CN115867853A - 可变带宽微环滤光器设备以及通过频率调谐的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了提供具有频率调谐的可变带宽滤光器的方法和设备。本发明公开了一种基于微环谐振器的通用可变带宽滤光器架构，该微环谐振器可以改变操作波长和带宽，而相对于传统波长可调滤波器没有增加复杂性。所述滤波器架构可以为滤波器响应的任何任意形状(例如二阶、四阶、六阶等)提供通用滤波器设计。所述滤波器特性(插入损耗、带内纹波和带外抑制电平)可以在带宽调谐范围内保持。不需要额外的加热器来调谐滤波器的操作带宽，因为用于调谐滤波器频率的相同加热器可以用于调谐滤波器带宽。所述设备可用作上下载滤波器。

Description

可变带宽微环滤光器设备以及通过频率调谐的方法
相关申请交叉引用
本申请要求于2020年7月15日提交的申请号为16/929,996、发明名称为“可变带宽微环滤光器设备以及通过频率调谐的方法(VARIABLE BANDWIDTH MICRORING OPTICALFILTER DEVICE AND METHOD WITH FREQUENCY TUNING)”的先前提交的美国非临时申请的优先权，其内容通过引用并入本文中，在允许此类合并的司法管辖范围内。
技术领域
本发明涉及用于光信号处理的方法和设备，尤其涉及用于对光信号进行基于可变带宽频率的滤波的方法和设备。
背景技术
光通信在光传输介质(如光纤电缆)中将数据编码为调制光波形。在一些通信方案中，光传输介质可以承载多个数据通道，每个数据通道占用定义带宽的电磁频谱的一部分。随着光通信网络中使用的频谱越来越拥挤，光频率带宽的高效利用对于高速、高容量的光网络至关重要。提高信道效率的一种方法是允许数据传输带宽根据需求可变。带宽可调光网络(也称为弹性光网络)的关键组件之一是可变带宽(variable bandwidth，VB)滤波器，其传输带宽可以根据需要动态改变，从而为数据通道分配可变数量的频率带宽。一些VB滤波器还可以允许改变信道的波长(例如，信道的中心频率)。然而，用于硅光子技术的现有VB滤波器方法具有局限性，需要在控制复杂性、成本、可重配置性和尺寸等因素之间进行权衡。因此，需要一种简单、低成本、高度可配置的可变带宽滤波器，其占用空间小，也能够实现波长或频率调谐。
发明内容
在本文描述的各种实施例中，公开了提供具有频率调谐的可变带宽滤光器的方法和设备。公开了一种基于微环谐振器的通用可变带宽(variable bandwidth，VB)滤光器架构，该微环谐振器可以改变操作波长和带宽，而相对于传统波长可调滤波器没有增强复杂性。在一些实施例中，本文描述的滤波器架构可以为滤波器响应的任何任意形状(例如二阶、四阶、六阶等)提供通用滤波器设计。在一些实施例中，滤波器特性(例如，插入损耗、带内纹波和带外抑制电平)可以在带宽调谐范围内保持。一些实施例可以不需要额外加热器来调谐滤波器的操作带宽，因为用于调谐滤波器频率的相同加热器可以用于调谐滤波器带宽。在一些实施例中，所述设备可以用作上下载滤波器。
如本文所使用的，“滤波器”应指滤光器。术语马赫-曾德尔干涉仪和MZI可互换，指用于控制或修改光信号传输的光干涉仪。
本文使用的“微环谐振器”或“MRR”是指光环谐振器：环形式的光波导。当MRR被称为“可操作地耦合”到光波导路径(例如MZI的臂)时，这表示通过光波导路径的光的一部分将耦合到微环波导，围绕环的圆周通过，从而延迟光信号，并将干涉图案引入波导中，所述干涉图案取决于微环的圆周，因此取决于延迟的持续时间。因此，所述微环的圆周将确定赋予通过微环耦合到的波导路径的光信号的频率依赖性相位。靠近MRR谐振频率的光频率将获得MRR的频率相关相位，而远离该谐振频率的光频率将不会获得额外的相移。因此，微环谐振器可以充当应用于另一个光波导路径的相位滤波器。由于MRR的谐振频率是由引入到耦合到环的信号部分中的相位延迟量(也称为“频率相关相位”、“相位失谐”或简单地称为“相位”)确定的，改变MRR的相位也意味着改变谐振频率，反之亦然。
如本文所使用的，术语“等于”可以包括严格的相等和实质性的相等。术语“可操作耦合”指两个或超过两个协同作用或以其他方式影响对方操作的元件，无论它们是直接还是间接物理连接，还是根本不物理连接。术语“耦合系数”在谐振器领域应具有众所周知的含义。在简化的理解中，耦合系数表征了两个谐振器在谐振频率下的相互作用。
在一些方面中，本发明描述了一种设备。所述设备具有光学干涉仪，用于将光输入分成由第一臂限定的第一路径和由第二臂限定的第二路径；第一臂微环谐振器(armmicroring resonator，MRR)，可操作地耦合到所述第一臂；第二臂MRR，可操作地耦合到所述第二臂；第一臂MRR调谐器和第二臂MRR调谐器。所述第一臂MRR调谐器和所述第二臂MRR调谐器用于分别调谐所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位，使得：所述第一臂MRR和所述第二臂MRR共享公共耦合系数；所述第一臂MRR的相位等于所述第二臂MRR的相位的负值。所述设备具有耦合器，用于组合所述第一路径的光输出和所述第二路径的光输出，以根据所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位生成具有滤波器带宽和滤波器中心频率的滤波后光输出。
