CN106249354B - 一种基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器 - Google Patents

一种基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器，包括半导体激光器、偏振控制器、相位调制器、光学带通滤波器、MR‑MZI集成光学滤波单元以及光电探测器；通过调整MR‑MZI集成光学滤波单元中微环谐振器的耦合间距实现窄带宽滤波，通过调节MR‑MZI集成光学滤波单元各加热电极的偏压大小对信号的幅度和相位进行调控，进而利用微环的幅度响应和相位响应特性结合MR‑MZI集成光学滤波单元内的MZI结构产生相干相消，实现超高抑制比；本发明提供的这种微波光子带阻滤波器在窄带宽的基础上实现了超高抑制比，提高了微波光子带阻滤波器的性能。

Description

一种基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器
技术领域
本发明属于光学及微波技术领域，更具体地，涉及一种基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器。
背景技术
微波光子滤波器是利用光学方法处理微波信号并实现滤波功能的微波光子系统。与传统的电滤波器相比，微波光子滤波器利用光子器件在光域内处理微波信号，具有带宽大、损耗低、体积小、重量轻以及抗电磁干扰等优势，可以有效克服电子瓶颈。此外，良好的可调谐性和重构性是微波光子滤波器的另一个突出优点。近年来微波光子滤波器正在由分离器件向集成器件方向发展，从而降低成本，减小体积，实现更高的稳定性。
基于无源微环，如硅、氮化硅微环的微波光子滤波器利用微环的幅度响应和相位响应特性来处理被调制到光载波的微波信号，再经过光电转换后输出微波信号。通过调节光载波，或利用热光效应、等离子色散效应等可以实现良好的中心频率调谐性，并且已有多种结构实现了较好的重构性。此外由于微环与生俱来的可集成优势，这类微波光子滤波器是实现可集成器件的一大热点。但由于微环本身的特点，在利用微环谐振器直通端构成微波光子带阻滤波器时，其消光比与带宽不可同时达到最优，在设计制作中往往需要寻求折衷值，从而限制了此类器件的带宽与抑制比，导致带宽普遍在GHz量级，抑制比普遍小于30dB。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器，其目的在于解决基于无源微环的微波光子滤波器带宽与抑制比之间的矛盾，获得具有超高抑制比的高Q值的微波光子滤波器。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器，包括半导体激光器、偏振控制器、相位调制器、光学带通滤波器、集成MR-MZI(Microring-Mach Zehnder interference，微环-马赫曾德尔干涉)光学滤波单元以及光电探测器；
偏振态控制器与半导体激光器相连，相位调制器与偏振控制器相连；光学带通滤波器与相位调制器相连；MR-MZI集成光学滤波单元与光学带通滤波器相连；光电探测器与MR-MZI集成光学滤波单元相连；
其中，半导体激光器用于发射连续光作为光载波；偏振控制器用于对光载波进行偏振态调整，从而使相位调制器达到最好的调制状态；
相位调制器以微波信号作为调制信号，用于在微波信号的作用下对经过偏振态调整后的光载波进行相位调制，产生相位相反的一阶上边带与下边带，实现微波信号到光信号的转换；
光学带通滤波器用于对上述调制后的光信号进行过滤，滤除其下边带，获得单边带调制信号；
MR-MZI集成光学滤波单元用于滤除上述单边带调制信号阻带内的信号，并使其阻带外信号低损耗通过；
光电探测器用于将MR-MZI集成光学滤波单元输出的信号转换为微波电信号；
MR-MZI集成光学滤波单元的技术原理解释如下：
在谐振处，微环直通端的透过率及光谱的3dB带宽可表示为：
