CN102323645B - 基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器。它由单级马赫-曾德尔干涉仪所构成，且干涉仪的一干涉臂上耦合光学全通滤波器。马赫-曾德尔干涉仪的输入和输出端口处的耦合器均为3dB耦合器，且两干涉臂长度相等。光学全通滤波器由级联的多个结构相同的双环耦合结构所构成。光学全通滤波器中级联的双环耦合结构的个数决定陷波点的个数，而每一级双环耦合结构分别对应不同陷波点处的光谱波形的设计，其由每一级双环耦合结构内的两个耦合器所决定。本发明主要用在光分插复用通信系统中用于滤除各类噪声信号及干扰光通信系统正常工作的信号和一切需要实现超窄带陷波滤波函数的滤波器。本发明具有结构简单、工艺可靠、成本低、稳定性高，性能优异等特点。

Description

基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器

技术领域

本发明是一种基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器，主要用于光学通信系统中将噪声及干扰信号滤除，还可用于一切需要实现超窄带陷波滤波函数的滤波器。

背景技术

随着光通信技术的迅速发展，作为光通信系统的核心技术，密集波分复用技术及光分插复用技术获得人们广泛的关注，而这些技术的核心器件之一光复用器/解复用器的性能直接影响到整个通信系统分的质量，因而成为研究的热点。其中一些具有特殊光谱特性的光学滤波器的发展受到重点关注，如光交错复用器，光学陷波器等。光学陷波器是一种超窄带光学滤波器，光谱特性在很窄的波长范围内由通带过渡到阻带后又回到通带，可以有效的消除光通信领域的各类噪声干扰而对有用光信号不产生任何影响。除此之外，光学陷波器在信号控制，估算系统频率等领域也获得重要应用。

在先技术[1](参见Optical Society of America, Sergei Nikitin, Charles Manka，2009，48（6），1184-1189)描述的是一种应用于深紫外波段的基于双折射晶体的超窄带光学滤波器件。其在起偏器和检偏器中放置多个级联的双折射晶体，通过控制双折射晶体的角度与厚度而实现。该结构所得到的陷波谱不理想，通带不平坦。如果想获得较好的陷波效果，需要级联大量的的双折射晶体，结构复杂。该结构由于采用各项异性的双折射晶体，因而成本较高，且实际应用中装配不易。此外，该结构不能在红外波段的光通信系统中使用。

在先技术[2]（参见IEEE Trans On Microwave Theory And Techniques, Ningsi You, Robert A.Minasian, 2001，49(10), 2002-2004）描述的是一种微波光学陷波器。其由三个可变光衰减器、三个光电探测器、90°和180°位相平移微波耦合器和一定延迟线构成。由于其在设计过程中将光学陷波器的系统函数近似成为余弦函数，所以该光学陷波器的陷波谱为余弦函数形状，陷波效果不好。此外，该陷波器只适用于微波波段，不能在红外波段的光通信系统中使用。

在先技术[3]（参见Journal of Lightwave Technology, Mahmoud S. Rasras, Kun Yii Tu, 27(5), 2009, 2105-2110）中所描述的是一种单陷波点的微波波段的光学陷波器。其是在马赫-曾德尔干涉仪的一臂上级联了多个具有相位平移器的单个光纤环而构成。通过调节马赫-曾德尔干涉仪的输入和输出端口处的耦合器的耦合系数以及光纤环的相位和耦合系数来实现所需设计。整个结构通过硅互补式金属氧化物半导体工艺制成。该结构设计不灵活，实现的只是单陷波点的陷波器，且级联的光纤环上需要位相平移器，而相移易受外界环境的干扰而影响，所以该光学陷波器的稳定性能不高，实际应用中必须采用其它方法消除温度，气压等因素的影响，从而限制了它的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的困难，提供一种应用于红外光通信波段的具有任意个陷波点的基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器，该陷波器具有结构简单、工艺可靠、成本低、性能好、可靠性高的特点。

为达到上述目的，本发明的构思是：采用马赫-曾德尔干涉仪为基本结构，在该干涉仪的其中一臂上引入级联的双环光学全通滤波器。双环光学全通滤波器起到引入陷波点的作用。双环光学全通滤波器由级联的n个结构相同的双环耦合结构所构成。级联的双环耦合结构的个数决定陷波点的个数，而每一级双环耦合结构分别对应不同陷波点处的光谱波形的设计，其由每一级双环耦合结构内的两个耦合器所决定，从而形成干扰信号可靠的滤除。

