WO2013129968A2 - Оптический фильтр - Google Patents

Оптический фильтр Download PDF

Info

Publication number
WO2013129968A2
WO2013129968A2 PCT/RU2013/000100 RU2013000100W WO2013129968A2 WO 2013129968 A2 WO2013129968 A2 WO 2013129968A2 RU 2013000100 W RU2013000100 W RU 2013000100W WO 2013129968 A2 WO2013129968 A2 WO 2013129968A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical
waveguides
channel
optical filter
filter
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000100
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2013129968A3 (ru
Inventor
Владимирович ЦАРЕВАндрей
Original Assignee
Tsarev Andrey Vladimirovich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsarev Andrey Vladimirovich filed Critical Tsarev Andrey Vladimirovich
Publication of WO2013129968A2 publication Critical patent/WO2013129968A2/ru
Publication of WO2013129968A3 publication Critical patent/WO2013129968A3/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/11—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves
    • G02F1/125—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves in an optical waveguide structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference
    • G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  by interference in an optical waveguide structure

Definitions

  • the invention relates to integrated optics and more specifically relates to an optical tunable filter. It can be used as a tunable filter for frequency compression of signals in fiber-optic communication systems, a small-sized tunable optical spectrometer, or a filter element in the equipment for reading data from fiber Bragg sensors.
  • a device is known - an integrated multi-reflective tunable filter (A. V. Tsarev, "Tunable optical filters", United States Patent No. 6,999,639, February 14, 2006, Published on February 14, 2006, Foreign Application Priority Data Sep 06, 2001; AB Tsarev, “Multiplexers for WDM with nanophotonic reflectors - a new way to control many hundreds of optical spectral channels”, Nano and Microsystem Engineering, N ° 4, pp. 51-55 (2007)), containing channel optical waveguides for optical input / output radiation and propagation of a light beam, light beam dividers arranged in series along radiation in the form of inclined elementary reflectors; a set of connecting channel optical waveguides for transmitting optical radiation reflected from opposite elementary reflectors.
  • A. V. Tsarev integrated multi-reflective tunable filter
  • the filtering of a given wavelength of the optical spectrum is carried out due to the constructive interference of many optical beams reflected from the inclined elementary reflectors, periodically located along the channel optical waveguides.
  • Tuning of the filtered wavelength of light is carried out due to a controlled change in the refractive index in phase-shifting optical elements located along waveguides containing inclined reflectors (for fine tuning) and a set of connecting waveguides (for wide tuning).
  • Their task is to form a constant phase shift between any two optical beams reflected from neighboring elementary reflectors.
  • the level of the side lobes in the passband of the filter can be reduced to a level greater than -20 dB due to apodization, by changing the beam division coefficient when reflected from elementary reflectors.
  • a similar type of filter is known (using a plurality of inclined reflectors), which operates on the basis of the interference of a plurality of beams propagating in a planar optical waveguide, which provide the possibility of wide wavelength tuning due to the acousto-optical (AO) effect
  • A.V. Tsarev. Acoustic-optical tunable filter
  • patent of the Russian Federation X ° 2182347, May 10, 2002, published in Bul. 13, dated May 10, 2002 AVTsarev " Acousto-optical variable filter ", United States Patent No. 7,092,139, Published on August 15, 2006, Foreign Application Priority Data August 04, 2000).
  • light beam dividers in the form of periodically arranged oblique elementary reflectors that intersect the core of the channel waveguide are made in such a way that the reflected beams propagate further along the planar waveguide, and then again arrive at a similar channel waveguide with many inclined reflectors, which is called filtering an element.
  • the filtering of a given wavelength of the optical spectrum is also carried out due to the constructive interference of many optical beams coming from a planar waveguide to inclined elementary reflectors, and which direct optical radiation along the axis of the channel optical waveguide of the filter element.
  • there is an optimal angle of the incident beam for which constructive interference works and effective filtering is performed.
  • the wavelength can be tuned not only by changing the refractive index of the corresponding channel waveguides (as in the optical filter described above), but also by rotating the phase front during acousto-optical interaction.
  • the optical beams that propagate along a planar waveguide interact with a surface acoustic wave (SAW) excited by an on-board transducer (IDT).
  • SAW surface acoustic wave
  • IDT on-board transducer
  • the diffracted optical beam deviates from the incident beam by a double Bragg angle and enters the filter element. In this device, this angle is determined by the length of the acoustic wave, which is controlled by the frequency of the high-frequency signal (hundreds of megahertz) attached to the interdigital transducer.
  • Optical coupling of a ring resonator with channel optical waveguides carrying out input / output of optical radiation is carried out due to the tunnel coupling of the wave data s with a ring resonator waveguide
  • These filters can be made on various waveguide structures, for example, based on silicon nitride, polymers, lithium niobate or silicon-on-insulator (SOI) structures.
  • SOI silicon-on-insulator
  • FSR-free spectral range determines the operating range of the filter.
  • the wavelength tuning of such ring resonators is carried out due to phase-shifting optical elements operating on the basis of the thermo-optical effect, the electro-optical effect, or a change in the concentration of free charge carriers in the waveguide region.
  • the disadvantage of these filters is the low wavelength tuning range, which is proportional to the magnitude of the change in the refractive index, limited by the physical properties of the waveguide material. To expand the tuning range, sometimes use the Vernier effect, i.e.
  • filtering is carried out by a consistent change in the refractive index simultaneously for two ring resonators having a narrower and different free spectral band (J. Floriot, F. Lemarchand, and M. Lequime. Tunable double-cavity solid-spaced bandpass filter, Opt. Express, 2004 , v. 12, p. 6289-6298).
  • the disadvantage of this type of filter is the difficulty of controlling the wavelength, as well as the presence of spurious signals at wavelengths that are multiples of the free spectral zone of each filter.
  • An optical filter is also known (K. Yamada, T. Shoji, T. Tsuchizawa, T. Watanabe, J. Takahashi, and S. Itabashi, "Silicon-wire-based ultrasmall lattice filters with wide freespectral ranges, "Opt. Lett. 28, 1663-1664 (2003)), based on the use of the Mach-Zehnder (MZ) line of interferometers and tunnel coupling of channel waveguides.
  • MZ Mach-Zehnder
  • the filter is fabricated in SOI structures using complementary metal -second-semiconductor (CMOS) compatible technology (complementary metal-oxide-semiconductor technology (CMOS)) and has a constant difference in the optical length (path-length difference) of different arms of the interferometer (to provide filtering) and a different amount of tunnel coupling (to ensure apodization needed to lower the level of side sculpts tkov).
  • CMOS complementary metal -second-semiconductor
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor technology
  • these filters are not intended for broadband tuning wavelength, so they are preferred for use as the fixed filter devices with a small number of frequency channels (i.e., with a small set of operating wavelengths).
  • the basis of the invention is the task of creating an optical tunable filter that would simultaneously have a wide tuning range and a narrow width of the filtration line, and which could be made on the basis of existing and promising technologies.
  • the problem is solved in that in an optical tunable filter containing channel optical waveguides for input-output of optical radiation and propagation of the light beam, light beam dividers arranged in series along the radiation, a means of formation for transmitting optical radiation branched by beam dividers, wherein the forming means is made in the form of a set of connecting channel optical waveguides and / or a planar optical waveguide, according to the invention, divide whether the beam is made in the form of a set of coupled optical waveguides, the mutual arrangement of which is selected taking into account the maintenance at the working wavelength of the radiation of a phase difference essentially multiple of 2 ⁇ for most beams branched out using various beam dividers and passed from the input to the output of the optical filter.
  • ⁇ 3.14159 ... is a universal constant.
  • the requirement that most beams have a phase difference shift that is essentially a multiple of 2 ⁇ leads to the fact that at the working wavelength all of these beams will fold in phase and form an intense signal at the output of the device. That relatively small number of beams, where this condition is violated, will not make a significant contribution to the signal intensity at the working wavelength. However, their contribution can be useful for the formation of the desired spectral shape characteristics (for example, to suppress spurious signals outside the width of the filter line).
  • the device is based on channel and / or plenary waveguides.
  • the channel optical waveguide has an increased value of the refractive index both in depth and across the structure, i.e. it is a local region on / or below the surface of a solid in the form of a thin strip with a width of fractions to units of microns, with a refractive index higher than the refractive index of its surroundings.
  • the region with an increased value of the refractive index can be both homogeneous and inhomogeneous (the case of a gradient optical waveguide).
  • a channel optical waveguide can support low-loss propagation of a narrow and non-diverging optical beam along its axis in the vicinity of a region with an increased refractive index.
  • the number of guided (waveguide) waves (modes) that this structure supports, and the spatial distribution of their optical fields are determined by the profile of the change in the refractive index in depth and width.
  • a planar waveguide is a thin layer with a thickness of fractions to several microns with a refractive index higher than the refractive index of the surrounding medium (substrate and surrounding upper layer, in this case, air).
  • a light beam can propagate inside this layer with very low losses (less than 1 dB / cm).
  • Planar waveguides can be either homogeneous or gradient.
  • Channel and planar waveguides can be made by diffusion of metals, proton exchange from molten salts, sputtering of materials with a higher refractive index than that of the substrate, epitaxy from the gas or liquid phase, modification of the properties of the surface layer due to irradiation, for example, by electrons and / or photons, etc.
  • a channel waveguide can be made by etching grooves on the surface of a planar waveguide.
  • the depth of the grooves may partially overlap the core planar waveguide and form a comb-type channel waveguide, or completely cross its core, thereby forming a strip optical waveguide.
  • Such waveguides are most promising for creating this type of device in silicon-on-insulator and lithium niobate structures.
  • polysilicon As materials for the manufacture of optical waveguides, one can use polysilicon, a mixture (in the required ratio) of silicon oxide (Si0 2 ) and titanium oxide (Ti0 2 , Titanium dioxide), chalcogenide glass (As 2 S 3 ), aluminum nitride (A1N, Aluminum nitride), silicon nitride (Si 3 N 4 , Silicon nitride), silicon oxynitride (SiON, Silicon oxynitride), gallium nitride (GaN, Gallium nitride), polymers and other materials widely used in photonics and integrated optics.
  • silicon oxide Si0 2
  • Ti0 2 Titanium dioxide
  • chalcogenide glass As materials for the manufacture of optical waveguides, one can use polysilicon, a mixture (in the required ratio) of silicon oxide (Si0 2 ) and titanium oxide (Ti0 2 , Titanium dioxide), chalcogenide glass (As 2 S 3 ), aluminum n
  • a channel waveguide with corresponding beam dividers through which optical radiation is introduced will be called a forming element
  • a channel waveguide with corresponding beam dividers through which optical radiation is output will be called a filtering element.
  • Coupled optical waveguides is understood to mean a situation generally accepted in the scientific literature when the energy of an optical wave can flow (partially or completely) between two (or more) optical waveguides due to the tunnel coupling of their optical fields through the space separating them.
  • phase-shifting optical elements is understood to mean a situation generally accepted in the scientific literature when the phase of an optical wave propagating through an optical waveguide is controlled by an external signal, for example, due to electro-optical or thermo-optical effects, or the effect of electrostriction, or a change in the concentration of free charge carriers, or under other physical effects (deformation, radiation, etc.).
  • the beam expanders can be made in the form of adiabatic horn elements and / or tapering channel waveguides.
  • the waveguides of the forming and filtering elements run parallel to each other.
  • the connecting waveguides are made normally (at right angles) to the specified waveguides.
  • Such a filter design will be called rectangular (orthogonal).
  • the waveguides of the forming and filtering elements it is advisable to increase the steepness of the tuning of the wavelength and / or expansion of the free spectral zone, the waveguides of the forming and filtering elements to perform at an angle to each other.
  • the connecting waveguides as a rule, are made obliquely to the specified waveguides at an angle different from the straight line. This design of the filter will be called inclined.
  • At least one set of control electrodes in the form of strips of conductive material in order to create when the electric field is applied local changes in the refractive index in the vicinity of these waveguides due to electro-optical or thermo-optical effects, or the effect of electrostriction, or a change in the concentration of free charge carriers.
  • control electrodes in the form of strips of conductive material in order to create an electric field when applying an electric field to adjust the wavelength of the filtered radiation at the same time of all optical channels and to expand the range of the tuning of wavelengths of light of an optical filter, in the immediate vicinity of a set of connecting channel optical waveguides local changes in the refractive index in the vicinity of these waveguides due to electro-optical or thermo-optical effects or the effect of electrostriction, or a change in the concentration of free charge carriers, the length of the control electrodes and the magnitude of the voltage applied to them being chosen so as to have the same or different by an even number of ⁇ phase shift for adjacent beams branched by different beam dividers and passed from input to output optical filter.
  • the through function in order to ensure the through passage of the broadband optical signal (the through function), it is necessary to place a similar set of electrode structures in the section between the last and the last but one filtering element, the length of the electrodes and the magnitude of the applied voltage to each of the electrodes being chosen so that they have zero or a phase shift differing by an even number ⁇ for adjacent beams branched by different beam dividers and passed from the input to the output of the optical filter.
  • the through-passage of the broadband optical signal is carried out for all wavelengths, except those that were rejected by the acousto-optical wave.
  • Part of the deflected light beams, at given wavelengths, will be filtered using one or more filter elements. However, it is desirable that all remaining (unfiltered) wavelengths be able to pass through the device through.
  • an optical filter with at least one additional source of acoustic waves, configured to generate an acoustic wave directed against the acoustic wave of the main source and capable of interacting with the light waves of the beam in the area between the last and penultimate filtering elements.
  • both the shape of the transmission line and its envelope in the spectral range of the filter can be adjusted. For example, to ensure significant suppression (more than 20 dB) of the side lobes, it is advisable to perform beam dividers with different fission factors. This is ensured by changing the magnitude of the tunnel coupling, which is selected so as to provide the optimal amplitude of the beams and / or phase of the waves branched by various beam dividers. At the same time, at the output of the device, the contribution to the resulting signal from different beams, as a rule, decreases from the middle part of the forming and filtering elements to their ends.
  • apodization is understood as the case generally accepted in the scientific and technical literature when the amplitudes and / or phases of various signal components vary, the summation of which forms the spectral response of the device. Therefore, apodization can be amplitude, phase, or mixed (amplitude-phase). Most interference optical devices use apodization to improve their specifications.
  • beam dividers and / or channel waveguides of the forming and / or filtering elements and / or connecting waveguides can be made in one layer.
  • beam dividers and / or channel waveguides of the forming and / or filter elements, and / or connecting waveguides and / or planar waveguides can be made in different layers.
  • damping regions can be parts of a structure with a high concentration of free charge carriers, and / or containing scattering centers, and / or submicron diffraction gratings, and / or narrowing (wedge-shaped) channel waveguides with a gradually decreasing core cross section (so that the radiation passing through them increases its spatial size (expanded) and left the area of the optical filter).
  • beam dividers and / or channel waveguides of the forming and / or filtering elements and / or connecting waveguides are made in silicon-on-insulator structures.
  • the device is made in waveguide structures based on lithium niobate.
  • the channel waveguides forming the beam dividers have the same or close effective refractive indices.
  • optical filters may contain many intersections of channel waveguides of the forming and / or filtering elements with connecting waveguides. To reduce spurious signals, it is advisable intersect the specified channel waveguides with minimal scattering losses, for example, due to the multilayer intersection method described in the scientific literature using vertical coupling, for example, on the basis of narrowing channel waveguides (see, for example, K.Watanabe, Y. Hashizume, Y. Nasu , Y. Sakamaki, M. Kohtoku, M. Itoh, and Y. Inoue, "Low-loss three-dimensional waveguide crossings using adiabatic interlayer coupling," Electron. Letters 44, 1356-1357 (2008); R. Sun, M .
  • Figure 1 depicts a schematic diagram of a single-channel optical filter on coupled waveguides (orthogonal orientation), according to the invention, isometry; where 1 is a solid-state substrate, 2 is a channel optical waveguide of the forming element, 3 is a channel optical waveguide of the filtering element, 7-12 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of the forming element, 13-18 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of the filtering element, 30-32 - curved channel optical waveguides, 36-41 - connecting channel optical waveguides, 60 - tapering channel optical waveguide, 61 - input of the optical filter, 62 - output of the optical filter for the first spectrally channel, 66 — output of an optical filter for monitoring input radiation, 70 — optical beams branched by beam dividers.
  • Figure 2 depicts a schematic diagram of an optical single-channel filter on coupled waveguides (orthogonal orientation, the case of intersection with connecting waveguides), according to the invention, isometry; where 1 is a solid-state substrate, 2 is a channel optical waveguide of the forming element, 3 is a channel optical waveguide of the filtering element, 7-12 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of the forming element, 13-18 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of the filtering element, 30-32 - curved channel optical waveguides, 36-41 - connecting channel optical waveguides, 60 - tapering channel optical waveguide, 61 - input optical filter, 62 — output of the optical filter for the first spectral channel, 66 — output of the optical filter to control the input radiation, 70 — optical beams branched by beam dividers.
  • Fig. 3 depicts a schematic diagram of a single-channel optical filter on coupled waveguides (oblique orientation), according to the invention, isometry; where 1 is a solid-state substrate, 2 is a channel optical waveguide of the forming element, 3 is a channel optical waveguide of the filtering element, 7-12 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of the forming element, 13-18 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of the filtering element, 30-32 - curved channel optical waveguides, 36-41 - connecting channel optical waveguides, 60 - tapering channel optical waveguide, 61 - input of the optical filter, 62 - output of the optical filter for the first spectrally channel, 66 — output of the optical filter to control the input radiation, 70 — optical beams branched by beam dividers, ⁇ — orientation angle of the waveguides of the forming and filtering elements, measured relative to the normal to the connecting waveguides.
  • Figure 4 depicts a schematic diagram of a two-channel optical filter on coupled waveguides, according to the invention, isometry; where 1 is a solid-state substrate, 2 is a channel optical waveguide of the forming element, 3 and 4 are channel optical waveguides of the filtering elements, 7-12 are coupled channel optical waveguides of the beam dividers of the forming element, 13-18 and 19-24 are coupled channel optical waveguides of the filtering beam elements, 30-32 - curved channel optical waveguides, 36-41 - connecting channel optical waveguides, 60 - tapering channel optical waveguide, 61 - input of the optical filter, 62 and 63 - output of the optical filter for the first and the second spectral channels, 66 — output of the optical filter for monitoring the input radiation, 70 — optical beams branched by beam dividers.
  • Figure 5 depicts a schematic diagram of a single-channel optical filter-multiplexer on coupled waveguides, according to the invention, isometry; where 1 is a solid-state substrate, 2 is a channel optical waveguide of the forming element, 3 and 6 are channel optical waveguides of the filtering elements, 7-12 are coupled channel optical waveguides of the beam dividers of the forming element, 13-18 are coupled channel optical waveguides of the beam dividers of the filtering element, 71- 76 coupled channel optical waveguides of filter beam dividers element for the transmission function, 30-32 - curved channel optical waveguides, 36-41 - connecting channel optical waveguides, 60 - tapering channel optical waveguide, 61 - input of the optical filter, 62 - output of the optical filter for the first spectral channel, 65 - output of the optical filter for the transmission function, 66 — output of the optical filter for monitoring the input radiation, 70 — optical beams branched by beam dividers.
  • FIG. 6 depicts a schematic diagram of a three-channel optical filter-multiplexer on coupled waveguides, according to the invention, isometry; where 1 is a solid-state substrate, 2 is a channel optical waveguide of the forming element, 3-6 are channel optical waveguides of the filtering elements, 7-12 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of the forming element, 13-18, 19-23, 54-58 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of filter elements of different spectral channels, 71-76 coupled channel optical waveguides of beam dividers of filter element for transmission function, 30-32 - curved channel optical waveguides, 36-41, 44-48, 49-53, 54-58 connecting to anal optical waveguides, 60 — tapering channel optical waveguide, 61 — input of the optical filter, 62–64 — outputs of the optical filter for different spectral channels, 65 — output of the optical filter for transmission function, 66 — output of the optical filter to control input radiation, 67- 69
  • FIG. 7 depicts a schematic diagram of a single-channel optical filter on coupled waveguides (orthogonal orientation with thermo-optical control), according to the invention, where 1 is a solid-state substrate, 2 is a channel optical waveguide of the forming element, 3 is a channel optical waveguide of the filtering element, 7-12 are connected channel optical waveguides of beam dividers of the forming element, 13-18 connected channel optical waveguides of beam dividers of the filtering element, 36-41 - connecting channel optical wave s, 60 — tapering channel optical waveguide, 61 — input of the optical filter, 62 — output of the optical filter for the first spectral channel, 66 — output of the optical filter to control the input radiation, 101-106 — electrodes for heating thermo-optical phase-shifting elements of wide tuning, 107 and 108 - a set of electrode structures with a constant length, 109 and ON - a set of electrode structures with a linearly variable length, 1 1 1-1 12 - electrodes for heating thermo
  • Fig. 8. depicts a schematic diagram of a single-channel optical filter with acousto-optic control on coupled waveguides (with adiabatic expansion of horn-type channel waveguides), according to the invention, isometry; where 1 is a solid-state substrate, 2 is a channel optical waveguide of the forming element, 3 is a channel optical waveguide of the filtering element, 13-18 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of the filtering element, 30-32 are curved channel optical waveguides, 59 is a planar optical waveguide of the forming element , 60 — tapering channel optical waveguide, 61 — input of the optical filter, 62 — output of the optical filter for the first spectral channel, 76 — optical beams branched by beam dividers, 77 — optical beams and rejected by a surfactant, 79 - absorber surfactant 80 - adiabatic expander channel waveguide horn type, 82 - surfactant 83 - interdigital trans
  • Fig.9 depicts a schematic diagram of a single-channel optical filter with acousto-optical control on coupled waveguides (two-layer version with adiabatic expansion of the optical beam based on a narrowing channel waveguide), according to the invention, isometry; where 1 is a solid-state substrate, 2 is a channel optical waveguide of the forming element, 3 is a channel optical waveguide of the filtering element, 13-18 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of the filtering element, 30-32 are curved channel optical waveguides, 59 is a planar optical waveguide of the forming element , 60 — tapering channel optical waveguide, 61 — input of the optical filter, 62 — output of the optical filter for the first spectral channel, 76 — optical beams branched by beam dividers, 77 — optical beams and, rejected by the SAW, 77 — optical beams passing through the filter element, 79 — SAW absorber, 81 — adiabatic optical beam
  • Figure 10 depicts a schematic diagram of a simulation of a single-channel optical filter on coupled waveguides (orthogonal orientation with thermo-optical control), where 1 is a solid-state substrate, 2 is a channel optical waveguide of the forming element, 3 is a channel optical waveguide of the filtering element, 7-12 are coupled channel optical waveguides of beam dividers of the forming element, 13-18 are coupled channel optical waveguides of beam forming of the filter element, 30-32 - curved channel optical waveguides, 36-41 - connecting channel optical waveguides, 61 - input of the optical filter, 62 - output of the optical filter for the first spectral channel, 66 - output d optical filter to control the input radiation, 70 - optical beams branched by beam dividers, 91-95 - FDTD monitors, 97 - damping region, d - gap width of the slit, R - radius of curvature of curved waveguides, LL - length of phase-shifting optical elements
  • Figure 1 1 - change in the beam division coefficient for deflected (R c ) and transmitted (T c ) waves, as a function of the distance d between the strip waveguides based on silicon nanowires (calculation 2D FDTD). For comparison, the exponential approximation for R c (d) is given.
  • Fig. 12 is an example of the apodization function A p and the beam division coefficients R c and gap gap d between the strip waveguides based on silicon nanowires, as a function of the beam splitter number M (calculation 2D FDTD), necessary for its implementation.
  • Fig. 13 is a numerical demonstration of the operation of an optical filter having 32 beam dividers based on silicon nanowires (2D FDTD calculation), where 2 is a channel optical waveguide of a forming element, 3 is a channel optical waveguide of a filtering element, 61 is an input of an optical filter, 62 is an output optical filter, 91, 91, 95 - FDTD monitors.
  • the first value indicates the value of ⁇
  • the subsequent figures indicate the values of ⁇ , ⁇ 2 and ⁇ 3 in shares of ⁇ 00.
  • Fig. 15 shows the beam dividing coefficients R as a function of their M number for different filter elements, which are necessary for creating a narrow-band optical filter multiplexer with a 25 GHz frequency grid; here R ⁇ , R c3 , Rc 6 are the beam division coefficients for different waveguides 2, 3-5, and 6, respectively.
  • Fig. 17 shows the beam dividing coefficients R as a function of their number M for different filter elements (case of an acousto-optical filter with a frequency grid of 25 GHz); here, Rc2 and Rc3 are the beam fission factors for different waveguides 2 and 3, respectively.
  • AO filter case with a grid of frequencies of 25 GHz and 250 GHz.
  • d ⁇ 0 ⁇ m, the optical aperture is 0.58 cm and 0.058 cm, respectively.
  • the 25 GHz filter spectra are located inside the 250 GHz filter spectrum;
  • Fig. 19 is a spectral dependence of filtering efficiency for an AO filter with a 25 GHz frequency grid.
  • d ⁇ 0 ⁇ m, SAW frequency 1225 MHz, optical aperture 0.58 cm.
  • the device is as follows. On the surface of the solid-state substrate 1 (Figs. 1–9) or in the immediate vicinity below it (the case of the so-called buried waveguide), channel optical waveguides of the forming (2) and filtering (3-6) elements are made. A set of beam dividers is made on the surface of the solid-state substrate 1 (Figs. 1–9) or below it in the immediate vicinity of the channel optical waveguides (2, 3) of the forming and filtering elements, including adjacent channel optical waveguides (7-29, 71-76 ), which due to tunnel coupling are able to branch part of the energy of the incident beam into these waveguides. The rest of the energy propagates further along the original waveguide to the next similar beam splitter until it reaches the end of the structure.
  • the channel waveguides of the beam dividers have curved parts (30-32, 34, 35), which on the one hand serve to smoothly change the coupling coefficient (30-32) to reduce spurious reflection, and on the other hand, make it possible to optimally arrange all the conclusions of the beam dividers for subsequent connection with means of formation.
  • the direction of the channel waveguide changes due to the effect of specular reflection from a region with a high reflection coefficient, for example, due to the effect of total internal reflection (FR) at a vertically etched border.
