CN106054318B - 一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计方法 - Google Patents

一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种任意占空比一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计方法。该结构是由左右两侧蒸镀多层薄膜的介质腔级联构成。将介质腔之间的多层膜结构等效为反射镜，得到多腔反射镜级联结构的简化结构。引入数字信号处理理论中的z变换得到该简化结构的反射传输函数表达式，在此基础上结合巴特沃斯数字滤波器的设计方法，利用遗传算法得到各反射镜的最优反射系数。最后根据最优反射系数构造介质腔之间的多层膜结构，来实现一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计。本发明方法借助成熟的数字滤波器设计方法，方法简单；设计的一维膜腔型光交错复用器结构简单，实际中容易制作；且可以设计任意占空比的光交错复用器，可得到高平坦特性的输出光谱。

Description

一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种一维膜腔型光交错复用器的设计方法，特别是提供一种产生任意占空比光谱透射率方波的一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计方法。
背景技术：
随着信息技术的迅速发展，密集波分复用(DWDM)技术作为提高通信容量普遍采用的一种技术方案，向着高密度、高速和高灵活性方向发展。随着信号频率间隔不断减小，信道数目不断增加，对DWDM器件的光谱分辨率提出了更高要求。而原有的技术很成熟的复用/解复用器，如介质薄膜滤波器对50GHz及更小频率间隔的信道信号很难继续使用。光交错复用器(Optical interleaver)可以很好地解决这个问题，它能将一路波长间隔密集的光信号分成两路信道间隔倍增的光信号，从而减轻现有DWDM器件的负担，并提高系统的传输容量。目前研究的interleaver大多属于等带宽器件，其两路输出谱带宽相等。为了拓宽现有网络容量，提高带宽利用率，降低系统升级成本以及有助于光分插复用(OADM)等，通带和阻带带宽不相等的不等带宽型interleaver成为了研究热点。
目前实现不等带宽光交错复用器的方案现主要包括迈克尔逊Gires-Tournois干涉型(MGTI)、双折射G-T干涉仪型(BMGTI)、马赫-曾德尔(MZ)级联型，一维膜腔型等方案。其中的一维膜腔型光交错复用器由左右两侧蒸镀多层薄膜(或一维光子晶体)的介质腔级联构成。由于多层薄膜(或一维光子晶体)具有结构简单、可靠性好、便于集成、插入损耗小等优点，一维膜腔型光交错复用器逐渐成为研究热点。
在膜腔型光交错复用器的方案中：在先技术[1](参见Optoelectronics Letters,Zhang J,2010,6:85-88.)基于一维光子晶体理论，采用3腔级联结构设计了占空比为1:5的光交错复用器，通带和阻带均有平坦的滤波特性，但该在先技术未给出任意占空比的光交错复用器的设计方法和结果；在先技术[2](参见光学学报，陈海星等，2004,24(1):62-64)基于级联Fabry-Perot干涉仪理论，提出了采用四个固体间隔层的薄膜F-P腔单元级联结构的光交错滤波器，其每个薄膜F-P腔单元通过在熔融石英的两个表面交替蒸镀二十多层两高低折射率的介质反射膜而实现，在实际制作时较为复杂，成品率也不高；在先技术[3](参见物理学报，顾培夫等，2005，54(2):773-776)基于光子晶体超晶格理论设计了平顶偏振透射峰的带通滤波器，对p偏振光透射而对s偏振光反射。但其结构较为复杂，至少也需要120层薄膜；在先技术[4](参见光子学报，韩鹏等，2009，38(2),272-275)基于一维光子晶体超晶格理论及耦合腔理论，通过把传统单一材料的耦合腔换成有限周期的光子晶体结构,形成一种超晶格结构，产生了多个平顶透射峰。该在先技术由于采用了超晶格结构，因而结构复杂，不易实现。
