CN104155711A - 用于光网络opm模块的可调谐光子晶体滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信领域，具体涉及一种用于组成波分复用(WDM)系统光通道性能监控模块的可调谐光子晶体滤波器。用于光网络OPM模块的可调谐光子晶体滤波器，包括线性马达、安装在线性马达定子上的第一光子晶体、安装在线性马达转子上的第二光子晶体、第一光子晶体和第二光子晶体中间的空气层。本发明滤波器，相较于衍射滤波缩小了光路，减少了过多的光学元件，因而大大节省了空间，且不易发生老化现象、膜厚偏差10%不会影响其禁带特性。

Description

用于光网络OPM模块的可调谐光子晶体滤波器

技术领域

本发明涉及光通信领域，具体涉及一种用于组成波分复用(WDM)系统光通道性能监控模块的可调谐光子晶体滤波器。 

背景技术

随着通信技术的进步，人们对信息服务需求的日益增长需要更大的网络容量来满足。WDM系统在实现大容量数据传输方面具有一定的优势，但是该系统中传输速率的持续增长也给光信号的传输带来诸多挑战，如光纤传输中四波混频等非线性问题、环境因素影响使光信号偏移或畸变等，这些影响都会导致WDM系统服务质量的劣化。OPM可以对光信号进行监测，及时反馈信息，灵活修正信道，使网络的安全运行实现有效的保障和加强。 

目前我国OPM模块的产品主要是基于衍射型的，其工作原理是：首先从网络中提取出一定功率的光信号，该光信号经过准直透镜后转变为平行光，并沿着衍射光栅的最佳衍射角入射；经过衍射光栅后，得到衍射效率极大的衍射光，不同波长的光信号被分离开；分离后的光信号经过会聚透镜，被会聚在阵列探测器的不同像素上，并在阵列探测器上按波长依次分布；阵列探测器对光信号进行采样，将光信号的幅度转换为电信号，从而获取原始的光谱数据，并将原始数据传送给信号处理器；信号处理器对原始数据进行处理和分析，计算出光信号的通道中心波长、光功率、光信噪比等各种参数，最终输出计算结果和光谱曲线。OPM目前存在模块光学部件较多，光栅的体积比较大，衍射也需要空间，使得整体体积相对较大；光栅的衍射效应造成光信号间的通道干扰，使得计算各项指标有一定困难等一系列问题；并且滤波波长精度为±30 pm，对于50 GHz的WDM系统编号为11和12的光通道，其中心波长为1533.07 nm和1533.47 nm，30 pm的精度显然是不够的。 

2012年，屈文俊（光通信研究，2012，171，3）设计的50 GHz信道间隔光通道监测仪为OPM系统的完善提出了新的方案，其滤波装置采用的是衍射光栅的滤波结构，通过调整入射光角度形成滤波探测单一波长，波长精度达到±10 pm，但该监测仪所利用光栅衍射原理滤波所需的空间较大，不利于OPM模块的小型化发展趋势。 

对OPM模块，可调谐光子晶体滤波器是限制发展的关键问题所在。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种用于光网络OPM模块的可调谐光子晶体滤波器解决目前OPM模块中存在的体积大、精度低、通道干扰的问题。 

    本发明所采用的技术方案是：用于光网络OPM模块的可调谐光子晶体滤波器，包括线性马达、安装在线性马达定子上的第一光子晶体、安装在线性马达转子上的第二光子晶体、第一光子晶体和第二光子晶体中间的空气层。 

作为一种优选方式：第一光子晶体以厚度为114nm的GaAs和厚度为283nm 的MgF₂交替镀在SiO₂基底表面上形成一个镀层周期，第二光子晶体以厚度为283nm 的MgF₂和厚度为114nm的GaAs交替镀在SiO₂基底表面上形成一个镀层周期，第一光子晶体和第二光子晶体的生长顺序相反，第一光子晶体和第二光子晶体的镀层周期相同且都多于一个周期。 

