CN102289038A - 一种超窄带梳状滤波器 - Google Patents

Abstract

一种超窄带梳状滤波器，属于光电子器件，解决现有梳状滤波器不具备偏振分光功能、单信道带宽较宽的问题。本发明由光隔离器、偏振分光镜以及第一、第二多信道滤波器构成，入射光束经光隔离器后进入偏振分光镜，分成一路S光和一路P光，S光和P光分别进入第一、第二多信道滤波器进行滤波，第一、第二多信道滤波器的中心频率交错且符合国际电联规定，输出信道间隔均为50GHz、100GHz或200GHz，第一、第二多信道滤波器的输出为超窄带梳状滤波器输出。本发明同时具有偏振分光镜的偏振分光功能与多信道滤波器的超窄带多信道滤波功能，使用的光学器件少、结构简单，输出信号线宽窄、输出信道间隔可选择50GHz、100GHz或200GHz，中心频率符合国际电联规定，适合在不同要求的密集波分复用系统中使用。

Description

一种超窄带梳状滤波器

技术领域

本发明属于光电子器件，特别涉及一种超窄带梳状滤波器。

背景技术

随着密集波分复用(DWDM)系统的发展，为了更好的利用带宽资源，信道间隔变得越来越窄。32波或40波的100GHz间隔的DWDM系统已经得到广泛商用。为了更进一步提高带宽利用率，信道间隔已经从100GHz向50GHz甚至更窄的方向发展。信道间隔越窄，对DWDM系统复用器和解复用器的要求就越高，制作工艺的难度也越大。用作解复用器的50GHz及更窄带通的滤波器的成品率很低，而这导致窄带滤波器价格高昂。梳状滤波器的运用将大大降低系统的成本，缓解DWDM系统对滤波器件的压力。

现有的梳状滤波器方案包括：双折射晶体型、全光纤熔融拉锥非平衡MZI型、MGTI型等。如图1所示，双折射晶体型梳状滤波器由第一双折射晶体1和第二双折射晶体2构成，第一双折射晶体1厚度l₁、光轴方向x₁，第二双折射晶体2厚度l₂、光轴方向x₂，两块双折射晶体光轴方向成θ角。该方案的特点是温度稳定性好，但随着信道间隔压窄，晶体长度增加，价格昂贵、加工精度要求高。如图2所示，MGTI型梳状滤波器是在迈克尔逊干涉仪的一个干涉臂上加入G-T腔改造而来，包括光环形器3、1∶1分束镜4、第一全反射镜5、半反射镜6、第二全反射镜7，其中半反射镜6、第二全反射镜7构成G-T腔结构，d为G-T腔的腔长，L₁为上方干涉臂臂长，L₂为右方干涉臂臂长，该方案的特点是与偏振无关、对于产生平顶的频谱响应十分有效，但两路输出线宽对称性差，需要引入光环行器，价格昂贵，稳定性不好。如图3所示，全光纤熔融拉锥非平衡MZI型由第一1∶1耦合器8和第二1∶1耦合器9形成，第一1∶1耦合器8和第二1∶1耦合器9由两根单模光纤连续熔融拉锥形成，D₁为上方干涉臂臂长，D₂为下方干涉臂臂长，该方案的特点是与偏振无关，是一种全光纤型无源器件，工艺简单、插入损耗小，输出信道间隔可做到50GHz，但单信道带宽不够窄，温度漂移较严重，且对两臂的光程差要求较高，尤其是第二个耦合器分束比难控制。

发明内容

本发明提供一种超窄带梳状滤波器，解决现有梳状滤波器不具备偏振分光功能、单信道带宽较宽的问题。

超窄带是指单信道3dB带宽≤1.25GHz。

本发明的一种超窄带梳状滤波器，由光路上的光隔离器、偏振分光镜以及第一、第二多信道滤波器构成，其特征在于：

入射光束经光隔离器后进入偏振分光镜，分成偏振态互相垂直的S光和P光，S光和P光分别进入第一、第二多信道滤波器进行滤波，第一、第二多信道滤波器的中心频率交错，输出信道间隔均为50GHz、100GHz或200GHz，第一、第二多信道滤波器的输出为超窄带梳状滤波器输出；

