CN110850527B - 集成化光滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种集成化光滤波器，包括输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；微环光滤波器包括第一级微环光滤波器和第二级微环光滤波器，每级微环光滤波器均包括微环谐振腔和与其相邻的输入端直波导和下载段直波导；中间光波导包括第一中间光波导和第二中间光波导，用于传输微环光滤波器间的宽带光信号；输出光波导，用于输出经所述第二级微环光滤波器的滤波输出端的宽带光信号。该光滤波器仅采用两个微环谐振腔结构，结构简单、损耗低、体积小，且调节和控制难度小。

Description

集成化光滤波器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种集成化光滤波器。
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，本发明的主要目的在于提供一种集成化光滤波器，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，本发明提供了一种集成化光滤波器，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和第二级微环光滤波器202，每级微环光滤波器201、202均包括微环谐振腔和与其相邻的输入端直波导和下载段直波导，用于在宽带光信号进入所述微环光滤波器201、202的输入端，即输入端直波导的输入端后，当宽带光信号满足所述微环光滤波器201、201微环谐振腔的谐振条件时，通过所述微环谐振腔耦合至所述微环光滤波器201、202的下载端直波导中并从所述微环光滤波器201、202的下载端，即下载端直波导的输出端输出，而不满足微环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环光滤波器201、202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和第二中间光波导302，用于传输微环光滤波器间的宽带光信号；其中，所述微环光滤波器200与所述中间光波导300交错排列，所述输入光波导100连接所述第一级微环光滤波器201的输入端直波导的输入端，所述第一级微环光滤波器202的输入端直波导的直通端连接第一中间光波导301，所述第一中间光波导301连接所述第一级微环光滤波器201的下载端，所述下载端直波导的输出端连接所述第二中间光波导302，所述第二中间光波导302连接所述第二级微环光滤波器的输入端直波导的直通段；
输出光波导400，与所述第二级微环光滤波器202的下载段连接，用于输出经所述第二级微环光滤波器202的滤波输出端的宽带光信号，完成所述集成化光滤波器的滤波功能。
其中，所述第一级微环光滤波器201内微环谐振腔与两段直波导之间的距离相同，从而使得直通端和下载端两路光波在该微环滤波器内的两次滤波作用具有相同的滤波曲线形状和谐振峰中心波长。
其中，所述第二级微环光滤波器202与第一级微环光滤波器201两者内部微环谐振腔的半径、波导宽度和波导厚度保持一致。
其中，所述第二级微环光滤波器202中微环谐振腔与直波导之间的距离要大于第一级微环光滤波器201中微环谐振腔与直波导之间的距离。
其中，所述输入宽带光信号在经过第一级微环滤波器201后，直通端和输出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。
其中，通过对所述微环光滤波器200的滤波曲线的中心波长进行独立调谐，能够实现所述集成化光滤波器中心波长的可调谐。
其中，所述微环光滤波器200能够通过热光效应或电光效应对其滤波曲线中心波长进行独立调谐。
其中，所述微环光滤波器200能够在铌酸锂、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。
一种采用如上所述的集成化光滤波器进行光滤波的光通信设备。
基于上述技术方案可知，本发明的集成化光滤波器相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中一部分：
(1)该滤波器仅采用两个微环谐振腔结构，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为采用两个微环滤波器实现的一种集成化光滤波器的结构示意图；
图2为两种微环滤波器单元的结构以及直通端和下载端的滤波谱线示意图，其中(a)为第一级微环滤波器的结构，(b)为第二级微环滤波器的结构，(c)为直通端滤波谱线，(d)为下载端滤波谱线；
图3为信号光经过第一级微环滤波器后直通端与下载端的滤波路径，其中(a)为直通端在第一级微环滤波器内的两次滤波的路径，(b)为下载端在第一级微环滤波器内的第一次滤波的路径；