在一些示例中，所述光学干涉仪是马赫-曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer，MZI)。
在一些示例中，所述设备还包括至少一对附加的可调谐MRR。每对可调谐MRR包括：附加的第一臂MRR，可操作地耦合到与所述第一臂MRR串联的第一臂；附加的第二臂MRR，可操作地耦合到与所述第二臂MRR串联的第二臂；附加的第一臂MRR调谐器和附加的第二臂MRR调谐器。所述附加的第一臂MRR调谐器和所述附加的第二臂MRR调谐器用于分别调谐所述附加的第一臂MRR的频率相关相位和所述附加的第二臂MRR的频率相关相位，使得：所述附加的第一臂MRR和所述附加的第二臂MRR共享公共耦合系数；所述附加的第一臂MRR的相位等于所述附加的第二臂MRR的相位的负值。
在一些示例中，所述第一臂MRR调谐器和所述第二臂MRR调谐器都包括热调谐器。
在一些示例中，每个热调谐器包括可操作地耦合到其各自MRR的加热器。
在一些示例中，每个调谐器包括可操作地耦合到其各自MRR的热调谐器。
在一些示例中，所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位可以被调谐，使得：所述滤波后光输出的频谱响应呈现二阶传递函数；所述滤波器带宽可以在最小带宽和最大带宽之间调整，而不会由于所述带宽调整而在所述滤波后光输出中产生插入损耗。
在一些示例中，所述至少一对附加的可调谐MRR包括一对附加的可调谐MRR。所述第一臂MRR、所述第二臂MRR、所述附加的第一臂MRR和所述附加的第二臂MRR中的每一个的频率相关相位可以被调谐，使得：所述滤波后光输出的频谱响应呈现四阶传递函数；所述滤波器带宽可以在最小带宽和最大带宽之间调整，而不会由于所述带宽调整而在所述滤波后光输出中产生插入损耗；所述滤波后光信号在两个带外频率下无限衰减。
在一些示例中，所述至少一对附加的可调谐MRR包括两对附加的可调谐MRR。所述第一臂MRR、所述第二臂MRR、每个附加的第一臂MRR和每个附加的第二臂MRR中的每一个的频率相关相位可以被调谐，使得：所述滤波后光输出的频谱响应呈现八阶传递函数；所述滤波器带宽可以在最小带宽和最大带宽之间调整，而不会由于所述带宽调整而在所述滤波后光输出中产生插入损耗；所述滤波后光信号在六个带外频率下无限衰减。
在一些方面中，本发明描述了一种设备。所述设备具有光学干涉仪，用于将光输入分成由第一臂限定的第一路径和由第二臂限定的第二路径。所述设备具有第一臂微环谐振器(arm microring resonator，MRR)，可操作地耦合到所述第一臂。所述设备具有第二臂MRR，可操作地耦合到所述第二臂。所述设备具有第一臂MRR调谐器和第二臂MRR调谐器，用于分别调谐所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位。
在一些示例中，所述光学干涉仪是马赫-曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer，MZI)。
在一些示例中，所述设备还包括耦合器，用于组合所述第一路径的光输出和所述第二路径的光输出以产生滤波后光输出。
在一些示例中，所述设备还包括至少一对附加的可调谐MRR。每对可调谐MRR包括：附加的第一臂MRR，可操作地耦合到与所述第一臂MRR串联的第一臂；附加的第二臂MRR，可操作地耦合到与所述第二臂MRR串联的第二臂；附加的第一臂MRR调谐器和附加的第二臂MRR调谐器，用于分别调谐所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位。
在一些示例中，所述第一臂MRR调谐器和所述第二臂MRR调谐器都包括热调谐器。
在一些示例中，每个热调谐器包括可操作地耦合到其各自MRR的加热器。
在一些示例中，每个调谐器包括可操作地耦合到其各自MRR的热调谐器。
在一些方面中，本发明描述了一种方法。光学干涉仪用于将光输入分成由第一臂限定的第一路径和由第二臂限定的第二路径。可操作地耦合到所述第一臂的第一臂微环谐振器(arm microring resonator，MRR)用于将第一频率相关相位施加到所述第一路径。可操作地耦合到所述第二臂的第二臂MRR用于将第二频率相关相位施加到所述第二路径。第一臂MRR调谐器和第二臂MRR调谐器用于分别调谐所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位，使得：所述第一臂MRR和所述第二臂MRR共享公共耦合系数；所述第一臂MRR的相位等于所述第二臂MRR的相位的负值。耦合器用于组合所述第一路径的光输出和所述第二路径的光输出，以根据所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位生成具有滤波器带宽和滤波器中心频率的滤波后光输出。
