CN101666891B - 一种电光调谐的长周期波导光栅滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电光调谐的长周期波导光栅滤波方法，它是通过构造带有长度为Lmin调谐电极和长周期波导光栅的耦合结构，利用耦合波导结构的波长选择性的光耦合功能，完成了对谐振波长λ₀的滤波和实现带通滤波和带阻滤波；在调谐电极上施加调谐电压，利用电光效应实现滤波器的高速的连续调谐。它具有高速连续的线性调谐能力、大调谐范围和窄带宽的特点，具有同时实现互补的带通和带阻滤波双输出功能。本发明为建设下一代超大容量传输光网络、可重构智能光网络及智能光纤传感系统提供有力的技术支撑，具有广泛的应用前景。

Description

一种电光调谐的长周期波导光栅滤波方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域、集成光学领域与光通信无源器件领域，它特别涉及电光调谐长周期波导光栅波导滤波方法。

背景技术

可调谐光滤波器是一种波长(频率)选择器件，它的功能是从许多不同波长(频率)的输入光信号中，根据需要选择出一个特定波长(频率)的光信号。可调谐滤波器能够在任何时刻筛选出一个或多个波长信号，实现波长转换、光分插复用(OADM)和传输性能监测(OPM)，是波分复用(WDM)系统、密集波分复用(DWDM)系统、动态可重构的WDM系统和光纤传感系统等光信号传输和处理系统的关键器件。调谐范围、带宽和调谐速度是衡量可调谐光滤波器性能的关键技术指标。近年来光通信技术及光纤传感技术的迅猛发展，需要同时具备高速(ns量级)、大范围连续调谐、窄带宽(＜1nm)特点的可调谐光滤波器。目前的已报导的各种可调谐光滤波器都不能满足上述要求。

如基于法布里一珀罗(Fabry-Perot，简称F-P)腔结构的可调谐光滤波器，一般通过改变F-P腔腔长和F-P腔中介质的折射率来实现调谐。普通的F-P滤波器腔长为厘米量级，其调谐范围非常窄，通常仅为几纳米。光纤间隙型F-P滤波器和MEMS型F-P滤波器将腔长缩短到微米量级，虽然使其调谐范围能达到约一百纳米左右，但光纤间隙型F-P滤波器通过压电效应来改变腔长，调谐速度慢(ms量级)；MEMS型F-P滤波器通过静电力作用(见文献A.Lipsonand E.M.Yeatman，“A 1-D Photonic Band Gap Tunable Optical Filter in(110)Silicon.”Journal of Microelectromechanical Systems，2007.16(3)：p.521-527.)、磁电互作用(见文献Hyung-Kew，L.，K.Kyu-Sang，and Y.Euisik，“A wide-range linearly tunable optical filter using Lorentz force.”Photonics Technology Letters，IEEE，2004.16(9)：p.2087-2089)来改变腔长其调谐速度最高也只能达到100微秒量级。另外，液晶F-P微腔可调谐滤波器调(见文献L.Jian-Yu and K.M.Johnson，“Analog smectic C^*ferroelectric liquid crystal Fabry-Perot optical tunable filter.”Photonics Technology Letters，IEEE，1995.7(11)：p.1309-1311.)利用电光效应的谐速度也只能达到几十微秒量级。

光纤Bragg光栅滤波器反射的中心波长是Bragg波长光，同时传输其余的光。Bragg波长满足λ＝2nΛ，n表示光纤纤芯的平均折射率，Λ表示光栅的周期。通常利用机械应力和温度效应来改变光栅周期Λ，实现滤波器调谐，调谐速度慢(毫秒量级)。典型的光纤Bragg光栅滤波器(见文献C.S.Goh，S.Y.Set，and K.Kikuchi，″Widely tunable optical filters based on fiber Bragg gratings，″IEEE Photonics Technology Letters，2002 14(9，p.1306-1308.)利用弯曲光纤引入机械应力实现40nm调谐范围，3dB带宽为0.2nm，但调谐速度慢。