  • the forming means comprises a set of curved (34, 35) and direct (36-41, 44-58) channel waveguides, and / or a planar waveguide (59).
  • a planar waveguide 59 is made on the surface of the solid-state substrate 1 (see Fig. 8 and Fig. 9) or under it in close proximity to the waveguides of the forming 2 and filtering 3 elements, which is optically matched with the indicated strip waveguides (to reduce spurious scattering )
  • a horn expansion of the beam see Fig. 8 and / or an adiabatically tapering waveguide 81 (see Fig. 9) were made.
  • the latter is usually performed on the upper layer of the multilayer structure and ensures the expansion of the beam and the transition of the optical wave between two waveguide layers (from a channel waveguide to a planar waveguide).
  • This optical element operates on the well-known principle that the optical field of a guided wave (fundamental waveguide mode) adiabatically increases in size as the wave propagates to the narrow end (VR Almeida, RR Panepucci, and M. Lipson, "Nanotaper for compact mode conversion,” Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003)).
  • the channel optical waveguide 2 is an integral part of the forming element, and through its input 61 an optical beam is introduced into the filter, which may contain different wavelengths of the optical spectrum.
  • the input of light into the channel optical waveguide 2 can be carried out in various ways, for example, by docking with a fiber optical fiber, focusing the optical radiation on the end of the structure, using an I / O grating element, etc.
  • channel optical waveguides 3-6 are an integral part of the filter element, and through their outputs 62-65 output optical beams that have passed through the forming means.
  • channel waveguides of beam dividers 7-29, 71-76 are made, which are tunnel connected with these waveguides 2-6.
  • Coefficient of division of beam energy into coupled waveguides depends on the length of the communication region (usually increases with its increase), on the overlap of the mode fields of each of the waveguides (usually decreases with increasing distance between the waveguides) and the magnitude of the phase mismatch of their fields (depends on the effective refractive indices of the modes of the respective waveguides).
  • the beam splitter may contain more than two waveguides, for example, three channel waveguides (see (Doo Gun Kim, Jae Hyuk Shin, Cem Ozturk, Jong Chang Yi, Youngchul Chung, Nadir Dagli, "Rectangular Ring Lasers Based on Total Reflection Mirrors and Three Waveguide Couplers," Photonics Technology Letters, IEEE, vol.19, no.5, pp.306-308, (2007)). It is important that the coefficient fission varies widely (from 0 to 1) by changing the parameters of the coupling element of the optical waveguides, which performs the function of a beam splitter. 1 to 9, the channel waveguides of the beam dividers 7-29, 71-76 are made at different distances from the waveguides 2-6, which provides the necessary apodization.
  • phase-shifting optical elements are used that operate on the basis of electro-optical or thermo-optical effects, the effect of electrostriction, or changes in the concentration of free charge carriers.
  • the technology for the manufacture of electrodes and the design of phase-shifting optical elements are described in detail in the scientific and technical literature.
  • Fig.7 presents embodiments of the device based on the thermo-optical effect.
  • electrode structures 101-1 12 are made on the surface of the structure, the heating of which during the flow of electric current causes local changes in the refractive index in the region of the optical waveguide.
  • the electrodes 101-106 are controlled independently of multi-channel direct or alternating current sources (not shown) or are grouped, for example, with a period of 4 (i.e., each 4 is powered in parallel) to reduce the number of channels at the current source.
  • groups of electrodes 107-108 and 109-1 10 are made sequentially along the path of optical radiation, moreover, electrodes 107-108 are made with p constant electrode length, and group 109-1 10 has a ramp length from the number of the connecting channel waveguide on which they are made. Heating of the electrodes 109-1 10 gives a linear phase change within each group. Heating of the electrodes 107-108 provides a linear phase change (accurate to a constant bias of 2 ⁇ ) throughout the filter structure.
  • the electrodes 1 1 1 and 1 12 are made along the optical waveguides forming 2 and filtering 3 elements.
  • strip 2 and 3 as well as planar 59 waveguides are made.
  • at least one electrode structure of the interdigital transducers 83 is made, which is powered by a high-frequency radiation source 84.
  • adiabatic beam expanders of horn type 80 are made (see Fig. 8) and based on the tapering channel waveguides 81 (see Fig.9).
  • an acoustic absorber 79 is made, for example, based on a rubberized compound.
  • tapered tapered waveguides 60 are made.
  • the device in Fig. 9 is expediently made in two waveguide layers separated by a buffer layer with a low refractive index. Moreover, most of the device is made on the main substrate, and channel waveguides of beam dividers 7-18 are made on the upper layer.
  • the operation of the optical filter can be characterized as follows. Having arrived at the input of the device 61 (see Fig. 1-9), the light beam sequentially passes through the beam dividers and enters the forming means in the form of a set of beams (see arrows) with a strictly specified amplitude and phase, which are determined by the parameters of the communication elements of the corresponding channel optical waveguides 2-6 with channel waveguides 7-29, 71-76. Part of the radiation passes through the waveguide 2 to its end 66 and can be used to control the level of the input signal (out function). However, for the optimal design of the device, most of the energy of the input beam is transferred to the means of formation in the form of coherent light beams 70, which provide filtering properties of the device.
  • the optical beams come from the forming element to the connecting channel waveguides 36-41 in the form of coherent light beams 70 and then sequentially pass through the beam dividers of the filter element formed by coupled waveguides 3 and 13-18. On each such element, the optical beam is divided into two parts, one passes further along the curved waveguides 32 to the tapering ends 60, which are used as damping elements (to remove unnecessary radiation from the structure). The other part tunnels into waveguide 3 and sequentially passes further through similar beam dividers.
  • the optical fields (taking into account their amplitudes and phases) are added to the beam dividers from the side of the corresponding connecting waveguides 36-41, and the fields already entered into waveguide 3 from the previous (along the optical radiation) beam dividers.
  • the mutual arrangement of the beam dividers is selected taking into account the maintenance of the phase difference at the working radiation wavelength for most beams branched with different beam dividers, essentially a multiple of 2 ⁇ . Therefore, at the working wavelength, all such beams will be summed in phase and their amplitudes will increase as they propagate along waveguide 3 (see the increase in the width of the arrows, which illustrate the increase in amplitude). For all other wavelengths, the phase incursion for any pair of beams will be arbitrary (not a multiple of 2 ⁇ ) and the condition of constructive interference will be violated, therefore, the intensity that has passed before the output of the 62 optical wave will be small. Thus, this device will perform the function of optical filtering for those wavelengths for which the above condition of multiplicity 2 ⁇ is fulfilled.
  • the optical filter can be implemented both in the orthogonal orientation (see Fig. 1 and Fig. 2), and inclined (see Fig. C). Its distinctive feature is that it allows you to increase the steepness of perestroika. wavelengths and / or expand the size of the free spectral zone.
  • an angle range of 45 ° ⁇ ⁇ 65 ° is used for oblique orientation.
  • the condition of constructive interference at the operating wavelength Lo is described by the expression:
  • A is the location step of the connecting waveguides; ⁇ ] and N? - effective refractive indices of the fundamental mode of the channel waveguides of the forming and filtering elements, respectively; N i + i and N, are the effective refractive indices of the fundamental mode of the channel waveguides of two adjacent connecting waveguides (with numbers i + 1 and /); L - the same length connecting waveguides; t is the interference order, which determines the magnitude of the free spectral zone ⁇ of the optical interference filter:
  • the basic rules are formulated for controlling the wavelength of the proposed type of optical filter, which can be controlled by changing the refractive index of the channel waveguides of the forming and filtering elements and / or connecting waveguides.
  • the refractive index of the channel waveguides of the forming and filtering elements changes simultaneously by 8zier Canalica ⁇ ntzrien. Then, from expression (1), we can find the corresponding change in the working wavelength:
  • optical filter control described above can be carried out monotonously along the wavelength using phase-shifting elements located along the waveguides of the forming and filtering elements, which we will call fine tuning elements.
  • phase-shifting elements will be called elements of a wide wavelength tuning.
  • the combination of elements of fine and wide tuning allows you to rebuild the working length of the filter within the free spectral zone with minimal changes in the refractive index SN and AN L in the corresponding optical waveguides, which is an important advantage of the proposed device. This property will be described in more detail below.
  • Figure 4 presents a General view of a two-channel optical filter, in which two filters from figure 2 are combined in a single device. Their work is similar to that of a single-channel filter, however, here the optical beams leaving the filter are not damped by the tapering waveguide 60 (see Fig. 2), but pass on along the corresponding channel waveguides (see arrows) and tunnel-connected with the channel waveguide 4 of the second filter element.
  • the phase incursion for any pair of beams branched by two beam dividers will be a multiple of 2 ⁇ , and therefore, all such beams will be summed in phase and increase as they propagate along the waveguide 4 (see the increase in the width of the arrows, which illustrate the increase in amplitude). It is important that the condition of multiplicity 2 ⁇ described above, which determines the operating wavelengths of the first and second filter elements, depends on the phase delays of the optical microbeams from input 61 to outputs 62 and 63, and therefore, the lengths of the filtered waves can be controlled by the method described above by changing the parameters and the location of the corresponding channel waveguides forming the structure of the optical filter.
  • Fig. 6 This device implements the function of a three-channel multiplexer. It contains one forming element with an input 61, three filter elements with outputs 62-64, from which optical radiation can be derived at three different wavelengths, as well as a filtering element of the transmission function with terminal 65.
  • the operation of the device is as follows.
  • An optical beam containing a plurality of optical wavelengths enters the input 61 as they propagate along the channel waveguide 2 and branch into the channel waveguides 7-11 due to the tunnel coupling.
  • Each of the branched beams propagates along corresponding channel waveguides and in the course of propagation pass through the communication elements of various filter elements.
  • the device is made taking into account maintaining the phase difference at the working wavelengths of the radiation for any pair of beams of each of the filter elements branched out using different beam dividers, essentially a multiple of 2 ⁇ . In this orthogonal design, any optical beams undergo the same phase shift along the path from the beam dividers of the forming and filtering elements.
  • the required phase shift (a multiple of 2 ⁇ ) for filtering is mainly due to the optical delay between the respective beam dividers, for example, 7 and 8, as well as 26 and 25 (from input 61 to output 64).
  • the required 2 ⁇ phase shift is achieved at different wavelengths, which is determined by the location period of the respective beam dividers, as well as the refractive index of the channel waveguides that form the structure of the optical filter. This allows you to organize tunable filtering of optical radiation at the output 62-64 of the corresponding filter elements using controlled phase-shifting optical elements, as well as the passage to the exit of 65 of all remaining (unfiltered wavelengths).
  • signals at optical wavelengths of the corresponding filter elements can be input to pins 67, 68 and 69.
  • the subsequent filter element 4 and / or 5 may have the same operating wavelength. This provides better suppression of a given wavelength in the transmitted signal, which reduces the level of spurious interference for optical signals at the same wavelength that can come from input 68 or 69.
  • this device can be controlled using phase-shifting optical elements for thin and wide tuning of the wavelength, as illustrated in Fig.7.
  • the first of them are located along the channel optical waveguides forming 2 and filtering 3-6 elements (see Fig.6). They change the refractive index and, therefore, the phase delay on the path between adjacent beam reflectors. As a result, the required phase shift (a multiple of 2 ⁇ ) is achieved at wavelengths different for different channels, which depend on a change in the refractive index in the respective waveguides 2-6.
  • Phase-shifting elements on waveguides 3-5 allow you to independently change the operating wavelength of each of the filter elements, however, the range of wavelength tuning is limited by the small possible change in the exponent and phase shift at a small distance (usually of the order of 10 ⁇ m) between adjacent beam dividers.
  • phase-shifting elements of wide tuning on connecting waveguides are used (36-41, 44-48, 49-53, 54-58). Their length can be large enough, which removes the restriction on the magnitude of the phase shift and, therefore, on the range of wavelength tuning.
  • Their task is to create a constant change in the phase shift as the number of the corresponding connecting waveguide increases (36-41, 44-48, 49-53, 54-58).
  • phase shift is compensated (due to the detuning of the wavelength) by changing the phase delay in the respective waveguides 2-5.
  • Any predetermined working wavelength can be filtered by sharing phase-shifting optical elements for fine and wide tuning of the wavelength.
  • the channel optical waveguides 2 and 3 are made in the immediate vicinity of the planar optical waveguide 59 are shown in Fig. 8 and Fig. 9.
  • the optical beams branched on beam dividers pass into the planar waveguide 59 using adiabatic beam expanders (80 or 81), which terminate the corresponding coupling elements of the beam dividers.
  • a set of coherent optical beams 76 are formed in the planar waveguide, which pass through the region along which the acoustic wave 82 propagates, which is generated by the source 83 of acoustic waves.
  • the period of arrangement of the beam dividers is determined by the free zone ⁇ according to expression (4).
  • phased interdigital transducers are usually used, which are a comb of electrodes connected to a high-frequency source 84 of a high-frequency alternating electric field.
  • Source 83 due to the piezoelectric effect, effectively excites a surface acoustic wave, which propagates in the surface the region occupied by the optical waveguide 59, and can come into effective interaction with guided optical waves.
  • the phase fronts of beams formed and guided by adiabatic beam expanders should be located at a Bragg angle ⁇ to the phase front of the acoustic wave:
  • L is the SAW wavelength
  • L v / F
  • v and F are the speed and frequency of the SAW
  • N is the effective refractive index of the guided mode of the planar waveguide.
  • An acoustic absorber 79 is used to exclude SAW reflection, which can lead to the appearance of spurious signals.
  • coherent optical beams 76 satisfy the conditions of Bragg phase matching and diffract to the SAW, as a result of which they change the propagation direction to a double Bragg angle and form coherent beams 77.
  • the diffracted optical beams 77 with the help of similar adiabatic beam expanders (80 or 81) get from a planar optical waveguide 59 a filtering optical element, made in the form of a channel optical waveguide 3 and a set of beam dividers on coupled waveguides 13-18, and is output from the device through output 62.
  • the spectral characteristics of the optical filter are optimized by the apodization method by using different beam fission factors determined by their coupling coefficients, for example, by changing the relative position (gap) of the channel waveguides 7-18, 2, and 3 (see Fig. 8 and Fig. 9).
  • the device in Fig. 8 is proposed to be implemented in a single layer, for example, on waveguides in lithium niobate.
  • single-mode planar waveguides are created, for example, due to high-temperature diffusion of titanium, which creates a layer in the surface region (of the order of several microns) with a higher refractive index (by a value of the order of 0.01) with respect to the bulk material.
  • the structure of channel waveguides is implemented by deep etching technology through the entire waveguide layer.
  • each communication element on the channel waveguides ends on one side with an adiabatically expanding region 80 (horn type) to form a relatively wide (about 10 ⁇ m) optical beam 76, and on the other hand with a narrowing waveguide 60 for outputting unused radiation from the device.
  • this device is very similar to the device shown in figure 1. The difference is that in figure 1 wide-range wavelength tuning is carried out by linearly varying the refractive index in channel waveguides 36-41. In this device of FIG. 8, it is proposed to tune the wavelength due to the rotation of the phase front during acousto-optical interaction in the planar optical waveguide 59.
  • FIG. 9 The structure of FIG. 9 is proposed to be made in two waveguide layers with a high refractive index (for example, Ti: LiNb03 and Si02: Ti02) separated by a buffer layer with a lower refractive index (for example, from silicon dioxide).
  • a high refractive index for example, Ti: LiNb03 and Si02: Ti02
  • a buffer layer with a lower refractive index for example, from silicon dioxide.
  • the adiabatic expansion of the beam is carried out on the basis of a tapering channel waveguide 81, which simultaneously implements the optical matching function of the channel and planar waveguides.
  • the principle of operation of such elements has been well studied in the scientific literature (V. R. Almeida, R. R. Panepucci, and M. Lipson, "Nanotaper for compact mode conversion,” Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003)).
  • V. R. Almeida, R. R. Panepucci, and M. Lipson "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003)).
  • the aforementioned tapering channel waveguide 81 converts optical radiation into a downstream channel waveguide, in which it expands to the desired size using the adiabatic region 80 (horn type) due to tunneling. Its task is to form a slightly diverging optical beam, which propagates at a Bragg angle to the front of the acoustic wave in order to ensure effective acousto-optical interaction.
  • the relative position of the beam dividers of the devices of Fig. 8 and Fig. 9 are selected taking into account the maintenance of the phase difference at the working radiation wavelength for any pair of beams 76 or 77, essentially a multiple of 2 ⁇ .
  • the phase shift for any beams passing from the input 61 to the output 62 is essentially a multiple of 2 ⁇ .
  • the working wavelength of light most optical waves develop in phase and the filter will skip the specified wavelength of light.
  • the condition of constructive interference is violated, and the transmission of the signal to output 62 will decrease by several orders of magnitude (signal obstruction).
  • These beams (at all other wavelengths) are damped (see Fig. 8) or pass further (see Fig.
  • the filter can leave the filter or be used for further processing, for example, in the case of several similar filters that perform multichannel filtering (similar to figure 4-6).
  • the working wavelength of the filter is tuned by changing the wavelength of the surfactant, which is controlled by the frequency set by the source 84.
  • the double Bragg angle will change, by which beams 76 are deflected by diffraction by the surfactant, and therefore the phase shift between by diffracted beams 77.
  • the coherent summation condition phase shift 2 ⁇
  • the tunable filter design of FIG. 9 only one filter element based on waveguide 3 and one source 83 of acoustic waves are shown. However, the functionality of the device is greatly expanded if, by analogy with Fig. 6, several successive filtering elements are included in it and additional sources of acoustic waves are used. In this case, the device acquires the property of a multi-channel narrow-band tunable optical filter.
  • FIG. 10 A general view of a new filter on coupled strip silicon waveguides (Si wire) is shown in FIG. 10.
  • the input signal comes from input 61 to the right waveguide 2 and splits into micro-beams on a set of adiabatic guided couplers (beam dividers) on waveguides 7-12 with different coupling coefficients, which are responsible for filter apodization.
  • Each of the micro-beams propagates further in structure and are combined together into an output waveguide 3 using an appropriate set of similar guided couplers on waveguides 13-18.
  • the structure has a constant difference in optical length. Thus, at the working wavelength, all micro-beams are summed in phase along the output waveguide and effectively filter at output 62.
  • a tapered waveguide 60 (see FIGS. 1, 3-5) must be manufactured, which emits (from the structure) the optical beam entering it, or it must be extended to the right (not shown) channel waveguides, cross it and go further out of the filter (as in figure 2).
  • the parameters of all waveguides correspond to typical silicon waveguides with a width of 450 nm and a height of 250 nm, fabricated on silicon-insulator structures.
  • the input and output waveguides have curved parts with a small radius of curvature R, as well as different gap widths d of the gap for different communication elements (see Fig. 10), for the implementation of applause.
  • R c coefficient dependent FDTD beam dividing
  • T c transmission coefficient
  • phase shifters for fine and wide tuning.
  • the purpose of these phase shifters is to create a controlled linearly varying (from the number of the connecting waveguide) phase delay between the optical micro-beams passing through different paths from the input to the output of the device.
  • this filter we carry out filtering due to the thermo-optical effect, namely, by changing the temperature in the corresponding sets of waveguides shown in Fig. 10.
  • phase-shifting elements of wide tuning are used, controlled by the scheme of the 2 ⁇ module (manifold module (2 ⁇ ) scheme).
  • 2 ⁇ manifold module
  • a linearly growing (from the waveguide number) phase shift is formed for all micro-beams, which varies from zero to 2 ⁇ .
  • thermo-optical phase-shifting elements located along the X-axis waveguides 36-41 were organized into 4 periodic groups (see Fig. 10). Each of them has its own value of the temperature increase ( ⁇ 0, ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3) in channel optical waveguides, which is conveniently determined in units of ⁇ 00, i.e.
  • Fig. 146 The results of calculating the spectral characteristics of the optical filter for different combinations of control temperature values in each of the groups of waveguides 36-41 are shown in Fig. 146.
  • ⁇ 0 0, and to indicate different values of ⁇ , ⁇ 2 and ⁇ 3, integer numbering was used in the form
  • the first value indicates the value of ⁇
  • the subsequent digits indicate the values of ⁇ , ⁇ 2 and ⁇ 3 in fractions ⁇ 00.
  • the proposed device can be used as a widely tunable optical filter with a small level of internal insertion loss (-1 dB) and high side-lobe suppression (below -26 dB).
  • An arbitrary working optical wavelength (within the entire FSR) can be easily adjusted using only 4 control signals, namely, 3 for discrete wavelength tuning with an FSR / 4 step by changing the temperature ⁇ , ⁇ 2 and ⁇ 3 of phase-shifting elements on the connecting waveguides 36-41, as well as by fine continuous tuning within the FSR / 4 range by changing the temperature ⁇ in the phase-shifting fine tuning elements located along the waveguides 2 and 3 of the forming and filtering elements, respectively.
  • the total maximum line half-width (FWHM) of an 0.32 mm optical filter using 32 directional couplers with a variable gap d was 1.7 nm.
  • FWH depends on the design of the optical filter and the number of beam dividers M s , and in our case it can be estimated as 0.68xFSR / Mc. Scaling of these data for large structures shows that a filter with FWHM less than 0.05 nm can be implemented in a device about 1 cm in size.
  • the filter can be tuned within FSR around 37 nm with a moderate temperature change ( ⁇ 100 C 0 ) in four groups of phase-shifting thermo-optical elements .
  • FIG. 15 and FIG. 16 describe the expected parameters of a multi-channel tunable filter multiplexer, similar to that shown in FIG. 6, for cases if it were implemented in orthogonal and inclined configurations.
  • the beam division coefficient was optimized for different waveguides (see Fig. 15), and it turned out that the dependences of the beam division coefficients Rc 2 , c3, c6 should be different for different waveguides 2, 3-5 and 6, respectively.
  • the spectral dependences corresponding to such a distribution of the beam fission coefficients are shown in FIG. 16.
  • wavelength tuning due to phase-shifting elements of a thin substring is carried out in a relatively small range (Fig.
  • phase shifting elements 16a therefore, for tuning in the range of the entire FSR, it is necessary to additionally apply phase shifting elements of wide adjustment.
  • fine-tuning elements can tune the filter wavelength over the entire FSR range (see Fig. 166), with a relatively small change in the temperature of the phase-shifting elements on waveguides 2-6.
  • Fig. 17 shows the optimal distribution of the beam division coefficient on waveguides 2 and 3 for a narrow-band filter, for operation with a 25 GHz frequency grid. Its spectral characteristics for different SAW frequencies are shown in Fig. 18. It can be seen that different SAW frequencies correspond to different lengths of the filtered waves (see the upper scale on the graph) having different optical frequencies (see the lower scale on the graph). For clarity, the figure shows the parameters of two filters of different sizes, with 10 times different number of beam dividers, 58 and 580, respectively.
  • FIG. 18 A detailed form of the transmission line of a narrow-band acousto-optical filter is shown in Fig. 18. It can be seen that the device has a narrow line width, a high level of suppression of the side lobes and small dimensions (less than 1 cm) at the same time. All these results were obtained in the framework of the ray model and spectral approximation (to describe the wave field in the region of a planar waveguide) according to the algorithm that we developed earlier for the description of acousto-optic filters on multi-reflective elements (A.V. Tsarev, E.A. Kolosovsky "Compact narrow-band tunable acousto-optic filter ", Avtometriya, Volume 42, Ne 6, pp. 93-104 (2006)).
  • the optical filter according to the invention simultaneously has a wide tuning range (of the order of 37 nm) and a narrow filter line width (up to 0.05 nm).
  • the proposed tunable optical filter can be used in the design of frequency division multiplexing (DWDM) systems used in fiber-optic communication, as well as for creating compact tunable optical radiation spectrometers, for example, when creating remote sensing devices - sensors for the composition of gases, liquids and solids, and also as a part of data reading elements from Bragg fiber sensors.
  • DWDM frequency division multiplexing
  • the tunable optical filter can be manufactured using well-known technology developed to create integrated optics and microelectronics devices.
  • Any transparent solid body for which there is a technology for manufacturing channel and planar optical waveguides with low losses (less than about 1 dB / cm) and effective excitation of acoustic waves can be used as a material for the manufacture of the acousto-optical version of the device.
  • Such materials include lithium niobate and tantalate, Ashwu semiconductor heteroepitaxial structures, layered dielectric structures containing a piezoelectric layer for excitation of surfactants, for example, ZnO / Si02 / Si, etc.
  • the most promising are devices based on optical waveguides based on lithium niobate, which has good optical, acousto-optical, and electro-optical properties.
  • any transparent solid body for which there is a technology for manufacturing channel optical waveguides with low losses can be used. More promising are waveguides with a high refractive index, because channel optical waveguides with a small radius of curvature can be easily implemented in them. Such materials include waveguides based on silicon-insulator structures, as well as AShVu semiconductor heteroepitaxial structures. Moreover, silicon-based waveguides, the so-called silicon wires, are considered the most promising, because they are the most technologically advanced (manufactured by CMOS-compatible technology), cheap and have high thermo-optical properties.
  • Waveguides based on semiconductor materials are also interesting in that they can realize a high wavelength switching rate due to a change in the concentration of free charge carriers.
  • Devices based on polymer optical waveguides can also be implemented. Their disadvantage is a low refractive index, which makes it difficult to realize small radii of curvature.
  • waveguides are cheap, technologically advanced and there is a wide selection of different materials, including those with very good control properties (high values of thermo-optical or electro-optical coefficients).
  • the specific choice of design and material of the optical filter depends on the technical task.
  • This invention allows to realize different tasks in the most flexible way based on known technologies that have been successfully used in photonics for other types of optical elements, for example, ring resonators and trellis filters at SOI, and / or ring resonators and acousto-optical filters on lithium niobate.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Оптический фильтр, содержащий канальные оптические волноводы для ввода-вывода оптического излучения и распространения светового пучка, делители светового пучка, расположенные последовательно по ходу излучения, и средство формирования для передачи оптического излучения, ответвленного с помощью делителей пучка, причем средство формирования выполнено в виде набора соединительных канальных оптических волноводов и/или планарного оптического волновода, а делители пучка выполнены в виде набора связанных оптических волноводов, взаимное расположение которых выбрано с учетом поддержания на рабочей длине волны излучения разности фаз, по существу кратной 2π, для большинства пучков, ответвленных с помощью различных делителей пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра. Широкополосная перестройка длины волны осуществляется фазосдвигающими оптическими элементами на указанных канальных волноводах и/или источником акустических волн за счет поворота фазового фронта при АО взаимодействии.

