CN117826322A - 一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器 - Google Patents
一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种双微环辅助马赫‑曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，属于光电子与光通讯的技术领域，用以解决其它矩形滤波器边缘不够陡峭以及带宽太小等问题。本发明矩形光滤波器包括：输入波导，输入波导经Y分支后分成第一干涉臂和第二干涉臂，第一干涉臂和第二干涉臂长度不等；第一微环谐振器，与第一干涉臂相耦合；第二微环谐振器，与第二干涉臂相耦合；定向耦合器，与第一干涉臂和第二干涉臂的输出端连接，将第一干涉臂和第二干涉臂中的输出光信号进行干涉后输出。本发明通过设计双微环与马赫‑曾德尔干涉仪的结构参数，得到了顶部平坦，边沿陡峭的矩形滤波效果。这种设计结构简单，滤波带宽宽度可调，同时克服了以往设计边缘不够陡峭的问题。
Description
技术领域
本发明属于光电子与光通讯的技术领域，尤其涉及一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器。
背景技术
随着互联网的发展，用户对于网络带宽的需求呈现出爆炸性的增长趋势。为了进一步提高光通信网络的传输带宽，波分复用、正交频分复用等技术被提出来。波分复用技术就是将不同的光波划分为一些不同的通信通道，在同一根光纤中进行传输。为了提高传输信道数目，信道及信道间隔都进一步减小，分离信道时需要一个顶部平坦、边缘陡峭的窄带矩形光滤波器来抑制相邻信道所带来的串扰问题。
微环谐振腔结构简单，功能多样，但其传输谱线两侧的滚降并不能使串扰最小化，限制了其使用范围。人们提出了多种微环级联的滤波器来改善，包括串联多环和并联多环结构，但这些方案提升了结构复杂度，对生产工艺要求更高。
马赫-曾德尔干涉仪滤波器(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)结构简单，插入损耗小，被应用于多波长光纤激光器，波长交错滤波器等。但普通的马赫-曾德尔干涉仪器只能输出余弦波，滤波性能有限。专利公开号CN103487889A公开了一种基于双谐振腔耦合马赫-曾德尔光开关结构，包括：一对输入波导；一前置耦合器，该前置耦合器的输入端与一对输入波导相连接，用以将一路光分为两路光，并分别进入到上干涉臂和下干涉臂中；一后置耦合器，将两路光合并为一路光，并耦合到一对输出波导的某一条光波导中；一对输出波导，该一对输出波导的一端与后置耦合器的输出端连接；上干涉臂和下干涉臂，其两端分别与前置耦合器和后置耦合器连接；一对光谐振腔，该一对光谐振腔分别与上干涉臂和下干涉臂耦合。至今有不少方案将微环谐振器与马赫-曾德尔干涉仪相结合，利用微环谐振器的反馈回路引入相位调节机制，在输出端获得平坦的输出光谱，但其边缘不够陡峭，整体近似梯形。
发明内容
针对马赫-曾德尔干涉仪不能输出方波的技术问题，本发明提出一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，本发明在双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪结构基础上，优化了马赫-曾德尔干涉仪结构，获得了近似方波的输出谱线，具有顶部平坦，边缘陡峭，带宽可调等诸多优点，且整体结构简单明了，易于生产。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，包括：
输入波导，与Y分支设计的马赫-曾德尔干涉仪连接，输入波导经Y分支后分成第一干涉臂和第二干涉臂，第一干涉臂和第二干涉臂长度不等；
第一微环谐振器，与第一干涉臂相耦合；
第二微环谐振器，与第二干涉臂相耦合；第一微环谐振器与第一干涉臂和第二微环谐振器和第二干涉臂相对位置不固定；第一微环谐振器和第二微环谐振器弯曲半径与折射率差相匹配，符合该折射率差下最小弯曲半径要求。
定向耦合器，与第一干涉臂和第二干涉臂的输出端连接，将第一干涉臂和第二干涉臂中的输出光信号进行干涉后输出。所述定向耦合器输入光为通信用单模信号光，归一化总能量为1。
所述第一干涉臂和第二干涉臂长度差为ΔL，长度差可以按照使用波长需求进行调整，长度差不同对应输出信号自由光谱范围不同。第一微环谐振器和第二微环谐振器半径相等，周长为即ΔL＝πR，只有周长符合长度差一半的时候，才能实现矩形滤波。
所述第一干涉臂和第二干涉臂中的光信号能量和相位均相同。Y分支满足对输入光进行均分的要求，且损耗在合理范围内。
所述第一干涉臂为直波导或/和弯曲波导。
所述第二干涉臂为直波导或/和弯曲波导。通过两臂不同的结构，实现了臂差ΔL，除直波导/和弯曲波导外，还可以采用其他形式。
所述第一微环谐振器和第二微环谐振器的传输系数分别为E1和E2，
