CN105259614A - 一种基于环形谐振结构的带通箱型滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于环形谐振结构的带通箱型滤波器，它包括直波导、第一耦合器、第一谐振腔环、第二耦合器和第二谐振腔环；直波导左端作为光输入端，其右端作为光输出端；直波导的直通臂与第一谐振腔环通过第一耦合器相互耦合连接，当第一谐振腔环处于过耦合状态时，第一谐振腔环的损耗系数远大于其透射系数，并且二者的差值不能超过1；第一谐振腔环与第二谐振腔环通过第二耦合器相互耦合连接，当第二谐振腔环处于临界状态时，第二谐振腔环的损耗系数与透射系数相等，并且二者的值取不能超过1。本发明能实现具有宽带宽、零色散、高消光比的平坦滚降式“箱型”滤波功效，用于实现波分复用技术中的实时通道选择功能等。

Description

一种基于环形谐振结构的带通箱型滤波器
技术领域
本发明涉及一种测量装置，特别涉及一种基于环形谐振结构的带通箱型滤波器。
背景技术
随着大数据时代的到来，以数据为驱动力的变革正深刻而广泛的影响着诸如航空航天、金融证券业、生命科学、能源产业和通信产业等社会生活的各个领域。面对高速的科学计算和海量的数据处理，多核、多线程、多层面的并行计算能力达到每秒万亿次级的同时，硬件上众多的计算节点I/O数据交换能力，都是保证高性能处理能力的关键。然而随着半导体制造工艺特征尺寸的不短缩小，芯片的集成度越来越高，芯片中基于金属的传统电互联系统中，不仅延时难以突破纳秒的槛限，而且金属传输线会造成严重的信号失真，引起额外能量损耗，信号传输带宽也受到限制，成为当今制约高速通信发展的“瓶颈”。
光作为一种新兴的信息载体，因其传输速度快、抗电磁干扰、定向传输等特性，使得片上光互联(Photonicnetworks-on-chip)将取代传统的电互联，具有大带宽、低损耗、低串扰等优点，逐渐成为解决I/O电子瓶颈的关键，以此来满足芯片间和芯片内的高性能通信需求，实现低功耗的高性能计算系统进行数据处理。片上光互联系统中，光路由器和光波分复用/解复用器是最核心的器件，通过它们可以完成光交换的主要过程。光学滤波器作为光路由器和光波分复用/解复用器中信号处理的关键器件，其滤波特性对数据的传输和控制，以及波分复用/解复用效果和带宽的利用率有着直接的影响。因而，光学滤波器滤波特性的深入研究对片上光互联系统和海量数据处理有着重要的意义。
在现代光通信的密集波分复用系统中，当信道间距变得越来越紧密时,单环谐振器产生的洛伦兹型滤波谱线会产生较大的信道间信号串扰，且较窄的3dB带宽对信号波长和滤波波长失配的容忍度很低，而利用多个微环谐振器的级联方式可以实现“箱型”频率响应的高阶光学滤波器，可以实现通道选择的功能，减少信号串扰。但是多个微环结构滤波器存在谐振频率对准、光能量损耗大、模式耦合引起谐振频率漂动等问题。另外，硅基光路由器主要分两类：一类是采用基于微环谐振器结构的滤波器，另一类是基于马赫曾德尔干涉仪结构的滤波器。马赫曾德尔干涉仪滤波器具有结构简单、制作成本低、插入损耗小、与系统的兼容性强和信道均匀等优点，但是其只能输出余弦波，滤波性能有限，难以满足大规模集成光互联系统的滤波要求。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供一种光学环形谐振结构的带通箱型滤波器，它是由两个环形谐振腔相互耦合而成，它可以产生高透过率、宽有效带宽的光谱响应，并且在谐振区域附近具有平坦带的光谱特性。通过进一步优化谐振结构的参数，增强双环谐振结构的宽带等幅滤波特性，它能够作为低成本、高灵敏度的带通带阻滤波器应用。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于环形谐振结构的带通箱型滤波器，它包括直波导1、第一耦合器2、第一谐振腔环3、第二耦合器4和第二谐振腔环5；所述的直波导1左端作为光输入端，其右端作为光输出端；所述的直波导1的直通臂与所述的第一谐振腔环3通过所述的第一耦合器2相互耦合连接，当所述的第一谐振腔环3处于过耦合状态时，第一谐振腔环3的损耗系数远大于其透射系数，并且二者的差值不能超过1；所述的第一谐振腔环3与所述的第二谐振腔环5通过所述的第二耦合器4相互耦合连接，当所述的第二谐振腔环5处于临界状态时，第二谐振腔环5的损耗系数与透射系数相等，并且二者的值取不能超过1。