在一些示例中，所述光学干涉仪是马赫-曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer，MZI)。
在一些示例中，附加的第一臂MRR用于将附加的第一频率相关相位施加到所述第一路径，其中，所述附加的第一臂MRR可操作地耦合至与所述第一臂MRR串联的第一臂。附加的第二臂MRR用于将附加的第二频率相关相位施加到所述第二路径，其中，所述附加的第二臂MRR可操作地耦合至与所述第二臂MRR串联的第二臂。附加的第一臂MRR调谐器和附加的第二臂MRR调谐器用于分别调谐所述附加的第一频率相关相位和所述附加的第二频率相关相位，使得：所述附加的第一臂MRR和所述附加的第二臂MRR共享公共耦合系数；所述附加的第一频率相关相位等于所述附加的第二频率相关相位的负值。
在一些示例中，所述第一频率相关相位和所述第二频率相关相位可以被调谐，使得：所述滤波器带宽可以在最小带宽和最大带宽之间调整，而不会由于所述带宽调整而在所述滤波后光输出中产生插入损耗。
附图说明
现在将通过示例参考示出本申请示例性实施例的附图，其中：
图1为本文中描述的示例提供的由加载有N对微环谐振器(microring resonator，MRR)(统称为MRR-MZI)的马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)组成的示例性滤光器架构的示意图。
图2为本文中描述的示例提供的由加载有一对微环谐振器的马赫-曾德尔干涉仪组成的二阶滤光器的示意图。
图3为图2的示例性二阶滤波器的频率响应的图，功率(Y轴)相对于频率(X轴)绘制。
图4A是在带宽调谐期间图2的示例性二阶滤波器的极点位置的图，其中，虚分量(Y轴)相对于实分量(X轴)绘制。
图4B为图2的示例性二阶滤波器的MRR相位调谐曲线的图，带宽(Y轴)相对于相位失谐(X轴)绘制。
图5为图2的示例性二阶滤波器的通带中模拟纹波的图，功率(Y轴)相对于相位失谐(X轴)绘制。
图6为本文中描述的示例提供的调谐滤光器以实现所需带宽和中心频率的示例性方法的流程图。
图7为本文中描述的示例提供的示例性四阶滤波器的频率响应的图，功率(Y轴)相对于相位失谐(X轴)绘制。
图8为示例性四阶滤波器的极点位置的图，其中，虚分量(Y轴)相对于实分量(X轴)绘制。
图9为示例性四阶滤波器的MRR相位调谐曲线的图，带宽(Y轴)相对于相位失谐(X轴)绘制。
图10为本文中描述的示例提供的示例性八阶滤波器的频率响应的图，功率(Y轴)相对于相位失谐(X轴)绘制。
图11为示例性八阶滤波器的MRR相位调谐曲线的图，带宽(Y轴)相对于相位失谐(X轴)绘制。
不同的附图中使用了相似的附图标记来表示相似的组件。
具体实施方式
在本文描述的示例中，公开了提供具有频率调谐的可变带宽滤光器的方法和设备。一对或多对微环谐振器(microring resonator，MRR)可操作地耦合到马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)的臂上，以提供具有频率调谐能力的可变带宽滤波器。除了用于调谐滤波器带宽的加热器外，不需要额外的加热器(或其他调谐器)来启用频率调谐。耦合到MZI臂的任意数量N对MRR的MRR-MZI配置提供了通用的高阶VB滤波架构。滤波器的带宽和频率中心波长都可以通过调谐MRR频率相关相位来调谐：因此，不需要像现有技术那样耦合调谐。此外，启用带宽和频率调谐所需的MRR调谐器(如加热器)的数量与MRR的数量相同，与现有的滤光器架构相比，提供了其他的潜在优势。在一些实施例中，可以通过优化滤波器耦合系数来实现宽带宽调谐范围，该系数可能不同于传统(例如，平顶)MRR滤波器使用的系数。
图1是包括MZI的可变带宽(variable bandwidth，VB)滤光器100的示意图，MZI的每个臂可操作地耦合到N个MRR。图1的示例性实施例示出了根据本文描述的技术设计滤光器的可扩展架构；可以调整MRR对的数量N以实现阶数(2N)的滤波器响应。如图1所示，滤波器100为光学干涉仪，用于将光输入信号102分成由MZI的第一臂103限定的第一路径和由第二臂104限定的第二路径。在一些实施例中，滤波器100使用耦合器101(例如3dB光耦合器)将输入信号102分成两个振幅相等的信号部分，其中一个穿过第一路径，另一个穿过第二路径。