其中，t1和t2分别为第一微环谐振器和第二微环谐振器的耦合系数，a为波导损耗因子，θ1和θ2分别为绕第一微环谐振器和第二微环谐振器传输一圈的相位变化。
优选的，t1和t2相加为1。
所述定向耦合器中两通道输出光场为Eout1和Eout2，计算公式如下：
经计算可得：
Eout1＝0.707(t3E1L1-ik3E2L2)
Eout2＝0.707(t3E2L2-ik3E1L1)
其中，t3和k3为定向耦合器的耦合系数和传输系数，且E1和E2分别为第一微环谐振器和第二微环谐振器的传输系数，L1和L2为上下两臂的相位变化。
光强传递函数即为
P1＝|Eout1|2 P2＝|Eout2|2。
本发明的有益效果：本发明在双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪结构基础上，优化了马赫-曾德尔干涉仪结构，将马赫-曾德尔干涉仪输入端与3dB耦合器连接改为Y分支，并进一步限定了两个微环谐振器的半径，通过调整微环谐振器的耦合系数t1、t2以及定向耦合器耦合系数t3获得了近似方波的输出谱线，具有顶部平坦，边缘陡峭，带宽可调等诸多优点，且整体结构简单明了，易于生产。
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是本发明实例提供的一例完整结构图，图中，1、输入波导；2、第一干涉臂；3、第二干涉臂；4、第一微环谐振器；5、第二微环谐振器；6、定向耦合器。
图2是马赫-曾德尔干涉仪臂长差为3141μm时的扫描光谱图。
图3是马赫-曾德尔干涉仪臂长差为160μm时的扫描光谱图。
图4是马赫-曾德尔干涉仪臂长差为16μm时的扫描光谱图。
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付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。
如本文所使用的，“滤波器”应指滤光器；术语马赫-曾德尔干涉仪指用于控制或修改光信号传输的光干涉仪。“微环谐振器”是指光环谐振器：环形式的光波导；当微环谐振器与干涉臂相耦合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。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。
实施例1
一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，如图1所示，包括：
输入波导，与Y分支设计的马赫-曾德尔干涉仪连接，输入波导经Y分支后分成第一干涉臂和第二干涉臂，第一干涉臂和第二干涉臂长度不等；
第一微环谐振器，与第一干涉臂相耦合；
第二微环谐振器，与第二干涉臂相耦合；第一微环谐振器与第一干涉臂和第二微环谐振器和第二干涉臂相对位置不固定；第一微环谐振器和第二微环谐振器弯曲半径与折射率差相匹配，符合该折射率差下最小弯曲半径要求。
定向耦合器，与第一干涉臂和第二干涉臂的输出端连接，将第一干涉臂和第二干涉臂中的输出光信号进行干涉后输出。所述定向耦合器输入光为通信用单模信号光，归一化总能量为1。
所述第一干涉臂和第二干涉臂长度差为ΔL，长度差可以按照使用波长需求进行调整，长度差不同对应输出信号自由光谱范围不同。第一微环谐振器和第二微环谐振器半径相等，周长为即ΔL＝πR。
所述第一干涉臂和第二干涉臂中的光信号能量和相位均相同。Y分支满足对输入光进行均分的要求，且损耗在合理范围内。
所述第一干涉臂为直波导或/和弯曲波导。
所述第二干涉臂为直波导或/和弯曲波导。通过两臂不同的结构，实现了臂差ΔL，除直波导/和弯曲波导外，还可以采用其他形式。
所述第一微环谐振器和第二微环谐振器的传输系数分别为E1和E2，
其中，t1和t2分别为第一微环谐振器和第二微环谐振器的耦合系数，a为波导损耗因子，θ1和θ2分别为绕第一微环谐振器和第二微环谐振器传输一圈的相位变化。
所述定向耦合器中两通道输出光场为Eout1和Eout2，计算公式如下：
经计算可得：
Eout1＝0.707(t3E1L1-ik3E2L2)
Eout2＝0.707(t3E2L2-ik3E1L1)
其中，t3和k3为定向耦合器的耦合系数和传输系数，且E1和E2分别为第一微环谐振器和第二微环谐振器的传输系数，L1和L2为上下两臂的相位变化。
光强传递函数即为
P1＝|Eout1|2 P2＝|Eout2|2。
实施例2
一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，如图1所示，包括：
输入波导，输入波导经Y分支后分成第一干涉臂和第二干涉臂，第一干涉臂为直波导，第二干涉臂由直波导和弯曲波导组成，第一干涉臂和第二干涉臂中的光信号能量和相位均相同。
第一微环谐振器，与第一干涉臂相耦合；第二微环谐振器，与第二干涉臂相耦合；第一微环谐振器和第二微环谐振器的周长相同，弯曲半径为1000μm。根据第一微环谐振器和第二微环谐振器的周长为ΔL＝πR，计算得周长为6283.185μm，第一干涉臂和第二干涉臂长度差ΔL为3141μm。
