CN110596819B - 基于微环谐振器的窄带光滤波器 - Google Patents

基于微环谐振器的窄带光滤波器 Download PDF

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Abstract

一种基于微环谐振器的窄带光滤波器、光学元件和应用，该窄带光滤波器，包括：输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；微环光滤波器单元，对输入光波导中的宽带光信号进行滤波；以及输出光波导，用于输出滤波后的宽带光信号。本发明仅采用三个微环谐振器结构，结构简单、损耗低、体积小，且调节和控制难度小；实现了窄带宽和高滚降速率的滤波功能，可以满足光纤通信领域对微波光子信号处理的要求。

Description

基于微环谐振器的窄带光滤波器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种基于微环谐振器的窄带光滤波器。
背景技术
波分复用(WDM，Wavelength-Division Multiplexing)技术和掺铒光纤放大器(EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier)的出现使光通信得到突破性进展，光纤传输网速率不断提升。光学滤波器使用光学方法和光学元件，在光纤通信技术领域的信号处理方面实现对光信号的滤波功能。与传统的电子技术相比，光学元件具有灵活和大范围的带宽特性，可以直接对高频带宽的微波信号进行滤波。在宽带接入、量子通信、激光雷达和天文系统的高级应用方面，有着重大意义。对目标频带的选择能力是应用于微波光子信号处理的光滤波器的重要指标，这就要求光学滤波器具有高滚降速率和较为狭窄的通带带宽，通带带宽在一个自由光谱区所占的比例越小，选择能力更强。基于集成光子学的光滤波器件，方便大规模集成，同时利用成熟的半导体工艺加工平台，可以实现大规模低成本的量产。常见的窄带宽、高滚降速率的光学滤波器常采用布拉格光纤光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)、马赫-曾德(MZ，Mach-Zehnder)等结构，但上述方案存在损耗大、体积大，成本高，稳定性差，调节与控制困难等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于微环谐振器的窄带光滤波器、光学元件和应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于微环谐振器的窄带光滤波器，包括：
输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；
微环光滤波器单元，对输入光波导中的宽带光信号进行滤波；以及
输出光波导，用于输出滤波后的宽带光信号。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种光学元件，内含有如上所述的窄带光滤波器。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种如上所述的窄带光滤波器或如上所述的光学元件在光纤通信技术领域的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的基于微环谐振器的窄带光滤波器、光学元件和应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：
(1)该滤波器仅采用三个微环谐振器结构，结构简单、损耗低、体积小，且调节和控制难度小。
(2)该结构实现了窄带宽和高滚降速率的滤波功能，可以满足光纤通信领域对微波光子信号处理的要求。
附图说明
图1为本发明一实施例中基于微环谐振器的窄带光滤波器的结构示意图；
图2A为本发明一实施例中微环光滤波器的结构示意图；
图2B为本发明一实施例中微环光滤波器的下载端与直通端谱线图；
图3为本发明一实施例中窄带光滤波器在工作状态下的第一级微环光滤波器和第二级微环光滤波器下载端与直通端的联合滤波曲线图；
图4为本发明一实施例中窄带光滤波器在工作状态下各阶段滤波曲线示意图，其中(a)图为第一级微环光滤波器、第二级微环光滤波器的联合滤波曲线图；(b)图为第三级微环光滤波器的滤波曲线图；(c)图为由这三级微环光滤波器级联构成的集成化窄带的光滤波器的输出端滤波曲线图。
附图标记说明：
100-输入光波导
200-微环光滤波器单元
201-第一级光滤波器 202-第二级光滤波器
203-第三级光滤波器
300-中间光波导单元
301-第一中间光波导 302-第二中间光波导
303-第三中间光波导
400-输出光波导
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种基于微环谐振器的窄带光滤波器，包括：
输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；
微环光滤波器单元，对输入光波导中的宽带光信号进行滤波；以及
输出光波导，用于输出滤波后的宽带光信号。
其中，所述微环光滤波器单元包括若干级微环光滤波器和中间光波导单元；
