CN110824730A - 窄带光滤波器 - Google Patents

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CN110824730A CN201911154449.2A CN201911154449A CN110824730A CN 110824730 A CN110824730 A CN 110824730A CN 201911154449 A CN201911154449 A CN 201911154449A CN 110824730 A CN110824730 A CN 110824730A
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张磊
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Abstract

一种光滤波器，包括：输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；微盘光滤波器，包括第一级微盘光滤波器、第二级微盘光滤波器和第三级微盘光滤波器，其中每级微盘光滤波器均包括微盘谐振腔及与其相邻的输入端直波导和下载端直波导；中间光波导，包括第一中间光波导、第二中间光波导和第三中间光波导，用于传输不同微盘光滤波器间的宽带光信号；输出光波导，与所述第三级微盘光滤波器的下载端连接，用于输出所述第三级微盘光滤波器下载的宽带光信号，完成所述集成化光滤波器的滤波功能。该光滤波器仅采用三个微盘谐振腔结构，结构简单、损耗低、体积小，且调节和控制难度小。

Description

窄带光滤波器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种窄带光滤波器。
背景技术
光纤通信网络在广域、大容量通信系统中扮演者基础性的角色，它构筑了全球信息网络的骨干。光学滤波器在光通信系统中发挥着至关重要的作用，主要用来实现对光信号波长的筛选和操作，可以用于特定波长的信号选择、波分复用和解复用、滤除噪声信号等。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，本发明的主要目的在于提供一种窄带光滤波器，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，本发明提供了一种窄带光滤波器，包括：
输入光波导(100)，用于输入待处理的宽带光信号；
微盘光滤波器(200)，包括第一级微盘光滤波器(201)、第二级微盘光滤波器(202)和第三级微盘光滤波器(203)，其中每级微盘光滤波器(201、202、203)均包括微盘谐振腔及与其相邻的输入端直波导和下载端直波导，在宽带光信号进入所述微盘光滤波器(201、202、203)的输入端，即输入端直波导的输入端后，当宽带光信号波段满足所述微盘光滤波器(201、202、203)微盘谐振腔的谐振条件时，通过所述微盘谐振腔耦合至所述微盘光滤波器(201、202、203)的下载端直波导中并从所述微盘光滤波器(201、202、203)的下载端，即下载端直波导的输出端输出，而不满足微盘谐振腔的谐振条件的宽带光信号波段则保留在所述输入端直波导中并通过所述微盘光滤波器(201、202、203)的直通端，即所述输入端直波导的直通端输出，从而实现对输入的宽带光信号的滤波；
中间光波导(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)，用于传输不同微盘光滤波器间的宽带光信号；其中，所述微盘光滤波器(200)与所述中间光波导(300)交错排列，具体包括：所述第一级微盘光滤波器(201)的输入端连接所述输入光波导(100)，所述第一级微盘光滤波器(201)的直通端连接所述第一中间光波导(301)，所述第一级微盘光滤波器(201)的下载端连接所述第二中间光波导(302)，所述第二级微盘光滤波器(202)的输入端连接所述第二中间光波导(302)，所述第二级微盘光滤波器(202)的下载端直波导的非下载端一侧连接所述第一中间光波导(301)，所述第二级微盘光滤波器(202)的下载端连接所述第三中间光波导(303)，所述第三中间光波导(303)的另一端连接所述第三级微盘光滤波器(203)的输入端；
输出光波导(400)，与所述第三级微盘光滤波器(203)的下载端连接，用于输出所述第三级微盘光滤波器(203)下载的宽带光信号，完成所述集成化光滤波器的滤波功能。
其中，所述微盘光滤波器(200)采用类脊波导结构，在微盘谐振腔和相邻耦合光波导周围引入一圈平板波导。
其中，所述第一级微盘光滤波器(201)和所述第二级微盘光滤波器(202)内的微盘谐振腔的半径、波导宽度和波导厚度保持一致，同时两个微盘光滤波器内的微盘谐振腔与直波导之间的距离保持相同，保证了两个微盘光滤波器具有相同的滤波曲线形状和谐振峰中心波长。
其中，所述第三级微盘光滤波器(203)与所述第一级微盘光滤波器(201)和第二级微盘光滤波器(202)三者内的微盘谐振腔的半径、波导宽度和波导厚度保持一致，但第三级微盘光滤波器(203)中微盘谐振腔与直波导之间的距离较第一级微盘光滤波器(201)、第二级微盘光滤波器(202)中微盘谐振腔与直波导之间的距离更大，以保证经过三级微盘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。
其中，输入的宽带光信号在经过所述第一级微盘光滤波器(201)、第二级微盘光滤波器(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。
其中，所述中间光波导(301)和所述中间光波导(302)的长度一致，以保证所述第一级微盘光滤波器(201)、第二级微盘光滤波器(202)的直通端和下载端的滤波曲线的相位不发生相移。
其中，通过对所述第一级微盘光滤波器(201)、第二级微盘光滤波器(202)和第三级微盘光滤波器(203)的滤波曲线的中心波长进行独立调谐，能够实现所述窄带光滤波器中心波长的可调谐。
其中，所述微盘光滤波器(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。
其中，所述光滤波器的结构为前馈结构，内部不存在反馈回路。
