CN109683353A - 一种可重构可调谐的带阻光子滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例公开了一种光子滤波器，包括：可调耦合器，可调耦合器包括第一分光结构、第二分光结构、第一波导和第二波导，第一分光结构具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口及第二输出端口，第二分光结构具有第三输入端口、第四输入端口、第三输出端口及第四输出端口，第一波导耦合在第一输出端口和第三输入端口之间，第二波导耦合在第二输出端口和第四输入端口之间；移相器，移相器耦合在第二输入端口和第四输出端口之间，其中移相器与可调耦合器构成滤波回路。本发明公开的光子滤波器光谱响应可重构，阻带中心波长可连续调谐，重构与调谐速度比热控机制高3～4个数量级，并且可靠性更高。

Description

一种可重构可调谐的带阻光子滤波器

技术领域

本发明涉及光信号处理技术领域，尤其涉及一种可重构可调谐的带阻光子滤波器。

背景技术

随着光通讯，光传输的普及，传统的微光学器件正由集成光学、集成光电器件所代替。在微波技术领域，信号带宽日益扩大。受限于电子带宽瓶颈，在电域中进行这样宽带信号处理非常困难，微波信号的光域信号处理技术受到日益重视和广泛研究。随着数据率的增长，在长距离信息传输中，光纤已经取代了铜线，因为更高速的信号几乎不会衰减。微芯片和外界之间的超高速电信号被光信号取代。微芯片仍然作为全电处理单元，并且光纤作为向微芯片发送或从其接收数据的高速数据的最终通道。

所谓微波信号的光域信号处理，即将微波信号调制到光载波上，通过对调制后光信号的分路、延时、放大/衰减和叠加，在光域实现对原始电信号的处理，再恢复至电域。光子滤波器就是一种光域信号处理器件，可实现波长选择，由多种波长选择出指定的波长。

现有技术的光学滤波器，如薄膜光滤波器、布拉格光栅滤波器，它们的带宽、中心波长、光谱响应曲线等技术参数都是不可调节的，极大限制了其在光域信号处理技术上的应用。

已有一些中心波长可调谐的光滤波器的报道，可调谐式光滤波器可以动态地选择所需波长。然而，已有的可调谐式光滤波器要么是基于聚合物波导的，它的可靠性较差；或者其调谐是利用波导材料折射率的热光效应来进行，光介质的折射率随温度的变化而发生变化，这种热控调谐机制的调谐速度慢，并且不同热控单元之间的热串扰问题比较严重。

因此，本领域需要一种可重构可调谐的滤波器，重构与调谐速度快，并且可靠性更高。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种硅基的可重构可调谐带阻光子滤波器，它的光谱响应可重构，阻带中心波长可连续调谐，重构与调谐速度比热控机制高3～4个数量级，并且可靠性更高。

在本发明的一个实施例中，提供一种光子滤波器，包括：可调耦合器，所述可调耦合器包括第一分光结构、第二分光结构、第一波导和第二波导，所述第一分光结构具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口及第二输出端口，所述第二分光结构具有第三输入端口、第四输入端口、第三输出端口及第四输出端口，所述第一波导耦合在所述第一输出端口和第三输入端口之间，所述第二波导耦合在所述第二输出端口和第四输入端口之间；移相器，所述移相器耦合在所述第二输入端口和第四输出端口之间，其中所述移相器与所述可调耦合器构成滤波回路；光输入端口，所述光输入端口耦合到所述第一输入端口；以及光输出端口，所述光输出端口耦合到所述第三输出端口。

在本发明的一个实施例中，移相器通过第三波导耦合在所述第二输入端口和第四输出端口之间，所述光输入端口通过第四波导耦合到所述第一输入端口，所述光输出端口通过第五波导耦合到所述第三输出端口。