声光可调谐滤波器(AOTF)的原理是利用超声波使晶体的折射率产生周期性的变化，形成对光束衍射的Bragg光栅，改变声波频率就可以实现调谐。典型的声光可调谐滤波器(见文献T.Hosoi，S.Mizuta，and M.Kitamura.“Practical integrated acousto-optic tunable filter using a focused acoustic beam on X-cut Y-propagating LiNbO₃.”in Integrated Optics and Optical Fibre Communications，11th International Conference on，and 23rd European Conference on Optical Communications(Conf.Publ.No.：448).1997)其调谐范围宽100nm，3的dB带宽0.7nm，但调谐速度为微秒量级。

长周期光纤光栅滤波器将满足相位匹配条件的波长的光从光纤纤芯中耦合入包层中损耗掉，而其余波长的光仍在光纤纤芯中传输，从而形成一个带阻型的滤波器。虽然长周期光纤光栅滤波器具有很好的波长选择性，但由于只能用温度和机械应力调谐，调谐速度慢，且只能实现带阻滤波输出(见文献A.A.Abramov，B.J.Eggleton，J.A.Rogers，R.P.Espindola，A.Hale，R.S.Windeler，and T.A.Strasser，″Electrically tunable efficient broad-band fiber filter，″Photonics Technology Letters，IEEE 11，445-447(1999).)。

总之，目前的各种可调谐光滤波器都不能同时具有高速(ns量级)、大范围连续调谐、窄带宽(＜1nm)滤波的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种电光调谐的长周期波导光栅滤波方法，它具有高速(ns量级)、大范围(几十nm)连续调谐、窄带宽(＜1nm)、实现互补的带通和带阻滤波等特点。

为了方便地描述本发明内容，首先做术语定义：

定义1有效折射率法

有效折射率法(effective index method)是通过引入导模等效折射率概念来求解三维矩形介质光波导传播常数的一种近似解法。利用它可以求出已知材料和几何尺寸的矩形介质光波导传播常数、导模有效折射率，也可以用它来对波导进行设计。等效折射率法的详细介绍见教材(余守宪，导波光学物理基础[M]，北京：北方交通大学出版社2002，ISBN7-81082-072-9)第四章。

定义2 Marcatili法

Marcatili法是以其创始人名字命名的用来求解三维矩形介质光波导电磁场的一种近似解法。利用它可以求出已知材料和几何尺寸的矩形介质光波导传播常数、导模场分布、导模有效折射率，也可以用它来对波导进行设计。Marcatili法的详细介绍见教材(Kenji Kawano，Tsutomu Kitoh，Introduction to Optical Waveguide Analysis：Solving Maxwell’s Equations and the Schrodinger Equation[M]，John Wiley & Sons，Inc.2001，ISBNs：0-471-40634-1)第二章。

定义3消逝场耦合系数计算公式

两个相互平行相距很近的介质光波导的导模的消逝场彼此渗透到对方的芯区而引起的光耦合作用称为消逝场耦合。消逝场耦合系数大小的计算公式为

$K_c=\frac{{2p}_x{K}_x^2}{\mathrm{\β}(w_f+2/p_x)(p_x^2+K_x^2)}\·\exp (-p_{x}d)$

式中w_f是介质光波导的宽度，β是介质光波导导模传输常数，d是两个介质光波导的间距，K_x是导模沿x方向的传输常数，p_x是导模在包层中沿x方向的衰减系数。其中导模参数β，K_x，p_x可以由有效折射率法或Marcatili法得到。(见教材，佘守宪，导波光学物理基础[M]，北京：北方交通大学出版社2002，ISBN7-81082-072-9)第五章。)

定义4模式耦合系数计算公式

在长周期波导光栅的作用下介质光波导导模能与包层中的包层模式发生耦合，实现光能量的传递。模式耦合系数计算公式如下

$K=\frac{{\mathrm{\ω\ϵ}}_0(n_{\mathrm{co}}^2-n_{\mathrm{cl}}^2)}{4\mathrm{\π}}{\∫\∫}_S{\stackrel{\→}{e}}_{\mathrm{1,1}}^{*}{\stackrel{\→}{e}}_{c\mathrm{1,1}}\mathrm{dS}$

