CN116736446A - 一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器 - Google Patents

一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有超大自由光谱范围的法布里‑珀罗光学滤波器。光学滤波器由模式解复用器经滤波单元后与直通波导相连组成。模式解复用器包括输入连接波导、模式复用器、第一连接波导和传输波导,输入连接波导的一端与传输波导的一端均与模式复用器相连,输入连接波导的另一端作为光学滤波器的输入端,传输波导的另一端组作为光学滤波器的下载端,模式复用器经第一连接波导后与滤波单元相连。滤波单元由多个多模波导光栅依次相连组成。本发明在各种材料平台(如:绝缘体上硅,氮化硅,铌酸锂平台)的光滤波器都有容差大,易于加工,带宽可自由调节,消光比大,FSR大的优点。根据具体通信协议需求,可以实现不同带宽,不同通道数的光滤波器。

Description

一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器
技术领域
本发明属于光通信领域的一种光学滤波器,具体涉及一种具有超大自由光谱范围(Free Spectral Range,FSR)的法布里-珀罗(Fabry-Perot,FP)光学滤波器。
背景技术
随着广播电视网和互联网的逐渐发展和融合,数据业务对带宽的需求日益增长。在现在光通信系统中,光纤到户(Fiber To The Home,FTTH)是一种直接把光纤接到用户家中的传输方法,解决的是“最后一公里”的信息传输。密集波分复用器(DWDM)是无源光网络方式FTTH的一个核心器件,有着超大容量,超长距离传输,对数据的“透明”传输、平滑扩容,节约光纤资源,可组成全光网络的优点。其主要功能是将不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传送。
基于布拉格光栅的FP腔光学滤波器具有灵活的波长选择、高消光比、平顶滤波特性、低附加损耗和超宽的自由光谱范围等优点,是在绝缘体上硅做光滤波器的较好选择。但目前的在各个平台上的FP光腔滤波器具有较小FSR,较低消光比和较高损耗的问题,这样的FP光腔滤波器显然无法实现DWDM系统。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题,本发明提出了一种具有超大FSR的FP光学滤波器,是具有低损耗、高边模抑制比,高稳定性且超大FSR的高性能光滤波器。
本发明采用的技术方案是:
一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器包括模式解复用器、滤波单元和直通波导;模式解复用器经滤波单元后与直通波导相连。
所述模式解复用器包括输入连接波导、模式复用器、第一连接波导和传输波导,输入连接波导的一端与传输波导的一端均与模式复用器的一端相连,输入连接波导的另一端作为光学滤波器的输入端,传输波导的另一端组作为光学滤波器的下载端,模式复用器的另一端经第一连接波导后与滤波单元相连。
所述第一连接波导为锥形波导。
所述滤波单元由多个多模波导光栅依次相连组成。
所述直通波导由第二连接波导和下载波导相连组成,第二连接波导与滤波单元相连,下载波导作为光学滤波器的输出端。
所述第二连接波导为锥形波导。
所述滤波单元由2个多模波导光栅依次相连组成,2个多模波导光栅的结构相同或者不同。
所述滤波单元由3个多模波导光栅依次相连组成,两侧的多模波导光栅结构相同,使得滤波单元关于中心对称。
本发明基于由横向振幅切趾的多模波导光栅组成的FP腔,具有容差大,带宽可调节,超大FSR,可以实现各种不同带宽,不同通道数需求的滤波器的优点;通过横向调节光栅齿深实现切趾,降低了相邻通道间的串扰,在各种材料平台(如:绝缘体上硅,氮化硅,铌酸锂平台)上实现了大FSR小带宽的抑制比的多模光栅滤波器,大大提高了该光栅滤波器的性能,为各种材料平台提供了核心无源器件——滤波器。
本发明的有益效果如下:
本发明通过引入多模波导光栅和模式复用/解复用器,利用模式转换的方法实现了上传和下载的功能。
本发明采用两个布拉格反射式结构组成的FP腔,采用了宽波导结构降低加工灵敏度,提高了器件鲁棒性,引入多模实现了上传和下载结构,且具有灵活的波长选择性、3dB带宽可调节、稳定性好、体积小、低附加损耗和超宽的自由光谱范围等优点,易于满足各类光通信应用需求。
本发明采用三个布拉格反射式结构组成的级联FP腔,同样采用了宽波导结构降低加工灵敏度,提高了器件鲁棒性,引入多模实现了上传和下载结构,且具有灵活的波长选择性、3dB带宽可调节,实现了平顶滤波的功能、稳定性好、体积小、低附加损耗和超宽的自由光谱范围等优点,易于满足各类光通信应用需求。
本发明采用三个布拉格反射式结构组成的级联FP腔,可以级联构成DWDM系统,也可以组成光计算阵列,且这样构成的DWDM系统和光计算阵列,通道间隔均匀,通道数量密集。