其中a为环程透过系数，由波导的传输损耗和微环的周长共同决定，周长越大a值越小；r为直通端耦合系数，由微环与直波导之间的耦合间距决定；ΔνFSR为微环的自由光谱范围；当a＝r时临界耦合，Tt＝0，微环消光比最大，当ar＝1时带宽最小；但由于无源波导中损耗必定存在，有a<1，故无法在得到最大消光比的同时取得最小带宽。
为了解决这一矛盾，本发明通过优化设计微环与直波导之间的耦合间距，使直通端耦合系数r尽量趋近于1，满足窄带宽条件；此时微环处于弱耦合状态，幅度响应为消光比较小，相位响应为谐振波长处及远离谐振波长处同相，谐振波长附近存在相位跳变；利用这一特性，本发明所提供的MR-MZI集成光学滤波单元通过调整加热电极的偏压大小对单边带调制信号的幅度和相位进行调整；并通过MR的幅度响应、相位响应特性以及MZI的干涉效应产生相干相消，在不增大带宽的情况下实现超高抑制比，解决基于无源微环的微波光子滤波器的带宽与抑制比之间的矛盾。
优选的，上述的微波光子带阻滤波器，还包括射频信号收发装置，用于接收、发送微波信号；射频信号收发装置的发送端与相位调制器的调制信号输入口相连；射频信号收发装置的接收端与光电探测器的输出口相连。
优选的，上述的微波光子带阻滤波器，其MR-MZI集成光学滤波单元包括第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、第三多模干涉耦合器、第一耦合光栅、第二耦合光栅、第一加热电极、第二加热电极、第三加热电极、以及微环谐振器；
其中，第一多模干涉耦合器采用1×2MMI(multimode Interference，多模干涉耦合器)；第二多模干涉耦合器采用2×2MMI；第三多模干涉耦合器采用2×1MMI；
其中，第一耦合光栅的一端作为MR-MZI集成光学滤波单元的输入端，另一端与第一多模干涉耦合器的输入端相连；第二多模干涉耦合器的输入端上臂与第一多模干涉耦合器的输出端上臂通过直波导相连，第二多模干涉耦合器的输入端下臂与第一多模干涉耦合器的输出端下臂通过直波导相连；第三多模干涉耦合器的输入端上臂通过直波导与第二多模干涉耦合器的输出端上臂相连，第三多模干涉耦合器的输入端下臂通过直波导与第三多模干涉耦合器的输出端下臂相连；第二耦合光栅的一端与第三多模干涉耦合器的输出端相连，另一端作为MR-MZI集成光学滤波单元的输出端；第一加热电极作用于第一多模干涉耦合器输出端下臂与第二多模干涉耦合器输入端下臂之间的直波导、第二加热电极作用于第二多模干涉耦合器输出端下臂与第三多模干涉耦合器输入端下臂之间的直波导，第三加热电极作用于微环谐振器；
其中，第一耦合光栅用于将接收到的光信号耦合输入到MR-MZI集成光学滤波单元上；
第一多模干涉耦合器用于光波分束，将光信号分为上、下两路并分别发送至第二多模干涉耦合器的输入端上、下两臂；
第二多模干涉耦合器在第二加热电极的作用下改变输入端上、下两臂光信号的相位关系，通过在多模区域进行多模干涉，利用自映像效应实现任意分光比，进而达到对光信号的幅度进行调控的目的；
第三多模干涉耦合器用于干涉合束，将两路经过幅度、相位调控的光信号合为一路，实现相干相消；
第二耦合光栅用于将经MR-MZI集成光学滤波单元处理完成的光信号耦合到光纤中去；
第一加热电极用于改变第二多模干涉耦合器输入端下臂光信号的相位，进而改变其两臂光信号的相位关系，经过多模干涉实现对信号幅度的调控；其改变信号相位的原理是热光效应。
第二加热电极用于改变第三多模干涉耦合器输入端下臂光信号的相位，实现对信号相位的调控，其原理是热光效应；
微环谐振器用于对第二多模干涉耦合器输出端上臂光信号的幅度与相位进行处理。其幅度响应滤除阻带内信号，并使阻带外信号通过，其相位响应使谐振波长处及远离谐振波长处相位相同，谐振波长附近存在相位跳变；
