CN101169501A - 基于双环谐振腔的可调光学色散补偿器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相套双环形谐振腔结构的光学色散补偿器，其特征在于该色散补偿器由输入波导(1)、耦合波导(2)、输出波导(3)、固定环形波导(4)、可调节环形波导(5)、所组成。所述的可调节双环形波导，其特征是两个相套的环形波导处在同一个平面内，且相邻放置，两者的间距不超过一个波长；波导由折射率可调材料组成。滤波器结构中各部分波导是单模波导，通过改变可调节环形波导的外部条件来调节其折射率，从而调节色散补偿范围。当可调节环形波导与固定环形波导的谐振频率相同时，两者实现共振，从而极大的提高了色散补偿器的色散补偿范围。本发明实现简单、操作方便、易于集成，色散补偿范围大，可以应用于光通信系统中。

Description

基于双环谐振腔的可调光学色散补偿器

所属技术领域

本发明涉及光信息技术领域，具体涉及一种集成平面波导、高补偿范围的色散补偿器的设计实现方法，可应用于光通信系统中作为色散补偿器件。

背景技术

光信号在光纤中传输时是以一组独立的光束或光线传播的，不同的光束以不同的传输角在光纤内部传输，这种不同的光束称为光纤的模式。一根光纤中可存在许多模式，也可以只存在一个模式，分别称为多模光纤和单模光纤。不同模式的光信号以及相同模式中不同波长的光信号在光纤中传输时有不同的传播速度，因而到达接收端的时间不同，使光脉冲发生畸变，产生色散。光纤中的色散主要分为模式色散、色度色散和偏振模色散三种。对于光纤通信中所使用的占绝大多数的单模光纤，色度色散是色散的主要因素。由于光通信系统中传输的光信号一般都包括多个频率分量，而不同频率成分或各个不同的模式在光纤中传输的速度不同，在光纤中传输一段距离之后，不同频率的光信号会相互分开，从而使光脉冲展开。严重时，前后两个脉冲会产生重叠，造成码间干扰，增加误码率，降低系统的性能。因而可以通过增加码间距离来降低码间干扰和误码率，但码间距离的增加会降低系统的通信容量。另外，光信号传输距离越长，脉冲展宽就越严重，因而色散是限制光纤传输距离的因素之一。

目前，人们对信息传输容量的要求越来越高，光通信也正朝着大容量、高速率、低损耗等方向不断发展，光通信系统已经成为当前信息传递的主要手段。光纤色散的存在严重制约了光纤通信系统向高速率、大容量、长中继距离的方向发展，因而有效降低光纤中的色散是提高光纤系统性能亟待解决的问题，随之产生了诸多色散补偿技术，并迅速成为光通信领域研究的热点。色散补偿技术的原理如下：将单模光纤中模式的相位系数β(ω)在中心频率ω0附近展开成泰勒级数，如下所示：

$\mathrm{\β}\left(\mathrm{\ω}\right)=n\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\ω}/c={\mathrm{\β}}_0+{\mathrm{\β}}^{\′}(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)+\frac{1}{2}{\mathrm{\β}}^{\′\′}{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^2+\frac{1}{6}{\mathrm{\β}}^{\′\′\′}{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^3+...+\frac{1}{m!}\frac{d^m\mathrm{\β}}{{\mathrm{d\ω}}^m}{(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0)}^m+...---\left(1\right)$

上式中β’，β”，β分别是β(ω)对ω的一阶、二阶和三阶微商。其中β”称为群速度色散(GVD-Group Velocity Dispersion)系数，是脉冲展宽的主要因素，它与色散系数的关系为：

$D=-\frac{\mathrm{\λ}}{c}\frac{d^{2}n}{{\mathrm{d\λ}}^2}=-\frac{2\mathrm{\πc}}{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\β}}^{\′\′}---\left(2\right)$

比β”的阶数高的系数称为光纤的高阶色散，由D/dλ决定，与GVD色散相比通常较小，一般可忽略。当通信系统工作在光纤的零色散区时，它的作用就不能忽略。色散补偿技术就是对β”所引起的脉冲展宽进行补偿，从而使脉冲展宽值减小，使得输出端的脉冲形状恢复到较好的形状，减小码间干扰。

