一種基於集成矽波導的可編程光學濾波器的製造方法

2023-06-17 05:03:26 1

一種基於集成矽波導的可編程光學濾波器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於集成矽波導的可編程光學濾波器，包括依次相接的耦合器，功率調製結構，相位調製結構，延時結構和耦合器；將需處理的光信號輸入到集成矽波導系統中，耦合器將光信號分為多路信號，功率調製結構調節每一路光信號功率，相位調製結構調節每一路光信號相位，經過每一路不同延時，最後再由耦合器將各路光信號合成為一路，通過電調或熱調方法調節各路信號功率與相位就能實現中心波長可調、帶寬可調、濾波形狀可調的可編程濾波。本發明結構簡單緊湊、成本較低、容易實現，且能夠實現可集成可編程的光學濾波，應用範圍更加廣泛，可用性強。
【專利說明】一種基於集成矽波導的可編程光學濾波器
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學濾波【技術領域】，尤其涉及一種基於集成矽基波導的可編程光學濾波器。
【背景技術】
[0002]光學濾波器的主要作用就是對寬帶光譜信號進行篩選，從而得到所需的窄帶信號或者特殊頻率成份，它是光學系統中極其重要的組成部分，在抑制噪聲、提高信號質量、增加通信容量和超快光學等方面都有很大貢獻。
[0003]現有的可調光學濾波器主要可以分為三種:中心波長可調濾波器，帶寬可調濾波器，中心波長帶寬皆可調濾波器。第一種中心波長可調濾波器是指濾波器的帶寬是不可變的，濾波的中心波長可以變化，其中又可分為基於光柵的可調濾波器(Das Mand Thyagarajan K, 「Wavelength division multiplexing isolation filter usingconcatenated chirped long period gratings，，.0ptics Communications, 2001),聲光可調濾波器(歷群，劉小明，李佟等，「基於單模光纖的可調諧聲光濾波器」，中國雷射，2001)，法布裡波羅腔(F-P)結構的可調濾波器(A.Kutyrev, C.L.Bennett, S.Moseley etal.「Nearinfrared cryogenic tunable sol id fabry-perot spectrometer，，，Proceedingsof SPIE，2004)等。第二種帶寬可調濾波器是指濾波的中心波長不可變，但濾波的帶寬可以調節，其中又可分為:基於微盤或微環的可調濾波器(Ming-Chang M.Leeand Ming C.ffu.「Variable bandwidth of dynamic add—drop filters basedon coupling-controlled microdisk resonators，，，Optics Letter, 2006), 基 於Gires-Tournois 幹涉儀的可調濾波器(Kyoungsik Yu and Olav Solgaard.「TunableOptical Transversal Filters Based ona Gires-Tournois Interferometer With MEMSPhase Shifters，，，IEEE Journalof Selected Topics in Quant μ m Electronics, 2004)等。第三種中心波長帶寬皆可調的濾波器綜合了前兩種濾波器的優點，更加靈活，應用範圍也更廣。但這種濾波器仍然處於研發階段，實現方案較少。目前已公開的技術方案有:利用兩塊鍍膜的光學基板，改變基板距離和光源入射位置來實現中心波長帶寬皆可調的濾波器(Philip E.Buchsbaμ m and James D.Lane, Tunable Variable Bandpass
Opticalf iIter: US, 6，700，690B1 [P].2004-3-2.)。基於馬赫-曾德爾幹涉儀結構的
中心波長帶寬皆可調的濾波器(Yunhong Ding, Minhao Pu, Liu Liu etal.「Bandwidthand waveIength-tunableoptical bandpass filter based on silicon microring—MZIstructure」.0pticsExpress, 2011, 19(7):6242-6270.)。這兩種方案都有一定局限性。第一個方案中要求十分精密的機械控制，且製作複雜成本高。第二個方案中濾波器的波長和帶寬的調諧範圍非常窄，這大大限制了它的應用範圍。另外Finisar公司和SanTec公司均開發出中心頻率可調和帶寬可調的商用光學濾波器(如Finisar公司的WaveShaper4000s和Santec公司的0TF-950型號與0TF-930型號)，但均為空間光學技術，而非集成光學技術，因此所構建的系統體積龐大，功耗高，成本高。而我們提出的濾波器方案結構緊湊，將所有功能模塊集成到一個矽基晶片上，製作簡單，成本較低，並且可以實現可編程，比中心帶寬皆可調濾波器更加靈活，使用範圍更廣，可用性強。