在本发明的一个实施例中，第三波导、第四波导和第五波导是无源波导。

在本发明的一个实施例中，移相器是有源波导，所述移相器能够对耦合在其中的光波的相位进行连续改变。

在本发明的一个实施例中，光子滤波器还包括设置在有源波导上方或周围的加热电极，所述有源波导的折射率通过调节所述有源波导的温度来调节。

在本发明的一个实施例中，第一波导是有源波导。

在本发明的一个实施例中，第二波导是有源波导。

在本发明的一个实施例中，有源波导是P-i-N有源波导。

在本发明的一个实施例中，P-i-N有源波导的波导区两侧具有P型掺杂区、N型掺杂区及引出电极，所述有源波导的折射率通过自由载流子的注入/抽取来调节。

在本发明的一个实施例中，第一分光结构是多模干涉仪分光结构或定向耦合器分光结构。

在本发明的一个实施例中，第二分光结构是多模干涉仪分光结构或定向耦合器分光结构。

在本发明的一个实施例中，光输入端口是光栅耦合器结构或锥形的模式变换波导结构。

在本发明的一个实施例中，光输出端口是光栅耦合器结构或锥形的模式变换波导结构。

在本发明的一个实施例中，光子滤波器被配置成使得在谐振波长下，所述可调耦合器的耦合系数与所述滤波回路的衰减因子基本相等。

在本发明的另一个实施例中，提供一种级联的光子滤波器，包括两个或两个以上的光子滤波器，前一光子滤波器的光输出端口耦合到下一光子滤波器的光输入端口，每一光子滤波器独立调谐。

在本发明的另一个实施例中，每个所述光子滤波器的陷波中心波长相同或不同。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的实施例的可重构可调谐带阻光子滤波器100的结构示意图。

图2示出根据本发明的实施例的可调耦合器200的示意图。

图3示出根据本发明的实施例的硅基有源波导的截面示意图。

图4示出根据本发明的实施例的级联可重构可调谐带阻光子滤波器400的结构示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

图1示出根据本发明的实施例的可重构可调谐带阻光子滤波器100的结构示意图。如图1所示，可重构可调谐带阻光子滤波器100可包括可调耦合器102、波导103、移相器104和光输入输出端口101和105。在本发明的一些实施例中，波导103可以是无源波导。可调耦合器102可以是两进两出的4端口器件，可调耦合器102的其中一个输入端口与光输入端口通过无源波导103相连；而可调耦合器102的一个输出端口与光输出端口通过无源波导103相连；可调耦合器102的另一输入端口与另一输出端口与移相器104通过无源波导103相连。

在本发明的一些实施例中，可调耦合器102可以由马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪结构的硅基光开关构成。例如，可调耦合器102可以由采用多模干涉仪(MMI)分光结构的MZI硅基光开关构成，或者由采用定向耦合器(DC)分光结构的MZI硅基光开关构成。

移相器104可以由有源波导构成，例如硅基有源波导。有源波导指的是波导材料折射率可调谐的波导。例如，有源波导可以是P-i-N有源波导，通过自由载流子的注入/抽取来调节其折射率的。也可以在波导上方或周围设有加热电极，通过调节温度来改变折射率。本领域的技术人员应该理解，只要能对光波的相位进行调整的结构和/或方法，都在本发明的保护范围内。

在本发明的一些实施例中，无源波导可以是硅基光波导。光输入输出端口101和105可以是光栅耦合器结构，或锥形的模式变换波导结构。

在本发明的实施例公开的可重构可调谐带阻光子滤波器中，可重构是指滤波响应陷波深度的可重构，从带阻到全通，可连续变化，利用可调耦合器的耦合系数调谐来实现。耦合系数调谐利用可调耦合器有源波导臂的折射率改变来实现。

在本发明的实施例公开的可重构可调谐带阻光子滤波器中，可调谐是指滤波器中心波长的可连续调谐。这种滤波器的频谱响应曲线是周期性的，一个周期即自由谱宽度FSR，假如某个滤波器的FSR是0.8nm(对应于电域频率100GHz)，那么该滤波器在Xnm+N*0.8nm处的响应幅度全是相同的，其中N为整数。因此，滤波器阻带的中心波长也是周期性的。