目前，随着色散补偿技术研究的不断深入，已经出现了多种色散补偿技术，比较常见的几种包括：色散补偿光纤补偿技术[1]、光纤光栅补偿技术[2]、色散支持传输法[3]、预啁啾技术[4]和相位共轭法[5]等。色散补偿光纤具有负色散系数和负色散斜率，使用色散补偿光纤进行色散补偿是光纤线路中常用的方法。色散补偿光纤是无源器件，性能稳定，安装容易，有较宽的带宽，使用色散补偿光纤可以很方便地对现存的系统进行升级。但目前色散补偿光纤的造价非常高，且由于其特殊结构使得损耗特别大。对于光纤光栅补偿技术，光栅与现有光纤系统兼容性好，具有较低的传输损耗和插入损耗，色散补偿量大，非线性效应小，可以用于滤除掺饵光纤放大器的自发辐射噪声，而且在波分复用中色散均衡简单，易于实现动态色散补偿，具有可调性，对偏振不敏感。另外，光纤光栅的价格相比于色散补偿光纤要低廉很多，但其缺点在于色散补偿带宽有限，难以实现多信道色散补偿。除上述两种色散补偿方案之外，还有双二进制编码技术、预啁啾技术和相位共轭法，但这两种方法对激光器的调频特性和单色性的要求非常高。

上述几种实现色散补偿的方法，或者补偿带宽有限，或者对激光器的要求比较高，或者造价太高，因而在实际应用中难免受到各种条件的限制，进而影响其色散补偿效果。本发明是一种基于多环形谐振腔的光学色散补偿器，其色散补偿范围的可调谐性是通过调节放置在固定环形波导内部的可调环形波导来实现的，对可调环形波导参数进行设置可以调节色散补偿器对不同频率范围光信号的相位响应，改变其色散补偿范围。同时，若适当设置可调节环形波导的折射率使得其谐振频率与固定环形波导的某一阶谐振频率相同，两者实现共振，则色散补偿器对共振频率光信号的色散补偿范围将大大增加。由于不同模式的光信号在波导中的有效折射率不同，在结构设计中，传输波导对于工作波长应为单模波导，以保证滤波器的可调节范围。适当选择输入波导和环形波导之间的距离，以保证足够的耦合度，同时兼顾结构的可加工性。在固定环形波导的内部放置另一折射率可调的电介质材料制成的环形波导，来调节固定环形波导的谐振波长和自由谱范围。两个环形波导处在一个平面内，两者之间的距离较小以保证较大的色散补偿范围调谐度。在实际应用中利用现有的平面波导加工技术完全可以实现这种结构。总之，这种可调节性光学滤波器结构简单、易于实现，在可调环形波导周围放置电极或其它装置，便可改变其介电特性，操作方便。因此，该结构具有尺寸小、结构简单、耦合和输入损耗低、易于加工、色散补偿范围可调、易于集成和使用等优点。

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发明内容

技术问题

本发明提供一种大色散补偿范围的可调光学色散补偿器，解决色散补偿器补偿范围的可调谐性的实现问题，并且尽可能大的提高了色散补偿范围，同时解决色散补偿器在实际中加工制作较困难的问题。它结构简单、体积小、易于集成、插入和耦合损耗低，具有可调谐性实现简单、操作方便、稳定性高以及色散补偿范围大等突出优点。

技术方案

一种可调的光学色散补偿器，该色散补偿器由输入波导(1)、耦合波导(2)、输出波导(3)、固定环形波导(4)、可调节环形波导(5)所组成，如附图1所示。不同频率组成的光信号在光通信系统中传输一段距离后，由于光纤中色散的存在，不同频率的信号到达接收端的时间有先后，信号的相位发生变化从而因而了光信号脉冲的畸变，严重影响了通信系统的传输带宽和传输距离，因而需要通过色散补偿技术来提高系统的性能。通过调节信号的相位响应进而调节光信号的群延迟，可以实现色散补偿。在对信号进行色散补偿的过程中只希望改变其相位响应，而对信号的幅度响应没有任何影响，因而具有单位幅度响应、相位响应可调的全通滤波器结构在色散补偿中具有明显的优势。没有损耗或损耗非常低的全通滤波器具有单位的幅度响应，通过适当的设置其结构参数几乎可以任意改变滤波器的相位响应。实现对全通滤波器相位响应的调节时，在结构中需要有一个反馈回路，这个反馈回路可以是一个环形波导或者一个反射腔。在本发明所设计的结构中环形波导作为光学环形谐振腔，谐振腔与线性输入波导组成一个光学全通滤波器，通过适当的选择传输波导的折射率等参数使得整体结构对所输入光信号的损耗非常小，从而使其具有单位幅度响应，同时结构中环形谐振腔的可以作为反馈回路，通过调节环形谐振腔的某些参数可以实现对滤波器相位响应的调节。由相位响应与群延迟之间的关系：

$\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\ω}\right)=-\frac{\mathrm{d\Φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\mathrm{d\ω}}$

