CN113934020A - 一种基于高q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器 - Google Patents

一种基于高q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，基于硅基高品质因子(Q)微环辅助马赫增德尔干涉仪(MZI)实现，输入光信号经过3dB分束器后分作两路，分别经过一个特殊设计的高Q值微环，并且在MZI上支路引入π相移，然后两路光信号通过另一个3dB耦合器干涉输出，此光学滤波器便可以实现超窄带宽且高形状因子；并且，通过操控高Q值微环的热电极，便可以在保持高消光比时实现滤波器带宽和中心波长可调谐。本发明的有益效果是：本发明实现了超窄带宽且带宽可调谐、高消光比和高形状因子的光学滤波器，同时具有尺寸小、制备成本低和可大规模集成等优势，是光通信芯片、量子计算芯片和人工智能芯片的基本元件，有着广阔的市场前景。

Description

一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器
技术领域
本发明涉及高精细滤波领域，尤其涉及一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器。
背景技术
近几十年以来，以光电技术为代表的信息技术发展迅猛，人们对高速度、高容量通信网络需求不断提高，使得集成光学这一研究领域得到了广泛关注。微环谐振器由于结构紧凑、成本低廉、可集成度高等优点，己成为集成光学研究领域重要的元器件。采用微环谐振器设计的光学滤波器、波分复用器、波导传感器等光学器件在光通信网络中扮演着重要角色。
光学滤波器是光信号处理和波分复用系统中的基本器件，广泛用于噪声抑制、信号质量改善和消息容量增加。在实际应用中，光学带通滤波器一般要求高的形状因子以减小信道之间的串扰。其中可调谐滤波器是非常重要的，它可以使得滤波器能够适用于不同的信道波长和信号速率，从而使滤波器应用更加灵活。在光
通讯、光谱学、远程遥感、多光谱精细光谱等领域都具有广泛的应用。因此对于可调谐光学滤波器的研究是非常必要的。仅具有波长或带宽可调性的光学滤波器在动态光学处理系统中的应用有限。因此，波长和带宽同时可调的光学滤波器因其灵活性和可重构性而受到广泛关注。
热光可调谐滤波器是一种新的光学器件，在光纤通信、激光调谐、光谱分析以及红外探测等诸多领域有着广泛的应用。这种器件利用材料的热光效应，可以实现带宽可调谐的光学滤波器，具有调谐范围大、工艺制作方便以及结构简单的优点，在光通信系统中有着巨大的市场需求。
高速大容量的通信系统拥有更窄的信道间隔，这样的波长分配方式为应用于该系统的光通信器件带来了亟待解决的问题：更小的信道间隔要求滤波元件拥
有更窄的滤波带宽；同时，为了更灵活地处理信号，要求光学滤波器的带宽可以调谐。为了解决上述问题，需要设计具有超窄滤波带宽的可调谐光学滤波器。然而，目前国内外实现的光学滤波器带宽大多数都为纳米量级，并且难以调谐，无法满足光通信网络的需求。因此，本发明提出了一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，主要包括：第一3dB分束器、第二3dB分束器、第一连接波导、第二连接波导、第三连接波导、第四连接波导、第一优化结构的跑道微环、第二优化结构的跑道微环、第一热电极、第二热电极、第三热电极、第四热电极、第五热电极和第六热电极；
所述第一3dB分束器输出端上臂通过第一连接波导与所述第一优化结构的跑道微环的输入端口相连；所述第二3dB分束器的输入端上臂通过第二连接波导与所述第一优化结构的跑道微环的输出端口相连；所述第一3dB分束器输出端下臂通过第三连接波导与所述第二优化结构的跑道微环的输入端口相连；所述第二3dB分束器的输入端下臂通过第四连接波导与所述第二优化结构的跑道微环的输出端口相连；所述第一热电极和所述第二热电极分别位于第一优化结构的跑道微环和第二优化结构的跑道微环，第三热电极、第四热电极、第五热电极和第六热电极分别位于第一连接波导、第二连接波导、第三连接波导和第四连接波导上；所述第一热电极、所述第二热电极、所述第三热电极、所述第四热电极、所述第五热电极、所述第六热电极均用于对所述第一优化结构的跑道微环和第二优化结构的跑道微环的波导进行加热；
