CN114609725B - 基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法，在同一芯片制备并级联多个相同结构滤波器、通过芯片集成电路控制各滤波器中心波长失谐量实现可控可调高消光比超窄带滤波。本发明能够基于现有工艺水平通过系统优化设计提升芯片集成滤波器性能，有效解决了芯片集成滤波器半高全宽大、消光比小、可调谐性能弱等问题，大幅提升芯片集成光路频域处理能力，为芯片集成光电信息系统研发应用和性能升级奠定坚实基础。
Description
技术领域
本发明属于集成光学、光通信与微波光子学的交叉学科领域，具体是指一种通过级联多个结构相同、独立调控、中心波长微失谐的滤波器、实现光谱参数可调可控的超窄带滤波方法，尤其涉及一种基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法、系统及存储介质。
背景技术
光电信息系统是一种由光电器件组成的、通过光学效应实现信息功能的复杂系统，包括光通信系统、光交换系统、全光信号处理系统和微波光子系统等。在传统光电信息系统中，携带信息的光场在自由空间或光纤内传输并通过分立光电器件或全光纤光电器件控制，在系统规模庞大时面临体积大、功耗高、稳定性差、故障率高、协调困难、升级缓慢等诸多问题，更重要的是，各光电器件松耦合的集成方式严重迟滞了光电信息系统标准化、规模化、产品化应用进程。因此，芯片集成光电信息系统近年来得到广泛关注，一方面得益于体积小、功耗低、功能强大、性能稳定、可批量制备、可板卡集成等诸多优点，另一方面，芯片集成光路与传统芯片集成电路制备工艺高度兼容，这一特性使得光电混合集成芯片越来越成为大规模应用的首选技术方案。
光学滤波器在波分复用光通信、光学傅立叶变换、微波光子信号整形、量子密钥分发、非线性光频梳光源等领域有着重要应用价值。然而，与自由空间滤波器相比，芯片集成滤波器普遍面临半高全宽较大、消光比较小、调谐性较差等短板，究其本源，芯片集成微腔很难达到同自由空间光学薄膜相比的参数精度。
发明内容
基于现有技术的问题，本发明要解决的技术问题是如何在单一芯片上制备集成多个结构相同的分立滤波器并通过传输波导级联，利用控制电极加载的偏置电压独立控制各滤波器中心波长产生微失谐，实现半高全宽大幅压缩、消光比成倍增加、光谱参数可调可控的芯片集成滤波功能。
为了达到上述效果，本发明提供的基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法，在单一芯片上制备集成多个结构相同的分立滤波器，通过外接偏置电压实现各滤波器中心波长的独立调谐，利用芯片集成波导将各滤波器级联；通过控制偏置电压精确调控各滤波器中心波长产生微失谐，大幅压缩半高全宽、成倍增加消光比、实现光谱参数可调可控；
信号光场通过左上角的光栅耦合器进入载波直波导、通过两个阵列波导光栅后从左下角的光栅耦合器输出；通过调节控制电极上加载的偏置电压，可调谐阵列波导光栅中心波长，实现输出消光比成倍提升、半高全宽大幅压缩、输出光谱参数可调可控的超窄带滤波。
优选的，当级联滤波器中心波长完全一致时，消光比成倍增加，但半高全宽保持不变。
优选的，当级联滤波器中心波长具有微小失谐时，半高全宽成倍压缩，理想情况下即将阵列波导光栅滤波光谱视为矩形函数时，失谐量需小于单个滤波器半高全宽以获得非零透过谱，失谐量越接近于单个滤波器半高全宽，输出滤波光谱半高全宽越小。
优选的，上述方法具体包括：
S101、通过芯片集成光路标准工艺制备相同结构的滤波器，并通过传输波导实现滤波器级联，制备光栅耦合器将信号光场导入或导出芯片；
S102、通过芯片集成电路标准制备各滤波器控制电极，利用集成导线将控制电极与引脚电极相连；
S103、将控制电压通过引脚电极加载到各滤波器上，通过调整各滤波器中心波长失谐量获得消光比成倍增加、半高全宽大幅压缩、滤波光谱灵活可调的超窄带滤波效果。
优选的，上述方法在同一芯片制备并级联多个相同结构滤波器、通过芯片集成电路控制各滤波器中心波长产生微失谐、实现可控可调高消光比超窄带滤波。
优选的，上述芯片集成的滤波器通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、频域具备一定的带通或带阻能力、能够通过改变波导折射率实现透过谱调谐、调谐基本原理包括但不限于热光效应、电光效应、光电效应。