在本发明提出的是一种光学双环耦合谐振结构。在双环结构中，第一谐振腔环3和第二谐振腔环5的各自谐振状态相互匹配能产生不同的光谱响应。第一谐振腔环3和直波导1的直通臂之间形成第一耦合器2的耦合区域，以及第一谐振腔环3和第二谐振腔环5之间形成第二耦合器4的耦合区域，这两个耦合区域耦合强度的不同也能直接影响整个谐振结构的光谱输出特性。研究发现，当第二谐振腔环5处于临界耦合状态，并且第一谐振腔环3处于过耦合状态时，能够产生具有平坦宽带的光谱响应。通过进一步优化谐振结构的参数，能够使其具有宽带宽、零色散、高消光比的平坦滚降式“箱型”滤波功效，用于实现波分复用技术中的实时通道选择功能等光互联和光通信领域。
本发明主要研究环形谐振结构可控的滤波特性，以及二阶光学环形结构产生“箱型”频率响应的物理规律。研究二阶环形结构不仅可以减少多环结构耦合引起的损耗、降低制作工艺误差和谐振波长对准难度，而且可以使得“箱型”滤波特性具有宽带平坦带宽、消光比大和自由光谱宽等特点。
本发明还有这样一些技术特征：
1、在第二谐振腔环5处于临界状态时，即第二谐振腔环5的损耗系数与透射系数相等，并且二者的值取越大(在无增益情况下，不能超过1)，箱式滤波特性就越明显；
2、在第一谐振腔环3处于过耦合状态时，即第一谐振腔环3的损耗系数远远大于其透射系数，并且二者的差值越大(在无增益情况下，不能超过1)，其光谱响应的消光比和光谱宽度就越宽，那么箱式滤波特性就越明显。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于环形谐振结构的带通箱型滤波器，与现有技术相比具有这样的有益效果：
本发明能实现具有宽带宽、零色散、高消光比的平坦滚降式“箱型”滤波功效，用于实现波分复用技术中的实时通道选择功能等。
本发明基于环形色散结构中，尤其针对二阶耦合谐振结构中，可以有效解决带宽和群速延迟的乘积极限，以及带宽和光强对比度的乘积极限。与色散材料相比而言，例如在原子蒸汽中，带宽和群延迟仍然是不可同步，此消彼长。光信号传输过程中，群速度延迟(GVD)为零，使得传输数据的信号不发生波形畸变，高速传输的数据不丢失，保证信息能够实时稳定的大容量高速传输。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
一种基于环形谐振结构的带通箱型滤波器，如图1所示，它包括直波导1、第一耦合器2、第一谐振腔环3、第二耦合器4和第二谐振腔环5；所述的直波导1左端作为光输入端，其右端作为光输出端；所述的直波导1的直通臂与所述的第一谐振腔环3通过所述的第一耦合器2相互耦合连接，当所述的第一谐振腔环3处于过耦合状态时，第一谐振腔环3的损耗系数远大于其透射系数，并且二者的差值不能超过1；所述的第一谐振腔环3与所述的第二谐振腔环5通过所述的第二耦合器4相互耦合连接，当所述的第二谐振腔环5处于临界状态时，第二谐振腔环5的损耗系数与透射系数相等，并且二者的值取不能超过1。
本发明的工作过程如下：
本发明的结构是由直波导的直通臂1与第一谐振腔环3通过第一耦合器2连接并形成相互耦合，由第一谐振腔环3与第二谐振腔环5通过第一耦合器2连接并形成相互耦合；当光从输入端输入直波导得直通臂1进入第一耦合器2时，在第一耦合器2进行分光。在第一谐振腔环3和直波导直通臂1形成的第一耦合器2的耦合区域内一部分光仍然沿着直波导直通臂1传输，另一部分光被耦合进入到第一谐振腔环3中逆时针传输；在第一谐振腔环3和第二谐振腔环5形成的第二耦合器4的耦合区域，光又被耦合进入到第二谐振腔环5中顺时针传输；再次传输到第一谐振腔环3和第二谐振腔环5形成的第二耦合器4的耦合区域时，光又被耦合到第一谐振腔环3中逆时针传输，在第一谐振腔环3和直波导直通臂1形成的第一耦合器2的耦合区域，光又被重新耦合回直波导直通臂1传输；经过直波导直通臂1的光和经过第一谐振腔环3和第二谐振腔环5的光，这两路光在第一耦合器2的右端汇合，二者发生干涉，最终沿着直波导直通臂1在输出端进行输出。

Claims (1)

1.一种基于环形谐振结构的带通箱型滤波器，其特征在于：它包括直波导1、第一耦合器2、第一谐振腔环3、第二耦合器4和第二谐振腔环5；所述的直波导1左端作为光输入端，其右端作为光输出端；所述的直波导1的直通臂与所述的第一谐振腔环3通过所述的第一耦合器2相互耦合连接，当所述的第一谐振腔环3处于过耦合状态时，第一谐振腔环3的损耗系数远大于其透射系数，并且二者的差值不能超过1；所述的第一谐振腔环3与所述的第二谐振腔环5通过所述的第二耦合器4相互耦合连接，当所述的第二谐振腔环5处于临界状态时，第二谐振腔环5的损耗系数与透射系数相等，并且二者的值取不能超过1。
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