【發明內容】

[0004]針對現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種基於集成矽波導的可編程光學濾波器，該裝置的構成結構簡單，成本較低，易於實現，且易集成可編程。
[0005]為實現以上發明目的，本發明採用以下技術方案:
[0006]—種基於集成娃波導的可編程光學濾波器，包括依次相接的多個模塊:第一I禹合器、功率調製結構、相位調製結構、延時結構和第二耦合器，所述多個模塊均在一個矽基晶片上製作完成，其中，
[0007]第一稱合器將輸入的光信號分為均勻的η路信號(4 < η < 16)，功率調製結構對每一路信號進行功率調製，相位調製結構對每一路信號進行相位調製，延時結構對每路信號作不同延時，最後由第二耦合器(5)合為一路，所述功率調製結構與所述相位調製結構採用電調或熱調方式精細控制，實現可編程濾波。
[0008]與現有技術相比，本發明的技術效果體現在:
[0009]使用矽基波導結構來實現光學濾波，矽基波導相對於分離器件來說，結構緊湊，易於集成，製作簡單，成本較低，並且可以實現可編程，更加靈活，使用範圍更廣，可用性強。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]參照下面的說明，結合附圖，可以對本發明有最佳的理解。在附圖中，相同的部分可由相同的標號表不。
[0011]圖1為本發明光學濾波器的結構示意圖，其中I (a)為實現可編程光學濾波的結構圖，I (b)為實現可編程光學濾波的矽波導系統俯視示意圖(以串聯Y分支作為功分器，8路光路，熱調功率/相位調製結構為例)，I (c)為實現sine函數形頻譜圖；
[0012]圖2為設計波導橫截面的模式分布；
[0013]圖3為設計Y分支功分器的示意圖，其中3 (a)為2維示意圖，3 (b)為3維示意圖；
[0014]圖4為熱調方式的調製結構，其中4 Ca)為設計的熱調MZI功率調製結構2維示意圖，4 (b)為設計的熱調MZI功率調製結構3維示意圖，4 (c)為設計的熱調相位調製結構2維示意圖，4 Cd)為設計的熱調相位調製結構3維示意圖；
[0015]圖5為熱調結構隨溫度變化的關係圖，其中5 (a)為熱調功率調製結構輸出功率隨溫度變化的關係圖，5 (b)為熱調相位調製結構輸出相位改變量隨溫度變化的關係圖；
[0016]圖6為延時結構的示意圖，其中6 (a)為2為示意圖，6 (b)為3為示意圖；
[0017]圖7為模擬實現可編程光學濾波器的示意圖，其中4 Ca)為時域矩形波的標準頻譜，4 (b)為可編程濾波器按標準頻譜(a)設定參數後所得的輸出頻譜。4 (C)為時域三角波的標準頻譜，4 (d)為可編程濾波器按標準頻譜(C)設定參數後所得的輸出頻譜。4 Ce)為時域鋸齒波的標準頻譜，4 (f)為可編程濾波器按標準頻譜(e)設定參數後所得的輸出頻
-1'TfeP曰。【具體實施方式】
[0018]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及示例性實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的示例性實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明的適用範圍。
[0019]圖1 (a)給出了本發明可編程光學濾波器實現的一種結構示意圖。基於集成矽波導的可編程光學濾波器包括依次相接的第一耦合器1、功率調節結構2、相位調製結構3、延時結構4和第二稱合器5。 [0020]將需處理的光信號輸入到該可編程光學濾波器中，由第一耦合器I將輸入的光信號分為均勻的η路(η可取4到16的任意整數)，功率調製結構2對每一路光信號進行功率調製，相位調製結構3對每一路光信號進行相位調製，每一路光信號再經延時結構4作不同的延時處理，最後由第二I禹合器5合為一路。所述第一I禹合器I和第二I禹合器5由多個Y分支功分器串聯而成，或者，為1*η路多模幹涉儀(MMI)功分器矽基結構，其中，第一耦合器I和第二耦合器5結構相同，對稱放置。以上可編程光學濾波器的所有功能模塊都是在一個矽基晶片上製作完成的，因此結構緊湊，功耗低。另外，該光學濾波器是基於有限衝激響應原理實現的，得到的傳輸譜具有一定的周期性。基於集成矽基波導的可編程光學濾波技術的原理如下:
[0021]由於任何周期信號都可以用傅立葉級數展開，所以在一定頻譜範圍內可以用傅立葉級數之和實現任意的頻譜，而本發明提出的集成矽波導系統就是一種傅立葉展開形式，其推導如下:
[0022]設輸入光場為fin(t)，設其傅立葉變換為Fin(Co)。
[0023]假設η路輸出的電場強度分別為EtjutPEtjutPEtjut3......Eratn,則系統最終輸出為
[0024]
/7 — J7 _|_ ?7 _(_ 17 -1-...*.._!_ ?-
j^out — j^outl Loutl j^outS^ Loutn
=+卜叫續]+?2/,(,+2)響]+α3/,叫)場]+……+
= J-e^fJt)±akei{k^]
yflk.I
[0025]設其傅立葉變換為Frat ( ω )，則
[0026]
Fut H =產⑷




人-1
[0027]則系統傳遞函數Η(ω)為:
[0028]
【權利要求】
1.一種基於集成娃波導的可編程光學濾波器，包括依次相接的多個模塊:第一稱合器(1)、功率調製結構(2)、相位調製結構(3)、延時結構(4)和第二耦合器(5)，所述多個模塊均在一個矽基晶片上製作完成，其中，第一稱合器(I)將輸入的光信號分為均勻的η路信號(4 ^ n ^ 16),功率調製結構(2)對每一路信號進行功率調製，相位調製結構(3)對每一路信號進行相位調製，延時結構(4)對每路信號作不同延時，最後由第二耦合器(5)合為一路，所述功率調製結構(2)與所述相位調製結構(3)採用電調或熱調方式精細控制，實現可編程濾波。
2.根據權利要求1所述的可編程光學濾波器，其中，所述第一耦合器(I)和第二耦合器(5)為多個Y分支功分器串聯或1*η路多模幹涉儀(MMI)功分器矽基結構。
3.根據權利要求1所述的可編程光學濾波器，其中，所述功率調製結構(2)為電調或熱調MZI結構，通過改變電壓或溫度對每路光信號進行不同程度的衰減。
4.根據權利要求1所述的可編程光學濾波器，其中，所述相位調製結構(3)為電調或熱調矽基直波導結構，通過改變電壓或溫度對每路光信號引入不同的相位。
5.根據權利要求1所述的可編程光學濾波器，其中，所述延時結構(4)包括不同長度的η個矽基波導，η路延時量為等差數列分布，即Τ、2Τ、3Τ、……ηΤ。
【文檔編號】G02F1/015GK103576345SQ201310516805
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月28日 優先權日:2013年10月28日
【發明者】董建績, 廖莎莎, 張新亮, 楊婷 申請人:華中科技大學