CN117492133A - 一种基于布拉格光栅二级滤波的cwdm滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于布拉格光栅二级滤波的CWDM滤波器，包括：一级滤波器，以及与一级滤波器级联的布拉格光栅二级滤波器；一级滤波器件用于将光波分波，经由若干输出通道输出若干光谱；布拉格光栅二级滤波器包括：级联相移布拉格光栅；其中级联相移布拉格光栅放置于一级滤波器后的每个输出通道；级联相移布拉格光栅包括若干个相移布拉格光栅；相移布拉格光栅包括：相移腔，以及设置在相移腔两侧的布拉格光栅反射镜结构；布拉格光栅二级滤波器用于对每个输出通道内的光谱分别进行二级滤波，对若干光谱响应进行修正，得到若干个修正光谱。本发明具有线宽大、损耗低、光谱顶部平坦损耗相关性小、可降低旁瓣串扰且应用范围广泛的效果。
Description
技术领域
本发明涉及硅基光电子技术领域，尤其涉及一种基于布拉格光栅二级滤波的CWDM滤波器。
背景技术
随着现代信息技术的不断发展，具有大量信息传输需求的大数据、云计算、人工智能等通信技术迅速占据主流。以传统电互连为基础的集成电路遇到了器件尺寸不断缩小引发的“互连瓶颈”问题，而片上光互连具有高速、大容量、低损耗、抗电磁干扰、低串扰等优点，能从根本上解决传统电互连的限制，更好地满足目前通信系统的大带宽和高速率的要求。传统光通信系统中的光模块器件是离散组成的，随着网络容量的不断扩大，其复杂性、成本和功耗迅速增加，将各种器件集成在一块芯片上的光子集成技术是光通信的当前趋势，具有高密度、低成本、高性价比、低能耗等优势，这对满足未来信息社会的通信需求具有重要意义。
在集成光子平台以及光通信网络中，滤波器扮演着至关重要的角色，其主要用于特定波长的信号选择、波分复用、解复用、脉冲整形滤除噪声信号等。常见的集成光子滤波器结构包括：马赫曾德干涉仪、微环和波导光栅。
WDM技术是光通信网络中十分重要的一项技术，将光纤的可用传输波段通过滤波器分成若干信道，每个波长对应一个信道，使单波长传输变成多波长同时传输，从而增加传输容量。WDM根据波长间隔不同又可以细分为CWDM、DWDM、FWDM等，其中CWDM由于其可使用波段范围长、对激光器波长精度要求低、功耗小、尺寸小等优点广泛地应用于通信系统。
CWDM中波分复用器件的性能直接影响整个光传输网络的传输质量，理想的通道波长响应最好顶部平坦、边缘滚降快，以降低由于波长偏移造成的损耗变化以及相邻信道的串扰影响。大多数波分复用器件本身难以做到以上需求，因此将其与其他滤波器件进行集成滤波成为一个便捷、高效的方法。布拉格光栅由于其波长稳定性好，制作工艺简单易于集成，光谱范围比较广泛等优点被广泛地应用于滤波系统中，因此将波分复用器件与布拉格光栅进行级联滤波可以更好地实现CWDM滤波。
例如在申请号为CN114361924A的专利文件中，提供了一种多波长环形激光器芯片，包括芯片基底、芯片下包层、无源波导芯层及有源波导芯层；所涉及的二级滤波器，对波分复用器件复用后的信号进行滤波；利用阵列波导光栅可进行周期性波长选择的功能，将其与多个有源波导放大器和可调谐滤波器进行单片集成，从而得到相应的多波长且波长可调光源，该方案可以在没有复杂波长控制的情况下产生稳定且同步的多波长振荡；该多波长激光器芯片不仅满足波分复用通信波段波长要求，并且其集成度高、体积小、且波长可调谐，具有较高的可靠性和环境适应性。
上述芯片中的布拉格光栅滤波器放置于阵列波导光栅的复用端口，同时对输出波形进行多波长选择功能，但不能对单个波长的光谱进行滤波，不能做到单波长光谱的平顶修正以及串扰降低。
又如在申请号为CN1811500A的专利文件中，提供了一种用于复用/解复用器的带通顶部平坦化的阵列波导光栅，包含：一阵列波导光栅；一布拉格反射波导光栅，该布拉格反射波导光栅的输入接口与阵列波导光栅每个输出端口相连接；其中多个波长的光信号从阵列波导光栅输入端口输入，经过阵列波导光栅分波后，各个波长信号从阵列波导光栅输出端口输出，进入布拉格反射波导光栅输入端口，通过布拉格光栅部分选择性滤波实现带通顶部平坦化。
