中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器的制造方法【专利摘要】本发明公开了一种中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，该滤波器的基本组成单元为可调谐微环谐振器，其包括输入光波导、第一级高阶光滤波、中间光波导、第二级高阶光滤波器和输出光波导。所述第一级高阶光滤波器对输入波导中传导的光进行第一次滤波，所述第二级高阶光滤波器用于对进行了第一次滤波后的光进行第二次滤波。本发明所提出的集成化光滤波器的构建方法是：多个可调谐微环谐振器通过串联形成具有平顶滤波曲线的高阶光滤波器；两级中心波长独立可调的高阶光滤波器通过级联形成中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器。【专利说明】中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器【
技术领域：
】[0001]本发明涉及光纤通信【
技术领域：
】，尤其涉及一种中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器。【
背景技术：
】[0002]波分复用(WDM,Wavelength-Divis1nMultiplexing)光纤通信系统已经成为现代高速宽带通信网的基础平台。作为光纤通信系统的核心设备，可重构光分插复用器(ROADM,ReconfigurableOpticalAdd-DropMultiplexer)的使用给网络的运营带来了更多业务开展的便利和运营成本的降低。ROADM在光域以波长为单位对信号进行分插与复用，因其透明性、灵活性和可扩展性，它越来越受到网络运营商的青睐。[0003]理想的可重构光网络是能以任何频率间隔在任何方向上下(或直通)任何波长。为实现这个目标，要求下一代ROADM具有以下特性:波长无关性(Colorless):各端口可承载任意波长；方向无关性(Direct1nless):任意波长可以以任意方向实现上下以及直通等功能；无冲突(Content1nless):在任意方向上实现任意波长的上下或直通；灵活栅格(Gridless):波长间隔灵活可调。这些特征一般被合称为⑶CG。[0004]中心波长及滤波带宽独立可调的光滤波器是实现具有⑶CG特征的下一代ROADM的关键单元，世界范围内的运营商及研究机构均对它展开了广泛的研究。[0005]韩国研究者在1999年申请了WIPO专利“Bandwidth-variableopticalfilter”(W0/2000/041012)，通过调节入射光在法布里-珀罗(FP，Fabry-Perot)结构上的入射角度，控制所通过光信号的带宽。该方案采用了透镜、FP腔等体光学元件，总体结构体积较大，滤波效果也不甚理想。[0006]阿尔卡特-朗讯(Alcatel-Lucent)公司于2011年申请了美国专利“Bandwidthadjustablebandpassfilter”(US20120189310),通过主体为马赫-曾德(MZ，Mach-Zehnder)结构，其调节臂上附加环形谐振腔结构的方式实现了滤波带宽可调的光滤波器。该方案较为集成化，其中的环形谐振腔其实就是传统的FP腔的一种集成度更高的形式。[0007]上述已公开的方案体积大,成本高,稳定性差,调节与控制困难。【
发明内容】[0008]本发明的主要目的在于提供一种中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，可以用来解决既有的光滤波器体积大，成本高，稳定性差，调节与控制困难等问题。