CN113466998B - 一种可调谐光滤波器及应用其的光通信设备 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种可调谐光滤波器，包括：光波导单元，用于输入待处理的宽带光信号，并为光信号提供不经过滤波处理的光路传输路径，以及输出滤波后的光信号；微环光滤波器单元，包括N级微环光滤波器，用于对待处理的宽带光信号进行滤波处理；其中N为大于1的整数；光开关单元，用于接收光信号，并通过切换光开关单元来控制光信号的传输路径，以使光信号至少经过一级微环光滤波器的滤波处理，形成新的自由光谱区。本公开提供的可调谐光滤波器采用多级微环光滤波器单元，该可调谐光滤波器的体积较小，可通过半导体平面工艺集成于半导体平台上，稳定度高、损耗低且调节和控制难度小。

Description

一种可调谐光滤波器及应用其的光通信设备
技术领域
本公开涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种可调谐光滤波器及应用其的光通信设备。
背景技术
在光网络传输中，可重构光分插复用器(ROADM)是实现现行的WDM网络迈向全光网络过程的关键节点器件。光学滤波器作为下一代ROADM的关键单元，除了现有研究较为广泛的中心波长及滤波带宽的可调谐特性之外，自由光谱区的灵活性也是ROADM***的重要指标。
常见的光学滤波器常采用布拉格光纤光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)、马赫-曾德(MZ，MachZehnder)、微环谐振器(MRR)等结构，但单独采用上述结构时会存在自由光谱区不可调谐的问题，从而无法满足ROADM***对光滤波器自由光谱区灵活性的需求。
发明内容
有鉴于此，本公开提供了一种可调谐光滤波器及应用其的光通信设备。
本公开的一方面，提供了一种可调谐光滤波器，包括：
光波导单元，用于输入待处理的宽带光信号，并为光信号提供不经过滤波处理的光路传输路径，以及输出滤波后的光信号；微环光滤波器单元，包括N级微环光滤波器，用于对待处理的宽带光信号进行滤波处理；其中N为大于1的整数；光开关单元，用于接收光信号，并通过切换光开关单元来控制光信号的传输路径，以使光信号至少经过一级微环光滤波器的滤波处理，形成新的自由光谱区。
进一步地，光开关单元包括M个光开关，M为大于1的整数；微环光滤波器单元包括第一微环光滤波器和多个微环光滤波器子单元，每个微环光滤波器子单元包括至少一级微环光滤波器；第一微环光滤波器用于对待处理的宽带光信号进行初次滤波；M个光开关与多个微环光滤波器子单元交错排列，通过切换每个光开关的状态来控制初次滤波后的光信号的传输路径，以形成新的自由光谱区。
进一步地，光波导单元包括：输入光波导，用于输入待处理的宽带光信号；M-1级中间光波导，用于在光路中形成对应于光开关后且不经过对应微环光滤波器子单元的光路部分；M为大于1的整数；输出光波导，用于输出滤波后的光信号。
进一步地，每级微环光滤波器在谐振波长处具有周期性的下载光谱；每级微环光滤波器包括直波导和微环谐振器，微环谐振器设于直波导一侧，用于将直波导中满足微环谐振条件的光信号波段从光谱中滤去。
进一步地，每级微环光滤波器的设计参数相同，其中，设计参数至少包括：微环谐振器与直波导之间的距离；微环谐振器的半径；直波导的宽度和厚度；以及微环谐振器和直波导采用的材料；当待处理的宽带光信号经过K个微环光滤波器时，自由光谱区的大小为只经过一级微环光滤波器所形成的自由光谱区大小的1/K，其中K为正整数。
进一步地，通过对N级微环光滤波器的谐振波长进行独立调谐，能够实现微环光滤波器单元谐振波长的可调谐。
进一步地，光开关单元的状态切换以及微环光滤波器的谐振波长调谐通过热光效应或电光效应来实现。
进一步地，光开关单元和/或微环光滤波器采用的材料包括铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟或砷化镓。
进一步地，光开关单元采用定向耦合型光开关或MZI型光开关。