所述第一多信道滤波器由交替粘结的N₁层正折射率膜层和N₁层负折射率膜层构成，N₁为45～55，各层正折射率膜层材料折射率为n₁₁，厚度为d₁₁um；各层负折射率膜层材料折射率为n₁₂，厚度为d₁₂um，且n₁₁×d₁₁＝(-n₁₂)×d₁₂＝k₁×c/f₁；其中，f₁为第一多信道滤波器铆定中心频率，为193.1THz，c为真空中光速，为299792458m/s，k₁为第一多信道滤波器厚度调谐因子：

$k_1=\left\{\begin{array}{cc}\left[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\right],& (\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}-[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\left]\right)<0.25\\ \left[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\right]+0.5,& 0.25\&le;(\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}-[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\left]\right)<0.75\\ \left[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\right]+1,& (\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}-[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\left]\right)\&GreaterEqual;0.75\end{array}\right.$

；

式中，Δf₁为第一多信道滤波器设计频率间隔，为50GHz、100GHz或200GHz，[]表示对括号内的数值取整；

所述第二多信道滤波器由交替粘结的N₂层正折射率膜层和N₂层负折射率膜层构成，N₂为45～55，各层正折射率膜层材料折射率为n₂₁，厚度为d₂₁um；各层负折射率膜层材料折射率为n₂₂，厚度为d₂₂um，且n₂₁×d₂₁＝(-n₂₂)×d₂₂＝k₂×c/f₂；其中，f₂为第二多信道滤波器铆定中心频率，为193.125THz、193.15THz或193.2THz，k₂为第二多信道滤波器厚度调谐因子：

$k_2=\left\{\begin{array}{cc}\left[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\right],& (\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}-[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\left]\right)<0.25\\ \left[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\right]+0.5,& 0.25\&le;(\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}-[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\left]\right)<0.75\\ \left[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\right]+1,& (\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}-[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\left]\right)\&GreaterEqual;0.75\end{array}\right.;$

式中，Δf₂为第二多信道滤波器设计频率间隔，为50GHz、100GHz或200GHz，[]表示对括号内的数值取整。

所述的超窄带梳状滤波器，其特征在于：

所述光隔离器工作频率范围覆盖192.35THz～193.9THz，插入损耗≤1dB，回波损耗≥30dB，偏振相关损耗≤0.2dB；

所述偏振分光镜工作频率范围覆盖192.35THz～193.9THz，插入损耗≤0.5dB，回波损耗≥30dB，消光比≥20dB；

构成所述第一、第二多信道滤波器的正折射率膜层材料为玻璃、有机聚合物或III～V族化合物，折射率为1.45～1.7或3.1～3.5；负折射率膜层材料为人工合成光子晶体，折射率为-2.0～-2.7。

光隔离器对入射光束没有选频作用，仅仅起到限制入射光束传输方向的作用，这样可以消除反射光对前方光源及系统的影响。

偏振分光镜对入射光束没有选频作用，仅仅起到偏振分光的功能，任意偏振态的入射光束经过偏振分光镜后，分为偏振态相互垂直的一路S光与一路P光。

经过偏振分光镜后生成的一路S光与一路P光分别由第一、第二多信道滤波器进行滤波；第一、第二多信道滤波器的中心频率交错且符合国际电联规定，输出信道间隔均为50GHz、100GHz或200GHz，第一、第二多信道滤波器的输出即为梳状滤波器输出。

本发明结合了偏振复用与波分复用特点，同时具有偏振分光镜的偏振分光功能与多信道滤波器的超窄带多信道滤波功能，使用的光学器件少、结构简单，输出信号线宽窄、输出信道间隔可选择50GHz、100GHz或200GHz，中心频率符合国际电联规定，适合在不同要求的密集波分复用系统中使用。