[0009]为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下:一种中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，包括:[0010]输入光波导，其输入端用于输入待处理的宽带光信号，另一端为宽度逐渐缩小的波导；[0011]第一级高阶光滤波器，其由至少两个第一可调谐微环谐振器串联而成，且所述两个第一可调谐环谐振器与输入光波导及中间光波导的输入端一侧相邻近，所述待处理的宽带光信号从输入光波导耦合至所述第一级高阶光滤波器，并将波长位于所述第一级高阶光滤波器的通带内的光耦合至中间光波导中；[0012]中间光波导，其输入端一侧与所述第一级高阶光滤波器相邻近，并将所述第一级高阶光滤波器滤出的光传导至第二级高阶光滤波器；[0013]第二级高阶光滤波器，其由至少两个第二可调谐微环谐振器串联而成，且所述至少两个第二可调谐微环谐振器与中间光波导输出端一侧及输出光波导相邻近，所述第二级高阶光滤波器将从所述中间光波导传导来的光中波长位于所述第二级高阶光滤波器通带内的部分I禹合至输出光波导中；[0014]输出光波导，其一端为宽度逐渐缩小的波导，另一端为输出端，其将第二级高阶光滤波器滤出的光信号传导至输出端，完成集成化光滤波器的滤波功能。[0015]本发明的突出优点是:采用可调谐微环谐振器作为滤波单元，相比其他实现方式，本方案的体积更小、集成度高、稳定度高、调节与控制方便的优点，方便被直接用于ROADM等光通信用器件与模块的构建中。相对于现有技术，本方案的突出优点是不采用分立元件，而是采用可调谐微环谐振器这种集成元件。由于整个器件集成于某种材料平台上通过半导体平面工艺制作，整个器件体积小，稳定度高，控制方便。【专利附图】【附图说明】[0016]为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图，进一步详细描述本发明的内容，其中:[0017]图1为采用四个可调谐微环谐振器实现的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器的结构示意图，其中每两个可调谐微环谐振器构成一级具有平顶滤波曲线的高阶光滤波器，两级高阶光滤波器通过级联构成本发明所提出的集成化光滤波器；[0018]图2为实现中心波长及滤波带宽调节的滤波曲线示意图，其中(a)为第一级高阶光滤波器的滤波曲线，它的滤波曲线为周期性平顶结构，图中仅给出了两个区域的光谱，中心波长分别为入1和λ2，它们之间的距离称为自由光谱区；其中(b)为第二级高阶光滤波器的滤波曲线，它的滤波曲线也为周期性平顶结构，图中仅给出了两个区域的光谱，中心波长分别为入3和λ4，它们之间的距离称为自由光谱区；(C)为由这两级高阶光滤波器级联构成的集成化光滤波器的滤波曲线，它的滤波曲线通带部分由两级高阶光滤波器的通带的重叠部分决定，滤波曲线通带宽度为△λ，滤波曲线的中心波长位于该通带的中心；[0019]图3(a)为采用偶数个可调谐微环谐振器实现本发明中的高阶光滤波器的示意图，它的中间波导与图1中的中间波导一样，为直波导；[0020]图3(b)为采用奇数个可调谐微环谐振器实现本发明中的高阶光滤波器的示意图，它的中间波导与图1中的中间波导不一样，为两根“U型”波导相连而成；[0021]图4为确定本发明提出的集成化光滤波器的工作步骤，首先根据所需的滤波曲线通带区域大小△λ，将其中一级高阶光滤波器移动，使其与另一级高阶光滤波器的重叠区域大小为△λ;然后根据所需的滤波曲线中心波长λ，将两级高阶光滤波器共同移动，使最终的滤波曲线通带大小及中心波长均达到预期。【具体实施方式】[0022]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。[0023]请参阅图1所示，本发明提供一种中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，包括:[0024]输入光波导101，待处理的宽带光信号从其输入端输入到集成化光滤波器中。该宽带光信号包含多种光谱成分，其中一段通带大小为△λ，中心波长为λ的光谱是本发明提出的集成化光滤波器所要滤出的光信号。输入光波导101的另一个终端为弯曲的(向右偏转90度)，且末端宽度逐渐缩小的波导。设计为向右偏转90度的弯曲波导的目的，是将未进去可调谐微环谐振器的光引导至与器件输出正交的方位传播，以期对器件的输出的影响最小。所有传输至此终端的光信号都将不能被继续束缚在波导中传输，而是向器件所在的整个平面区域内扩散。