基于硅基双萨格纳克环镜环路结构的光滤波器件

摘要

一种基于硅基双萨格纳克环镜环路结构的光滤波器件，包括：两个萨格纳克环镜和一个定向耦合器，其中：两个萨格纳克环镜的一侧波导相连，另一侧波导分别与定向耦合器一侧的两个波导相连，定向耦合器另一侧设有输入端口、透射端口和反射端口。本发明通过调节各个耦合器的耦合系数和各段波导的长度，可以改变双萨格纳克环镜环路结构的透射函数和反射函数，从而实现波长可调交织器和波长带宽均可调的梳状滤波器，且尺寸小，调节效率高，消光比高。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光纤通信领域的技术，具体是一种基于硅基双萨格纳克环镜环路结 构的光滤波器件。

背景技术

硅基光子器件具有强模场束缚的特性，且能够与互补金属氧化物半导体CMOS工艺相兼 容的优点，是集成光路的理想选择。硅基光子器件主要包括滤波器、调制器、光开路、路由器 和探测器等。在可重构的网络中，可调滤波器是一类重要的器件，包括波长可调交织器和可调 梳状滤波器等。

经过对现有技术检索发现，JunfengSong等发表在2008年OpticsExpress，第16卷11 期的论文“Proposedsiliconwireinterleaverstructure”提出了基于分插复用型环形谐振器ADRR 和马赫曾德干涉仪MZI的环形交织器，利用ADRR的Drop端和Through端输出的信号具有π 相位差的特点，用一个ADRR实现了紧凑的具有方形滤波谱的交织器，但其没有采用反射式的 结构进一步降低器件尺寸和提高调节效率。

进一步检索发现，XiaomengSun等人发表在2012年OpticLetter，第38卷第4期的论 文“TunablesiliconFabry–PerotcombfiltersformedbySagnacloopmirrors”提出了在绝缘体上 硅晶片SOI上实现了中心波长可调光频率梳滤波器的方案，通过在PN结加外置电压实现滤波 器中心波长的移动，但该方案不能进行滤波器带宽的调节。

中国专利文献号CN103941430A，公开日为2014年07月23日，公开了一种光纤通信 技术领域的基于硅基FP谐振腔的可调光频率梳滤波器，该光频率梳滤波器有两个级联的萨格 纳克环反射镜SLR组成的FP谐振腔实现。通过两臂带有移相器的马赫曾德干涉仪改变FP谐振 腔的腔长和SLR的反射率，从而分别调节光频率梳滤波器的中心波长和带宽。中心波长调节是 通过在MZI两臂同时加正或负的相移以改变SLR的反射率，从而调节滤波器的带宽。但该装置 的传输函数没有零点，不能实现高消光比。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于硅基双萨格纳克环镜环路结构的光 滤波器件。通过改变耦合系数可以实现波长可调交织器和波长带宽均可调梳状滤波器的功能， 且提高了消光比。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：两个萨格纳克环镜(SLM，SagnacLoopMirror)和一个定向耦合器，其中： 两个SLM的一侧波导相连，另一侧波导分别与定向耦合器一侧的两个波导相连，定向耦合器另 一侧设有输入端口、透射端口和反射端口，通过调节各个耦合器的耦合系数和各段波导的长度， 可以改变双萨格纳克环镜环路结构的透射函数和反射函数，从而实现波长可调交织器和波长带 宽均可调梳状滤波器；

所述的透射函数t_LS和反射函数r_LS为：

$t_{LS}={a_1}^2\left(\right({t_1}^2-{k_1}^2)t_{FP}+{\mathrm{jt}}_1{k}_1(r_{{\mathrm{FP}}_1}+r_{{\mathrm{FP}}_2}\left)\right),$

$r_{LS}={a_1}^2({t_1}^2{r}_{{\mathrm{FP}}_1}-{k_1}^2{r}_{{\mathrm{FP}}_2}+2{\mathrm{jt}}_1{k}_1{t}_{FP}),$

$t_{FP}=t_{s_2}{t}_{s_3}{a}_3/(1-r_{s_2}{r}_{s_3}{a_3}^2),$

$r_{{\mathrm{FP}}_1}=2{\mathrm{ja}}_2(t_2{k}_2+{a_2}^2{a_3}^2{t}_3{k}_3)/(1-r_{s_2}{r}_{s_3}{a_3}^2),$

$r_{{\mathrm{FP}}_2}=2{\mathrm{ja}}_2(t_3{k}_3+{a_2}^2{a_3}^2{t}_2{k}_2)/(1-r_{s_2}{r}_{s_3}{a_3}^2),$

$t_{s_i}=({t_i}^2-{k_i}^2)a_1,(i=2,3),$

$r_{s_i}=-2{\mathrm{jt}}_i{k}_i{a}_1,(i=2,3),$

t_i²+r_i²＝1(i＝1,2,3)，

a_i＝exp(-αl_i-jβl_i)(i＝1,2,3)，

β＝2πn_g/λ，

其中：t_FP和r_FP分别为两个SLM相连后的透射函数和反射函数，和分别为单个SLM 的透射函数和反射函数，a_i是各段波导的传输率，t_i和r_i为各个耦合器的耦合系数和传输系数， l_i是各段波导的长度，α和β为波导的损耗系数和传播常数。n_g为群折射率，λ为波长。