图2示出根据本发明的实施例的可调耦合器200的示意图，即利用MZI结构的光开关来实现。如图2所示，可调耦合器200包括第一分光结构201和第二分光结构204、第一波导202和第二波导203。第一分光结构201和第二分光结构204是2进2出的光学元件，例如可以是3dB光分路器。在本发明的具体实施例中，第一分光结构201和第二分光结构204用2进2出的多模干涉仪(MMI)分光结构来实现，或者也可以用2进2出的定向耦合器分光结构来实现。第一波导202和第二波导203中的至少一个可以是有源波导臂，即波导材料折射率可调节的光波导，一种典型的有源波导结构是P-i-N型掺杂的硅基波导。可调耦合器的有源波导臂为带有P-i-N半导体结构的硅基波导。第一波导202和第二波导203分别耦合在第一分光结构201和第二分光结构204之间，即，第一波导202耦合在第一分光结构201的一个输出端和第二分光结构204的一个输入端之间，第二波导203耦合在第一分光结构201的另一个输出端和第二分光结构204的另一个输入端之间。分光结构实现光信号的分路和合路。对于2×2分光结构，光分路过程为：光信号从2×2分光结构的某个输入端口输入，被按一定比例分别送至其直通输出端口和交叉输出端口，分路后的两路光信号相位相差π/2；光合路过程为：两路光信号分别从2×2分光结构的两个输入端口同时输入，在该分光结构的某个输出端口处，既接收到一部分从第一输入端口输入的光信号，也接收到一部分从第二输入端口输入的光信号，两部分光信号干涉叠加。通过调节可调耦合器的第一或第二有源波导，可以改变合路前两路光信号之间的相位差，根据干涉原理，可以通过两路光信号间的相位差控制实现干涉后光强度控制，从而实现所述可调耦合器分光比例、即耦合系数的控制。

图3示出根据本发明的实施例的硅基有源波导的截面示意图。如图3所示，在硅基脊型波导上，波导区302为未掺杂的衬底硅，波导区两侧分别进行了P型(positive)和N型(negative)掺杂，形成P型掺杂区303和N型掺杂区304，并将电极301从掺杂区引出，即构成了P-i-N型有源波导。当对该P-i-N半导体结加以正向偏压时，i区的自由载流子浓度会升高，由于硅的等离子色散效应，硅材料的折射率会相应减小，从而使得通过该有源波导臂的光的相位发生变化。需说明的是，图中的脊型波导结构只是一个示例，对于阶梯型、或其它类型的波导结构也同样适用该掺杂方法。图1所示的移相器以及可调耦合器的有源波导臂可由图3所示的硅基有源波导形成。

下面简要描述，根据本发明的实施例的可重构可调谐带阻光子滤波器的工作原理和工作过程。可调耦合器是双进双出的4端口器件，为了便于描述，分别定义为上路输入端口、下路输入端口、上路输出端口、下路输出端口，本领域的技术人员应该理解，这样的定义仅仅是为了方便后续说明，而非特别限定，可调耦合器的输入输出完全可以交换使用。假设光从上路输入端口输入，若不考虑损耗，当有光功率比例为p(p<＝1)的光从上路输出端口输出，则会有光功率比例为(1-p)的光从下路输出端口输出，即有(1-p)比例的光耦合至下路波导。类似地，若此时将光由下路输入端口输入，则会有光功率比例为p的光从下路输出端口输出，光功率比例为(1-p)的光从上路输出端口输出。可将该p定义为直通耦合系数。在本发明的实施例中，该耦合器的耦合系数是可调的，例如，由0至1。

