CN100446449C - 一种梳状滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学滤波器领域，目的在于克服现有技术中的不足，提供一种镀层少，滤波效果好的梳状滤波器。本发明的滤光片由多个法布里-帕罗腔耦合构成，滤光片的膜层结构为：A｜RG_LRC₁RG_LRC₂...RG_LRC_qRG_LR｜A。其中A代表空气，R代表反射层，G_L代表间隔层，C代表耦合层，q为耦合层的个数。

Description

一种梳状滤波器

技术领域

本发明涉及一种光学滤波器，更具体的说是一种适用于波分复用系统中的梳状滤波器。

技术背景

介质型的光学干涉滤光片一直是波分复用(WDM)系统中最广泛应用的一种滤波器。它本身具有非常低的温度系数(＜0.002nm/℃)，能够保证长期的温度稳定性，与偏振相关的各类损耗都很小，而且结构简单、易于封装。基于薄膜滤光片的器件可广泛用于多信道复用与解复用器(DWDM、CWDM)以及光上下路复用器(OADM)。DWDM器件可以有多种实现方式，其中以薄膜滤光片技术为基础的器件凭借其优良的特性而成为最具竞争力的选择之一，并且已经占领了200G、100G密集波分复用系统的市场。

目前DWDM的信道数已扩展至40个通道以上，而通道间隔也已达到50GHz以下。然而，当信道间隔减小到50G或以下时，即使最可行的滤波技术都很难再满足要求。镀膜工艺可以很好的解决中心波长漂移的问题，但是，镀膜工艺也很难将介质膜型器件的信道间隔减小到50G以下，因为信道压缩一半，不但要多镀一百多层薄膜，而且其允许的误差量亦下降一半，从而导致成品率下降，价格上升等一系列难题。

梳状滤波器最初正是针对这一问题而出现的，它不是通常所说的将多个波长分离为单个波长的波分复用器，而是将一组信道间隔为奇偶两组光信号，将信道间隔为原来的两倍。将梳状滤波器多层级联，在最后用要求较低的窄带滤光片将单个波长滤出，就可以作为波分复用器件。它回避了传统镀膜工艺的局限，从奇偶信道交叉复用角度解决压缩信道间隔、提高通信容量的问题。只需要一片密集波分的群组波分复用器，就能将信道间隔拓展一倍，从而降低对后续波分复用器件的技术要求。梳状滤波器技术实现方案多种多样，如光纤马赫-曾德尔(M-Z)干涉仪型、晶体双折射型、光纤光栅(FBG)型和阵列波导(AWG)型等等。然而目前薄膜型群组波分复用器器件还不多见，基于AWG和FBG的群组波分复用器器件存在着明显的性能限制，且制造困难，若不在技术上投入更多的费用从而使系统复杂化，有些限制将无法解决。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种镀层少，滤波效果好的梳状滤波器。

本发明从光学薄膜原理出发，结合传统法布里-珀罗腔的“厚腔”和“薄腔”的特点，提出了光学干涉膜系厚腔多频滤波技术，并应用这项技术设计出了薄膜型梳状滤波器器件，这项技术的提出，不仅将推动介质型薄膜干涉滤光片在光通信系统中的应用，而且也将扩展光学薄膜在其他领域更为广泛的应用。

本发明通过以下技术来实现其发明目的。

本发明提供了一种梳状滤波器，结构是光波信号先通过滤光片将一组信道间隔为奇偶两组光信号，将信道间隔为原来的两倍，通过多组滤光片可以逐步扩大光信号间隔，在最后用要求较低的窄带滤光片将单个波长滤出。本发明的滤光片由多个法布里-帕罗腔耦合构成，滤光片的膜层结构为：A|RG_LRC₁RG_LRC₂...RG_LRC_qRG_LR|A。其中A代表空气，R代表反射层，G_L代表间隔层，C代表耦合层，q为耦合层的个数。传统的法布里-帕罗腔滤光片主要利用在两个方面，一是法布里-帕罗腔谐振器，单腔工作实现多个波长同时起振的功能，一般间隔层厚度系数m值较大，称为“厚腔”；二是窄带滤光片，多腔组合工作实现选择单个波长的功能，一般m值较小，称为“薄腔”。“厚腔”允许同时通过多个波长，但波长的透射谱为三角形；传统的多半波“薄腔”通过波长的透射谱为矩形，但只能通过单个波长。DWDM系统要求梳状滤波器的器件不仅能同时滤出多个波长，而且要求每个波长的透射谱为矩形状，因此传统的法布里-帕罗腔的应用无法实现这一功能。本发明借鉴微波窄带滤波器的方法，将几个厚腔组合起来，进行波形修正，就可以满足DWDM系统对梳状滤波器的要求。

