CN112684541B - 一种级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器。多级光开关间经直波导和布拉格光栅色散补偿器串联，第一级光开关输入端连接输入端直波导，最后一级光开关输出端连接输出端直波导；每级布拉格光栅色散补偿器中，补偿器输入波导输入端和光开关输出端连接，补偿器输入波导输出端连接啁啾布拉格光栅输入端，补偿器输出波导输入端连接啁啾布拉格光栅输出端，补偿器输出波导输出端和光开关输入端连接，啁啾布拉格光栅上有加热电极。本发明通过级联布拉格光栅色散补偿器和集成加热电极精确调节和控制色散补偿值，以实现对色散值大范围精确补偿，具有集成度高、可调范围广、精度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种色散补偿器，尤其是涉及了一种级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器。
背景技术
在光通信系统中，光信号在长距离传输后通常会伴有色散，导致光信号发生脉冲展宽和变形，进而产生串扰，系统误码率增加，导致传输速率和传输带宽降低，传输距离急剧下降。色散补偿器件通过对色散进行精确补偿大幅提高光信号的质量，保证传输效率与传输距离不受色散大幅影响。在用于色散补偿的器件结构中，布拉格光栅因易于连接波导和对偏振不敏感等优势而常被选择色散补偿器件，啁啾布拉格光栅在不同位置处有不同的等效折射率，对应不同的布拉格波长，可实现在不同位置反射光信号中不同的波长，在不同波长间产生时延差值，来对色散进行补偿，因此在光通信系统中作为色散补偿器件有优异的性质。
同时随着硅基集成光子技术的发展，这种与CMOS工艺兼容的集成器件被广泛研究和应用。硅材料对光束缚能力强，能够在单片上集成大量光学器件，实现低能耗、小尺寸、低成本的片上集成光互联系统。目前的硅基色散补偿器件通常采用单一啁啾布拉格光栅对固定波长范围进行定量色散补偿，并且仅能通过单一加热电极对布拉格光栅波长进行调节，可调范围小。但通常实际光通信系统中产生的色散会随着多种环境因素变化，传统的静态色散补偿器件可调范围小、精度低，只能进行粗略补偿，不能满足光通信系统大范围可调的色散补偿需求，因此可随着系统需求而进行精确且大范围补偿值的色散补偿技术被急切需要。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器件，从而实现大范围、高精度的色散值补偿，其高集成度的器件结构，具有重要的应用价值。
本发明通过级联布拉格光栅色散补偿器和集成加热电极精确调节和控制色散补偿值大小，以实现对色散值大范围的精确补偿，具有集成度高、可调范围广、精度高等优点。
本发明所采用的技术方案是：
本发明包括输入端直波导、多级光开关、多级布拉格光栅色散补偿器、各级直波导和输出端直波导，多级光开关之间通过直波导和布拉格光栅色散补偿器串联，第一级光开关的输入端连接输入端直波导，最后一级光开关的输出端连接输出端直波导。
所述的上一级光开关的一个输出端经直波导和下一级光开关的一个输入端连接，上一级光开关的另一个输出端经布拉格光栅色散补偿器和下一级光开关的另一个输入端连接。
每级布拉格光栅色散补偿器主要由补偿器输入波导、啁啾布拉格光栅、加热电极和补偿器输出波导组成；补偿器输入波导的输入端和上一级光开关的输出端连接，补偿器输入波导的输出端连接啁啾布拉格光栅的输入端，补偿器输出波导的输入端连接啁啾布拉格光栅的输出端，补偿器输出波导的输出端和下一级光开关的输入端连接，啁啾布拉格光栅上面覆盖有加热电极。