第一第一臂MRR 110(表示为“MRR 1”)可操作地耦合到第一臂103，以将第一第一臂MRR 110的频率相关相位施加到穿过第一路径的光信号的部分。第一第二臂MRR 116(“MRR N+1”)可操作地耦合到第二臂104，以将第一第二臂MRR 116的频率相关相位施加到穿过第二路径的光信号的部分。附加的MRR对分别可操作地耦合到第一臂103和第二臂104：MRR 2 112至MRR N 114可操作地耦合到第一臂103，MRR N+2 118至MRR 2N120可操作地耦合到第二臂104。每对附加的MRR在这里可以被称为附加的第一臂MRR和附加的第二臂MRR。
一对MRR中的每个MRR在功能上与该对中的另一个MRR相关，在此可称为其“对应”或“对应MRR”：因此，MRR 1 110具有对应MRR N+1 116，MRR 2 112具有对应MRR N+2 118，依此类推，直到MRR N 114具有对应MRR 2N 120。这种通用架构——具有可操作地耦合到其臂上的N对MRR的MZI，其中，N是任意正整数，在这里可以被称为MRR加载的MZI或MRR-MZI。
每个MRR被配置并耦合到其相应的臂，以产生耦合系数K。每个MRR的耦合系数等于其对应MRR的耦合系数。因此，MRR 1 110具有耦合系数K1 134，等于MRR N+1 140的耦合系数KN+1 128。类似地，MRR 2 112具有耦合系数K2 136，等于MRR N+2 118的耦合系数KN+2142，直到MRR N 114具有耦合系数KN 138，等于MRR 2N 120的耦合系数K2N144。选择给定滤波器设计的MRR的耦合系数集，以获取2N阶的所需滤波器频谱响应。在一些实施例中，耦合系数可以在制造后改变或调整。
每个MRR 110、112、114、116、118、120由相应的MRR调谐器202、204、206、208、210、212调谐。在一些实施例中，MRR调谐器可以是热调谐器，例如可操作地耦合到相应MRR的金属微加热器，以使用已知的微环调谐技术实现MRR调谐，例如选择性地加热每个微环以调整其相位和谐振频率。在一些实施例中，金属微加热器制造在印刷电路板上它们各自MRR上方的位置，具有短间隙(例如，2微米)，以防止金属直接接触MRR的光波导。
每个MRR的频率相关相位可以由其各自的MRR调谐器调谐。每个MRR的相位相对于所选择的中心频率定义；因此，例如，具有谐振频率f1的第一MRR和具有谐振频率fN+1的第二MRR也可以定义为具有相位Φ1的第一MRR和具有相位ΦN+1的第二MRR。通过相对于所选择的中心频率调谐每个MRR的相位Φ，从而调谐MRR的谐振频率，滤波器100的带宽可以改变，同时保持所需的滤波器频谱形状。滤波器的中心频率也可以以相同的方式调谐。
在操作中，滤波器100的每个MRR的相位Φ等于其对应MRR的相位的负值。换句话说，任何给定MRR对的两个对应MRR定义了一对谐振频率，每个谐振频率与滤波器100的选定中心频率等距。因此，MRR 1 110具有相位Φ1 122，等于MRR N+1 116的相位ΦN+1128的负值。类似地，MRR 2 112具有相位Φ2 124，等于MRR N+2 118的相位ΦN+2 130的负值，直到MRR N 114具有相位ΦN 126，等于MRR 2N 120的相位Φ2N 132的负值。在一些实施例中，每个MRR的相位通过软件算法优化，以获取指定中心频率下的期望滤波器响应和带宽。执行软件算法的计算机可以使用已知的MRR调谐技术连接到滤波器100的MRR调谐器。
在一些实施例中，第一臂MRR的频率相关相位和第二臂MRR的频率相关相位可以被调谐以实现滤波器100的许多期望特性，如在各种模拟和实验中测量的，其结果在下面参考图3至图5和图7至图11描述。滤波器带宽可以调整，而不会在滤波后光输出中产生插入损耗。滤波器带宽可以在最小带宽和最大带宽之间调整，最大带宽为二阶滤波器最小带宽的至少3倍，四阶滤波器最小带宽的至少7倍，八阶滤波器最小带宽的至少30倍。滤波后光信号具有带内纹波，对于二阶滤波器，其幅度小于3分贝(dB)，对于四阶滤波器，其幅度小于1分贝，对于八阶滤波器，其幅度小于0.5分贝。
在通过滤波器100的第一臂103和第二臂104之后，两个信号部分由输出耦合器107(例如另一个3dB光耦合器)重新组合，以形成滤波后光输出105。根据已知技术，滤波后光输出105可以进一步分成下降信号106和直通信号108。
图2是根据图1的通用滤波器架构的二阶滤波器200的示意图。二阶滤波器200只有一对MRR(即，N＝1)：第一臂MRR 110和第二臂MRR 116。第一臂MRR调谐器202以虚线示出，指示第一臂MRR 110上方的位置。第二臂MRR调谐器204类似地示出在第二臂MRR 116的上方。每个MRR调谐器202、204用于分别调谐其相应MRR的频率相关相位，使得第一臂MRR 110和第二臂MRR 116共享公共耦合系数，第一臂MRR 110具有相位Φ1122，等于第二臂MRR 116的相位ΦN+1 128的负值(即，Φ1＝–ΦN+1)。