这一宽度逐渐缩小的波导的作用是将传导至此处的光耗散于集成化光滤波器所在芯片内，以使其不对集成化光滤波器滤出的输出信号构成干扰；[0025]第一级高阶光滤波器，其由至少两个串联而成的可调谐微环谐振器102及103构成，所述可调谐微环谐振器102及103与输入光波导101及中间光波导104的一部分相邻近。可调谐微环谐振器102及103是均是首尾相接的一段环形光波导，光耦合进可调谐微环谐振器102及103后，会在其中循环往复地传播。当这循环往复地传输的光信号遇到与环形光波导相临近的波导时，会有部分光耦合至临近波导中。所谓串联，指的是构成可调谐微环谐振器102及103的两段环形波导相邻近，它们中传输的光信号会耦合至对方波导中。待处理的宽带光信号从输入光波导101耦合至该高阶光滤波器，只有波长位于该高阶光滤波器的通带内的光才能通过其耦合至中间光波导104中；[0026]一中间光波导104，其位于光传播方向起始一侧的部分与可调谐微环谐振器102及103构成的高阶光滤波器相邻近，它将可调谐微环谐振器102及103构成的高阶光滤波器滤出的光信号传导至可调谐微环谐振器105及106构成的第二级高阶光滤波器，进行进一步的滤波。其中，上述每一级高阶光滤波器还可以由多于2个可调谐微环谐振器串联而成；当构成上述每一级高阶光滤波器的可调谐微环谐振器的数目为偶数时，中间光波导104为一段直波导。而当构成上述每一级高阶光滤波器的可调谐微环谐振器的数目为奇数时，中间光波导104为一段直波导连接的两段相对的“U型”波导。可调谐微环谐振器数目的奇偶性对中间波导的形状的影响将在图3中详细描述；[0027]第二级高阶光滤波器，其由至少两个串联而成的可调谐微环谐振器105及106构成，所述可调谐微环谐振器105及106与中间光波导104光传播方向输出一侧的部分及输出光波导107相邻近。它对光波导104传导来的已经完成一次滤波操作的光信号进行二次滤波，只有波长位于可调谐微环谐振器105及106构成的第二级高阶光滤波器的通带内的光才能通过其耦合至光波导107中，并最终输出。两级高阶光滤波器的滤波曲线的重叠部分是本发明提出的集成化光滤波器的滤波通带。通过对两级高阶光滤波器进行分别调节，可以实现最终滤波通带的带宽控制及中心波长控制；[0028]输出光波导107,它与输入光波导101共线,光在输出光波导中的传播方向与在输入光波导中的传播方向一致。此外，107与101具有对称的形状设计(以器件南北中轴线为对称轴)，二者均有一端为弯曲波导，且末端逐渐缩小。它将可调谐微环谐振器105及106构成的高阶光滤波器滤出的光信号传导至集成化光滤波器的输出端，完成集成化光滤波器的滤波功能；[0029]如上所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中包含两级高阶光滤波器，每一级高阶光滤波器所包含的可调谐微环谐振器的数目相等，该数目可以是不小于二的任何正整数，包含的可调谐微环谐振器的数目越多，每一级高阶光滤波器的滤波曲线的滤波带宽越大，两级高阶光滤波器级联形成的集成化光滤波器的滤波带宽可调范围的上限越大，且滤波曲线的边缘越陡直；[0030]如上所述的两级高阶光滤波器，每一级高阶光滤波器所包含的多个可调谐微环谐振器具有相同的设计参数，相互之间的耦合距离满足一定的预定关系，从而具有相同的平顶滤波曲线形状及相同的中心波长位置；由于实际加工过程中存在误差，两级高阶光滤波曲线的中心波长会有差异，滤波曲线的形状也不完全相同；但这些都不影响它们级联形成的集成化光滤波器的功能；可调谐微环谐振器其实等价于“环形光波导”，它们通过串联，力口上临近的直波导一起，构成一级“高阶光滤波器”;对于一级“高阶光滤波器”，要实现平顶滤波曲线，需要满足两个要素:1.其中的每个“可调谐微环谐振器”也即“环形光波导”具有一致的半径，一致的波导宽度，波导厚度，也就是具有相同的设计参数；2.环形光波导之间的距离，以及环形波导与直波导之间的距离，也就是距离最近处的“空隙宽度”，需要满足一定的定量关系；关于这个定量关系，需要解释两个概念，耦合距离与耦合系数。耦合距离指的是两个波导侧壁最近处的直线距离，适用于“环形光波导-环形光波导”的情形，也适用于“环形光波导-直光波导”的情形。耦合系数描述的是光在一个波导中传播时，遇到临近波导时，光波中“光能量”交换的强度。