图4为器件工作状态下各阶段滤波曲线示意图，其中(a)为第一级微环滤波器的滤波曲线，其滤波光谱有一个位于凹槽内的窄峰；(b)为第二级微环光滤波器的滤波曲线；(c)为由这两级微环光滤波器级联构成的集成化光滤波器的滤波曲线。
上述附图中，附图标记含义如下：
100-输入光波导
200-微环光滤波器
201-第一级微环光滤波器 202-第二级微环光滤波器
300-中间光波导
301-第一中间光波导 302-第二中间光波导
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。
具体的，本发明公开了一种集成化光滤波器，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和第二级微环光滤波器202，每级微环光滤波器201、202均包括微环谐振腔和与其相邻的输入端直波导和下载段直波导，用于在宽带光信号进入所述微环光滤波器201、202的输入端，即输入端直波导的输入端后，当宽带光信号满足所述微环光滤波器201、201微环谐振腔的谐振条件时，通过所述微环谐振腔耦合至所述微环光滤波器201、202的下载端直波导中并从所述微环光滤波器201、202的下载端，即下载端直波导的输出端输出，而不满足微环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环光滤波器201、202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和第二中间光波导302，用于传输微环光滤波器间的宽带光信号；其中，所述微环光滤波器200与所述中间光波导300交错排列，所述输入光波导100连接所述第一级微环光滤波器201的输入端直波导的输入端，所述第一级微环光滤波器202的输入端直波导的直通端连接第一中间光波导301，所述第一中间光波导301连接所述第一级微环光滤波器201的下载端，所述下载端直波导的输出端连接所述第二中间光波导302，所述第二中间光波导302连接所述第二级微环光滤波器的输入端直波导的直通端；
输出光波导400，与所述第二级微环光滤波器202的下载端连接，用于输出经所述第二级微环光滤波器202的滤波输出端的宽带光信号，完成所述集成化光滤波器的滤波功能。
其中，所述第一级微环光滤波器201内微环谐振腔与两段直波导之间的距离相同，从而使得直通端和下载端两路光波在该微环滤波器内的两次滤波作用具有相同的滤波曲线形状和谐振峰中心波长。
其中，所述第二级微环光滤波器202与第一级微环光滤波器201两者内部微环谐振腔的半径、波导宽度和波导厚度保持一致。
其中，所述第二级微环光滤波器202中微环谐振腔与直波导之间的距离要大于第一级微环光滤波器201中微环谐振腔与直波导之间的距离。
其中，所述输入宽带光信号在经过第一级微环光滤波器201后，直通端和输出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。
其中，通过对所述微环光滤波器200的滤波曲线的中心波长进行独立调谐，能够实现所述集成化光滤波器中心波长的可调谐。
其中，所述微环光滤波器200能够通过热光效应或电光效应对其滤波曲线中心波长进行独立调谐。
其中，所述微环光滤波器200能够在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化钢、砷化镓平台上通过半导体工艺制作实现。
实施例
请参阅图1所示，本发明提供一种集成化光滤波器，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和第二级微环光滤波器202，每级微环光滤波器均由一个微环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2(a)所示为第一级微环光滤波器201的结构，图2(b)所示为第二级微环光滤波器202的结构，图2(c)所示为直通端的滤波谱线示意图，图2(d)所示为下载端的滤波谱线示意图。
在本发明实施例中，第一级微环光滤波器201内微环谐振腔与两段直波导之间的距离相同，且第二级微环光滤波器202中微环谐振腔与直波导之间的距离较第一级微环光滤波器201中微环谐振腔与直波导之间的距离更大。
中间光波导300，包括第一中间光波导301和第二中间光波导302，用于传输微环光滤波器间的信号光。
微环光滤波器200与中间光波导300交错排列，输入光波导100连接第一级微环光滤波器201上方波导的输入端，该输入端对应的直通端通过中间光波导301连接第一级微环光滤波器201的另一段波导，该波导随后利用中间光波导303连接第二级微环光滤波器202。
输出光波导400，用于输出第二级微环光滤波器202的下载端信号光，完成集成化光滤波器的滤波功能。
具体的，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，其直通端先后两次滤波过程如图3(a)中的①和②所示，信号光由L1波导左端进入后，经过其对应直通端从L1波导右端进入中间光波导301完成第一次滤波，随后进入L2波导上端后，经过其对应直通端从L2波导下端进入中间光波导302完成第二次滤波；其下载端先后两次滤波过程如图3(b)中的①和②所示，信号光由L1波导左端进入后，经过其对应直通端从L2波导上端进入中间光波导301完成第一次滤波，随后进入L1波导右端后，经过其对应直通端从L2波导下端进入中间光波导302完成第二次滤波；
