CN106371174A - 一种基于双微环马赫曾德尔干涉结构的光学带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双微环马赫曾德尔干涉结构的光学带通滤波器，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、第四加热电极、第一上传下载型微环和第二上传下载型微环。本发明通过分别设计两个上传下载型微环的耦合状态，并经过级联的可调MZI结构引入相干相消，通过调节MZI₁加热电极上的偏压实现幅度调控，使上、下臂通带外光信号幅度相同；通过调节MZI₂加热电极上的偏压实现相位调控，使上、下臂通带外光信号相位相反；从而实现了在不增大通带插入损耗的基础上提高滤波器消光比，是一种窄带宽、高消光比、低插入损耗的光学带通滤波器。

Description

一种基于双微环马赫曾德尔干涉结构的光学带通滤波器

技术领域

本发明属于光学滤波器技术领域，涉及一种在窄带宽、低插入损耗的基础上实现超高消光比的半导体集成光学带通滤波器。

背景技术

光学滤波器选择特定波长的光信号使其通过，并滤除其他波长的光信号，是全光信号处理和波分复用系统中的重要器件。目前已经制作出多种结构的光学滤波器，包括马赫曾德尔干涉仪滤波器，法布里波罗干涉仪滤波器，光纤布拉格光栅滤波器等。但这些结构存在尺寸大，部分器件制作困难等问题，难以实现集成。

微环滤波器是光学滤波器中的一种。其基本单元微环具有与生俱来的可集成优势，被广泛应用于制造集成的光学滤波器。微环滤波器的尺寸比传统的布拉格光栅滤波器，法布里波罗干涉仪滤波器小三个数量级。基于无源微环，如硅、氮化硅微环的光学滤波器利用微环的幅度和相位响应特性处理光信号，实现滤波功能。但利用上传下载型微环构成光学带通滤波器时，微环的消光比、3dB带宽取较优值时构成的滤波器插入损耗较大。因此在设计制作中微环的参数往往需要选取折中值，从而限制了此类器件的3dB带宽，消光比及插入损耗等指标，影响了其滤波性能。

发明内容

本发明为了解决现有基于无源微环的光学带通滤波器3dB带宽、抑制比与插入损耗之间的矛盾，提出了一种基于双微环马赫曾德尔干涉结构的光学带通滤波器，以求获得具有超高消光比比、低插入损耗的高Q值光学带通滤波器。

基于DMR-MZI(Double microring-Mach Zehnder interference，双微环-马赫曾德尔干涉)结构的光学带通滤波器技术原理如下：

微环下载端谐振频率处的透过率、3dB带宽及消光比可表示为：

$T_d=\frac{a(1-{r_1}^2)(1-{r_2}^2)}{{(1-{\mathrm{ar}}_1{r}_2)}^2}$

${\mathrm{\Δv}}_{FWHD}=\frac{{\mathrm{\Δv}}_{FSR}}{\mathrm{\π}}\frac{1-{\mathrm{ar}}_1{r}_2}{\sqrt{{\mathrm{ar}}_1{r}_2}}$

${\mathrm{ER}}_d=10{\log }_{10}{\[\frac{1+{\mathrm{ar}}_1{r}_2}{1-{\mathrm{ar}}_1{r}_2}\]}^2$

其中a为环程透过系数，由波导传输损耗和微环周长共同决定。r₁、r₂分别为上、下直波导与微环之间的直通端耦合系数，由微环与直波导间的耦合间距决定。Δν_FSR为微环的自由光谱范围；可以看到随着a、r₁、r₂趋向于1，带宽减小，消光比增大，这两个参数可以同时达到较优值。但谐振频率处透过率T_d随着r₁、r₂的增大而减小，使通带插入损耗增大。故无法在获得窄带宽和高消光比滤波器的同时得到低插入损耗。