其中ω为光角频率，n_co为波导的材料折射率，n_cl为包层的材料折射率，ε₀是真空介电常数，

和

分别为导模和包层模的归一化模场，积分区域S为光栅区域。

本发明提出了一种电光调谐的长周期波导光栅滤波方法，其特征是它包含以下步骤：

步骤1波长选择

步骤1a：用有效折射率法(Effective Index Method)或Marcatili法(Marcatili’s Method)确定出针对在所要滤波光的波长范围单模工作的矩形波导的几何尺寸，导模的参数(导模传输常数β，导模沿x方向的传输常数K_x，导模在包层中沿x方向的衰减系数p_x)，并计算出在静态谐振波长λ₀下的导模的等效折射率N_co。

步骤1b：用有效折射率法(Effective Index Method)或Marcatili法(Marcatili’s Method)确定出步骤1a中矩形波导包层的几何尺寸，并计算出在静态谐振波长λ₀下矩形波导包层的n阶包层模式的等效折射率N_cl，n，n＝1，2，3...，n为包层模序数。

步骤1c：根据导模的等效折射率N_co、n阶包层模式的等效折射率N_cl，n，利用长周期波导光栅的相位匹配条件λ₀＝(N_co-N_cl，n)Λ，选择n阶包层模式中的基模的等效折射率N_cl，n，此时n＝1，确定长周期波导光栅的周期Λ值；

步骤2滤出光的空间分离

步骤2a：根据步骤1确定出的单模矩形波导的几何尺寸和长周期波导光栅的周期Λ值，在两路波导上刻蚀长周期波导光栅，将已刻蚀长周期波导光栅的两路波导平行放置、间距为d，构成耦合波导结构，如图4所示；并用消逝场耦合系数计算公式计算出消逝场耦合系数小于0.01m^-1所需的波导间距d。

步骤2b：采用Marcatili法得到波导的导模场分布；采用Marcafili法确定步骤1c中选择出的包层模式的场分布；再用模式耦合系数计算公式计算出导模和该包层模式在光栅区域的耦合系数K。

步骤2c：利用步骤2b得到的耦合系数K，用公式

计算出长周期波导光栅的最短光栅长度Lmin。

步骤2d：将耦合波导结构中的长周期波导光栅的长度设计为Lmin；

步骤3波长连续调谐

步骤3a：上调谐电极制作

根据步骤1b中确定出的包层几何尺寸在耦合波导结构中的两路波导上制作包层3，并在包层3上制作长度、宽度与包层的几何尺寸相等的上缓冲层4；再在上缓冲层4上两个矩形波导(1、2)正上方分别制作宽度与步骤1a中波导宽度相等、长度为长周期波导光栅的最短光栅长度Lmin的两个矩形波导对应的上调谐电极6，如图2所示。

步骤3b：底电极制作

在耦合波导结构中的两个矩形波导下方制作下缓冲层5，再在下缓冲层5下方制作与步骤1 b中两个矩形波导(1、2)包层的几何尺寸相同的底电极，如图3所示；

步骤3c：在上调谐电极6上连续地改变调谐电压，滤出光的波长λ₀随调谐电压连续地改变，从而实现滤出光波长的连续调谐。调谐范围由

计算出，式中n_co为波导的材料折射率，γ₃₃为波导材料的电光系数，Λ为长周期波导光栅的周期Λ，D为上调谐电极与底电极间距。V_in为调谐电压。长周期波导光栅滤波器上调谐电极长度等于最短长周期波导光栅长度Lmin，由光渡越时间公式计算出

光渡越时间ΔT，式中，n_co为波导的材料折射率，c为真空中的光速，从而可以计算出调谐速度1/ΔT。

步骤4带通输出与带阻输出

在所述两个矩形波导中第一矩形波导1的输出端输出带阻输出结果，所述的带阻输出结果是指：在所要滤波光的光波长范围内除波长λ₀以外的所有光从所述两个矩形波导中第一矩形波导1的输出端输出；在所述两个矩形波导中第二矩形波导2的输出端输出带通输出结果，所述的带通输出结果是指：所述两个矩形波导中第二矩形波导2仅输出波长为λ₀的光；

经过以上步骤就完成了宽谱光的电光调谐滤波。

需要说明的是，

步骤2d中，波长为λ₀的光通过输入波导导模与包层模式耦合和包层模式与输出波导导模的耦合100％转移到输出波导，实现了滤出光的空间分离；

步骤3c中，在上调谐电极上加调谐电压，利用电光效应改变导模折射率就使滤出光的波长λ₀随调谐电压改变，从而实现滤出光波长的调谐。连续地改变调谐电压，滤出光的波长λ₀随调谐电压连续地改变，从而实现滤出光波长的连续调谐。