从上述在先技术看，目前对一维膜腔型光交错复用器的设计主要是基于一维光子晶体理论，借助于传输矩阵方法在大量仿真模拟的基础上进行，或基于复杂的光学理论、即级联Fabry-Perot干涉仪理论及光子晶体超晶格理论而进行，因而设计方法及结构较复杂。此外，设计的光交错复用器占空比固定，未涉及任意占空比的光交错复用器的设计方法和结果。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计方法。借助成熟的数字滤波器设计方法进行设计，方法简单；设计的一维膜腔型光交错复用器结构简单，实际中容易制作；且可以设计任意占空比的光交错复用器，可得到高平坦特性的输出光谱。
为达到上述目的，本发明的构思如下：对于图1所示的一维膜腔结构，由于介质腔的光学厚度为mm量级，而介质薄膜的光学厚度为nm量级，因此我们可以将介质腔左右两端的多层膜结构等效为反射镜，反射镜的反射系数表示为r1,r2,…,rN,rN+1，此时原结构就简化为多腔反射镜级联结构，如图2所示。由于简化后的对称结构，即r1＝rN+1，r2＝rN，…，的结构情况，其频域的透射率表达式形式上近似于巴特沃斯滤波器的透射率的表达式，因此可考虑借助于数字滤波器里的巴特沃斯滤波器的设计理论进行设计。
一方面按光学滤波器的性能要求得到相应性能的巴特沃斯低通数字滤波器的传输函数表达式；另一方面，由巴特沃斯低通数字滤波器的传输函数表达式，确定对称膜腔结构中腔的个数，继而确定对称膜腔结构中各反射镜的反射系数特征。在此基础上，引入数字信号处理理论中的z变换，计算得到该对称一维膜腔结构的反射传输函数表达式。利用遗传算法，通过使上面前者和后者得到的传输函数的表达式近似相等得到所需的各反射镜的最优反射系数。最后，确定介质腔的结构参数和多层膜的结构。
根据上述的发明构思，本发明的具体技术解决方法如下：
一种任意占空比一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计方法，其特征在于，
首先，令各介质腔的光学厚度nd＝c/2Δf，c为光速，Δf为光谱周期，多层膜结构中每层膜的光学厚度ndd＝λ0/4，λ0为中心波长；
具体设计步骤如下：
(1)利用数字信号处理中的巴特沃斯滤波器设计原理设计一个巴特沃斯低通滤波器，使其满足所要设计的光交错复用器的光谱特性要求，得到数字域的反射传输函数的表达式；
(2)确定滤波器的阶数N，N等于第一步得到的反射传输函数表达式中z的最高负次幂；
(3)由第二步得到的滤波器阶数N，确定膜腔结构中的腔的个数为N，则共有N+1面等效反射镜。若N为奇数，则反射镜的反射系数分别为r1,r2,…,r(N+1)/2,r(N+1)/2，…，r2,r1；若N为偶数，则反射镜的反射系数分别为r1,r2,…,rN/2,r(N/2)+1，rN/2，…，r2,r1；
(4)引入z变换得到简化后的多腔反射镜级联结构的光域的反射传输函数表达式；
(5)利用遗传算法使步骤4得到的光域的反射传输函数表达式尽可能等于步骤1的数字域的反射传输函数表达式，确定各反射镜的最优反射系数；
(6)选择高折射率材料H、低折射率材料L及介质腔材料C，分别构造多层膜结构(HL)n D，使光通过该多层膜结构的反射系数与上述最优的各反射系数尽可能相等(其中n为自然数，D为使反射系数满足要求添加的辅助材料)，从而得到膜腔结构的所有设计参数。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
本发明方法借助成熟的数字滤波器的设计方法，因而方法简单；设计的一维膜腔型光交错复用器结构简单，实际中容易制作；且可以设计任意占空比的光交错复用器，可得到高平坦特性的输出光谱。
附图说明：
图1为一维膜腔型光交错复用器的结构示意图。
图2为简化图1中多层膜结构后得到的结构示意图。
图3为反射镜i和i+1之间的电场分布示意图。
图4为实施例1中占空比1:5和1:6的光谱透射率曲线。其中实线为占空比1:5情况；虚线为占空比1:6情况.
图5为以dB为单位的实施例1中占空比1:5和1:6的光谱透射率曲线。其中实线为占空比1:5情况；虚线为占空比1:6情况.