附图说明

图1：现有双折射晶体型梳状滤波器结构示意图；

图2：现有MGTI型梳状滤波器结构示意图；

图3：现有全光纤熔融拉锥非平衡MZI型梳状滤波器示意图；

图4：本发明的结构示意图；

图5：第一多信道滤波器的结构示意图；

图6：第二多信道滤波器的结构示意图；

图7：本发明实施例的数值仿真结果。

具体实施方式

如图4所示，本发明的一个实施例，由光路上的光隔离器10、偏振分光镜11以及第一多信道滤波器12、第二多信道滤波器13构成。入射光束经光隔离器10后进入偏振分光镜11，分成偏振态互相垂直的S光和P光，S光和P光分别进入第一、第二多信道滤波器进行滤波，第一、第二多信道滤波器的铆定中心频率分别为193.1THz和193.125THz，输出信道间隔均为50GHz，第一、第二多信道滤波器的输出为超窄带梳状滤波器输出。

本实施例中，光隔离器选用深圳市易飞扬通信技术有限公司的“WDM～Isolator Hybrid”光隔离器，工作频率范围为190.9THz～195.9THz，插入损耗为0.7dB，回波损耗为45dB，偏振相关损耗为0.1dB；

偏振分光镜选用深圳市易飞扬通信技术有限公司的“PBC&PBS1315/1480/1550”偏振分光镜，工作频率范围为188.5THz～198.55THz，插入损耗为0.5dB，回波损耗为50dB，消光比为22dB；

第一、第二多信道滤波器均由交替生长的50层正折射率膜层14和50层负折射率膜层15构成，两种膜层交错排列，形成周期性结构。第一、第二多信道滤波器的结构分别如图5、图6所示。

第一多信道滤波器各层正折射率膜层材料为玻璃，折射率n₁₁为1.5，厚度d₁₁为1998.616um。各层负折射率膜层材料为人工合成光子晶体，折射率n₁₂为-2.4，厚度d₁₂为1249.135um；第二多信道滤波器各层正折射率膜层材料为玻璃，折射率n₂₁为1.5，厚度d₂₁为1998.875um。各层负折射率膜层材料为人工合成光子晶体，折射率n₂₂为-2.4，厚度d₂₂为1249.297um。

由于n₁₁×d₁₁＝(-n₁₂)×d₁₂＝k₁×c/f₁，在第一多信道滤波器的一对正负折射率膜层内，有效折射率为同理由于n₂₁×d₂₁＝(-n₂₂)×d₂₂＝k₂×c/f₂，在第二多信道滤波器的一对正负折射率膜层内，有效折射率为

因为

禁带和禁带的存在，第一、第二多信道滤波器的透射峰的位置仅决定于法布里-珀罗谐振条件，并且在法布里-珀罗谐振频率附近，出现窄而尖锐的通带，而禁带则表现为宽而平坦。

以下给出第一、第二多信道滤波器中正负折射率膜层厚度的确定方法并介绍基于传输矩阵的数值仿真方法。

(1)k₁为第一多信道滤波器厚度调谐因子：

$k_1=\left\{\begin{array}{cc}\left[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\right],& (\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}-[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\left]\right)<0.25\\ \left[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\right]+0.5,& 0.25\&le;(\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}-[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\left]\right)<0.75\\ \left[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\right]+1,& (\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}-[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\left]\right)\&GreaterEqual;0.75\end{array}\right.;$

令f₁＝193.1THz，Δf₁＝50GHz，由上式可知k₁取1931；又已知n₁₁为1.5，n₁₂为-2.4，由n₁₁×d₁₁＝(-n₁₂)×d₁₂＝k₁×c/f₁，可得相应的正折射率膜层厚度d₁₁为1998.616um，负折射率膜层厚度d₁₂为1249.135um。

