CN115016060B - 一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器 - Google Patents

一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器。N个滤波结构依次连接在输入波导和输出波导之间；每个滤波结构均主要由一个通道和一个滤模器依次连接构成，通道由M个结构相同的级联光栅滤波器级联构成，两个相同的级连光栅滤波器之间由一个弯曲波连接；第一级联光栅滤波器之间由一个滤模器连接。本发明能根据级连滤波器个数M和通道数N来获得一个低插损、超低串扰的，超高滚降度、平顶响应的片上多通道滤波器，具有工艺简单，结构简单等优点。

Description

一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器
技术领域
本发明属于光通信领域的一种滤波器，具体涉及一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器。
背景技术
随着“宽带中国”的迅猛发展和5G时代的到来，数据业务对超高容量光互联的需求日益迫切。为在保证成本较低的情况下提高信息传输容量，各个复用技术应用而生，主要包括频分复用、时分复用、码分复用、以及波分复用技术。波分复用(Wavelength DivisionMultiplexing，WDM)技术是其中增强数据通信互联最重要的技术之一。WDM技术将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输；在接收端，经解复用器将各个波长的光载信号分离，并恢复原信号。一般WDM技术包括通道间隔小(比如：0.8nm)的密集波分复用(dense WDM，DWDM)和通道间隔较大(比如：20nm)的稀疏波分复用(Coarse WDM，CWDM)。
目前实际应用的波分复用-解复用器多是由分离式元件耦合而成的，具有尺寸大、难封装和成本高等缺点，远不能满足未来光通信器件的发展。基于平面光波导的波分复用-解复用器因其集成小型化、易于加工并且与CMOS工艺兼容等优点受到了广泛的关注和研究。目前设计基于波导光栅制作的波分解复用器件虽然保证器件的较低损耗和输出谱的平顶效应，但相邻通道之间的串扰较大和通道边缘处的滚降度较差，远无法满足下一代超大容量，超高速光通信系统对波分复用器件的性能要求。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器。本发明保证了通信系统优越的整体性能在满足低插损和平顶响应的同时，还保证了整体器件相邻通道之间串扰低，通道内的滚降度高以及超大的边带抑制比。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括输入波导、输出波导和N个带有特殊的反对称多模波导光栅的滤波结构，N个滤波结构依次连接在输入波导和输出波导之间；每个滤波结构均主要由一个通道和一个滤模器依次连接构成。
所述的滤模器将滤除波导中的高阶横电模，并保留横电基模，但不限于采用弯曲波导等结构。高阶横电模是指一阶及更高阶的横电模。
所述的N个通道的结构相同，每个通道均包括结构一样的第1级联光栅滤波器、…、第m级联光栅滤波器和结构一样的第1弯曲波导、…、第m弯曲波导以及一个输入连接波导；
第n通道中，第1级联光栅滤波器的输入端经输入连接波导和输入波导/第n-1滤模器的输出端连接，第m级联光栅滤波器的下载端经第m弯曲波导和第m+1级联光栅滤波器(an(m+1))的输入端连接，最后第M级联光栅滤波器的下载端和第M弯曲波导一端连接，从而形成各个级联光栅滤波器的级联结构。
通道中的M个级联光栅滤波器结构相同，均主要由一个模式解复用器、一个多模波导光栅和锥形输出波导依次连接构成，模式解复用器的输出端经多模波导光栅与锥形波导的输入端连接，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M。
所述的模式解复用器主要由输入波导、下载波导、模式复用工作区和输出波导连接构成，输入波导的输入端连接上一通道的滤模器的输出端，下载波导的一端连接弯曲波导，输入波导的输出端、下载波导的另一端分别连接模式复用工作区的输入端和下载端，模式复用工作区的输出端连接输出波导的一端，输出波导的另一端连接到多模波导光栅的输入端。
所述的多模波导光栅主要由前渐变光栅、反对称多模波导光栅和后渐变光栅依次连接而成，前渐变光栅的输入端作为多模波导光栅的输入端，后渐变光栅的输出端作为多模波导光栅的输出端。
