CN104714310A

CN104714310A - 一种可调谐三环级联滤波器

Info

Publication number: CN104714310A
Application number: CN201510061188.5A
Authority: CN
Inventors: 任光辉; 陈少武
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2015-06-17

Abstract

本发明公开了一种可调谐三环级联滤波器，包括：输入波导(10)，其为第一级微环谐振腔滤波器(20)的输入波导；一第一级微环谐振腔滤波器(20)，其与所述输入波导在同一平面内耦合；第二级微环谐振腔滤波器(21)，其与所述第一级微环谐振腔滤波器在同一平面内耦合；第三级微环谐振腔滤波器(22)，其半径与第一级微环谐振腔滤波器的半径相同，且与第二级微环谐振腔滤波器在同一平面内耦合；单模输出波导(11)，其为所述第三级微环谐振腔滤波器(22)的输出波导；加热器(30)，其用于对所述第一级微环谐振腔滤波器、第二级微环谐振腔滤波器、第三级微环谐振腔滤波器进行加热。

Description

一种可调谐三环级联滤波器

技术领域

本发明涉及集成光学领域，尤其涉及一种具有平顶响应和超大自由光谱范围的低串扰热光可调谐三环级联滤波器。

背景技术

在现代光网络技术中，可重构光上下路波分复用器(ROADM)可以灵活地调配容量和重构密集型波分复用(DWDM)网络，是光网络自动开关的关键器件。虽然FFP滤波器已经实现了商业化，且可以用来实现低速的光网络应用，但由于其调谐范围小于EDFA波段，所以限制了它的应用。液晶滤波器有着和FFP相似的性能，虽然它有着更宽的可调谐范围和更快的调谐速度，但它还没有大规模的商用。MEMS滤波器由于存在可靠性问题，使得MEMS器件最终不能走向产业化。FBG滤波器不存在和光纤对准的问题，已经实现了商用，但是FBG调谐范围很小，不能满足大范围波长调谐的要求。声光可调谐滤波器也已商用且实现多波长选频，但是存在带宽大，侧瓣高以及频移等问题。有源可调谐滤波器在超高速和窄带宽上极具潜力，但是它对温度和电流的稳定性的要求依然是一个问题。2008年韩国Kwangwoon大学的Joonoh Park等人在IEEE Photonics TechnologyLetters，VOL.20，NO.12，2008，pp.988-990上报道了一种基于高分子聚合物Ploymer波导的耦合微环的热光可调谐滤波器，具体结构为单一波导耦合双微环结构，且两个微环之间也处于耦合状态，其缺点是滤波谱为多峰包络结构，不能实现高边模抑制比的滤波谱型。

此外，在波分复用的集成光子回路中要求滤波器的通带/阻带最好是平坦的，即传输曲线为“箱型”。采用微环的级联结构，谐振微环之间的耦合作用可以改善谐振峰的形状，从而获得理想的“箱型”滤波。但是传统的半径相同的级联微环滤波器的自由光谱范围与微环的半径成反比，不能够实现超大自由光谱范围内的调谐滤波。

因此有必要提出一种全新的级联微环波导耦合结构，使其能够实现超大自由光谱范围内高边模抑制比的“箱型”滤波谱型。

另一方面，在SOI上的硅光子线波导特别适用于光电集成和光子集成电路，且和现有的微电子CMOS标准工艺兼容性好，而且其化学稳定性远远优于聚合物Ploymer波导。基于SOI光子线波导的单微环谐振腔滤波器虽然具备体积小、通带带宽窄的优点，但其缺点是需要较大的加热电流才能获得相对较大的波长调谐。因此，有必要采用新型的级联微环波导耦合结构，用很小的加热电流就可以实现大范围的波长调谐量。

因此，为解决上述种种问题，本发明旨在提供一种尺寸小、低功耗、调谐范围大的可集成平面光波导热光可调谐级联微环滤波器。

发明内容

本发明旨在提供热光可调谐三环级联滤波器，其既有平顶滤波特性，又具有超大的自由光谱范围，还可以实现低串扰和低侧瓣的单一波长滤波。

本发明提出了一种可调谐三环级联滤波器，包括：

输入波导，其为第一级微环谐振腔滤波器的输入波导；

一第一级微环谐振腔滤波器，其与所述输入波导在同一平面内耦合；

第二级微环谐振腔滤波器，其与所述第一级微环谐振腔滤波器在同一平面内耦合；

第三级微环谐振腔滤波器，其半径与第一级微环谐振腔滤波器的半径相同，且与第二级微环谐振腔滤波器在同一平面内耦合；

单模输出波导，其为所述第三级微环谐振腔滤波器的输出波导；

加热器，其用于对所述第一级微环谐振腔滤波器、第二级微环谐振腔滤波器、第三级微环谐振腔滤波器进行加热。

本发明是用热光可调谐三环级联滤波器代替传统的单一上载/下载(Add/Drop)型热光可调谐微环滤波器。与传统的单一上载/下载(Add/Drop)型热光可调谐微环滤波器相比，本发明具有以下优点：