Description

ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР
Область техники
Изобретение относится к интегральной оптике и более точно касается оптического перестраиваемого фильтра. Оно может быть использовано в качестве перестраиваемого фильтра для частотного уплотнения сигналов в волоконно-оптических системах связи, малогабаритного перестраиваемого оптического спектрометра или фильтрующего элемента в составе аппаратуры считывания данных с волоконных брэгговских датчиков.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство - интегральный мульти-отражательный перестраиваемый фильтр (А. V. Tsarev, "Tunable optical filters", United States Patent No 6,999,639, February 14, 2006, Published on February 14, 2006, Foreign Application Priority Data Sep 06, 2001 ; A.B. Царев, "Мультиплексоры для WDM с нанофотонными отражателями - новый путь к управлению многими сотнями оптических спектральных каналов", Нано- и микросистемная техника, N°4, pp. 51-55 (2007)), содержащий канальные оптические волноводы для ввода-вывода оптического излучения и распространения светового пучка, делители светового пучка, расположенные последовательно по ходу излучения в виде наклонных элементарных отражателей, набор соединительных канальных оптических волноводов, для передачи оптического излучения, отраженных от противоположных элементарных отражателей. В данном устройстве фильтрация заданной длины волны оптического спектра осуществляется за счет конструктивной интерференции множества оптических пучков отраженных от наклонных элементарных отражателей, периодически расположенных вдоль канальных оптических волноводов. Перестройка отфильтрованной длины волны света осуществляется за счет контролируемого изменения показателя преломления в фазосдвигающих оптических элементах, расположенных вдоль волноводов, содержащих наклонные отражатели (для тонкой настройки) и набора соединяющих волноводов (для широкой перестройки). Их задача сформировать постоянный сдвиг фаз между двумя любыми оптическими пучками, отраженными от соседних элементарных отражателей. Уровень боковых лепестков в полосе пропускания фильтра можно понизить до уровня больше -20 дБ за счет аподизации, путем изменения коэффициента деления пучка при отражении от элементарных отражателей.
Известен аналогичный тип фильтра (с использованием множества наклонных отражателей), который работает на основе интерференции множества пучков распространяющихся в планарном оптическом волноводе, которые обеспечивают возможность широкой перестройки длины волны за счет акустооптического (АО) эффекта (А.В.Царев. "Акустооптический перестраиваемый фильтр", патент Российской Федерации Х° 2182347, 10 мая 2002 г, опубликован в Бюл. 13, от 10.05.2002, A.V.Tsarev "Acousto- optical variable filter", United States Patent No. 7,092,139, Published on August 15, 2006, Foreign Application Priority Data August 04, 2000). В данном устройстве делители светового пучка в виде периодически расположенных наклонных элементарных отражателей, пересекающих сердцевину канального волновода, выполнены таким образом, что отраженные пучки распространяются далее по планарному волноводу, а затем вновь поступают на аналогичный канальный волновод с множеством наклонных отражателей, который принято называть, фильтрующим элементом. В данном устройстве фильтрация заданной длины волны оптического спектра также осуществляется за счет конструктивной интерференции множества оптических пучков, поступающих из планарного волновода на наклонные элементарные отражатели, и которые направляют оптическое излучение вдоль оси канального оптического волновода фильтрующего элемента. Причем, для каждой длины волны существует оптимальный угол падающего пучка, для которого работает конструктивная интерференция и осуществляется эффективная фильтрация. Это позволяет осуществлять перестройку длины волны не только изменением показателя преломления, соответствующих канальных волноводов (как и в описанном выше оптическом фильтре), но и за счет поворота фазового фронта при акустооптическом взаимодействии. В этом случае, оптические пучки, которые распространяются по планарному волноводу, взаимодействует с поверхностной акустической волной (ПАВ), возбуждаемой встречно штыревым преобразователем (ВШП). Дифрагированный оптический пучок, отклоняется от падающего пучка на двойной брэгговский угол, и попадает на фильтрующий элемент. В данном устройстве этот угол определяется длиной акустической волны, которая контролируется частотой высокочастотного сигнала (сотни мегагерц), прилагаемого к встречно -штыревому преобразователю.
Достоинство обоих данных типов оптических фильтров и мультиплексоров заключается в принципиальной возможности узкополосной фильтрации и широкодиапазонной перестройки длины волны. Недостатком данных конструкций заключается в сложности изготовления наклонных отражателей, сочетающих малый коэффициент отражения (0.01-0.0001) и низкий уровень паразитного рассеяния. Поэтому данные оптические элементы до сих пор не реализованы в виде экспериментальных устройств. Данные устройства наиболее близко подходят к заявляемому и поэтому приняты за прототип.
Известен также оптический перестраиваемый фильтр на основе кольцевых резонаторов (Magdalena S. Nawrocka, Tao Liu, Xuan Wang, and Roberto R. Panepucci, "Tunable silicon microring resonator with wide free spectral range", Appl. Phys. Lett. 89, 0711 10 (2006), которые могут объединяться в группы для улучшения фильтрующих свойств (К. Yamada, Т. Shoji, Т. Tsuchizawa, Т. Watanabe, J. Takahashi, and S. Itabashi, "Silicon-wire-based ultrasmall lattice filters with wide freespectral ranges," Opt. Lett. 28, 1663- 1664 (2003)). Оптическая связь кольцевого резонатора с канальными оптическими волноводами, осуществляющих ввод-вывод оптического излучения, осуществляется за счет туннельной связи данных волноводов с волноводом кольцевого резонатора. Данные фильтры могут быть изготовлены на различных волноводных структурах, например, на основе нитрида кремния, полимеров, ниобата лития или структур кремний-на-изоляторе (КНИ). Наиболее компактные фильтры реализованы на КНИ-волноводах, т.к. высокий контраст показателя преломления (кремний-окисел) позволяет получать малый радиус искривления канальных волноводов (до нескольких микрон). Кроме того, это обеспечивает более широкую (до 40 нм) свободную спектральную зону (FSR-free spectral range), которая определяет рабочий диапазон работы фильтра. Перестройка длины волны таких кольцевых резонаторов осуществляется за счет фазосдвигающих оптических элементов, работающих на основе термооптического эффекта, электрооптического эффекта или изменения концентрации свободных носителей заряда в волноводной области. Недостатком данных фильтров является низкий диапазон перестройки длины волны, которая пропорциональна величине изменения показателя преломления, ограниченной физическими свойствами материала волноводов. Для расширения диапазона перестройки, иногда используют эффект нониуса (Vernier effect), т.е. фильтрация осуществляется согласованным изменением показателя преломления одновременно у двух кольцевых резонаторов, имеющих более узкую и разную величину свободной спектральной зоны (J.Floriot, F.Lemarchand, and M.Lequime. Tunable double- cavity solid-spaced bandpass filter, Opt. Express, 2004, v. 12, p. 6289-6298). Недостатком такого типа фильтров является сложность управления длиной волны, а также наличие паразитных сигналов на длинах волн, кратных величине свободной спектральной зоны каждого из фильтров.
Известен также оптический фильтр (К. Yamada, Т. Shoji, Т. Tsuchizawa, Т. Watanabe, J. Takahashi, and S. Itabashi, "Silicon-wire-based ultrasmall lattice filters with wide freespectral ranges," Opt. Lett. 28, 1663-1664 (2003)), работающий на основе использования линейки интерферометров Маха-Цандера (Mach-Zehnder (MZ)) и туннельной связи канальных волноводов. Фильтр изготавливается в структурах КНИ с помощью комплементарной металл-оксид-полупроводник (КМОП) совместимой технологии (complementary metal-oxide-semiconductor technology (CMOS)) и имеет постоянную разницу в оптической длине (path-length difference) разных плеч интерферометра (для обеспечения фильтрации) и различную величину туннельной связи (для обеспечения аподизации, необходимой для снижения уровня боковых лепестков). К сожалению, такие фильтры не предназначены для широкополосной перестройки длины волны, поэтому они предпочтительны для использования в качестве фиксированных фильтрующих устройств с малым числом частотных каналов (т.е. с малым набором рабочих длин волн).
Раскрытие сущности изобретения
В основу изобретения поставлена задача создать оптический перестраиваемый фильтр, который бы одновременно имел широкий диапазон перестройки и узкую ширину линии фильтрации, и который можно было бы изготовить на основе существующих и перспективных технологий.
Поставленная задача решается тем, что в оптическом перестраиваемом фильтре, содержащем канальные оптические волноводы для ввода-вывода оптического излучения и распространения светового пучка, делители светового пучка, расположенные последовательно по ходу излучения, средство формирования для передачи оптического излучения, ответвленного с помощью делителей пучка, причем средство формирования выполнено в виде набора соединительных канальных оптических волноводов и/или планарного оптического волновода, согласно изобретению, делители пучка выполнены в виде набора связанных оптических волноводов, взаимное расположение которых выбрано с учетом поддержания на рабочей длине волны излучения разности фаз, по существу кратной 2π, для большинства пучков, ответвленных с помощью различных делителей пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра. Здесь π = 3.14159... - универсальная константа. Требование, что большинство пучков имеет сдвиг разности фаз, по существу кратный 2π, приводит к тому, что на рабочей длине волны все эти пучки сложатся в фазе и сформируют интенсивный сигнал на выходе устройства. То относительно не большое число пучков, где это условие нарушается, не внесут существенного вклада в величину интенсивности сигнала на рабочей длине волны. Однако, их вклад может быть полезен для формирования нужной формы спектральной характеристики (например, для подавления паразитных сигналов за пределами ширины линии фильтрации).
Основу устройства составляют канальные и/или пленарные волноводы. Канальный оптический волновод имеет увеличенное значение показателя преломления как вглубь, так и поперек структуры, т.е. он представляет собой локальную область на/либо под поверхностью твердого тела в виде тонкой полоски шириной от долей до единиц микрон, с показателем преломления выше показателя преломления окружающих его сред. Причем, область с увеличенным значением показателя преломления может быть как однородной, так и неоднородной (случай градиентного оптического волновода). Канальный оптический волновод может поддерживать распространение с низкими потерями узкого и не расходящегося оптического пучка вдоль его оси в окрестности области с увеличенным значением показателя преломления. Количество направляемых (волноводных) волн (мод), которые поддерживает данная структура, и пространственное распределение их оптических полей определяются профилем изменения показателя преломления по глубине и ширине. Для корректной работы данного устройства желательно использовать только одномодовые волноводы, т.е. те в которых распространяется только одна фундаментальная мода для той поляризации, которая используется в работе устройства. Чаще всего это ТЕ-поляризация, т.е. когда электрическое поле оптической волны лежит в плоскости подложки. Иногда используется также ТМ-поляризация, у которой вектор магнитного поля лежит в плоскости подложки. Планарный волновод представляет собой тонкий слой толщиной от долей до нескольких микрон с показателем преломления выше показателя преломления окружающих сред (подложки и окружающего верхнего слоя, в данном случае, воздуха). В планарным оптическим волноводе световой пучок может распространяться внутри данного слоя с очень низкими потерями (меньше 1 дБ/см). Планарные волноводы могут быть как однородными, так и градиентными.
Канальные и планарные волноводы могут быть изготовлены путем диффузии металлов, протонным обменом из расплавов солей, распылением веществ с более высоким показателем преломления, чем у подложки, эпитаксией из газовой или жидкой фазы, модификацией свойств поверхностного слоя за счет облучения, например, электронами и/или фотонами, и т.д. Канальный волновод может быть изготовлен путем травления канавок на поверхности планарного волновода. В результате вертикальное ограничение поля волны осуществляется свойствами исходного планарного волновода, а поперечное ограничение,- осуществляется за счет скачка показателя преломления на границе вытравленной области. Глубина канавок может частично перекрывать сердцевину планарного волновода и формировать гребенчатый тип канального волновода, или полностью пересекать его сердцевину, тем самым формировать полосковый оптический волновод. Такие волноводы наиболее перспективны для создания данного типа устройств в структурах кремний-на-изоляторе и на ниобате лития. В качестве материалов для изготовления оптических волноводов может быть использован поликремний, смесь (в нужном соотношении) окиси кремния (Si02) и окись титана (Ti02, Titanium dioxide), халькогенидное стекло (As2S3), нитрид алюминия (A1N, Aluminium nitride), нитрид кремния (Si3N4, Silicon nitride), оксинитрид кремния (SiON, Silicon oxynitride), нитрид галлия (GaN, Gallium nitride), полимеры и др. материалы, широко используемые в фотонике и интегральной оптике.
Для удобства обсуждения в дальнейшем, канальный волновод с соответствующими делителями пучка, через который производится ввод оптического излучения, будем называть формирующим элементом, а канальный волновод с соответствующими делителями пучка, через который производится вывод оптического излучения, будем называть фильтрующим элементом.
Канальные волноводы, по которым распространяется оптическое излучение между соответствующими делителями пучка разных фильтрующих элементов, будем называть соединительными волноводами. Под термином связанные оптические волноводы понимается общепринятая в научной литературе ситуация, когда энергия оптической волны может перетекать (частично или полностью) между двумя (или более) оптическими волноводами за счет туннельной связи их оптических полей через разделяющее их пространство. Под термином фазосдвигающие оптические элементы понимается общепринятая в научной литературе ситуация, когда фаза оптической волны, которая распространяется по оптическому волноводу, управляется с помощью внешнего сигнала, например, за счет электрооптического или термооптического эффектов, или эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда, или под другим физическим воздействием (деформации, излучения и т.д).
Кроме того, на основе данного изобретения можно получить дополнительные технические результаты, которые обсуждаются ниже.
Целесообразно для обеспечения лучшей фильтрации оптического излучения и уменьшения размеров устройства, в составе делителей пучка и/или средства формирования выполнить изогнутые канальные волноводы и/или канальные волноводы меняющие направление за счет эффекта отражения от области с высоким коэффициентом отражения, например, за счет эффекта полного внутреннего отражения. Это облегчит их соединение с соединительными волноводами и/или формирование в планарном волноводе набора фазированных пучков с учетом поддержания разности фаз на рабочей длине волны излучения по существу кратной 2π.
Целесообразно для обеспечения лучшей фильтрации оптического излучения в составе средства формирования выполнить расширители пучка, которые формируют в планарном волноводе набор фазированных пучков с учетом поддержания разности фаз на рабочей длине волны излучения по существу кратной 2π. Расширители пучка могут быть выполнены в виде адиабатических рупорных элементов и/или суживающихся канальных волноводов.
Целесообразно для уменьшения размеров устройства, волноводы формирующих и фильтрующих элементов выполнить параллельно друг к другу. При этом соединительные волноводы, как правило, выполнены нормально (под прямым углом) к указанным волноводам. Такую конструкцию фильтра будем называть прямоугольной (ортогональной) .
Целесообразно для увеличения крутизны перестройки длины волны и/или расширения свободной спектральной зоны, волноводы формирующих и фильтрующих элементов выполнить под углом друг к другу. При этом соединительные волноводы, как правило, выполнены наклонно к указанным волноводам под углом, отличающимся от прямого. Такую конструкцию фильтра будем называть наклонной.
Целесообразно для обеспечения одновременной фильтрации нескольких частотных каналов (функция многоканальный фильтр - multi channel drop filter) выполнить последовательно несколько фильтрующих элементов (по одному на каждый частотный канал), при этом эффективный показатель преломления, и/или угол наклона фильтрующих элементов и/или расположение делителей пучка каждого выполнены с учетом индивидуальной присущей только данному фильтрующему элементу рабочей длины волны, отличной от рабочей длины волны других фильтрующих элементов.
Для осуществления сквозного прохождения широкополосного оптического сигнала (функция прохождения - through) целесообразно последний по ходу излучения фильтрующий элемент выполнить с учетом поддержания для большинства пучков разности фаз по существу кратной 2π в широком спектральном диапазоне, не меньше свободной спектральной зоны фильтра.
Для перестройки длины волны фильтруемого излучения в непосредственной близости по меньшей мере одного канального волновода фильтрующего или формирующего элемента целесообразно выполнить по крайней один набор управляющих электродов в виде полосок проводящего материала, для создания при приложении электрического поля локальных изменений показателя преломления в окрестности указанных волноводов за счет электрооптического или термооптического эффектов, или эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда.
Для перестройки длины волны фильтруемого излучения одновременно всех оптических каналов и для расширения диапазона перестройки длин волн света оптического фильтра, в непосредственной близости от набора соединительных канальных оптических волноводов целесообразно выполнить по крайней один набор управляющих электродов в виде полосок проводящего материала, для создания при приложении электрического поля локальных изменений показателя преломления в окрестности указанных волноводов за счет электрооптического или термооптического эффектов или эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда, причем длину управляющих электродов и величину приложенного к ним напряжения выбирают такими, чтобы иметь одинаковый или отличающийся на четное число π сдвиг фаз для соседних пучков, ответвленных различными делителями пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра.
Для сокращения числа управляющих электрических сигналов оптического фильтра с расширенным диапазоном перестройки длин волн света целесообразно в непосредственной близости от набора соединительных канальных оптических волноводов выполнить многосекционные электродные структуры. Приложение электрического поля к электродным структурам должно обеспечить линейное нарастание сдвига фаз для соседних пучков (с учетом возможного сдвига фазы на четное число π).
Для сокращения числа управляющих электрических сигналов оптического фильтра с расширенным диапазоном перестройки длин волн света целесообразно в непосредственной близости от набора соединительных канальных оптических волноводов выполнить многосекционные электродные структуры, причем по крайней два ряда этих структур расположить последовательно по ходу оптического пучка. Приложение электрического поля к первому ряду электродных структур с переменной длиной электродов обеспечивает линейное нарастание сдвига фаз для соседних пучков, а одновременное приложение электрического поля ко второму ряду электродных структур с постоянной длиной электродов обеспечивает линейное (с учетом возможного сдвига на четное число π) изменение сдвига фаз по всему набору полосковых волноводов. В двух последних случаях для обеспечения сквозного прохождения широкополосного оптического сигнала (функция прохождения - through) необходимо на участке между последним и предпоследним фильтрующим элементом разместить аналогичный набор электродных структур, причем длина электродов и величина приложенного напряжения к каждому из электродов выбирают такими, чтобы иметь нулевой или отличающийся на четное число π сдвиг фаз для соседних пучков, ответвленных различными делителями пучка, и прошедших от входа до выхода оптического фильтра.