工作中，所述第一3dB分束器、所述第二3dB分束器、所述第一连接波导、所述第二连接波导、所述第三连接波导、所述第四连接波导一起构成了马赫曾德尔干涉仪结构；通过改变所述第三热电极和所述第四热电极的功率或者所述第五热电极和所述第六热电极的功率，相对应的所述第一优化结构的跑道微环和所述第二优化结构的跑道微环的圆弧波导的折射率会随之发生变化，从而可以操控单个优化结构的跑道微环的传输谱线使其带宽可调谐；进而通过改变所述第一热电极和所述第二热电极的功率，实现对整个滤波器的谱线进行操控，最终得到波长和带宽可调谐的滤波器。
进一步地，所述第一连接波导、第二连接波导、第三连接波导和第四连接波导位于第三热电极、第四热电极、第五热电极和第六热电极内的部分分别为第一微环、第二微环、第三微环和第四微环。
进一步地，所述第三热电极、第四热电极、第五热电极和第六热电极分别位于所述第一微环、第二微环、第三微环和第四微环上。
进一步地，所述第一优化结构的跑道微环和所述第二优化结构的跑道微环的波导宽度相等。
进一步地，所述波导宽度为500nm。
进一步地，所述第一连接波导、所述第二连接波导、所述第三连接波导、所述第四连接波导均为两端直中间弯曲的形状，以适应所述第一优化结构的跑道微环、所述第二优化结构的跑道微环与所述第一3dB分束器和所述第二3dB分束器的连接关系。
进一步地，所述第一热电极和第二热电极分别对所述第一优化结构的跑道微环和第二优化结构的跑道微环的中间跑道型波导进行加热，所述第三热电极和所述第五热电极分别对所述第一优化结构的跑道微环和第二优化结构的跑道微环的左边圆弧波导进行加热，所述第四热电极和六热电极分别对所述第一优化结构的跑道微环和第二优化结构的跑道微环的右边圆弧波导进行加热。
进一步地，所述第一优化结构的跑道微环和所述第二优化结构的跑道微环的圆弧波导为半圆形波导，该半圆形波导的半径为20um。
进一步地，所述第一优化结构的跑道微环和所述第二优化结构的跑道微环的上下两个直跑道波导长度均为2000um。
进一步地，对所述第二连接波导的直波导部分进行电极加热，用于改变所述第二3dB分束器的输入端上臂的波导的传输信号相位，以使所述第二3dB分束器的输入端上臂的波导传输信号的相位相比于该第二3dB分束器的输入端下臂的波导传输信号相位偏移量为π。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案能够在保持高消光比的条件下，实现超窄带宽且带宽可调谐的光学滤波器，并且改善了滤波器的形状因子。本发明可以应用于高精细度滤波领域，在光信号处理、光学计算、量子通信等系统中有着重要应用。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于硅基高Q微环辅助MZI结构的超窄带宽可调谐光学滤波器的结构图。
图2是本发明实施例中两种微环的平面结构图。
图3是本发明实施例中优化结构的高Q微环的带宽可调谐性仿真结果图。
图4是本发明实施例中基于硅基高Q微环辅助MZI结构的超窄带宽可调谐光学滤波器3dB带宽可调谐仿真结果图。
其中：1-第一3dB分束器，2-第二3dB分束器，3-第一连接波导，4-第二连接波导，5-第三连接波导，6-第四连接波导，7-第一优化结构的跑道微环，8-第一微环，9-第二微环，10-第二优化结构的跑道微环，11-第三微环，12-第四微环，13-第一热电极，14-第三热电极，15-第四热电极，16-第二热电极，17-第五热电极，18-第六热电极。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器的流程图，具体包括：第一3dB分束器1、第二3dB分束器2、第一连接波导3、第二连接波导4、第三连接波导5、第四连接波导6、第一优化结构的跑道微环7、第二优化结构的跑道微环10、第一热电极13、第二热电极16、第三热电极14、第四热电极15、第五热电极17、第六热电极18；