但上述阵列波导光栅仅应用于阵列波导光栅的二级滤波，采用均匀布拉格光栅的反射，以牺牲插入损耗为代价进行单通道光谱的平顶修正，并且无法降低旁瓣串扰。
此外在申请号为CN114675371A的专利文件中，提供了一种非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器，其由输入非对称布拉格波导光栅、第一段F-P腔直波导、单周期非对称布拉格波导、第二段F-P腔直波导、输出非对称布拉格波导光栅组成。F-P腔滤波器是由输入输出两个非对称布拉格光栅作为F-P腔的反射镜，两个F-P腔直波导中间插入单周期的光栅作为F-P腔的谐振腔。
但上述结构光栅滤波器光谱的线宽窄不适用于CWDM，并且无法实现光谱的平顶效果。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种基于布拉格光栅二级滤波的CWDM滤波器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于布拉格光栅二级滤波的CWDM滤波器，包括：一级滤波器，以及与所述一级滤波器级联的布拉格光栅二级滤波器；
所述一级滤波器件用于将光波分波，经由若干输出通道输出若干光谱；
所述布拉格光栅二级滤波器包括：级联相移布拉格光栅；其中所述级联相移布拉格光栅放置于所述一级滤波器后的每个输出通道；所述级联相移布拉格光栅包括若干个相移布拉格光栅；
所述相移布拉格光栅包括：相移腔，以及设置在所述相移腔两侧的布拉格光栅反射镜结构；
所述布拉格光栅二级滤波器用于对每个输出通道内的光谱分别进行二级滤波，对若干光谱响应进行修正，得到若干个修正光谱。
本发明一个较佳实施例中，所述级联的相移布拉格光栅包括NOR个级联的相移布拉格光栅，其中NOR为级联相移布拉格光栅的个数。
本发明一个较佳实施例中，所述反射镜结构包括2*NOP个光栅结构，其中NOP为相移布拉格光栅的单侧布拉格光栅反射镜中单个光栅结构个数。
本发明一个较佳实施例中，所述一级滤波器件用于实现宽谱滤波，为阵列波导光栅、马赫曾德干涉仪、角度多模干涉耦合器中的一种。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明提供了一种基于布拉格光栅二级滤波的CWDM滤波器，具有线宽大、损耗低、光谱顶部平坦损耗相关性小、可降低旁瓣串扰且应用范围广泛的效果，采用布拉格光栅做二级滤波，将原本经由阵列波导光栅、马赫曾德干涉仪和AMMI等一级滤波器的光谱进行二次滤波修正，达到光谱顶部平坦、旁瓣串扰低的效果，并且布拉格光栅器件结构很小、占地面积小易于集成。
(2)本发明通过级联布拉格光栅结构放置于一级滤波器后的每个输出通道，通过级联相移布拉格光栅透射谱中打开的透射窗口，对一级滤波后的光谱进行二级滤波。与现有技术相比，实现了单通道滤波，做到了单通道的光谱响应平坦化以及串扰降低；且有效降低旁瓣串扰，同时保证插入损耗低；并且线宽可调范围大，可以实现大线宽滤波，实现了滤波后光谱响应顶部平坦化。
(3)本发明通过调整NOP的个数，可以调整滤波光谱的线宽，实现不同带宽光谱的滤波；通过调整W2的宽度可以调整光谱整体禁带宽度，较大的禁带调整范围可以使本发明应用于CWDM的二级滤波；通过调整级联相移布拉格光栅的NOR个数，可以在不影响各通道串扰性能的基础上显著地降低各通道的串扰；同时通过调整相移布拉格光栅晶格常数a可以实现与一级滤波后光谱响应的中心波长对准。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的实施例一的加入布拉格光栅后的CWDM滤波器的整体框图；
图2是本发明的实施例一的级联相移布拉格光栅二级滤波器结构图；
图3是本发明的实施例一的级联相移布拉格光栅参数对滤波光谱的影响图；其中图(a)为W1变化时级联相移布拉格光栅透射谱的变化，图(b)为W2变化时级联相移布拉格光栅透射谱的变化，图(c)为NOP数量变化时级联相移布拉格光栅透射谱的变化，图(d)为NOR数量变化时级联相移布拉格光栅透射谱的变化；
