CN116990903A - 基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于级联法布里‑珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统。本发明中，输入波导与第一个滤波结构的输入端相连，输出波导与最后一个滤波结构的输出端相连；对于N个滤波结构中的第n个滤波结构，第n个滤波结构包括模式解复用器、滤波单元和直通波导，模式解复用器通过滤波单元与直通波导相连，模式解复用器的输入端作为滤波结构的输入端与输入波导或上一个滤波结构的输出端相连，模式解复用器的输出端作为滤波结构的输出端与输出波导或下一个滤波结构的输出端相连。本发明获得了一个低插损、低串扰且各通道均有平顶响应的多通道的密集波分复用器，具有与CMOS工艺兼容、结构简单、低插损和低串扰等优点。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域的一种片上密集波分复用系统，具体涉及了一种基于级联法布里-珀罗光学滤波器的片上密集波分复用系统。
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。通信传输网络与业务的关系在大幅度上涨的业务量形势下变得日趋复杂。原有的TDM(光纤单波传输和时分复用)无法适应新技术的需求。光纤单波传输商业应用的最高速率为40Gbits/s，并且价格不菲。TDM技术在复杂的网络和业务关系下难以适从。而采用纯光器件进行长波调度的光纤多波传输技术突破了电子器件处理速度的极限，在SDH(同步数字体系)技术的基础之上，光纤传播容量得以大幅度提升。于是DWDM(密集波分复用系统)系统变应运而生。其主要功能能组合一组光波长用一根光纤进行传送，这是一项用来在现有的光纤骨干网上提高带宽的激光技术。也可以指在一根特定的光纤中，多路复用单个光纤载波的紧密光谱间距，以便于达到传输过程中所需要的性能。
目前实际应用的DWDM系统是由分离式元件耦合而成的，具有成本高、不易封装和尺寸大等缺点，远不能满足未来光学器件的发展。基于法布里-珀罗光学滤波器和微环光滤波器的片上密集波分复用系统因具有易加工、小尺寸和低成本等特点而备受关注。目前在设计DWDM系统中最大的困难则是需要满足国际通信协议IP协议、ATM、SONET/SDH、以太网协议标准的要求。同时，为需要在满足带宽要求的同时，保证整体器件的低插损、低串扰。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。而微环则因为体积较大，鲁棒性较差的问题使得加工变的困难也很难大批量的制备出DWDM系统。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统。
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个滤波结构，N个滤波结构之间依次连接，输入波导与第一个滤波结构的输入端相连，输出波导与最后一个滤波结构的输出端相连；
对于所述N个滤波结构中的第n个滤波结构，第n个滤波结构包括模式解复用器、滤波单元和直通波导，模式解复用器通过滤波单元与直通波导相连，模式解复用器的输入端作为滤波结构的输入端与输入波导或上一个滤波结构的输出端相连，模式解复用器的输出端作为滤波结构的输出端与输出波导或下一个滤波结构的输出端相连。
所述第n个滤波结构中，模式解复用器包括输入连接波导、输出波导、模式复用工作区和输出连接波导，输入连接波导和输出波导均与模式复用工作区的一端相连，输入连接波导作为模式解复用器的输入端，输出波导作为模式解复用器的输出端，模式复用工作区的另一端与输出连接波导相连，输出连接波导与滤波单元一端相连。
所述第n个滤波结构中，滤波单元包括多个多模波导光栅和连接波导，多个多模波导光栅沿光轴依次间隔布置，处于滤波单元两端的两个多模波导光栅分别与模式解复用器和直通波导相连，相邻两个多模波导光栅之间通过连接波导进行连接。
不同滤波结构中，所述滤波单元的多模波导光栅的数量不同或相同。
所述第n个滤波结构中，滤波单元为关于中心对称的结构。
所述连接波导的波导宽度与多模波导光栅的波导宽度相同。
所述滤波单元中，连接波导为直波导。
所述第n个滤波结构中，直通波导由第三连接波导和下载波导相连组成，第三连接波导与滤波单元相连，下载波导作为系统的下载端。
所述第n个滤波结构中，第三连接波导为锥形波导。
所述滤波单元中，多个多模波导光栅均进行信号的TE0模式反向耦合为TE1模式，满足以下相位匹配条件：
(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。
本发明基于级联FP腔，容差大，具有超大FSR，3dB带宽可调节可以实现各种不同带宽，不同通道数需求的滤波器。
本发明的级联FP腔主要由三组多模波导光栅加上直波导依次相连组成，两侧的多模波导光栅和直波导结构相同，使得滤波单元关于中心对称。
本发明中在两个滤波单元之间通过模式复用器连接，这样不会有高阶模式通过，能减小通道之间的串扰，获得低插损、低串扰的密集波分复用系统。
本发明通过调控级联FP腔中的直波导调控中心波长，实现不同通道有不同的中心波长。
本发明的有益效果如下：
本发明将多通道信号通过级联FP腔复用到一个波导中，实现片上密集波分复用系统。
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可以滤除高阶模式的影响，不需要专门的滤模器。
本发明通过使用级联FP腔的结构大大降低了整体器件的体积
本发明通过特殊设计构建的模式复用/解复用器、FP腔相结合的波导结构能够减小通道间的串扰。
本发明采用特殊的级联FP腔结构，能够减小通道间的串扰，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。
本发明通过级联FP腔中的直波导调控中心波长，具有很大的容错性，大大提高了器件的鲁棒性。