输入端直波导输入光信号，光信号在经过每个光开关时通过光开关选择连接下一级布拉格光栅色散补偿器或连接下一级直波导，每一级光信号进入布拉格光栅色散补偿器中，是通过补偿器输入波导输入啁啾布拉格光栅，不同波长的光在布拉格光栅内的不同位置发生反射进而改变光程进行补偿，补偿后通过补偿器输出波导进入下一级光开关。
所述的各级布拉格光栅色散补偿器通过啁啾布拉格光栅在不同位置对应不同布拉格波长，反射光信号产生时延差以实现对色散的补偿，其中可有正色散补偿布拉格光栅和负色散补偿布拉格光栅和色散值加倍的啁啾布拉格光栅。不同级的布拉格光栅色散补偿器拥有相同的布拉格波长带宽范围。增加级联的数量以增加总色散补偿值。
所述的补偿器输入波导和补偿器输出波导位于啁啾布拉格光栅的同一侧。
所述的啁啾布拉格光栅呈一端较大尺寸、另一端较小尺寸的梯形结构，调整梯形结构高度使布拉格光栅长度成倍数增加，并连接补偿器输入波导和补偿器输出波导进而使色散补偿值成倍数增加。
所述的啁啾布拉格光栅呈一端较大尺寸、另一端较小尺寸的梯形结构，调整梯形结构的大端或者小端朝向并连接补偿器输入波导和补偿器输出波导进而调整色散补偿的正负。
所述的各级布拉格光栅色散补偿器均在啁啾布拉格光栅上方集成设置加热电极，通过控制加热电极上的施加电压来控制加热温度，进而精确调节各级布拉格光栅色散补偿器的色散补偿值与带宽范围，进而精确调节相同带宽范围内的总色散补偿。
所述的输入端直波导、各级光开关、补偿器输入波导、啁啾布拉格光栅、补偿器输出波导、各级直波导和输出端直波导均置于衬底硅上，采用单片集成制作。
所述的输入端直波导、补偿器输入波导、啁啾布拉格光栅、补偿器输出波导、各级直波导和输出端直波导采用的芯层材料均为硅。
现有的大量单一啁啾布拉格光栅对固定波长范围进行定量色散补偿，这种静态色散补偿只能进行粗略补偿。若采用加热电极对单一布拉格光栅对应波长位置进行调节，其可调范围同样很小。而本发明的级联式设计使得色散补偿的补偿值大大增加，并且能够通过光开关选择所需的色散补偿值，实现补偿色散值范围内按需调节。
所述的布拉格光栅色散补偿器通过啁啾布拉格光栅实现色散补偿，啁啾布拉格光栅可通过如改变周期或波导宽度的方式实现相应等效折射率的渐变，以实现在不同位置对应不同的布拉格波长值，反射不同波长的光信号，以形成不同波长间的时延差，实现对色散的补偿。
所述的布拉格光栅色散补偿器在每一级布拉格光栅上方集成加热电极，利用加热电极对光栅的补偿范围微小调节，根据需求对色散补偿范围与补偿值进行精确的控制。每一级加热电极的电压都可以通过集成电控系统调节，实现每一级色散补偿值的精准反馈，也可通过调节加热电极的电压保证不同级之间补偿带宽相同。
本发明具有的有益效果是：
本发明具有级联式结构使得色散补偿值范围大大增加，且可选择色散补偿值的正负，并可通过光开关对所需色散补偿值的范围进行选择。
本发明通过集成加热电极对色散补偿范围和补偿值进行精确调整，控制加热电极的电压来微调每一级光栅的色散补偿范围和补偿值，保证不同级之间色散补偿带宽相同。集成加热电极的电压可通过电控系统调节。
本发明通过硅基片上集成，具有工艺简便、集成度高等优点，具有带通范围大、补偿精确、损耗低等优异性能。
附图说明
图1是本发明级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器的实施例结构示意图。
图2是本发明中啁啾布拉格光栅实施例示意图。
图3是本发明级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器的实施例结构示意图。
