CN117148503A - 基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器 - Google Patents

基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器，属于光通信技术领域；其输入波导与第一级微环谐振滤波单元的左侧进行耦合，第一传递波导与第一级微环谐振滤波单元的右侧进行耦合；第一传递波导与第二级微环谐振滤波单元的右侧进行耦合，第二传递波导与第二级微环谐振滤波单元的左侧进行耦合，第一传递波导和第一传递波导也可实现光信号输出；第二传递波导与第三级微环谐振滤波单元的左侧进行耦合，输出波导与第三级微环谐振滤波单元的右侧进行耦合；微环谐振滤波单元中级联的多个微环上各设置有一个调节电极作为滤波特性调谐单元。本发明可有效减小滤波器体积，降低系统复杂度和成本。

Description

基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种中心频率可调谐、带宽可重构的多通道平顶光滤波器。
背景技术
随着大数据时代的来临，通信系统向着低成本、大容量、高速率的方向发展。由于电子瓶颈限制，基于电子技术的通信网络难以满足上述发展需求，全光通信系统受到越来越多的关注。而光学滤波器作为全光通信系统中全光信号处理和波分复用的重要器件，可以实现特定波长输出并抑制其他波长。而全光通信网络灵活性和自适应能力的提升需求对光学滤波器的动态可重构能力也提出了更高的要求。若光学滤波器能够实现中心波长和滤波带宽的灵活可调谐，该光学滤波器便可以很好地适用于光通信系统中对波长选择和带宽分配的灵活可重构要求。可以说，在未来动态光通信网络中，中心波长与带宽可重构的多通道光学滤波器是必备器件之一。
目前，实现光学滤波器的滤波带宽或中心波长调谐的方案主要包括：基于受激布里渊散射、相位调制、马赫曾德尔干涉仪、各类布拉格光纤光栅、微环谐振腔等器件或原理。综合考虑光学滤波器性能、设计与工艺复杂度及器件尺寸等因素，基于微环谐振腔的光学滤波器因其尺寸小、串扰低、工艺简单、灵活可扩展等特点和优势，成为近年来实现光学滤波的热门方案。然而，基于微环谐振腔的光学滤波器会存在滤波带宽与自由光谱范围(FSR)成正比的问题，难以实现大重复周期下较窄的滤波带宽。同时，单个微环谐振腔滤波曲线为洛伦兹型，其矩形系数差，难以实现平坦有效的信号滤波。
发明内容
为了解决技术背景中所存在的问题，本发明提出了一种基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器。本发明基于片上可集成微环谐振滤波单元，实现多通道弹性带宽的信号滤波，同时具有滤波中心频率可调谐能力，且可有效减小滤波器体积，降低系统复杂度和成本。
基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器，包括输入光波导和输出光波导；包括多级微环谐振滤波单元，每一级微环谐振滤波单元与其相邻级的微环谐振滤波单元通过传递波导连接；每一级微环谐振滤波单元均主要由多个级联的微环谐振腔构成，且每个微环谐振腔上均设置有调节电极，用于改变波导的有效折射率，以实现对滤波曲线中心波长的调谐，实现可重构的特性；
输入光波导将宽带光信号输入至多级微环谐振滤波单元的输入端，多级微环谐振滤波单元的输出端与输出光波导，用于输出滤波后的宽带光信号。
进一步的，所述微环谐振腔的材质包括但不限于：氮化硅、二氧化硅和硅；每个微环谐振滤波单元中的微环谐振腔数量至少一个。
进一步的，级联微环谐振腔的级联方式包括但不限于串联、并联以及串联与并联混合方式。
进一步的，级联微环谐振腔的级联方式为串联；每个微环谐振滤波单元中微环谐振腔的数量为5个。
进一步的，所述调节电极通过以下两个方式改变波导折射率，
方式一：基于硅材料的折射率与温度相关的热光效应，通过改变施加在调节电极上的电功率实现对硅材料波导温度的调节以改变波导折射率，从而改变微环的谐振特性，最终实现滤波特性中心频率的搬移；
