CN113433620B - 一种可重构可调谐的光滤波器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可重构可调谐的光滤波器，用以解决目前的光滤波器结构复杂、多滤波指标不易调谐的问题。该光滤波器包括输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；第一光开关单元组，与输入光波导连接，包括若干级光开关，用于通过选择光开关的切换状态，确定宽带光信号的耦合通路；第一环形光波导，与第一光开关单元组连接，用于传输宽带光信号；第二光开关单元组，与第一环形光波导连接，包括若干级光开关，用于通过选择光开关的切换状态，确定来自第一环形光波导的宽带光信号的耦合通路；第二环形光波导，与第二光开关单元组连接，用于传输宽带光信号；输出光波导，与第二光开关单元组连接，用于输出处理后的宽带光信号。

Description

一种可重构可调谐的光滤波器

技术领域

本申请涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种可重构可调谐的光滤波器。

背景技术

光通信技术作为通信领域的前沿技术，被越来越多的国家视为发展高速宽带网络的重点。

在高速带宽网络的运营中，可重构光分插复用器的使用带来了更多业务开展的便利和运营成本的降低。若要达到理想的可重构光网络的标准，需要可重构光分插复用器具有可重构、灵活可调谐的特性。其中，可重构光分插复用器中光滤波器使用的光学方法和光学元件，能够实现对光信号的滤波功能。

与传统的电子技术相比，光学元件具有灵活和大范围的带宽特性，可以直接对高频带宽的微波信号进行滤波。基于集成光子学的光滤波器件，方便大规模集成，同时利用成熟的半导体工艺加工平台，可以实现大规模低成本的量产。

目前常见的可重构、灵活可调谐的光滤波器常采用阵列波导光栅、马赫-曾德等结构，但该结构存在损耗大、体积大、成本高、稳定性差、调节与控制困难等问题。而基于传统的单个微环谐振器结构的光滤波器件，只具有特定的滤波性能，不可实现针对***损耗、半高全宽、消光比等滤波指标的灵活可调谐的功能。基于多个微环谐振器结构的光滤波器件，具有多个级联性的耦合区，往往存在结构复杂、不易于调谐等问题。

发明内容

本申请实施例提供一种可重构可调谐的光滤波器，用以解决目前的光滤波器结构复杂、多滤波指标不易调谐的问题。

本申请实施例提供的一种可重构可调谐的光滤波器，包括：

输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；

第一光开关单元组，与所述输入光波导连接，包括若干级光开关，用于通过选择所述光开关的切换状态，确定所述宽带光信号的耦合通路；

第一环形光波导，与所述第一光开关单元组连接，用于传输所述宽带光信号；

第二光开关单元组，与所述第一环形光波导连接，包括若干级光开关，用于通过选择所述光开关的切换状态，确定来自所述第一环形光波导的宽带光信号的耦合通路；

第二环形光波导，与所述第二光开关单元组连接，用于传输所述宽带光信号；

输出光波导，与所述第二光开关单元组连接，用于输出处理后的宽带光信号。

在一个示例中，所述光开关的切换状态包括交叉状态、直通状态；所述光开关包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端；所述光开关为直通状态时，所述第一输入端和所述第一输出端联通，所述第二输入端和所述第二输出端联通；所述光开关为交叉状态时，所述第一输入端和所述第二输出端联通，所述第二输入端和所述第一输出端联通。

在一个示例中，所述第一光开关单元组、第一环形光波导、第二光开关单元组、第二环形光波导形成环形谐振腔，所述环形谐振腔使所述宽带光信号耦合至相应光波导中的光通过往复传输进行谐振。

在一个示例中，所述第一光开关单元组、第二光开关单元组具体用于通过选择指定光开关的切换状态，控制所述环形谐振腔对应的耦合区域。

在一个示例中，所述环形谐振腔根据预设的谐振条件，确定所述宽带光信号的波长满足所述谐振条件时，将所述宽带光信号从当前传输的光开关的一侧光波导耦合至另一侧光波导中。

在一个示例中，所述第一光开关单元组的光开关包括第一上侧光波导和第一下侧光波导，各级光开关的第一上侧光波导依次连接，且第一下侧光波导依次连接；所述第一光开关单元组中靠近所述输入光波导的第一级光开关的第一上侧光波导与所述输入光波导连接，所述第一级光开关的第一下侧光波导与所述第二环形光波导连接；所述第一光开关单元组中远离所述输入光波导的最后一级光开关的第一下侧光波导与所述第一环形光波导连接。