输出耦合器107用于组合第一路径(即第一臂103)的光输出和第二路径(即第二臂104)的光输出以产生滤波后光输出205。滤波后光输出205具有基于第一臂MRR 110的相位失谐和第二臂MRR 116的相位失谐的滤波器带宽和滤波器中心频率。图3中示出了滤波后光输出205的示例图。
图3是图2的示例性二阶滤波器200的频率响应300的图，功率304(Y轴)以分贝绘制，相对于以太赫兹绘制的频率302(X轴)。为调谐到几个不同带宽的滤波器200绘制频率响应，范围从低带宽设置308到高带宽设置306。通过3分贝损耗水平314测量带宽，滤波器200的示例实施例已经证明了在0.05nm(6.25GHz)310和0.17nm(21.25GHz)312之间调谐到3dB带宽的容量，代表3dB带宽的三倍以上可调谐增加。当描述本文描述的各种实施例中的滤波器行为时，术语“带宽”应用于表示滤波器的分数带宽，特别是相对于滤波器中使用的MRR的自由频谱范围(free spectral range，FSR)标准化的3dB带宽，除非另有说明。
从数学上讲，改变滤波器的带宽意味着改变滤波器极点的位置。使用上述示例性二阶滤波器200，可以通过改变MRR的相位(或谐振频率)来改变极点的位置。为了实现可变滤波器带宽，同时将带内纹波保持在指定的最大值以下，二阶滤波器200的极点的移动可以跟随图4A中所示的轨迹。
图4A为在带宽调谐期间图2的示例性二阶滤波器的极点位置的图400，其中，虚分量404(Y轴)相对于实分量402(X轴)绘制。第一臂MRR 110的极点组410示出在图400的正虚部中，而第二臂MRR 116的极点组412示出在图400的负虚部中。每对极点(对于第一臂MRR110和第二臂MRR 116)的实值402彼此相等。因此，上臂(第一臂MRR 110)上的MRR产生一个极点，该极点是由下臂(第二臂MRR 116)上的MRR产生的极点的复共轭。
当围绕标称值(即对应于滤波器200的中心频率的相位值)失谐每个MRR 110、116的相位时，极点将围绕图400的原点旋转。极点分离越多，滤波器带宽就越宽。当调谐到低带宽值时，滤波器200具有低带宽极点408。随着滤波器200的带宽通过相位调谐增加，每个MRR的极点沿着所示的轨迹朝一对高带宽极点406移动。通过调谐MRR 110、116的频率相关相位，滤波器200的极点的位置沿着所示的轨迹移动。该图400中所示的各种带宽值对应于图3中所示的滤波器频谱响应，其表明带宽可以增加超过三倍的倍数。一些实施例可以显示出与传统滤光器相比的优势，因为通过简单地调谐MRR相位而不改变它们的耦合系数，允许滤波器的极点和零点根据特定轨迹移动，滤波器的频谱响应的形状可以在可调谐带宽范围内保持。
图4B为图2的示例性二阶滤波器200的MRR相位调谐曲线456的图450，其具有相对于滤波器200的自由频谱谱范围(free spectral range，FSR)测量的分数带宽454(Y轴)，相对于相位失谐452(X轴)绘制，以弧度测量。相位调谐曲线456指示获得滤波器200的给定分数带宽所需的第一臂MRR 110的相位Φ1 122。第二臂MRR 116的相位ΦN+1 128等于Φ1 122的负值。应当理解，随着需要更高的带宽，相位失谐的幅度(正或负)增加。
图5为图2的示例性二阶滤波器200的通带中模拟纹波506、508的图500，功率504(Y轴)以分贝测量，相对于相位失谐502(X轴)绘制，这里以相对于滤波器200的FSR测量的分数带宽测量。带内纹波在对应于图3、图4A和图4B中绘制的滤波器带宽的各种滤波器带宽处示出，从高带宽纹波506到低带宽纹波508，相邻带宽值在实线和虚线之间交替。
由于二阶滤波器200中仅使用2个MRR 110、116，因此在一些实施例中可能会产生大约2.5dB的最大带内纹波，并且在一些实施例中，由于带宽调谐，不会产生额外的插入损耗。在一些实施例中，例如图5的所示示例，最大带内纹波保持在0.5dB容差内(例如，如图所示，在0dB和–5dB之间)。
图6为调谐滤光器以实现所需带宽和中心频率的示例性方法600的流程图。将参考图1的示例性滤光器100描述方法600。应当理解，图1的示例滤波器100提供了一种可扩展的框架或架构，用于通过将N对MRR耦合到MZI的臂来构建任意阶N的滤光器。
在602中，光学干涉仪用于将光输入102分成由第一臂103限定的第一路径和由第二臂104限定的第二路径。在一些实施例中，分光可以通过耦合101实现。在一些实施例中，光学干涉仪是马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)。
在604中，可操作地耦合到第一臂103的第一臂微环谐振器(arm microringresonator，MRR)110，以将第一频率相关相位施加到第一路径。
在606中，可操作地耦合到第二臂104的第二臂MRR 116用于将第二频率相关相位施加到第二路径。