考虑用于对S光进行滤波的第一多信道滤波器的多信道滤波性能，对于正折射率材料，其单层膜传输矩阵A₁为：

$A_1=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_1}{f_1}\right)& -\frac{i}{n_{11}}\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_1}{f_1}\right)\\ -{\mathrm{in}}_{11}\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_1}{f_1}\right)& \cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_1}{f_1}\right)\end{array}\right],$

对于负折射率材料，其单层膜传输矩阵B₁为：

$B_1=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_1}{f_1}\right)& -\frac{i}{n_{12}}\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_1}{f_1}\right)\\ -{\mathrm{in}}_{12}\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_1}{f_1}\right)& \cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_1}{f_1}\right)\end{array}\right],$

上式中，i为虚数单位，f为输入光频率，进行数值仿真时，f＝0～+∞Hz；

折衷考虑单信道带宽与峰值透射率，正负折射率膜层对数目N₁取50，则总体传输矩阵M₁为：

$M_1={\left(A_1{B}_1\right)}^{N_1}={\left(A_1{B}_1\right)}^{50}=\left[\begin{array}{cc}{m}_{11}& m_{12}\\ m_{21}& m_{22}\end{array}\right],$

第一多信道滤波器两端均为空气，透射系数t₁为：

$t_1=\frac{2}{m_{11}+m_{12}+m_{21}+m_{22}},$

则透射率T₁为：

T₁＝|t₁|²，

上式中，m₁₁、m₁₂、m₂₁、m₂₂为总体传输矩阵M₁的矩阵元；

(2)k₂为第二多信道滤波器厚度调谐因子：

$k_2=\left\{\begin{array}{cc}\left[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\right],& (\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}-[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\left]\right)<0.25\\ \left[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\right]+0.5,& 0.25\&le;(\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}-[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\left]\right)<0.75\\ \left[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\right]+1,& (\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}-[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\left]\right)\&GreaterEqual;0.75\end{array}\right.;$

令f₂＝193.125THz，Δf₂＝50GHz，由上式可知k₂取1931.5；又已知n₂₁为1.5，n₂₂为-2.4，由n₂₁×d₂₁＝(-n₂₂)×d₂₂＝k₂×c/f₂，可得相应的正折射率膜层厚度d₂₁为1998.875um，负折射率膜层厚度d₂₂为1249.297um。

考虑对于P光进行滤波的第二多信道滤波器的多信道滤波性能，

对于正折射率材料，其单层膜传输矩阵A₂为：

$A_2=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_2}{f_2}\right)& -{\mathrm{in}}_{21}\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_2}{f_2}\right)\\ -\frac{i}{n_{21}}\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_2}{f_2}\right)& \cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_2}{f_2}\right)\end{array}\right],$

对于负折射率材料，其单层膜传输矩阵B₂为：

$B_2=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_2}{f_2}\right)& -{\mathrm{in}}_{22}\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_2}{f_2}\right)\\ -\frac{i}{n_{22}}\sin \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_2}{f_2}\right)& \cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}{\mathrm{fk}}_2}{f_2}\right)\end{array}\right],$

上式中，i为虚数单位，f为输入光频率，进行数值仿真时，f＝0～+∞Hz；

折衷考虑单信道带宽与峰值透射率，正负折射率膜层对数目N₁取50，则总体传输矩阵M₂为：

$M_2={\left(A_2{B}_2\right)}^{N_2}={\left(A_2{B}_2\right)}^{50}=\left[\begin{array}{cc}{c}_{11}& c_{12}\\ c_{21}& c_{22}\end{array}\right],$