根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方案如下：

一种基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器，包括第一输入波导、第二输入波导、输入端耦合器、输出端耦合器、第一波导臂、第二波导臂，光学全通滤波器及第一输出波导和第二输出波导，其特征在于：所述第一输入波导连接输入端耦合器左侧的第一输入端，第二输入波导连接输入端耦合器左侧的第二输入端；所述输入端耦合器右侧的第一输出端连接第一波导臂，输入端耦合器右侧的第二输出端连接第二波导臂；所述光学全通滤波器和第一波导臂相耦合，该光学全通滤波器为级联双环光学全通滤波器；第一波导臂与光学全通滤波器的输入端相接；级联双环全通滤波器的输出端连接输出端耦合器的第一输入端；第二波导臂连接输出端耦合器的第二输入端；最后，输出端耦合器的第一输出端和第二输出端分别连接第一输出波导和第二输出波导。输入和输出端口耦合器均为3dB耦合器，且第一波导臂和第二波导臂的长度相等。

所述级联双环光学全通滤波器由级联的n个结构相同的双环耦合结构所构成，n为除零外的自然数。

所述每个双环耦合结构由第一、第二两个耦合器和第一、第二、第三波导以双环形方式连接构成，其中第一耦合器的第一输入端口和第二耦合器的第二输出端口之间通过第一波导相连；第一耦合器的第一输出端口和第二耦合器的第二输入端口之间通过第三波导相连；第二耦合器的第一输出端口和第一输入端口之间通过第三波导相连，通过该方式连接后，每个双环耦合结构就由两个单环结构相连所构成。同一双环耦合结构内的第一、第二耦合器的耦合系数均不相同，且同一双环耦合结构的两个单环的长度均相等。此外，不同的双环耦合结构的第一耦合器的耦合系数也不相等；不同的双环耦合结构的第二耦合器的耦合系数也不相等，但不同的双环耦合结构的单环的环长均相等。各双环耦合结构之间以前一个双环耦合结构的输出端口和下一个双环耦合结构的输入端口相接的方式连接起来，且级联的双环耦合结构的个数n和陷波点的个数相同。

      本发明的技术效果：

本发明为全波导器件，且级联的双环光学全通滤波器结构中采用了统一的环长，因而较先在技术[1]的采用双折射晶体结构相比，制作简单、成本低、性能可靠。由于本发明结构采用的是没有相移的环形结构，因而较在先技术[3]的性能稳定性高，实现容易。此外，由于本发明结构采用的是内部具有反馈功能的双环耦合结构，因而陷波谱性能也优于先技术[1]、[2]和[3]。综上，本发明的光学陷波器具有制作简单、工艺可靠、生产成本低和性能优异、可靠性高等优点。本发明主要用在光学通信系统中将噪声及干扰信号滤除以及还可用于一切需要实现超窄带滤波函数的滤波器。

附图说明

    图1为本发明基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器的结构示意图。

图2为单级双环耦合结构的结构示意图。

图3为双环光学全通滤波器6的内部结构连接示意图。

图4为本发明双陷波点的光学陷波器的结构示意图。

图5为本发明单陷波点的光学陷波器的结构示意图。

图6为本发明实施例1的光学陷波器的光谱透射率曲线图。

图7为本发明实施例2的光学陷波器的光谱透射率曲线图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参见图1，本基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器，包括第一输入波导1、第二输入波导2、输入端耦合器3、输出端耦合器7、第一波导臂4、第二波导臂5，光学全通滤波器6及第一输出波导8和第二输出波导9，其特征在于：所述第一输入波导1连接输入端耦合器3左侧的第一输入端3.1，第二输入波导2连接输入端耦合器3左侧的第二输入端3.2；所述输入端耦合器3右侧的第一输出端3.3连接第一波导臂4，输入端耦合器3右侧的第二输出端3.4连接第二波导臂5；所述光学全通滤波器6和第一波导臂4相耦合，该光学全通滤波器6为级联双环光学全通滤波器；第一波导臂4与光学全通滤波器6的输入端相接；级联双环全通滤波器6的输出端连接输出端耦合器7的第一输入端7.1；第二波导臂5连接输出端耦合器7的第二输入端7.2；最后，输出端耦合器7的第一输出端7.3和第二输出端7.4分别连接第一输出波导8和第二输出波导9。

实施例二：

参见图1、图2和图3，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述输入和输出端口耦合器3、7均为3dB耦合器，且第一波导臂4和第二波导臂5的长度相等。

所述级联双环光学全通滤波器由级联的n个结构相同的双环耦合结构6.1、6.2、…, 6.n所构成，n为除零外的自然数。

所述每个双环耦合结构6.1、6.2、…, 6.n由第一、第二两个耦合器10、11和第一、第二、第三波导12、13、14以双环形方式连接构成，其中第一耦合器10的第一输入端口10.a和第二耦合器11的第二输出端口11.b之间通过第一波导12相连；第一耦合器10的第一输出端口10.c和第二耦合器11的第二输入端口11.d之间通过第三波导13相连；第二耦合器11的第一输出端口11.a和第一输入端口11.c之间通过第三波导14相连，通过该方式连接后，每个双环耦合结构6.1、6.2、… 6.n就由两个单环结构相连所构成。