  本发明的有益效果是：本发明滤波器，相较于衍射滤波缩小了光路，减少了过多的光学元件，因而大大节省了空间，且所设计可调谐光子晶体滤波器总厚度最大仅为5.2 μm，大大减小了装置体积，本发明滤波器为单通道滤波，运用的是光波的干涉原理，避免了由于光学元件衍射效应带来的通道间的干扰，减小噪声，同时光子晶体对光几乎不吸收，降低了光损耗。本发明滤波器的精度最高可达到±0.1 pm，能够很好地满足现阶段密集波分复用对OPM模块较高精度的要求。改变滤波器结构中的周期数n可得到不同带宽和精度的窄带滤波信号，适用不同WDM系统的信道检测；空气层厚度的变化也可根据所需滤波范围（比如光通信L波段）作调整，这两点使得所设计的滤波器结构灵活多变，应用较广。本滤波器结构简单、膜层厚度和性能稳定且不易发生老化现象、膜厚偏差10%不会影响其禁带特性。 

附图说明

    图1是OPM模块的结构示意图。 

图2是OPM模块的核心部件可调谐光子晶体滤波器装置结构图。 

图3是可调谐光子晶体滤波器结构在周期数分别为3、4、5、6下，空气层厚度为386.8 nm时的透射谱，对应透射峰值位置为1550 nm，滤波器工作波长均为1200 nm~2200 nm。 

图4是第一光子晶体1和第二光子晶体2周期数n为3时，滤波器在空气厚度每变化2 nm时的透射谱叠加图。 

图5是第一光子晶体1和第二光子晶体2周期数n为4时，滤波器在空气厚度每变化2 nm时的透射谱叠加图。 

图6是第一光子晶体1和第二光子晶体2周期数n为5时，滤波器在空气厚度每变化2 nm时的透射谱叠加图。 

图7是两个第一光子晶体1和第二光子晶体2周期数n为6时，滤波器在空气厚度每变化2 nm时的透射谱叠加图。 

图8是周期数n为3、4、5、6时，不同空气层厚度与相应透射峰中心波长位置的变化关系，小图为局部放大图。 

图9是图4~7中不同周期数n所对应的不同空气厚度下透射峰的半高宽。 

具体实施方式

OPM模块的结构如图1所示，主要由可调谐滤波器、探测器和信号处理与控制器构成，其中可调谐滤波器是由一维光子晶体制成，用以对光网络中提取出的光信号进行滤波，得到窄带光信号；探测器主要作用是将滤出的光波进行光电转换；信号处理与控制器对采集到的电信号进行分析处理，计算得出各项指标并将结果输出，同时反馈信息调节滤波器，保证所有光信道被扫描。 

图2是OPM模块的核心部件可调谐光子晶体滤波器装置结构图。主要由第一光子晶体1、第二光子晶体2以及包含有定子7和转子8的超微线性马达构成。 其中第一光子晶体1是由GaAs层4与MgF₂层5交替镀在SiO₂基底3的表面制成，4和5构成了第一光子晶体1的一个周期，厚度分别为114nm和283nm，总共n个周期2n层，固定在定子上。第二光子晶体2是MgF₂层与GaAs层交替镀在SiO₂基底3表面制成，厚度分别为283nm和114nm，总共n个周期2n层，固定在转子上。1与2之间形成空气层6，其厚度随着转子的移动而发生改变。 

图3-图9是对所述的可调谐光子晶体滤波器结构用传输矩阵法进行数值模拟的结果，考虑到实际应用时存在材料色散效应，模拟过程中将所用材料的色散计算在内。图3是第一光子晶体1和第二光子晶体2结构周期数分别取3、4、5、6时，在空气层厚度为386.8nm下近红外波段的透射谱图。透射峰在1550 nm处，四种情况的可工作范围皆处于1200 nm~2200 nm。本专利选取工作波长为C波段作为举例说明，图4-图7是第一光子晶体1和第二光子晶体2结构周期数分别为3、4、5、6时，滤波器在空气厚度每变化2 nm时的透射谱叠加图。图中显示透射峰值均匀，且透射率在99%以上。图8为不同周期数n下，不同空气层厚度与相应透射峰中心波长位置的变化关系图，显示空气层厚度与透射光中心波长之间呈线性关系。图9为不同周期数n下，不同空气厚度所对应的透射峰的半高宽，显示同一周期数下透射峰带宽是均匀的。 

实施例1 

本实施例以结构为(GaAs/MgF₂)₃/Air/(GaAs/MgF₂)₃的可调谐光子晶体滤波器作为OPM模块的核心部件，其晶格常数为397nm，每层GaAs层厚度为114nm，每层MgF₂层厚度为283nm。