Для обеспечения широкой перестройки длины волны целесообразно выполнить, по крайней мере, один источник акустических волн для возбуждения акустической волны, способной взаимодействовать со световыми волнами оптических пучков, распространяющихся через средство формирования.
Следует отметить, что в случае, когда оптический фильтр содержит планарный волновод и источник акустических волн, то сквозное прохождение широкополосного оптического сигнала (функция through) осуществляется для всех длин волн, кроме тех, которые были отклонены с помощью акустооптической волны. Часть отклоненных световых пучков, на заданных длинах волн, будут отфильтрованы с помощью одного или нескольких фильтрующих элементов. Однако, желательно, чтобы все оставшиеся (не отфильтрованные) длины волн получили возможность для сквозного прохождения через устройство. Для этой цели оптический фильтр целесообразно изготовить с, по крайней мере одним, дополнительным источником акустических волн, выполненным с возможностью генерировать акустическую волну, направленную встречно акустической волне основного источника и способную взаимодействовать со световыми волнами пучка на участке между последним и предпоследним фильтрующими элементами.
Путем оптимизации величины коэффициента деления, фазы и положения каждого из делителей пучка формирующего и/или фильтрующих элементов могут быть скорректированы как форма линии пропускания, так и ее огибающая в спектральном диапазоне работы фильтра. Например, для обеспечения существенного подавления (больше 20 дБ) боковых лепестков, делители пучка целесообразно выполнить с разными коэффициентами деления. Это обеспечивается за счет изменения величины туннельной связи, которая выбирается такой, чтобы обеспечить оптимальную амплитуду пучков и/или фазу волн, ответвленных различными делителями пучка. При этом на выходе устройства вклад в результирующий сигнал от разных пучков, как правило, уменьшается от средней части формирующего и фильтрующего элементов к их концам. Следует отметить, что под термином «аподизация» понимется общепринятый в научно-технической литературе случай, когда варьируется амплитуды и/или фазы различных составляющих сигнала, суммирование которых формирует спектральный отклик устройства. Поэтому аподизация может быть амплитудной, фазовой или смешанной (амплитудно-фазовой). Большинство интерференционных оптических устройств использует аподизацию для улучшения их технических характеристик.
С целью обеспечения разного коэффициента деления пучка у формирующего и/или фильтрующего элементов, целесообразно выполнить делители пучка с разным расстоянием между связанными волноводами и/или разной эффективной длиной связи.
С целью упрощения технологии изготовления, делители пучка и/или канальные волноводы формирующего и/или фильтрующего элементов и/или соединительные волноводы могут быть выполнены в одном слое.
С целью улучшения характеристик оптического фильтра, делители пучка и/или канальные волноводы формирующего и/или фильтрующего элементов, и/или соединительные волноводы и/или планарные волноводы могут быть выполнены в разных слоях.
Для уменьшения паразитных сигналов целесообразно свободные концы канальных волноводов соединить с демпфирующими областями, имеющие большие оптические потери на распространение. Такими демпфирующими областями могут быть части структуры с высокой концентрацией свободных носителей заряда, и/или содержащие рассеивающие центры, и/или субмикронные дифракционные решетки, и/или суживающиеся (клиновидные) канальные волноводы с плавно уменьшающимся сечением сердцевины (чтобы проходящее по ним излучение увеличило свой пространственный размер (расширилось) и покинуло область оптического фильтра).
С целью уменьшения размеров фильтра, делители пучка и/или, канальные волноводы формирующего и/или фильтрующего элементов и/или соединительные волноводы выполнены в структурах кремний-на-изоляторе.
С целью уменьшения размеров фильтра и улучшения параметров устройство выполнено в волноводных структурах на основе ниобата лития.
С целью улучшения параметров фильтра канальные волноводы, формирующие делители пучка, имеют одинаковые или близкие эффективные показатели преломления.
Конструктивная реализация оптических фильтров может содержать множество пересечений канальных волноводов формирующего и/или фильтрующего элементов с соединительными волноводами. Для уменьшения паразитных сигналов целесообразно выполнить пересечение указанных канальных волноводов с минимальными потерями на рассеяние, например, за счет описанного в научной литературе метода многослойного пересечения с использованием вертикальной связи, например, на основе суживающихся канальных волноводов (см. например, K.Watanabe, Y. Hashizume, Y. Nasu, Y. Sakamaki, M. Kohtoku, M. Itoh, and Y. Inoue, "Low-loss three-dimensional waveguide crossings using adiabatic interlayer coupling," Electron. Letters 44, 1356-1357 (2008); R. Sun, M. Beals, A. Pomerene, J. Cheng, Ching-yin Hong, L. Kimerling, and J. Michel, "Impedance matching vertical optical waveguide couplers for dense high index contrast circuits," Opt. Express 16, 11682-1 1690 (2008); или Andrei V. Tsarev, "Efficient silicon wire waveguide crossing with negligible loss and crosstalk," Opt. Express 19, 13732-13737 (2011)).
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его осуществления и прилагаемыми чертежами, которые имеют сплошную нумерацию, дополнительно поясняемую по ходу изложения.
Фиг.1 изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра на связанных волноводах (ортогональная ориентация), согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка.
Фиг.2 изображает принципиальную схему оптического одноканального фильтра на связанных волноводах (ортогональная ориентация, случай пересечения с соединительными волноводами), согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка.
Фиг.З изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра на связанных волноводах (наклонная ориентация), согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка, Θ - угол ориентации волноводов формирующего и фильтрующего элементов, измеряемый относительно нормали к соединительным волноводам.
Фиг.4 изображает принципиальную схему двухканального оптического фильтра на связанных волноводах, согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 и 4 - канальные оптические волноводы фильтрующих элементов, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 и 19-24 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующих элементов, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 и 63 - выход оптического фильтра для первого и второго спектральных каналов, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка.
Фиг.5 изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра- мультиплексора на связанных волноводах, согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 и 6 - канальные оптические волноводы фильтрующих элементов, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 71-76 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента для функции прохождения, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 65 - выход оптического фильтра для функции прохождения, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка.
Фиг.6 изображает принципиальную схему трехканального оптического фильтра- мультиплексора на связанных волноводах, согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3- 6 - канальные оптические волноводы фильтрующих элементов, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18, 19-23, 54-58 - связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующих элементов разных спектральных каналов, 71-76 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента для функции прохождения, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41, 44-48, 49-53, 54-58 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62-64 - выходы оптического фильтра для разных спектральных каналов, 65 - выход оптического фильтра для функции прохождения, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 67-69 - входы оптического фильтра для добавления разных оптических длин волн в канал прохождения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка.
Фиг.7 изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра на связанных волноводах (ортогональная ориентация с термооптическим управлением), согласно изобретению, где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 101-106 - электроды для нагрева термооптических фазосдвигающих элементов широкой перестройки, 107 и 108 - набор электродных структур с постоянной длиной, 109 и ПО - набор электродных структур с линейно изменяемой длиной, 1 1 1-1 12 - электроды для нагрева термооптических фазосдвигающих элементов тонкой перестройки, 1 13 - изогнутые канальные оптические волноводы за счет эффекта полного внутреннего отражения,
Фиг.8. изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра с акустооптическим управлением на связанных волноводах (с адиабатическим расширением канальных волноводов рупорного типа), согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 59 - планарный оптический волновод формирующего элемента, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 76 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка, 77 - оптические пучки, отклоненные с помощью ПАВ, 79 - поглотитель ПАВ, 80 - адиабатический расширитель канального волновода рупорного типа, 82 - ПАВ, 83 - встречно-штыревой преобразователь для возбуждения ПАВ, 84 - источник высокочастотного сигнала для возбуждения ПАВ.
Фиг.9 изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра с акустооптическим управлением на связанных волноводах (двухслойный вариант с адиабатическим расширением оптического пучка на основе суживающегося канального волновода), согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 59 - планарный оптический волновод формирующего элемента, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 76 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка, 77 - оптические пучки, отклоненные с помощью ПАВ, 77 - оптические пучки, прошедшие фильтрующий элемент, 79 - поглотитель ПАВ, 81 - адиабатический расширитель оптического пучка на основе суживающегося канального волновода, 82 - ПАВ, 83 - встречно-штыревой преобразователь для возбуждения ПАВ, 84 - источник высокочастотного сигнала для возбуждения ПАВ, 85 - адиабатический расширитель оптического пучка на основе суживающегося канального волновода на выходе фильтрующего элемента.
Фиг.10 изображает принципиальную схему моделирования одноканального оптического фильтра на связанных волноводах (ортогональная ориентация с термооптическим управлением), где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка, 91-95 - FDTD мониторы, 97 - демпфирующая область, d - ширина зазора щели, R - радиус кривизны изогнутых волноводов, LL - длина фазосдвигающих оптических элементов на соединительных волноводах, А - период расположения соединительных волноводов, ΔΤΟ, ΔΤΙ, ΔΤ2, ΔΤ3 - значение прироста температуры фазосдвигающих оптических элементов на соединительных волноводах.
Фиг.1 1 - изменение коэффициента деления пучка для отклоненной (Rc) и прошедших (Тс) волн, как функция расстояния d между полосковыми волноводами на основе нанопроволок кремния (расчет 2D FDTD). Для сравнения приведена экспоненциальная аппроксимация для Rc(d).
Фиг.12 - пример функции аподизации Ар и необходимые для ее реализации коэффициенты Rc деления пучка и зазор d щели между полосковыми волноводами на основе нанопроволок кремния, как функция номера М делителя пучка (расчет 2D FDTD).
Фиг.13 - численная демонстрация работы оптического фильтра, имеющего 32 делителя пучка на основе нанопроволок кремния (расчет 2D FDTD), где 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра, 91, 91, 95 - FDTD мониторы.
Фиг.14 - спектральные свойства оптического фильтра, имеющего 32 делителя пучка, на основе нанопроволок кремния, для разных комбинаций управляющих температур фазосдвигающих оптических элементов (расчет 2D FDTD); а) для тонкой перестройки длины волны; б) для широкой перестройки длины волны; для обозначения разных значения ΔΤΙ, ΔΤ2 и ΔΤ3 использовалась целочисленная нумерация в виде
Здесь первое значение указывает на величину ΔΤ, а последующие цифры указываю величины ΔΤΙ, ΔΤ2 и ΔΤ3 в долях ΔΤ00. В частности, обозначение 50Ϊ123 соответствует случаю: ΔΤ = 50 С°, ΔΤ1 = ΙχΔΤΟΟ, ΔΤ2 = 2χΔΤ00, и ΔΤ3 = 3χΔΤ00. Фиг.15 - коэффициенты деления пучка R как функция их номера М для разных фильтрующих элементов, необходимые для создания узкополосного оптического фильтра-мультиплексора с частотной сеткой 25 ГГц; здесь R^, Rc3, Rc6 коэффициенты деления пучка для разных волноводов 2, 3-5 и 6, соответственно.
Фиг.16 - спектральные свойства узкополосного оптического фильтра- мультиплексора на основе нанопроволок кремния, для разных комбинаций управляющих температур ΔΤ фазосдвигающих оптических элементов тонкой настройки (расчет по лучевой модели); а) для ортогональной ориентации; б) для наклонной ориентации.
Фиг.17 - коэффициенты деления пучка R как функция их номера М для разных фильтрующих элементов (случай акустооптического фильтра с сеткой частот 25 ГГц); здесь Rc2, и Rc3 - коэффициенты деления пучка для разных волноводов 2 и 3, соответственно.
Фиг.18 - спектральная зависимость эффективности фильтрации для разных значений частоты ПАВ (в МГЦ). Случай АО фильтра с сеткой частот 25 ГГц и 250 ГГц. d=\0 мкм, оптическая апертура 0.58 см и 0.058 см, соответственно. Спектры фильтра на 25 ГГц располагаются внутри спектра фильтра на 250 ГГц;
Фиг.19 - спектральная зависимость эффективности фильтрации для АО фильтра с сеткой частот 25 ГГц. d=\0 мкм, частота ПАВ 1225 МГц, оптическая апертура 0.58 см.
Описание лучших вариантов осуществления изобретения
Конструктивно устройство выполнено следующим образом. На поверхности твердотельной подложки 1 (фиг.1-9) либо в непосредственной близости под ней (случай так называемого заглубленного волновода) выполнены канальные оптические волноводы формирующего (2) и фильтрующего (3-6) элементов. На поверхности твердотельной подложки 1 (фиг.1-9) либо под ней в непосредственной близости от канальных оптических волноводов (2, 3) формирующего и фильтрующего элементов изготавливается набор делителей пучка, включающие рядом расположенные канальные оптические волноводы (7-29, 71-76), которые за счет туннельной связи способны ответвлять часть энергии падающего пучка в указанные волноводы. Оставшаяся часть энергии распространяется дальше по исходному волноводу до следующего аналогичного делителя пучка, пока не достигнет конца структуры.
Канальные волноводы делителей пучка имеют искривленные части (30-32, 34, 35), которые с одной стороны служат для плавного изменения коэффициента связи (30-32), чтобы уменьшить паразитное отражение, а с другой стороны позволяют оптимальным образом расположить все выводы делителей пучка для последующего соединения со средством формирования. В качестве варианта (см. фиг.7), направление канального волновода изменяется за счет эффекта зеркального отражения от области с высоким коэффициентом отражения, например, за счет эффекта полного внутреннего отражения (ИЗ) на вертикально вытравленной границе. Такие элементы описаны в литературе для создания кольцевых резонаторов (Doo Gun Kim, Jae Hyuk Shin, Cem Ozturk, Jong Chang Yi, Youngchul Chung, Nadir Dagli, "Rectangular Ring Lasers Based on Total Reflection Mirrors and Three Waveguide Couplers," Photonics Technology Letters, IEEE, vol.19, no.5, pp.306-308, (2007)). В общем случае средство формирования содержит набор искривленных (34, 35) и прямых (36-41, 44-58) канальных волноводов, и/или планарный волновод (59).
В последнем случае на поверхности твердотельной подложки 1 (см. фиг.8 и фиг.9) либо под ней в непосредственной близости с волноводами формирующего 2 и фильтрующего 3 элементов выполнен планарный волновод 59, который оптически согласован с указанными полосковыми волноводами (для уменьшения паразитного рассеяния). Для оптического согласования полей полоскового и планарного волноводов выполнено рупорное расширение пучка (см. фиг.8) и/или адиабатически-суживающийся волновод 81 (см. фиг.9). Последний обычно выполняется на верхнем слое многослойной структуры и обеспечивает расширение пучка и переход оптической волны между двумя волноводными слоями (из канального волновода в планарный волновод). Данный оптический элемент работает на известном принципе, согласно которому оптическое поле направляемой волны (фундаментальной моды волновода) адиабатически увеличивается в размере по мере распространения волны к узкому концу (V. R. Almeida, R. R. Panepucci, and М. Lipson, "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003)).
Канальный оптический волновод 2 является составной частью формирующего элемента, а через его вход 61 вводят в фильтр оптический пучок, который может содержать разные длины волн оптического спектра. Ввод света в канальный оптический волновод 2 может осуществляться различными способами, например, стыковкой с волоконным оптическим световодом, фокусировкой оптического излучения на торец структуры, использованием решеточного элемента ввода-вывода, и т.д. Аналогично, канальные оптические волноводы 3-6 является составной частью фильтрующего элемента, а через их выходы 62-65 выводят оптические пучки, которые прошли через средство формирования.
В непосредственной близости каждого из канальных оптических волноводов 2-6 выполнены канальные волноводы делителей пучка 7-29, 71-76, которые туннельно связаны с этими волноводами 2-6. Коэффициент деления энергии пучка на связанных волноводов зависит от длины области связи (обычно растет с ее увеличением), от перекрытия полей мод каждого из волноводов (обычно уменьшается с ростом расстояния между волноводами) и величины фазового рассогласования их полей (зависит от эффективных показателей преломления мод соответствующих волноводов). Отметим, что в некоторых случаях, например, из технологических соображений удобства изготовления, делитель пучка может содержать более двух волноводов, например, три канальных волновода (см. (Doo Gun Kim, Jae Hyuk Shin, Cem Ozturk, Jong Chang Yi, Youngchul Chung, Nadir Dagli, "Rectangular Ring Lasers Based on Total Reflection Mirrors and Three Waveguide Couplers," Photonics Technology Letters, IEEE , vol.19, no.5, pp.306-308, (2007)). Важно, что для обеспечения аподизации коэффициент деления варьируется в широких пределах (от 0 до 1) путем изменения параметров элемента связи оптических волноводов, который выполняет функцию делителя пучка. В устройствах, представленных на фиг.1 -9 канальные волноводы делителей пучка 7-29, 71-76 выполнены на разном расстоянии от волноводов 2-6, что обеспечивает необходимую апподизацию.
Для управления рабочей длиной волны оптического фильтра используются фазосдвигающие оптические элементы, работающие на основе электрооптического или термооптического эффектов, эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда. Технология изготовления электродов и конструкции фазосдвигающих оптических элементов подробно описаны в научно-технической литературы. На фиг.7 представлены варианты исполнения устройства на основе термооптического эффекта. Для этой цели на поверхности структуры выполнены электродные структуры 101-1 12, нагрев которых при протекании электрического тока, вызывает локальные изменения показателя преломления в области оптического волновода. Электроды 101-106 управляются независимо от многоканальных источников постоянного или переменного тока (не показаны) или сгруппированы, например, с периодом равным 4 (т.е. каждый 4 запитывается параллельно) для уменьшения числа каналов у источника тока. У варианта устройства группы электродов 107-108 и 109-1 10 выполнены последовательно по ходу оптического излучения, причем электроды 107-108 выполнены р постоянной длиной электродов, а группа 109-1 10 - имеет линейно изменяющуюся длину от номера соединительного канального волновода, на котором они изготовлены. Нагрев электродов 109-1 10 дает линейное изменение фазы внутри каждой группы. Нагрев электродов 107-108 обеспечивает линейное изменение фазы (с точностью до постоянного смещения 2π) по всей структуре фильтра. Для обеспечения тонкой подстройки длины волны электроды 1 1 1 и 1 12 выполнены вдоль оптических волноводов формирующего 2 и фильтрующего 3 элементов.
Для обеспечения акустооптического управления на структурах фиг.8 и фиг.9 выполнены полосковые 2 и 3, а также планарный 59 волноводы. Для возбуждения поверхностной акустической волны 82 выполнена по крайней мере одна электродная структура встречно-штыревых преобразователей 83, которая запитывается источником высокочастотного излучения 84. Для формирования оптических пучков под углом Брэгга к ПАВ выполнены адиабатические расширители пучков рупорного типа 80 (см. фиг.8) и на основе суживающихся канальных волноводов 81 (см. фиг.9). Для затухания отраженной волны выполнен акустический поглотитель 79, например, на основе прорезиненного компаунда. Для гашения паразитного и неиспользуемого излучения выполнены клиновидные суживающиеся волноводы 60. Устройство на фиг.9 целесообразно выполнить в двух волноводных слоях разделенных буферным слоем с низким показателем преломления. При этом большая часть устройства выполнена на основной подложке, а на верхнем слое выполнены канальные волноводы делителей пучка 7-18.
