CN101846815B - 可同时提取双波长的带宽可调的光波长滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可同时提取双波长的带宽可调的光波长滤波器，包括在铌酸锂晶片上以钛扩散工艺制备的偏振分束器波导、以电极溅射工艺制备的相移电极和偏振转换电极结构，两层结构之间以二氧化硅缓冲层隔开，其中由偏振分束器波导、相移电极组成的结构位于该滤波器的底层，使输出频谱平移，实现波长调谐；偏振转换电极组成的结构位于滤波器的上层，产生所需的输出频谱，实现单波长或双波长的、带宽动态可调的带通滤波，与现有技术相比，本发明调谐范围内，调节各电极的电压，即可实现任意单波长的带通滤波，又可实现任意双波长的带通滤波；通带带宽动态可调，即调节各电极电压，可对滤波波长的3dB带宽调节。

Description

可同时提取双波长的带宽可调的光波长滤波器

技术领域

本发明涉及本发明涉及一种光通信系统的节点中应用的光器件，尤其涉及光可调谐滤波器。

背景技术

随着以密集波分复用系统为基础的光纤网络技术的不断发展，光波长可调谐滤波器在解复用器实现、波长信号提取、光分插复用器以及光交叉连接器的构建等环节中的突出作用逐渐体现出来。寻找调谐范围广、精细度高、调谐速度快、可重构性强、损耗低、体积小、成本低的光可调谐滤波器的实现方案便成为近年来国内外研究的热点问题。

目前国内光调谐滤波器的实现技术中，研究较多的主要有以声表面波与声光材料相互作用改变信号光的偏振态实现波长滤波的声光可调谐滤波器，利用布拉格光栅或长周期光纤光栅的反射波长的应力敏感性制作的可调谐光纤光栅滤波器，以多光束干涉原理结合各种改变腔内光程技术的可调谐Fabry-Perot滤波器，以电光效应控制双折射晶体的偏振实现的电光可调谐滤波器等。这些技术在光网络中已经有不同程度的应用。

专利“声光可调谐滤波器(97120859)”提出了一种可在光强较弱的情况下工作的声光可调谐滤波器，它通过使光束斜向入射到晶体表面以提高晶体的集光量，提高了声光可调谐滤波器的性能。声光可调谐滤波器具有调谐范围宽，器件集成度高的特点，但相对于电光可调谐滤波器，其调谐速度偏低。

专利“多信道可调谐长周期光纤光栅滤波器(200810014908)”公开了基于长周期光纤光栅应力敏感的滤波技术，具有制作成本低、可调谐性强的特点，然而由于其调谐手段的限制，其调谐速度及可重复性都难以适应现代光网络的需求。

专利“可调谐光纤FP滤波器(02291998)”公开了一种可调谐光纤FP滤波器，该技术由压电陶瓷的两电极通电并进行控制，即可调谐两插针端面纤芯间的距离，实现输出波长的调谐，具有易于装配，制造成本较低的优势。然而该技术仍存在调谐速度偏低的缺陷，且不能对输出频谱做精细调控。

专利“带宽可调的全光纤带阻滤波器及其制作方法(200910104436)”公开了一种带宽可调的全光纤带阻滤波器及其制作方法，该技术可对谐振峰带宽进行调节，具有结构简单、制作方便、成本低廉、控制灵活、插入损耗小的优点，但由于其调谐速度较低，无法适应光网络节点的滤波要求。

专利“电光调谐平顶滤波器(03141749)”中提出了一种采用级联模拟双折射结构的电光调谐滤波器，它通过控制各模拟双折射模块中的偏振旋转片的旋转角和光在各模拟双折射模块中的光程差实现具有大平坦宽度的通带和阻带、高隔离度和较小光谱频率间隔的特性。该技术虽然实现了高速电光滤波功能，但由于其采用的是分离元件，器件的稳定性难以保障。另外，该技术与前述几种技术都只能实现单波长的下载。