本公开的另一方面提供了一种应用如上所述的可调谐光滤波器的光通信设备。
在本公开的技术方案中，通过利用光开关灵活改变路径中宽带光信号所经过的微环光滤波器的数量，从而实现重构光学滤波以及自由光谱区可调谐，进而满足ROADM***对可调谐光滤波器自由光谱区灵活性的需求。另外，该滤波器件集成于某种材料平台上通过半导体平面工艺制作，稳定度高、损耗低、体积小，且调节和控制难度小。
附图说明
图1示出了根据本公开实施例的可调谐光滤波器的结构示意图；
图2示出了根据本公开实施例的每级微环光滤波器结构示意图；
图3示出了根据本公开实施例的光开关结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
正如背景技术所介绍的，现有的光滤波器会存在自由光谱区不可调谐的问题，从而无法满足ROADM***对光滤波器自由光谱区灵活性的需求。鉴于此，本公开提出了一种可调谐光滤波器以及应用该可调谐光滤波器的光通信设备，以期至少部分解决上述技术问题。
本公开的实施例提供了一种可调谐光滤波器，包括：光波导单元、微环光滤波器单元和光开关单元。
光波导单元，用于输入待处理的宽带光信号，并为光信号提供不经过滤波处理的光路传输路径，以及输出滤波后的光信号。
微环光滤波器单元，包括N级微环光滤波器，用于对待处理的宽带光信号进行滤波处理，其中N为大于1的整数。
光开关单元，用于接收光信号，并通过切换光开关单元来控制光信号的传输路径，以使光信号至少经过一级微环光滤波器的滤波处理，形成新的自由光谱区。
本公开实施例中的可调谐光滤波器通过利用光开关灵活改变路径中宽带光信号所经过的微环光滤波器的数量，从而实现重构光学滤波以及自由光谱区可调谐，进而满足ROADM***对可调谐光滤波器自由光谱区灵活性的需求。
在本公开一些实施例中，光波导单元包括输入光波导、M-1级中间光波导以及输出光波导，M为大于1的整数。其中，输入光波导用于输入待处理的宽带光信号，M-1级中间光波导用于在光路中形成对应于光开关后且不经过对应微环光滤波器子单元的光路部分，输出光波导则用于输出滤波后的光信号。
在本公开一些实施例中，微环光滤波器单元包括第一微环光滤波器和多个微环光滤波器子单元，其中每个微环光滤波器子单元包括至少一级微环光滤波器。第一微环光滤波器和所有微环光滤波器子单元中微环光滤波器的数量之和为N(N为大于1的整数)，也即微环光滤波器单元包括N级微环光滤波器。
每级微环光滤波器包括直波导和微环谐振器，微环谐振器设于直波导一侧，用于将直波导中满足微环谐振条件的光信号波段从光谱中滤去。
每级微环光滤波器可以对光信号进行滤波处理。具体地，每级微环光滤波器在谐振波长处具有周期性的下载光谱，当光信号经过第i(1＜i≤N)级微环光滤波器时，对应的第i级微环光滤波器会在其谐振波长处具有周期性的下载光谱，从而在已形成的光谱中的对应谐振波长处***深凹槽，从而形成新的自由光谱区。
在本公开实施例中，通过对N级微环光滤波器的谐振波长进行独立调谐，能够实现微环光滤波器单元谐振波长的可调谐。另外，微环光滤波器的谐振波长调谐可以通过热光效应或电光效应来实现。具体可以根据实际选择合适的谐振波长调谐方式，在此不做限制。
需要说明的是，每个微环光滤波器子单元中微环光滤波器的数量可以相同，也可以各不相同，或者可以部分相同。例如，微环光滤波器子单元中均具有一级微环光滤波器，此时所有微环光滤波器子单元中具有相同数量的微环光滤波器；例如，第一微环光滤波器子单元中微环光滤波器的数量可以为两级，第二微环光滤波器子单元中微环光滤波器的数量可以为三级等等。关于各个微环光滤波器子单元中微环光滤波器的数量，具体可以根据实际需要设置，在此不做限定。
另外，在本公开一些实施例中，微环光滤波器单元中每级微环光滤波器的设计参数可以相同，也可以不相同，具体可以根据实际情况设置，在此不做限定。其中，上述设计参数至少包括：微环谐振器与直波导之间的距离、微环谐振器的半径、直波导的宽度和厚度、以及微环谐振器和直波导采用的材料等。例如，各级微环光滤波器采用的材料包括但不限于铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟或砷化镓。