优选的，上述芯片集成电路，通过芯片集成电路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、改变滤波器结构中传输波导的折射率以实现滤波器中心波长调谐、通过控制电极-集成导线-引脚电极连接到外接逻辑电路、能够接收不同强度偏置电压。
优选的，通过改变多个控制电极上的偏置电压分布，实现消光比增大、半高全宽压缩、滤波光谱可控可调功能，各滤波器需产生微失谐，不限定半高全宽、消光比和滤波光谱的最优参数。
一种实现如上述基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法的系统，包括单一芯片上制备集成的多个结构相同的分立滤波器，通过外接偏置电压实现各滤波器中心波长的独立调谐，利用芯片集成波导将各滤波器级联，信号光场通过左上角的光栅耦合器进入载波直波导、通过两个阵列波导光栅后从左下角的光栅耦合器输出；通过调节控制电极上加载的偏置电压，可调谐阵列波导光栅中心波长，实现输出消光比成倍提升、半高全宽大幅压缩、输出光谱参数可调可控的超窄带滤波；
当级联滤波器中心波长完全一致时，消光比成倍增加，但半高全宽保持不变；
当级联滤波器中心波长具有微小失谐时，半高全宽成倍压缩，理想情况下即将阵列波导光栅滤波光谱视为矩形函数时，失谐量需小于单个滤波器半高全宽以获得非零透过谱，失谐量越接近于单个滤波器半高全宽，输出滤波光谱半高全宽越小。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。
与现有技术相比，本发明能够基于工艺水平现状、通过芯片集成光路设计实现芯片集成滤波器性能提升，为芯片集成超窄带滤波器提供了可行技术思路，大幅提升芯片集成光路频域分辨精度和光谱调控能力，为芯片集成光电信息系统研发应用和性能升级奠定坚实基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波器原理示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明提供一种基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法的实施例，在单一芯片上制备集成多个结构相同的分立滤波器，通过外接偏置电压实现各滤波器中心波长的独立调谐，利用芯片集成波导将各滤波器级联；通过控制偏置电压精确调控各滤波器中心波长产生微失谐，大幅压缩半高全宽、成倍增加消光比、实现光谱参数可调可控；
信号光场通过左上角的光栅耦合器进入载波直波导、通过两个阵列波导光栅后从左下角的光栅耦合器输出；通过调节控制电极上加载的偏置电压，可调谐阵列波导光栅中心波长，实现输出消光比成倍提升、半高全宽大幅压缩、输出光谱参数可调可控的超窄带滤波。
在一些实施例中，当级联滤波器中心波长完全一致时，消光比成倍增加，但半高全宽保持不变。
在一些实施例中，当级联滤波器中心波长具有微小失谐时，半高全宽成倍压缩，理想情况下即将阵列波导光栅滤波光谱视为矩形函数时，失谐量需小于单个滤波器半高全宽以获得非零透过谱，失谐量越接近于单个滤波器半高全宽，输出滤波光谱半高全宽越小。
在一些实施例中，方法具体包括：
S101、通过芯片集成光路标准工艺制备相同结构的滤波器，并通过传输波导实现滤波器级联，制备光栅耦合器将信号光场导入或导出芯片；
S102、通过芯片集成电路标准制备各滤波器控制电极，利用集成导线将控制电极与引脚电极相连；
S103、将控制电压通过引脚电极加载到各滤波器上，通过调整各滤波器中心波长失谐量获得消光比成倍增加、半高全宽大幅压缩、滤波光谱灵活可调的超窄带滤波效果。
在一些实施例中，方法在同一芯片制备并级联多个相同结构滤波器、通过芯片集成电路控制各滤波器中心波长产生微失谐、实现可控可调高消光比超窄带滤波。
在一些实施例中，芯片集成的滤波器通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、频域具备一定的带通或带阻能力、能够通过改变波导折射率实现透过谱调谐、调谐基本原理包括但不限于热光效应、电光效应、光电效应。