所要滤波的光经滤波器滤波后，滤出的光几乎全部从输出波导输出端输出，其余波长的光从输入波导输出端输出，所以从光谱特征上看，本发明提出的长周期波导光栅滤波方法同时实现了带通输出和带阻输出两种输出方式，并且光信号能量得到了充分利用。

本发明的电光调谐长周期波导光栅滤波方法的工作过程是(如图4所示)：当外界在滤波器的输入波导1中输入一定波长范围的光，由于长周期光栅8的波长选择作用，实现了滤出波长λ₀的选择；只有波长为λ₀的光才能通过由输入波导1和输出波导2及其上的长周期波导光栅组成的耦合波导结构，耦合入输出波导2，并建立起相应模式的光传输，于是实现了滤出波长λ₀与其余波长的光的空间分离。从输出结果上看，输出波导2输出端输出为带通滤波结果，输入波导1输出端输出为带阻滤波结果。在调谐电极6上加上调谐电压，由于电光效应导模的有效折射率发生改变，满足相位匹配条件的谐振波长λ₀就随调谐电压改变，从而实现滤波器中输出波长的调谐。

本发明的实质就是设计了带有长度为Lmin调谐电极和长周期波导光栅的耦合结构，通过耦合波导结构的波长选择性的光耦合功能，完成了对谐振波长λ₀的滤波，并同时实现了带通滤波和带阻滤波；并在调谐电极上施加调谐电压，利用电光效应实现了滤波器的高速的连续调谐。

发明的优点或积极的效果：

本发明的提出的电光调谐的长周期波导光栅滤波方法及滤波器能同时具有高速(ns量级)连续的线性调谐能力，大调谐范围(几十nm)和窄带宽(＜1nm)的特点，并具有同时实现互补的带通和带阻滤波双输出功能。

附图说明

图1是实现长周期波导光栅滤波方法的流程图。

图2是长周期波导光栅滤波器上调谐电极位置示意图。

图3是长周期波导光栅滤波器底电极位置示意图。

图4是长周期波导光栅滤波器工作原理示意图。

其中，1是输入波导，2为输出波导，3为包层，4为上缓冲层，5为下缓冲层，6是上调谐电极，7是底电极，8是制作在输入波导1和输出波导2中，并位于输入波导1和输出波导2与包层3的上界面附近的长周期光栅，9为特定波长的滤出光从输入波导1转移到输出波导2的示意曲线。

图5是长周期波导光栅滤波器的输入波导1输出的带阻滤波结果示意图

图6是长周期波导光栅滤波器的输出波导2输出的带通滤波结果示意图

图7是长周期波导光栅滤波器设计参数的定义及取值。

具体实施方式

通过对如图2所示长周期波导光栅滤波器的一个实例的数字仿真验证本发明提出的长周期波导光栅滤波的方法，并得到长周期波导光栅滤波器性能参数。

步骤1波长选择

步骤1a：用Marcatili法可以设计出当以极化后的聚合物IPC-E/polysulfone为波导芯层(其折射率为n_co＝1.670，电光系数γ₃₃＝55pm/V)，NOA61为包层材料(其折射率为n_cl＝1.55)时，在波长1530～1560nm范围单模工作的矩形波导的截面尺寸为w_f＝h_f＝1.3μm，并计算出在静态谐振波长λ₀＝1.545μm下波导的基模的有效折射率为1.5832(对应于

模)。

步骤1b：用Marcatili法设计出当UV15作为波导的上下缓冲层(其折射率为1.50)时包层宽度w_c＝23μm，包层高度h_c＝3μm，并计算出在静态谐振波长λ₀＝1.545μm下各阶包层模式的等效折射率N_cl，n，n＝1，2，3...为包层模序数，如包层基模的有效折射率为1.5389(对应于包层基模