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。
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。
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、低损耗、体积小，消光比大，稳定性好，通信通道之间串扰小的密集波分复用系统。可以根据具体通信协议需求，可以实现不同通道数和不同通道波段的密集波分复用系统。
附图说明
图1是基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统的整体结构示意图。
图2是滤波单元中的级联FP腔光学滤波器的结构示意图。
图3是基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统的工作原理示意图。
图4是本发明本发明实施例1在SOI上采用多级联法布里-珀罗光学滤波器的片上密集波分复用系统的仿真效果示意图。
图5是本发明本发明实施例1在LNOI上采用多级联法布里-珀罗光学滤波器的片上密集波分复用系统的仿真效果示意图。
图中：模式解复用器an1，滤波单元an2，直通波导an3，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，第一多模波导光栅n05，第一多模波导n06，第二多模波导光栅n07，第二连接波导n08，第三多模波导光栅n09，第三连接波导n10，下载波导n11。
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，本发明的设置在各种材料平台上(如：绝缘体上硅，氮化硅，铌酸锂平台)。本发明包括输入波导1、输出波导2和N个滤波结构，N个滤波结构之间依次连接，输入波导1与第一个滤波结构的输入端相连，输出波导2与最后一个滤波结构的输出端相连；
图2所示，对于N个滤波结构中的第n个滤波结构，n＝1,2,…,N-1,N。第n个滤波结构包括模式解复用器an1、滤波单元an2和直通波导an3，模式解复用器an1通过滤波单元an2与直通波导an3相连，模式解复用器an1的输入端作为滤波结构的输入端与输入波导1或上一个滤波结构的输出端相连，模式解复用器an1的输出端作为滤波结构的输出端与输出波导2或下一个滤波结构的输出端相连。
模式解复用器an1包括输入连接波导n01、输出波导n04、模式复用工作区n02和输出连接波导n03，输入连接波导n01和输出波导n04均与模式复用工作区n02的一端相连，输入连接波导n01作为模式解复用器an1的输入端，输出波导n04作为模式解复用器an1的输出端，模式复用工作区n02的另一端与输出连接波导n03相连，输出连接波导n03与滤波单元an2一端的第一多模波导光栅n05相连。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an2为关于中心对称的结构。滤波单元an2包括多个带有横向振幅切趾的多模波导光栅和连接波导，多个多模波导光栅沿光轴依次间隔布置，处于滤波单元an2两端的两个多模波导光栅分别与模式解复用器an1的输出连接波导n03和直通波导an3的第三连接波导n10相连，相邻两个多模波导光栅之间通过连接波导进行连接，滤波单元an2中，多模波导光栅的数量比连接波导的数量多一个。连接波导的波导宽度与多模波导光栅的波导宽度相同。连接波导为直波导。当多模波导光栅为3个时，滤波单元an2由第一多模波导光栅n05、第一多模波导n06、第二多模波导光栅n07、第二连接波导n08和第三多模波导光栅n09依次相连组成。
直通波导an3由第三连接波导n10和下载波导n11相连组成，第三连接波导n10与滤波单元an2的第三多模波导光栅n09相连，下载波导n11作为系统的下载端。第三连接波导n10为锥形波导。
不同滤波结构中，滤波单元an2的多模波导光栅的数量不同或相同。
滤波单元an2中，多个多模波导光栅均进行信号的TE0模式反向耦合为TE1模式，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。满足以下相位匹配条件：
(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。
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3所示，携带信息的各个波长(λ1…λN)光信号从Input端输入后，经过第一通道的级联FP腔中，波长λ1的光满足相位匹配条件在级联FP腔中发生了谐振，从下载波导中输出，其他各个波长的光(λ2…λN)模式解复用器的输出端中输出进入下一个通道的级联FP腔中。最终，同一波长的光信号，通过多个级联FP腔被依次下载下来。这样就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的密集波分复用系统。
本发明具体实施例1如下：
滤波单元an2由3个多模波导光栅和两个直波导依次相连组成，两侧的多模波导光栅结构相同，使得滤波单元an2关于中心对称。具体实施中，3个多模波导光栅记为n05、n07与n09，3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。
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。通过调控两个级联FP腔之间的腔长调控级联FP腔的中心波长，实现不同通道数的下载，这里针对于八个不同的通道选用的八个直波导长度是：0.320，0.336，0.352，0.368，0.384，0.400，0.416，0.432。
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级联FP腔组成的密集波分复用系统部分进行了仿真验证。图4对应了仿真结果，由图可知本发明的器件在1550nm附近的八个通道有0.8nm的3dB带宽，实现了平顶滤波的同时，1550峰的插入损耗<0.6dB，对于相邻的通道两侧的串扰均<-25dB。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3.2nm通道间隔的DWDM系统。