每一级所述微环光滤波器均包括：
输入直波导；
输出直波导；以及
微环谐振器，其设置在输入直波导和输出直波导中间，用于将输入直波导中满足微环谐振条件的波段耦合到输出直波导中；
所述微环谐振器与输入直波导和输出直波导之间的间距均相同。
其中，所述的微环光滤波器单元包括第一级微环光滤波器、第二级微环光滤波器和第三级微环光滤波器。
其中，所述第一级微环光滤波器、第二级微环光滤波器以及第三级微环光滤波器的微环谐振器的半径、微环谐振器的波导宽度和微环谐振器的波导厚度均相同；
所述第一级微环光滤波器和第二级微环光滤波器的微环谐振器与输入直波导、输出直波导之间的距离均相同；
所述第三级微环光滤波器的微环谐振器与输入直波导、输出直波导之间的距离均大于第一级微环光滤波器或第二级微环光滤波器与输入直波导、输出直波导之间的距离。
其中，所述中间光波导单元包括：
第一中间光波导，其两端分别与第一级微环光滤波器的输入直波导直通端和第二级微环光滤波器的输出直波导的上载端连接；
第二中间光波导，其两端分别与第一级微环光滤波器的输出直波导的下载端和第二级微环光滤波器的输入直波导输入端连接；以及
第三中间光波导，其两端分别与第二级微环光滤波器的输出直波导的下载端和第三级微环光滤波器的输入直波导输入端连接；
所述第一级微环光滤波器的输出直波导、第二中间光波导、第二级微环光滤波器的输入直波导三者的长度和等于第一中间光波导的长度。
其中，调谐所述窄带光滤波器的中心波长是通过对微环光滤波器单元的若干级微环光滤波器各自的滤波曲线的中心波长进行独立调谐实现的；
其中，所述微环光滤波器是通过热光效应或电光效应对其滤波曲线中心波长进行调谐的。
其中，所述窄带光滤波器结构为前馈结构。
其中，所述微环滤波器单元在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟或砷化镓平台上通过半导体工艺制作。
本发明还公开了一种光学元件，内含有如上所述的窄带光滤波器。
本发明还公开了如上所述的窄带光滤波器或如上所述的光学元件在光纤通信技术领域的应用。
在一个实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
一种基于微环谐振器的窄带光滤波器，包括：输入光波导、微环光滤波器、中间光波导和输出光波导。输入波导中传导的光在第一级微环光滤波器处进行第一次滤波，分为直通端和下载端两个光路；第二级微环光滤波器用于对第一次滤波后的直通端和下载端光路分别进行第二次滤波；经过两次滤波后的直通端和下载端光路进行合束后，再经过第三级微环光滤波器，将第一级和第二级所得光谱的旁瓣滤去后传输至输出光波导。该窄带光滤波器能获得低损耗、窄带宽、高滚降速率的输出光谱。
在一个优选实施方式中，本发明例如采用如下技术方案：
一种基于微环谐振器的窄带光滤波器，包括：
输入光波导100，用于输入待处理的宽带光信号；
微环光滤波器200，包括第一级微环光滤波器201、第二级微环光滤波器202和第三级微环光滤波器203，每级微环光滤波器均由一个微环谐振器和两段与其靠近的直波导(即输入直波导和输出直波导)组成，用于对输入到直波导中的宽带光信号进行滤波，宽带光信号进入某段输入直波导后，其中满足微环谐振条件的波段会通过微环耦合至输出直波导的下载端、不满足微环谐振条件的波段会保留在原直波导的直通端；
中间光波导单元300，包括第一中间光波导301、第二中间光波导302和第三中间光波导303，用于传输不同微环光滤波器间的信号光；
微环光滤波器单元200的各级微环光滤波器与第一中间光波导301、第二中间光波导302和第三中间光波导303交错排列，第一级微环光滤波器201的输入端连接输入光波导100，其直通端连接第一中间光波导301、下载端连接第二中间光波导302，之后第一中间光波导301与第二中间光波导302分别连接第二级微环光滤波器202的两段不同的直波导，第一中间光波导301进入第二级微环光滤波器202所对应的下载端与第二中间光波导302进入第二级微环光滤波器202所对应的直通端为同一个端口并将其连接第三中间光波导303，最后将第三中间光波导303连接第三级微环光滤波器203；
输出光波导400，用于输出第三级微环光滤波器203的下载端信号光，完成集成化光滤波器的滤波功能。
进一步地，第一级微环光滤波器201和第二级微环光滤波器202内部的微环谐振器的半径、波导宽度和波导厚度保持一致，同时两个滤波器内部微环与两个直波导之间的距离保持相同，保证了两个光滤波器具有相同的滤波曲线形状和谐振峰中心波长。
进一步地，第三级微环光滤波器203与第一级微环光滤波器201、第二级微环光滤波器202具有不完全相同的设计参数，三者内部微环谐振器的半径、波导宽度和波导厚度保持一致，但第三级微环光滤波器203中微环与直波导之间的距离较第一级微环光滤波器201、第二级微环光滤波器202中微环与直波导之间的距离更大，以保证经过三级微环光滤波器级联后可产生低损耗、窄带宽、高滚降速率的滤波谱线。
进一步地，输入光波在经过第一级微环光滤波器201、第二级微环光滤波器202后，直通端和下载端分别进行了两次完全相同的滤波过程，两次滤波叠加的结果产生了类似于电磁诱导透明(EIT)的光谱，使得滤波曲线的消光比成两倍数增加，同时提高了谱线的滚降速率。
