CN111025465B - 自由光谱区可调谐光滤波器 - Google Patents

自由光谱区可调谐光滤波器 Download PDF

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Abstract

一种光滤波器，包括光波导单元和光开关单元，其中：光波导单元包括输入光波导、中间光波导、N级光波导及输出光波导，光开关单元包括输入光开关、N‑1个2×2光开关及输出光开关；其中，所述中间光波导、N级光波导和光开关单元形成一闭合环形谐振腔，输入光波导耦合输入的通带内的光信号沿所述闭合环形谐振腔逆时针传播，所述闭合环形谐振器在谐振波长处具有周期性的下载光谱，相邻谐振波长之间的间隔称为自由光谱区。该滤波器采用微环谐振器和光开关的嵌套结构，可实现可重构光学滤波、自由光谱区大范围内可调谐，进而满足ROADM系统对光滤波器自由光谱区灵活性的需求。

Description

自由光谱区可调谐光滤波器
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种自由光谱区可调谐光滤波器。
背景技术
波分复用(WDM，Wavelength-Division Multiplexing)光纤通信系统已经成为现代高速宽带通信网的基础平台。作为光纤通信系统的核心设备，可重构光分插复用器(ROADM，Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer)的使用给网络的运营带来了更多业务开展的便利和运营成本的降低。理想的可重构光网络要求下一代ROADM具有以下特性：波长无关性(Colorless)、方向无关性(Directionless)、无冲突(Contentionless)及灵活栅格(Gridless)。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，可以应用于波分复用器件、波长选择器、光放大器的噪声抑制等方面。光学滤波器作为下一代ROADM的关键单元，除了现有研究较为广泛的中心波长及滤波带宽的可调谐特性之外，自由光谱区的灵活性也是ROADM系统的重要指标。常见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)、微环谐振器(MRR)等结构，但上述现有的技术方案单独采用时存在自由光谱区不可调谐的问题，无法满足ROADM系统对光滤波器自由光谱区灵活性的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种自由光谱区可调谐光滤波器，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，本发明提供了一种自由光谱区可调谐光滤波器，包括光波导单元和光开关单元，其中：
光波导单元包括输入光波导、中间光波导、N级光波导及输出光波导，其中：
输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；
中间光波导，与所述输入光波导相邻近，构成一个耦合区，用于将输入光波导输入的宽带光信号中通带内的光信号耦合到所述中间光波导中；
N级光波导，包括N对第一i级光波导和第二i级光波导，分别对应与相邻的光开关的两个输出端相连，形成两条并行的光路；其中，0＜i≤N，i和N均为自然数；
输出光波导，与所述中间光波导相邻近，构成一个耦合区，用于将所述中间光波导中的光信号耦合输出；
光开关单元包括输入光开关、N-1个2×2光开关及输出光开关，其中：
输入光开关，为1×2光开关，用于将所述中间光波导内的光信号在传输到所述第一1级光波导或第二1级光波导之间切换；
N-1个2×2光开关，其输入端分别与对应相邻的第一i级光波导、第二i级光波导的输出端相连，其输出端分别与对应相邻的第一i+1级光波导、第二i+1级光波导的输入端相连；
输出光开关，为2×1光开关，用于与所述第一N级光波导、第二N级光波导的输出端相连，将所述第一N级光波导或第二N级光波导输出的光信号切换到所述中间光波导上；
其中，所述中间光波导、N级光波导和光开关单元形成一闭合环形谐振腔，输入光波导耦合输入的通带内的光信号沿所述闭合环形谐振腔逆时针传播，所述闭合环形谐振腔在谐振波长处具有周期性的下载光谱，相邻谐振波长之间的间隔称为自由光谱区。
其中，所述N个第一i级光波导是长度满足一定倍数关系的N段波导，所述N个第二i级光波导是长度相同的N段直波导。
其中，所述N个第一i级光波导的长度满足如下关系：各级光波导的长度依次成等比数列，公比为2；且所述中间光波导的长度远小于各级光波导中的最短长度。
其中，所述自由光谱区的大小与闭合环形谐振腔的长度成反比，其余结构不变时，当谐振腔的长度扩展为原结构正整数k倍时，对应的自由光谱区大小为原结构的1/k。
其中，所述N-1个2×2光开关包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述N-1个2×2光开关为直通状态时，第一输出端和第二输出端分别输出第一输入端和第二输入端的宽带光信号；所述N-1个2×2光开关为交叉状态时，第一输出端和第二输出端分别输出第二输入端和第一输入端的宽带光信号。
其中，所述光开关单元的状态切换以及环形谐振腔的中心波长调谐通过热光效应或电光效应来调节。
所述输入光开关及输出光开关用于控制宽带光信号在输出端间的通过或阻断。
其中，所述光开关单元及环形谐振腔能够在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟或砷化镓平台上通过半导体工艺制作实现。
一种采用如上所述的光滤波器的可重构光分插复用器。
一种采用如上所述的光滤波器的光通信设备。
基于上述技术方案可知，本发明的自由光谱区可调谐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)该滤波器采用微环谐振器和光开关的嵌套结构，可实现可重构光学滤波、自由光谱区大范围内可调谐，进而满足ROADM系统对光滤波器自由光谱区灵活性的需求。
(2)该滤波器件集成于某种材料平台上通过半导体平面工艺制作，稳定度高、损耗低、体积小，且调节和控制难度小，方便被直接用于ROADM等光通信用器件与模块的构建中。
附图说明
图1为基于环形谐振腔和光开关的自由光谱区可调谐光滤波器结构示意图；