(1)具有平顶滤波特性；

(2)可以在65nm超大自由光谱范围中实现准连续的滤波；

(3)具有较低的串扰；

(4)具有较高的边模抑制比。

附图说明

为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作详细的说明，其中：

图1是器件具有超大自由光谱范围的游标尺(Vernier)效应原理图；

图2是本发明中可调谐三环级联滤波器器件的结构工作原理图；

图3是本发明中可调谐三环级联滤波器器件的静态光谱图；

图4是本发明中可调谐三环级联滤波器器件的平顶特性的光谱图；

图5是本发明中可调谐三环级联滤波器器件的热光调谐光谱图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图2为本发明具有平顶响应和超大自由光谱范围的热光可调谐三环级联滤波器的结构及工作原理图，所述热光可调谐三环级联滤波器包括：

单模输入波导10，该单模输入波导10为普通的条形波导，在空间位置上布置在第一级微环谐振腔滤波器20的一侧，与第一级微环谐振腔滤波器的环形波导横向间隔Gap优选为280nm，通过光波的消逝场耦合作用而成为微环谐振腔20的输入波导。；

第一级半径优选为48μm的微环谐振腔滤波器20，其与所述输入波导10在同一平面内耦合；

第二级半径优选为50μm的微环谐振腔滤波器21，该微环谐振腔滤波器与第一级半径为48μm的微环谐振腔滤波器20通过间隔Gap在同一平面内直接耦合，并将经过第一级半径为48μm的微环谐振腔滤波器20滤波并且耦合进该微环谐振腔滤波器的光作为输入光；

第三级半径优选为48μm的微环谐振腔滤波器22，该微环谐振腔滤波器与第二级半径为50μm的微环谐振腔滤波器21通过间隔Gap在同一平面内直接耦合，并将经过第二级半径为50μm的微环谐振腔滤波器21滤波并且耦合进该微环谐振腔滤波器的光作为输入光；其中，所述第一级微环谐振腔滤波器20和第三级微环谐振腔22的半径相同，所述第二级微环谐振腔22的半经与所述第一级微环谐振腔滤波器20和第三级微环谐振腔22的半径不同。

单模输出波导11，该波导将经过三级微环滤波器滤过的光进行输出；该单模输入波导11为普通的条形波导，在空间位置上布置在第三级微环谐振腔滤波器22的一侧，与第三级微环谐振腔滤波器的环形波导横向间隔Gap优选为280nm，通过光波的消逝场耦合作用而成为第三级微环谐振腔22的输出波导。

电阻丝加热器30，该电阻丝加热器30可以通过金属溅射和光刻工艺制作在三个微环谐振腔滤波器波导的上包层上，可以通过改变加热的热量控制三个微环谐振腔滤波器波导的有效折射率，进而通过光波干涉谐振原理改变三个微环谐振腔滤波器的谐振波长，从而实现调谐滤波的功能；所述电阻丝加热器30可以是三个单独的电阻丝加热器，分别位于三个微环谐振腔滤波器上，且能够同时对三个微环谐振腔滤波器进行加热；