以及群延迟τ(ω)与色散度D之间的关系：

$D=\frac{\∂\mathrm{\τ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{\∂\mathrm{\λ}}$

可知，通过调节全通滤波器的相位响应可以实现对结构群延迟的调节，进而实现对滤波器色散补偿度的调节。一种可调的光学色散补偿器，该色散补偿器由输入波导、耦合波导、输出波导、固定环形波导、可调节环形波导所组成。频率分量丰富的光信号通过输入波导输入到滤波器结构中，在通过耦合波导时，光信号耦合进环形波导，环形波导在本结构中的作用是形成光学环形谐振腔，其中满足谐振条件的光信号在环形波导内形成谐振。这部分光信号的相位受谐振腔结构的影响，当谐振腔的结构、折射率等参数发生改变时，谐振频率光信号的相位响应相应发生改变，实现对谐振频率光信号的相位响应的调节，同时幅度响应保持不变。其余频率分量的光信号由于不满足谐振条件，其相位响应与幅度响应都将不受影响地沿着输出波导输出，传往远端节点。耦合波导部分由部分传输波导与环形波导的一部分构成，在耦合区内，两环形波导之间的距离应较小，以能够保证足够的耦合度，同时兼顾结构的可加工性。结构中，环形波导作为光学谐振腔，两个环形波导处在同一个平面内且相邻放置，其中尺寸较小的可调环形波导实现对固定环形波导内部等效折射率的调节，以实现色散补偿器的色散补偿范围可调谐性。环形波导之间较大的间隙会显著降低可调谐范围，因而在实际加工技术允许的条件下应该尽量减小两者之间的间隙。两者之间的间隙应小于一个波长，以实现明显的可调节性。在内部环形波导的外围可放置电极、加热装置、压力装置等，改变环形波导的温度、电压等外部条件，从而改变材料的介电特性。

在前面所述的色散补偿器中，色散补偿波长及其补偿范围的可调谐性是通过在环形波导的内部放置由折射率可调材料制成的另一个环形波导来实现的。利用外部条件的改变调节可调节环形波导的折射率，使得固定环形波导周围材料的介电特性发生改变，影响了固定环形波导中的模式和场分布，进而环形波导的有效折射率发生变化。根据谐振波长、自由谱范围与有效折射率之间的关系λ_m＝2πn_eR/m，f_FSR＝c/n_el，环形波导的谐振波长和自由谱范围发生改变，改变了色散补偿器结构对输入光信号中不同频率分量的相位响应，实现了补偿器色散补偿范围的调节。

所述的内部可调环形波导的材料可以是电光材料、磁光材料，以及介电特性和温度、压力有关的材料等。滤波器结构中所述的传输波导和环形波导对于工作波长为单模波导，且波导材料和衬底的折射率差较大，使得波导具有较高的传输效率；环形波导半径在微米量级，以保证较大的自由光谱范围，同时环形波导还应具有较低的弯曲损耗，以减小滤波器的插入损耗。

本发明中所述的结构对不同频率光信号相位响应的调节是通过设置两个相邻放置的环形波导的结构参数和材料组成来实现的，通过调节内部环形波导的折射率或调节内部环形波导的结构参数，改变固定环形波导中的模式和场分布，进而固定环形波导的有效折射率发生变化，输入光信号的相位响应随之发生变化。适当调节内部可调节环形波导的折射率或结构使得可调节环形波导的谐振频率和固定环形波导某阶谐振波长相同时，两个环形波导形成共振，此谐振频率的光信号在输出端输出时的衰减非常大，且色散补偿器对共振频率光信号的色散补偿度大大提高。

本发明是一种基于环形谐振腔的光学色散补偿器，其色散补偿范围的可调谐性是通过调节放置在固定环形波导内部的可调环形波导来实现的，对可调环形波导参数的设置可以调节色散补偿器对不同频率范围光信号的相位响应，改变其色散补偿范围。同时，适当设置可调节环形波导的折射率使得其谐振频率与固定环形波导的某一阶谐振频率相同，两者实现共振，此时色散补偿器对共振频率光信号的色散补偿范围大大增加。由于不同模式的光信号在波导中的有效折射率不同，结构中，传输波导对于工作波长应为单模波导，以保证滤波器的可调节范围。适当选择输入波导和环形波导之间的距离，保证足够的耦合度，同时兼顾结构的可加工性。在固定环形波导的内部放置折射率可调的电介质材料制成的环形波导，来调节固定环形波导的谐振波长和自由谱范围。两个环形波导处在一个平面内，两者之间的距离较小以保证较大的色散补偿范围调谐度。在实际应用中利用现有的平面波导加工技术完全可以实现这种结构。总之，这种可调节性光学滤波器结构简单、易于实现，在可调环形波导周围放置电极或其它装置，便可改变其介电特性，操作方便。因此，该结构具有尺寸小、结构简单、耦合和输入损耗低、易于加工、色散补偿范围可调、易于集成和使用等优点。