在一个示例中，所述第二光开关单元组的光开关包括第二上侧光波导和第二下侧光波导，各级光开关的第二上侧光波导依次连接，且第二下侧光波导依次连接；所述第二光开关单元组中远离所述输出光波导的第一级光开关的第二上侧光波导与所述第一环形光波导连接；所述第二光开关单元组中靠近所述输出光波导的最后一级光开关的第二下侧光波导与所述输出光波导连接，所述最后一级光开关的第二上侧光波导与所述第二环形光波导连接。

在一个示例中，所述第一上侧光波导和第一下侧光波导互相平行，所述第二上侧光波导和第二下侧光波导互相平行。

在一个示例中，所述第一光开关单元组中相邻的光开关的波导间距、耦合区长度不同，但波导宽度、波导厚度相同。

在一个示例中，所述第一环形光波导、第二环形光波导通过热光效应或电光效应改变折射率，以实现所述光滤波器的中心波长可调谐。

本申请实施例提供的一种可重构可调谐的光滤波器，至少包括以下有益效果：在上下载型（add-drop）环形谐振器结构的基础上，嵌套融合了两组各具特性的独立光开关单元组，通过各光开关单元组内光开关的切换状态的选择，使其构成的环形谐振腔可处于不同的耦合区域，以实现光滤波器的可重构的多重滤波特性。同时，通过两组光开关单元组可使该滤波器产生的滤波曲线能够实现***损耗、半高全宽、消光比等滤波特性的灵活可调谐。另外，通过对环形谐振腔折射率的控制，可实现滤波谱线中心波长的调谐。本光滤波器还具有损耗小、体积紧凑、稳定性高的特点，耦合区域独立可调，易于调节和控制，可满足光纤通信技术领域对高性能可重构、灵活可调谐的光学滤波器的需求，便于直接应用于光通信用器件与模块的构建中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的可重构可调谐的光滤波器结构示意图；

图2（a）为本申请实施例提供的光开关的切换状态中的直通状态示意图；

图2（b）为本申请实施例提供的光开关的切换状态中的交叉状态示意图；

图3为本申请实施例提供的可重构可调谐的光滤波器的滤波谱线图；

附图标记

100输入光波导，

200第一光开关单元组，1第一光开关单元组的第一级光开关，210第一上侧光波导，211第一输入端，212第一输出端，220第一下侧光波导，221第二输入端，222第二输出端，

300第一环形光波导，

400第二光开关单元组，2第二光开关单元组的第一级光开关，410第二上侧光波导，420第二下侧光波导，

500第二环形光波导，

600输出光波导。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的可重构可调谐的光滤波器结构示意图，具体包括输入光波导100、第一光开关单元组200、第一环形光波导300、第二光开关单元组400、第二环形光波导500和输出光波导600。其中，光波导是引导光波在其中传播的介质装置，该光滤波器中包含不同形状的光波导，比如环形、直线型。

具体地，输入光波导100用于输入待处理的宽带光信号，以便进行滤波处理；第一光开关单元组200与输入光波导100连接，其包括若干级光开关，用于传输宽带光信号，并通过选择光开关的切换状态，确定宽带光信号的耦合通路；第一环形光波导300与第一光开关单元组200连接，用于传输宽带光信号；第二光开关单元组400与第一环形光波导300连接，其包括若干级光开关，用于传输宽带光信号，并通过选择光开关的切换状态，确定来自第一环形光波导300的宽带光信号的耦合通路；第二环形光波导500与第二光开关单元组400连接，用于传输宽带光信号；输出光波导600与第二光开关单元组400连接，用于输出处理后的宽带光信号，实现该光滤波器的滤波功能。

通过设置两组光开关单元组，选择其中的光开关的切换状态，以控制光滤波器内的耦合区域，实现光滤波器的多重滤波特性。并且，通过对光开关的灵活选择，可实现***损耗、半高全宽、消光比等滤波特性的灵活可调谐。第一光开关单元组和第二光开关单元组均是独立的开关单元，通过对特定的光开关进行独立调谐，可以实现光开关的独立切换状态控制，以实现对中心波长的调节。

在一个实施例中，如图1所示，沿宽带光信号输入并传输的方向，第一光开关单元组200共可包括n级光开关（即图1中第一光开关单元组通过括号所示的各虚线框），分别为第一级光开关、第二级光开关……最后一级（即第n级）光开关。

第一光开关单元组的第一级光开关1包括第一上侧光波导210和第一下侧光波导220（其他各级光开关同理具有相同结构），各级光开关的第一上侧光波导依次连接，且第一下侧光波导依次连接。其中，第一上侧光波导和第一下侧光波导均为直波导。