为简化滤波片结构，本发明仅采用高折射材料和低折射材料两种材料相间镀膜来制作反射层，滤光片的膜层结构为：A|(HL)^sH G_L H(LH)^sC₁(HL)^sH G_LH(LH)^sC₂...(HL)^sH G_LH(LH)^sC_q(HL)^sHG_LH(LH)^s|A。其中H、L分别代表光学厚度为λ₀/4的高折射率和低折射率膜层，λ₀为中心波长，s为膜层的周期数。本发明采用的高折射率材料H为Ta₂O₅，低折射材料L为SiO₂。间隔层则选用光学厚度系数为2m的低折射率膜层，正整数m是中心波长的干涉级次，光学厚度为2m×λ₀/4。耦合层选用光学厚度为λ₀/4的低折射率膜层，滤光片的膜层结构为：A|(HL)^sHG_LH(LH)^sL(HL)^sH G_LH(LH)^sL...(HL)^sH G_LH(LH)^sL(HL)^sHG_LH(LH)^s|A。进一步简化膜层的结构，反射层由两层高折射率膜层和一层低折射率膜层相间构成，滤光片的膜层结构为：A|HLHG_LHLHLHLHG_LHLHL...HLHG_LHLHLHLHG_LHLH|A。

耦合层的个数q影响通带的矩形度，但q值大小不影响相邻透射峰间隔和透射峰相对半宽度，可以独立调整。一般q值越大，通带矩形度越好，但同时通带波纹亦会增大，透射率下降，因此一般选耦合层个数为2或3。本发明的滤光片由3个法布里-帕罗腔耦合构成，即耦合层的个数q为2，因此本发明滤光片的最佳膜层结构为：A|HLHG_LHLHLHLHG_LHLHLHLHLHG_LHLH|A。

本发明间隔层的光学厚度系数2m具体依据根据ITU-T国际电信联盟目前规定的参数来计算，如为适用中心频率f＝193.1THz、滤波频率间隔为50G的滤波器，则2m＝3880，G_L为光学厚度为3880×λ₀/4的低折射率膜层；为适用中心频率f＝193.1THz、滤波频率间隔为100G的滤波器，，2m＝1940，G_L为光学厚度为1940×λ₀/4的低折射率膜层。

m值确定的原理具体如下。

薄膜型梳状滤波器的原理主要是基于法布里-帕罗腔滤光片，其基本结构为

G|R₁SR₂|G                (1)

其中G代表基片，S代表间隔层，R代表反射板。对于全介质法布里-帕罗腔滤光片，以光学厚度为中心波长λ₀/4膜系作为反射板，滤光片的结构为：

G|(LH)^sH 2mLH(HL)^s|G     (2)

G|H(LH)^s2mL(HL)^sH|G

其中H、L分别代表光学厚度为λ₀/4的高折射率和低折射率的膜层，s为反射板的周期数，正整数m是中心波长的干涉级次，同时也是间隔层的厚度系数。这种结构的滤光片峰值波长(透射率最大的位置)应满足：

式中

分别为反射板的相移，d为间隔层的相移，k为峰值波长的干涉级次。对于间隔层为2mL(改为‘对于反射层为H(LH)^s’可能好些，因为反射板相移主要与反射层有关)的法布里-帕罗腔滤光片，两侧反射板上的相移

或p，于是(2-3)式改写成：

δ＝kπ          (4)

其中间隔层位相

$\mathrm{\δ}=2m\frac{\mathrm{\π}}{2}g=\mathrm{m\πg}---\left(5\right)$

g为波数，结合(4)、(5)式可以得到：

mg＝k            (6)

针对本发明多个法布里-帕罗腔耦合的结构：

G|(HL)^sH 2mL H(LH)^s C₁(HL)^sH 2mL H(LH)^sC₂...