所述的反对称多模波导光栅实现TE0模式反向耦合为TE1模式，满足相位匹配条件：
(n0+n1)/2＝λ/Λ
式中，n0为TE0模式的有效折射率，n1为TE1模式的有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M。
所述的反对称多模波导光栅沿波导传输方向的两侧均设置光栅齿的齿形结构，每侧的齿形结构的齿顶端沿平行于波导传输方向的同一直线设置，每侧的齿形结构的齿槽底端沿平行于波导传输方向的同一直线设置，且两侧齿形结构不完全以齿和齿槽在两侧相对对称布置而设置，也不完全以齿和齿在两侧相对对称布置而设置，也不完全以齿槽和齿槽在两侧相对对称布置而设置，即对于一侧齿形结构设置齿处相对于多模波导光栅的中心线对称过去后到另一侧齿形结构处并不固定为齿槽或者齿。
所述的反对称多模波导光栅从一端的两侧齿形结构对称布置到中部的两侧齿形结构反对称布置，再到另一端的两侧齿形结构对称布置，且反对称多模波导光栅以两端之间的中线对称设置。
具体实施中，举例来说可以是，一侧齿形结构上的齿和齿槽的宽度均相同，且依次交替布置；另一侧齿形结构上的齿的宽度均相同，齿槽的宽度均不同，齿槽的宽度从反对称多模波导光栅的一端到另一端逐渐增大后减小。
所述的对称布置是指，两侧齿形结构以齿和齿在两侧相对对称布置而设置；所述的反对称布置是指，两侧齿形结构以齿和齿槽在两侧相对对称布置而设置。
本发明能根据级连滤波器个数M和通道数N来获得一个低插损、超低串扰的，超高滚降度、平顶响应的片上多通道滤波器，具有工艺简单，结构简单等优点。
本发明的有益效果是：
本发明通过特殊设计构建的滤模器、切趾光栅和渐变光栅相结合的波导结构能够减小通道间的串扰。
本发明单个通道内利用波长在相同的M个级联布拉格中反射M次，提高了通道内的滚降度和边模抑制比，降低了和相邻通道的串扰，最终获得了一个超高滚降度、超大边模抑制比和超低串扰的片上多通道滤波器。
本发明的级联光栅滤波器通过调节光栅的周期和齿深度，获得所需的通道中心和通道带宽，能完全满足各项通信协议中波长和带宽等要求。
本发明可以用平面集成光波导工艺制作，工艺简便，成本低，性能高，损耗小，并且与传统CMOS工艺兼容，具有很大的生产化潜力。
附图说明
图1光栅型的级联多通道片上滤波器的整体结构示意图。
图2是级联光栅滤波器示意图。
图3是多模波导光栅采用的锯齿形式，包括但不限于(a)矩形锯齿、(b)三角形锯齿和(c)余弦形锯齿。
图4是光栅型的级联多通道片上滤波器的工作原理示意图。
图5是实施例器件各反对称单个多模波导光栅的实验结果图。
图6是实施例器件各反对称级联两个多模波导光栅的实验结果图。
图中：Channel1为第一通道光栅滤波器，…，ChannelN为第N通道光栅滤波器，a11为第一通道的第一级联光栅滤波器，…，a1M为第一通道的第M级联光栅滤波器，b11为第一通道的第一弯曲波导，…，b1M为第一通道的第M弯曲波导，c1为第一滤模器，…，cN为第N滤模器，aN1为第N通道的第一级联光栅滤波器，…，aNM为第N通道的第M级联光栅滤波器，bN1为第N通道的第一弯曲波导，…，bNM为第N通道的第M弯曲波导，1为输入波导，2输入连接波导、3为输出波导；
在级联光栅滤波器中，anm1(n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M)为第n通道的第m级联光栅滤波器的模式解复用器，anm2为第n通道的第m级联光栅滤波器的多模波导光栅，anm3为第n通道的第m级联光栅滤波器的锥形输出波导，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M；
nm01为第n通道的第m级联光栅滤波器的模式解复用器的输入波导，nm02为第n通道的第m级联光栅滤波器的模式解复用器的模式复用工作区，nm03为第n通道的第m级联光栅滤波器的模式解复用器的输出波导，nm04为第n通道的第m级联光栅滤波器的模式解复用器的下载波导，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M；
nm05为第n通道的第m级联光栅滤波器的前渐变光栅，nm06为第n通道的第m级联光栅滤波器的前渐变光栅的反对称多模波导光栅，nm07为第n通道的第m级联光栅滤波器的后渐变光栅，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M；nm08为第n通道的第m级联光栅滤波器的锥形输出波导，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M。