专利“基于电光效应的高速光分插复用器(CN100561262C)”公开了一种利用钛扩散铌酸锂波导波长相关偏振模式转换实现的波长提取技术。该技术具有相应速度快、串扰小等优点，然而其调谐电压相对较高，电极结构较为复杂，引线难度大。

发明内容

基于上述现有技术，本发明提出了一种可同时提取双波长的带宽可调的光波长滤波器，以铌酸锂电致折射率光栅产生对双折射晶体的波长相关的偏振模式转换，配合相移电极和集成在波导上的两个偏振分束器，实现可调谐的滤波功能。

本发明提出了一种可同时提取双波长的带宽可调的光波长滤波器，包括由偏振分束器波导、相移电极组成的结构，以及偏振转换电极组成的结构，两层结构之间以二氧化硅缓冲层隔开，其中由偏振分束器波导、相移电极组成的结构位于该滤波器的底层，使输出频谱平移，实现波长调谐；偏振转换电极组成的结构位于滤波器的上层，产生所需的输出频谱，实现单波长或双波长的、带宽动态可调的带通滤波，其中：

所述由偏振分束器波导、相移电极组成的结构，包含多个波长信道的光信号从滤波器输入端口102输入，经偏振分束波导103后，光信号的两个彼此正交的偏振模式分离，准TE模进入上臂波导104，准TM模进入下臂波导105；在偏振转换电极和相移电极的共同作用下，所需波长附近的光波发生偏振模式转换，即上臂波导104中准TE模转化为准TM模，下臂波导105中准TM模转化为准TE模；上臂波导104和下臂波导105信号在四端口偏振分束波导109处耦合后，准TE模和准TM模由带通端口111输出；其余波长未发生偏振模式转换，由带阻端口110输出；

所述偏振转换电极组成的结构，包括16组叉指电极201-216、接地电极217，每组叉指电极电压为独立电压，产生所需的输出频谱，实现单波长或双波长的、带宽动态可调的带通滤波。

通过将部分叉指电极(x组)电压置零，可将其3dB带宽扩大为原来的

倍，这样可实现对3dB带宽的动态可调。

所述叉指电极电压以周期正弦函数加权后，根据如下步骤得到调谐范围内任意双波长滤波：

首先计算两波长λ₁、λ₂的波长差Δλ＝|λ₁-λ₂|，取叉指电极电压分布为

其中

为波长失配因子，v_i为经过其他方式加权的叉指电压分布，得到了波长为

的双波长输出频谱；再以相移电极电压作用，将频谱平移

便可得到λ₁、λ₂处的双波长滤波；此时计算得到的相移电极电压为

与现有技术相比，本发明能够提高光波长滤波器的调谐速度，并使滤波器具有能同时下载双波长及动态调节通带宽度的功能，增强滤波器在以密集波分复用为基础的光网络中的节点中的适用性；在调谐范围内，调节各电极的电压，即可实现任意单波长的带通滤波，又可实现任意双波长的带通滤波；通带带宽动态可调，即调节各电极电压，可对滤波波长的3dB带宽调节。

附图说明

图1为可同时提取双波长的带宽可调的光波长滤波器的波导和相移电极示意图；

101X切Y传的铌酸锂晶片

102滤波器输入端口

钛扩散铌酸锂波导：

103三端口偏振分束波导

104上臂波导

105下臂波导

109四端口偏振分束波导

106、107、108相移电极

110带阻端口

111带通端口

图2为可同时提取双波长的带宽可调的光波长滤波器的偏振转换电极结构示意图；

201-216 16组叉指电极；

217接地电极

218上臂波导

219下臂波导。

具体实施方式

本发明选用X切Y传铌酸锂晶片，以钛扩散工艺制作偏振分束器等波导结构，以溅射工艺制作两层电极，即相移电极和偏振转换电极，两层电极以二氧化硅缓冲层隔开。底层的相移电极可使输出频谱平移，实现波长调谐功能。上层的偏振转换电极由多组相同结构的叉指电极级联构成，每组为独立电压，合理施加电压，可以产生所需的输出频谱，达到单波长或双波长的、带宽动态可调的带通滤波。