在608中，第一臂MRR调谐器202和第二臂MRR调谐器204分别调谐第一频率相关相位和第二频率相关相位。MRR 110、116的频率相关相位被调谐，使得第一臂MRR 110和第二臂MRR 116共享公共耦合系数(K1 134＝KN+1 140)，并且第一臂MRR 110具有等于第二臂MRR116的相位ΦN+1 128的负值的相位Φ1 122。在一些实施例中，第一频率相关相位和第二频率相关相位可以被调谐，使得滤波器带宽被调整，而不会由于所述带宽调整而在滤波后光输出中产生插入损耗，如上所述。在一些实施例中，滤波器带宽可以在最小带宽和最大带宽之间调整，最大带宽是最小带宽的至少三倍，如上所述。在一些实施例中，滤波后光信号具有幅度小于3分贝(dB)的带内纹波。
在610中，附加的第一臂MRR(例如，第一附加的第一臂MRR 2 112)用于将附加的第一频率相关相位施加到第一路径，其中，附加的第一臂MRR可操作地耦合至与第一臂MRR110串联的第一臂103。
在612中，附加的第二臂MRR(例如，第一附加的第二臂MRR N+2 118)用于将附加的第二频率相关相位施加到第二路径，其中，附加的第二臂MRR可操作地耦合至与第二臂MRR116串联的第二臂104。
在614中，附加的第一臂MRR调谐器206和附加的第二臂MRR调谐器208用于分别调谐附加的第一臂MRR 112的频率相关相位和附加的第二臂MRR 118的频率相关相位。附加的第一臂MRR 112和附加的第二臂MRR 118共享公共耦合系数(K2 136＝KN+2 142)，并且附加的第一臂MRR 112的相位等于附加的第二臂MRR 118的相位的负值。
在616中，耦合器107用于组合第一路径的光输出和第二路径的光输出，以根据第一臂MRR 110的频率相关相位和第二臂MRR 116的频率相关相位生成具有滤波器带宽和滤波器中心频率的滤波后光输出105。
应当理解，方法600的步骤以特定的顺序描述，但这些步骤可以以不同的顺序或同时执行。具体地，方法600的步骤由滤波器100的各种组件连续执行。
通过将滤波器100中的MRR对的数量设置为大于1(N>1)，可以实现比图2的二阶滤波器200表现出更高阶滤波器行为的高阶滤波器。现在将参考图7至图11描述具有两对MRR(N＝2)的四阶滤波器和具有四对MRR(N＝4)的八阶滤波器。
图7是示例性四阶滤波器的频率响应的图700，功率704(Y轴)，以分贝测量，相对于相位失谐702(X轴)绘制，测量为相对于FSR的分数带宽。与图3中二阶滤波器200的图形频率响应相反，该图形700中的X轴被测量为相对于中心频率的相位失谐，而不是以太赫兹表示绝对带宽的每个图形曲线的频率。四阶滤波器的频率响应在图7中以三个带宽调谐值描绘：高带宽值706、中带宽值708和低带宽值710。在一些实施例中，绘制为X轴702的分数带宽Δf/FSR已经证明了从Δf/FSR＝0.01变化到Δf/FSR＝0.08的容量，代表3dB带宽的8倍增加。
图8是图7的示例性二阶滤波器的极点位置的图800，其中，虚分量804(Y轴)相对于实分量802(X轴)绘制。第一极点集810示出了第一臂MRR 110的极点位置；第二极点集812示出了第二臂MRR 116的极点位置；第三极点集814示出了附加的第一臂MRR 112的极点位置；第四极点集816示出了附加的第二臂MRR 118的极点位置。如图4A中所示，更接近虚零值808的极点对应于滤波器的低带宽调谐值，而远离虚零值806的极点对应于滤波器的高带宽调谐值。
在一些实施例中，图7和图8的四阶滤波器的最大带内纹波已被证明小于1dB，没有由于带宽调谐而产生额外的插入损耗。
图9是示例性四阶滤波器的MRR相位调谐曲线的图900，其具有相对于FSR测量的分数带宽904(Y轴)，相对于相位失谐902(X轴)绘制，以弧度测量。第一相位调谐曲线906指示第一臂MRR 110的相位Φ1 122，第二相位调谐曲线908指示附加的第一臂MRR112的相位Φ2124，以获取四阶滤波器的给定分数带宽。
图10是示例性八阶滤波器的频率响应的图1000，功率1004(Y轴)，以分贝测量，相对于相位失谐1002(X轴)绘制，测量为FSR上的带宽(Δf)。图1000将低带宽频率响应1008示出为实线，将高带宽频率响应1006示出为虚线。在一些实施例中，绘制为X轴1002的带宽与FSR的比率已经证明了从Δf/FSR＝0.01变化到Δf/FSR＝0.3的容量，代表3dB带宽的30倍增加。
图11是图10的示例性八阶滤波器的MRR相位调谐曲线的图1100，其具有相对于FSR测量的分数带宽1104(Y轴)，相对于相位失谐1102(X轴)绘制，以弧度测量。四对MRR的四个相位调谐曲线示出了MRR调谐器为实现八阶滤波器的给定分数带宽而需要设置的相位失谐值：第一相位调谐曲线1106指示第一臂MRR 110的相位Φ1 122，第二相位调谐曲线1108指示第一附加第一臂MRR 112的相位Φ2 124，第三相位调谐曲线1110指示第二附加第一臂MRR 114的相位Φ3 126，第四相位调谐曲线1112指示第三附加第一臂MRR116的相位Φ4128。