在移相器与可调耦合器组成的滤波回路中，对于某些波长的光信号，它在环路中传播一周所经历的相位变化刚好是2π的整数倍时，环内绕过任意N(N≥1)周的光信号与绕过N-1周的光信号均处于干涉相长状态，由于光在环内的循环是无限次的，在环内绕过0～∞次数的光信号在环内形成了稳态累积，由于环内有衰减，此累积的光能量是有限值，此时该波长的光处于谐振状态，称这些波长为“谐振波长”，即该光频率为谐振频率。此时在光输出端口，由环内累积的光信号耦合过来的部分刚好与输入端光信号耦合过来的部分相位相差π的奇数倍，即处于干涉相消状态，因此在输出端该波长的光信号功率最低，呈现被“过滤”状态。并且，当耦合系数与绕环内一周光衰减因子相等时，从输出端看，谐振波长处的光信号将被完全“消光”，理论上此时的消光比是无穷大的。所述光衰减因子是指光信号绕滤波回路一周后，由于损耗而剩余的能量比例。由此可见，该滤波器只有在特定波长处是被“滤波”的，对于非谐振波长的光，由于环内无法形成有效的光信号积累，光在环内不断地干涉相消，因此在输出端是处于“通过”状态。此外，根据此处原理说明，可推出滤波频率处消光比的大小取决于耦合系数与环内一周光衰减因子的匹配关系。两者匹配得越好，滤波器中心波长处的消光比就越大。

在对光子滤波器进行调谐的过程中，当改变移相器中波导材料的折射率时，移相器有源波导的光程n*L发生改变，n为折射率，原来处于谐振状态的光，在环路中传输一圈的光相位变化就几乎不再是2π的整数倍了(不排除折射率改变在特定的数值，使光程变化刚好等于波长的整数倍)，因此原来谐振波长的光就脱离了谐振状态，也即谐振波长偏移了，即滤波器的中心波长发生了变化。由于移相器的折射率是可以连续变化的，中心波长也可连续调谐。

在对光子滤波器进行重构的过程中，当可调耦合器的耦合系数与环内一周光衰减因子完全匹配时，谐振波长处的光是被完全消掉的，即带阻滤波器的消光比最大。当两者不匹配时，谐振波长处的光就不会完全消掉。另一种极端情况是，可调耦合器工作在“完全直通”状态，此时从输入端输入的光全部被耦合至输出口，而不会有光耦合至环内，此时该器件对所有波长的光都呈“通过”状态，即全通滤波器。可以调节可调耦合器的某个有源波导臂，实现耦合系数的调节，即滤波器光谱响应的重构，从带阻到全通变化，连续可调。

以上结合图1至图3描述了单级带阻滤波器，在单级带阻滤波器的基础上进行级联，就构成了多级带阻滤波器。图4示出根据本发明的实施例的多级可重构可调谐带阻光子滤波器400的结构示意图。多级可重构可调谐带阻光子滤波器400可包括两个或两个以上的可重构可调谐带阻光子滤波器410-1至410-N。为了简化描述，可重构可调谐带阻光子滤波器410-1至410-N中的每个简称为可重构可调谐带阻光子滤波器410。

每个可重构可调谐带阻光子滤波器410可包括可调耦合器412、波导413、移相器414和光输入输出端口411和415。与图1所示的可重构可调谐带阻光子滤波器410相似，波导413可以是无源波导。可调耦合器412可以是两进两出的4端口器件，可调耦合器412的其中一个输入端口与光输入端口通过无源波导413相连；而可调耦合器412的一个输出端口与光输出端口通过无源波导413相连；可调耦合器412的另一输入端口与另一输出端口与移相器414通过无源波导413相连。