图4是本发明的实施例二的CWDM滤波器滤波光谱变化图；其中图(a)为经过阵列波导光栅后的透射谱的变化，图(b)为四个不同结构的级联相移布拉格光栅的透射谱，图(c)为经级联相移布拉格光栅二级滤波后的光谱响应。
图中：1、一级滤波器；2、布拉格光栅二级滤波器；3、级联相移布拉格光栅；4、相移布拉格光栅；5、布拉格光栅反射镜结构；6、相移腔；7、单个光栅结构长度；8、光栅结构宽波导宽度；9、光栅结构窄波导宽度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
(1)图1为本实施例的加入布拉格光栅后的CWDM滤波器的整体框图；包括：一级滤波器1，以及与一级滤波器1级联的布拉格光栅二级滤波器2。
图1示出了λ1λ2λ3λ4经CWDM一级滤波器1后分波为四个通道、四个光谱，后经四种不同布拉格光栅结构进行二级滤波得到四个边缘滚降快、低串扰且顶部平坦化的光谱。其中一级滤波器1是阵列波导光栅、马赫曾德干涉仪、角度多模干涉耦合器等可以实现宽谱滤波的器件中的一种。
(2)图2为本实施例的布拉格光栅二级滤波器2结构图，采用级联的相移布拉格光栅4结构对其进行滤波。
布拉格光栅二级滤波器2包括：级联相移布拉格光栅3；其中级联相移布拉格光栅3放置于一级滤波器1后的每个输出通道；级联相移布拉格光栅3包括NOR个级联的相移布拉格光栅4，其中NOR为级联相移布拉格光栅3的个数。
相移布拉格光栅4包括：相移腔6，以及设置在相移腔6两侧的布拉格光栅反射镜结构5；布拉格光栅反射镜结构5包括2*NOP个光栅结构，其中NOP为相移布拉格光栅4的单侧布拉格光栅反射镜结构5中单个光栅结构个数。
一级滤波器1件用于将光波分波，经由若干输出通道输出若干光谱。
布拉格光栅二级滤波器2用于对每个输出通道内的光谱分别进行二级滤波，对若干光谱响应进行修正，得到若干个修正光谱。
其原理如下：
布拉格光栅二级滤波器2滤波是通过在均匀布拉格光栅中引入的相移腔6破坏了均匀布拉格光栅的布拉格反射条件，使折射率分布出现相移改变。通过下式计算谐振波长：
φ＝2πneffL/λ
其中neff为相移腔有效折射率，L为相移腔长度，λ为光谱中心波长。
由此形成了两个类似于F-P腔的具有波长选择作用的相位互异的光栅，使部分满足布拉格条件的波长透射到相移腔6中进行谐振增强，之后从右侧的布拉格光栅透射出去，在原本均匀布拉格光栅透射谱的禁带中打开一个透射窗口，由于透射窗口宽度可调且损耗极低，可以对本身损耗稍高且不均匀的光谱进行损耗补偿从而达到波形顶部平坦化的效果，通过调整禁带宽度以及禁带动态范围实现边缘滚降快且串扰低的应用于CWDM的多通道滤波作用。
再根据布拉格反射条件：
λ＝(n1+n2)·a
其中n1、n2分别为光栅结构中W1、W2两波导宽度的有效折射率，W1为光栅结构宽波导宽度，W2为光栅结构窄波导宽度，a为单个光栅结构长度，长度为光栅晶格常数。根据光谱仿真可以发现光栅结构参数W1、W2以及布拉格光栅反射镜结构5中包含的NOP对禁带宽度、禁带动态范围、透射窗口的线宽均有影响。
(3)图3是本实施例的级联相移布拉格光栅3参数对滤波光谱的影响图。
其中图3中图(a)为W1变化时级联相移布拉格光栅透射谱的变化；W1主要影响禁带区域的动态范围，W1增加动态范围越大，同时透射窗口的线宽减小，中心波长红移；
图3中图(b)为W2变化时级联相移布拉格光栅透射谱的变化；W2主要影响透射谱整体的禁带宽度，W2降低光谱整体的禁带宽度增加，透射光谱线宽减小，中心波长蓝移；
图3中图(c)为NOP数量变化时级联相移布拉格光栅透射谱的变化；NOP主要影响透射窗口的线宽，NOP增加透射窗口的线宽减小，禁带的动态范围增加；
图3中图(d)为NOR数量变化时级联相移布拉格光栅透射谱的变化；级联相移布拉格光栅3整体结构的NOR只对禁带区域的动态范围有影响，NOR增加，禁带的动态范围增加。
根据布拉格反射条件，通过调整晶格常数a可以改变光谱的中心波长，因此可以通过选择合适的W1、W2、a、NOP、NOR调整滤波窗口，在保证滤波宽度的前提下实现大动态范围的顶部平坦化滤波。
实施例二
本实施例在实施例一的基础上，以对氮化硅材料的阵列波导光栅的二级滤波为例，氮化硅厚度为400nm，二氧化硅上包层厚度500nm，下包层厚度3.22μm，衬底材料为硅。