所述的萨格纳克环镜由定向耦合器两段波导的同侧端口连接组成，其中：另一侧的两个 端口作为输入口和输出口。

所述的定向耦合器由两段相邻的平行波导组成，通过倏逝场耦合实现光功率分配。

所述的输入端口、透射端口和反射端口由光栅耦合器组成。

技术效果

与现有技术相比，本发明可以通过调节耦合系数和波导长度实现波长可调交织器和波长 带宽均可调梳状滤波器的功能，且尺寸小，调节效率高，消光比高。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为交织器功能仿真光谱图；

图3为交织器功能的中心波长调节仿真光谱图；

图4为梳状滤波器功能仿真光谱图；

图5为梳状滤波器功能的中心波长调节仿真光谱图；

图6为梳状滤波器功能的带宽调节仿真光谱图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：两个萨格纳克环镜SLM和一个定向耦合器，其中：SLM 和耦合器串联形成双萨格纳克环镜环路结构，连接后的波导长度分别为l₁、l₁和l₃，定向耦合 器一侧设有输入端口I、透射端口T和反射端口R。三个耦合器的耦合系数分别为t₁、t₂和t₃。

所述的SLM是指将定向耦合器的同侧端口连接起来，其波导长度为l₂，另一侧两个端 口分别作为输入和输出端口的光学器件，将光导入输入端口的同时，也反射回输入端口。定向 耦合器是指由两段相邻的平行波导组成，通过倏逝场耦合实现光功率分配的光学器件。

通过改变各个耦合器的耦合系数t₁、t₂、t₃和各段波导的长度l₁、l₂、l₃，改变双萨格 纳克环镜环路结构的透射函数t_LS和反射函数r_LS，其中：

$t_{LS}={a_1}^2\left(\right({t_1}^2-{k_1}^2)t_{FP}+{\mathrm{jt}}_1{k}_1(r_{{\mathrm{FP}}_1}+r_{{\mathrm{FP}}_2}\left)\right);$

$r_{LS}={a_1}^2({t_1}^2{r}_{{\mathrm{FP}}_1}-{k_1}^2{r}_{{\mathrm{FP}}_2}+2{\mathrm{jt}}_1{k}_1{t}_{FP});$

$t_{FP}=t_{s_2}{t}_{s_3}{a}_3/(1-r_{s_2}{r}_{s_3}{a_3}^2);$

$r_{{\mathrm{FP}}_1}=2{\mathrm{ja}}_2(t_2{k}_2+{a_2}^2{a_3}^2{t}_3{k}_3)/(1-r_{s_2}{r}_{s_3}{a_3}^2);$

$r_{{\mathrm{FP}}_2}=2{\mathrm{ja}}_2(t_3{k}_3+a_2^2{a}_3^2{t}_2{k}_2)/(1-r_{s_2{s}_3}{{\mathrm{ra}}_3}^2);$

$r_{s_i}=-2{\mathrm{jt}}_i{k}_i{a}_1,(i=2,3);$

t_i²+r_i²＝1(i＝1,2,3)；

a_i＝exp(-αl_i-jβl_i)(i＝1,2,3)；

β＝2πn_g/λ；

其中：t_FP和r_FP分别为两个SLM相连后的透射函数和反射函数，和分别为单个SLM 的透射函数和反射函数，a_i是各段波导的传输率，t_i和r_i为各个耦合器的耦合系数和传输系数， l_i是各段波导的长度，α和β为波导的损耗系数和传播常数。n_g为群折射率，λ为波长。

调节t_i使得t_LS公式中的(t₁²-k₁²)t_FP和jt₁k₁()在滤波通带相位差为2nπ(n为 整数)，在阻带内的相位差为(2n+1)π(n为整数)，即可实现波长可调交织器功能。其中心波 长可以通过l₃调节。将t₁设为0.707，通过t₂调节滤波器带宽，即可实现带宽可调梳状滤波器功 能。其中心波长可以通过l₃调节。在反射函数中引入了零点，可提高消光比。

所述的双萨格纳克环镜环路结构的参数为：l₁＝10μm、l₂＝10μm、l₃＝200μm。该 结构可以在SOI平台上实现，所有的波导均为450nm×220nm的单模波导。仿真中，波导的群 折射率为4.3，损耗系数为160。

所述的输入端口、透射端口和反射端口由光栅耦合器组成，实现与单模光纤的耦合。

如图2所示，为实现波长可调交织器功能，参数设为：t₁＝0.382、t₂＝0.25、t₃＝0.23。 自由频谱范围FSR＝2.631nm，3-dB带宽BW＝1.310nm，消光比ER＝43.04170dB，插损 IL＝0.2654dB。其波长调节可通过改变l₃实现。根据相移公式仿真中，将外 加电压引起的波导折射率变化等效为波导长度变化。以如图3所示的反射光谱为例，当波导长 度变化由0.20μm增加到0.28μm时，中心波长红移0.588nm。

如图4所示，为实现波长带宽均可调梳状滤波器功能，耦合系数为：t₁＝0.707、 t₂＝0.707、t₃＝0.36。图中可见，FSR＝1.331nm，BW＝1.331nm，ER＝42.88983dB，IL＝1.41360dB。 其波长调节通过改变l₃实现，如图5所示，当波导长度l₃由0.2um增加到0.28um时，中心波 长红移为0.586nm。其带宽调节是通过t₃实现的，如图6所示，当t₃由0.25增加到0.45时， 带宽由0.305nm减少到0.120nm。

本装置与现有技术相比，通过调节耦合系数和波导长度来实现波长可调交织器和波长带 宽均可调梳状滤波器的功能，且尺寸小，调节效率高，消光比高。