附图说明

图1：本发明中色散补偿器的结构框图：其中1、输入波导；2、耦合波导；3、输出波导；4、固定环形波导；5、可调节环形波导

图2：具体实施方式中对应色散补偿器结构的平面图

图3：在色散补偿器工作波长附近，可调环形波导折射率不同时色散补偿器所对应的群延迟曲线。

图4：两个环形波导共振时光学滤波器的群延迟曲线(a)与未共振时群延迟曲线(b)的对比图。

具体实施方式

该光学色散补偿器结构的一种具体实施方式：该色散补偿器结构由输入波导、耦合波导、输出波导、固定环形波导、可调节环形波导所组成，具体结构如附图2所示。输入波导依次与耦合波导、输出波导相连，环形波导作为光学谐振腔和耦合波导相连，可调节环形波导实现对固定环形波导有效折射率的调节，进而实现对色散补偿范围的调节。中心波长为1520nm的具有一定频谱宽度的高斯调制波由图2中所示的输入波导端输入，经由耦合波导、输出波导传输，在经过耦合波导时，部分满足谐振条件的输入波在环形波导内形成谐振，通过调节可调环形波导的有效折射率等参数实现对谐振频率光信号的色散补偿范围的调节。本发明中滤波器结构的可调谐性原理是通过改变可调节环形波导材料的折射率，影响固定环形波导的模式和场分布，从而改变了光学谐振器的有效折射率，根据公式λ_m＝2πn_eR/m，f_FSR＝c/n_el(其中λ_m为谐振腔的m阶谐振波长，f_FSR为谐振腔的自由谱范围)可知，有效折射率的改变使得环形波导组成的谐振频率发生改变，从而实现了色散补偿器对不同频率光信号色散补偿范围的调节。

结构中传输波导和固定环形波导的材料均采用硅基绝缘体(Silicon-On-Insulator，SOI)材料，SOI波导材料和衬底的折射率比为3.5/1.5，较高的衬底/材料折射率比可以降低波导的传输损耗，同时将波导的弯曲损耗降到可以忽略的水平。另外，较窄的传输波导可以提高系统的传输效率，增大滤波器的Q值，因而将矩形波导和环形波导的宽度设为500nm，厚度为200nm，长度为50μm。传输波导和环形波导之间的距离设置为0，以保证足够的耦合度。可调节环形波导与固定波导两者之间的距离越近，折射率可调节环形波导对固定环形波导中的模式和场分布的影响越明显，可实现的色散补偿调谐范围越大，因而两者之间的距离应不大于一个输入波长。在本实施例中，两个环形波导处在同一个平面内，易于使用平面波导加工技术进行加工制作。两个环形波导之间的距离设置为0.2μm，以保证两者之间较强的耦合作用，增大色散补偿的调谐范围，同时易于实现两个环形波导之间的共振。

色散补偿器一般应用于光纤通信系统中，因而结构中环形波导的谐振频率应该在光通信工作频率附近，在本结构两个环形波导的半径分别设置为10，9.3微米，其谐振频率在光学通信窗口附近，可以满足实际中的应用要求，同时也兼顾了加工的难易程度。

另外一个关键的问题是实现色散补偿范围可调谐性的介电特性可调光学材料的选取，目前出现的介电特性可调的光学材料有很多种，比较常见的有电光晶体、磁光晶体、压电材料、声光材料等。材料选取的主要依据是保证较高的调谐速度和较大的折射率可调谐范围，即材料的品质因子要大，且具有较低的低频介电常数以实现较高的调谐速度。在本结构中，通过适当的设置可调环形波导的折射率RI，当RI＝n₁时可以实现两个环形波导谐振频率的重叠，因而n₁必须处在所选取的电光材料的折射率变化范围之内，这样在共振频率处可以实现非常大的色散补偿范围，同时通过改变环形波导的折射率可以实现结构的可调节性。通过多次试验，选择可调节环形波导的折射率在2.5118左右，此时可以实现两个环形波导谐振频率的匹配，同时调节波导的折射率也可以得到较明显的调节色散补偿范围，因而选取的可调材料在外部条件未改变时的折射率n₀应该在2.5118附近。