如图4中的(a)所示，为阵列波导光栅一级滤波后的四通道光谱，单个信道的带宽约为10nm，相邻信道间距为20nm。由光谱看出，一级滤波后的光谱相邻信道串扰高，且插损与波长相关性大，不满足对光传输网络的需求，因此通过加入级联布拉格光栅二级滤波，对光谱响应进行修正。因此本实施例的设计目标是降低相邻信道的串扰，保证光谱响应带宽10nm。
为了降低相邻信道的串扰，每个级联相移布拉格光栅3滤波器光谱的整体单边禁带宽度要大于相邻三个信道带宽的总宽度，即60nm。由于W2对光谱整体禁带宽度影响最大，因此主要通过降低W2的宽度来增加禁带宽度，而减小W2增加禁带宽度的同时也会降低透射光谱的线宽，因此同时减少NOP的数量以增加透射光谱的线宽，保证光谱响应的带宽，最后，增加NOR的数量提高滤除相邻信道串扰的效果，同时调整W1对滤波光谱进行补偿，调整晶格常数a进行中心波长对准。
各个通道的级联布拉格光栅结构参数：
W1＝3.5μm，W2＝0.44μm，NOP＝6，NOR＝3。
CH1：a＝0.38μm，L＝0.365μm；
CH2：a＝0.386μm，L＝0.377μm；
CH3：a＝0.394μm，L＝0.381μm；
CH4：a＝0.4μm，L＝0.392μm。
其中四个不同结构的级联相移布拉格光栅的透射谱如图4中(b)所示，最终经二级滤波后的四个通道的光谱响应如图4中(c)所示。
因此，由图4中(a)、(b)、(c)可知，经过级联相移布拉格光栅3滤波器后，光谱响应的相邻信道串扰显著降低并且顶部相比滤波前平坦，损耗与波长相关性降低。由此可见，本发明具有线宽大、损耗低、光谱顶部平坦损耗相关性小、可降低旁瓣串扰且应用范围广泛的效果。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (4)
1.一种基于布拉格光栅二级滤波的CWDM滤波器，其特征在于，包括：一级滤波器，以及与所述一级滤波器级联的布拉格光栅二级滤波器；
所述一级滤波器件用于将光波分波，经由若干输出通道输出若干光谱；
所述布拉格光栅二级滤波器包括：级联相移布拉格光栅；其中所述级联相移布拉格光栅放置于所述一级滤波器后的每个输出通道；所述级联相移布拉格光栅包括若干个相移布拉格光栅；
所述相移布拉格光栅包括：相移腔，以及设置在所述相移腔两侧的布拉格光栅反射镜结构；
所述布拉格光栅二级滤波器用于对每个输出通道内的光谱分别进行二级滤波，对若干光谱响应进行修正，得到若干个修正光谱。
2.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅二级滤波的CWDM滤波器，其特征在于：所述级联相移布拉格光栅包括NOR个级联的相移布拉格光栅，其中NOR为级联相移布拉格光栅的个数。
3.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅二级滤波的CWDM滤波器，其特征在于：所述布拉格光栅反射镜结构包括2*NOP个光栅结构，其中NOP为相移布拉格光栅的单侧布拉格光栅反射镜中单个光栅结构个数。
4.根据权利要求1所述的一种基于布拉格光栅二级滤波的CWDM滤波器，其特征在于：所述一级滤波器件用于实现宽谱滤波，为阵列波导光栅、马赫曾德干涉仪、角度多模干涉耦合器中的一种。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311510236.5A Pending CN117492133A (zh) | 2023-11-14 | 2023-11-14 | 一种基于布拉格光栅二级滤波的cwdm滤波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117492133A (zh) |
-
2023
- 2023-11-14 CN CN202311510236.5A patent/CN117492133A/zh active Pending
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