下面给出具体实例：

实例1：

         本实施用于光通信波段的两陷波点的光学陷波滤波器。两陷波点位置分别为λ₁=1550.2nm，λ₂=1550.3nm，且对应陷波点处的3dB带宽Δλ₁=0.008nm，Δλ₂=0.008nm。整体陷波器结构见附图4。光学全通滤波器6由第一级双环耦合结构6. 1和第二级双环耦合结构6.2级联构成。第一级双环耦合结构6.1的耦合器10和耦合器11的耦合系数分别为k₁₂=0.2460，k₁₁=0.47691，第二级双环耦合结构6.2的耦合器10和耦合器11的耦合系数分别为k₂₂=0.2528，k₂₁=0.9483。干涉臂4和5的长度相等，为50mm。两级双环耦合结构6.1和6.2共构成了4个单环结构，每个单环的长度相等，为2mm。图6为该结构陷波器的其中一个输出端口得到的陷波谱波形。可见陷波谱性能优异，通带平坦，陷波位置和带宽与设计值一致。

实例2：

本实施用于光通信波段的单陷波点的光学陷波滤波器。陷波点位置为λ₁=1550.2nm，且对应陷波点处的3dB带宽Δλ=0.008nm。整体陷波器结构见附图5。全通滤波器6即为双环耦合结构6.1。双环耦合结构6.1的耦合器10和耦合器11的耦合系数分别为k₁₂=0.2460，k₁₁=0.47691。干涉臂4和5的长度相等，为50mm。双环耦合结构6.1共构成了2个单环结构，每个单环的长度相等，为2mm。图7为该结构陷波器的其中一个输出端口得到的陷波谱波形。可见陷波谱性能优异，通带平坦，陷波位置和带宽与设计值一致。

Claims (4)

1.一种基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器，包括第一输入波导（1）、第二输入波导（2）、输入端耦合器（3）、输出端耦合器（7）、第一波导臂（4）、第二波导臂（5），光学全通滤波器（6）及第一输出波导（8）和第二输出波导（9），其特征在于：所述第一输入波导（1）连接输入端耦合器（3）左侧的第一输入端（3.1），第二输入波导（2）连接输入端耦合器（3）左侧的第二输入端（3.2）；所述输入端耦合器（3）右侧的第一输出端（3.3）连接第一波导臂（4），输入端耦合器（3）右侧的第二输出端（3.4）连接第二波导臂（5）；所述光学全通滤波器（6）和第一波导臂（4）相耦合，该光学全通滤波器（6）为级联双环光学全通滤波器；第一波导臂（4）与光学全通滤波器（6）的输入端相接；级联双环全通滤波器（6）的输出端连接输出端耦合器（7）的第一输入端（7.1）；第二波导臂（5）连接输出端耦合器（7）的第二输入端（7.2）；最后，输出端耦合器（7）的第一输出端（7.3）和第二输出端（7.4）分别连接第一输出波导（8）和第二输出波导（9）；所述级联双环光学全通滤波器由级联的n个结构相同的双环耦合结构（6.1，6.2，…, 6.n）所构成，n为除零外的自然数；所述每个双环耦合结构（6.1、6.2、…, 6.n）由第一、第二两个耦合器（10、11）和第一、第二、第三波导（12、13、14）以双环形方式连接构成，其中第一耦合器（10）的第一输入端口（10.a）和第二耦合器（11）的第二输出端口（11.b）之间通过第一波导（12）相连；第一耦合器（10）的第一输出端口（10.c）和第二耦合器（11）的第二输入端口（11.d）之间通过第三波导（13）相连；第二耦合器（11）的第一输出端口（11.a）和第一输入端口（11.c）之间通过第三波导（14）相连，通过该方式连接后，每个双环耦合结构（6.1、6.2、… 6.n）就由两个单环结构相连所构成；前一个双环耦合结构的输出端口（10.d）和下一个双环耦合结构的输入端口（10.b）相连接。

2.根据权利要求1所述的基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器，其特征在于所述输入和输出端口耦合器（3、7）均为3dB耦合器，且第一波导臂（4）和第二波导臂（5）的长度相等。

3.根据权利要求1所述的基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器，其特征在于同一双环耦合结构内的第一耦合器（10）和第二耦合器（11）的耦合系数均不相同，且同一双环耦合结构的两个单环的长度均相等；此外，不同的双环耦合结构的第一耦合器（10）的耦合系数也不相等；不同的双环耦合结构的第二耦合器（11）的耦合系数也不相等，但不同的双环耦合结构中的每个环的环长均相等。

4.根据权利要求1所述的基于双环耦合结构的马赫-曾德尔干涉仪型光学陷波器，其特征在于级联的双环耦合结构的个数n和陷波点的个数相同。

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