其中，所述微盘光滤波器(200)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。
基于上述技术方案可知，本发明的窄带光滤波器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
(1)该滤波器仅采用三个微盘谐振腔结构，结构简单、损耗低、体积小，且调节和控制难度小；
(2)该滤波器结构采用微盘结构，相比于其他结构具有更高的灵敏度和品质因子，同时通过两级微盘的级联叠加结构，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。
(3)该微盘光滤波器采用类脊波导结构，在微盘和耦合波导周围引入一圈平板波导，使得在微盘内传输的模式的光场分布远离微盘边缘，使光场距离波导边缘更远，从而减小模式光场与波导侧壁的作用，盘内顺时针传输的模式被侧壁反射进而和顺时针传输模式形成驻波的几率减小，保证微盘内仅有单个的同时增大了微盘的品质因子值。
附图说明
图1为采用三个可调谐微盘谐振腔实现的一种窄带光滤波器的结构示意图；
图2为典型微盘光滤波器的结构示意图及其下载端与直通端谱线；
图3为器件工作状态时第一、第二级微盘光滤波器下载端与直通端的联合滤波曲线；
图4为器件工作状态下各阶段滤波曲线示意图，(a)为第一、第二级微盘光滤波器的联合滤波曲线，其滤波光谱包含一个位于凹槽内的窄峰；(b)为第三级微盘光滤波器的滤波曲线；(c)为由这三级微盘光滤波器级联构成的集成化光滤波器的输出端滤波曲线。
上述附图中，附图标记含义如下：
100-输入光波导
200-微盘光滤波器
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
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。
请参阅图1所示，本发明提供一种窄带光滤波器，包括：
输入光波导100，用于输入待处理的宽带光信号。
微盘光滤波器200，包括第一级微盘光滤波器201、第二级微盘光滤波器202和第三级微盘光滤波器203，每级微盘光滤波器均由一个微盘谐振腔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，其中满足微盘谐振条件的波段会通过微盘耦合至另一段直波导的下载端、不满足微盘谐振条件的波段会保留在原直波导的直通端。
图2所示为微盘光滤波器200的结构示意图及其下载端与直通端谱线。
在本发明实施例中，第一级微盘光滤波器201、第二级微盘光滤波器202和第三级微盘光滤波器203内部的微盘谐振腔的半径、波导宽度和波导厚度保持一致；第一级微盘光滤波器201和第二级微盘光滤波器202内部的微盘与直波导的距离保持相同，第三级微盘光滤波器203中微盘与直波导之间的距离较前者更大。
中间光波导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，用于传输不同微盘光滤波器间的信号光。
在本发明实施例中，中间光波导301和中间光波导302的长度一致，以保证第一、第二级微盘光滤波器201、202的直通端和下载端的滤波曲线的相位不发生相移。
微盘光滤波器200与中间光波导300交错排列，第一级微盘光滤波器201的输入端连接输入光波导100，其直通端连接中间光波导301、下载端连接中间光波导302，之后中间光波导301与302分别连接第二级微盘光滤波器202的两段不同的直波导，中间光波导301进入第二级微盘光滤波器202所对应的下载端与中间光波导302进入第二级微盘光滤波器202所对应的直通端为同一个端口并将其连接中间光波导303，最后将中间光波导303连接第三级微盘光滤波器203。
输出光波导400，用于输出第三级微盘光滤波器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进入第一级微盘光滤波器201的输入端后实现第一级滤波，其直通端连接中间光波导301、下载端连接中间光波导302；
随后中间光波导301与302分别连接第二级微盘光滤波器202的两段不同的直波导，中间光波导301中的信号光经过其在第二级微盘光滤波器202中所对应的直通端输出至中间光波导303、中间光波导302中的信号光经过其在第二级微盘光滤波器202中所对应的下载端同样输出至中间光波导303，两束光在中间光波导303内合束，由于第一级微盘光滤波器201和第二级微盘光滤波器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，同时中间光波导301和中间光波导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中间光波导303处产生如图4(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，中间光波导303内的信号光进入第三级微盘光滤波器203内，由于第三级微盘光滤波器203的滤波曲线如图4(b)所示，因此将会在其下载端产生如图4(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，微盘光滤波器200采用类脊波导结构，在微盘和耦合波导周围引入一圈平板波导，使得在微盘内传输的模式的光场分布远离微盘边缘，使光场距离波导边缘更远，从而减小模式光场与波导侧壁的作用，盘内顺时针传输的模式被侧壁反射进而和顺时针传输模式形成驻波的几率减小，保证微盘内仅有单个的同时增大了微盘的品质因子值。
在本公开具体实施例中，通过对第一、第二和第三级微盘光滤波器201、202、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。
在本公开具体实施例中，微盘光滤波器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。
在本公开具体实施例中，可调谐微盘谐振腔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。
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。
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。