进一步地，第一中间光波导301的长度与第一级微环光滤波器201的输出端、第二中间光波导302、第二级微环光滤波器202的输入端三者长度之和一致，以保证第一级微环光滤波器201、第二级微环光滤波器202的直通端和下载端的滤波曲线的相位不发生相移。
进一步地，通过对第一级微环光滤波器201、第二级微环光滤波器202和第三级微环光滤波器203的滤波曲线的中心波长进行独立调谐，可以实现窄带光滤波器中心波长的可调谐。
进一步地，该窄带光滤波器结构为前馈结构，内部不存在反馈回路。
可选地，微环光滤波器200通过热光效应或电光效应对其滤波曲线中心波长进行调谐。
可选地，微环滤波器200可以在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟、砷化镓平台上通过半导体工艺制作实现。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明提供一种基于微环谐振器的窄带光滤波器，包括：
输入光波导100，用于输入待处理的宽带光信号；
微环光滤波器200，包括第一级微环光滤波器201、第二级微环光滤波器202和第三级微环光滤波器203，每级微环光滤波器均由一个微环谐振器和两段与其靠近的直波导组成，用于对输入直波导中的宽带光信号进行滤波，光信号进入某段直波导后，其中满足微环谐振条件的波段会通过微环耦合至另一段直波导的下载端、不满足微环谐振条件的波段会保留在原直波导的直通端。
图2A所示为微环光滤波器200的结构示意图，图2B所示为微环光滤波器200的下载端与直通端谱线图。
在本发明实施例中，第一级微环光滤波器201、第二级微环光滤波器202和第三级微环光滤波器203内部的微环谐振器的半径、波导宽度和波导厚度保持一致；第一级微环光滤波器201和第二级微环光滤波器202内部的微环与直波导的距离保持相同，第三级微环光滤波器203中微环与直波导之间的距离较前者更大。
中间光波导单元300，包括第一中间光波导301、第二中间光波导302和第三中间光波导303，用于传输不同微环光滤波器间的信号光。
在本发明实施例中，第一中间光波导301的长度与第一级微环光滤波器201的输出端、第二中间光波导302、第二级微环光滤波器202的输入端三者长度之和一致，以保证第一级微环光滤波器201、第二级微环光滤波器202的直通端和下载端的滤波曲线的相位不发生相移。
微环光滤波器单元200的各级微环光滤波器与第一中间光波导301、第二中间光波导302和第三中间光波导303交错排列，第一级微环光滤波器201的输入端连接输入光波导100，其直通端连接第一中间光波导301、下载端连接第二中间光波导302，之后第一中间光波导301与第二中间光波导302分别连接第二级微环光滤波器202的两段不同的直波导，第一中间光波导301进入第二级微环光滤波器202所对应的下载端与第二中间光波导302进入第二级微环光滤波器202所对应的直通端为同一个端口并将其连接第三中间光波导303，最后将第三中间光波导303连接第三级微环光滤波器203。
输出光波导400，用于输出第三级微环光滤波器203的下载端信号光，完成集成化光滤波器的滤波功能。
具体的，如图3所示，待处理的宽带光信号利用输入光波导100进入第一级微环光滤波器201的输入端后实现第一级滤波，其直通端连接第一中间光波导301、下载端连接第二中间光波导302；
随后第一中间光波导301与第二中间光波导302分别连接第二级微环光滤波器202的两段不同的直波导，第一中间光波导301中的信号光经过其在第二级微环光滤波器202中所对应的直通端输出至第三中间光波导303、第二中间光波导302中的信号光经过其在第二级微环光滤波器202中所对应的下载端同样输出至第三中间光波导303，两束光在第三中间光波导303内合束，由于第一级微环光滤波器201和第二级微环光滤波器202具有完全一致的参数，保证了两个光滤波器具有相同的滤波曲线形状和谐振峰中心波长，同时第一中间光波导301和第二中间光波导302的长度一致，因此待处理的宽带光信号在直通端和下载端分别进行了两次完全相同的滤波过程，两次滤波叠加的结果会在第三中间光波导303处产生如图4中(a)所示类似于电磁诱导透明(EIT)的光谱，其滤波光谱中有一个位于凹槽内的窄峰；
最后，第三中间光波导303内的信号光进入第三级微环光滤波器203内，由于第三级微环光滤波器203的滤波曲线如图4中(b)所示，因此将会在其下载端产生如图4中(c)所示的滤波结果并通过输出光波导400输出。
综上所述，本发明实施例得到了低损耗、窄带宽、高滚降速率的滤波谱线，完成集成化光滤波器的滤波功能。
在本公开具体实施例中，通过对第一级微环光滤波器201、第二级微环光滤波器202和第三级微环光滤波器203的滤波曲线的中心波长进行独立调谐，可以实现该窄带光滤波器中心波长的可调谐。
在本公开具体实施例中，微环光滤波器单元200通过热光效应或电光效应对其滤波曲线中心波长进行调谐。
在本公开具体实施例中，微环滤波器单元200可以在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟、砷化镓平台上通过半导体工艺制作实现。
在本公开具体实施例中，该结构为前馈结构，内部不存在反馈回路。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