比如耦合系数μ等于0.5，指的是有0.5~2=25%的光能量会耦合进相邻近的波导里；耦合系数μ等于0.1，就只有0.Γ2=1%的能量会耦合进临近波导里。耦合距离越小(一般在100纳米到I微米之间)，也就是挨得越近，耦合系数越大。[0031]要想实现平顶滤波曲线，需要各个耦合系数满足一定的关系。举例来说，对于两个“可调谐微环谐振器”构成的“高阶光滤波器”，有三个耦合系数，直波导与环之间用μI和μ3表示，环与环之间用μ2表示。当“环内传输损耗”为20dB/cm时，需要满足:μI=μ3^0.8*μ2~2。[0032]关于上面的关系，约等于表示在这附近可以实现平顶，不一定需要严格满足。此夕卜，这个关系的系数与“环内传输损耗”有关。上面是假设“环内传输损耗”为20dB/cm时的情形。若“环内传输损耗”为别的数值，上述的0.8会有变化，可通过传输矩阵(也称散射矩阵)方法分析获得。当环形光波导数目为3时，耦合系数有四个，它们是对称的(μ?=μ4，μ2=μ3)，满足某种定量关系，可通过传输矩阵(也称散射矩阵)方法分析获得。[0033]如上所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中的两级高阶光滤波器都具有平顶滤波曲线，通过对它们进行独立调谐，使两个高阶光滤波器中心波长移动实现集成化光滤波器中心波长可调；这种方式称之为中心波长调节方式；[0034]如上所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中的两个高阶光滤波器都具有平顶滤波曲线，通过对它们进行独立调谐，使两个高阶光滤波器中心波长移动但不完全对准，这样仅在二者滤波曲线重合的区域才是集成化光滤波器的通带，通过重合区域大小的调节实现滤波带宽可调；这种方式称之为滤波带宽调节方式；[0035]如上所述的调节方式，其中的集成化光滤波器中心波长调节与滤波带宽调节可以通过实现，二者相互独立；[0036]如上所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中的可调谐微环谐振器可以在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟、砷化镓等材料平台上通过半导体工艺制作实现，它们在调谐可以通过热光效应实现，也可以通过电光效应实现。[0037]图2为实现中心波长及滤波带宽调节的滤波曲线示意图，其中图2(a)为第一级高阶光滤波器的滤波曲线，它的滤波曲线为周期性平顶结构，图中仅给出了两个区域的光谱，中心波长分别为入1和λ2，它们之间的距离称为自由光谱区；其中图2(b)为第二级高阶光滤波器的滤波曲线，它的滤波曲线也为周期性平顶结构，图中仅给出了两个区域的光谱，中心波长分别为入3和λ4，它们之间的距离称为自由光谱区；图2((:)为由这两级高阶光滤波器级联构成的集成化光滤波器的滤波曲线，它的滤波曲线通带部分由两级高阶光滤波器的通带的重叠部分决定，通带宽度为Λλ，滤波曲线的中心波长为该通带的中心。在未对器件进行调节时，也就是静态时，两级高阶滤波器的滤波曲线一般是不重合的，这是由于加工工艺的误差造成的，这不影响器件的功能。具体工作步骤在图4中予以说明。[0038]图3(a)为每一级高阶光滤波器采用偶数个可调谐微环谐振器实现本发明的示意图，它的中间波导与图1中的中间波导一样，为直波导；图3(b)为每一级高阶光滤波器采用奇数个可调谐微环谐振器实现本发明的示意图，它的中间波导与图1中的中间波导不一样，为两根“U型”波导相连而成。[0039]图4为确定本发明提出的集成化光滤波器的工作步骤，首先根据所需的滤波曲线通带区域大小Λλ，通过物理方法(加热环形光波导或改变环形光波导中的载流子浓度)将其中一级高阶光滤波器的滤波曲线进行移动，使其与另一级高阶光滤波器的重叠区域大小为△λ;然后根据所需的滤波曲线中心波长λ，将两级高阶光滤波器共同移动到该波长位置，使最终的滤波曲线通带大小及中心波长均达到预期。[0040]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。【权利要求】1.