CN112799174B - 一种可调谐光滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可调谐光滤波器，包括用于输入待处理宽带光信号输入光波导、输出光波导、环形光波导和包括级联的N级2×2光开关的光开关单元，N为正整数；第一级2×2光开关的输入端分别与输入光波导和环形光波导相连，以选择性地将宽带光信号传输至第二级2×2光开关或将宽带光信号中通带内的光信号耦合至环形光波导内；环形光波导分别连接第一级2×2光开关的输入端和第N级2×2光开关的输出端，以形成一闭合的环形谐振腔体进行谐振；输出光波导与第N级2×2光开关的输出端相连，以将谐振后的光信号输出。本发明可实现可重构光学滤波特性，对滤波特性进行灵活控制，损耗小，体积紧凑，稳定性高，调节和控制难度小，便于直接应用。

Description

一种可调谐光滤波器
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，具体涉及一种可调谐光滤波器。
背景技术
不断涌现的互联网新型数据业务，如视频会议、电子商务等，对通信网络的容量、速率以及灵活性提出了越来越高的要求。可重构光分插复用器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可重构光分插复用器（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM）具有可重构、灵活可调谐的特性。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。
常见的可重构、灵活可调谐的光学滤波器通常采用布拉格光纤光栅、马赫-曾德等结构，但是，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。而基于传统的单个微环谐振器结构的光滤波器件，只具有特定的滤波性能，不可实现针对插入损耗、半高全宽、消光比等滤波指标的灵活可调谐的功能；基于多个微环谐振器结构的光滤波器件，具有多个级联性的耦合区，往往存在结构复杂、不易于调谐等问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种可调谐光滤波器。
本发明的一个方面，提供一种可调谐光滤波器，所述可调谐光滤波器包括输入光波导、环形光波导、输出光波导和光开关单元，所述光开关单元包括级联的N级2×2光开关，N为正整数，其中：
所述输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；
第一级2×2光开关的输入端与所述输入光波导相连，以选择性地将所述宽带光信号传输至第二级2×2光开关或将所述宽带光信号中通带内的光信号耦合至所述环形光波导内；
所述环形光波导分别连接所述第一级2×2光开关的输入端和第N级2×2光开关的输出端，以形成一闭合的环形谐振腔体，以对耦合至所述环形光波导内的光信号往复传输进行谐振；
所述输出光波导与所述第N级2×2光开关的输出端相连，以将谐振后的光信号输出。
在一些实施方式中，在所述N级2×2光开关中，除所述第一级2×2光开关和所述第N级光开关之外：
上一级2×2光开关的输出端分别与下一级2×2光开关的输入端相连接。
在一些实施方式中，在所述N级2×2光开关中，每级2×2光开关均包括第一光波导和第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导的结构和材质均相同。
在一些实施方式中，部分所述第一光波导和部分所述第二光波导相邻近以形成耦合区，所述第一光波导和所述第二光波导在所述耦合区中相互平行，以形成平行波导。
在一些实施方式中，在相邻两个所述2×2光开关中，其所述耦合区的长度和所述平行波导的波导间距均不一致，以及，所述平行波导的波导宽度和波导厚度均一致。
在一些实施方式中，每个所述2×2光开关均是独立的开关单元。
在一些实施方式中，耦合至所述环形光波导内的光信号，在所述环形谐振腔体内顺时针传输。
在一些实施方式中，所述输入光波导、所述输出光波导、所述环形光波导以及所述2×2光开关在铌酸锂、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。
本发明的另一个方面，提供一种可重构光分插复用器，所述光分插复用器包括前文所记载的任一项所述的可调谐光滤波器。
本发明的另一个方面，提供一种光通信设备，所述光通信设备包括前文所记载的任一项所述的可调谐光滤波器。
本发明提供的一种可调谐光滤波器，采用基于环形谐振腔体和光开关的直通型结构，通过输入光波导将待处理的宽带光信号输入至第一级2×2光开关，第一级2×2光开关选择性地将该宽带光信号传输至第二级2×2光开关或将该宽带光信号中通带内的光信号耦合至环形光波导内，使得该通带内的光信号可以在环形谐振腔体内往复传输进行谐振，谐振后的光信号通过输出光波导输出，能够实现可重构光学滤波特性，还能够实现对插入损耗、半高全宽、消光比、中心波长等滤波特性的灵活控制，进而满足ROADM系统对光滤波器可重构性以及灵活可调谐性的需求。并且，本实施例的可调谐光滤波器，损耗小，体积紧凑，稳定性高，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为本发明一实施例的一种可调谐光滤波器的结构示意图；