信号光经过第一级微环光滤波器201后的两次直通端滤波曲线和两次下载端滤波曲线在中间光波导302内合束，由于第一级微环光滤波器201内微环谐振腔与两段直波导之间的距离相同，保证了该微环滤波器内直通端和下载端的两次滤波作用，具有相同的滤波曲线形状和谐振峰中心波长，且两次滤波叠加的结果会在中间光波导302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302内的信号光进入第二级微环光滤波器202内，由于第二级微环光滤波器202的下载端滤波曲线如图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、高品质因子、高滚降速率的高性能滤波光谱，完成集成化光滤波器的滤波功能。
在本公开具体实施例中，通过对第一和第二级微环光滤波器201、202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。
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 (8)

1.一种集成化光滤波器，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；
微环光滤波器(200)，包括第一级微环光滤波器(201)和第二级微环光滤波器(202)，每级微环光滤波器(201、202)均包括微环谐振腔和与其相邻的输入端直波导和下载端直波导，用于在宽带光信号进入所述微环光滤波器(201、202)的输入端，即输入端直波导的输入端后，当宽带光信号满足所述微环光滤波器(201、201)微环谐振腔的谐振条件时，通过所述微环谐振腔耦合至所述微环光滤波器(201、202)的下载端直波导中并从所述微环光滤波器(201、202)的下载端，即下载端直波导的输出端输出，而不满足微环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环光滤波器(201、202)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)和第二中间光波导(302)，用于传输微环光滤波器间的宽带光信号；其中，所述微环光滤波器(200)与所述中间光波导(300)交错排列，所述输入光波导(100)连接所述第一级微环光滤波器(201)的输入端直波导L1的输入端，所述第一级微环光滤波器(201)的输入端直波导L1的直通端连接第一中间光波导(301)，所述第一中间光波导(301)连接所述第一级微环光滤波器(201)的下载端直波导L2，所述下载端直波导L2的输出端连接所述第二中间光波导(302)，所述第二中间光波导(302)连接所述第二级微环光滤波器的输入端直波导的直通端；
输出光波导(400)，与所述第二级微环光滤波器(202)的下载端连接，用于输出经所述第二级微环光滤波器(202)的滤波输出端的宽带光信号，完成所述集成化光滤波器的滤波功能；
所述输入宽带光信号在经过第一级微环滤波器(201)后，直通端和输出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；其滤波光谱中有一个位于凹槽内的窄峰。
2.根据权利要求1所述的集成化光滤波器，其特征在于，所述第一级微环光滤波器(201)内微环谐振腔与两段直波导之间的距离相同，从而使得直通端和下载端两路光波在该微环滤波器内的两次滤波作用具有相同的滤波曲线形状和谐振峰中心波长。
3.根据权利要求1所述的集成化光滤波器，其特征在于，所述第二级微环光滤波器(202)与第一级微环光滤波器(201)两者内部微环谐振腔的半径、波导宽度和波导厚度保持一致。
4.根据权利要求1所述的集成化光滤波器，其特征在于，所述第二级微环光滤波器(202)中微环谐振腔与直波导之间的距离要大于第一级微环光滤波器(201)中微环谐振腔与直波导之间的距离。
5.根据权利要求1所述的集成化光滤波器，其特征在于，通过对所述微环光滤波器(200)的滤波曲线的中心波长进行独立调谐，能够实现所述集成化光滤波器中心波长的可调谐。
6.根据权利要求1所述的集成化光滤波器，其特征在于，所述微环光滤波器(200)能够通过热光效应或电光效应对其滤波曲线中心波长进行独立调谐。
7.根据权利要求1所述的集成化光滤波器，其特征在于，所述微环光滤波器(200)能够在铌酸锂、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。
8.一种采用如权利要求1～7任一项所述的集成化光滤波器进行光滤波的光通信设备。
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