为了解决这一问题，本发明提出一种基于DMR—MZI结构的微波光子带通滤波器，包括第一多模干涉耦合器(2)、第二多模干涉耦合器(4)、第三多模干涉耦合器(10)、第一耦合光栅(1)、第二耦合光栅(11)、第一加热电极(3)、第二加热电极(9)、第三加热电极(8)、第四加热电极(7)、第一上传下载型微环(6)和第二上传下载型微环(5)；其中：

所述第一耦合光栅(1)的一端作为本滤波器的输入端，另一端与第一多模干涉耦合器(2)的输入端相连，第一耦合光栅用于将待处理的光信号耦合输入到DMR—MZI结构的光学带通滤波器上；

所述第一多模干涉耦合器(2)为单输入双输出的1×2MMI(multimodeInterference，多模干涉耦合器)，其输出端上臂通过直波导与第二多模干涉耦合器(4)的输入端上臂相连，其输出端下臂通过直波导与第二多模干涉耦合器(2)的输入端下臂相连；所述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；

所述第二多模干涉耦合器(4)为双输入双输出的2×2MMI，其输出端上臂通过直波导与第一上传下载型微环输入端(6)相连；其输出端下臂通过直波导与第二上传下载型微环输入端(5)相连；所述第二多模干涉耦合器用于结合附着在所述下臂直波导上的第一加热电极(3)的作用，改变输入端上、下两臂光信号的相位关系，使两者在第二多模干涉耦合器的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；

所述第一上传下载型微环(6)用于处理第二多模干涉耦合器(4)输出端上臂光信号的幅度与相位，通过设定微环与直波导的耦合间距，使微环幅度响应为保证带宽较小的同时插入损耗尽量小,滤除通带外信号，并使通带内和通带外信号相位相差

所述第二上传下载型微环(5)用于对第二多模干涉耦合器输出端下臂光信号的幅度与相位进行处理；通过设定微环与直波导的耦合间距，使其幅度响应为通带插入损耗足够大，从而在后续相干相消时不增大插入损耗,并使通带内和通带外信号相位相差

所述第三多模干涉耦合器(10)采用双输入单输出的2×1MMI，其输入端上臂通过直波导与第一上传下载型微环(6)下载端相连，第三多模干涉耦合器(10)的输入端下臂通过直波导与第二上传下载型微环(5)下载端相连；第三多模干涉耦合器用于干涉合束，将输入的两路光信号合为一路，实现相干相消；

所述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，另一端作为本滤波器的输出端，用于将经DMR—MZI结构的光学带通滤波器处理完成的光信号耦合到光纤中去；

所述第一加热电极(3)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，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，形成多模干涉实现对信号幅度的调控；

所述第二加热电极(9)作用于第二上传下载型微环下载端与第三多模干涉耦合器输入端下臂之间的直波导，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；

所述第三加热电极(8)设在第一上传下载型微环(6)上，第四加热电极(7)设在第二上传下载型微环(5)上；第三、第四加热电极分别作用于第一、第二上传下载型微环，通过在加热电极上加载不同的偏压，利用热光效应改变第一、第二上传下载型微环的有效折射率，进而改变谐振波长，从而实现滤波器的中心频率调谐；

工作中，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了MZI₁结构；第一、第二上传下载型微环下载端、第三多模干涉耦合器与第二加热电极一起构成了MZI₂结构；通过调节MZI₁内第一加热电极上的偏压实现幅度调控，使上、下臂通带外光信号幅度相同；通过调节MZI₂内第二加热电极上的偏压实现相位调控，使上、下臂通带外光信号相位相反；经过幅度、相位调控后的信号在第三多模干涉耦合器多模区域相干相消，使上下臂信号相减，从而在不增大插入损耗的情况下提高消光比，获得窄带宽、高消光比、低插入损耗的光学带通滤波器。解决了现有基于无源微环的光学带通滤波器3dB带宽、抑制比与插入损耗之间的矛盾。

