一种可调谐级联微环滤波器.pdf

本发明公开了一种可调谐级联微环滤波器，包括：输入波导，其为第一级微环谐振腔的输入波导；第一级微环谐振腔；第一加热器，其位于第一级微环谐振腔上；连接波导，其为第一级微环谐振腔和第二级微环谐振腔之间的连接波导；第二级微环谐振腔；第二加热器，其位于第二级微环谐振腔上；输出波导，其为第二级微环谐振腔的输出波导；其中，通过所述第一加热器和第二加热器分别对所述第一级微环谐振腔和第二级微环谐振腔进行加热，以改变所述第一级微环谐振腔和第二微环谐振腔的谐振波长。

权利要求书
1.  一种可调谐级联微环滤波器，包括：
输入波导(10)，其为第一级微环谐振腔(20)的输入波导；
第一级微环谐振腔(20)；
第一加热器(30)，其位于第一级微环谐振腔(20)上；
连接波导(11)，其为第一级微环谐振腔(20)和第二级微环谐振腔 (21)之间的连接波导；
第二级微环谐振腔(21)；
第二加热器(31)，其位于第二级微环谐振腔(21)上；
输出波导(12)，其为第二级微环谐振腔的输出波导；
其中，通过所述第一加热器(30)和第二加热器(31)分别对所述第 一级微环谐振腔(20)和第二级微环谐振腔(21)进行加热，以改变所述 第一级微环谐振腔(20)和第二微环谐振腔(21)的谐振波长。

2.  如权利要求1所述的可调谐级联微环滤波器，其中，所述第一级 微环谐振腔(20)和第二微环谐振腔(21)的微环半径不同。

3.  如权利要求1所述的可调谐级联微环滤波器，其中，通过所述第一 加热器和第二加热器的加热而分别改变所述第一级微环谐振器腔(20)与 所述第二级微环谐振腔(21)的折射率。

4.  如权利要求1所述的可调谐级联微环滤波器，其中，通过第一加热 器(30)对第一微环谐振腔(20)加热，或者通过第二加热器(31)对第 二微环谐振腔(21)加热，以改变所述滤波器的滤波波长。

5.  如权利要求1所述的可调谐级联微环滤波器，其中，通过第一加热 器(30)和第二加热器(31)同时对所述第一级微环谐振腔(20)和第二 级微环谐振腔(21)加热，获得准连续谱波长调谐。

6.  如权利要求1所述的可调谐级联微环滤波器，其中，所述第一加热 器和第二加热器为电阻丝加热器。

7.  如权利要求6所述的可调谐级联微环滤波器，其中，所述第一加热 器和第二加热器分别制作在所述第一级微环谐振腔和第二级微环谐振腔 上。

8.  如权利要求1-7任一项所述的可调谐级联微环滤波器，其中，所述 第一级微环谐振腔和第二级微环谐振腔的半径分别为48μm和50μm。

9.  如权利要求1-7任一项所述的可调谐级联微环滤波器，其还包括：
第一驱动电源(32)，用于电流驱动所述第一加热器；
第二驱动电源(33)，用于电流驱动所述第二加热器；
控制器(40)，用于控制所述第一驱动电源(32)和第二驱动电源(33) 输出预定的加热电流。

10.  如权利要求5所述的可调谐级联微环滤波器，其中，通过第一加热 器加热第一级微环谐振腔以选择预定范围内的不同波长频段，通过第二加 热器加热第二级微环谐振腔以在所选择的波长频段内进行波长微调。

