CN104765164A - 一种带宽可调的带通型光学滤波器 - Google Patents

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陈宏达
张赞
黄北举
程传同
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    • G02F1/009—Thermal properties

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种带宽可调的带通型光学滤波器，包括：一个主环形谐振器(11)；两个副环形谐振器分别位于主环形谐振器(11)两侧，作为输入环形谐振器(12)和输出环行谐振器(13)；两个加热器(14)，分别位于输入环形谐振器(12)和输出环形谐振器(13)上；两个弯曲波导分别位于输入环形谐振器(12)和输出环形谐振器(13)外侧，作为输入波导(15)和输出波导(16)。利用本发明，通过加热器改变输入、输出环形谐振器的谐振波长，可以实现滤波器输入、输出端耦合系数的改变，进而实现带宽可调的功能。

Description

一种带宽可调的带通型光学滤波器
技术领域
本发明涉及光学滤波器技术领域，特别涉及一种带宽可调的带通型光学滤波器。
背景技术
可调光学滤波器是一种基本光学元件，其本质上为带通型滤波器，即只允许特定波长信号透射，其他波长信号反射掉，能够从宽带光源信号中筛选出一定波长范围信号。可调光学滤波器是现代光学应用领域中的重要部件之一，在光通讯、光信号处理、光谱学、远程遥感、超光谱/精细光谱等领域都具有广泛的应用。国际上已经制作了多种光学滤波器，如法布里波罗滤波器、薄膜干涉滤波片、马赫曾德尔干涉仪滤波器、光栅滤波器、波导滤波器等。随着光通讯技术和多光谱/精细光谱技术的发展，越来越需要一种带宽可调光学滤波器以满足未来的发展需要，因而近年来得到了广泛的关注。
Xinyong Dong等人在文章"Bandwidth-tunable filter and spacing-tunablecomb filter with chirped-fiber Bragg gratings,"Optics Communications,vol.259,pp.645-648,2006.中报道的光学滤波器，利用光纤光栅实现了带宽的大范围调谐。但是此类光学滤波器通常由光纤器件构成，体积较大，而且也无法与基于平面工艺的平面光波导回路或集成电路集成，严重限制了系统集成度的提高。
因此，为了进一步促进系统集成度的提高，有必要提出新的带宽可调的光学滤波器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种带宽可调的带通型光学滤波器，以降低器件的面积，提高系统的集成度。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种带宽可调的带通型光学滤波器，包括：一个主环形谐振器11；两个副环形谐振器分别位于主环形谐振器11两侧，作为输入环形谐振器12和输出环行谐振器13；两个加热器14，分别位于输入环形谐振器12和输出环形谐振器13上；两个弯曲波导分别位于输入环形谐振器12和输出环形谐振器13外侧，作为输入波导15和输出波导16。
上述方案中，所述环形谐振器11、输入环形谐振器12和输出环形谐振器13均由环形波导构成。
上述方案中，所述加热器14通过利用热光效应来调谐所述输入环形谐振器12和出环形谐振器13的谐振波长。
上述方案中，所述输入波导15、输出波导16以及构成环形谐振器11、输入环形谐振器12和输出环形谐振器13的环形波导均采用硅波导，能够通过热光效应改变波导的折射率。
(三)有益效果
本发明提供的带宽可调的带通型光学滤波器，由三个环形谐振器和输入输出波导构成。位于主环形谐振器11两侧的输入环形谐振器12和输出环形谐振器13可等效为主环形谐振器11的等效输入耦合区和等效输出耦合区。因为环形谐振器具有波长选择特性，其光谱响应在谐振波长(λ0)处呈现一峰值(如图2所示)，所以由输入环形谐振器12和输出环形谐振器13构成的等效输入、输出耦合区的等效耦合系数也成为波长相关的函数，在谐振波长处呈现一峰值。通过位于输入环形谐振器12和输出环形谐振器13上的加热器14，利用热光效应改变波导的折射率，可以调整输入环形谐振器12和输出环形谐振器13的谐振波长，使其光谱响应发生平移(λ0+Δλ、λ0-Δλ)，等效于改变等效输入、输出耦合区的耦合系数，进而实现带宽的改变，实现了带宽可调的带通型光学滤波器，有望应用于光通信、光信号处理、光谱学等领域。
此外，由于此带通型光学滤波器的主体由结构紧凑的环形谐振器组成，大大降低了器件的面积与体积，便于与其他外围器件、电路集成，进而显著提高了系统的集成度。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明本发明的具体内容，其中：
图1为本发明提供的带宽可调的带通型光学滤波器的结构示意图；
图2为本发明提供的带宽可调的带通型光学滤波器的原理示意图；
图3为依照本发明实施例的提供的带宽可调的带通型光学滤波器的光谱响应图。