Работу оптического фильтра можно охарактеризовать следующим образом. Поступив на вход устройства 61 (см.фиг.1-9) световой пучок последовательно проходит через делители пучка и поступает на средство формирования в виде набора пучков (см. стрелки) со строго заданной амплитудой и фазой, которые определяются параметрами элементов связи соответствующих канальных оптических волноводов 2-6 с канальными волноводами 7-29, 71-76. Часть излучения проходит по волноводу 2 до его конца 66 и может быть использована для контроля уровня входного сигнала (функция out). Однако, для оптимальной конструкции устройства, большая часть энергии входного пучка переходит в средство формирования в виде когерентных световых пучков 70, которые обеспечивают фильтрующие свойства устройства.
Случаи, когда средство формирования выполнено только из канальных оптических волноводов, представлены на фиг.1-7. Для начала рассмотрим варианты простых одноканальньгх фильтров (см. фиг.1-3, 7). Здесь оптические пучки поступают из формирующего элемента на соединительные канальные волноводы 36-41 в виде когерентных световых пучков 70 и далее последовательно проходят через делители пучка фильтрующего элемента, образованные связанными волноводами 3 и 13-18. На каждом на таком элементе оптический пучок делится на две части, одна - проходит дальше по изогнутым волноводам 32 до суживающихся концов 60, использующихся в качестве демпфирующих элементов (для вывода ненужного излучения из структуры). Другая часть туннелирует в волновод 3 и последовательно проходит дальше через аналогичные делители пучка. На каждом из делителей пучка происходит суммирование оптических полей (с учетом их амплитуд и фаз), поступающих на делители пучка со стороны соответствующих соединительных волноводов 36-41 , и полей уже поступивших в волновод 3 с предыдущих (по ходу оптического излучения) делителей пучка.
Согласно изобретению, взаимное расположение делителей пучка выбрано с учетом поддержания разности фаз на рабочей длине волны излучения для большинства пучков, ответвленных с помощью различных делителей пучка, по существу кратной 2π. Поэтому, на рабочей длине волны все такие пучки будут суммироваться в фазе и их амплитуды будут нарастать по мере распространения вдоль волновода 3 (см. увеличение ширины стрелок, которые иллюстрируют рост амплитуды). Для всех других длин волн набег фазы для любой пары пучков будет произвольным (не кратен 2π) и условие конструктивной интерференции будет нарушено, следовательно, интенсивность, прошедшей до выхода 62 оптической волны, будет мала. Таким образом, данное устройство будет осуществлять функцию оптической фильтрации для тех длин волн, для которых выполнено описанное выше условие кратности 2π.
Отметим, что конструктивно оптический фильтр может быть реализован как в ортогональной ориентации (см. фиг.1 и фиг.2), так и наклонной (см. фиг.З). Ее отличительной особенностью является то, что она позволяет увеличить крутизну перестройки . длины волны и/или расширить размер свободной спектральной зоны. Действительно, путь волноводы формирующего и фильтрующего элементов располагаются под углом Θ относительно нормали к соединительным волноводам. Тогда нормальная ориентация соответствует случаю Θ = 0 ° , а наклонная ориентация соответствует случаю Θ ^ 0 °. Обычно для наклонной ориентации используется диапазон углов 45 ° < Θ < 65 °. Согласно изобретению, условие конструктивной интерференции на рабочей длине волны Ло описывается выражением:
2π/λο [Ах (N, +N2)/cose + Lx(Ni+ !-Ni) - 2Ax Ni tg(0)J = 2πτη, (1) где А— шаг расположения соединительных волноводов; Ν] и N? - эффективные показатели преломления фундаментальной моды канальных волноводов формирующего и фильтрующего элементов, соответственно; Ni+i и N, - эффективные показатели преломления фундаментальной моды канальных волноводов двух соседних соединительных волноводов (с номерами i+1 и /); L - одинаковые по длине области соединительных волноводов; т - порядок интерференции, который определяет величину свободной спектральной зоны Δλ оптического интерференционного фильтра:
Δλ =λ0 /τη (2)
На основе выражений (1)-(2) формулируются основные правила для управления длиной волны предлагаемого типа оптического фильтра, которую можно контролировать путем изменения показателя преломления канальных волноводов формирующего и фильтрующего элементов и/или соединительных волноводов. Для наглядности рассмотрим случай, когда одновременно на величину 8Ν изменяется показатель преломления канальных волноводов формирующего и фильтрующего элементов. Тогда, из выражения (1) можно найти соответствующее изменение рабочей длины волны:
δλο = Л δΝ/(Νι-Νβϊη(Θ)). (3)
Из этого выражения видно, что крутизна перестройки длины волны (δλ( δΝ зависит от угла ориентации волноводов θ, а также показателей преломления соединительных волноводов и волноводов формирующего и фильтрующего элементов. Если волноводы одинаковы (Nj= Ν,), то крутизна перестройки растет как l/(l-sin(9)), что для характерных углов Θ 45 ° и 60 ° дает увеличение крутизны в 3.4 и 7.5 раза, соответственно, по сравнению со случаем ортогональной ориентации (Θ = 0 °). Если, волноводы разные, причем Nj< N„ то аналогичный эффект может быть достигнут при меньших углах Θ, либо увеличение крутизны перестройки длины волны будет еще более значительньм. Отметим, что эффект увеличения крутизны связан с увеличением периода расположения А соединительных волноводов и соответствующим увеличением длины волноводов формирующего и фильтрующего элементов, которые используются для сохранения той же самой величины Δλ, а именно:
А = λ0 2 /(2AX) cos(9)/(N,-NiSin(9)). (4)
Описанное выше управление оптическим фильтром может осуществляться монотонно по длине волны с помощью фазосдвигающих элементов, расположенных вдоль волноводов формирующего и фильтрующего элементов, которые будем называть элементами тонкой подстройки.
Из выражений (1)-(2) следует, что рабочую длину волны фильтра на величину δλο можно изменить, если сформировать постоянный шаг изменения показателя ANL
Figure imgf000022_0001
в соединительных канальных волноводах.
δλ0 = (Am0)ANLL (5) При этом очень удобно изменять длину волны дискретным образом с шагом δλο = ΔΑ/ρ, где р- целое число (обычно 4 или 8). В этом случае необходимо иметь изменение ANiLL^ /p, что соответствует сдвигу фазы 2лр в фазосдвигающих элементах длины LL, расположенных вдоль соединительных волноводов. Поскольку фаза определяется с точностью до 2π, то дискретное изменение длины волны оптического фильтра с шагом Δλ/ρ можно осуществить набором из р-1 фазосдвигающих устройств, последовательно расположенных (с периодом р) на разных канальных волноводах таким образом, чтобы создать дополнительное изменение фазы 2ττ/ρ между любыми соседними волноводами. Такие фазосдвигающих элементы будем называть элементами широкой перестройки длины волны. Комбинация элементов тонкой и широкой перестройки позволяет перестраивать рабочую длину фильтра с пределах свободной спектральной зоны при минимальных величинах изменения показателя преломления SN и ANL в соответствующих оптических волноводах, что является важным преимуществом предлагаемого устройства. Это свойство будет более детально описано в дальнейшем.
Отличие одноканальных фильтров на фиг.1 и фиг.2, заключается в месте расположения суживающихся областей 60, которые используются для вывода из структуры не отфильтрованного излучения (для уменьшения паразитных сигналов). Фиг.1 более компактна, но в структуре фиг.2 излучение покидает область фильтра, что приводит к дополнительному снижению паразитных помех, однако, для этого нужно обеспечить пресечение волноводов с низкими потерями и низким уровнем перекрестных помех (см. например, K.Watanabe, Y. Hashizume, Y. Nasu, Y. Sakamaki, M. Kohtoku, M. Itoh, and Y. Inoue, "Low-loss three-dimensional waveguide crossings using adiabatic interlayer coupling," Electron. Letters 44, 1356-1357 (2008); R. Sun, M. Beals, A. Pomerene, J. Cheng, Ching-yin Hong, L. Kimerling, and J. Michel, "Impedance matching vertical optical waveguide couplers for dense high index contrast circuits," Opt. Express 16, 1 1682-1 1690 (2008); или Andrei V. Tsarev, "Efficient silicon wire waveguide crossing with negligible loss and crosstalk," Opt. Express 19, 13732-13737 (201 1)).
Использование нескольких структур, аналогичных той, что на фиг.2, позволяет конструировать фильтрующие элементы с расширенными функциональными возможностями. На фиг.4, представлен общий вид двухканального оптического фильтра, в котором в едином устройстве объединены два фильтра из фиг.2. Их работа аналогична работе одноканального фильтра, однако, здесь оптические пучки покидающие фильтр не демпфируются с помощью суживающегося волновода 60 (см. фиг.2), а проходят дальше по соответствующим канальным волноводам (см. стрелки) и туннельно связываются с канальным волноводом 4 второго фильтрующего элемента. На его рабочей длине волны (отличной от длины волны первого фильтрующего элемента) набег фазы для любой пары пучков, ответвленных с помощью двух делителей пучка будет кратен 2π, и, следовательно, все такие пучки будут суммироваться в фазе и нарастать по мере распространения вдоль волновода 4 (см. увеличение ширины стрелок, которые иллюстрируют рост амплитуды). Важно, что описанное выше условие кратности 2π, определяющее рабочие длины волн первого и второго фильтрующего элементов, зависят от фазовых задержек оптических микропучков с входа 61 до выходов 62 и 63, и, следовательно, длины фильтруемых волн могут контролироваться описанным выше способом за счет изменения параметров и расположения, соответствующих канальных волноводов формирующих структуру оптического фильтра.
Легко заметить, что если изменить положение волновода 4 (см. фиг.4) на положение волновода 6 (см. фиг.5), то данное устройство трансформируется в оптический мультиплексор. Действительно, из геометрии фиг.5 легко заметить, что все микропучки, которые проходят от входа 61 волновода 2 до выхода 65 волновода 6, претерпевают одинаковый сдвиг фаз, который не зависит от длины волны оптического излучения. Следовательно, все они будут суммироваться в фазе и на выходе устройства 65 сформируют интенсивный сигнал, тем самым реализуют функцию прохождения (through) для всех длин волн, которые не были отфильтрованы на выходе 62 с помощью фильтрующего оптического элемента.
Комбинация технических решений, представленных, на фиг.4 и фиг.5, позволяет конструировать различные типы многоканальных оптических мультиплексоров, в которых одновременно реализуется функция многоканальной фильтрации и сквозного прохождения всех неотфильтрованных длин волн. Пример такого устройства показан на фиг.6. Данное устройство реализует функцию трехканального мультиплексора. Оно содержит один формирующий элемент с входом 61 , три фильтрующих элемента с выходами 62-64, из которых можно вывести оптическое излучение на трех разных длин волн, а также фильтрующий элемент функции прохождения с выводом 65.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Оптический пучок, содержащий множество оптических длин волн, поступает на вход 61 по мере распространения по канальному волноводу 2 ответвляются в канальные волноводы 7-11 за счет туннельной связи. Каждый из ответвленных пучков распространяется по соответствующим канальным волноводам и по ходу распространения проходят через элементы связи различных фильтрующих элементов. Согласно изобретению устройство выполнено с учетом поддержания разности фаз на рабочих длинах волн излучения для любой пары пучков каждого из фильтрующих элементов, ответвленных с помощью различных делителей пучка, по существу кратной 2π. В данной ортогональной конструкции, любые оптические пучки претерпевают одинаковый сдвиг фаз на пути от делителей пучка формирующего и фильтрующего элементов. Например, это видно из сравнения оптического пути (показанного стрелками) вдоль следующего порядка расположения канальных волноводов: 7-36-44-49-54, 8-37-45-50-55, 9-38-46-51-56 и т.д. В этом случае, если выполнить требование одинаковой задержки для любой пары соседних делителей пучка волноводов 2 и 6, например, 7-8 и 71 -72, то фазовая задержка будет одинаковой для всех пучков от входа 61 до выхода 65, и, следовательно, устройство реализует функцию прохождения. С другой стороны, требуемый сдвиг фаз (кратный 2π) для осуществления фильтрации, в основном, формируется за счет оптической задержки между соответствующими делителями пучка, например, 7 и 8, а также 26 и 25 (от входа 61 до выхода 64). Для разных фильтрующих элементов требуемый сдвиг фаз 2π достигается на разных длинах волн, который определяется периодом расположения соответствующих делителей пучка, а также показателя преломления канальных волноводов, формирующих структуру оптического фильтра. Это позволяет организовать перестраиваемую фильтрацию оптического излучения на выходе 62-64 соответствующих фильтрующих элементов с помощью управляемых фазосдвигающих оптических элементов, а также прохождение до выхода 65 всех оставшихся (не отфильтрованных длин волн).
Для реализации функции перестраиваемого оптического мультиплексора ввода- вывода (Add/Drop multiplexor (ROADM)), сигналы на оптических длинах волн, соответствующих фильтрующих элементов могут быть введены в выводы 67, 68 и 69. Для лучшего подавления сигнала, который отфильтрован на предыдущей стадии, например, через вывод 62, последующий фильтрующий элемент 4 и/или 5 может иметь туже самую рабочую длину волны. Это обеспечивает лучшее подавление данной длины волны в прошедшем сигнале, что уменьшает уровень паразитных помех для оптических сигналов на той же длине волны, которая может поступить с входа 68 или 69.
Как обсуждалось выше, данное устройство может управляться с помощью фазосдвигающих оптических элементов для тонкой и широкой перестройки длины волны, как иллюстрируется на фиг.7. Первые из них располагаются вдоль канальных оптических волноводов формирующего 2 и фильтрующих 3-6 элементов (см. фиг.6). Они изменяют показатель преломления и, следовательно, фазовую задержку на пути между соседними отражателями пучка. В результате требуемый сдвиг фаз (кратный 2π) достигается на длинах волн, разных для разных каналов, которые зависят от изменения показателя преломления в соответствующих волноводах 2-6. Фазосдвигающие элементы на волноводах 3-5, позволяют независимо изменять рабочую длину волны каждого из фильтрующих элементов, однако, диапазон перестройки длины волны ограничен малым возможным изменением показателя и сдвига фазы на малом расстоянии (обычно порядка 10 мкм) между соседними делителями пучка. Для большего изменения рабочей длины волны используются фазосдвигающие элементы широкой перестройки на соединительных волноводах (36-41, 44-48, 49-53, 54-58). Их длина может быть достаточно большой, что снимает ограничение на величину сдвига фаз и, следовательно, на диапазон перестройки длины волны. Их задача создать постоянное изменение сдвига фаз по мере роста номера соответствующего соединительного волновода (36-41, 44-48, 49-53, 54-58). На рабочих длинах волн этот сдвиг фазы компенсируется (за счет отстройки длины волны) изменением фазовой задержки в соответствующих волноводах 2-5. Любая наперед заданная рабочая длина волны может быть отфильтрована за счет совместного использования фазосдвигающих оптических элементов для тонкой и широкой перестройки длины волны.
Случай, когда канальные оптические волноводы 2 и 3 выполнены в непосредственной близости от планарного оптического волновода 59 показаны на фиг.8 и фиг.9. Здесь ответвленные на делителях пучка оптические пучки переходят в планарный волновод 59 с помощью адиабатических расширителей пучка (80 или 81), которыми оканчиваются соответствующие элементы связи делителей пучков. При этом в планарном волноводе формируется набор когерентных оптических пучков 76, которые проходят через область, по которой распространяется акустическая волна 82, которая генерируется источником 83 акустических волн. Период расположения делителей пучка определяется величиной свободной зоны Δλ согласно выражению (4). В качестве источника акустических волн 83 обычно используется один или несколько фазированных встречно- штыревых преобразователей (ВШП), представляющих собой гребенку электродов, подключенных к высокочастотному источнику 84 высокочастотного переменного электрического поля. Источник 83 за счет пьезоэффекта эффективно возбуждает поверхностную акустическую волну, которая распространяется в приповерхностной области, занимаемой оптическим волноводом 59, и может вступать в эффективное взаимодействие с направляемыми оптическими волнами. Для этой цели фазовые фронты пучков, формируемых и направляемых адиабатическими расширителями пучка должны располагаться под углом Брэгга ΘΒ к фазовому фронту акустической волны:
ΘΒ = arcsin( o/(2AN)), (6)
где Л - длина волны ПАВ, Л = v/F, v и F - скорость и частота ПАВ, N - эффективный показатель преломления направляемой моды планарного волновода.
Для исключения отражения ПАВ, которое может привести к появлению паразитных сигналов, используется акустический поглотитель 79. На рабочей длине волны света когерентные оптические пучки 76 удовлетворяет условиям брэгговского фазового синхронизма и дифрагирует на ПАВ, в результате чего меняют направление распространения на двойной брэгговский угол и формируют когерентные пучки 77. Далее продифрагированные оптические пучки 77 с помощью аналогичных адиабатических расширителей пучка (80 или 81) попадают из планарного оптического волновода 59 в фильтрующий оптический элемент, выполненный в виде канального оптического волновода 3 и набора делителей пучка на связанных волноводах 13-18, и выводится из устройства через выход 62. Спектральные характеристики оптического фильтра оптимизируются методом аподизации за счет применения разных коэффициентов деления пучка, определяемых их коэффициентами связи, например, изменением взаимного положения (щели) канальных волноводов 7-18, 2, и 3 (см. фиг.8 и фиг.9.).
Главное отличие устройств на фиг.8 и на фиг.9 заключается в особенностях их технической реализации. Устройство на фиг.8 предлагается реализовать в одном слое, например, на волноводах в ниобате лития. Сначала, создаются одномодовые планарные волноводы, например, за счет высокотемпературной диффузии титана, которая создает в приповерхностной области (порядка нескольких микрон) слой с более высоким показателем преломления (на величину порядка 0.01) по отношению к объемному материалу. Далее структура из канальных волноводов реализуется технологией глубокого травления через весь волноводный слой. В данной конструкции каждый элемент связи на канальных волноводах заканчивается с одной стороны адиабатически расширяющейся областью 80 (рупорного типа) для формирования относительно широкого (порядка 10 мкм) оптического пучка 76, а другой стороны суживающимся волноводом 60 для вывода не используемого излучения из устройства. В этом смысле данное устройство очень похоже на устройство, представленное на фиг.1. Отличие в том, что на фиг.1 широкодиапазонная перестройка длины волны осуществляется путем линейного изменения показателя преломления в канальных волноводах 36-41. В данном устройстве на фиг.8 предлагается перестраивать длину волны за счет поворота фазового фронта при акустооптическом взаимодействии в планарном оптическом волноводе 59.
Структуру на фиг.9 предлагается изготавливать в двух волноводных слоях с высоким показателем преломления (например, Ti:LiNb03 и Si02:Ti02), разделенных буферным слоем с меньшим показателем преломления (например, из двуокиси кремния). Ее достоинство в том, что благодаря изготовлению делителей пучка на вертикально связанных волноводах имеется возможность вывести не отфильтрованное излучение из области оптического фильтра, где оно может быть демпфировано, например, с помощью суживающихся волноводов 85 с меньшим уровнем паразитного рассеяния (как на фиг.2) или использоваться для дальнейшей обработки (аналогично фиг.4-6). В многослойном варианте адиабатическое расширение пучка осуществляется на основе суживающегося канального волновода 81, который одновременно реализует функцию оптического согласования канального и планарного волноводов. Принцип работы таких элементов хорошо изучен в научной литературе (V. R. Almeida, R. R. Panepucci, and М. Lipson, "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003)). При адиабатическом уменьшении размера канального волновода равномерно увеличивается область поля, которое занимает его оптическая мода. В результате происходит не только расширение оптического пучка, но и за счет туннельной связи основная доля его энергии постепенно перетекает из канального волновода в планарный волновод. Возможен комбинированный вариант устройства, объединяющий основанные элементы фиг.8 и на фиг.9. Здесь, указанный выше суживающийся канальный волновод 81 за счет туннельной связи переводит оптическое излучение в нижерасположенный канальный волновод, в котором оно расширяется до нужного размера с помощью адиабатической области 80 (рупорного типа). Ее задача сформировать слаборасходяйщеся оптический пучок, который распространяется под брэгговским углом к фронту акустической волны, чтобы обеспечить эффективное акустооптическое взаимодействие.