在本公开实施例中，第一微环光滤波器与输入光波导的输出端连接，用于对待处理的宽带光信号进行初次滤波，实现初始的滤波周期。
在本公开实施例中，光开关单元包括M个光开关，每个光开关包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端。第一输入端和第二输入端用于接收光信号，第一输出端和第二输出端用于切换光信号的传输路径。
在本公开一些实施例中，对光开关单元中各个光开关状态的切换可以通过热光效应或电光效应来实现，具体可以根据实际需要设置，在此不做限定。
在本公开一些实施例中，光开关单元采用的材料包括但不限于铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟或砷化镓。光开关单元例如采用定向耦合型光开关或MZI型光开关，在其他一些实施例中，也可以采用其他合适的光开关，在此不做限定。
M个光开关与多个微环光滤波器子单元交错排列，通过切换每个光开关的状态可以控制初次滤波后的光信号的传输路径，得到新的滤波周期，也就改变了自由光谱区。
如以上所描述的那样，每级微环光滤波器可以对光信号进行滤波处理，可以理解，每级微环光滤波器的设计参数，例如微环谐振器与直波导之间的距离、微环谐振器的半径、直波导的宽度和厚度以及微环谐振器和直波导采用的材料等等，都可能会影响光学滤波器的滤波功能以及自由光谱区的可调谐程度，如果每级微环光滤波器设置不同的设计参数可能会获得不同的效果。在本公开实施例中，为了便于说明本公开的技术方案的优势，下面将以各级微环光滤波器设计参数相同为例来对滤波周期和自由光谱区的可调谐进行详细介绍，应当理解，在此以各级微环光滤波器设计参数相同为例来说明是本公开的技术方案一个优选示例，并非是对本公开的技术方案的限制。
例如，在各级微环光滤波器设计参数相同的情况下(其中设计参数包括但不限于微环谐振器与直波导之间的距离、微环谐振器的半径、直波导的宽度和厚度、以及微环谐振器和直波导采用的材料等)，利用各个光开关对光信号的路径进行切换，光信号所经过的微环光滤波器会在光信号的谱线上增添一组与初始滤波周期相同的滤波条纹，通过对相应微环光滤波器谐振波长的调节从而平移相应的滤波曲线，从而得到新的滤波周期，也就改变了自由光谱区，完成可重构光滤波器的滤波功能。
其中，所形成的新的自由光谱区的大小与经过的微环光滤波器数量成反比，通过调节光开关切换可决定光信号所经过的微环光滤波器的个数K(K为正整数)，并且可以通过调节微环光滤波器谐振波长的位置，从而实现自由光谱区的大小为只经过一级微环光滤波器(即经过第一微环光滤波器滤波处理)所形成的自由光谱区大小的1/K。例如，当待处理的宽带光信号经过一级微环光滤波器时，自由光谱区的大小为一级微环光滤波器所对应的FSR(Free Spectral Range)；当待处理的宽带光信号经过两级微环光滤波器时，自由光谱区的大小为FSR/2。
下面将结合本公开一较佳实施例中的可调谐光滤波器结构，对本公开的技术方案进行详细说明。在本实施例中，各微环光滤波器子单元中具有一级微环光滤波器，且各级微环光滤波器的设计参数均相同。应当理解，图1中示出的可调谐光滤波器中各部分的数量、形状和结构仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。
图1是本公开一较佳实施例中的可调谐光滤波器结构示意图。
如图1所示，该可调谐光滤波器包括：光波导单元、微环光滤波器单元和光开关单元。
光波导单元，包括输入光波导101、M-1级中间光波导(401，402，...，40(M-1))以及输出光波导102，M为大于1的整数。
微环光滤波器单元，包括第一微环光滤波器201和N-1个微环光滤波器子单元，每个微环光滤波器子单元中包括一级微环光滤波器，也即微环光滤波器单元中微环光滤波器的数量N＝1+1×(N-1)＝N(N为大于1的整数)。