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，具体实施的片上滤波器包括输入波导1、输出波导3和N个滤波结构，N个滤波结构依次连接在输入波导1和输出波导3之间；每个滤波结构均主要由沿波导传输方向的一个通道Channeln和一个滤模器cn依次连接构成。
这样使得输入波导1和输出波导3之间之间串联N个结构类似的通道和滤模器，第1通道Channel1、第1滤模器c1、…、第N通道ChannelN、第N滤模器cN依次连接。其中，第一通道Channel1的输入端和输入波导1连接，上一个滤波结构的滤模器cn输出端和下一个滤波结构的通道Channel(n+1)的输入端连接，最后第N滤模器cN输出端和输出波导3连接。
N个通道Channeln的结构相同，每个通道均包括结构一样的第1级联光栅滤波器an1、…、第m级联光栅滤波器anm和结构一样的第1弯曲波导bn1、…、第m弯曲波导bnm以及一个输入连接波导2；第n通道Channeln中，第1级联光栅滤波器an1的输入端经输入连接波导2和输入波导1/第n-1滤模器cn的输出端连接，在相邻两个级联光栅滤波器之间，第m级联光栅滤波器anm的下载端经第m弯曲波导bnm和第m+1级联光栅滤波器an(m+1)的输入端连接，最后第M级联光栅滤波器anM的下载端和第M弯曲波导bnM一端连接，第M弯曲波导bnM另一端空置，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M，从而形成各个级联光栅滤波器的级联结构。
如图2所示，通道中的M个级联光栅滤波器结构相同，均主要由沿波导传输方向的一个模式解复用器anm1、一个多模波导光栅anm2和锥形输出波导anm3依次连接构成，模式解复用器anm1的输出端经多模波导光栅anm2与锥形波导anm3的输入端连接，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M。锥形输出波导anm3的输入端连接到多模波导光栅anm2的输出端。
如图2所示，模式解复用器anm1主要由沿波导传输方向的输入波导nm01、下载波导nm04、模式复用工作区nm02和输出波导nm03连接构成，输入波导nm01的输入端经输入连接波导2连接上一通道的滤模器的输出端，下载波导nm04的一端连接弯曲波导bnm，输入波导nm01的输出端、下载波导nm04的另一端分别连接模式复用工作区nm02的输入端和下载端，模式复用工作区nm02的输出端连接输出波导nm03的一端，输出波导nm03的另一端连接到多模波导光栅anm2的输入端，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M。
多模波导光栅anm2主要由沿波导传输方向的前渐变光栅nm05、反对称多模波导光栅nm06和后渐变光栅nm07依次连接而成，前渐变光栅nm05的输入端作为多模波导光栅的输入端，后渐变光栅nm07的输出端作为多模波导光栅的输出端，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M。
反对称多模波导光栅nm06实现TE0模式反向耦合为TE1模式，满足相位匹配条件：
(n0+n1)/2＝λ/Λ
式中，n0为TE0模式的有效折射率，n1为TE1模式的有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M。
反对称多模波导光栅nm06沿波导传输方向的两侧均设置光栅齿的齿形结构，每侧的齿形结构的齿顶端沿平行于波导传输方向的同一直线设置，每侧的齿形结构的齿槽底端沿平行于波导传输方向的同一直线设置，且两侧齿形结构不完全以齿和齿槽在两侧相对对称布置而设置，也不完全以齿和齿在两侧相对对称布置而设置，也不完全以齿槽和齿槽在两侧相对对称布置而设置，即对于一侧齿形结构设置齿处相对于多模波导光栅n05的中心线对称过去后到另一侧齿形结构处并不固定为齿槽或者齿。
反对称多模波导光栅nm06从一端的两侧齿形结构对称布置到中部的两侧齿形结构反对称布置，再到另一端的两侧齿形结构对称布置，且反对称多模波导光栅nm06以两端之间的中线对称设置。
具体实施中，一侧齿形结构上的齿和齿槽的宽度均相同，且依次交替布置；另一侧齿形结构上的齿的宽度均相同，齿槽的宽度均不同，齿槽的宽度从反对称多模波导光栅nm06的一端到另一端逐渐增大后减小，使得反对称多模波导光栅nm06从一端的对称布置到中部的反对称布置再到另一端的对称布置逐渐过渡。