第二多信道滤波器两端均为空气，透射系数t₂为：

$t_2=\frac{2}{c_{11}+c_{12}+c_{21}+c_{22}},$

则透射率T₂为：

T₂＝|t₂|²，

上式中，c₁₁、c₁₂、c₂₁、c₂₂为总体传输矩阵M₂的矩阵元。

本发明实施例的数值仿真结果如图7所示。其中实线表示由第一多信道滤波器滤波的S光一路，虚线表示由第二多信道滤波器滤波的P光一路。S光一路铆定中心频率为193.1THz，信道间隔为50GHz，P光一路铆定中心频率为193.125THz，信道间隔为50GHz；两路滤波对称性好，隔离度约为200dB，50dB带宽约为9GHz，30dB带宽约为5GHz，3dB带宽约为1GHz，0.5dB带宽约为400MHz。3dB带宽为信道间隔的2％，0.5dB带宽为信道间隔的0.8％；中心频率处透射无损耗。满足超窄带梳妆滤波的要求。

Claims (2)

1.一种超窄带梳状滤波器，由光路上的光隔离器、偏振分光镜以及第一、第二多信道滤波器构成，其特征在于：

入射光束经光隔离器后进入偏振分光镜，分成偏振态互相垂直的S光和P光，S光和P光分别进入第一、第二多信道滤波器进行滤波，第一、第二多信道滤波器的中心频率交错，输出信道间隔均为50GHz、100GHz或200GHz，第一、第二多信道滤波器的输出为超窄带梳状滤波器输出；

所述第一多信道滤波器由交替粘结的N₁层正折射率膜层和N₁层负折射率膜层构成，N₁为45～55，各层正折射率膜层材料折射率为n₁₁，厚度为d₁₁um；各层负折射率膜层材料折射率为n₁₂，厚度为d₁₂um，且n₁₁×d₁₁＝(-n₁₂)×d₁₂＝k₁×c/f₁；其中，f₁为第一多信道滤波器铆定中心频率，为193.1THz，c为真空中光速，为299792458m/s，k₁为第一多信道滤波器厚度调谐因子：

$k_1=\left\{\begin{array}{cc}\left[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\right],& (\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}-[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\left]\right)<0.25\\ \left[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\right]+0.5,& 0.25\&le;(\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}-[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\left]\right)<0.75\\ \left[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\right]+1,& (\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}-[\frac{f_1}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_1}\left]\right)\&GreaterEqual;0.75\end{array}\right.;$

式中，Δf₁为第一多信道滤波器设计频率间隔，为50GHz、100GHz或200GHz，[]表示对括号内的数值取整；

所述第二多信道滤波器由交替粘结的N₂层正折射率膜层和N₂层负折射率膜层构成，N₂为45～55，各层正折射率膜层材料折射率为n₂₁，厚度为d₂₁um；各层负折射率膜层材料折射率为n₂₂，厚度为d₂₂um，且n₂₁×d₂₁＝(-n₂₂)×d₂₂＝k₂×c/f₂；其中，f₂为第二多信道滤波器铆定中心频率，为193.125THz、193.15THz或193.2THz，k₂为第二多信道滤波器厚度调谐因子：

$k_2=\left\{\begin{array}{cc}\left[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\right],& (\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}-[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\left]\right)<0.25\\ \left[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\right]+0.5,& 0.25\&le;(\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}-[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\left]\right)<0.75\\ \left[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\right]+1,& (\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}-[\frac{f_2}{2\mathrm{\&Delta;}{f}_2}\left]\right)\&GreaterEqual;0.75\end{array}\right.;$

式中，Δf₂为第二多信道滤波器设计频率间隔，为50GHz、100GHz或200GHz，[]表示对括号内的数值取整。

2.如权利要求1所述的超窄带梳状滤波器，其特征在于：

所述光隔离器工作频率范围覆盖192.35THz～193.9THz，插入损耗≤1dB，回波损耗≥30dB，偏振相关损耗≤0.2dB；

所述偏振分光镜工作频率范围覆盖192.35THz～193.9THz，插入损耗≤0.5dB，回波损耗≥30dB，消光比≥20dB；

构成所述第一、第二多信道滤波器的正折射率膜层材料为玻璃、有机聚合物或III～V族化合物，折射率为1.45～1.7或3.1～3.5；负折射率膜层材料为人工合成光子晶体，折射率为-2.0～-2.7。

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