Как было сказано выше, взаимное расположение делителей пучка устройств на фиг.8 и на фиг.9 выбираются с учетом поддержания разности фаз на рабочей длине волны излучения для любой пары пучков 76 или 77, по существу кратной 2π. При этом сдвиг фаз для любых пучков, прошедших от входа 61 до выхода 62 оказывается по существу кратным 2π. В результате на рабочей длине волны света большинство оптических волн сложится в фазе и фильтр пропустит заданную длину волны света. На всех остальных длинах волн света условие конструктивной интерференции нарушится, и прохождение сигнала до выхода 62 уменьшится на несколько порядков (заграждение сигнала). Данные пучки (на всех остальных длинах воли) демпфируются (см. фиг.8) или проходят дальше (см. фиг.9) в виде пучков 78. Последние могут покинуть фильтр, либо использоваться для дальнейшей обработки, например, в случае последовательного расположения нескольких аналогичных фильтров, осуществляющих многоканальную фильтрацию (аналогично фиг.4-6). Перестройка рабочей длины волны фильтра осуществляется за счет изменения длины волны ПАВ, которая контролируется частотой, задаваемой источником 84. Для разных частот ПАВ будет меняться двойной Брэгговский угол, на который отклоняются пучки 76 при дифракции на ПАВ, и, следовательно, будет изменяться сдвиг фаз между дифрагированными пучками 77. В результате, условие когерентного суммирования (сдвиг фаз 2π) изменится, и оно будет наблюдаться для другой длины волны, зависящей от частоты ПАВ.
В конструкции перестраиваемого фильтра, представленного на фиг.9, показан только один фильтрующий элемент на основе волновода 3 и один источник 83 акустических волн. Однако, функциональные возможности устройства значительно расширяются, если по аналогии с фиг.6 в нее включить несколько последовательно расположенных фильтрующих элементов, а также использовать дополнительные источники акустических волн. При этом устройство приобретает свойство многоканального узкополосного перестраиваемого оптического фильтра.
Следует подчеркнуть, что все данные устройства (см. фиг.1-фиг.9) используют принцип интерференции и их работа полностью аналогично работе оптических фильтров на основе мульти-отражательных элементов, которые детально и подробно описаны в научной литературе и патентах (United States Patent No. 7,092,139 и No 6,999,639) автора данного изобретения. Все основные свойства новых устройств можно получить из описания работы мульти-отражательных фильтров, если заменить слабо-отражающие зеркала на делители пучка на основе связанных волноводов. При этом в основных выражениях коэффициент отражения нужно заменить на коэффициент деления пучка. Важно, что все достоинства мульти-отажательных фильтрующих элементов полностью переносятся на предлагаемые новые типы оптических фильтров, но последние обладают еще важным преимуществом - большей технологичностью. Она связана с тем, что технология деления пучка на связанных волноводах хорошо отработана и применяется в фотонике, а экспериментальных устройств на основе мульти-отажательных элементов еще не создано. Хотя качественное описание работы новых фильтров на связанных волноводах ясно и понятно, то их количественное описание очень сложно и возможно только с использованием методов численного моделирования.
Для демонстрации принципа работы и основных свойств предлагаемого оптического фильтра на связанных волноводах мы провели численный эксперимент с использованием метода конечных разностей во временной области (finite difference time domain (FDTD)), который реализован в популярном коммерческом пакете FullWave от компании RSoft Design Group, Inc. (www.rsofldesign.com). В качестве модели для детального анализа мы использовали базовую структуру фильтра, представленного на фиг.1.
Общий вид нового фильтра на связанных полосковых волноводах из кремниевых проволок (Si wire) показан на фиг.10. Входной сигнал поступает со входа 61 в правый волновод 2 и распадается на микро-пучки на множестве адиабатических направляемых ответвителей (делителей пучка) на волноводах 7-12 с различными коэффициентами связи, которые отвечают за аподизацию фильтра. Каждый из микро-пучков распространяется дальше по структуре и совместно объединяются в выходной волновод 3 с помощью соответствующего набора аналогичных направляемых ответвителей на волноводах 13-18. Структура имеет постоянную разницу в оптической длине. Таким образом, на рабочей длине волны все микро-пучки суммируются в фазе вдоль выходного волновода и производят эффективную фильтрацию на выходе 62. Все остальные длины волн проходят дальше по искривленным частям направляемых ответвителей и покидают структуру фильтра. Для уменьшения паразитных сигналов искривленная часть каждого ответвителя заканчиваются локальными демпфирующими областями с большой мнимой части (равной 0.4) показателя преломления. Она обеспечивает незначительное отражение назад и приводит к полному затуханию входящей световой волны. Для реальных трехмерных (3D) структур на конце искривленной части волновода должен изготавливаться суживающийся волновод 60 (см. фиг.1, 3-5), который излучает (из структуры), поступающий на нее оптический пучок, или он должен быть продлен за правый (не показано) канальный волноводов, пересечь его и выйти дальше из фильтра (как на фиг.2). Он может быть демфирован или использован для дополнительной обработки, скажем, для построения мультиплексора или многоканального фильтра (как на фиг.4-6). Для этого случая является предпочтительным использование пересечения многослойных волноводов с незначительным уровнем перекрестных помех (см. например, Andrei V. Tsarev, "Efficient silicon wire waveguide crossing with negligible loss and crosstalk," Opt. Express 19, 13732- 13737 (201 1)).
Параметры всех волноводов соответствуют типичным волноводным проволокам из кремния с шириной 450 нм и высотой 250 нм, изготовленных на структурах кремний-на- изоляторе. Входные и выходные волноводы имеют искривленные части малым радиусом кривизны R, а также различную ширину зазора щели d у разных элементов связи (см. фиг.10.), для осуществления аплодизации. При проектировании мы используем гауссову функцию аподизации Ар (для обеспечения высокого подавление боковых лепестков) и заранее рассчитали методом FDTD зависимость коэффициента деления пучка (Rc) и величину коэффициента прохождения (Тс) для оптических волн (см. фиг.11) путем измерения мощности фундаментальной моды (определенной FDTD мониторами 91-96, см. фиг.10) для различных значений радиуса кривизны волноводов R и длины прямой части Lg направленного ответвителя. Затем мы определили необходимые зависимости коэффициента деления пучка (Rc) и ширины щели d от номера ответвителя (см. фиг.12). Типичное распределение электромагнитного поля на рабочей длине волны (Drop) у такого фильтра показано на фиг.13. Можно видеть, что на этой длине волны все оптические микро-пучки, поступающие от различных ответвителей, конструктивно складываются и создают интенсивный сигнал в выходном волноводе 3, который на выходе устройства 62 измеряется с помощью FDTD монитора 95.
Как уже упоминалось выше, полная перестройка рабочей оптической длины волны фильтра может быть организована с помощью фазовращателей для тонкой и широкой настройки. Целью этих фазовращателей является создание управляемой линейно- изменяемой (от номера соединительного волновода) фазовой задержки между оптическим микро-пучками, проходящими по разным путям от входа до выхода устройства. В данном фильтре мы осуществляем фильтрацию за счет термооптического эффекта, а именно, путем изменения температуры в соответствующих наборах волноводов, показанных на фиг.10.
Тонкая перестройка устройства осуществляется повышением температуры (ΔΤ) у входного 2 и выходного 3 волноводов. Результаты, представленные на фиг.14а, показывают, что этот фильтр имеет умеренную крутизну перестройки длины волны ΔΑ/ΔΤ=0.093 нм/С°, что характерно для других типов оптических фильтров на кремнии, скажем, на основе кольцевых резонаторов. Для разумных значений возможного изменения температуры (<100 С°), фазосдвигающие элементы тонкой настройки (см. кривые *Ю00 для ΔΤ= 0 С0, 50 С°, и 100 С°) могут обеспечить лишь ХА часть от свободной спектральной зоны фильтра, которая в данном случае составляет около 37 нм.
Для большего диапазона перестройки длины волны фильтра используются фазосдвигающие элементы широкой перестройки, управляемые по схеме модуля 2π (manifold module (2π) scheme). Для этой схемы у всех микро-пучков формируется линейно-растущий (от номера волновода) сдвиг фаз, который изменяется в пределах от нуля до 2π. Мы рассмотрели эту схему для случая дискретного переключения длины волны с шагом FSR 4. Для этого термооптические фазосдвигающие элементы, расположеннее вдоль волноводов 36-41 по оси X, были организованы в 4 периодические группы (см фиг.10). Каждая из них имеет свое значение прироста температуры (ΔΤ0, ΔΤ1, ΔΤ2, ΔΤ3) в канальных оптических волноводах, которое удобно определять в единицах ΔΤ00, т.е. характерной температуры, необходимой для создания сдвига фаз π/2 на рабочей длине волны устройства. Для компактных фазовращателей разной длины LL= 1 1 мкм и LL == 40 мкм моделирование методом FDTD дает значения ΔΤ00 ~ 177 С° и ΔΤ00 ~ 48 С°, соответственно. На практике, целесообразно использовать более длинные структуры, которые управляются меньшими значениями температуры. Например, мы получили ΔΤ00 ~ 4.8 С° для случая LL = 400 мкм.
Результаты расчета спектральных характеристик оптического фильтра для разных комбинаций значений управляющих температур в каждой из групп волноводов 36-41 показаны на фиг.146. Во всех расчетах полагалось, что ΔΤ0=0, а для обозначения разных значения ΔΤΙ, ΔΤ2 и ΔΤ3 использовалась целочисленная нумерация в виде Здесь первое значение указывает на величину ΔΤ, а последующие цифры указываю величины ΔΤΙ, ΔΤ2 и ΔΤ3 в долях ΔΤ00. В частности, обозначение 50Ϊ123 соответствует случаю: ΔΤ = 50 С°, ΔΤ1 - Ι χΔΤΟΟ, ΔΤ2 = 2χΔΤ00, и ΔΤ3 = 3χΔΤ00. Данные фиг.14 показывают, что предлагаемое устройство может быть использовано как широко перестраиваемый оптический фильтр с небольшим уровнем внутренних вносимых потерь (-1 дБ) и высоким подавлением боковых лепестков (ниже -26 дБ). Произвольная рабочая длина оптической волны (в пределах всего FSR) может быть легко настроена, применяя всего 4 управляющих сигнала, а именно, 3 - для дискретной перестройки длины волны с шагом FSR/4 путем изменения температуры ΔΤΙ, ΔΤ2 и ΔΤ3 фазосдвигающих элементов на соединительных волноводах 36-41, а также тонкой непрерывной перестройкой в пределах диапазона FSR/4 путем изменения температуры ΔΤ в фазосдвигающих элементах тонкой подстройки, расположенных вдоль волноводов 2 и 3 формирующего и фильтрующего элементов, соответственно. FSR зависит от разницы длины пути (path-length difference) и для нашего случая (длина связи Lg = 2 мкм и радиус кривизны R = 3 мкм) составляет около 37 нм. Полная максимальная полуширина линии (FWHM) оптического фильтра длиной 0.32 мм, использующего 32 направленных ответвителя с переменным зазором d (от 100 нм до 417 нм для обеспечения аподизации фильтра), составила 1.7 нм. В общем случае FWH зависит от конструкции оптического фильтра и числа делителей пучка Мс, и для нашего случаю может быть оценена как 0.68xFSR/Mc. Масштабирование этих данных для больших структур показывают, что фильтр с FWHM меньше 0.05 нм может быть реализован в устройстве размером около 1 см. Фильтр может перестраиваться в пределах FSR около 37 нм при умеренном изменении температуры (<100 С0) в четырех группах фазосдвигающих термооптических элементов.
Для описания устройств такого большого размера не возможно применять методы прямого численного моделирования типа FDTD. Поэтому для таких случаев удобно использовать лучевую модель, в которой корректно учитывается амплитуды и фазы всех микро пучков прошедших разным путем от входа до выхода устройства с учетом коэффициентов деления амплитуд и задержки фаз на каждом из элементов связи. Такие алгоритмы успешно использованы автором патента для описания мульти-отражательных фильтрующих элементов. Примеры спектральных характеристик предлагаемых оптических фильтров с термооптическим и акустооптическим управлением приведены на фиг.15- 19. Они демонстрируют, что данные фильтры обладают свойствами, имеющими практически важное значение, а сами фильтры могут найти применение в устройствах обработки и передачи данных, волоконной связи и сенсорных устройствах.
В частности, фиг.15 и фиг.16 описывают ожидаемые параметры многоканального перестраиваемого фильтра-мультиплексора, аналогичного тому, что представлен на фиг.6, для случаев если бы он был реализован в ортогональной и наклонной конфигурациях. Для построения фильтра с оптимальными параметрами, коэффициент деления пучка был оптимизирован для разных волноводов (см. фиг.15), причем оказалось, что зависимости от их номера у коэффициентов деления пучка Rc2, c3, c6, должна быть разной для разных волноводов 2, 3-5 и 6, соответственно. Спектральные зависимости, соответствующие такому распределению коэффициентов деления пучка, показаны на фиг.16. Для ортогональной ориентации, перестройка длины волны за счет фазосдвигающих элементов тонкой подстроки осуществляется в сравнительно не большом диапазоне (фиг.16а), поэтому для перестройки в диапазоне всего FSR необходимо дополнительно применять фазосдвигающих элементов широкой перестройки. Для наклонной ориентации с углом 60° элементы тонкой подстройки могут перестраивать длину волны фильтра во всем диапазоне FSR (см. фиг.166), при относительно малом изменении температуры фазосдвигающих элементов на волноводах 2-6.
Свойства акустооптического фильтра, аналогично тому, что показан на фиг.8 иллюстрируют данные фиг.17- 19. Фиг.17 приводит оптимальное распределение коэффициента деления пучка на волноводах 2 и 3 для узкополосного фильтра, для работы с сеткой частот 25 ГГц. Его спектральные характеристики для разных частот ПАВ показаны на фиг.18. Видно, что разным частотам ПАВ соответствуют разные длины фильтруемых волн (см. верхнюю шкалу на графике) имеющие разные оптические частоты (см. нижнюю шкалу на графике). Для наглядности на рисунке приведены параметры двух фильтров разного размера, имеющих в 10 раз отличающееся число делителей пучка, 58 и 580, соответственно. Детальная форма линии пропускания узкополосного акустооптического фильтра показана на фиг.18. Видно, что устройство имеет узкую ширину линии, высокий уровень подавления боковых лепестков и малые размеры (меньше 1 см), одновременно. Все эти результаты получены в рамках лучевой модели и спектрального приближения (для описания поля волны в области планарного волновода) по алгоритму, разработанному нами раньше для описания акустооптических фильтров на мульти-отражательных элементах (А.В.Царев, Е.А.Колосовский "Компактный узкополосный перестраиваемый акустооптический фильтр", Автометрия, том 42, Ne 6, с.93-104(2006)).
Следует отметить, что все данные фильтры, как и большинство других оптических устройств, являются поляризационно-зависимыми, т.е. их характеристики зависят от поляризации проходящего по ним излучения. Для таких типов оптических элементов применяются методы поляризационной диверсификации, при которой входящее излучение разделяется по поляризации, и каждая поляризация фильтруется параллельно, одинаковыми поляризационно-зависимыми устройствами. В случае необходимости, элементы обработки кроме делителей поляризации содержат также элементы преобразования поляризации для того, чтобы фильтры использовали оптическое излучение одинаковой поляризации. Современные технологии позволяют реализовать функцию поляризационной диверсификации в монолитном исполнении с оптическим фильтром (см., например, W. Bogaerts, D. Taillaert, P. Dumon, D. Van Thourhout, and R. Baets, "A polarization-diversity wavelength duplexer circuit in silicon-on-insulator photonic wires," Opt. Express 15, 1567-1578 (2007)). Важное замечание, касающееся примеров устройств, приведенных на фиг.1-9. Эти фигуры демонстрируют принципиальные схемы новых оптических фильтров и для наглядности содержат небольшое число делителей пучка на связанных оптических волноводах. Устройства с практически значимыми характеристиками выглядят аналогично, но содержат большее количество делителей пучка, от нескольких единиц до нескольких сотен.
Оптический фильтр, согласно изобретению, одновременно имеет широкий диапазон перестройки (порядка 37 нм) и узкую ширину линии фильтрации (до 0.05 нм).
Промышленная применимость
Предлагаемый оптический перестраиваемый фильтр может быть использован при конструировании систем частотного уплотнения (DWDM), используемых в волоконно- оптической связи, а также для создания малогабаритных перестраиваемых спектрометров оптического излучения, например, при создании дистанционных сенсорных устройств - датчиков состава газов, жидкостей и твердых тел, а также в составе элементов считывания данных с брэгговских волоконных датчиков.
Оптический перестраиваемый фильтр может быть изготовлен по известной технологии, разработанной для создания устройств интегральной оптики и микроэлектроники. В качестве материала для изготовления акустооптического варианта устройства может использоваться любое прозрачное твердое тело, для которого имеется технология изготовления канальных и планарных оптических волноводов с малыми потерями (меньше и порядка 1 дБ/см) и эффективного возбуждения акустических волн. К таким материалам относятся ниобат и танталат лития, полупроводниковые гетероэпитаксиальные структуры АщВу, диэлектрические слоистые структуры, содержащие пьзоактивный слой для возбуждения ПАВ, например, ZnO/Si02/Si и т.д. Наиболее перспективными являются устройства на базе оптических волноводов на ниобате лития, обладающего хорошими оптическими, акустооптическими и электрооптическими свойствами.
В качестве материалов для изготовления варианта устройства с термооптическим управлением может использоваться любое прозрачное твердое тело, для которого имеется технология изготовления канальных оптических волноводов с малыми потерями. Более перспективными являются волноводы с высоким показателем преломления, т.к. в них можно простым образом реализовать канальные оптические волноводы с малым радиусом закругления. К таким материалам относятся волноводы на основе структур кремний-на- изоляторе, а также полупроводниковые гетероэпитаксиальные структуры АщВу. Причем, волноводы на основе кремния, так называемые кремниевые проволоки, считаются наиболее перспективными, т.к. они наиболее технологичны (изготавливаются по КМОП- совместимой технологии), дешевы и обладают высокими термооптическими свойствами. Волноводы на основе полупроводниковых материалом интересны также и тем, что в них можно реализовать высокую скорость переключения длины волны за счет изменения концентрации свободных носителей заряда. Могут быть реализованы устройства также на основе полимерных оптических волноводов. Их недостаток - низкий показатель преломления, что затрудняет реализацию малых радиусов закругления. Однако, такие волноводы дешевы, технологичны и здесь имеется большой выбор различных материалов, в том числе, с очень хорошими управляющими свойствами (высокими значениями термооптических или электрооптических коэффициентов). Конкретный выбор конструкции и материала оптического фильтра зависит от технической задачи. Данное изобретение позволяет реализовать разные задачи максимально гибким образом на основе известных технологий, успешно применяемой в фотонике для других типов оптических элементов, например, кольцевых резонаторов и решеточных фильтров на КНИ, и/или кольцевых резонаторов и акустооптических фильтров на ниобате лития.
Автор выражает благодарность компании RSOFT Design Group. Тпс, США (www.rsoftdesign.com), которая предоставила пользовательскую лицензию и техническую поддержку для комплекта программ для анализа фотонных устройств (Rsoft Photonic CAD Suite 8.0, включая пакет FullWAVE 6.0 для вычислений по методу FDTD).