前渐变光栅nm05和后渐变光栅nm07的两侧均设有光栅齿结构。
多模波导光栅的前渐变光栅nm05，其光栅齿的深度由零线性渐变到反对称多模波导光栅的深度；多模波导光栅的后渐变光栅nm07，其光栅齿的深度由反对称多模波导光栅的深度线性渐变到零。通过前渐变光栅减少了波导模式和光栅模式的模式失配，减小了因模式失配所造成的损耗，进一步减低了器件损耗，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M。
前渐变光栅nm05的宽度从模式解复用器anm1输出端的宽度到反对称多模波导光栅nm06的输入端宽度渐变，用于连接模式解复用器anm1输出端和反对称多模波导光栅nm06之间；后渐变光栅nm07的宽度从反对称多模波导光栅nm06的输出端宽度到输出波导nm03输入端的宽度渐变，用于反对称多模波导光栅nm06输出端和输出波导nm03之间。
由此本发明通过两侧光栅齿的轴向上的横移的高斯分布实现切趾，且前渐变光栅和后渐变光栅采用了渐变光栅，减小了光栅之间的法布里-珀罗效应，降低了通道之间的串扰。
如图2所示，级联光栅滤波器的基本结构如图。模式解复用器anm1和多模波导光栅anm2和锥形波导anm3依次连接。图中左上端口为输入端口，右上端口为输出端口，左下端口为下载端口，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M。
模式解复用器anm1可以但不限于由不对称定向耦合波导、绝热演化波导、光栅辅助耦合波导构成。模式解复用器中，右端输入的TE1模式可以复用到左下端口的TE0模式输出，n＝1,2,…,N-1,N，m＝1,2,…,M-1,M。。
多模波导光栅满足TE0模式与反向TE1模式的相位匹配条件，输入TE0模式在布拉格谐振条件附近可以反向耦合成TE1模式，通过选取光栅总体宽度、光栅齿深度和光栅周期，可以获得需求的中心波长和带宽。通过采用切趾光栅结构，进而降低各个信号通道之间的串扰。
如图3所示，所述的多模波导光栅可以采用多种形式的锯齿，包括图3(a)矩形锯齿、图3(b)三角形锯齿和图3(c)余弦形锯齿等。
下面说明本发明作为一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器的工作过程：
本发明的工作原理如图4所示，携带信息的各个波长(λ1…λN)光信号从Input端输入后，经过第一通道的第一级联光栅中，波长λ1的光满足相位匹配条件被第一通道的第一级联光栅反射从第一通道的第一级联光栅的模式解复用器下载端输出进入到第一通道的第一弯曲波导，并进入到第一通道的第M级联光栅中，最后从第一通道的第M级联光栅的模式解复用器下载端输出，其他各个波长的光(λ2…λN)从第n通道的第M级联光栅的模式解复用器下载端输出。最终，同一波长的光信号，通过多个级联光栅，获得相邻通道超低串扰，超大边模抑制比和通道滚降度超高的多通道片上滤波器。(单个级联光栅通过引入切趾光栅、滤模器和渐变光栅，抑制了各个光栅之间的法布里-珀罗谐振)
本发明具体实施例如下：
选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料为SiO2，厚度为2μm、折射率为1.4404；上包层材料为SiO2，厚度为1.2μm，针对在O-band通信波段的CWDM4器件进行了设计和仿真，此时N＝4，M＝2。
对于模式解复用器(包括各个双向光栅滤波器的前/后模式解复用器)采用绝热演化耦合结构。
对于四个多模波导光栅，选取参数为光栅总宽度为850nm，光栅齿深度为190nm，光栅周期数为200，前/后渐变光栅的周期数为20，光栅占空比为0.5，四个通道的多模波导光栅的周期分别为252nm、260nm、266nm和272nm，八个多模波导光栅，均采用了相位切趾的方案，切趾形式为轴向横移呈高斯分布切趾。
本发明通过多级联增加了边带抑制比，经实验对器件的四个多模波导光栅进行了验证。图5对应为第一、第二、第三和第四单个多模波导光栅的实验结果，由图可知本发明的器件在四个通道均取得了16.5nm的1dB带宽，四个通道均有平顶的响应，插入损耗均<0.15dB，各个通道的串扰均<-20dB，单通道滚降度为15db/nm。
图6对应为第一、第二、第三和第四级联两个多模波导光栅的实验结果，由图可知本发明的器件在四个通道均取得了16.5nm的1dB带宽，四个通道均有平顶的响应，插入损耗均<0.2dB，各个通道的串扰均<-40dB，单通道滚降度为30db/nm。由此可见，本发明的器件可以获得一个具有低插损、超低串扰、超大边模抑制比、超高滚降度、具有平顶响应的多通道片上滤波器。