下面结合附图实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，包含多个信道的光信号从滤波器输入端口102输入，经三端口偏振分束波导103后，信号的两个彼此正交的偏振模式分离，准TE模进入上臂波导104，准TM模进入下臂波导105。在上臂波导104中，准TE模在电场作用下发生波长(频率)相关的偏振模式转换，转化为准TM模。其各波长(频率)所对应的转换效率由相移电极106、107、108以及偏振转换电极201-217的电压确定，通过合理设计各电压，可得到所需的偏振转换效率谱。下臂波导105中的偏振转换效率谱与上臂波导104中的完全相同，对应的为准TM模转化为准TE模。两臂信号在偏振分束波导109处耦合后，准TM模的光波进入交叉波导(即上臂波导104至带通端口111；下臂波导105至带阻端口110)，准TE模的光波进入直通波导(即上臂波导104进入带阻端口110；下臂波导105至带通端口111)。若将四端口偏振分束波导视为理想，则带阻端口110的输出谱为前述的偏振转换效率谱的反转谱，而带通端口111的输出谱即为偏振转换效率谱。于是，通过调节各电极电压，即可在带通端口111得到所需的滤波频谱。本发明设计的滤波器是温度敏感器件，需要将铌酸锂晶片固定在热沉上进行温控。

器件具体参数为如下：

三端口偏振分束波导103宽7微米；上臂波导106、下臂波导107长3.2厘米；上臂波导106和下臂波导107之间的间距为75微米；相移电极106、107、108长为3.18厘米；相移电极106、107宽100微米；相移电极106与107，相移电极107与108之间间距G为15微米。相移电极108接地，相移电极107电压为V_T，相移电极106电压为2V_T。

图1所示的波导、电极结构与图2所示的电极结构间由二氧化硅缓冲层隔开，起到电极间绝缘和波导与电极的隔离作用，二氧化硅缓冲层厚度为1微米，长3.2厘米，宽500微米。

201-216为16组完全相同的叉指电极，电压分别为V₁V₂…V₁₆，该叉指电极的重复周期L为1974微米；每组叉指电极的周期Λ为21微米；每组叉指电极含94指；指宽5.5微米。

根据模式耦合理论分析，当叉指电极电压满足关系

时，在端口111可以得到波长λ₀的带通滤波。其中κ_i是叉指电极电压V_i相关的函数，表示单位长度的偏振耦合系数。λ₀＝Λ(n_o-n_e)为相移电极未施加电压时滤波器的中心波长，它与器件工作的温度和波导的扩散条件有关，式中n_o和n_e分别为铌酸锂晶体寻常光和非常光的折射率。

若要提取其他波长的光信号，可通过施加相移电极电压V_T以平移输出频谱得到。电压对波长的调谐率表示为

其中γ₁₃和γ₃₃为铌酸锂晶体的电光系数，Г_TE和Г_TM取值在0～1，表示电场不均匀性引起的积分因子。

按照以上公式所描述的叉指电极以及相移电极的电压，可以实现调谐范围内任意波长滤波。而满足完全偏振转换关系式

的叉指电极电压分布有无数组，不同的分布对应着不同的输出频谱，因此设计不同的电压分布，可以实现多种功能。

当各组叉指电极施加一致电压V_i＝V时，可获得最小的3dB带宽为0.7纳米，旁瓣-10dB左右的输出频谱。若需要更窄的带宽，则需要设计时增大叉指电极组数或增大叉指周期L。

由于本发明采用各叉指电极独立供电的设计，对各电极以函数加权，可实现旁瓣抑制。例如施加高斯加权的叉指电压

当α＝5时，可将旁瓣抑制在-30dB以下。在抑制旁瓣的同时，3dB带宽会有所展宽，例如此时的3dB带宽为0.8纳米。

在一定的叉指电极电压分布下，叉指电极区总长度与输出频谱的3dB带宽成近似反比例关系。利用这一原理，通过将部分叉指电极电压置零，可动态调谐通带宽度。例如在前述实例中，采用高斯加权的叉指电压分布，将其中8组叉指电极的电压设为0，则可得到1.6纳米的3dB带宽。这样，仅通过调节电压，即可适应光网络节点中不同信道间隔系统的波分复用光信号提取。