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～图5，本一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计方法，其特征在于：将介质腔之间的多层膜结构等效为反射镜，得到多腔反射镜级联结构的简化结构；引入数字信号处理理论中的z变换得到该简化结构的反射传输函数表达式，在此基础上结合巴特沃斯数字滤波器的设计方法，利用遗传算法得到各反射镜的最优反射系数；最后根据最优反射系数构造介质腔之间的多层膜结构，来实现一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计；令各介质腔的光学厚度nd＝c/2Δf，c为光速，Δf为光谱周期，多层膜结构中每层膜的光学厚度ndd＝λ0/4，λ0为中心波长；
具体设计步骤如下：
(1)利用数字信号处理中的巴特沃斯滤波器设计原理设计一个巴特沃斯低通滤波器，使其满足所要设计的光交错复用器的光谱特性要求，得到数字域的反射传输函数的表达式；
(2)确定滤波器的阶数N，N等于第一步得到的反射传输函数表达式中z的最高负次幂；
(3)由第二步得到的滤波器阶数N，确定膜腔结构中的腔的个数为N，则共有N+1面等效反射镜，若N为奇数，则反射镜的反射系数分别为r1,r2,…,r(N+1)/2,r(N+1)/2，…，r2,r1；若N为偶数，则反射镜的反射系数分别为r1,r2,…,rN/2,r(N/2)+1，rN/2，…，r2,r1；
(4)引入z变换得到简化后的多腔反射镜级联结构的光域的反射传输函数表达式；
(5)利用遗传算法使步骤4得到的光域的反射传输函数表达式尽可能等于步骤1的数字域的反射传输函数表达式，确定各反射镜的最优反射系数；
(6)选择高折射率材料H、低折射率材料L及介质腔材料C，分别构造多层膜结构(HL)n D，使光通过该多层膜结构的反射系数与上述最优的各反射系数尽可能相等，其中n为自然数，D为使反射系数满足要求添加的辅助材料，从而得到膜腔结构的所有设计参数。
实施例2：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
1.经简化后的对称膜腔级联结构，其反射传输函数表达式
反射镜i和i+1之间的电场分布如图3所示，其中和分别表示反射镜i和i+1的左手边向右传播的电场矢量振幅，和分别表示反射镜i和i+1的左手边向左传播的电场矢量振幅，ri和ti分别表示反射镜i的振幅反射系数和透射系数，nidi为反射镜i和i+1之间的介质腔的光学厚度，则位相为其中f是入射光的频率，c为光速，
由图3可得：
以此类推，对于N个介质腔和N+1面反射镜级联的情况，此时的转移矩阵表示为：
对于对称膜腔级联结构，各介质腔的光学厚度相等，令z＝exp(i4πfnd/c)，nd＝c/2Δf，Δf是光谱周期，代入(2)式可得:
设置边界条件可得光域的反射传输函数如下：
其中ai和bi分别是传输函数的分母和分子多项式的系数，它们都是反射系数ri(i＝1，2，…,N+1)的非线性表达式。
2.通过遗传算法使设计步骤4得到的光域的反射传输函数表达式尽可能等于步骤1的数字域的反射传输函数表达式，得到各反射镜的最优反射系数
令数字域反射传输函数的分母和分子多项式系数分别为aideal和bideal，光域反射传输函数的分母和分子多项式系数分别为areal和breal。定义评价函数为：
利用遗传算法进行全局优化按上述评价函数确定最优的反射系数。不同的反射系数对应的F的值也不同，F越小则反射系数的值越接近最优解，当F趋于稳定时，可以认为此时得到反射系数的值是最优解。
实施例三：
本一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计方法如下：这里以100GHz，占空比1：5、隔离度<-30dB的不等带宽光交错复用器的具体设计来说明。按设计方法：
第一步：利用数字信号处理中的巴特沃斯滤波器设计原理，可得满足该光谱特性要求的巴特沃斯数字滤波器的反射传输函数为：
第二步：由(6)式可得，滤波器的阶数为3阶；
第三步：由于滤波器阶数为3阶，则共有4面等效反射镜，由于是对称结构，则反射镜的反射系数可表示为r1，r2，r2，r1；
第四步：按照(3)、(4)式计算简化后结构的反射传输函数表达式为：