图中：1、输入端直波导，2、光开关，3、补偿器输入波导，4、补偿器输出波导，5、直波导，6、啁啾布拉格光栅，6a-6c、啁啾布拉格光栅，7、加热电极，7a-c、加热电极，8、输出端直波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施的色散补偿器包括输入端直波导1、多级光开关2、多级布拉格光栅色散补偿器、各级直波导5和输出端直波导8，多级光开关2之间通过直波导5和布拉格光栅色散补偿器串联，第一级光开关2的输入端连接输入端直波导1，最后一级光开关2的输出端连接输出端直波导8；上一级光开关2的一个输出端经直波导5和下一级光开关2的一个输入端连接，上一级光开关2的另一个输出端经布拉格光栅色散补偿器和下一级光开关2的另一个输入端连接。
如图1所示，每级布拉格光栅色散补偿器主要由补偿器输入波导3、啁啾布拉格光栅6、加热电极7和补偿器输出波导4组成；补偿器输入波导3的输入端和上一级光开关2的输出端连接，补偿器输入波导3的输出端连接啁啾布拉格光栅6的输入端，补偿器输出波导4的输入端连接啁啾布拉格光栅6的输出端，补偿器输出波导4的输出端和下一级光开关2的输入端连接，啁啾布拉格光栅6上面覆盖有加热电极7；各级级联后通过输入端直波导1输入，上一级光开关2通过每一级布拉格光栅色散补偿器中的补偿器输入波导3和每一级直波导5同时连接，通过每一级布拉格光栅色散补偿器中的补偿器输出波导4和每一级直波导5同时与下一级光开关2相连，各级级联后通过输出波导8输出。
输入端直波导1输入光信号，光信号在经过每个光开关2时通过光开关2选择连接下一级布拉格光栅色散补偿器或连接下一级直波导5，根据实际需求选择色散值补偿范围，具体地是输入端直波导1、每一级补偿器输出波导4或者每一级直波导5输出的光信号通过光开关2选择下一级进入布拉格光栅色散补偿器或下一级直波导5；每一级光信号进入布拉格光栅色散补偿器中，是通过补偿器输入波导3输入啁啾布拉格光栅6，不同波长的光在布拉格光栅6内的不同位置发生反射进而改变光程进行补偿，补偿后通过补偿器输出波导4进入下一级光开关2，通过下一级光开关2选择是否需要下一级的色散补偿值，输入和输出信号分离的方式可以是环形器、多模干涉耦合器MMI和模式调控等。
每一级布拉格光栅色散补偿器通过啁啾光栅补偿色散，同时利用集成加热电极作用于光栅进行色散补偿调节。
补偿器输入波导3和补偿器输出波导4位于啁啾布拉格光栅6的同一侧，如图2所示，啁啾布拉格光栅6呈一端较大尺寸、另一端较小尺寸的梯形结构，调整梯形结构的大端或者小端朝向并连接补偿器输入波导3和补偿器输出波导4进而调整色散补偿的正负。当梯形结构的小端朝向并连接补偿器输入波导3和补偿器输出波导4时，此时色散补偿的正补偿；当梯形结构的大端朝向并连接补偿器输入波导3和补偿器输出波导4时，此时色散补偿的负补偿。
倍数式补偿阵列如图3所示，调整梯形结构的高度使布拉格光栅长度成倍增加，并连接补偿器输入波导3和补偿器输出波导4进而使色散补偿值成倍增加。当梯形结构的高度增加一倍并连接补偿器输入波导3和补偿器输出波导4时，此时色散补偿增加一倍；当梯形结构的高度增加两倍并连接补偿器输入波导3和补偿器输出波导4时，此时色散补偿增加两倍；
各级布拉格光栅色散补偿器均在啁啾布拉格光栅6上方集成设置加热电极7，通过控制加热电极7上的施加电压来控制加热温度，进而精确调节各级布拉格光栅色散补偿器的色散补偿值与带宽范围，进而精确调节在相同带宽内的总色散补偿。
各级布拉格光栅色散补偿器通过啁啾布拉格光栅6实现色散补偿效应，利用啁啾布拉格光栅通过如改变周期或波导宽度的方式实现相应等效折射率的渐变，在不同位置对应不同布拉格波长补偿色散值，在不同位置反射不同波长的光信号，以形成不同波长间的时延差，实现对色散的补偿。