使用上述条件进行数值仿真，在设置仿真参数时，波导材料的折射率设为2.5985，使得所设计的滤波器中波导的TE模式的有效折射率和实际SOI波导中的TE模式有效折射率相同(在1550nm波长附近的有效折射率为2.38)，滤波器结构中衬底为SiO₂，其折射率为1.5。仿真结果具体如图3，4所示。图3是上述色散补偿器群延迟曲线随可调节环形波导折射率的变化情况示意图，通过观察结构的群延迟曲线的斜率便可得到其色散补偿范围等性能指标，由图可知，改变可调节环形波导的折射率等参数可以明显改变不同频率光信号的群延迟大小。图4是两个环形波导形成共振与未形成共振时色散补偿器的群延迟曲线对比图，曲线(a)是两个波导共振时在1520nm波长附近的群延迟曲线，曲线(b)是未形成共振时色散补偿器在1520nm附近的群延迟曲线。对上述仿真结果进行分析可以发现，通过调节可调环形波导的折射率等结构参数实现两个环形波导共振后，此结构对工作波长附近的光信号的群延迟大大增加，但补偿带宽相应有所减小。

Claims (7)

1.一种可调的光学色散补偿器，该色散补偿器由输入波导、耦合波导、输出波导、固定环形波导、可调节环形波导所组成。频率分量丰富的光信号通过输入波导输入到滤波器结构中，在通过耦合波导时，光信号耦合进环形波导，环形波导在本结构中的作用是形成光学环形谐振腔，其中满足谐振条件的光信号在环形波导内形成谐振。这部分光信号的相位受谐振腔结构的影响，当谐振腔的结构、折射率等参数发生改变时，谐振频率光信号的相位响应相应发生改变，实现对谐振频率光信号的相位响应的调节，同时幅度响应保持不变。其余频率分量的光信号由于不满足谐振条件，其相位响应与幅度响应都将不受影响地沿着输出波导输出，传往远端节点。耦合波导部分由部分传输波导与环形波导的一部分构成。在耦合区内，两环形波导之间的距离应较小，以保证有足够的耦合度，但同时还要兼顾结构的可加工性。在结构中，环形波导作为光学谐振腔，两个环形波导处在同一个平面内且相邻放置，其中尺寸较小的环形波导实现对固定环形波导内部等效折射率的调节，以实现色散补偿器的色散补偿范围的可调谐性。当两环形波导之间的间隙较大时，会显著降低可调谐范围，因而在实际加工技术允许的条件下，应该尽量减小两者之间的间隙。两者之间的间隙应小于一个波长，以实现明显的可调节性。

2.一种用于权利要求1所述的光学色散补偿器的工作波长的色散补偿范围的实现方法。其特征在于在固定环形波导的内部放置由折射率可调的材料组成的可调节环形波导，利用外部条件的改变可调节环形波导的折射率。由于周围材料的介电特性的改变影响了固定环形波导中的模式和场分布，进而使环形波导的有效折射率发生变化，环形波导的谐振波长和自由谱范围发生改变，同时改变了色散补偿器结构对输入光信号中不同频率分量的相位响应，实现了补偿器色散补偿范围的调谐。

3.权利要求1中所述可调色散补偿器结构中两个环形波导的位置关系。其特征是两者形状相同，放置在同一个平面内，易于使用平面波导加工技术进行制作。由于较大的间隙使得可调谐范围显著降低，因而组成两个谐振腔的两个环形波导之间的间隙应不大于一个波长，以实现一定的可调谐范围。

4.根据权利要求2所述的可调色散补偿器的可调谐性的实现方法一。其特征是可调节环形波导由电光材料制成，在可调节环形波导的外围放置电极，通过电极改变可调节环形波导周围的电场从而改变环形波导的折射率，实现对色散补偿器补偿范围的调谐。

5.根据权利要求2所述的可调色散补偿器的可调谐性的实现方法二，其特征是可调节环形波导由温光材料制成，在可调节环形波导的外围放置加热装置，通过改变可调节环形波导周围的温度改变微盘的折射率，实现对色散补偿器补偿范围的调谐。

6.根据权利要求2所述的可调色散补偿器的可调谐性的实现方法三，其特征是可调节环形波导由磁光材料制成，在可调节环形波导的外围放置磁场装置，通过改变可调节环形波导周围的磁场改变微盘的折射率，实现对色散补偿器补偿范围的调谐。

7.权利要求1中所述的提高色散补偿器补偿范围的实现方法四，其特征是通过调节内部可调节环形波导的材料或者尺寸，使得可调节环形波导的谐振波长与固定环形波导的某一阶谐振波长相同，此时输入的光信号在两个环形波导内同时形成共振，从而极大的提高了色散补偿器的色散补偿范围。

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