说明书一种可调谐级联微环滤波器
技术领域
本发明涉及集成光学领域，提供了在超大自由光谱范围内准连续滤波 的热光可调谐级联微环滤波器。
背景技术
在现代光网络技术中，可重构光上下路波分复用器(ROADM)可以 灵活地调配容量和重构密集型波分复用(DWDM)网络，是光网络自动开 关的关键器件。虽然FFP滤波器已经实现了商业化，且可以用来实现低速 的光网络应用，但由于其调谐范围小于EDFA波段，所以限制了它的应用。 液晶滤波器有着和FFP相似的性能，虽然它有着更宽的可调谐范围和更快 的调谐速度，但它还没有大规模的商用。MEMS滤波器由于存在可靠性问 题，使得MEMS器件最终不能走向产业化。FBG滤波器不存在和光纤对 准的问题，已经实现了商用，但是FBG调谐范围很小，不能满足大范围 波长调谐的要求。声光可调谐滤波器也已商用且实现多波长选频，但是存 在带宽大，侧瓣高以及频移等问题。有源可调谐滤波器在超高速和窄带宽 上极具潜力，但是它对温度和电流的稳定性的要求依然是一个问题。2008 年韩国Kwangwoon大学的Joonoh Park等人在IEEE Photonics Technology  Letters，VOL.20，NO.12,2008，pp.988-990上报道了一种基于高分子聚合 物Ploymer波导的耦合微环的热光可调谐滤波器，具体结构为单一波导耦 合双微环结构，且两个微环之间也处于耦合状态，其缺点是滤波谱为多峰 包络结构，不能实现高边模抑制比的单峰滤波谱型。因此有必要提出一种 全新的级联微环波导耦合结构，使其能够实现高边模抑制比的单峰滤波谱 型。
另一方面，在SOI上的硅光子线波导特别适用于光电集成和光子集成 电路，且和现有的微电子CMOS标准工艺兼容性好，而且其化学稳定性远 远优于聚合物Ploymer波导。基于SOI光子线波导的单微环谐振腔滤波器 虽然具备体积小、通带带宽窄的优点，但其缺点是需要较大的加热电流才 能获得相对较大的波长调谐。因此，有必要采用新型的级联微环波导耦合 结构，用很小的加热电流就可以实现大范围的波长调谐量。
因此，为解决上述种种问题，本发明旨在提供一种尺寸小、低功耗、 调谐范围大的可集成平面光波导热光可调谐级联微环滤波器。
发明内容
本发明旨在提供一种尺寸小、低功耗、调谐范围大的可集成平面光波 导热光可调谐级联微环滤波器，其优点在于可以利用微小的单环谐振波长 调谐获得大范围的总体波长调谐。
为此，本发明提出了一种可调谐级联微环滤波器，包括：
输入波导，其为第一级微环谐振腔的输入波导；
第一级微环谐振腔；
第一加热器，其位于第一级微环谐振腔上；
连接波导，其为第一级微环谐振腔和第二级微环谐振腔之间的连接波 导；
第二级微环谐振腔；
第二加热器，其位于第二级微环谐振腔上；
输出波导，其为第二级微环谐振腔的输出波导；
其中，通过所述第一加热器和第二加热器分别对所述第一级微环谐振 腔和第二级微环谐振腔进行加热，以改变所述第一级微环谐振腔和第二微 环谐振腔的谐振波长。
上述热光可调谐级联微环滤波器的工作原理为：基于两个级联微环谐 振腔的半径不同，其各自的自由光谱范围FSR不同，级联后总的滤波波长 由两个级联微环谐振腔各自的周期性谐振波长的对准状况决定，即只有两 个级联微环谐振腔相互对准的谐振波长才能成为整个热光可调谐级联微 环滤波器的滤波波长。波长调谐时通过分别调整各级微环谐振腔上电阻丝 加热器的加热电流，即可以用微小的谐振波长调谐量，获得大范围的整体 波长调谐量。
本发明是用热光可调谐级联微环滤波器代替传统的单一上载/下载 (Add/Drop)型热光可调谐微环滤波器。与传统的单一上载/下载 (Add/Drop)型热光可调谐微环滤波器相比，本发明具有以下优点：
(1)可以准连续的进行频段的选择；
(2)可以在选择的频段内实现大范围的准连续滤波；
(3)利用单片机对电阻丝加热器的驱动电流进行控制可以实现更加 精准的热光调谐。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明 作详细的说明，其中：
图1是级联微环滤波器滤波波长选择原理图；
图2是本发明中可调谐级联微环滤波器器件的结构及工作原理图；
图3是计算机模拟得到的本发明中可调谐级联微环滤波器器件的静态 光谱图；
图4是计算机模拟得到的本发明中可调谐级联微环滤波器器件的热光 调谐光谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图2，图2为本发明提供的一种大波长调谐量的SOI平面光波 导热光可调谐级联微环滤波器的结构及工作原理图，包括：
一条SOI单模输入波导10，优选地，其波导横截面尺寸为450nm宽 340nm高；
一条单模连接波导11，其为横置的U形波导，U形的一端作为第一 级SOI微环谐振腔20的输出波导，而另一端作为第二级SOI微环谐振腔 21的输入波导；
一个半径优选为48μm的第一级SOI微环谐振腔20，其位于输入波 导10和输出波导11之间，该微环谐振腔的输入波导为单模输入波导10， 输出波导为单模连接波导11；微环和输入输出波导间的间隔Gap优选为 280nm；其中，单模输入波导10和单模连接波导11均为普通的条形波导， 在空间位置上分别布置在第一级SOI微环谐振腔20的两侧，与第一级SOI 微环谐振腔20的环形波导横向间隔Gap优选为280nm，通过光波的消逝 场耦合作用而成为微环谐振腔20的输入输出波导。