Claims (10)

1.一种光滤波器，其特征在于，包括：
输入光波导(100)，用于输入待处理的宽带光信号；
微盘光滤波器(200)，包括第一级微盘光滤波器(201)、第二级微盘光滤波器(202)和第三级微盘光滤波器(203)，其中每级微盘光滤波器(201、202、203)均包括微盘谐振腔及与其相邻的输入端直波导和下载端直波导，在宽带光信号进入所述微盘光滤波器(201、202、203)的输入端，即输入端直波导的输入端后，当宽带光信号波段满足所述微盘光滤波器(201、202、203)微盘谐振腔的谐振条件时，通过所述微盘谐振腔耦合至所述微盘光滤波器(201、202、203)的下载端直波导中并从所述微盘光滤波器(201、202、203)的下载端，即下载端直波导的输出端输出，而不满足微盘谐振腔的谐振条件的宽带光信号波段则保留在所述输入端直波导中并通过所述微盘光滤波器(201、202、203)的直通端，即所述输入端直波导的直通端输出，从而实现对输入的宽带光信号的滤波；
中间光波导(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)，用于传输不同微盘光滤波器间的宽带光信号；其中，所述微盘光滤波器(200)与所述中间光波导(300)交错排列，具体包括：所述第一级微盘光滤波器(201)的输入端连接所述输入光波导(100)，所述第一级微盘光滤波器(201)的直通端连接所述第一中间光波导(301)，所述第一级微盘光滤波器(201)的下载端连接所述第二中间光波导(302)，所述第二级微盘光滤波器(202)的输入端连接所述第二中间光波导(302)，所述第二级微盘光滤波器(202)的下载端直波导的非下载端一侧连接所述第一中间光波导(301)，所述第二级微盘光滤波器(202)的下载端连接所述第三中间光波导(303)，所述第三中间光波导(303)的另一端连接所述第三级微盘光滤波器(203)的输入端；
输出光波导(400)，与所述第三级微盘光滤波器(203)的下载端连接，用于输出所述第三级微盘光滤波器(203)下载的宽带光信号，完成所述集成化光滤波器的滤波功能。
2.根据权利要求1所述的一种光滤波器，其特征在于，所述微盘光滤波器(200)采用类脊波导结构，在微盘谐振腔和相邻耦合光波导周围引入一圈平板波导。
3.根据权利要求1所述的一种光滤波器，其特征在于，所述第一级微盘光滤波器(201)和所述第二级微盘光滤波器(202)内的微盘谐振腔的半径、波导宽度和波导厚度保持一致，同时两个微盘光滤波器内的微盘谐振腔与直波导之间的距离保持相同，保证了两个微盘光滤波器具有相同的滤波曲线形状和谐振峰中心波长。
4.根据权利要求1所述的一种光滤波器，其特征在于，所述第三级微盘光滤波器(203)与所述第一级微盘光滤波器(201)和第二级微盘光滤波器(202)三者内的微盘谐振腔的半径、波导宽度和波导厚度保持一致，但第三级微盘光滤波器(203)中微盘谐振腔与直波导之间的距离较第一级微盘光滤波器(201)、第二级微盘光滤波器(202)中微盘谐振腔与直波导之间的距离更大，以保证经过三级微盘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。
5.根据权利要求1所述的一种光滤波器，其特征在于，输入的宽带光信号在经过所述第一级微盘光滤波器(201)、第二级微盘光滤波器(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。
6.根据权利要求1所述的一种光滤波器，其特征在于，所述中间光波导(301)和所述中间光波导(302)的长度一致，以保证所述第一级微盘光滤波器(201)、第二级微盘光滤波器(202)的直通端和下载端的滤波曲线的相位不发生相移。
7.根据权利要求1所述的一种光滤波器，其特征在于，通过对所述第一级微盘光滤波器(201)、第二级微盘光滤波器(202)和第三级微盘光滤波器(203)的滤波曲线的中心波长进行独立调谐，能够实现所述窄带光滤波器中心波长的可调谐。
8.根据权利要求1所述的一种光滤波器，其特征在于，所述微盘光滤波器(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。
9.根据权利要求1所述的一种光滤波器，其特征在于，所述微盘光滤波器的结构为前馈结构，内部不存在反馈回路。
10.根据权利要求1所述的一种光滤波器，其特征在于，所述微盘光滤波器(200)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。
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