第五步：利用遗传算法优化反射系数使式(7)和(6)尽可能相等，当评价函数F＝4.285×10-6时达到稳定，此时的反射系数为：r1＝0.5293，r2＝0.9003；
第六步：选择高折射率材料H为ZnS，折射率为2.35，低折射率材料L为MgF2，折射率为1.38，介质腔材料C为玻璃，折射率为1.5。对于最外侧多层膜，入射介质为空气，出射介质为C，当多层膜结构为HLD1，D1的折射率为1.297时，光通过该多层膜结构的反射系数等于r1。故D1材料可选择与1.297最接近的常用材料NaF(折射率1.3)。对于内侧的多层膜，入射介质和出射介质均为C，当多层膜结构为HLD2，D2的折射率为3.85时，光通过该多层膜结构的反射系数等于r2。故D2材料可选择与3.85最接近的常用材料PbS(折射率3.921)。选取中心波长为1550nm，各介质层的光学厚度ndd＝λ0/4＝387.53nm。介质腔的光学厚度为：nd＝c/2Δf＝1.499mm。
综上，可得所设计的一维膜腔结构为HLD1CHLD2CD2LHCD1LH。按照上述设计参数，利用传输矩阵得到的该结构的光谱响应如图4中实线所示。
为了说明该方法适用于任意占空比不等带宽光交错复用器的设计，按照同样设计步骤，这里给出了一个100GHz、隔离度<-30dB、占空比为1:6的不等带宽光交错复用器的具体设计结果。
与占空比为1:5的光交错复用器设计方法类似，当数字滤波器的阶数为5阶时，1:6占空比结构的反射镜的反射系数为r1＝0.4236，r2＝0.8711，r2＝0.9546，对应的一维膜腔结构为：D1CHLD2CHLHLHLD3CD3LHLHLHCD2LHCD1，其中D1是Bi2O3，折射率为1.91，D2是GaP，折射率为3.3，D3是ZrO2，折射率为2.0。当然，还有很多其他的结构满足要求，这取决于实际需求。
按照上述设计参数，利用传输矩阵得到的该结构的光谱响应如图4中虚线所示。
图5同时给出了这两种结构的以dB为单位的光谱透射率曲线图。由图4、5可见,所得光谱透射率满足原设计要求。
本发明借助成熟的巴特沃斯数字滤波器设计方法进行设计，可设计得到任意占空比的一维膜腔型光交错复用器，实际制作时只需在介质腔两侧蒸镀少量层数的介质薄膜即可，结构简单，且得到的输出光谱通带平坦，阻带隔离度达到要求。

Claims (1)

1.一种一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计方法，其特征在于：将介质腔之间的多层膜结构等效为反射镜，得到多腔反射镜级联结构的简化结构；引入数字信号处理理论中的z变换得到该简化结构的反射传输函数表达式，在此基础上结合巴特沃斯数字滤波器的设计方法，利用遗传算法得到各反射镜的最优反射系数；最后根据最优反射系数构造介质腔之间的多层膜结构，来实现一维膜腔型不等带宽光交错复用器的设计；令各介质腔的光学厚度nd＝c/(2Δf)，c为光速，Δf为光谱周期，多层膜结构中每层膜的光学厚度ndd＝λ0/4，λ0为中心波长；
具体设计步骤如下：
(1)利用数字信号处理中的巴特沃斯滤波器设计原理设计一个巴特沃斯低通滤波器，使其满足所要设计的光交错复用器的光谱特性要求，得到数字域的反射传输函数的表达式；
(2)确定滤波器的阶数N，N等于第一步得到的反射传输函数表达式中z的最高负次幂；
(3)由第二步得到的滤波器阶数N，确定膜腔结构中的腔的个数为N，则共有N+1面等效反射镜，若N为奇数，则反射镜的反射系数分别为r1,r2,…,r(N+1)/2,r(N+1)/2，…，r2,r1；若N为偶数，则反射镜的反射系数分别为r1,r2,…,rN/2,r(N/2)+1，rN/2，…，r2,r1；
(4)引入z变换得到简化后的多腔反射镜级联结构的光域的反射传输函数表达式；
(5)利用遗传算法使步骤4得到的光域的反射传输函数表达式尽可能等于步骤1的数字域的反射传输函数表达式，确定各反射镜的最优反射系数；
(6)选择高折射率材料H、低折射率材料L及介质腔材料C，分别构造多层膜结构(HL)nD，使光通过该多层膜结构的反射系数与上述最优的各反射系数尽可能相等，其中n为自然数，D为使反射系数满足要求添加的辅助材料，从而得到膜腔结构的所有设计参数。
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