所述第一连接波导3、第二连接波导4、第三连接波导5和第四连接波导6位于第三热电极14、第四热电极15、第五热电极17和第六热电极18内的部分分别为第一微环8、第二微环9、第三微环11和第四微环12。所述第三热电极14、第四热电极15、第五热电极17和第六热电极18分别位于所述第一微环8、第二微环9、第三微环11和第四微环12上。
所述第一3dB分束器1输出端上臂通过第一连接波导3与所述第一优化结构的跑道微环7的输入端口相连；所述第一优化结构的跑道微环7的输出端口通过第二连接波导4与所述第二3dB分束器2的输入端上臂相连；所述第一3dB分束器1输出端下臂，通过第三连接波导5与所述第二优化结构的跑道微环10的输入端口相连；所述第二优化结构的跑道微环10的输出端口通过第四连接波导6与所述第二3dB分束器2的输入端下臂相连；
所述第一连接波导3、所述第二连接波导4、所述第三连接波导5、所述第四连接波导6均为两端直中间弯曲的形状，以适应所述第一优化结构的跑道微环7、所述第二优化结构的跑道微环10与所述第一3dB分束器1和所述第二3dB分束器2的连接关系，且对所述第二连接波导4的直波导部分进行加热，用于改变所述第二3dB分束器2的输入端上臂的波导的传输信号相位；
所述第一热电极13、所述第二热电极16、所述第三热电极14、所述第四热电极15、所述第五热电极17、所述第六热电极18均用于对波导进行加热，且所述第一热电极13对所述第一优化结构的跑道微环7的中间跑道型波导进行加热，所述第三热电极14对所述第一优化结构的跑道微环7的左边圆弧波导进行加热，所述第四热电极15对所述第一优化结构的跑道微环7的右边圆弧波导进行加热，所述第二热电极16对所述第二优化结构的跑道微环10的中间跑道型波导进行加热，所述第五热电极17对所述第二优化结构的跑道微环10的左边圆弧波导进行加热，所述第六热电极18对所述第二优化结构的跑道微环10的右边圆弧波导进行加热。
工作中，所述第一3dB分束器1、所述第二3dB分束器2、所述第一连接波导3、所述第二连接波导4、所述第三连接波导5、所述第四连接波导6一起构成了马赫曾德尔干涉仪结构；通过改变所述第三热电极14和所述第四热电极15的功率或者所述第五热电极17和所述第六热电极18的功率，相对应的所述第一优化结构的跑道微环7的左边和右边圆弧波导或者所述第二优化结构的跑道微环10的左边和右边圆弧波导的折射率会随之发生变化，从而可以操控单个优化结构的跑道微环的传输谱线使其带宽可调谐；进而通过改变所述第一热电极13和所述第二热电极16的功率，能够实现对整个滤波器的谱线进行操控，最终得到波长和带宽可调谐的滤波器。
所述第一优化结构的跑道微环7和所述第二优化结构的跑道微环10的波导宽度相等，波导宽度均为500nm。
所述第一优化结构的跑道微环7和所述第二优化结构的跑道微环10的半圆形波导的半径为20um，上下两个跑道波导长度都为2000um。
对所述第二连接波导4的直波导部分进行电极加热，用于改变所述第二3dB分束器2的输入端上臂的波导的传输信号相位，以使所述第二3dB分束器2的输入端上臂的波导传输信号的相位相比于下臂的波导传输信号偏移π个相位。
所述第一热电极13、所述第二热电极16分别对所述第一优化结构的跑道微环7的中间跑道波导、所述第二优化结构的跑道微环10的中间跑道波导加热。所述第三热电极14、所述第四热电极15分别对所述第一优化结构的跑道微环7的左右圆弧波导进行加热，所述第五热电极17、所述第六热电极18分别对所述第二优化结构的跑道微环10的左右圆弧波导进行加热。
本发明公开的一种基于硅基高品质因子(Q)微环辅助马赫增德尔干涉仪(MZI)结构的超窄带宽可调谐光学滤波器的输出传递函数t如下所示：
Figure BDA0003274972440000061
Figure BDA0003274972440000062