进一步的，所述光学带通滤波器能采用硅基、氮化硅或二氧化硅等不同的波导材料制成，材料传输损耗越低，所制作的滤波器带宽和插入损耗越小。

进一步的，可采用条波导或脊波导等不同的波导结构制作滤波器；优选脊波导结构，能使滤波器传输损耗小、带宽窄，插入损耗小。

进一步的，所述光学带通滤波器去掉第二多模干涉耦合器(4)和第一加热电极(3)，由第一多模干涉耦合器(2)的上、下两臂分别直接与第一、第二上传下载型微环(6、5)的输入端相连，第一、第二上传下载型微环(6、5)的下载端分别通过直波导和第三多模干涉耦合器(10)的输入端上、下臂相连；此结构中调节MZI₁内第一加热电极(3)偏压实现幅度调控，使通带外光信号幅度相等的方法能通过直接设定第一多模干涉耦合器的分光比，使上臂经过微环后通带外光信号的幅度恰好等于下臂经过微环后通带外光信号的幅度来实现。此结构去掉了第二多模干涉耦合器和第一加热电极，可以减小器件尺寸并省略MZI₁的调节步骤。

本发明微环上的加热电极可以实现光学带通滤波器的调谐性。利用热光效应改变波导的有效折射率，进而改变微环的谐振波长的，从而实现光学带通滤波器中心频率可调，具有良好的可调谐性：。

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DMR-MZI结构的光学带通滤波器，由于采用MZI结构引入了相干相消，与现有技术相比，解决了基于无源微环的光学带通滤波器3dB带宽、消光比与插入损耗之间的矛盾。因此同时具有窄带宽、高消光比和低插入损耗，提高了光学滤波器的滤波性能。

(2)本发明提供的基于DMR-MZI结构的光学带通滤波器，通过微环上的加热电极实现滤波器的调谐性；利用热光效应改变波导的有效折射率，进而改变微环的谐振波长，从而使得光学滤波器中心频率可调。

(3)本发明提供的基于DMR-MZI结构的光学带通滤波器，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消光比的提高。

附图说明

图1为实施例1基于DMR-MZI结构的光学带通滤波器的结构示意图；

图2为实施例1基于DMR-MZI结构的光学带通滤波器具体实施方式的原理示意图；

图3为实施例1基于DMR-MZI结构的光学带通滤波器的仿真结果；

图4为实施例2基于DMR-MZI结构的光学带通滤波器的结构示意图；

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-第一多模干涉耦合器、3-第一加热电极、4-第二多模干涉耦合器、5-第二上传下载型微环、6-第一上传下载型微环、7-第四加热电极、8-第三加热电极、9-第二加热电极、10-第三多模干涉耦合器、11-第二耦合光栅。

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所示实施例1基于DMR-MZI结构的光学带通滤波器的结构示意图，包括两个1×2MMI，一个2×2MMI，两个上传下载型微环和多个加热电极，并分别构成可调的MZI₁和MZI₂结构。其中微环参数选择使第一上传下载型微环在保证带宽小于1GHz的同时插入损耗不大于-5dB，使第二上传下载型微环插入损耗大于-30dB。然后通过调节各电极偏压大小来提高消光比。

实施例1基于DMR-MZI结构的光学带通滤波器的工作原理如图2所示，具体如下：

第一耦合光栅接收待处理光信号如图2(a)所示；待处理光信号经过MZI₁进行分光，通过调节MZI₁的加热电极控制两臂的相位差，可以在MZI₂的上、下两臂得到不同幅度的信号，分别如图2(b)、(c)所示。经过上传下载型微环的滤波，由于上传下载型微环的幅度和相位响应特性，通带外信号被抑制，通带内f₀附近信号的幅度和相位均发生改变，通过调节MZI₁内第一加热电极偏压，使得MZI₂上臂与下臂通带外光信号的幅度相等；调节MZI₂内第二加热电极偏压改变光波相位，使得MZI₂下臂中通带外信号的相位与上臂通带外信号相位差为π，如图2(d)、(e)所示；此时上下臂光信号经过第三MMI干涉合波，由于相干相消使得通带外的信号进一步被抑制，如图2(f)所示，因此光学带通滤波器的消光比得到提高。