在一些实施例中，芯片集成电路，通过芯片集成电路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、改变滤波器结构中传输波导的折射率以实现滤波器中心波长调谐、通过控制电极-集成导线-引脚电极连接到外接逻辑电路、能够接收不同强度偏置电压。
在一些实施例中，通过改变多个控制电极上的偏置电压分布，实现消光比增大、半高全宽压缩、滤波光谱可控可调功能，各滤波器需产生微失谐，不限定半高全宽、消光比和滤波光谱的最优参数。
本发明提供一种实现如上述基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法的系统，包括单一芯片上制备集成的多个结构相同的分立滤波器，通过外接偏置电压实现各滤波器中心波长的独立调谐，利用芯片集成波导将各滤波器级联，信号光场通过左上角的光栅耦合器进入载波直波导、通过两个阵列波导光栅后从左下角的光栅耦合器输出；通过调节控制电极上加载的偏置电压，可调谐阵列波导光栅中心波长，实现输出消光比成倍提升、半高全宽大幅压缩、输出光谱参数可调可控的超窄带滤波；
当级联滤波器中心波长完全一致时，消光比成倍增加，但半高全宽保持不变；
当级联滤波器中心波长具有微小失谐时，半高全宽成倍压缩，理想情况下即将阵列波导光栅滤波光谱视为矩形函数时，失谐量需小于单个滤波器半高全宽以获得非零透过谱，失谐量越接近于单个滤波器半高全宽，输出滤波光谱半高全宽越小。
图1所示，本发明提供了一种基于级联阵列波导光栅的可控可调超窄带滤波器的实施例，信号光场通过左上角的光栅耦合器进入载波直波导、通过两个阵列波导光栅后从左下角的光栅耦合器输出；通过调节控制电极上加载的偏置电压，可调谐阵列波导光栅中心波长，实现输出消光比成倍提升、半高全宽大幅压缩、输出光谱参数可调可控的超窄带滤波。具体地，当级联滤波器中心波长完全一致时，消光比成倍增加，但半高全宽保持不变；当级联滤波器中心波长具有微小失谐时，半高全宽成倍压缩，理想情况下即将阵列波导光栅滤波光谱视为矩形函数时，失谐量需小于单个滤波器半高全宽以获得非零透过谱，失谐量越接近于单个滤波器半高全宽，输出滤波光谱半高全宽越小。
本发明提供一种基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法的实施例，包括：
S101、通过芯片集成光路标准工艺制备相同结构的滤波器，并通过传输波导实现滤波器级联，制备光栅耦合器将信号光场导入或导出芯片；
S102、通过芯片集成电路标准制备各滤波器控制电极，利用集成导线将控制电极与引脚电极相连；
S103、将控制电压通过引脚电极加载到各滤波器上，通过调整各滤波器中心波长失谐量获得消光比成倍增加、半高全宽大幅压缩、滤波光谱灵活可调的超窄带滤波效果。
本发明提供一种基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法的实施例，在同一芯片制备并级联多个相同结构滤波器、通过芯片集成电路控制各滤波器中心波长产生微失谐、实现可控可调高消光比超窄带滤波。
在一些实施例中，芯片集成滤波器能够通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、频域具备一定的带通或带阻能力、能够通过改变波导折射率实现透过谱调谐、调谐基本原理包括但不限于热光效应、电光效应、光电效应等，典型结构包括但不限于阵列波导光栅、马赫增特干涉仪、法布里-珀罗腔、布拉格光栅等，级联的滤波器可以具有相同结构也可具有不同结构，所用材料平台包括但不限于绝缘体上硅、载氢非晶硅、氮化硅、碳化硅、硫系玻璃、三五族铝镓砷、三五族磷化铟等，既可采用单一材料集成方法，也可采用多材料混合集成方法。
在一些实施例中，芯片集成电路能够通过芯片集成电路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够改变滤波器结构中传输波导的折射率以实现滤波器中心波长调谐、能够通过控制电极-集成导线-引脚电极连接到外接逻辑电路、能够接收不同强度偏置电压，不限制控制电极、集成导线、引脚电极的结构尺寸和布线参数。
在一些实施例中，可调可控超窄带滤波通过改变多个控制电极上的偏置电压分布，可实现消光比增大、半高全宽压缩、滤波光谱可控可调等功能，各滤波器需产生微失谐，不限定半高全宽、消光比和滤波光谱的最优参数。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