上式中，t1和t2分别为所述第一优化结构的跑道微环7和所述第二优化结构的跑道微环10的下载端口的传递函数；ΦMZI为π，k1和k2为微环与弯曲波导的等效耦合系数，θ1和θ2分别为所述第一优化结构的跑道微环7和所述第二优化结构的跑道微环10的环程相移，a为预设的透过系数，r1和r2为光在微环和波导中的传输系数。
所述第一优化结构的跑道微环7和第二优化结构的跑道微环10的下载端口的传输谱(传输函数)ti有着一定的谐振偏移量△θ，使得t1和t2对应的两个传输谱线部分重叠，并且通过调节所述第一热电极13、所述第二热电极16的功率，可以调谐重叠量，进而调节整个滤波器的带宽；在两微环的下载端口传输谱的交点波长处，两微环下载端口输出相位差接近π，由于MZI的上臂引入了π相位差，因此抵消了两微环下载端口π的输出相位差，从而导致两下载传输谱在输出端口相长干涉，可以减小带内的幅度抖动。而在远离通带的波长处，两微环下载端口输出相位接近相等，而MZI的一臂引入的π相移导致两下载传输谱在输出端口相消干涉，从而改善滤波器的形状因子。
滤波器的3dB带宽可以实现较大范围的调谐：通过同时控制所述第一热电极13、所述第二热电极16的功率，波导的折射率发生变化，从而引起所述第一优化结构的跑道微环7和所述第二优化结构的跑道微环10的传输谱线发生漂移，即谐振偏移量△θ会发生变化，最终两个微环叠加后的光学滤波器波形可以被操控，也就是实现了大范围带宽可调。
图2(a)是普通微环的平面结构图，图2(b)是优化结构的高Q微环的平面结构图，普通微环的直通端传输公式为：
Figure BDA0003274972440000071
Figure BDA0003274972440000072
其中
Figure BDA00032749724400000716
为环程相移
Figure BDA00032749724400000717
r1和r2为光在微环和波导中的传输系数；k1和k2为微环与波导耦合系数；α是往返振幅透射系数。
图2(b)的微环结构与普通微环结构类似，通过图2(a)所示的普通微环，图2(b)所示的微环与弯曲波导的等效耦合系数k可描述为：
Figure BDA0003274972440000073
其中Lb、Lr为两个弯曲臂的长度；λ是波长；k0为各点的实际功率耦合；neff是有效的折射率。总线臂和环形臂的传输分别为tb和tr(接近1)，总线臂和环形臂的相位分别为
Figure BDA0003274972440000074
和
Figure BDA0003274972440000075
Figure BDA0003274972440000076
和
Figure BDA0003274972440000077
(以及
Figure BDA0003274972440000078
和
Figure BDA0003274972440000079
)分别是弯曲部分波导和微环部分波导的相移。
Figure BDA00032749724400000710
Figure BDA00032749724400000711
为两弯曲波导之间的相位差，它们之间关系如下:
Figure BDA00032749724400000712
利用热电极对波导进行加热，波导的有效折射率neff1，neff2发生变化，如公式(4)中，波导有效折射率的变化会引起光在波导中产生相位差，根据公式(3)微环与波导的等效耦合系数k同样会发生改变，最后将公式(3)代入(1)中，可绘制出微环的传输谱线。
图3是优化结构的高Q微环的带宽可调谐性仿真图。相比图2中的普通微环，高Q微环增大了环周长，从而使微环的Q值增大。通过调节两个热电极的功率，微环受热，由于热光效应，其有效折射率发生变化，因此
Figure BDA00032749724400000713
也随着相应的改变，当
Figure BDA00032749724400000714
为0.863rad，
Figure BDA00032749724400000715
为0.844rad，此时微环处于临界耦合状态，微环的带宽最小，消光比可以达到最大值。通过再次操控两个热电极来同时调谐微环两侧的等效耦合系数，可以保证在调谐带宽的过程中，微环一直满足临界耦合条件，即可以一直保持微环的高消光比不变。当