上述的MR-MZI集成光学滤波单元，通过直波导与微环谐振器之间的弱耦合来减小微波光子带阻滤波器的带宽；其第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器输入端与第一加热电极一起构成MZI1结构；第二多模干涉耦合器输出端、第三多模干涉耦合器与第二加热电极一起构成MZI2结构；通过调节MZI1的电极上的偏压实现幅度调控，使上、下臂谐振处幅度相同；通过调节MZI2的电极上的偏压实现相位调控，使上、下臂在谐振处相位相反；然后经过幅度、相位调控后的信号通过相干相消在窄带宽的基础上获得超高的抑制比。
其中，调节MZI1的电极实现幅度调控的方法，可以通过直接设计第四多模干涉耦合器的分光比使上臂经过微环后的光信号在谐振波长处的幅度恰好等于下臂光信号的幅度并由其两臂直接构成MZI2来实现；通过设计第四多模干涉耦合器的分光比无需添加2×2MMI；可以减小器件尺寸并省略MZI1的调节步骤。
优选的，上述的微波光子带阻滤波器，其MR-MZI集成光学滤波单元包括第四多模干涉耦合器、第五多模干涉耦合器、第三耦合光栅、第四耦合光栅、第四加热电极、第五加热电极、以及微环谐振器；其中，第四、第五多模干涉耦合器均采用1×2MMI；
第三耦合光栅的一端作为MR-MZI集成光学滤波单元的输入端，另一端与第四多模干涉耦合器的输入端相连；第五多模干涉耦合器的输入端上臂与第四多模干涉耦合器的输出端上臂通过直波导相连，第五多模干涉耦合器的输入端下臂与第四多模干涉耦合器的输出端下臂通过直波导相连；第四耦合光栅的一端与第五多模干涉耦合器的输出端相连，另一端作为MR-MZI集成光学滤波单元的输出端；第四加热电极作用于第四多模干涉耦合器输出端下臂与第五多模干涉耦合器输入端下臂之间的直波导，第五加热电极作用于微环谐振器；
上述的MR-MZI集成光学滤波单元中第四多模干涉耦合器的分光比使上臂经过微环后的光信号在谐振波长处的幅度恰好等于下臂光信号的幅度；由此，无需通过调节MZI1的电极来实现幅度调控，省略了一个2×2MMI；其相位调控方式及原理与上一种MR-MZI集成光学滤波单元一致。
优选的，上述微波光子带阻滤波器；其MR-MZI集成光学滤波单元采用硅基材料、氮化硅材料或二氧化硅材料的波导；以减小波导的传输损耗，进而减小MR-MZI集成光学滤波单元的带宽。
优选的，上述的微波光子带阻滤波器，其MR-MZI集成光学滤波单元的各波导采用条波导或脊波导结构。
优选的，上述的微波光子带阻滤波器，其MR-MZI集成光学滤波单元，通过在微环谐振器上的第三加热电极加不同偏压来改变微环的谐振波长，进而改变谐振峰与光载波之间的频率差，实现微波光子带阻滤波器的滤波中心频率可调。
优选的，上述的微波光子带阻滤波器，其MR-MZI集成光学滤波单元，通过调整加载在加热电极上的偏压大小，进而实现对微波光子带阻滤波器抑制比及中心频率的调谐。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器，由于采用马赫曾德尔干涉结构引入了相干相消，与现有技术相比，解决了基于微环的微波光子滤波器带宽与抑制比之间的矛盾，因此同时具有窄带宽以及超高抑制比，提高了微波光子滤波器的滤波性能。
(2)本发明提供的基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器，由于直接设计了多模干涉耦合器的分光比，无需添加2×2MMI；可以减小器件尺寸并省略MZI1的调节步骤。
(3)本发明提供的基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器，其MR-MZI集成光学滤波单元中，通过微环谐振器上的加热电极实现微波光子滤波器的调谐性；利用热光效应改变波导的有效折射率，进而改变微环谐振器的的谐振波长，从而使得微波光子滤波器中心频率可调；与传统的微波电子滤波器相比，实现了更高的灵活性。
(4)本发明提供的基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器，其MR-MZI集成光学滤波单元中，通过在加热电极上施加电压来改变光信号的相位，达到对信号相位进行调控的目的。相位调控结合MMI实现不同分光比的耦合器功能，进而达到对信号幅度进行调控的目的；经过幅度，相位调控的信号达到特定幅度，相位关系通过相干相消可以实现抑制比的提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器的功能结构示意图；