靠近输入光波导100的第一光开关单元组的第一级光开关1作为输入光开关，其第一上侧光波导210与输入光波导100连接，其第一下侧光波导220与第二环形光波导500连接。第一光开关单元组200中远离输入光波导100的最后一级光开关作为输出光开关，其第一下侧光波导与第一环形光波导300连接。

需要说明的是，上述输入光开关和输出光开关用于控制宽带光信号在输入端、输出端间的通过或阻断。

在一个实施例中，如图1所示，沿宽带光信号从第一环形光波导300输入并传输的方向，第二光开关单元组400共可包括m级光开关（即图1中第二光开关单元组通过括号所示的各虚线框），分别为第一级光开关、第二级光开关……最后一级（即第m级）光开关。

第二光开关单元组的第一级光开关2包括第二上侧光波导410和第二下侧光波导420（其他各级光开关同理具有相同结构），各级光开关的第二上侧光波导依次连接，且第二下侧光波导依次连接。其中，第二上侧光波导和第二下侧光波导均为直波导。

第二光开关单元组400中远离输出光波导600的第一级光开关作为输入光开关，其第二上侧光波导410与第一环形光波导300连接。第二光开关单元组400中靠近输出光波导600的最后一级光开关作为输出光开关，其第二下侧光波导与输出光波导600连接，将光信号切换至输出光波导600，最后一级光开关的第二上侧光波导与第二环形光波导500连接。

可见，第一光开关单元组中各级光开关的第一下侧光波导、第一环形光波导、第二光开关单元组中各级光开关的第二上侧光波导、第二环形光波导在结构上形成环形。

在一个实施例中，如图2（a）、图2（b）所示，各光开关均包括第一输入端211、第二输入端221、第一输出端212、第二输出端222。在光开关单元组中，除第一级光开关之外，其他各级光开关的第一输入端分别连接上一级光开关的第一输出端，第二输入端分别连接上一级光开关的第二输出端。在宽带光信号的传输过程中，宽带光信号从光开关的输入端传输至输出端。

光开关的切换状态包含直通状态、交叉状态。

图2（a）表示光开关的切换状态中的直通状态，如图2（a）所示，光开关为直通状态时，第一输入端211和第一输出端212联通，第二输入端221和第二输出端222联通。也就是说，若宽带光信号从第一输入端211输入，则会从第一输出端212输出。

图2（b）表示光开关的切换状态中的交叉状态，如图2（b）所示，光开关为交叉状态时，第一输入端211和第二输出端222联通，第二输入端221和第一输出端212联通。也就是说，若宽带光信号从第一输入端211输入，则会从第二输出端222输出。

结合图1、图2（a）、图2（b）可知，第一光开关单元组200通过选择指定光开关的切换状态为交叉状态，使宽带光信号通过该指定光开关耦合进入第一环形光波导300，且第二光开关单元组400通过选择指定光开关的切换状态为交叉状态，使宽带光信号通过该指定光开关再耦合进入第二环形光波导500，从而形成宽带光信号围绕该环形结构的往复传输。

在一个实施例中，如图1所示，第一光开关单元组200、第一环形光波导300、第二光开关单元组400、第二环形光波导500通过环形结构构成了闭合的环形谐振区，以形成环形谐振腔。宽带光信号在传输过程中，环形谐振腔能够使宽带光信号耦合至相应光波导中的光通过往复传输进行谐振。

输入光波导100耦合输入的通带内的宽带光信号沿闭合环形谐振腔顺时针传播，闭合环形谐振腔在谐振波长处具有周期性的下载谱线，该下载谱线的形状如图3所示。

在一个实施例中，第一光开关单元组200具体用于通过选择指定光开关的切换状态，确定光信号从指定光开关处开始进行往复传输，以此控制环形谐振腔对应的耦合区域。

具体地，环形谐振腔具有本征的谐振频率，其根据预设的微环的谐振条件，判断当前传输的宽带光信号的波长是否满足谐振条件。若入射信号中传输的波长不能满足微环的谐振条件时，光波沿着输入的直波导的方向继续传播。当宽带光信号的波长满足谐振条件时，微环能够起到联通的作用，将宽带光信号从当前传输的光开关的一侧光波导耦合至另一侧光波导中。

在一个实施例中，第一光开关单元组的第一上侧光波导与第一下侧光波导完全相同，且耦合区各光开关的上侧光波导和下侧光波导互相平行。同理，第二光开关单元组具有相同的结构，本申请不再赘述。

在一个实施例中，第一光开关单元组内各光开关的几何参数会对该光滤波器的特性产生影响。比如，相邻的平行光波导的波导间距和耦合区长度不同，会影响输入光波导与环形光波导之间的耦合效率，从而使最终的输出滤波光谱的***损耗、半高全宽、消光比等特性发生改变。因此，可设置第一光开关单元组中相邻的光开关的波导间距、耦合区长度不同，但波导宽度、波导厚度相同，这样能够使得宽带光信号经过不同的光开关后，可得到具有不同滤波特性的滤波曲线。