首先，本发明解决了芯片集成滤波器普遍面临的半高全宽较大、消光比较小、调谐自由度较小等问题，为芯片集成超窄带滤波器提供了一种可行的技术方案，极大地提高了芯片集成滤波器的频域精度；
其次，本发明所述超窄带滤波方法将调谐自由度从中心波长扩展到了滤波光谱形状、半高全宽和消光比等其它参数，极大地提升了芯片集成光电信息系统频域信号处理能力；
此外，本发明所述超窄带滤波方法高度兼容于现有制备工艺水平，通过芯片集成光路设计实现芯片集成滤波器性能提升，具有较高的工程实用性，可为芯片集成光电信息系统研发应用和性能升级奠定坚实基础。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法，在单一芯片上制备集成多个结构相同的分立滤波器，通过外接偏置电压实现各滤波器中心波长的独立调谐，利用芯片集成波导将各滤波器级联；通过控制偏置电压精确调控各滤波器中心波长产生微失谐，所述滤波器的典型结构包括阵列波导光栅；
信号光场通过左上角的光栅耦合器进入载波直波导、通过两个阵列波导光栅后从左下角的光栅耦合器输出；通过调节控制电极上加载的偏置电压，可调谐阵列波导光栅中心波长；
当级联滤波器中心波长完全一致时，消光比成倍增加，但半高全宽保持不变；当级联滤波器中心波长具有微小失谐时，半高全宽成倍压缩，将阵列波导光栅滤波光谱视为矩形函数时，失谐量需小于单个滤波器半高全宽以获得非零透过谱，失谐量越接近于单个滤波器半高全宽，输出滤波光谱半高全宽越小。
2.根据权利要求1所述的基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法，其特征在于，所述方法具体包括：
S101、通过芯片集成光路标准工艺制备相同结构的滤波器，并通过传输波导实现滤波器级联，制备光栅耦合器将信号光场导入或导出芯片；
S102、通过芯片集成电路标准制备各滤波器控制电极，利用集成导线将控制电极与引脚电极相连；
S103、将控制电压通过引脚电极加载到各滤波器上，调整各滤波器中心波长失谐量。
3.根据权利要求2所述的基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法，其特征在于，所述方法在同一芯片制备并级联多个相同结构滤波器、通过芯片集成电路控制各滤波器中心波长产生微失谐、实现可控可调高消光比超窄带滤波。
4.根据权利要求2所述的基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法，其特征在于，所述芯片集成的滤波器通过芯片集成光路标准工艺制备具备一定的结构设计自由度，能够高效无损地传输光场，频域具备一定的带通或带阻能力，能够通过改变波导折射率实现透过谱调谐。
5.根据权利要求2所述的基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法，其特征在于，芯片集成电路通过芯片集成电路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、改变滤波器结构中传输波导的折射率以实现滤波器中心波长调谐、通过控制电极-集成导线-引脚电极连接到外接逻辑电路、能够接收不同强度偏置电压。
6.一种实现如权利要求1-5任一项所述基于微失谐级联滤波器的超窄带滤波方法的系统，包括单一芯片上制备集成的多个结构相同的分立滤波器，通过外接偏置电压实现各滤波器中心波长的独立调谐，利用芯片集成波导将各滤波器级联，信号光场通过左上角的光栅耦合器进入载波直波导、通过两个阵列波导光栅后从左下角的光栅耦合器输出；通过调节控制电极上加载的偏置电压，可调谐阵列波导光栅中心波长；
当级联滤波器中心波长完全一致时，消光比成倍增加，但半高全宽保持不变；
当级联滤波器中心波长具有微小失谐时，半高全宽成倍压缩，将阵列波导光栅滤波光谱视为矩形函数时，失谐量需小于单个滤波器半高全宽以获得非零透过谱，失谐量越接近于单个滤波器半高全宽，输出滤波光谱半高全宽越小。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1-5任一项所述方法。
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