图2是实施例1中的MR-MZI集成光学滤波单元的结构示意图；
图3是实施例2中的MR-MZI集成光学滤波单元的结构示意图；
图4是实施例1中的MR-MZI集成光学滤波单元原理示意图；
图5是实施例中MR-MZI集成光学滤波单元仿真结果的幅度响应；
图6是实施例中MR-MZI集成光学滤波单元仿真结果的相位响应。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-第一耦合光栅、2-第一MMI、3-第一加热电极、4-第二MMI、5-第二加热电极、6-第三MMI、7-第二耦合光栅、8-微环谐振器、9-第三加热电极、10-第三耦合光栅、11-第四MMI、12-第四加热电极、13-第五MMI、14-第四耦合光栅、15-第五加热电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示是实施例提供的于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器的功能结构示意图；包括半导体激光器，偏振控制器，相位调制器，光学带通滤波器，MR-MZI集成光学滤波单元，光电探测器，射频信号发射天线，射频信号接收天线；
半导体激光器输出作为光载波，射频信号发射天线输出作为调制信号，利用相位调制器和光学带通滤波器实现单边带调制；调制后，微波光子信号输入MR-MZI集成光学滤波单元，通过调节MR-MZI集成光学滤波单元内部各电极的偏压大小，对器件的工作状态进行调整；滤除单边带调制信号阻带内的信号，并使其阻带外信号低损耗通过；光电探测器对MR-MZI集成光学滤波单元输出的信号进行光电转换，获得微波信号；由射频信号接收天线发送出去。
如图2所示是实施例1中的MR-MZI集成光学滤波单元的结构示意图；包括两个1×2MMI、一个2×2MMI、全通型微环谐振器和多个加热电极；
其中，第一MMI 2、第二MMI 4的输入端与第一加热电极3一起构成MZI1结构；第二MMI 4输出端、第三MMI 6与第二加热电极5一起构成MZI2结构；其中，微环谐振器8为弱耦合状态，带宽较窄并且消光比较小；通过调节各电极偏压大小来提高消光比。
如图3所示是实施例2中的MR-MZI集成光学滤波单元的结构示意图；包括两个1×2MMI、全通型微环谐振器和多个加热电极；
其中，第四MMI 11、第五MMI 13输入端与第四加热电极12一起构成MZI结构；其中第四MMI 11的分光比经过设计，使上臂经过微环谐振器8后的光信号在谐振波长处的幅度恰好等于下臂光信号的幅度；微环谐振器8为弱耦合状态，带宽较窄并且消光比较小；通过调节第四加热电极12的偏压大小来提高消光比。
实施例1中的MR-MZI集成光学滤波单元的其工作原理如图4所示，具体如下：
通过微波信号进行调制，然后由光学带通滤波器滤除调制信号的下边带；MR-MZI集成光学滤波单元通过其耦合光栅接收单边带调制信号如图中(a)所示；单边带调制信号经过MZI1进行分光，通过调节MZI1的加热电极控制两臂的相位差，在MZI2的上、下两臂得到不同幅度的信号，其上臂信号如图中(b)所示；其下臂信号如图中(c)所示；位于MZI2上臂的光信号经过微环的滤波，由于微环谐振器的幅度和相位响应特性，位于f0的边带的幅度和相位均发生改变，通过调节MZI1的加热电极，使得MZI2上臂与下臂位于f0边带的幅度相等；并通过调节MZI2的加热电极改变光波相位，使得MZI2下臂中位于f0的边带的相位与上臂位于f0的边带相位差为π，其中位于MZI2上臂的信号如图中(d)所示；位于MZI2下臂的信号如图中(e)所示；两路信号通过MMI干涉合波由于相干相消使得频率为f0的边带进一步被抑制；相应地微波光子滤波器的抑制比得到进一步提高，如图中(f)所示。