在一些实施例中，图10和图11的八阶滤波器的最大带内纹波已被证明小于0.5dB，没有由于带宽调谐而产生额外的插入损耗。
应当理解，图7和图10中所示的四阶和八阶滤波器的频率响应表现出直接邻近感兴趣中心频带的局部最小值或谷值。在一些实施例中，该谷值用于进一步强调感兴趣中心频带，并促进滤波后光输出105的该频带的隔离。具体地，对于每个调谐带宽，图7的四阶滤波器的谷值显示出两个带外频率720(一个在通带的任一侧)，由于破坏性干扰，具有零传输(即无限衰减)。类似地，图10的八阶滤波器显示具有无限衰减的六个带外频率720(通带两侧有三个)。
尽管本发明以特定的顺序描述了方法和流程，但可以视情况省略或更改方法和流程的一个或多个步骤。一个或多个步骤可以按顺序执行，但不是按描述的顺序执行(视情况而定)。
尽管描述了本发明，但至少部分地，就方法而言，本领域普通技术人员将理解，本发明还涉及各种组件，用于通过硬件组件、软件或两者的任意组合执行所描述的方法的至少一些方面和特征。相应地，本发明的技术方案可通过软件产品的形式体现。合适的软件产品可以存储在预先记录的存储设备或其它类似的非易失性或非瞬时性计算机可读介质中，例如，DVD、CD-ROM、USB闪存盘、可移动硬盘或其它存储介质等。软件产品包括其上存储的指令，这些指令使处理器设备(例如个人计算机、服务器或网络设备)能够执行本文所公开的方法的示例。
本发明可以其它特定形式体现，而不脱离权利要求的主题。所描述的示例实施例在各方面都仅仅是示意性的，而不是限制性的。可以将上述一个或多个实施例中的选定特征组合以创建未明确描述的替代性实施例，理解适合此类组合的特征在本发明的范围内。
还公开了公开范围内的所有值和子范围。此外，虽然本文所公开和显示的系统、器件和流程可包括特定数量的元素/组件，但可以修改所述系统、器件和组合件，以包括此类元素/组件中的更多或更少的元素/组件。例如，尽管所公开的任何元素/组件可引用为单数，但可以修改本文所公开的实施例以包括多个此类元素/组件。本文所描述的主题旨在覆盖和涵盖所有适当的技术变更。

Claims (20)

1.一种设备，其特征在于，包括：
光学干涉仪，用于将光输入分成由第一臂限定的第一路径和由第二臂限定的第二路径；
第一臂微环谐振器(microring resonator，MRR)，可操作地耦合到所述第一臂；
第二臂MRR，可操作地耦合到所述第二臂；
第一臂MRR调谐器和第二臂MRR调谐器，用于分别调谐所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位，使得：
所述第一臂MRR和所述第二臂MRR共享公共耦合系数；
所述第一臂MRR的相位等于所述第二臂MRR的相位的负值；
耦合器，用于组合所述第一路径的光输出和所述第二路径的光输出，以根据所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位生成具有滤波器带宽和滤波器中心频率的滤波后光输出。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光学干涉仪是马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，还包括：
至少一对附加的可调谐MRR，每对可调谐MRR包括：
附加的第一臂MRR，可操作地耦合到与所述第一臂MRR串联的第一臂；
附加的第二臂MRR，可操作地耦合到与所述第二臂MRR串联的第二臂；
附加的第一臂MRR调谐器和附加的第二臂MRR调谐器，用于分别调谐所述附加的第一臂MRR的频率相关相位和所述附加的第二臂MRR的频率相关相位，使得：
所述附加的第一臂MRR和所述附加的第二臂MRR共享公共耦合系数；
所述附加的第一臂MRR的相位等于所述附加的第二臂MRR的相位的负值。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第一臂MRR调谐器和所述第二臂MRR调谐器都包括热调谐器。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，每个热调谐器包括可操作地耦合到其各自MRR的加热器。
6.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，每个调谐器包括可操作地耦合到其各自MRR的热调谐器。
7.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位可以被调谐，使得：
所述滤波后光输出的频谱响应呈现二阶传递函数；
所述滤波器带宽可以在最小带宽和最大带宽之间调整，而不会由于所述带宽调整而在所述滤波后光输出中产生插入损耗。
8.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，
所述至少一对附加的可调谐MRR包括一对附加的可调谐MRR；