驱动电源31，用于输出预定的电流，以驱动所述电阻丝加热器30对各个微环谐振腔滤波器进行加热。

参看图2，一束宽谱光从单模输入波导10输入并耦合进入第一级半径为48μm的微环谐振腔20，经过微环谐振腔滤波器20的滤波后，通过单模输入波导10透射端口透射出的光谱为近似相等波长间隔的一系列凹陷状光谱，凹陷处波长对应第一级微环谐振腔滤波器的各级谐振波长，凹陷处波长之间的间隔就是第一级半径为48μm的微环谐振腔20的自由光谱宽FSR1≈2.6nm。通过第一级半径为48μm的微环谐振腔滤波器20滤波后耦合进入第二级半径为50μm的微环谐振腔滤波器21的光谱为近似相等波长间隔的一系列尖峰状光谱，其光谱尖峰波长与单模输入波导10透射端口透射出的近似相等波长间隔的一系列凹陷光谱波长一一对应。这一系列的尖峰状光谱经过与第二级半径为50μm的微环谐振腔滤波器21的耦合，作为输入光，再经过第二级半径为50μm的微环谐振腔滤波器21的滤波后，只有同时满足微环谐振腔滤波器20和21各自的谐振条件的波长才能耦合进入第二级半径为50μm的微环谐振腔滤波器21并得到谐振增强，其它波长的光得不到第二级微环谐振腔滤波器21的谐振增强并再次耦合回第一级微环谐振腔滤波器20(参看图1中的原理说明图)。耦合进入第二级半径为50μm的微环谐振腔滤波器21并得到谐振增强的光为自由光谱范围65nm的一系列尖峰状分立光谱(参看图4)，其中，自由光谱范围65nm是由第一至第三极微环谐振腔滤波器20-22的谐振波长决定，一旦各个微环谐振腔滤波器的半径确定后，这个自由光谱范围65也就确定了。这些分立光谱经过第三级半径为48μm的微环谐振腔滤波器22滤波后，由于级联滤波器的光谱平坦化功能，可以使得边模得到抑制、串扰减小，最终通过单模输出波导11输出具有平顶特性的分立光谱。

当第一级半径为48μm的微环谐振腔滤波器20和第二级半径为50μm的微环谐振腔滤波器21的某一谐振波长λ₀₀重合时，则三环级联滤波器的滤波波长为λ₀₀；当通过控制驱动电源31输出电流加热制作在三个微环谐振腔上的电阻丝加热器30的时候，通过材料的热光效应改变三个微环谐振腔波导的有效折射率，使得三个微环谐振腔的谐振波长同时发生移动(蓝移或者红移，依赖于降温或者升温)，当不同半径的微环谐振腔的谐振波长再次重合的时候，又会从滤波器输出所要求的波长，从而实现波长的热光调谐。

图3为器件的静态光谱图，其自由光谱范围为65nm。

图4为器件的平顶特性光谱图，图中比较了单环、双环以及本器件的平顶特性以及侧瓣抑制，可以看到本器件的性能要远远优于其他两个。

图5为器件的热光调谐光谱图，图中计算了当器件的第二个微环在常温以及上下浮动2摄氏度的情况下的光谱图。其串扰可以达到-60dB以下，可以很好的实现光谱的滤波。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可调谐三环级联滤波器，包括：

输入波导(10)，其为第一级微环谐振腔滤波器(20)的输入波导；

一第一级微环谐振腔滤波器(20)，其与所述输入波导在同一平面内耦合；

第二级微环谐振腔滤波器(21)，其与所述第一级微环谐振腔滤波器在同一平面内耦合；

第三级微环谐振腔滤波器(22)，其半径与第一级微环谐振腔滤波器的半径相同，且与第二级微环谐振腔滤波器在同一平面内耦合；

单模输出波导(11)，其为所述第三级微环谐振腔滤波器(22)的输出波导；

加热器(30)，其用于对所述第一级微环谐振腔滤波器、第二级微环谐振腔滤波器、第三级微环谐振腔滤波器进行加热。

2.如权利要求1所述的可调谐三环级联滤波器，其中，所述第二级微环谐振腔滤波器的半径大于或小于所述第一级微环谐振腔滤波器和第二级微环谐振腔滤波器的半径。

3.如权利要求1所述的可调谐三环级联滤波器，其中，通过所述加热器同时加热所述第一级微环谐振腔滤波器、第二级微环谐振腔滤波器、第三级微环谐振腔滤波器而改变其谐振波长。

4.如权利要求1所述的可调谐三环级联滤波器，其中，所述加热器为电阻丝加热器。

5.如权利要求4所述的可调谐三环级联滤波器，其中，所述加热器一体制作在所述第一级微环谐振腔滤波器、第二级微环谐振腔滤波器、第三级微环谐振腔滤波器上。

6.如权利要求4所述的可调谐三环级联滤波器，其中，所述加热器包括分别制作在所述第一级微环谐振腔滤波器、第二级微环谐振腔滤波器、第三级微环谐振腔滤波器上的三个加热器，且能够同时对所述第一级微环谐振腔滤波器、第二级微环谐振腔滤波器、第三级微环谐振腔滤波器进行加热。

7.如权利要求3-6任一项所述的可调谐三环级联滤波器，其还包括：

驱动电源(31)，用于电流驱动所述加热器。

8.如权利要求2所述的可调谐三环级联滤波器，其中，所述第一级微环谐振腔滤波器和第三级微环谐振腔滤波器的半径为48μm，所述第二级微环谐振腔滤波器的半径为50μm。

9.如权利要求1-6、8任一项所述的可调谐三环级联滤波器，其中，所述可调谐三环级联滤波器用于输出具有平顶特性的分立光谱。