定向耦合器，与第一干涉臂和第二干涉臂的输出端连接，将第一干涉臂和第二干涉臂中的输出光信号进行干涉后输出。所述定向耦合器输入光为通信用单模信号光，归一化总能量为1。
所述第一微环谐振器和第二微环谐振器的传输系数分别为E1和E2，
其中，t1和t2分别为第一微环谐振器和第二微环谐振器的耦合系数，a为波导损耗因子，θ1和θ2分别为绕第一微环谐振器和第二微环谐振器传输一圈的相位变化。
所述定向耦合器中两通道输出光场为Eout1和Eout2，计算公式如下：
经计算可得：
Eout1＝0.707(t3E1L1-ik3E2L2)
Eout2＝0.707(t3E2L2-ik3E1L1)
其中，t3和k3为定向耦合器的耦合系数和传输系数，且E1和E2分别为第一微环谐振器和第二微环谐振器的传输系数，L1和L2为上下两臂的相位变化。
光强传递函数即为
P1＝|Eout1|2 P2＝|Eout2|2
使用Matlab软件计算其光强传递函数，通过调整第一微环谐振器和第二微环谐振器的结构及与第一干涉臂和第二干涉臂的距离，光波导的折射率差为2％，包层折射率1.444，芯层折射率1.473，t1＝0.71，t2＝0.22，t3＝0.6。经定向耦合器输出光信号的扫描光谱图如图2所示，可得到近似方波的传输谱线，顶端平坦，边缘陡峭。调整谱线带宽，可以增大折射率差并且减小微环半径，也可以级联实现单个波段滤波或者波分复用。
实施例3
一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，与实施例2的区别在于第一干涉臂和第二干涉臂长度差ΔL为160μm，并调整第一微环谐振器和第二微环谐振器的弯曲半径进行调整，其他结构相同。经定向耦合器输出光信号的扫描光谱图如图3所示，可得到近似方波的传输谱线，顶端平坦，边缘陡峭。
实施例4
一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，与实施例2的区别在于第一干涉臂和第二干涉臂长度差ΔL为16μm，并调整第一微环谐振器和第二微环谐振器的弯曲半径进行调整，其他结构相同。经定向耦合器输出光信号的扫描光谱图如图4所示，可得到近似方波的传输谱线，顶端平坦，边缘陡峭。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，其特征在于，包括：
输入波导，输入波导经Y分支后分成第一干涉臂和第二干涉臂，第一干涉臂和第二干涉臂长度不等；
第一微环谐振器，与第一干涉臂相耦合；
第二微环谐振器，与第二干涉臂相耦合；
定向耦合器，与第一干涉臂和第二干涉臂的输出端连接，将第一干涉臂和第二干涉臂中的输出光信号进行干涉后输出。
2.根据权利要求1所述的双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，其特征在于，所述第一干涉臂和第二干涉臂长度差为ΔL，第一微环谐振器和第二微环谐振器半径相等，周长为
3.根据权利要求2所述的双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，其特征在于，所述第一干涉臂和第二干涉臂中的光信号能量和相位均相同。
4.根据权利要求3所述的双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，其特征在于，所述第一干涉臂为直波导或/和弯曲波导。
5.根据权利要求4所述的双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，其特征在于，所述第二干涉臂为直波导或/和弯曲波导。
6.根据权利要求2-5任一项所述的双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，其特征在于，所述第一微环谐振器和第二微环谐振器的传输系数分别为E1和E2，
其中，t1和t2分别为第一微环谐振器和第二微环谐振器的耦合系数，a为波导损耗因子，θ1和θ2分别为绕第一微环谐振器和第二微环谐振器传输一圈的相位变化。
7.根据权利要求6所述的双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，其特征在于，所述定向耦合器中两通道输出光场为Eout1和Eout2，
Eout1＝0.707(t3E1L1-ik3E2L2)
Eout2＝0.707(t3E2L2-ik3E1L1)
其中，t3和k3为定向耦合器的耦合系数和传输系数，且E1和E2分别为第一微环谐振器和第二微环谐振器的传输系数，L1和L2为上下两臂的相位变化。
8.根据权利要求7所述的双微环辅助马赫-曾德尔干涉仪的矩形光滤波器，其特征在于，所述定向耦合器输入光为通信用单模信号光，归一化总能量为1。
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