方式二：基于硅材料波导吸收系数和折射率随着其内部的自由载流子浓度的变化而变化的等离子色散效应，通过改变施加在调节电极上的电功率实现对波导内载流子浓度的调节，以改变波导折射率，从而改变微环的谐振特性，最终实现滤波特性中心频率的搬移。
进一步的，微环谐振滤波单元的级联方式包括但不限于串联、并联以及串联与并联混合方式。
本发明的有益效果在于：
1、基于级联微环谐振单元结构的光滤波器可实现片上集成，减小系统体积，有效降低系统复杂度。
2、相对滤波带宽及中心波长固定的传统光滤波器而言，本发明可实现可重构的多级滤波带宽输出，且滤波曲线的中心波长具有可调谐优势。
3、本发明设计的光滤波器结构其滤波曲线同时兼具窄带宽、大自由光谱区范围，突破传统光滤波器设计过程中带宽与自由光谱区之间的正比关系，满足精细滤波处理的需求。
总之，本发明利用基于级联微环谐振腔设计的光滤波器结构具有稳定、平顶、窄带宽、大自由光谱区的滤波特性。其中，微谐振腔具有体积小、易集成的优势，大大简化了光滤波器的体积，降低了复杂度，提高了稳定性，为可集成化的窄带宽大自由光谱区的可调谐可多级输出的光滤波器实现提供了可靠的技术路径。
附图说明
图1为本发明一实施例中基于串联五微环滤波单元的可重构多通道集成平顶光滤波器结构示意图；
图2为本发明一实施例中单个微环谐振滤波单元中各波导间距标记符号示意图
图3为第一级微环谐振滤波单元的滤波曲线；
图4为第二级微环谐振滤波单元的滤波曲线；
图5为第三级微环谐振滤波单元的滤波曲线；
图6为三级微环谐振滤波单元级联后中心频率调谐前的滤波曲线图。
图7为三级微环谐振滤波单元级联后中心频率调谐后的滤波曲线图。
附图1标记说明：
1-输入波导
2-第一传递波导
3-第二传递波导
4-输出波导
51-第一级微环谐振滤波单元
52-第二级微环谐振滤波单元
53-第三级微环谐振滤波单元
61-第一级滤波单元滤波后的宽带光信号
62-第二级滤波单元滤波后的宽带光信号
63-第三级滤波单元滤波后的宽带光信号
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明的实施作详细说明。
一种基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器，使用片上级联的微环谐振单元，实现光域多级的不同滤波带宽，并基于热控相移技术实现对滤波中心频率的调节，最终实现多通道不同中心频率和不同带宽信号的平顶滤波，包括：
由五个级联微环构成的第一级微环谐振滤波单元、第二级微环谐振滤波单元、第三级微环谐振滤波单元、第一传递波导、第二传递波导、输入波导、输出波导。微环谐振单元设置在两个直波导之间，这两个直波导分别为该微环谐振单元的输入输出直波导，微环谐振单元的作用在于将输入直波导中满足微环谐振单元谐振条件的波段耦合到输出直波导中。
所述的输入波导与第一级微环谐振滤波单元的左侧进行耦合，第一传递波导与第一级微环谐振滤波单元的右侧进行耦合；所述的第一传递波导与第二级微环谐振滤波单元的右侧进行耦合，第二传递波导与第二级微环谐振滤波单元的左侧进行耦合；所述的第二传递波导与第三级微环谐振滤波单元的左侧进行耦合，输出波导与第三级微环谐振滤波单元的右侧进行耦合；所述的微环谐振滤波单元中级联的多个微环上各设置有一个调节电极作为调谐单元。
具体的，可重构滤波特性的实现方式有两种，一是利用硅材料的热光效应，通过改变施加在加热电极上的电功率，改变波导的有效折射率，进而实现微环光谱的调谐；二是利用硅材料的等离子色散效应，通过改变电极上的电功率来改变波导中载流子的浓度，从而改变波导的有效折射率，进而实现微环光谱的调谐。
以下内容以实施例1的结构进行说明，但本发明的保护范围不限于下述内容。
实施例1的结构如图1所示，实施例1是一种基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器，其包括：
由五个微环级联构成的第一级微环谐振滤波单元51、第二级微环谐振滤波单元52、第三级微环谐振滤波单元53、第一传递波导2、第二传递波导3、输入波导1、输出波导4。
输入波导1，用于输入待处理的宽带光信号；其一端第一级微环谐振滤波单元51的511端相耦合，另一端用于输入待处理宽带光信号。
