏度即波峰相对透射率与波谷相对透射率之间的差对Fabry-Perot腔厚度h₁的关系曲线。从图8中可以看到输出响应的起伏度大约为0.017，对h₁的改变不敏感。因此，可以随意地设计Fabry-Perot的厚度值h₁，而不会影响到平顶输出响应的性能，从而可以同时实现窄带和陡峭带边以及良好的平顶响应的性能。

图9给出了使用本领域众所周知的传输矩阵方法而获得的本发明器件的典型输出响应。其中Δ＝7nm，λ₀＝1300nm，h₁为30m。从图9可以看到器件输出响应的3dB带宽大约为0.7n m，10dB带宽大约为1.6nm，平顶响应的起伏度大约为0.02，该值与图8给出的值0.017的细微差别是由于在图8计算中用到近似式(14)而引起的。

至此，已经详细地说明了本发明器件的结构和原理。与现有的滤波器相比，本发明的滤波器的Fabry-Perot腔具有不同厚度的两个部分，由正方形网格构成。由于正方形网格的边长远小于光纤芯径，这样保证了来自光纤的入射光照射到两个部分的面积相等；而光束在Fabry-Perot腔的两个部分中经过的光程不同，两种波长的光被选择通过而其他波长成分被阻隔，从而使得输出响应具有平顶特性。本发明器件的平顶响应性能依赖于腔的两个部分的厚度差，而与Fabry-Perot腔厚度没有关系，因此可以增加Fabry-Perot腔的长度来减少带宽并获得陡峭的带边。本发明的器件还具有加热器，从而同时具有窄带、平顶响应以及可调谐的良好性能，因而更适合于在光网络中对信道光的区别检测。本发明提出的方案工艺简单，实现容易，可靠性高，性能优越，便于光耦合，器件容易与其他有源或无源光子器件集成以实现各种复杂功能，从而能够满足实用化系统应用的小型化可兼容集成的需求。

Claims (10)

1.一种具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，包括：

一基片；

一第一布拉格反射镜，该第一布拉格反射镜制作在基片上，该第一布拉格反射镜是滤波器的下反射镜；

一腔体，该腔体制作在第一布拉格反射镜上，该腔体是滤波器的腔体，决定着滤波器的工作波长，该腔体分成第一厚度和第二厚度，而这两种不同厚度的腔由多个正方形网格构成；

一加热器，该加热器制作在腔体上，用于加热腔体，改变腔体的折射率，从而改变滤波器的工作波长；

一第二布拉格反射镜，该第二布拉格反射镜制作在加热器上，该第二布拉格反射镜和上述第一布拉格反射镜构成一对，形成法布里-珀罗腔结构，从而具有波长选择作用。

2.根据权利要求1所述的具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，其中正方形网格为测试光纤，该测试光纤为单模光纤，正方形网格的边长为2微米至5微米。

3.根据权利要求1所述的具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，其中所述的第一厚度为30-40微米。

4.根据权利要求1所述的具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，其中所述的第二厚度比第一厚度小6-12纳米。

5.根据权利要求1所述的具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，其中所述的第一厚度和第二厚度的部分的厚度差通过刻蚀方法来实现。

6.根据权利要求1所述的具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，其中所述的加热器制作有电极和电阻。

7.根据权利要求6所述的具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，其中所述的电极和电阻都由同一金属制成。

8.根据权利要求7所述的具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，其中所述的电阻的电阻为5-50欧姆。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，其中滤波器的输出响应的3dB带宽为0.7纳米。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的具有平顶响应的窄带热光可调谐法布里-珀罗滤波器，其特征在于，其中滤波器的调谐范围为23纳米，响应时间大于300微秒。

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