...(HL)^sH 2mL H(LH)^sC_q(HL)^sH 2mL H(LH)^s|G    (7)

其中C为耦合层，q为耦合层的个数，实际应用中将基片G采用空气替代。可以通过调节m，s，q参数和加入修正层的方法来得到需要的透射率波形。由(6)式，对第k个干涉级次有

mg_k＝k           (8)

则相邻透射峰的波数间隔Δg

$\mathrm{\Δg}=g_{k+1}-g_k=\frac{1}{m}---\left(9\right)$

亦即      m＝1/Δg       (10)

式(10)说明间隔层厚度与相邻透射峰波数间隔的关系。如果给定相邻透射峰的波数间隔，就可以设计出满足这种波数间隔的间隔层厚度系数m。

根据      Δg＝Δλ/λ₀  (11)

Δλ为波数间隔，因此结合(10)、(11)可以得出

m＝λ₀/Δλ              (12)

由(12)式可知如果给定中心波长λ₀和波长间隔Δλ，可以设计出相间不同级次(‘相间不同级次’是什么意思？)的m值，中心波长λ₀一般根据行业标准和通用规定来确定，Δλ根据实际滤波频率间隔计算得到。

本发明相对于现有技术具有以下突出的实质性特点和显著的进步：

1.镀层少，一般只有二十几层，结构简单；

2.滤波片镀层结构统一，只需调节间隔层厚度便可以适用不同的滤波间隔；

3.滤波效果好，滤出的波形矩形度符合国际标准的要求；

4.成本低、可靠性高、结构简单、易于封装，具有很好的性能价格比。

附图说明

图1为本发明中单片滤波片的工作示意图；

图2为梳状滤波器的结构示意图；

图3滤波片的膜层结构示意图；

图4为实施例1中滤波后的插损曲线图；

图5为实施例2中滤波后的插损曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明公开了一种梳状滤波器，其滤波片能够将一组信道间隔为奇偶两组光信号，将信道间隔为原来的两倍，如图1所示，将滤波片多层级联，在最后用要求较低的窄带滤光片将单个波长滤出，如图2所示，为本发明梳状滤波器的工组原理。本发明滤光片的最佳膜层结构为：A|HLHG_LHLHLHLHG_LHLHLHLHLHG_LHLH|A，如图3所示，由三个法布里-珀罗腔通过耦合层耦合构成，每个法布里-珀罗腔间隔层的光学厚度为2m×λ₀/4。

根据以上理论，设计出了频率间隔是100G和50G的滤波片结构。100G和50G的DWDM系统所需滤光片的主要性能指标见表1，所设计出的滤波片必需满足表2-1中的相关指标。表1中规定的频率间隔是相邻信道的频率间隔，而根据薄膜光学干涉理论中的频率间隔是指相邻通带的频率间隔，即

Δf＝2Δf_ITU                (2-16)

因此设计出的法布里-珀罗腔满足波长间隔应为2Δλ_ITU才能满足表1中的指标。

频率间隔	50G	100G
			通带宽度(25dB)	＜0.6nm	＜1.2nm
通带宽度(0.5dB)	＞0.2nm	＞0.4nm
			通带损耗	＜0.5dB	＜0.5dB
通带波纹	＜0.3dB	＜0.3dB

表1100G和50G DWDM系统滤光片的主要指标

以下根据以上理论和参数设计100G和50G的DWDM系统滤光片。

实施例1

频率间隔为100G的滤波片

根据ITU-T国际电信联盟目前规定的100G DWDM系统的中心频率和频率间隔，见表2：

T(Hz)	193.4	193.3	193.2	193.1	193.0192.9	192.8	192.7
								Nm	1550.12	1550.92	1551.72	1552.52	1553.33 1554.13	1554.94	1555.75

表2ITU-T 100G DWDM通信信道间隔表

选择中心频率f＝193.1THz，中心波长λ₀＝1552.52nm，根据频率间隔为100G可以计算出波长间隔为Δλ＝1.6nm，结合公式m＝λ₀/Δλ，可以算出2m＝1940，高折射率材料H为Ta₂O₅，低折射材料L为SiO₂。则G_L＝1940L＝1940×λ₀/4，n_L＝1.45，n_H＝1.97。图4是所设计的100G滤光片的插损曲线图，在0.5dB处的通带宽度为0.4nm，25dB处的通带宽度为1.1nm，通带波纹可以通过外加匹配层进行优化。中心波长满足通信要求，符合100G的DWDM系统的要求。