图3为实施例1基于DMR-MZI结构的光学带通滤波器的仿真结果，可以看到，上、下臂通带外光信号的幅度相等，相位相反，相干相消后总输出对带外信号的抑制更加显著。解决了基于无源微环的光学带通滤波器3dB带宽、消光比与插入损耗之间的矛盾，在不增大插入损耗的情况下提高消光比，获得窄带宽、高消光比、低插入损耗的光学带通滤波器。

图4为实施例2基于DMR-MZI结构的光学带通滤波器的结构示意图，去掉了第二多模干涉耦合器(4)和第一加热电极(3)，由第一多模干涉耦合器(2)的上、下两臂分别直接与第一、第二上传下载型微环(6、5)的输入端相连，第一、第二上传下载型微环(6、5)的下载端分别通过直波导和第三多模干涉耦合器(10)的输入端上、下臂相连；基于这种结构，实施例1中调节MZI₁内第一加热电极(3)偏压实现幅度调控，使通带外光信号幅度相等的方法，能通过直接设定第一多模干涉耦合器的分光比，使上臂经过微环后通带外光信号的幅度恰好等于下臂经过微环后通带外光信号的幅度来实现。实施例2去掉了第二多模干涉耦合器和第一加热电极，可以减小器件尺寸并省略MZI₁的调节步骤。

此外，本发明通过在微环上的加热电极加不同偏压，利用热光效应改变波导的有效折射率，进而改变微环的谐振波长，从而实现光学带通滤波器中心频率可调。

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 (8)

1.一种基于DMR—MZI结构的微波光子带通滤波器，其特征在于，包括第一多模干涉耦合器(2)、第二多模干涉耦合器(4)、第三多模干涉耦合器(10)、第一耦合光栅(1)、第二耦合光栅(11)、第一加热电极(3)、第二加热电极(9)、第三加热电极(8)、第四加热电极(7)、第一上传下载型微环(6)和第二上传下载型微环(5)；其中：

所述第一耦合光栅(1)的一端作为本滤波器的输入端，另一端与第一多模干涉耦合器(2)的输入端相连，第一耦合光栅用于将待处理的光信号耦合输入到DMR—MZI结构的光学带通滤波器上；

所述第一多模干涉耦合器(2)为单输入双输出的1×2MMI，其输出端上臂通过直波导与第二多模干涉耦合器(4)的输入端上臂相连，其输出端下臂通过直波导与第二多模干涉耦合器(2)的输入端下臂相连；所述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；

所述第二多模干涉耦合器(4)为双输入双输出的2×2MMI，其输出端上臂通过直波导与第一上传下载型微环(6)输入端相连；其输出端下臂通过直波导与第二上传下载型微环(5)输入端相连；所述第二多模干涉耦合器用于结合附着在所述下臂直波导上的第一加热电极(3)的作用，改变输入端上、下两臂光信号的相位关系，使两者在第二多模干涉耦合器的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；

所述第一上传下载型微环(6)用于处理第二多模干涉耦合器(4)输出端上臂光信号的幅度与相位，通过设定微环与直波导的耦合间距，使微环幅度响应为保证窄带宽的同时插入损耗尽量小,滤除通带外信号，并使通带内和通带外信号相位相差

所述第二上传下载型微环(5)用于对第二多模干涉耦合器输出端下臂光信号的幅度与相位进行处理；通过设定微环与直波导的耦合间距，使其幅度响应为通带插入损耗足够大，从而在后续相干相消时不增大插入损耗,并使通带内和通带外信号相位相差