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，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的带宽可调的带通型光学滤波器的结构示意图，该带通型光学滤波器包括：
一个主环形谐振器11；
两个副环形谐振器分别位于主环形谐振器11两侧，作为输入环形谐振器12和输出环行谐振器13；
两个加热器14，分别位于输入环形谐振器12和输出环形谐振器13上；以及
两个弯曲波导分别位于输入环形谐振器12和输出环形谐振器13外侧，作为输入波导15和输出波导16。
在图1中，环形谐振器11、输入环形谐振器12和输出环形谐振器13均由环形波导构成，加热器14通过利用热光效应来调谐所述输入环形谐振器12和出环形谐振器13的谐振波长。输入波导15、输出波导16以及构成环形谐振器11、输入环形谐振器12和输出环形谐振器13的环形波导均采用硅波导，能够通过热光效应改变波导的折射率。
图1所示的带宽可调的带通型光学滤波器，采用平面波导回路技术实现，只需定义版图信息即可通过标准平面工艺制作完成，有望与集成电路等其他电子器件单片集成，提高系统集成度。
主环形谐振器11、输入环形谐振器12和输出环形谐振器13构成一个三阶级联环形谐振器，在滤波器输出端形成一个带通滤波器。此带通型滤波器的带宽可以通过调整输入环形谐振器12和输出环形谐振器13的谐振波长而改变。
对于此带通型滤波器而言，输入环形谐振器12和输出环形谐振器13可以等效为主环形谐振器11与输入波导15和输出波导16的等效耦合结构，即输入环形谐振器12可以看做滤波器的等效输入耦合区、输出环形谐振器13可以看做滤波器的等效输出耦合区。
因为环形谐振器具有波长选择特性，其光谱响应在谐振波长(λ0)处呈现一峰值，如图2所示，所以由输入环形谐振器12和输出环形谐振器13构成的等效输入、输出耦合区的等效耦合系数(kin,out_eff)也成为波长相关的函数，与输入、输出环形谐振器12和13的光谱相同，成一阶环形谐振器带通响应，在谐振波长处呈现一峰值。此时，通过位于输入环形谐振器12和输出环形谐振器13上的加热器14，利用热光效应改变波导的折射率，可以调整输入环形谐振器12和输出环形谐振器13的谐振波长，使其光谱响应发生平移，等效于改变等效输入、输出耦合区的耦合系数，使其耦合系数也发生平移。此时整个滤波器可等效为一个具有可调耦合系数的带通型滤波器。当输入环形谐振器12和输出环形谐振器13的波导折射率成相反趋势变化时，输入环形谐振器12和输出环形谐振器13的谐振波长向相反方向平移(λ0+Δλ、λ0-Δλ)，导致等效输入耦合系数(kin_eff)和等效输出耦合系数(kout_eff)对称减小，进而使带通型滤波器的带宽减小。
图3为依照本发明实施例的提供的带宽可调的带通型光学滤波器的光谱响应图。在本实施例所示的器件中，环形谐振器的半径可以在数微米至数百微米内选择，波导的尺寸可以在数百纳米至数十微米范围内选择，具体的数值应根据光学滤波器的工作波长来确定。在本实施例中，环形谐振器的半径为100微米，波导为高220纳米、宽1微米、脊高60纳米的脊型硅波导，工作波长在1551.6纳米，在此波长下波导的折射率为2.767。改变加热器14产生的热量，使输入环形谐振器12和输出环形谐振器13的波导折射率发生相反的变化，分别变化Δnin,out＝±0.0001、Δnin,out＝±0.0002以及无变化时，仿真得到带通型滤波器的光谱响应如图3所示。可以看到，本实施例中的带通型滤波器的带宽可以从12GHz连续变化至1.5GHz。
本发明提供的这种带宽可调的带通型光学滤波器，由三个环形谐振器和输出入输出波导构成，通过加热器调整输入、输出环形谐振器的谐振波长，改变滤波器的输入、输出耦合系数，实现带宽的改变，进而有望在光通讯、光信号处理、光谱学等领域中产生广泛应用。
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，所应理解的是，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 (4)

1.一种带宽可调的带通型光学滤波器，其特征在于，包括：
一个主环形谐振器(11)；
两个副环形谐振器分别位于主环形谐振器(11)两侧，作为输入环形谐振器(12)和输出环行谐振器(13)；
两个加热器(14)，分别位于输入环形谐振器(12)和输出环形谐振器(13)上；
两个弯曲波导分别位于输入环形谐振器(12)和输出环形谐振器(13)外侧，作为输入波导(15)和输出波导(16)。
2.根据权利要求1所述的带宽可调的带通型光学滤波器，其特征在于，所述环形谐振器(11)、输入环形谐振器(12)和输出环形谐振器(13)均由环形波导构成。
3.根据权利要求1所述的带宽可调的带通型光学滤波器，其特征在于，所述加热器(14)通过利用热光效应来调谐所述输入环形谐振器(12)和出环形谐振器(13)的谐振波长。
4.根据权利要求1或2所述的带宽可调的带通型光学滤波器，其特征在于，所述输入波导(15)、输出波导(16)以及构成环形谐振器(11)、输入环形谐振器(12)和输出环形谐振器(13)的环形波导均采用硅波导，能够通过热光效应改变波导的折射率。
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