可为Ar材质的第一电阻丝加热器30，其可以是弯曲回旋结构，该加 热器可以通过金属溅射和光刻工艺制作在第一级微环谐振腔20的波导上 包层上，即第一电阻丝加热器30覆盖在第一级微环谐振腔20的波导上包 层上，加热时通过热传导改变第一级微环谐振腔20的波导芯层折射率， 进而改变其谐振波长；
第一驱动电源33，其用于驱动第一电阻加热器30进行加热；
一条SOI单模输出波导12；
另一个半径优选为50μm的第二级SOI微环谐振腔21，该微环谐振 腔的输入波导为单模连接波导11，输出波导为单模输出波导12，其位于 所述单模连接波导11和输出波导12之间，微环和输入输出波导间的间隔 Gap优选为280nm；单模连接波导11和单模输出波导12均为普通的条形 波导，在空间位置上分别布置在第二级SOI微环谐振腔21的两侧，与第 二级SOI微环谐振腔21的环形波导横向间隔Gap优选为280nm，通过光 波的消逝场耦合作用而成为微环谐振腔21的输入输出波导。
可为Ar材质的第二电阻丝加热器31，其可以是弯曲回旋结构，该加 热器可以通过金属溅射和光刻工艺制作在第二级微环谐振腔21上，即第 二电阻丝加热器31覆盖在第二级微环谐振腔21的波导上包层上，加热时 通过热传导改变第二级微环谐振腔21的波导芯层折射率，进而改变其谐 振波长；
第二驱动电源32，其用于驱动第二电阻丝加热器31进行加热；
一单片控制机40，半径优选为48μm的第一级微环谐振腔20的第一 电阻丝加热器30及其第一驱动电源32和半径优选为50μm的第二级微环 谐振腔21的第二电阻丝加热器31及其第二驱动电源33都连接到该单片 机上受其控制，即通过单片机预定程序控制第一电阻丝加热器30和第二 电阻丝加热器31的驱动电源输出预定的加热电流。
参看图2，一束宽谱光从单模输入波导10输入并耦合进入第一级半径 为48μm的微环谐振腔20，经过微环谐振腔20的谐振滤波作用后，通过 单模输入波导10透射端口透射出的光谱为近似相等波长间隔的一系列凹 陷状光谱，凹陷处波长对应微环谐振腔的各级谐振波长，凹陷处波长之间 的间隔就是第一级微环谐振腔20的自由光谱宽FSR1≈2.6nm。通过第一 级微环谐振腔20滤波后在其下载端口的输出光通过单模连接波导11的一 端耦合输出，输出谱为近似相等波长间隔的一系列尖峰状光谱，其光谱尖 峰波长与单模输入波导10透射端口透射出的近似相等波长间隔的一系列 凹陷光谱波长一一对应。单模连接波导11的另一端作为输入波导耦合连 接到第二级微环谐振腔21上，通过单模连接波导11一端输出的光作为第 二级微环谐振腔21的输入光，再经过第二级微环谐振腔21的谐振滤波作 用后，由于级联双滤波器滤波波长的游标尺效应(英文为Vernier效应) 只有同时满足上述两个微环谐振腔的谐振条件的波长才能从第二级微环 谐振腔的单模输出波导12端输出，如此就实现了单一波长的选频滤波。
当第一级半径为48μm的微环谐振腔20和第二级半径为50μm的微 环谐振腔21的某一谐振波长λ00重合时，则级联微环谐振腔滤波器的滤波 波长为λ00；当通过在半径为50μm的电阻丝加热器31上加热，通过热光 效应改变第二级半径为50μm的微环谐振腔21的微环波导的有效折射率 时，第二级微环谐振腔21的谐振波长就会发生移动(蓝移或者红移，依 赖于升温或者降温)。由于两个微环谐振腔的自由光谱宽FSR不同，当一 个微环谐振腔的谐振波长移动时，由于波长滤波的游标尺效应(即英文文 献中的Vernier效应)，在一定波长范围内，只有同时为第一级微环谐振腔 20和第二级微环谐振腔21的谐振波长的另一个波长λ01才会相互重叠，因 此通过热光调谐就会实现滤波器的滤波波长的改变，即实现波长调谐功能。 用上述改变第二级半径为50μm的微环谐振腔21温度的方式只能获得非 连续的离散波长调谐，即滤波波长在光谱上非连续改变，而是一定微小波 长间隔的跳变，此微小波长间隔等于第一级微环谐振腔20和第二级微环 谐振腔21的自由光谱范围FSR的差值。要获得准连续谱波长调谐，需要 同时对两个微环谐振腔进行热光调谐，利用单片机40控制半径为48μm 的微环谐振腔20的第一电阻丝加热器30和半径为50μm的微环谐振腔 21的第二电阻丝加热器31上的驱动电流进而控制其加热量，对第一级半 径为48μm的微环谐振腔20的热光调谐进行65nm范围内不同波长频段 的选择，此65nm范围就是图1中标注的Δλmax，其取决于第一微环谐振腔 20和第二微环谐振腔21的自由光谱范围的差值，对第二级半径为50μm 的微环谐振腔21的热光调谐进行所选择频段内的波长微调，利用两个微 环谐振腔的级联滤波器游标尺效应可以实现大范围准连续选频滤波。
图3为计算机模拟的本发明提供的可调谐级联微环滤波器器件的静态 光谱图，其自由光谱范围为65nm。
图4为计算机模拟的本发明提供的可调谐级联微环滤波器器件的热光 调谐光谱图，图中计算了当第二级半径为50μm的微环谐振腔21在初始 温度以及上下浮动2摄氏度的情况下可调滤波器总的输出光谱图。其串扰 可以达到-40dB以下，可以很好的实现光谱的选频滤波。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。