第一级微环谐振滤波单元51，对输入滤波单元中的宽带光信号进行第一级滤波，以实现大动态范围；
第一级传递光波导2，用于实现第一级微环谐振滤波单元和第二级微环滤波单元之间的宽带光信号传输以及第一级微环谐振滤波单元滤波信号61的输出。其一端与第一级微环谐振滤波单元51的512端相耦合，另一端与第二级微环谐振滤波单元52的522端相耦合。
第二级微环谐振滤波单元52，在第一级滤波单元输出的宽带光信号进行第二级滤波，以实现更小的滤波带宽范围；
第二级传递光波导3，用于实现第二级微环谐振滤波单元和第三级微环滤波单元之间的宽带光信号传输以及第二级微环谐振滤波单元滤波信号62的输出。其一端与第二级微环谐振滤波单元52的521端相耦合，另一端与第三级微环谐振滤波单元53的531端相耦合。
第三级微环谐振滤波单元53，在第二级滤波单元输出的宽带光信号进行第三级滤波，以实现更窄的滤波带宽；
输出光波导4，输出第三级滤波单元滤波后的宽带光信号63，其一端与第三级微环谐振滤波单元53的532端相耦合，另一端输出滤波后的信号。
其中，所述第一级微环谐振滤波单元、第二级微环谐振滤波单元以及第三级微环谐振滤波单元，其各个单元中的微环谐振器的半径相同、微环谐振器的波导宽度和微环谐振器的波导厚度均相同。
所述第一级微环谐振滤波单元、第二级微环谐振滤波单元以及第三级微环谐振滤波单元中微环与微环之间的间距各不相同，微环谐振滤波单元中微环与其对应的输入直波导、输出直波导之间的距离各不相同，间距大小与波导间的耦合系数有关。单个滤波单元中各波导间距示意图如图2所示，本实施例中，传递光波导与微环之间的间距d0与d5相同，微环与微环间的间距d1与d4相同，d2与d3相同。d0、d1、d2三个间距的大小互不相同，通过改变d0、d1、d2的大小可以调整该微环谐振滤波单元输出滤波特性曲线的平整度，通过合理设置d0、d1、d2三个间距的大小可以得到平整度高的滤波特性曲线。
所述滤波器的中心波长的调谐是通过对各个微环谐振滤波单元各自的滤波曲线的中心波长进行独立调谐实现的；
所述微环谐振滤波单元是通过改变施加在波导上的电功率对波导进行加热，利用波导的热光效应改变波导的有效折射率以实现对其滤波曲线中心波长进行调谐；
所述滤波器的多级带宽滤波输出是通过多个微环谐振滤波单元进行单独输出来实现的；
其中，所述微环滤波器单元在硅、氮化硅、二氧化硅、铌酸锂平台上通过半导体工艺制作。
在实施例1中，采用如下技术方案
输入光波导1，用于输入待处理的宽带光信号，宽带光信号中满足第一级微环谐振滤波单元51谐振条件的光信号从第一级微环谐振滤波单元51的511端被传输到第一级微环谐振滤波单元51的512端
经过第一级微环谐振滤波单元51滤波后的宽带光信号耦合进第一级传递光波导2后，一部分光信号传输到第二级微环谐振滤波单元52，另一部分光信号通过第一级传递光波导2输出，得到第一级微环谐振滤波单元51滤波后的宽带光信号61，第一级微环谐振滤波单元51的滤波曲线如图3所示。
其中，耦合进第一级传递光波导2的光中满足第二级微环谐振滤波单元52谐振条件的光从第二级微环谐振滤波单元52的522端被传输到第二级微环谐振滤波单元52的521端。
经过第二级微环谐振滤波单元52滤波后的宽带光信号耦合进第二级传递光波导3后，一部分光信号传输到第三级微环谐振滤波单元53，另一部分光信号通过第二级传递光波导3输出，得到第一级微环谐振滤波单元52滤波后的宽带光信号62，第二级微环谐振滤波单元52的滤波曲线如图4所示。
其中，耦合进第二级传递光波导3的光中满足第三级微环谐振滤波单元53谐振条件的光从第三级微环谐振滤波单元53的531端被传输到第三级微环谐振滤波单元53的532端。
从第三级微环谐振滤波单元53的532端输出的光耦合进输出光波导4输出，得到第三级微环谐振滤波单元53滤波后的宽带光信号63，第三级微环谐振滤波单元53的滤波曲线如图5所示。
进一步的，通过调整施加在第一级微环谐振滤波单元51、第二级微环谐振滤波单元52、第三级微环谐振滤波单元53中各个微环上电极的电功率，可以实现该级微环谐振滤波单元的滤波曲线中心频率的调整。中心频率调整前后三级微环谐振滤波单元级联后的滤波特性如图6所示。