Claims (7)

1.一种基于微环谐振器的窄带光滤波器，包括：
输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；
微环光滤波器单元，包括第一级微环光滤波器、第二级微环光滤波器、第三级微环光滤波器和中间光波导单元；其中，每一级所述微环光滤波器均包括输入直波导、输出直波导和微环谐振器，微环谐振器设置在输入直波导和输出直波导中间，用于将输入直波导中满足微环谐振条件的波段耦合到输出直波导中；以及
输出光波导，用于输出滤波后的宽带光信号；
其中，所述微环谐振器与输入直波导和输出直波导之间的间距均相同；
所述第一级微环光滤波器、第二级微环光滤波器以及第三级微环光滤波器的微环谐振器的半径、微环谐振器的波导宽度和微环谐振器的波导厚度均相同；
所述第一级微环光滤波器和第二级微环光滤波器的微环谐振器与输入直波导、输出直波导之间的距离均相同；
所述第三级微环光滤波器中的微环谐振器与输入直波导、输出直波导之间的距离均大于第一级微环光滤波器、第二级微环光滤波器中微环谐振器与输入直波导、输出直波导之间的距离。
2.根据权利要求1所述的窄带光滤波器，其特征在于，
所述中间光波导单元包括：
第一中间光波导，其两端分别与第一级微环光滤波器的输入直波导直通端和第二级微环光滤波器的输出直波导的上载端连接；
第二中间光波导，其两端分别与第一级微环光滤波器的输出直波导的下载端和第二级微环光滤波器的输入直波导输入端连接；以及
第三中间光波导，其两端分别与第二级微环光滤波器的输出直波导的下载端和第三级微环光滤波器的输入直波导输入端连接；
所述第一级微环光滤波器的输出直波导、第二中间光波导、第二级微环光滤波器的输入直波导三者的长度和等于第一中间光波导的长度。
3.根据权利要求1所述的窄带光滤波器，其特征在于，
调谐所述窄带光滤波器的中心波长是通过对微环光滤波器单元的若干级微环光滤波器各自的滤波曲线的中心波长进行独立调谐实现的；
所述微环光滤波器是通过热光效应或电光效应对其滤波曲线中心波长进行调谐的。
4.根据权利要求1所述的窄带光滤波器，其特征在于，
所述窄带光滤波器结构为前馈结构。
5.根据权利要求1所述的窄带光滤波器，其特征在于，
所述微环滤波器单元在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟或砷化镓平台上通过半导体工艺制作。
6.一种光学元件，内含有如权利要求1-5任一项所述的窄带光滤波器。
7.如权利要求1-5任一项所述的窄带光滤波器或如权利要求6所述的光学元件在光纤通信技术领域的应用。
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