同理，第二光开关单元组具有相同的性质，本申请不再赘述。

在一个实施例中，第一环形光波导300、第二环形光波导500通过热光效应或电光效应使自身折射率发生改变，可实现光滤波器的中心波长可调谐。

在一个实施例中，第一光开关单元组包括的光开关的数量（即n）和第二光开关单元组包括的光开关的数量（即m）可以相同，也可以不同。

在一个实施例中，该滤波器可在上下载型（add-drop）微环谐振器、典型的呈周期性排列的微环谐振器下载端谱线的滤波曲线的基础上，设置2×2光开关，以实现灵活可调谐的光滤波器。

在一个实施例中，输入光波导、第一环形光波导、第二环形光波导及输出光波导可以在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟、砷化镓平台上通过半导体工艺制作实现。

本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种可重构可调谐的多重光滤波器，其特征在于，包括：

输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；

第一光开关单元组，与所述输入光波导连接，包括若干级光开关，用于通过选择所述光开关的切换状态，确定所述宽带光信号的耦合通路；

第一环形光波导，与所述第一光开关单元组连接，用于传输所述宽带光信号；

第二光开关单元组，与所述第一环形光波导连接，包括若干级光开关，用于通过选择所述光开关的切换状态，确定来自所述第一环形光波导的宽带光信号的耦合通路；

第二环形光波导，与所述第二光开关单元组连接，用于传输所述宽带光信号；

输出光波导，与所述第二光开关单元组连接，用于输出处理后的宽带光信号；

所述第一光开关单元组、第一环形光波导、第二光开关单元组、第二环形光波导形成环形谐振腔，所述环形谐振腔使所述宽带光信号耦合至相应光波导中的光通过往复传输进行谐振。

2.根据权利要求1所述的多重光滤波器，其特征在于，所述光开关的切换状态包括交叉状态、直通状态；所述光开关包括第一输入端、第二输入端、第一输出端、第二输出端；

所述光开关为直通状态时，所述第一输入端和所述第一输出端联通，所述第二输入端和所述第二输出端联通；

所述光开关为交叉状态时，所述第一输入端和所述第二输出端联通，所述第二输入端和所述第一输出端联通。

3.根据权利要求1所述的多重光滤波器，其特征在于，所述第一光开关单元组、第二光开关单元组具体用于通过选择指定光开关的切换状态，控制所述环形谐振腔对应的耦合区域。

4.根据权利要求1所述的多重光滤波器，其特征在于，所述环形谐振腔根据预设的谐振条件，确定所述宽带光信号的波长满足所述谐振条件时，将所述宽带光信号从当前传输的光开关的一侧光波导耦合至另一侧光波导中。

5.根据权利要求1所述的多重光滤波器，其特征在于，所述第一光开关单元组的光开关包括第一上侧光波导和第一下侧光波导，各级光开关的第一上侧光波导依次连接，且第一下侧光波导依次连接；

所述第一光开关单元组中靠近所述输入光波导的第一级光开关的第一上侧光波导与所述输入光波导连接，所述第一级光开关的第一下侧光波导与所述第二环形光波导连接；

所述第一光开关单元组中远离所述输入光波导的最后一级光开关的第一下侧光波导与所述第一环形光波导连接。

6.根据权利要求5所述的多重光滤波器，其特征在于，所述第二光开关单元组的光开关包括第二上侧光波导和第二下侧光波导，各级光开关的第二上侧光波导依次连接，且第二下侧光波导依次连接；

所述第二光开关单元组中远离所述输出光波导的第一级光开关的第二上侧光波导与所述第一环形光波导连接；

所述第二光开关单元组中靠近所述输出光波导的最后一级光开关的第二下侧光波导与所述输出光波导连接，所述最后一级光开关的第二上侧光波导与所述第二环形光波导连接。

7.根据权利要求6所述的多重光滤波器，其特征在于，所述第一上侧光波导和第一下侧光波导互相平行，所述第二上侧光波导和第二下侧光波导互相平行。

8.根据权利要求1所述的多重光滤波器，其特征在于，所述第一光开关单元组中相邻的光开关的波导间距、耦合区长度不同，但波导宽度、波导厚度相同。

9.根据权利要求1所述的多重光滤波器，其特征在于，所述第一环形光波导、第二环形光波导通过热光效应或电光效应改变折射率，以实现所述光滤波器的中心波长可调谐。

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