图2为本发明另一实施例的一种2×2光开关在不同状态下的光信号传输路径示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的一个方面，如图1所示，提供一种可调谐光滤波器，包括输入光波导001、输出光波导002、环形光波导003和光开关单元，光开关单元包括级联的N级2×2光开关100至N00，N为正整数。如图2所示，N级2×2光开关100至N00均分别包括输入端I1、输入端I2、输出端O1和输出端O2。在2×2光开关处于直通状态时，如图2所示，输出端O1输出输入端I1输入的光信号，输出端O2输出输入端I2输入的光信号。在2×2光开关处于交叉状态时，如图2所示，输出端O1输出输入端I2输入的光信号，输出端O2输出输入端I1输入的光信号。
其中，输入光波导001用于输入待处理的宽带光信号，作为可调谐光滤波器的输入端。第一级2×2光开关100的输入端与输入光波导001相连，以选择性地将宽带光信号传输至第二级2×2光开关200或将宽带光信号中通带内的光信号耦合至环形光波导003内。环形光波导003分别连接第一级2×2光开关100的输入端和第N级2×2光开关N00的输出端，以形成一闭合的环形谐振腔体（图中并未标出），以对耦合至环形光波导003内的光信号往复传输进行谐振。输出光波导002作为可调谐光滤波器的输出端。输出光波导002与第N级2×2光开关N00的输出端相连，以将谐振后的光信号输出。
在使用本实施例的可调谐光滤波器进行滤波时，输入光波导001将待处理的宽带光信号输入至第一级2×2光开关100，之后，通过控制第一级2×2光开关100，可以选择将宽带光信号传输至第二级2×2光开关200，或者，也可以选择将宽带光信号中通带内的光信号耦合至环形光波导003内，该通带内的光信号可以在环形谐振腔体内往复传输进行谐振，谐振后的光信号可以通过输出光波导002输出，从而实现本实施例的可调谐光滤波器的滤波功能。
环形谐振腔体的工作原理是，环形谐振腔体具有本征的谐振频率，当入射信号中传输的波长不能满足微环的谐振条件时，光波沿着输入直波导的方向继续传播，当入射信号中传输的波长满足微环的谐振条件时，微环能够起到联通的作用，将该波长的信号耦合到另一侧直波导中。
本实施例的可调谐光滤波器，采用基于环形谐振腔体和光开关的直通型结构，通过输入光波导将待处理的宽带光信号输入至第一级2×2光开关，第一级2×2光开关选择性地将该宽带光信号传输至第二级2×2光开关或将该宽带光信号中通带内的光信号耦合至环形光波导内，使得该通带内的光信号可以在环形谐振腔体内往复传输进行谐振，谐振后的光信号通过输出光波导输出，能够实现可重构光学滤波特性，还能够实现对插入损耗、半高全宽、消光比、中心波长等滤波特性的灵活控制，进而满足ROADM系统对光滤波器可重构性以及灵活可调谐性的需求。并且，本实施例的可调谐光滤波器，损耗小，体积紧凑，稳定性高，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。
示例性的，本实施例的可调谐光滤波器基于传统直通型结构微环谐振器原理，其滤波曲线为典型的呈周期性排列的陷波型微环谐振器直通端谱线。
示例性的，如图1所示，在N级2×2光开关中，除第一级2×2光开关100和第N级光开关N00之外：上一级2×2光开关的输出端分别与下一级2×2光开关的输入端相连接。例如，如图1所示，第二级2×2光开关200的输入端与其上一级2×2光开关即第一级光开关100的输出端相连接，第二级2×2光开关200的输出端与其下一级2×2光开关即第三级光开关300的输入端相连接。再例如，第N-1级2×2光开关(N-1)00的输入端与其上一级2×2光开关的输出端相连接，第N-1级2×2光开关(N-1)00的输出端与其下一级2×2光开关即第N级2×2光开关N00的输入端相连接。
本实施例的可调谐光滤波器，通过将上一级2×2光开关的输出端分别与下一级2×2光开关的输入端相连接，可以将N级2×2光开关按顺序依次连接在一起，从而实现级联。
示例性的，如图1所示，在N级2×2光开关中，每级2×2光开关均包括第一光波导和第二光波导，第一光波导和第二光波导的结构和材质均相同。例如，如图1所示，第一级2×2光开关分别包括第一光波导101和第二光波导102，第二级2×2光开关分别包括第一光波导201和第二光波导202，第三级2×2光开关分别包括第一光波导301和第二光波导302，以此类推，第N-1级2×2光开关分别包括第一光波导(N-1)01和第二光波导(N-1)02，第N级2×2光开关分别包括第一光波导N01和第二光波导N02。
本实施例的可调谐光滤波器，通过将2×2光开关中的第一光波导和第二光波导的结构和材质均设置为相同，可以使光信号在通过2×2光开关时，仅根据2×2光开关的不同状态选择不同的路径通过，而不改变其他光学特性。
示例性的，部分第一光波导和部分第二光波导相邻近以形成耦合区，第一光波导和第二光波导在耦合区中相互平行，以形成平行波导。例如，如图1所示，第一级2×2光开关100中的部分第一光波导101和部分第二光波导102相邻近以自然形成耦合区（图中并未标出），在耦合区中，第一光波导101和第二光波导102上下平行设置，从而形成平行波导。
本实施例的可调谐光滤波器，通过2×2光开关耦合区内的平行波导，可以根据2×2光开关的不同状态形成不同的耦合通路。