如图2所示，其中可级联正色散补偿布拉格光栅和负色散补偿布拉格光栅，每一级的布拉格光栅对应一定的色散补偿范围，不同级的布拉格光栅色散补偿器拥有不同的色散补偿范围，具体实施过程中可通过增加级联的数量以增加总色散补偿值范围，并通过光开关选择所需的色散补偿值的范围。在每一级布拉格光栅上方集成加热电极，利用加热电极对光栅的补偿范围微小调节，根据需求对色散进行精确的补偿。每一级加热电极的电压都通过集成电控系统调节，实现对每一个补偿波段的精准反馈，同时实现每一级补偿范围间的补偿值同步，通过调节去除不同级对应光波段之间的重叠和间隙影响。
下面给出本发明的具体实例1：
本实例选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅基光波导，其芯层是硅材料，厚度为220nm，折射率为3.4744，工作波段为通信波段，采用上层覆盖加热电极的方式实现布拉格光栅微调控。选取波导宽度为500nm的单模波导，选用周期为285nm的各级对称啁啾布拉格光栅，通过布拉格光栅宽度渐变形成等效折射率渐变，反射波段为1550nm附近的通信波段。
首先确定光信号在所述的级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器提供带宽内的色散值调节范围内需要被补偿的色散值，确定在级联式结构中需要的用于补偿的各级位置，在需要的各级前端利用光开关选择输入补偿器输入波导3，输入到布拉格光栅色散补偿器，否则进入直波导5。补偿器输入波导3和补偿器输出波导4通过环形器与啁啾布拉格光栅6相连接。
光信号从输入端直波导1输入，经光开关2选择输入布拉格光栅色散补偿器输入波导3或直波导5，若进入直波导则直接通过下一级开关2选择下一级的补偿。光信号在布拉格色散补偿器输出端通过环形器分离入射信号与出射信号。进行色散补偿后的出射光信号从补偿器输出波导4输入下一级光开关2选择下一级的补偿。光信号在各级级联选择性补偿色散后通过输出波导8输出。整体级联器件利用在啁啾布拉格光栅上集成的加热电极对补偿范围进行微小的调节，根据光信号的传输情况对色散值及范围进行精确的补偿。每一级加热电极的电压都通过集成电控系统调节，实现不同级之间补偿带宽和补偿值的精准反馈，保证不同级补偿波段同步。
下面给出本发明的具体实例2：
本实例为倍数式色散补偿光栅阵列，选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅基光波导，其芯层是硅材料，厚度为220nm，折射率为3.4744，工作波段为1550nm附近的通信波段，采用上层覆盖加热电极的方式实现布拉格光栅微调控。选取波导宽度为1000nm的多模波导，选用周期为300nm的长度逐级加倍的各级非对称啁啾布拉格光栅，通过布拉格光栅宽度渐变形成等效折射率渐变，反射波段为1550nm附近的通信波段。
首先确定光信号在所述的级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器提供带宽内的色散值调节范围内需要被补偿的色散值，确定在级联式结构中需要的用于补偿的各级位置，在需要的各级前端利用光开关选择输入补偿器输入波导3，输入到布拉格光栅色散补偿器，否则进入直波导5。补偿器输入波导3和补偿器输出波导4通过环形器与啁啾布拉格光栅6相连接。