相邻的可重构可调谐带阻光子滤波器可通过耦合器彼此耦合。例如，第一可重构可调谐带阻光子滤波器410-1的输出端口耦合到第二可重构可调谐带阻光子滤波器410-2的输入端口，而第二可重构可调谐带阻光子滤波器410-2的输出端口耦合到第三可重构可调谐带阻光子滤波器410-3的输入端口，以此类推，第N-1可重构可调谐带阻光子滤波器410-N-1的输出端口耦合到第N可重构可调谐带阻光子滤波器410-N的输入端口。

在本发明的一些实施例中，多级可重构可调谐带阻光子滤波器410可具有多个陷波中心波长，这些波长可以独立调谐，也可同步调谐。

在本发明的其它一些实施例中，多级可重构可调谐带阻光子滤波器410可具有相同的陷波中心波长，每个带阻光子滤波器可以独立调谐或重构，这样能够提高级联带阻光子滤波器的滤波效果。

尽管上文描述了本发明的多个实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对各个实施例做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (16)

1.一种光子滤波器，包括：

可调耦合器，所述可调耦合器包括第一分光结构、第二分光结构、第一波导和第二波导，所述第一分光结构具有第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口及第二输出端口，所述第二分光结构具有第三输入端口、第四输入端口、第三输出端口及第四输出端口，所述第一波导耦合在所述第一输出端口和第三输入端口之间，所述第二波导耦合在所述第二输出端口和第四输入端口之间；

移相器，所述移相器耦合在所述第二输入端口和第四输出端口之间，其中所述移相器与所述可调耦合器构成滤波回路；

光输入端口，所述光输入端口耦合到所述第一输入端口；以及

光输出端口，所述光输出端口耦合到所述第三输出端口。

2.如权利要求1所述的光子滤波器，其特征在于，所述移相器通过第三波导耦合在所述第二输入端口和第四输出端口之间，所述光输入端口通过第四波导耦合到所述第一输入端口，所述光输出端口通过第五波导耦合到所述第三输出端口。

3.如权利要求2所述的光子滤波器，其特征在于，所述第三波导、第四波导和第五波导是无源波导。

4.如权利要求1所述的光子滤波器，其特征在于，所述移相器是有源波导，所述移相器能够对耦合在其中的光波的相位进行连续改变。

5.如权利要求4所述的光子滤波器，其特征在于，还包括设置在有源波导上方或周围的加热电极，所述有源波导的折射率通过调节所述有源波导的温度来调节。

6.如权利要求1所述的光子滤波器，其特征在于，所述第一波导是有源波导。

7.如权利要求1所述的光子滤波器，其特征在于，所述第二波导是有源波导。

8.如权利要求4、6或7中的任一项所述的光子滤波器，其特征在于，所述有源波导是P-i-N有源波导。

9.如权利要求8所述的光子滤波器，其特征在于，P-i-N有源波导的波导区两侧具有P型掺杂区、N型掺杂区及引出电极，所述有源波导的折射率通过自由载流子的注入/抽取来调节。

10.如权利要求1所述的光子滤波器，其特征在于，第一分光结构是多模干涉仪分光结构或定向耦合器分光结构。

11.如权利要求1所述的光子滤波器，其特征在于，第二分光结构是多模干涉仪分光结构或定向耦合器分光结构。

12.如权利要求1所述的光子滤波器，其特征在于，所述光输入端口是光栅耦合器结构或锥形的模式变换波导结构。

13.如权利要求1所述的光子滤波器，其特征在于，所述光输出端口是光栅耦合器结构或锥形的模式变换波导结构。

14.如权利要求1所述的光子滤波器，其特征在于，所述光子滤波器被配置成使得在谐振波长下，所述可调耦合器的耦合系数与所述滤波回路的衰减因子基本相等。

15.一种级联的光子滤波器，包括两个或两个以上的如权利要求1至14中的任一项所述的光子滤波器，前一光子滤波器的光输出端口耦合到下一光子滤波器的光输入端口，每一光子滤波器独立调谐。

16.如权利要求15所述的级联的光子滤波器，其特征在于，每个所述光子滤波器的陷波中心波长相同或不同。