光开关单元，包括M个光开关，其中，与微环光滤波器201以及中间光波导401、微环光滤波器子单元202连接的光开关301为1×2光开关，与微环光滤波器20N、中间光波导40(M-1)以及输出光波导102连接的光开关30M为2×1光开关，其他光开关均为2×2光开关。其中，“1×2”表示光开关具有一个输入端和两个输出端，“2×1”表示光开关具有两个输入端和一个输出端，“2×2”表示光开关具有两个输入端和两个输出端。
本实施例中，该可调谐光滤波器的结构具体如下：
请参阅图1，输入光波导101与第一微环光滤波器201的输入端连接，第一微环光滤波器201的输出端与光开关301的输入端连接；光开关301的第一输出端、第二输出端分别与微环光滤波器子单元202的输入端、中间光波导401的输入端连接；光开关302的第一输入端、第二输入端分别与微环光滤波器子单元202的输出端、中间光波导401的输出端连接，以此类推，将M个光开关(301～30M)与N-1个微环光滤波器子单元(202、203，...，20N)和M-1级中间光波导(401～40(M-1))交错排列。光开关30M的输出端与输出光波导102连接。
本公开的实施例中，图2为每级微环光滤波器结构示意图，如图2a所示，每级微环光滤波器包括：直波导和微环谐振器，其中，每个微环谐振器设于其对应的直波导一侧，用于将直波导中满足微环谐振条件的光信号波段从光谱中滤去。具体地，可以在每级微环光滤波器两端设置正负电极，并在正负电极间施加电激励，通过热调谐来改变光信号在每级微环光滤波器内的谐振波长。
在本公开的一些实施例中，如图2b所示，每级微环光滤波器结构还可以为上下载型结构，每级微环光滤波器包括：上直波导、下直波导和微环谐振器，其中，微环谐振器位于上直波导与下直波导之间，且调制区也位于上直波导与下直波导之间。
本公开的实施例中，如图3所示，光开光302、303、...、30(M-1)为定向耦合型光开关或MZI型光开关，如图3a所示为定向耦合型光开关结构示意图，如图3b所示为MZI型光开关结构示意图，该定向耦合型光开关及该MZI型光开关均为2×2光开关，即包括两个输入端和两个输出端，分别对应这前一级的两个输出端和后一级的两个输入端。
具体地，如图3a所示，定向耦合型光开关由两根波导组成，这两根波导在输入和输出部分由于距离较远不发生耦合，在中间距离最小处则可以形成耦合区。根据耦合模理论，如果两根波导完全一致，则其满足相位匹配条件，可以是实现光功率从上端口完全耦合进入下端口。通过在其中一根波导设计调制区，对该区域施加电激励，改变该定向耦合的相位匹配条件，使得下端口输出功率最小，实现光开关功能。
具体地，如图3b所示，MZI型光开关由两个3dB分束器和两根直波导组成，在其中一根直波导上设计调制区，即在对该段波导施加电激励，通过热光效应或者电光效应改变该段波导的有效折射率，使得右侧3dB分束器输出端的光强能够干涉相消或者相涨，从而实现光切换。
上述可调谐光滤波器的体积较小，可通过半导体平面工艺集成于半导体平台上，稳定度高、损耗低且调节和控制难度小。
下面将基于上述可调谐光滤波器结构，对利用光开关灵活改变路径中所经过的微环光滤波器数量以调谐滤波周期以及自由光谱区进行简单说明。
在各级微环光滤波器设计参数相同的情况下，利用各个光开关对光信号的路径进行切换，光信号所经过的微环光滤波器会在光信号的谱线上增添一组与初始滤波周期相同的滤波条纹，通过对相应微环光滤波器谐振波长的调节从而平移相应的滤波曲线，从而得到新的滤波周期，也就改变了自由光谱区，完成可重构光滤波器的滤波功能。
其中，所形成的新的自由光谱区的大小与经过的微环光滤波器数量成反比，通过调节光开关切换可决定光信号所经过的微环光滤波器的个数K(K为正整数)，并且可以通过调节微环光滤波器谐振波长的位置，从而实现自由光谱区的大小为只经过一级微环光滤波器(即只经过第一微环光滤波器滤波处理)所形成的自由光谱区大小的1/K。
例如，当光开关301～30(M-1)的状态都是第二输出端通过，第一输出端阻断，光开关30M的第一输入端阻断，第二输入端通过，光信号经过了微环光滤波器201，此时对应的自由光谱区最大，对应的自由光谱区大小为FSR，即一级微环光滤波器对应的FSR。