模)。

步骤1c：利用长周期波导光栅的相位匹配条件λ₀＝(N_co-N_cl，n)Λ，选择包层基模

模与导模基模模耦合，静态谐振波长λ₀＝1.545μm时，设计出长周期波导光栅的周期Λ＝32.02μm。

步骤2滤出光的空间分离

步骤2a：根据步骤1设计出的单模矩形波导的几何尺寸和导模的参数，用消逝场耦合系数计算公式计算出耦合波导结构消逝场耦合系数小于0.01m^-1所需的波导间距d＝7μm。

步骤2b：利用Marcatili法得到波导的导模场分布和步骤1c中包层模式中的基模的场分布，再用模式耦合系数计算公式计算出当光栅刻蚀深度hg＝5nm时计算出在λ₀＝1.545μm时，导模和该包层模式在光栅区域的耦合系数的耦合系数K＝80.701m^-1。

步骤2c：利用步骤2b得到的耦合系数K＝80.701m^-1，用公式

计算出最短长周期波导光栅长度Lmin＝2.7527cm。

步骤2d：将耦合波导结构中的长周期波导光栅的长度设计为Lmin＝2.7527cm

步骤3波长连续调谐

步骤3a：上调谐电极制作

根据步骤1b中设计出的包层几何尺寸(包层宽度w_c＝23μm，包层高度h_c＝3μm)用UV15材料(其折射率为1.50)在耦合波导结构中的两路波导上制作长度L＝3cm的包层3，并在包层3上制作长度L＝3cm、宽度为23μm，高度为500nm的上缓冲层4；再在上缓冲层4上两个矩形波导(1、2)正上方分别制作宽度与步骤1a中波导宽度相等(1.3μm)、长度为长周期波导光栅的最短光栅长度Lmin＝2.7527cm上调谐电极6，如图2所示。

步骤3b：底电极制作

在耦合波导结构中的两个矩形波导下方制作制作长度L＝3cm、宽度为23μm，高度为500nm的下缓冲层5，再在下缓冲层5下方制作长度L＝3cm、宽度为23μm的底电极，如图3所示；

步骤3c：在上调谐电极6加上幅度为±15V连续地改变调谐电压，滤出光的波长λ₀随调谐电压连续地改变，从而实现滤出光波长的连续调谐。波导芯层折射率为n_co＝1.670，电光系数γ₃₃＝55pm/V，D＝4μm，光栅周期Λ＝32.02μm，由公式

得到调谐范围30nm，V_in为调谐电压。长周期波导光栅滤波器调谐电极长度等于最短长周期波导光栅长度Lmin＝2.7527cm，由公式

求出光渡越时间ΔT约为0.153ns，即调谐速度可达6.5GHz。

步骤4带通输出与带阻输出

如图5所示，在所述两个矩形波导中第一矩形波导1的输出端输出对波长λ₀＝1545nm光为阻带的带阻输出结果，如图6所示，在所述两个矩形波导中第二矩形波导2的输出端输出只允许波长λ₀＝1545nm光通过的，3dB带宽为0.8nm的带通输出结果；

经过以上步骤就完成了1530～1560nm范围宽谱光的高速电光调谐滤波，其调谐速度能够达到6.5GHz(即小于0.2ns)，调谐范围为30nm，3dB带宽＜1nm，同时实现了带通输出和带阻输出两种互补输出方式。

从具体实施例可知，本发明的综合性能，尤其在调谐速度上优于已公知的现有的可调谐滤波技术与方法。此外，有机聚合物的电光系数提高很快。本发明数值仿真所采用的有机聚合物电光系数为55pm/V，目前有机聚合物的电光系数已经达到170pm/V[见文献Y.Enami，C.T.Derose，D.Mathine，et al“Hybrid polymer/sol-gel waveguide modulators with exceptionally large electro-optic coefficients”，Nature Photonics，Vol.1：180-185，2007]，美国研究项目MORPH正在研制电光系数为1200pm/V的有机聚合物材料。如果选用电光系数为1200pm/V的高性能的电光有机聚合物，可以促使调谐范围大幅度提高到约600nm。

下一代超大容量传输光网络、可重构智能光网络及智能光纤传感系统的建设需要高速(ns量级)、大范围连续调谐、窄带宽(＜1nm)的可调谐光滤波器，从具体实施例可知本发明提出的电光调谐的长周期波导光栅滤波方法能够满足光网络对可调谐光滤波器的高速、大调谐范围、窄带宽要求，因此，本发明提出的电光调谐的长周期波导光栅滤波方法能为建设下一代超大容量传输光网络、可重构智能光网络及智能光纤传感系统提供有力的推动作用和理论和方法的支撑作用，具有广泛的应用前景。