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 (8)

1.一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器，其特征在于：包括输入波导（1）、输出波导（3）和N个带有反对称多模波导光栅的滤波结构，N个滤波结构依次连接在输入波导（1）和输出波导（3）之间；每个滤波结构均主要由一个通道Channeln和一个滤模器cn依次连接构成；
N个所述的通道Channeln的结构相同，每个通道均包括结构一样的第1级联光栅滤波器an1、…、第m级联光栅滤波器anm和结构一样的第1弯曲波导bn1、…、第m弯曲波导bnm以及一个输入连接波导（2）；
当n等于1时，第n通道Channeln中，第1级联光栅滤波器an1的输入端经输入连接波导（2）和输入波导（1）的输出端连接；
当n不等于1时，第n通道Channeln中，第1级联光栅滤波器an1的输入端经输入连接波导（2）和第n-1滤模器cn的输出端连接；
当m不等于M时，第m级联光栅滤波器anm的下载端经第m弯曲波导bnm和第m+1级联光栅滤波器an(m+1)的输入端连接；
最后第M级联光栅滤波器anM的下载端和第M弯曲波导bnM一端连接，从而形成各个级联光栅滤波器的级联结构，n=1,2,…,N-1,N，m=1,2,…,M-1,M。
2.根据权利要求1所述的一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器，其特征在于：通道中的M个级联光栅滤波器结构相同，均主要由一个模式解复用器anm1、一个多模波导光栅anm2和锥形输出波导anm3依次连接构成，模式解复用器anm1的输出端经多模波导光栅anm2与锥形波导anm3的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器，其特征在于：所述的模式解复用器anm1主要由输入波导nm01、下载波导nm04、模式复用工作区nm02和输出波导nm03连接构成，输入波导nm01的输入端连接上一通道的滤模器的输出端，下载波导nm04的一端连接弯曲波导bnm，输入波导nm01的输出端、下载波导nm04的另一端分别连接模式复用工作区nm02的输入端和下载端，模式复用工作区nm02的输出端连接输出波导nm03的一端，输出波导nm03的另一端连接到多模波导光栅anm2的输入端。
4.根据权利要求2所述的一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器，其特征在于：所述的多模波导光栅anm2主要由前渐变光栅nm05、反对称多模波导光栅nm06和后渐变光栅nm07依次连接而成，前渐变光栅nm05的输入端作为多模波导光栅的输入端，后渐变光栅nm07的输出端作为多模波导光栅的输出端。
5.根据权利要求4所述的一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器，其特征在于：所述的反对称多模波导光栅nm06实现TE0模式反向耦合为TE1模式，满足相位匹配条件：
(n0+n1)/2=λ/Λ
式中，n0为TE0模式的有效折射率，n1为TE1模式的有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期，n=1,2,…,N-1,N，m=1,2,…,M-1,M。
6.根据权利要求4所述的一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器，其特征在于：所述的反对称多模波导光栅nm06沿波导传输方向的两侧均设置光栅齿的齿形结构，且两侧齿形结构不完全以齿和齿槽在两侧相对对称布置而设置，也不完全以齿和齿在两侧相对对称布置而设置，也不完全以齿槽和齿槽在两侧相对对称布置而设置。
7.根据权利要求4所述的一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器，其特征在于：所述的反对称多模波导光栅nm06从一端的两侧齿形结构对称布置到中部的两侧齿形结构反对称布置，再到另一端的两侧齿形结构对称布置，且反对称多模波导光栅nm06以两端之间的中线对称设置。
8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的一种超低串扰的级联光栅型多通道片上滤波器的光通信设备。
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