实施例2

频率间隔为50G的滤波片

根据ITU-T国际电信联盟目前规定的50G DWDM系统的中心频率和频率间隔，见表3：

T(Hz)	193.6	193.55	193.5	193.45	193.4	193.35	193.3	192.25
									Nm	1548.52	1548.92	1549.32	1549.72	1550.12	1550.52	1550.92	1551.32
T(Hz)	193.2	193.15	193.1	193.05	193.0	192.95	192.9	192.85
									Nm	1551.72	1552.12	1552.52	1552.92	1553.33	1553.73	1554.14	1554.54

表3ITU-T 50G DWDM通信信道间隔表

选择中心频率f＝193.1THz，中心波长λ₀＝1552.52nm，根据频率间隔为50G可以计算出波长间隔为Δλ＝0.4nm，结合公式m＝λ₀/Δλ，可以算出2m＝3880。高折射率材料H为Ta₂O₅，低折射材料L为SiO₂。则G_L＝3880L＝3880×λ₀/4，n_L＝1.45，n_H＝1.97。图5是所设计的50G滤波片的插损曲线图，在0.5dB处的通带宽度为0.2nm，25dB处的通带宽度为0.53nm，同样通带波纹可以通过外加匹配层进行优化。中心波长满足通信要求，符合50G DWDM系统的要求。

基于以上结构设计出来的50G和100G频率间隔的梳状滤波器薄膜型器件仅有21层，层数远远小于目前应用于DWDM系统中的多达150甚至200层的薄膜器件。同样的设计方法也可应用于设计25G或频率间隔更小的滤波片。

Claims (8)

1.一种梳状滤波器，其特征是构成梳状滤波器的滤光片由多个法布里-帕罗腔耦合构成，滤光片的膜层结构为：

A|RG_LRC₁RG_LRC₂...RG_LRC_qRG_LR|A

其中A代表空气，R代表反射层，G_L代表间隔层，C代表耦合层，q为耦合层的个数；

耦合层选用光学厚度为λ₀/4的低折射率膜层。

2.根据权利要求1所述的梳状滤波器，其特征是所述反射层由多个高折射率膜层和低折射率膜层相间构成，滤光片的膜层结构为：

A|(HL)^sHG_LH(LH)^sL(HL)^sHG_LH(LH)^sL...(HL)^sHG_LH(LH)^sL(HL)^sHG_LH(LH)^s|A。

其中H、L分别代表光学厚度为λ₀/4的高折射率和低折射率膜层，λ₀为中心波长，s为膜层的周期数。

3.根据权利要求2所述的梳状滤波器，其特征是所述的高折射率材料H为Ta₂O₅，低折射材料L为SiO₂。

4.根据权利要求2所述的梳状滤波器，其特征是间隔层选用光学厚度系数为2m的低折射率膜层，正整数m是中心波长的干涉级次，光学厚度为2m×λ₀/4。

5.根据权利要求1所述的梳状滤波器，其特征是所述反射层由两层高折射率膜层和一层低折射率膜层相间构成，滤光片的膜层结构为：

A|HLHG_LHLHLHLHG_LHLHL...HLHG_LHLHLHLHG_LHLH|A。

6.根据权利要求5所述的梳状滤波器，其特征是所述滤光片由3个法布里-帕罗腔耦合构成，耦合层的个数q为2，滤光片的膜层结构为：

A|HLHG_LHLHLHLHG_LHLHLHLHLHG_LHLH|A。

7.根据权利要求6所述的梳状滤波器，其特征是所述梳状滤波器为适用中心频率f＝193.1THz、滤波频率间隔为50G的滤波器，2m＝3880，G_L为光学厚度为3880×λ₀/4的低折射率膜层。

8.根据权利要求6所述的梳状滤波器，其特征是所述梳状滤波器为适用中心频率f＝193.1THz、滤波频率间隔为100G的滤波器，2m＝1940，G_L为光学厚度为1940×λ₀/4的低折射率膜层。

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