图5所示为实施例1中MR-MZI集成光学滤波单元幅度响应的仿真结果图，图6所示为实施例1中MR-MZI集成光学滤波单元相位响应的仿真结果图；从这两幅图可以看出，在谐振处上下臂幅度相等，相位相反，相干相消后的总输出消光比显著提高，解决了基于微环的微波光子滤波器带宽与抑制比之间的矛盾，在不劣化带宽的情况下同时具有超高抑制比，提高了微波光子滤波器的滤波性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微环与马赫曾德尔干涉结构的微波光子带阻滤波器，其特征在于，包括半导体激光器、偏振控制器、相位调制器、光学带通滤波器、MR-MZI集成光学滤波单元以及光电探测器；
所述偏振控制器与半导体激光器相连；所述相位调制器与偏振控制器相连；所述光学带通滤波器与相位调制器相连；所述MR-MZI集成光学滤波单元与光学带通滤波器相连；所述光电探测器与MR-MZI集成光学滤波单元相连；
所述MR-MZI集成光学滤波单元包括：MZI1结构和MZI2结构；
所述MZI1结构由第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器的输入端和第一加热电极构成，第二多模干涉耦合器的输入端上臂与第一多模干涉耦合器的输出端上臂通过直波导相连，第二多模干涉耦合器的输入端下臂与第一多模干涉耦合器的输出端下臂通过直波导相连；第一加热电极作用于第一多模干涉耦合器输出端下臂与第二多模干涉耦合器输入端下臂之间的直波导；
所述MZI2结构由第二多模干涉耦合器的输出端、第三多模干涉耦合器和第二加热电极构成，第三多模干涉耦合器的输入端上臂通过直波导与第二多模干涉耦合器的输出端上臂相连，第三多模干涉耦合器的输入端下臂通过直波导与第二多模干涉耦合器的输出端下臂相连；第二加热电极作用于第二多模干涉耦合器输出端下臂与第三多模干涉耦合器输入端下臂之间的直波导；
通过调节MZI1的第一加热电极，使得MZI2上臂与下臂位于f0边带的幅度相等，通过调节MZI2的第二加热电极，使得MZI2下臂中位于f0边带的相位与上臂位于f0边带的相位差为π。
2.如权利要求1所述的微波光子带阻滤波器，其特征在于，所述半导体激光器用于发射连续光作为光载波；所述偏振控制器用于对所述光载波进行偏振态调整；
所述相位调制器以微波信号作为调制信号，用于在微波信号的作用下对经过偏振态调整后的光载波进行相位调制，产生相位相反的一阶上边带与下边带，实现微波信号到光信号的转换；
所述光学带通滤波器用于对所述调制后的光信号进行过滤，滤除其下边带，获得单边带调制信号；
所述MR-MZI集成光学滤波单元用于滤除所述单边带调制信号阻带内的信号，并使其阻带外信号低损耗通过；
所述光电探测器用于将MR-MZI集成光学滤波单元输出的信号转换为微波电信号。
3.如权利要求1或2所述的微波光子带阻滤波器，其特征在于，还包括射频信号收发装置，用于接收、发送微波信号；所述射频信号收发装置的发送端与相位调制器的调制信号输入口相连，接收端与光电探测器的输出口相连。
4.如权利要求1所述的微波光子带阻滤波器，其特征在于，所述MR-MZI集成光学滤波单元还包括第一耦合光栅、第二耦合光栅、第三加热电极以及微环谐振器；
所述第一耦合光栅的一端作为MR-MZI集成光学滤波单元的输入端，另一端与第一多模干涉耦合器的输入端相连；第二耦合光栅的一端与第三多模干涉耦合器的输出端相连，另一端作为MR-MZI集成光学滤波单元的输出端；第三加热电极作用于微环谐振器。
5.如权利要求4所述的微波光子带阻滤波器，其特征在于，所述直波导采用硅基材料、氮化硅材料或二氧化硅材料的波导。
6.如权利要求4所述的微波光子带阻滤波器，其特征在于，所述直波导采用条波导或脊波导结构。
7.如权利要求4所述的微波光子带阻滤波器，其特征在于，通过在所述第三加热电极施加不同偏压来改变所述微环谐振器的谐振波长，以调整谐振峰与光载波之间的频率差，实现所述微波光子带阻滤波器的滤波中心频率可调。
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