图2为2×2光开关直通状态和交叉状态两种不同状态的示意图，其中图2(a)为直通状态示意图，图2(b)为交叉状态示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
101、输入光波导；201、中间光波导；301、1×2光开光；
401、2×2光开关；501-50N、长度满足一定倍数关系的N段波导；
601-60N、长度相同的N段直波导；
402、2×2光开关；
302、2×1光开关；
40(N-1)、2×2光开关；701、输出光波导。
具体实施方式
本发明提供了一种新型的基于环形谐振腔和光开关的集成化可重构光滤波器结构，以实现自由光谱区可调谐的滤波功能，进而满足光纤通信技术领域对的光滤波器自由光谱区灵活性的需求。
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。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”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。
请参阅图1所示，本发明公开一种自由光谱区可调谐光滤波器，包括：
输入光波导101，其输入端用于输入待处理的宽带光信号；中间光波导201，其为一个类“U”型波导，与输入光波导101相邻近，构成一个耦合区，用于将输入光信号中通带内的光波耦合到谐振腔中，光波在环形谐振腔内沿逆时针传播；1×2光开关301，其输入端与中间光波导201相连，用于控制耦合至中间光波导201内的光通路切换路径；光波导501、光波导601，分别与1×2光开关301的两输出端相连接；2×2光开关401，其两输入端分别与光波导501、光波导601输出端相连接；光波导502、光波导602，分别与2×2光开关401的两输出端相连接；2×2光开关402，其两输入端分别与光波导502、光波导602输出端相连接；2×1光开关302，其两输入端分别与光波导50N、光波导60N输出端相连接，其输出端与中间光波导201相连，光波导501-50N是长度满足一定倍数关系的N段波导，光波导601-60N是长度相同的N段直波导；中间光波导201、1×2光开关301、(N-1)个2×2光开关、2×1光开关302、以及位于光开关之间的两段光波导构成一个闭合环形谐振腔，光波沿该闭合环形波导逆时针传播，在中间光波导201与输入光波导101相邻近的耦合区内，将光信号中通带内的光波耦合到输出光波导701中，完成可重构光滤波器的滤波功能。
输入光波导101，其输入端用于输入待处理的宽带光信号；
中间光波导201，其为一个类“U”型波导，与输入光波导101相邻近，构成一个耦合区，用于将输入光信号中通带内的光波耦合到谐振腔中，光波在环形谐振腔内沿逆时针传播；
1×2光开关301，其输入端与中间光波导201相连，用于控制耦合至中间光波导201内的光通路切换路径；
光波导501、光波导601，分别与1×2光开关301的两输出端相连接；
具体的，1×2光开关301控制从输入端输入的光信号完全进入光波导501或光波导601。
2×2光开关401，其两输入端分别与光波导501、光波导601输出端相连接；
具体的，如图2所示，其中图2(a)为直通状态示意图，图2(b)为交叉状态示意图。2×2光开关单元为直通状态时，输出端1和输出端2分别输出输入端1和输入端2的信号；光开关单元为交叉状态时，输出端1和输出端2分别输出输入端2和输入端1的信号。
光波导502、光波导602，分别与2×2光开关401的两输出端相连接；
2×2光开关402，其两输入端分别与光波导502、光波导602输出端相连接；
2×1光开关302，其两输入端分别与光波导50N、光波导60N输出端相连接，其输出端与中间光波导201相连，光波导501-50N是长度满足一定倍数关系的N段波导，光波导601-60N是长度相同的N段直波导；
中间光波导201、1×2光开关301、(N-1)个2×2光开关、2×1光开关302、以及位于光开关之间的两段光波导构成一个闭合环形谐振腔，光波沿该闭合环形波导逆时针传播，在中间光波导201与输入光波导101相邻近的耦合区内，将光信号中通带内的光波耦合到输出光波导701中，完成可重构光滤波器的滤波功能。
具体的，光波导的长度关系为：假设光波导501的长度为L，则光波导502的长度为2L，光波导503的长度为4L，…，光波导50N的长度为2N-1L，中间光波导201的长度远小于长度L。
具体的，自由光谱区的大小与谐振腔的长度成反比，其余结构不变时，当谐振腔长度扩展为原结构正整数k倍时，对应的自由光谱区大小为原结构的1/k，本发明中自由光谱区调谐的方法是：
当1×2光开关301的1端口通过，2端口阻断，(N-1)个2×2光开关所有状态均为直通状态，2×1光开关302的1端口通过，2端口阻断时，光信号经过了中间光波导201、光波导501-50N，此时闭合环形谐振腔的长度最长为(2N-1)*L，对应的自由光谱区大小为FSR；
当1×2光开关301的2端口通过，1端口阻断，2×2光开关401为交叉状态，2×2光开关402-40(N-1)为直通状态，2×1光开关302的1端口通过，2端口阻断时，光信号经过了中间光波导201、光波导601以及光波导(502-50N)，此时闭合环形谐振腔的长度为(2N-2)*L，对应的自由光谱区大小为：
Figure GDA0002616524110000061
当1×2光开关301的1端口通过，2端口阻断，2×2光开关(401,402)为交叉状态，2×2光开关(403-40(N-1))为直通状态，2×1光开关302的1端口通过，2端口阻断时，光信号经过了中间光波导201、光波导501、光波导602以及光波导(503-50N)，此时闭合环形谐振腔的长度为(2N-3)*L，对应的自由光谱区大小为：
Figure GDA0002616524110000062
以此类推，通过控制1×2光开关301、(N-1)个2×2光开关以及2×1光开关302的切换状态，控制光信号在所需长度的光波导中传播的路径，基于此原理，闭合环形谐振腔的长度可以遍历L至(2N-1)*L中每一个长度L的整数倍，即(2N-1)种长度，对应(2N-1)个大小的自由光谱区，从而实现自由光谱区灵活可调谐。
可选地，光开关单元的状态切换以及环形谐振腔的中心波长调谐通过热光效应或电光效应调节。
可选地，光开关单元及环形谐振腔可以在铌酸锂、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。