所述第三多模干涉耦合器(10)采用双输入单输出的2×1MMI，其输入端上臂通过直波导与第一上传下载型微环(6)下载端相连，第三多模干涉耦合器(10)的输入端下臂通过直波导与第二上传下载型微环(5)下载端相连；第三多模干涉耦合器用于干涉合束，将输入的两路光信号合为一路，实现相干相消；

所述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，另一端作为本滤波器的输出端，用于将经DMR—MZI结构的光学带通滤波器处理完成的光信号耦合到光纤中去；

所述第一加热电极(3)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，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，形成多模干涉实现对信号幅度的调控；

所述第二加热电极(9)作用于第二上传下载型微环下载端与第三多模干涉耦合器输入端下臂之间的直波导，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；

所述第三加热电极(8)设在第一上传下载型微环(6)上，第四加热电极(7)设在第二上传下载型微环(5)上；第三、第四加热电极分别作用于第一、第二上传下载型微环，通过在加热电极上加载不同的偏压，利用热光效应改变第一、第二上传下载型微环的有效折射率，进而改变谐振波长，从而实现滤波器的中心频率调谐。

2.如权利要求1所述的基于DMR—MZI结构的光学带通滤波器，其特征在于，该光学带通滤波器工作时，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了MZI₁结构；第一、第二上传下载型微环下载端、第三多模干涉耦合器与第二加热电极一起构成了MZI₂结构；通过调节MZI₁内第一加热电极上的偏压实现幅度调控，使上、下臂通带外光信号幅度相同；通过调节MZI₂内第二加热电极上的偏压实现相位调控，使上、下臂通带外光信号相位相反；经过幅度、相位调控后的信号在第三多模干涉耦合器多模区域相干相消，使上、下臂信号相减，从而在不增大插入损耗的情况下提高消光比，获得窄带宽、高消光比、低插入损耗的光学带通滤波器。

3.如权利要求1所述的基于DMR—MZI结构的光学带通滤波器，其特征在于，该光学带通滤波器采用包括硅基、氮化硅或二氧化硅在内的波导材料，材料传输损耗越低，所制作的滤波器带宽和插入损耗越小。

4.如权利要求1所述的基于DMR—MZI结构的光学带通滤波器，其特征在于，该光学带通滤波器采用条波导或脊波导波导结构制作滤波器能使滤波器传输损耗小、带宽窄，插入损耗小。

5.如权利要求4所述的基于DMR—MZI结构的光学带通滤波器，其特征在于，去掉第二多模干涉耦合器(4)和第一加热电极(3)，由第一多模干涉耦合器(2)的上、下两臂分别直接与第一、第二上传下载型微环(6、5)的输入端相连，第一、第二上传下载型微环(6、5)的下载端分别通过直波导和第三多模干涉耦合器(10)的输入端上、下臂相连；调节MZI₁内第一加热电极(3)偏压实现幅度调控，使通带外光信号幅度相等的方法能通过直接设定第一多模干涉耦合器的分光比，使上臂经过微环后通带外光信号的幅度恰好等于下臂经过微环后通带外光信号的幅度来实现。此结构去掉了第二多模干涉耦合器和第一加热电极，可以减小器件尺寸并省略MZI₁的调节步骤。

6.一种权利要求5所述的基于DMR—MZI结构的光学带通滤波器频率调节方法，其特征在于，在两个微环上的加热电极施加不同偏压，利用热光效应改变波导的有效折射率，进而改变微环的谐振波长，使两个微环的谐振峰对准并发生漂移，从而实现光学带通滤波器中心频率可调。

7.如权利要求1所述的基于DMR—MZI结构的光学带通滤波器，其特征在于，所述第一上传下载型微环(6)带宽小于1GHz的同时插入损耗不大于-5dB。

8.如权利要求1所述的基于DMR—MZI结构的光学带通滤波器，其特征在于，所述第二上传下载型微环通带插入损耗优选大于30dB。