示例性的，在相邻两个2×2光开关中，其耦合区的长度和平行波导的波导间距均不一致，以及，平行波导的波导宽度和波导厚度均一致。例如，如图1所示，第一级2×2光开关100和第一级2×2光开关200中的耦合区长度和平行波导的波导间距均不一致，平行波导的波导宽度和波导厚度均一致。
由于2×2光开关的几何参数会对最终的输出滤波光谱产生影响，例如，相邻的平行波导的波导间距和耦合区长度不同会影响输入光波导与环形光波导间的耦合效率，从而使最终的输出滤波光谱的插入损耗、半高全宽、消光比等特性发生改变，因此，本实施例的可调谐光滤波器，将相邻两个2×2光开关的耦合区长度和平行波导的波导间距均设置为不一致，将平行波导的波导宽度和波导厚度均设置为一致，使得光信号经过不同的2×2光开关后能够得到不同滤波特性的滤波曲线，从而实现插入损耗、半高全宽、消光比等滤波特性的可调谐。
示例性的，如图1所示，每个2×2光开关均是独立的开关单元。也就是说，级联的N级2×2光开关之间功能相互独立，可以分别对每个2×2光开关的状态进行选择切换，以形成不同的传输路径。
本实施例的可调谐光滤波器，通过将级联的N级2×2光开关分别设置为独立的开关单元，可以通过控制不同光开关处于不同状态，使环形谐振腔体处于不同的耦合区域，从而实现对插入损耗、半高全宽、消光比等滤波特性的灵活控制，实现对单独谐振腔的可调谐，使本实施例的可调谐光滤波器呈现可重构的多重滤波特性。
示例性的，如图1所示，耦合至环形光波导内的光信号，可以在环形谐振腔体内顺时针传输，从而实现往复传输完成谐振。
示例性的，如图1所示，输入光波导001、输出光波导002、环形光波导003以及2×2光开关可以在铌酸锂、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。
本实施例的可调谐光滤波器，通过将输入光波导、输出光波导和环形光波导在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟、砷化镓平台上利用半导体工艺制作实现，方便大规模集成，可以实现大规模低成本的量产。
示例性的，本实施例可调谐光滤波器的中心波长调谐可以利用热光效应或电光效应实现，以使环形光波导发生折射率改变，从而实现调谐。
本发明的另一个方面，提供一种可重构光分插复用器，该可重构光分插复用器包括前文所记载的可调谐光滤波器。可调谐光滤波器的具体结构可以参考前文记载，在此不作赘述。
本发明的另一个方面，提供一种光通信设备，该光通信设备包括前文所记载的可调谐光滤波器。可调谐光滤波器的具体结构可以参考前文记载，在此不作赘述。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可调谐光滤波器，其特征在于，所述可调谐光滤波器包括输入光波导、输出光波导、环形光波导和光开关单元，所述光开关单元包括级联的N级2×2光开关，N为大于等于2的正整数，其中：
所述输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；
第一级2×2光开关的输入端与所述输入光波导相连，以选择性地将所述宽带光信号传输至第二级2×2光开关或将所述宽带光信号中通带内的光信号耦合至所述环形光波导内；
所述环形光波导分别连接所述第一级2×2光开关的输入端和第N级2×2光开关的输出端，以形成一闭合的环形谐振腔体，以对耦合至所述环形光波导内的光信号往复传输进行谐振；
所述输出光波导与所述第N级2×2光开关的输出端相连，以将谐振后的光信号输出；
相邻两个2×2光开关的耦合区长度和平行波导的波导间距均不一致，所述平行波导的波导宽度和波导厚度均一致。
2.根据权利要求1所述的可调谐光滤波器，其特征在于，
在所述N级2×2光开关中，除所述第一级2×2光开关和所述第N级2×2光开关之外：
上一级2×2光开关的输出端分别与下一级2×2光开关的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的可调谐光滤波器，其特征在于，在所述N级2×2光开关中，每级2×2光开关均包括第一光波导和第二光波导，所述第一光波导和所述第二光波导的结构和材质均相同。
4.根据权利要求3所述的可调谐光滤波器，其特征在于，部分所述第一光波导和部分所述第二光波导相邻近以形成所述耦合区，所述第一光波导和所述第二光波导在所述耦合区中相互平行，以形成所述平行波导。
5.根据权利要求1所述的可调谐光滤波器，其特征在于，每个所述2×2光开关均是独立的开关单元。
6.根据权利要求1所述的可调谐光滤波器，其特征在于，耦合至所述环形光波导内的光信号，在所述环形谐振腔体内顺时针传输。
7.根据权利要求1所述的可调谐光滤波器，其特征在于，所述输入光波导、所述输出光波导、所述环形光波导以及所述2×2光开关在铌酸锂、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。
8.一种可重构光分插复用器，其特征在于，所述光分插复用器包括权利要求1至7任一项所述的可调谐光滤波器。
9.一种光通信设备，其特征在于，所述光通信设备包括权利要求1至7任一项所述的可调谐光滤波器。
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