Claims (9)

1.一种光滤波器，其特征在于，包括光波导单元和光开关单元，其中：
光波导单元包括输入光波导、中间光波导、N级光波导及输出光波导，其中：
输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；
中间光波导，与所述输入光波导相邻近，构成一个耦合区，用于将输入光波导输入的宽带光信号中通带内的光信号耦合到所述中间光波导中；
N级光波导，包括N个第一i级光波导和N个第二i级光波导，分别对应与相邻的光开关的两个输出端相连，形成两条并行的光路；其中，0＜i≤N，i和N均为自然数；
输出光波导，与所述中间光波导相邻近，构成一个耦合区，用于将所述中间光波导中的光信号耦合输出；
光开关单元包括输入光开关、N-1个2×2光开关及输出光开关，其中：
输入光开关，为1×2光开关，用于将所述中间光波导内的光信号在传输到第一1级光波导或第二1级光波导之间切换；
N-1个2×2光开关，其输入端分别与对应相邻的第一i级光波导、第二i级光波导的输出端相连，其输出端分别与对应相邻的第一i+1级光波导、第二i+1级光波导的输入端相连；
输出光开关，为2×1光开关，用于与第一N级光波导、第二N级光波导的输出端相连，将第一N级光波导或第二N级光波导输出的光信号切换到所述中间光波导上；
其中，所述中间光波导、N级光波导和光开关单元形成一闭合环形谐振腔，输入光波导耦合输入的通带内的光信号沿所述闭合环形谐振腔逆时针传播，所述闭合环形谐振腔在谐振波长处具有周期性的下载光谱，相邻谐振波长之间的间隔称为自由光谱区；
所述N个第一i级光波导是长度满足一定倍数关系的N段波导，所述N个第二i级光波导是长度相同的N段直波导。
2.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述N个第一i级光波导的长度满足如下关系：各级光波导的长度依次成等比数列，公比为2；且所述中间光波导的长度远小于各级光波导中的最短长度。
3.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述自由光谱区的大小与闭合环形谐振腔的长度成反比，其余结构不变时，当谐振腔的长度扩展为原结构正整数k倍时，对应的自由光谱区大小为原结构的1/k。
4.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述N-1个2×2光开关包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；所述N-1个2×2光开关为直通状态时，第一输出端和第二输出端分别输出第一输入端和第二输入端的宽带光信号；所述N-1个2×2光开关为交叉状态时，第一输出端和第二输出端分别输出第二输入端和第一输入端的宽带光信号。
5.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述光开关单元的状态切换以及环形谐振腔的中心波长调谐通过热光效应或电光效应来调节。
6.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述输入光开关及输出光开关用于控制宽带光信号在输出端间的通过或阻断。
7.根据权利要求1所述的光滤波器，其特征在于，所述光开关单元及环形谐振腔能够在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟或砷化镓平台上通过半导体工艺制作实现。
8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的光滤波器的可重构光分插复用器。
9.一种采用如权利要求1-7任一项所述的光滤波器的光通信设备。
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