中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，包括:输入光波导，其输入端用于输入待处理的宽带光信号，另一端为宽度逐渐缩小的波导；第一级高阶光滤波器，其由至少两个第一可调谐微环谐振器串联而成，且所述两个第一可调谐环谐振器与输入光波导及中间光波导的输入端一侧相邻近，所述待处理的宽带光信号从输入光波导耦合至所述第一级高阶光滤波器，并将波长位于所述第一级高阶光滤波器的通带内的光耦合至中间光波导中；中间光波导，其输入端一侧与所述第一级高阶光滤波器相邻近，并将所述第一级高阶光滤波器滤出的光传导至第二级高阶光滤波器；第二级高阶光滤波器，其由至少两个第二可调谐微环谐振器串联而成，且所述至少两个第二可调谐微环谐振器与中间光波导输出端一侧及输出光波导相邻近，所述第二级高阶光滤波器将从所述中间光波导传导来的光中波长位于所述第二级高阶光滤波器通带内的部分I禹合至输出光波导中；输出光波导，其一端为宽度逐渐缩小的波导，另一端为输出端，其将第二级高阶光滤波器滤出的光信号传导至输出端，完成集成化光滤波器的滤波功能。2.根据权利要求1所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中，所述第一、第二级高阶光滤波器所包含的可调谐微环谐振器的数目相等。3.根据权利要求2所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中，每一级高阶光滤波器内所包含的可调谐微环谐振器具有相同的设计参数，相互之间的耦合距离满足实现平顶滤波曲线的定量关系，两级高阶光滤波器具有相同的设计参数，从而使得两级高阶光滤波器具有相同的中心波长及相同的平顶滤波曲线形状。4.根据权利要求1所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中，所述集成化光滤波器具有中心波长调节与滤波带宽调节两种调节方式，且二者可同时实现。5.根据权利要求4所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中，所述中心波长调节方式为:所述第一、第二级高阶光滤波器都具有平顶滤波曲线，通过对它们进行独立调谐，使第一、第二级高阶光滤波器中心波长移动，从而实现集成化光滤波器中心波长可调。6.根据权利要求4所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中，所述滤波带宽调节方式为:所述第一、第二级高阶光滤波器都具有平顶滤波曲线，通过对它们进行独立调谐，使第一、第二级高阶光滤波器中心波长移动但不完全对准，仅在二者滤波曲线的重合区域才是集成化光滤波器的通带，通过重合区域大小的调节实现滤波带宽可调。7.根据权利要求1所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中，所述第一、第二可调谐微环谐振器可以在铌酸锂、硅、二氧化硅、磷化铟、砷化镓平台上通过半导体工艺制作实现，并通过热光效应或电光实现可调谐。8.根据权利要求2所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中，所述第一可调谐微环谐振器和第二可调谐微环谐振器的数目为偶数时，所述中间光波导为直波导；所述第一可调谐微环谐振器和第二可调谐微环谐振器的数目为奇数时，所述中间光波导包括两个相对的U型波导，且两个U型波导相对的一端用直波导连接，另一端分别为输入端和输出端。9.根据权利要求1所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中，所述第一可调谐微环谐振器和第二可调谐微环谐振器分别为首尾相接的环形光波导。10.根据权利要求9所述的中心波长及滤波带宽独立可调的集成化光滤波器，其中，可调谐微环谐振器串联是指两个可调谐微环谐振器相邻近。【文档编号】G02F1/01GK104317068SQ201410593914【公开日】2015年1月28日申请日期:2014年10月29日优先权日:2014年10月29日【发明者】张磊,杨林申请人:中国科学院半导体研究所