Figure BDA0003274972440000081
为1.563rad，
Figure BDA0003274972440000082
为1.530rad，此时微环的带宽最大。
图4展示了本发明实施例中一种基于硅基高Q微环辅助MZI结构的超窄带宽可调谐光学滤波器的3dB带宽可调谐性能。同时控制所述第一热电极13、所述第二热电极16的功率，控制滤波器带内幅度抖动≤1dB。如图(a)所示，当
Figure BDA0003274972440000083
为0.863rad，
Figure BDA0003274972440000084
为0.844rad时，它们的3dB带宽调谐范围为：1.0pm-1.7pm，消光比为98dB。如图(b)所示，当
Figure BDA0003274972440000085
为1.063rad，
Figure BDA0003274972440000086
为1.042rad时，它们的3dB带宽调谐范围为：1.7pm-3.8pm，消光比为78dB。如图(c)所示，当
Figure BDA0003274972440000087
为1.263rad，
Figure BDA0003274972440000088
为1.238rad时，它们的3dB带宽调谐范围为：3.6pm-7.1pm，消光比为66dB。如图(d)所示，当
Figure BDA0003274972440000089
时，它们的3dB带宽调谐范围为：7.0pm-12.0pm，消光比为58dB。如图(e)所示，当
Figure BDA00032749724400000810
Figure BDA00032749724400000811
时，它们的3dB带宽调谐范围为：8.3pm-15pm，消光比为52dB。那么，滤波器的3dB带宽可以在1.0pm-15pm的超窄带宽范围内实现大范围调谐。
本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案能够在保持高消光比的条件下，实现超窄带宽且带宽可调谐的光学滤波器，并且改善了滤波器的形状因子。本发明可以应用于高精细度滤波领域，在光信号处理、光学计算、量子通信等系统中有着重要应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，基于硅基高品质因子微环辅助马赫增德尔干涉仪结构实现，其特征在于：包括：第一3dB分束器(1)、第二3dB分束器(2)、第一连接波导(3)、第二连接波导(4)、第三连接波导(5)、第四连接波导(6)、第一优化结构的跑道微环(7)、第二优化结构的跑道微环(10)、第一热电极(13)、第二热电极(16)、第三热电极(14)、第四热电极(15)、第五热电极(17)和第六热电极(18)；
所述第一3dB分束器(1)输出端上臂通过第一连接波导(3)与所述第一优化结构的跑道微环(7)的输入端口相连；所述第二3dB分束器(2)的输入端上臂通过第二连接波导(4)与所述第一优化结构的跑道微环(7)的输出端口相连；所述第一3dB分束器(1)输出端下臂通过第三连接波导(5)与所述第二优化结构的跑道微环(10)的输入端口相连；所述第二3dB分束器(2)的输入端下臂通过第四连接波导(6)与所述第二优化结构的跑道微环(10)的输出端口相连；所述第一热电极(13)和所述第二热电极(16)分别位于第一优化结构的跑道微环(7)和第二优化结构的跑道微环(10)，第三热电极(14)、第四热电极(15)、第五热电极(17)和第六热电极(18)分别位于第一连接波导(3)、第二连接波导(4)、第三连接波导(5)和第四连接波导(6)上；所述第一热电极(13)、所述第二热电极(16)、所述第三热电极(14)、所述第四热电极(15)、所述第五热电极(17)、所述第六热电极(18)均用于对所述第一优化结构的跑道微环(7)和第二优化结构的跑道微环(10)的波导进行加热；