本发明可以用平面集成光波导工艺制作,只需要一次刻蚀完成,工艺简便,成本低,性能高,损耗小,体积小,稳定性好具有很大的生产化潜力。
综合来说,本发明在各种材料平台(如:绝缘体上硅,氮化硅,铌酸锂平台)上获得了一个工艺容差大,易于加工,结构简单、3dB带宽可调节、低损耗、体积小,消光比大,边带抑制比大和超大FSR的光学滤波器。根据具体通信协议需求,可以实现不同带宽,不同通道数的光滤波器。
附图说明
图1是具有超大FSR的FP腔绝缘体上硅光学滤波器的整体结构示意图。
图2是FP腔光学滤波器的工作原理示意图。
图3是级联FP腔多通道绝缘体上硅光学滤波器的整体结构示意图。
图4是FP腔光学滤波器的工作原理示意图。
图5是本发明本发明实施例1采用多模波导光栅组成的FP腔的仿真效果示意图。
图6是本发明本发明实施例1采用多模波导光栅组成的级联FP腔的仿真效果示意图。
图中:模式解复用器1,滤波单元2,直通波导3,输入连接波导n01,模式复用器n02,第一连接波导n03,传输波导n04,第二连接波导n05,下载波导n06。
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、图2、图3和图4所示,本发明包括模式解复用器1、滤波单元2和直通波导3;模式解复用器1经滤波单元2后与直通波导3相连。
模式解复用器1包括输入连接波导n01、模式复用器n02、第一连接波导n03和传输波导n04,输入连接波导n01的一端与传输波导n04的一端均与模式复用器n02的一端相连,输入连接波导n01的另一端作为光学滤波器的输入端,传输波导n04的另一端组作为光学滤波器的下载端,模式复用器n02的另一端经第一连接波导n03后与滤波单元2的多模波导光栅相连。第一连接波导n03为锥形波导。
模式解复用器1中的模式复用工作区n02,用于实现TE1模式向TE0的模式转换,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。
滤波单元2由多个多模波导光栅依次相连组成。
直通波导3由第二连接波导n05和下载波导n06相连组成,第二连接波导n05与滤波单元2的多模波导光栅相连,下载波导n06作为光学滤波器的输出端。第二连接波导n05为锥形波导。
下面说明本发明作为种具有超大FSR的FP腔多通道绝缘体上硅光学滤波器的工作过程:
本发明的工作原理如图2所示,携带信息的光信号从输入端输入。各个波长的光波TE0模式信号经过模式解复用器an1后模斑被展宽,但不激发高阶模式,进入横向振幅切趾的多模波导光栅后,满足相位匹配条件的各个波长被各个横向切趾的an2多模波导光栅反射并转换为TE1模式,但是根据设计结果并不会全部反射,通过多模波导光栅的一部分TE0模式在各个横向切趾的an3多模波导光栅中被反射成TE1,这一部分光会在an2和an3中反复反射构成一个FP腔,最终各个波长的光将作为TE0模式通过an4的下载波导,从各个下载端依次输出信号。而绝大部分光会作为将被模式解复用器被转换为TE0模式并耦合到模式解复用器an1的输出波导并被输出。通过优化光栅周期、锯齿深度、波导宽度和波导厚度和切趾强度,从而获得一个低损耗、体积小、窄带宽、稳定性腔的大边带抑制比和超大FSR的绝缘体上硅光学滤波器。
本发明的具体实施例1如下:
滤波单元2由2个多模波导光栅依次相连组成,2个多模波导光栅的结构相同或者不同。具体实施中,2个多模波导光栅记为an2和an3,2个多模波导光栅的锯齿分布一直保持反对称分布,使得入射的TE0/TE1模式被反射后转换为TE1/TE0模式,前一个多模波导光栅an2实现TE0模式反向耦合为TE1模式,而多模波导光栅an3实现TE1模式反向耦合为TE0模式,两者均满足相位匹配条件:
(neff0+neff1)/2=λ/Λ
其中,neff0为TE0模式的有效折射率,neff1为TE1模式的有效折射率,λ为滤波波长,Λ为光栅锯齿周期。an3的参数和an2完全一致,这样两者就会满足同样的相位匹配条件,它主要反射通过an1的TE0模式并在两者之间起到谐振的作用。具体实施中,多模波导光栅为带有横向振幅切趾的多模波导光栅。
选用基于硅绝缘体(绝缘体上硅)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;其下包层材料均为SiO2,厚度为2μm、折射率为1.4404;上包层材料为SU-8,厚度为1.2μm、折射率为1.57。
对于模式解复用器,选取演化区宽锥形波导两侧宽度分别为0.45μm、0.55μm,演化区窄锥形波导两侧宽度分别为0.25μm、0.12μm,三段的长度分别为20μm、50μm和15μm,宽窄两锥形光波导之间的间隔保持0.2μm不变,前S型波导与光波导之间的最大间隔为0.7μm,后S型波导与光波导之间的最大间隔为1.2μm。
对于构成FP腔的两个多模波导光栅,选取参数均为光栅总宽度为1100nm,光栅齿深度为600nm,光栅周期为320nm,光栅周期数为35,光栅占空比为0.5。