所述第一臂MRR、所述第二臂MRR、所述附加的第一臂MRR和所述附加的第二臂MRR中的每一个的频率相关相位可以被调谐，使得：
所述滤波后光输出的频谱响应呈现四阶传递函数；
所述滤波器带宽可以在最小带宽和最大带宽之间调整，而不会由于所述带宽调整而在所述滤波后光输出中产生插入损耗；
所述滤波后光信号在两个带外频率下无限衰减。
9.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，
所述至少一对附加的可调谐MRR包括两对附加的可调谐MRR；
所述第一臂MRR、所述第二臂MRR、每个附加的第一臂MRR和每个附加的第二臂MRR中的每一个的频率相关相位可以被调谐，使得：
所述滤波后光输出的频谱响应呈现八阶传递函数；
所述滤波器带宽可以在最小带宽和最大带宽之间调整，而不会由于所述带宽调整而在所述滤波后光输出中产生插入损耗；
所述滤波后光信号在六个带外频率下无限衰减。
10.一种设备，其特征在于，包括：
光学干涉仪，用于将光输入分成由第一臂限定的第一路径和由第二臂限定的第二路径；
第一臂微环谐振器(arm microring resonator，MRR)，可操作地耦合到所述第一臂；
第二臂MRR，可操作地耦合到所述第二臂；
第一臂MRR调谐器和第二臂MRR调谐器，用于分别调谐所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述光学干涉仪是马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括耦合器，用于组合所述第一路径的光输出和所述第二路径的光输出以产生滤波后光输出。
13.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括：
至少一对附加的可调谐MRR，每对可调谐MRR包括：
附加的第一臂MRR，可操作地耦合到与所述第一臂MRR串联的第一臂；
附加的第二臂MRR，可操作地耦合到与所述第二臂MRR串联的第二臂；
附加的第一臂MRR调谐器和附加的第二臂MRR调谐器，用于分别调谐所述附加的第一臂MRR的频率相关相位和所述附加的第二臂MRR的频率相关相位。
14.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述第一臂MRR调谐器和所述第二臂MRR调谐器都包括热调谐器。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于，每个热调谐器包括可操作地耦合到其各自MRR的加热器。
16.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，每个调谐器包括可操作地耦合到其各自MRR的热调谐器。
17.一种方法，其特征在于，包括：
使用光学干涉仪将光输入分成由第一臂限定的第一路径和由第二臂限定的第二路径；
使用可操作地耦合到所述第一臂的第一臂微环谐振器(arm microring resonator，MRR)将第一频率相关相位施加到所述第一路径；
使用可操作地耦合到所述第二臂的第二臂MRR将第二频率相关相位施加到所述第二路径；
使用第一臂MRR调谐器和第二臂MRR调谐器分别调谐所述第一频率相关相位和所述第二频率相关相位，使得：
所述第一臂MRR和所述第二臂MRR共享公共耦合系数；
所述第一频率相关相位等于所述第二频率相关相位的负值；
使用耦合器组合所述第一路径的光输出和所述第二路径的光输出，以根据所述第一臂MRR的频率相关相位和所述第二臂MRR的频率相关相位生成具有滤波器带宽和滤波器中心频率的滤波后光输出。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述光学干涉仪是马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
使用附加的第一臂MRR将附加的第一频率相关相位施加到所述第一路径，其中，所述附加的第一臂MRR可操作地耦合至与所述第一臂MRR串联的第一臂；
使用附加的第二臂MRR将附加的第二频率相关相位施加到所述第二路径，其中，所述附加的第二臂MRR可操作地耦合至与所述第二臂MRR串联的第二臂；
使用附加的第一臂MRR调谐器和附加的第二臂MRR调谐器分别调谐所述附加的第一频率相关相位和所述附加的第二频率相关相位，使得：
所述附加的第一臂MRR和所述附加的第二臂MRR共享公共耦合系数；
所述附加的第一频率相关相位等于所述附加的第二频率相关相位的负值。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述第一频率相关相位和所述第二频率相关相位可以被调谐，使得：
所述滤波器带宽可以在最小带宽和最大带宽之间调整，而不会由于所述带宽调整而在所述滤波后光输出中产生插入损耗。
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