工作中，所述第一3dB分束器(1)、所述第二3dB分束器(2)、所述第一连接波导(3)、所述第二连接波导(4)、所述第三连接波导(5)、所述第四连接波导(6)一起构成了马赫曾德尔干涉仪结构；通过改变所述第三热电极(14)和所述第四热电极(15)的功率或者所述第五热电极(17)和所述第六热电极(18)的功率，相对应的所述第一优化结构的跑道微环(7)和所述第二优化结构的跑道微环(10)的圆弧波导的折射率会随之发生变化，从而可以操控单个优化结构的跑道微环的传输谱线使其带宽可调谐；进而通过改变所述第一热电极(13)和所述第二热电极(16)的功率，实现对整个滤波器的谱线进行操控，最终得到波长和带宽可调谐的滤波器。
2.如权利要求1所述的一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，其特征在于：所述第一连接波导(3)、第二连接波导(4)、第三连接波导(5)和第四连接波导(6)位于第三热电极(14)、第四热电极(15)、第五热电极(17)和第六热电极(18)内的部分分别为第一微环(8)、第二微环(9)、第三微环(11)和第四微环(12)。
3.如权利要求2所述的一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，其特征在于：所述第三热电极(14)、第四热电极(15)、第五热电极(17)和第六热电极(18)分别位于所述第一微环(8)、第二微环(9)、第三微环(11)和第四微环(12)上。
4.如权利要求1所述的一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，其特征在于：所述第一优化结构的跑道微环(7)和所述第二优化结构的跑道微环(10)的波导宽度相等。
5.如权利要求4所述的一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，其特征在于：所述波导宽度为500nm。
6.如权利要求1所述的一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，其特征在于：所述第一连接波导(3)、所述第二连接波导(4)、所述第三连接波导(5)、所述第四连接波导(6)均为两端直中间弯曲的形状，以适应所述第一优化结构的跑道微环(7)、所述第二优化结构的跑道微环(10)与所述第一3dB分束器(1)和所述第二3dB分束器(2)的连接关系。
7.如权利要求1所述的一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，其特征在于：所述第一热电极(13)和第二热电极(16)分别对所述第一优化结构的跑道微环(7)和第二优化结构的跑道微环(10)的中间跑道型波导进行加热，所述第三热电极(14)和所述第五热电极(17)分别对所述第一优化结构的跑道微环(7)和第二优化结构的跑道微环(10)的左边圆弧波导进行加热，所述第四热电极(15)和六热电极(18)分别对所述第一优化结构的跑道微环(7)和第二优化结构的跑道微环(10)的右边圆弧波导进行加热。
8.如权利要求1所述的一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，其特征在于：所述第一优化结构的跑道微环(7)和所述第二优化结构的跑道微环(10)的圆弧波导为半圆形波导，该半圆形波导的半径为20um。
9.如权利要求1所述的一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，其特征在于：所述第一优化结构的跑道微环(7)和所述第二优化结构的跑道微环(10)的上下两个直跑道波导长度均为2000um。
10.如权利要求1所述的一种基于高Q值微环的超窄带宽可调谐光学滤波器，其特征在于：对所述第二连接波导(4)的直波导部分进行电极加热，用于改变所述第二3dB分束器(2)的输入端上臂的波导的传输信号相位，以使所述第二3dB分束器(2)的输入端上臂的波导传输信号的相位相比于该第二3dB分束器(2的输入端下臂的波导传输信号相位偏移量为π。
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