例如，当光开关301的第一输出端通过，第二输出端阻断，光开关302～30(M-1)的状态都是第二输出端通过，第一输出端阻断，光开关30M的第一输入端阻断，第二输入端通过，光信号经过了微环光滤波器201和微环光滤波器202，此时对应的自由光谱区大小为FSR/2。
例如，当光开关301和光开关302的第一输出端通过，第二输出端阻断，光开关303～30(M-1)的状态都是第二输出端通过，第一输出端阻断，光开关30M的第一输入端阻断，第二输入端通过，光信号经过了微环光滤波器201、202和203，此时对应的自由光谱区大小为FSR/3。
以此类推，当光开关301～30M的状态都是第一输出端通过，第二输出端阻断，光信号经过了微环光滤波器201～20N，此时对应的自由光谱区最小，对应的自由光谱区大小为FSR/N。
基于上述实施例可知，本公开提供的可调谐光滤波器通过光开关灵活改变路径中光信号所经过的微环光滤波器数量，从而实现可重构光学滤波以及自由光谱区可调谐。
本公开的另一方面还提供了一种应用如上所述的可调谐光滤波器的光通信设备。该光通信设备能够利用光开关灵活改变路径中光信号所经过的微环光滤波器数量，从而实现可重构光学滤波以及自由光谱区可调谐。
综上所述，本公开提供了一种可调谐光滤波器以及应用该可调谐光滤波器的光通信设备。本公开中的可调谐光滤波器通过利用光开关灵活改变路径中光信号所经过的微环光滤波器数量，从而实现可重构光学滤波以及自由光谱区可调谐。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可调谐光滤波器，其特征在于，包括：
光波导单元，用于输入待处理的宽带光信号，并为光信号提供不经过滤波处理的光路传输路径，以及输出滤波后的光信号；
微环光滤波器单元，包括N级微环光滤波器，用于对所述待处理的宽带光信号进行滤波处理；其中N为大于1的整数；其中，通过对N级所述微环光滤波器的谐振波长进行独立调谐，能够实现所述微环光滤波器单元谐振波长的可调谐；
光开关单元，用于接收光信号，并通过切换所述光开关单元来控制所述光信号的传输路径，以使所述光信号至少经过一级所述微环光滤波器的滤波处理，形成新的自由光谱区；其中，
每级所述微环光滤波器在谐振波长处具有周期性的下载光谱；其中，每级所述微环光滤波器包括直波导和微环谐振器，所述微环谐振器设于所述直波导一侧，用于将所述直波导中满足微环谐振条件的光信号波段从光谱中滤去；
每级所述微环光滤波器的设计参数相同，其中，所述设计参数至少包括：所述微环谐振器与所述直波导之间的距离、所述微环谐振器的半径、所述直波导的宽度和厚度及所述微环谐振器和所述直波导采用的材料；其中，当所述待处理的宽带光信号经过K个所述微环光滤波器时，所述自由光谱区的大小为只经过一级所述微环光滤波器所形成的自由光谱区大小的1/K，K为正整数。
2.根据权利要求1所述的可调谐光滤波器，其特征在于，所述光开关单元包括M个光开关，M为大于1的整数；
所述微环光滤波器单元包括第一微环光滤波器和多个微环光滤波器子单元，每个所述微环光滤波器子单元包括至少一级所述微环光滤波器；
其中，所述第一微环光滤波器用于对所述待处理的宽带光信号进行初次滤波；
所述M个光开关与所述多个微环光滤波器子单元交错排列，通过切换每个所述光开关的状态来控制初次滤波后的光信号的传输路径，以形成新的自由光谱区。
3.根据权利要求2所述的可调谐光滤波器，其特征在于，所述光波导单元包括：
输入光波导，用于输入所述待处理的宽带光信号；
M-1级中间光波导，用于在光路中形成对应于所述光开关后且不经过对应微环光滤波器子单元的光路部分；M为大于1的整数；
输出光波导，用于输出滤波后的光信号。
4.根据权利要求1所述的可调谐光滤波器，其特征在于，所述光开关单元的状态切换以及所述微环光滤波器的谐振波长调谐通过热光效应或电光效应来实现。
5.根据权利要求1中所述的可调谐光滤波器，其特征在于，所述光开关单元采用定向耦合型光开关或MZI型光开关。
6.一种采用如权利要求1～5中任一项所述的可调谐光滤波器进行光滤波的光通信设备。
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