对叉指电极电压以周期正弦函数加权后，输出频谱会以中心波长对称分裂为两个相同的峰。利用这一原理，可根据如下步骤得到调谐范围内任意双波长滤波。首先计算两波长λ₁、λ₂的波长差Δλ＝|λ₁-λ₂|，取叉指电极电压分布为

其中为波长失配因子，v_i为经过其他方式加权的叉指电压分布(例如高斯函数，由于各种加权方式相互独立，在双波长提取的同时也可以进行旁瓣抑制或带宽调节)。这样便得到了波长为

的双波长输出频谱。再以相移电极电压作用，将频谱平移

便可得到λ₁、λ₂处的双波长滤波。此时计算得到的相移电极电压为

$V_T=\frac{2G}{\mathrm{\Λ}({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{TE}}{n}_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{TM}}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{13})}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2}{2}-{\mathrm{\λ}}_0).$

Claims (1)

1.一种可同时提取双波长的带宽可调的光波长滤波器，包括在铌酸锂晶片上以钛扩散工艺制备的偏振分束器波导、以电极溅射工艺制备的相移电极和偏振转换电极结构，两层结构之间以二氧化硅缓冲层隔开，其中由偏振分束器波导、相移电极组成的结构位于该滤波器的底层，使输出频谱平移，实现波长调谐；偏振转换电极组成的结构位于滤波器的上层，产生所需的输出频谱，实现单波长或双波长的、带宽动态可调的带通滤波，其中：

所述由偏振分束器波导、相移电极组成的结构，包含多个信道的光信号从滤波器输入端口(102)输入，经偏振分束波导(103)后，光信号的两个彼此正交的偏振模式分离，准TE模进入上臂波导(104)，准TM模进入下臂波导(105)；在偏振转换电极和相移电极的共同作用下，所需波长附近的光波发生偏振模式转换，即上臂波导(104)中准TE模转化为准TM模，下臂波导(105)中准TM模转化为准TE模；上臂波导(104)和下臂波导(105)信号在四端口偏振分束波导(109)处耦合，后准TE模和准TM模由带通端口(111)输出；其余波长未发生偏振模式转换，由带阻端口(110)输出；

所述偏振转换电极组成的结构，包括16组叉指电极(201)-(216)、接地电极(217)，每组叉指电极电压为独立电压，产生所需的输出频谱，实现单波长或双波长的、带宽动态可调的带通滤波；

以及，通过将部分叉指电极x组电压置零，可将其3dB带宽扩大为原来的

倍，这样可实现对3dB带宽的动态可调；

所述叉指电极电压以周期正弦函数加权后，根据如下步骤得到调谐范围内任意双波长滤波：

首先计算两波长λ₁、λ₂的波长差Δλ＝|λ₁-λ₂|，取叉指电极电压分布为 $V_i=v_i\cos \left[2\mathrm{\δL}({\mathrm{\λ}}_0+\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{2})(i-1)\right],$ 其中 $\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0+\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{2}}(n_o-n_e)-\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}$ 为波长失配因子，得到了波长为

的双波长输出频谱；再以相移电极电压作用，将频谱平移

便可得到λ₁、λ₂处的双波长滤波；此时计算得到的相移电极电压为 $V_T=\frac{2G}{\mathrm{\Λ}({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{TE}}{n}_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{TM}}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{13})}(\frac{{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\λ}}_2}{2}-{\mathrm{\λ}}_0),$ 其中λ₀为相移电极未施加电压时滤波器的中心波长，L为叉指电极的重复周期，Λ为每组叉指电极的周期，n_o和n_e分别为铌酸锂晶体寻常光和非常光的折射率，γ₁₃和γ₃₃为铌酸锂晶体的电光系数，Γ_TE和Γ_TM取值在0～1，表示电场不均匀性引起的积分因子，v_i为经过其他方式加权的叉指电压分布，G为两组相移电极之间间距，i为叉指电极的第i个组数。

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