本发明具体实施例2如下：
滤波单元和上述保持一致。
选用基于铌酸锂材料的浅刻蚀铌酸锂波导：其芯层是铌酸锂材料，厚度为400nm、折射率为2.21；其下包层材料均为SiO2，厚度为3μm、折射率为1.4404；上包层材料为空气包层。
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1μm、2μm，演化区窄锥形波导两侧宽度分别为0.6μm、0.2μm，三段的长度分别为50μm、200μm和50μm，宽窄两锥形光波导之间的间隔保持0.25μm不变，前S型波导与光波导之间的最大间隔为1.2μm，后S型波导与光波导之间的最大间隔为2μm。
对于构成级联FP腔的三个多模波导光栅，选取参数均为光栅总宽度为1850nm，光栅齿深度为850nm，光栅周期为420nm，光栅周期数分别为50，110，50，光栅占空比为0.5。通过调控两个级联FP腔之间的腔长调控级联FP腔的中心波长，实现不同通道数的下载，这里针对于八个不同的通道选用的八个直波导长度是：0.420，0.455，0.490，0.525，0.560，0.595，0.630，0.665
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级联FP腔组成的密集波分复用系统部分进行了仿真验证。图5对应了仿真结果，由图可知本发明的器件在1550nm附近的八个通道有1.2nm的3dB带宽，实现了平顶滤波的同时，1550峰的插入损耗<0.5dB，对于相邻的通道两侧的串扰均<-25dB，通道间隔为1.6nm。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1.6nm通道间隔的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 (10)
1.一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统，其特征在于，包括输入波导(1)、输出波导(2)和N个滤波结构，N个滤波结构之间依次连接，输入波导(1)与第一个滤波结构的输入端相连，输出波导(2)与最后一个滤波结构的输出端相连；
对于所述N个滤波结构中的第n个滤波结构，第n个滤波结构包括模式解复用器(an1)、滤波单元(an2)和直通波导(an3)，模式解复用器(an1)通过滤波单元(an2)与直通波导(an3)相连，模式解复用器(an1)的输入端作为滤波结构的输入端与输入波导(1)或上一个滤波结构的输出端相连，模式解复用器(an1)的输出端作为滤波结构的输出端与输出波导(2)或下一个滤波结构的输出端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统，其特征在于，所述第n个滤波结构中，模式解复用器(an1)包括输入连接波导(n01)、输出波导(n04)、模式复用工作区(n02)和输出连接波导(n03)，输入连接波导(n01)和输出波导(n04)均与模式复用工作区(n02)的一端相连，输入连接波导(n01)作为模式解复用器(an1)的输入端，输出波导(n04)作为模式解复用器(an1)的输出端，模式复用工作区(n02)的另一端与输出连接波导(n03)相连，输出连接波导(n03)与滤波单元(an2)一端相连。
3.根据权利要求1所述的一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统，其特征在于，所述第n个滤波结构中，滤波单元(an2)包括多个多模波导光栅和连接波导，多个多模波导光栅沿光轴依次间隔布置，处于滤波单元(an2)两端的两个多模波导光栅分别与模式解复用器(an1)和直通波导(an3)相连，相邻两个多模波导光栅之间通过连接波导进行连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统，其特征在于，不同滤波结构中，所述滤波单元(an2)的多模波导光栅的数量不同或相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统，其特征在于，所述第n个滤波结构中，滤波单元(an2)为关于中心对称的结构。
6.根据权利要求3所述的一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统，其特征在于，所述连接波导的波导宽度与多模波导光栅的波导宽度相同。
7.根据权利要求3所述的一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统，其特征在于，所述滤波单元(an2)中，连接波导为直波导。
8.根据权利要求3所述的一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统，其特征在于，所述第n个滤波结构中，直通波导(an3)由第三连接波导(n10)和下载波导(n11)相连组成，第三连接波导(n10)与滤波单元(an2)相连，下载波导(n11)作为系统的下载端。
9.根据权利要求8所述的一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统，其特征在于，所述第n个滤波结构中，第三连接波导(n10)为锥形波导。
10.根据权利要求3所述的一种基于级联法布里-珀罗光滤波器的片上密集波分复用系统，其特征在于，所述滤波单元(an2)中，多个多模波导光栅均进行信号的TE0模式反向耦合为TE1模式，满足以下相位匹配条件：
(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。
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