Claims (1)

1.一种电光调谐的长周期波导光栅滤波方法，其特征是它包含以下步骤：

步骤1波长选择

步骤1a：用有效折射率法或Marcatili法确定出针对在所要滤波光的波长范围单模工作的矩形波导的几何尺寸、导模的参数，所述的导模的参数包括：导模传输常数β，导模沿x方向的传输常数K_x，导模在包层中沿x方向的衰减系数p_x；并计算出在静态谐振波长λ₀下的导模的等效折射率N_co；

步骤1b：用有效折射率法或Marcatili法确定计出步骤1a中矩形波导包层的几何尺寸，并计算出在静态谐振波长λ₀下矩形波导包层的n阶包层模式的等效折射率N_cl，n，n＝1，2，3...，n为包层模序数；

步骤1c：根据导模的等效折射率N_co、n阶包层模式的等效折射率N_cl，n，利用长周期波导光栅的相位匹配条件λ₀＝(N_co-N_cl，n)Λ，选择n阶包层模式中的基模的等效折射率N_cl，n，此时n＝1，确定长周期波导光栅的周期Λ值；

步骤2滤出光的空间分离

步骤2a：根据步骤1确定出的单模矩形波导的几何尺寸和长周期波导光栅的周期Λ值，在两路波导上刻蚀长周期波导光栅；将已刻蚀长周期波导光栅的两路波导平行放置、间距为d，构成耦合波导结构；并用消逝场耦合系数计算公式计算出消逝场耦合系数小于0.01m^-1所需的波导间距d；

步骤2b：采用Marcatili法得到波导的导模场分布；采用Marcatili法确定步骤1c中选择出的包层模式的场分布；再用模式耦合系数计算公式计算出导模和该包层模式在光栅区域的耦合系数K；

步骤2c：利用步骤2b得到的耦合系数K，用公式

计算出长周期波导光栅的最短光栅长度Lmin；

步骤2d：将耦合波导结构中的长周期波导光栅的长度设计为Lmin；

步骤3波长连续调谐

步骤3a：上调谐电极制作

根据步骤1b中确定出的包层几何尺寸在耦合波导结构中的两路波导上制作包层(3)，并在包层(3)上制作长度、宽度与包层的几何尺寸相等的上缓冲层(4)；再在上缓冲层(4)上两个矩形波导(1、2)正上方分别制作宽度与步骤1a中波导宽度相等、长度为长周期波导光栅的最短光栅长度Lmin的两个矩形波导对应的上调谐电极(6)，；

步骤3b：底电极制作

在耦合波导结构中的两个矩形波导(1、2)正下方制作下缓冲层(5)，再在下缓冲层(5)下方制作与步骤1b中两个矩形波导(1、2)的包层的几何尺寸相同的底电极；

步骤3c：在上调谐电极(6)上连续地改变调谐电压，滤出光的波长λ₀随调谐电压连续地改变，从而实现滤出光波长的连续调谐；调谐范围由

计算出，式中n_co为波导的材料折射率，γ₃₃为波导材料的电光系数，Λ为长周期波导光栅的周期Λ，D为上调谐电极与底电极间距；V_in为调谐电压；长周期波导光栅滤波器上调谐电极长度等于最短长周期波导光栅长度Lmin，由光渡越时间公式计算出

光渡越时间ΔT，式中，n_co为波导的材料折射率，c为真空中的光速，从而可以计算出调谐速度1/ΔT；

步骤4带通输出与带阻输出

在所述两个矩形波导中第一矩形波导(1)的输出端输出带阻输出结果，所述的带阻输出结果是指：在所要滤波光的光波长范围内除波长λ₀以外的所有光从所述两个矩形波导中第一矩形波导(1)的输出端输出；在所述两个矩形波导中第二矩形波导(2)的输出端输出带通输出结果，所述的带通输出结果是指：所述两个矩形波导中第二矩形波导(2)仅输出波长为λ₀的光。

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