如3图所示，光信号从输入端直波导1输入，经光开关2选择输入布拉格光栅色散补偿器输入波导3或直波导5，若进入直波导则直接通过下一级开关2选择下一级的补偿。需要补偿的光信号以TE0模经非对称布拉格色散补偿器后在输出端输出TE1模，通过模式下载波导输出以分离入射信号与出射信号。进行色散补偿后的出射光信号从补偿器输出波导4输入下一级光开关2选择下一级的补偿。光信号在各级级联选择性补偿色散后通过输出波导8输出。整体级联器件利用长度加倍的啁啾布拉格光栅在相同波段的补偿值加倍，以及在啁啾布拉格光栅上集成的加热电极对补偿值和带宽范围进行微小调节，根据光信号的传输情况实现在相同波段范围内的色散精确补偿。每一级加热电极的电压都通过集成电控系统调节，实现对补偿波段色散值的精准反馈，通过调节使不同级对应光波段相同。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器，其特征在于：包括输入端直波导(1)、多级光开关(2)、多级布拉格光栅色散补偿器、各级直波导(5)和输出端直波导(8)，多级光开关(2)之间通过直波导(5)和布拉格光栅色散补偿器串联，第一级光开关(2)的输入端连接输入端直波导(1)，最后一级光开关(2)的输出端连接输出端直波导(8)；
所述的上一级光开关(2)的一个输出端经直波导(5)和下一级光开关(2)的一个输入端连接，上一级光开关(2)的另一个输出端经布拉格光栅色散补偿器和下一级光开关(2)的另一个输入端连接；
每级布拉格光栅色散补偿器主要由补偿器输入波导(3)、啁啾布拉格光栅(6)、加热电极(7)和补偿器输出波导(4)组成；补偿器输入波导(3)的输入端和上一级光开关(2)的输出端连接，补偿器输入波导(3)的输出端连接啁啾布拉格光栅(6)的输入端，补偿器输出波导(4)的输入端连接啁啾布拉格光栅(6)的输出端，补偿器输出波导(4)的输出端和下一级光开关(2)的输入端连接，啁啾布拉格光栅(6)上面覆盖有加热电极(7)；
输入端直波导(1)输入光信号，光信号在经过每个光开关(2)时通过光开关(2)选择连接下一级布拉格光栅色散补偿器或连接下一级直波导(5)，每一级光信号进入布拉格光栅色散补偿器中，是通过补偿器输入波导(3)输入啁啾布拉格光栅(6)，不同波长的光在布拉格光栅(6)内的不同位置发生反射进而改变光程进行补偿，补偿后通过补偿器输出波导(4)进入下一级光开关(2)；
所述的补偿器输入波导(3)和补偿器输出波导(4)位于啁啾布拉格光栅(6)的同一侧；
所述的啁啾布拉格光栅(6)呈一端较大尺寸、另一端较小尺寸的梯形结构，调整梯形结构高度使布拉格光栅长度成倍数增加，并连接补偿器输入波导(3)和补偿器输出波导(4)进而使色散补偿值成倍数增加；
所述的啁啾布拉格光栅(6)呈一端较大尺寸、另一端较小尺寸的梯形结构，调整梯形结构的大端或者小端朝向并连接补偿器输入波导(3)和补偿器输出波导(4)进而调整色散补偿的正负。
2.根据权利要求1所述的一种级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器，其特征在于：所述的各级布拉格光栅色散补偿器均在啁啾布拉格光栅(6)上方集成设置加热电极(7)，通过控制加热电极(7)上的施加电压来控制加热温度，进而精确调节各级布拉格光栅色散补偿器的色散补偿值与带宽范围，进而精确调节相同带宽范围内的总色散补偿。
3.根据权利要求1所述的一种级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器，其特征在于：所述的输入端直波导(1)、各级光开关(2)、补偿器输入波导(3)、啁啾布拉格光栅(6)、补偿器输出波导(4)、各级直波导(5)和输出端直波导(8)均置于衬底硅上，采用单片集成制作。
4.根据权利要求1所述的一种级联式可调硅基布拉格光栅色散补偿器，其特征在于：所述的输入端直波导(1)、补偿器输入波导(3)、啁啾布拉格光栅(6)、补偿器输出波导(4)、各级直波导(5)和输出端直波导(8)采用的芯层材料均为硅。
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