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Оптический фильтр, содержащий канальные оптические волноводы для ввода- вывода оптического излучения и распространения светового пучка, делители светового пучка, расположенные последовательно по ходу излучения, и средство формирования для передачи оптического излучения, ответвленного с помощью делителей пучка, причем средство формирования выполнено в виде набора соединительных канальных оптических волноводов и/или планарного оптического волновода, отличающейся тем, что делители пучка выполнены в виде набора связанных оптических волноводов, взаимное расположение которых выбрано с учетом поддержания на рабочей длине волны излучения разности фаз, по существу кратной 2π, для большинства пучков, ответвленных с помощью различных делителей пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра. Здесь π = 3.14159... - универсальная константа.
2. Оптический фильтр по п.1 , отличающийся тем, что делители пучка и/или средство формирования дополнительно содержат изогнутые канальные волноводы и/или канальные волноводы, меняющие направление за счет эффекта отражения от области с высоким коэффициентом отражения.
3. Оптический фильтр по п.1 и п.2, отличающийся тем, что средство формирования дополнительно содержит расширители пучка, выполненные в виде адиабатических рупорных элементов и/или суживающихся канальных волноводов, предназначенные для формирования в планарном волноводе набора фазированных пучков с учетом поддержания разности фаз на рабочей длине волны излучения по существу кратной 2π.
4. Оптический фильтр по п.1 , отличающийся тем, что волноводы формирующих и фильтрующих элементов выполнены параллельно друг к другу.
5. Оптический фильтр по п.1 , отличающийся тем, что волноводы формирующих и фильтрующих элементов выполнены под углом друг к другу.
6. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что несколько фильтрующих элементов выполнены последовательно по ходу излучения.
7. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что последний по ходу излучения фильтрующий элемент выполнен с учетом поддержания разности по существу кратной 2π в широком спектральном диапазоне, не меньше свободной спектральной зоны фильтра.
8. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что в непосредственной близости по меньшей мере одного канального волновода фильтрующего или формирующего элемента выполнен по крайней один набор управляющих электродов в виде полосок проводящего материала, для создания при приложении электрического поля локальных изменений показателя преломления в окрестности указанных волноводов за счет электрооптического или термооптического эффектов, или эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда.
9. Оптический фильтр по п.1 , отличающийся тем, что в непосредственной близости от набора соединительных канальных оптических волноводов выполнен по крайней мере один набор управляющих электродов в виде полосок проводящего материала, для создания при приложении электрического поля локальных изменений показателя преломления в окрестности указанных волноводов за счет электрооптического или термооптического эффектов или эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда, причем длину управляющих электродов и величину приложенного к ним напряжения выбирают такими, чтобы иметь одинаковый или отличающийся на четное число π сдвиг фаз для соседних пучков, ответвленных различными делителями пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра.
10. Оптический фильтр по п.1 , отличающийся тем, что в непосредственной близости от набора соединительных канальных оптических волноводов выполнены многосекционные электродные структуры, причем по крайней два ряда этих структур расположены последовательно по ходу оптического пучка.
1 1. Оптический фильтр по п.1 и п.10, отличающийся тем, что на участке между последним и предпоследним фильтрующим элементом располагается аналогичный набор электродных структур, причем длина электродов и величина приложенного напряжения к каждому из электродов выбирают такими, чтобы иметь нулевой или отличающийся на четное число π сдвиг фаз для соседних пучков, ответвленных различными делителями пучка, и прошедших от входа до выхода оптического фильтра.
12. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, один источник акустических волн для возбуждения акустической волны, способной взаимодействовать со световыми волнами оптических пучков, распространяющихся через средство формирования.
13. Оптический фильтр по п.1, п.7 и п.12, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, один источник акустических волн для возбуждения акустической волны, направленной встречно акустической волне основного источника и способной взаимодействовать со световыми волнами оптических пучков, распространяющихся через средство формирования между последним и предпоследним фильтрующими элементами.
14. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что делители пучка выполнены с разными коэффициентами деления, причем амплитуды пучков, ответвленные с помощью различных делителей пучка, как правило, уменьшается от средней части формирующего и фильтрующего элементов к их концам.
15. Оптический фильтр по п.1 , отличающийся тем, что делители пучка формирующего и/или фильтрующего элементов выполнены с разным расстоянием между связанными волноводами и/или разной эффективной длиной связи.
16. Оптический фильтр по п.1 , отличающийся тем, что делители пучка, и/или канальные волноводы формирующего, и/или фильтрующего элементов, и/или соединительные волноводы, и/или планарный волновод выполнены в одном слое.
17. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что делители пучка, и/или канальные волноводы формирующего, и/или фильтрующего элементов, и/или соединительные волноводы, и/или планарный волновод выполнены в разных слоях.
18. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что свободные концы канальных волноводов соединены с демпфирующими областями, имеющими большие оптические потери на распространение, в виде структур с высокой концентрацией свободных носителей заряда, и/или структур, содержащих рассеивающие центры, и/или структур, содержащих субмикронные дифракционные решетки, и/или структур, содержащих суживающиеся (клиновидные) канальные волноводы с плавно уменьшающимся сечением сердцевины.
19. Оптический фильтр по п.1 , отличающийся тем, что делители пучка, и/или канальные волноводы формирующего, и/или фильтрующего элементов, и/или соединительные волноводы и/или планарный волновод выполнены в структурах кремний- на-изоляторе-.
20. Оптический фильтр по п.1 , отличающийся тем, что делители пучка, и/или канальные волноводы формирующего, и/или фильтрующего элементов, и/или соединительные волноводы и/или планарный волновод выполнены в структурах на основе ниобата лития.
21. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что волноводы, формирующие делители пучка имеют одинаковые и/или близкие эффективные показатели преломления.
22. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что делители пучка содержат, по крайней мере, два связанных канальных оптических волновода.
PCT/RU2013/000100 2012-02-27 2013-02-12 Оптический фильтр WO2013129968A2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012106970/28A RU2502102C2 (ru) 2012-02-27 2012-02-27 Оптический фильтр
RU2012106970 2012-02-27