对于两个多模波导光栅,采用了强度切趾的方案,切趾形式为高斯切趾。
经三维时域有限差分算法对器件两个多模波导光栅构成的FP腔部分进行了仿真验证。图5对应FP腔的仿真结果,由图可知本发明的器件在1550nm通道有1nm的3dB带宽,具有平顶的响应特性,1550峰的插入损耗<0.5dB,对于1550nm通道两侧的串扰均<-25dB,对于1550通道两侧峰的FSR均大于35db。由此可见,本发明的器件可以获得一个具有低插损、低串扰、大FSR的FP腔滤波器。
本发明的具体实施例2如下:
滤波单元2由3个多模波导光栅依次相连组成,两侧的多模波导光栅结构相同,使得滤波单元2关于中心对称。具体实施中,3个多模波导光栅记为am2、am3与am4,3个多模波导光栅的锯齿分布一直保持反对称分布,使得入射的TE0/TE1模式被反射后转换为TE1/TE0模式,和上述an2和an3近似。
选用基于硅绝缘体(绝缘体上硅)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;其下包层材料均为SiO2,厚度为2μm、折射率为1.4404;上包层材料为SU-8,厚度为1.2μm、折射率为1.57。
对于模式解复用器,选取演化区宽锥形波导两侧宽度分别为0.45μm、0.55μm,演化区窄锥形波导两侧宽度分别为0.25μm、0.12μm,三段的长度分别为20μm、50μm和15μm,宽窄两锥形光波导之间的间隔保持0.2μm不变,前S型波导与光波导之间的最大间隔为0.7μm,后S型波导与光波导之间的最大间隔为1.2μm。
对于构成FP腔的三个多模波导光栅,选取参数均为光栅总宽度为1100nm,光栅齿深度为600nm,光栅周期为320nm,光栅周期数分别为30,70,30,光栅占空比为0.5。
对于三个多模波导光栅,采用了强度切趾的方案,切趾形式为高斯切趾。
经三维时域有限差分算法对多模波导光栅构成的级联FP腔部分进行了仿真验证。图6对应FP腔的仿真结果,由图可知本发明的器件在1550nm附近的通道有0.8nm的3dB带宽,1580附近的通道有2.8nm的3dB带宽,实现了平顶滤波,1550峰的插入损耗<0.6dB,对于相邻的通道两侧的串扰均<-45dB,对于1550通道两侧峰的FSR均大于25nm。由此可见,本发明的器件可以获得一个具有低插损、低串扰的DWDM系统。
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)

1.一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器,其特征在于,包括模式解复用器(1)、滤波单元(2)和直通波导(3);模式解复用器(1)经滤波单元(2)后与直通波导(3)相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器,其特征在于,所述模式解复用器(1)包括输入连接波导(n01)、模式复用器(n02)、第一连接波导(n03)和传输波导(n04),输入连接波导(n01)的一端与传输波导(n04)的一端均与模式复用器(n02)的一端相连,输入连接波导(n01)的另一端作为光学滤波器的输入端,传输波导(n04)的另一端组作为光学滤波器的下载端,模式复用器(n02)的另一端经第一连接波导(n03)后与滤波单元(2)相连。
3.根据权利要求2所述的一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器,其特征在于,所述第一连接波导(n03)为锥形波导。
4.根据权利要求1所述的一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器,其特征在于,所述滤波单元(2)由多个多模波导光栅依次相连组成。
5.根据权利要求1所述的一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器,其特征在于,所述直通波导(3)由第二连接波导(n05)和下载波导(n06)相连组成,第二连接波导(n05)与滤波单元(2)相连,下载波导(n06)作为光学滤波器的输出端。
6.根据权利要求5所述的一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器,其特征在于,所述第二连接波导(n05)为锥形波导。
7.根据权利要求1所述的一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器,其特征在于,所述滤波单元(2)由2个多模波导光栅依次相连组成,2个多模波导光栅的结构相同或者不同。
8.根据权利要求1所述的一种具有超大自由光谱范围的法布里-珀罗光学滤波器,其特征在于,所述滤波单元(2)由3个多模波导光栅依次相连组成,两侧的多模波导光栅结构相同,使得滤波单元(2)关于中心对称。
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