进一步的，通过调整第一级微环谐振滤波单元51、第二级微环谐振滤波单元52、第三级微环谐振滤波单元53中各个微环上的直径，可以实现该级微环谐振滤波单元的滤波器曲线带宽以及自由光谱范围的调整，有关微环直径参数的选取需要在滤波器滤波特性设计之初进行确定，当滤波器制造出来后直径参数便无法进行修改。
总之，本发明基于微环谐振腔的对光波长的谐振特性实现对光波长的选择从而达到滤波的目的，通过级联多个微环构造微环谐振滤波单元以得到滚降系数更高的滤波曲线；通过对微环谐振滤波单元进行级联进一步得到兼顾多带宽输出和窄带滤波特性的光滤波器；通过调节施加在各微环谐振滤波单元中各个微环上电极的电功率可以实现滤波曲线中心频率的调整；基于微环谐振滤波单元结构的光滤波器可实现片上集成，减小系统体积，有效降低系统复杂度。
以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，微环谐振腔的材质、结构、级联方式等都可改变。这些等同变形、替换以及各器件参量的调整也应视为本发明保护的范围。
在本公开具体实施例中。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的结构，其本身并不意味着该结构有任何的序数，也不代表某一结构与另一结构的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一结构得以和另一具有相同命名的结构能做出清楚区分。

Claims (6)

1.基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器，包括输入光波导和输出光波导；其特征在于，还包括多级微环谐振滤波单元，每一级微环谐振滤波单元与其相邻级的微环谐振滤波单元通过传递波导连接；每一级微环谐振滤波单元均主要由多个级联的微环谐振腔构成，且每个微环谐振腔上均设置有调节电极，用于改变波导的有效折射率，以实现对滤波曲线中心波长的调谐，实现可重构的特性；
输入光波导将宽带光信号输入至多级微环谐振滤波单元的输入端，多级微环谐振滤波单元的输出端与输出光波导，用于输出滤波后的宽带光信号。
2.根据权利要求1所述的基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器，其特征在于，所述微环谐振腔的材质包括但不限于：氮化硅、二氧化硅和硅；每个微环谐振滤波单元中的微环谐振腔数量至少一个。
3.根据权利要求1所述的基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器，其特征在于，级联微环谐振腔的级联方式包括但不限于串联、并联以及串联与并联混合方式。
4.根据权利要求3所述的基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器，其特征在于，级联微环谐振腔的级联方式为串联；每个微环谐振滤波单元中微环谐振腔的数量为5个。
5.根据权利要求1所述的基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器，其特征在于，所述调节电极通过以下两个方式改变波导折射率，
方式一：基于硅材料的折射率与温度相关的热光效应，通过改变施加在调节电极上的电功率实现对硅材料波导温度的调节以改变波导折射率，从而改变微环的谐振特性，最终实现滤波特性中心频率的搬移；
方式二：基于硅材料波导吸收系数和折射率随着其内部的自由载流子浓度的变化而变化的等离子色散效应，通过改变施加在调节电极上的电功率实现对波导内载流子浓度的调节，以改变波导折射率，从而改变微环的谐振特性，最终实现滤波特性中心频率的搬移。
6.根据权利要求1所述的基于级联微环谐振单元的可重构多通道集成平顶光滤波器，其特征在于，微环谐振滤波单元的级联方式包括但不限于串联、并联以及串联与并联混合方式。
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