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2013129968A2 true WO2013129968A2 (ru) 2013-09-06
WO2013129968A3 WO2013129968A3 (ru) 2013-12-12

Family

ID=49083412

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000100 WO2013129968A2 (ru) 2012-02-27 2013-02-12 Оптический фильтр

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2502102C2 (ru)
WO (1) WO2013129968A2 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111684346A (zh) * 2018-02-14 2020-09-18 国立大学法人东京工业大学 光束偏转装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11400544B2 (en) 2018-06-08 2022-08-02 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Selective laser melting (SLM) additive manufacturing
WO2022103288A1 (ru) * 2020-11-10 2022-05-19 Общество С Ограниченной Ответственностью Ооо "Смартс-Кванттелеком" Устройство квантовой коммуникации на боковых частотах

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2182347C2 (ru) * 2000-08-04 2002-05-10 Институт физики полупроводников СО РАН Акустооптический перестраиваемый фильтр
WO2008042952A2 (en) * 2006-10-05 2008-04-10 Harris Corporation Method of filtering optical signals with a capillary waveguide tunable optical device
JP2011109048A (ja) * 2009-11-20 2011-06-02 Furukawa Electric Co Ltd:The 波長可変光フィルタ、波長可変レーザ、および波長可変レーザアレイ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2182347C2 (ru) * 2000-08-04 2002-05-10 Институт физики полупроводников СО РАН Акустооптический перестраиваемый фильтр
WO2008042952A2 (en) * 2006-10-05 2008-04-10 Harris Corporation Method of filtering optical signals with a capillary waveguide tunable optical device
JP2011109048A (ja) * 2009-11-20 2011-06-02 Furukawa Electric Co Ltd:The 波長可変光フィルタ、波長可変レーザ、および波長可変レーザアレイ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111684346A (zh) * 2018-02-14 2020-09-18 国立大学法人东京工业大学 光束偏转装置
CN111684346B (zh) * 2018-02-14 2023-09-26 国立大学法人东京工业大学 光束偏转装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013129968A3 (ru) 2013-12-12
RU2502102C2 (ru) 2013-12-20
RU2012106970A (ru) 2013-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5490116B2 (ja) 分布ブラッグ反射を使用する混成導波モード共鳴フィルタ及び方法
US10088628B1 (en) Optical waveguide element and receiving circuit
US9176282B2 (en) High efficiency mono-order concave diffraction grating
US10228512B2 (en) Wavelength filter
US6804446B1 (en) Waveguide including at least one photonic crystal region for directing signals propagating therethrough
WO2005022221A1 (ja) 電磁波周波数フィルタ
CN107407776B (zh) 高折射率对比度光子器件及其应用
WO2013036955A1 (en) Tunable reflectors based on multi-cavity interference
RU2502102C2 (ru) Оптический фильтр
US6999639B2 (en) Tunable optical filters
KR101023254B1 (ko) 플라즈몬 투과 필터
Jiang et al. Multichannel optical add-drop processes in symmetrical waveguide-resonator systems
US8554027B2 (en) Optical switch
WO2023077834A1 (zh) 多波带声光调谐滤波器
Balaji et al. Design and analysis of waveguide taper for photonic crystal demultiplexer
Zhang et al. Optical spectral shaping based on reconfigurable integrated microring resonator-coupled Fabry–Perot cavity
KR101725637B1 (ko) 주파수 대역폭이 향상된 그레이팅-투-그레이팅 커플러를 이용한 광 신호 커플링 장치 및 광 신호 커플링 방법
Cherchi et al. Deeply etched MMI-based components on 4 μm thick SOI for SOA-based optical RAM cell circuits
JP2013041146A (ja) 波長選択性多モード干渉導波路デバイス
JP6497699B2 (ja) 光変調装置及び光変調システム
US11644612B2 (en) Waveguide, manufacturing method of said waveguide and polarisation splitter which makes use of said waveguide
SE526498C2 (sv) Anordning för optisk koppling samt array, förfarande och användning
Jafari et al. Subwavelength-grating contra-directional couplers for large stopband filters
CN115885197A (zh) 砖砌状亚波长周期性波导、使用该波导的模态适配器、功率分配器和偏振分束器
Ogusu Reflection and Transmission Spectra of Multimode Interference Devices With Bragg Gratings

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13754435

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13754435

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2