光子晶体的生长需要基底来支撑，构成滤波器的两个相同的第一光子晶体1和第二光子晶体2生长在基底时稍有差别，生长的顺序是相反的。采用真空镀膜机在SiO₂基底3上沉积114nm的GaAs层，然后在GaAs层上沉积283nm的MgF₂层，得到第一光子晶体1的一个周期，如此总共交替沉积3个周期，完成第一光子晶体1的制备；用真空镀膜机在SiO₂基底3上沉积283nm的MgF₂层，然后在MgF₂层上沉积114nm的GaAs层，得到第二光子晶体2的一个周期，如此总共交替沉积3个周期，完成了第二光子晶体2的制备。将第一光子晶体1固定在超微线性马达的定子上，第二光子晶体2固定在转子上，通过转子在定子上移动来改变第一光子晶体1和第二光子晶体2间空气层的厚度，起到调谐滤波的作用。再将最终的可调谐光子晶体滤波器与探测器、信号处理与控制器相连接即得OPM模块。 

当空气层的厚度从370.8 nm变到392.8 nm，如图4，相应透射峰波长从1533.18 nm移动到1556.17 nm，波长精度达到10 pm，透射率在99%以上，图8可以看出空气层厚度与峰值波长呈线性关系，图9显示其平均半高宽为4.4 nm。 

实施例2 

本实施例以结构为(GaAs/MgF₂)₄/Air/(GaAs/MgF₂)₄的可调谐光子晶体滤波器作为OPM模块的核心部件，其晶格常数为397 nm，每层GaAs层厚度为114 nm，每层MgF₂层厚度为283 nm。

第一光子晶体1和第二光子晶体2各需要沉积4个周期，具体的制备方法如同实施例1。 

当空气层的厚度从370.8 nm变到392.8 nm，如图5，相应透射峰波长从1533.276 nm移动到1556.138 nm，波长精度达到1 pm，透射率在99%以上，图8可以看出空气层厚度与峰值波长呈线性关系，图9显示其平均半高宽为0.7 nm。 

实施例3 

本实施例以结构为(GaAs/MgF₂)₅/Air/(GaAs/MgF₂)₅的可调谐光子晶体滤波器作为OPM模块的核心部件，其晶格常数为397 nm，每层GaAs层厚度为114 nm，每层MgF₂层厚度为283 nm。

第一光子晶体1和第二光子晶体2各需要沉积5个周期，具体的制备方法如同实施例1。 

当空气层的厚度从370.8 nm变到392.8 nm，如图6，相应透射峰波长从1533.2915 nm移动到1556.1331 nm，波长精度达到0.1 pm，透射率在99%以上，图8可以看出空气层厚度与峰值波长呈线性关系，图9显示其平均半高宽为0.12 nm。 

实施例4 

本实施例以结构为(GaAs/MgF₂)₆/Air/(GaAs/MgF₂)₆的可调谐光子晶体滤波器作为OPM模块的核心部件，其晶格常数为397 nm，每层GaAs层厚度为114 nm，每层MgF₂层厚度为283 nm。

第一光子晶体1和第二光子晶体2各需要沉积6个周期，具体的制备方法如同实施例1。 

当空气层的厚度从370.8 nm变到392.8 nm，如图7，相应透射峰波长从1533.2941 nm移动到1556.1323 nm，波长精度达到0.1 pm，透射率在99%以上，图8可以看出空气层厚度与峰值波长呈线性关系，图9显示其平均半高宽为0.019 nm。 

上述实施例仅仅是为清楚地说明而作的举例，并非对实施方式的限定。可用于红外通信波段的光子晶体材料和可调谐光子晶体滤波器结构有很多，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可做出其他不同形式的变化或变动。这里无法对所有实施方式加以举例。因此，本发明的保护范围应以权利要求书界定为准。 

Claims (2)

1.用于光网络OPM模块的可调谐光子晶体滤波器，其特征在于：包括线性马达、安装在线性马达定子上的第一光子晶体、安装在线性马达转子上的第二光子晶体、第一光子晶体和第二光子晶体中间的空气层。

2.根据权利要求1所述的用于光网络OPM模块的可调谐光子晶体滤波器，其特征在于：第一光子晶体以厚度为114nm的GaAs和厚度为283nm 的MgF₂交替镀在SiO₂基底表面上形成一个镀层周期，第二光子晶体以厚度为283nm 的MgF₂和厚度为114nm的GaAs交替镀在SiO₂基底表面上形成一个镀层周期，第一光子晶体和第二光子晶体的生长顺序相反，第一光子晶体和第二光子晶体的镀层周期相同且都多于一个周期。