马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器及波分复用/解复用器 专利技术说明

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本发明涉及一种波分复用/解复用器，具体涉及一种马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器及波分复用/解复用器。背景技术：2.随着网络终端设备的普及，人们在日常生活中产生了巨大的信息量，随着更多网络应用的开发，人们对信息量的需求将持续暴增，波分复用技术是光网络扩大通信容量的重要技术手段之一。3.基于级联马赫曾德尔干涉仪的波分复用/解复用器相比基于阵列波导光栅、波导布拉格光栅的波分复用/解复用器，其串扰小、插损低、集成度高；但是传统的基于级联马赫曾德尔干涉仪的波分复用器采用直波导耦合的定向耦合器，如图1所示，为定向耦合器的一种弯曲定向耦合器01，该类型耦合器会引入波长敏感性，不利于实现大带宽的波分复用，另一方面，传统方案仅对横电波(te波)进行波分复用，对横磁波(tm波)并不适用，大大限制了其应用场景。因此，研制一种对波长及偏振态不敏感的基于级联马赫曾德尔干涉仪的波分复用器对其走向大规模应用有重要意义。技术实现要素：4.本发明目的在于解决现有级联马赫曾德尔干涉仪的波分复用器引入波长敏感性，以及不适用横磁波的技术问题，提出一种马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器及波分复用/解复用器。5.本发明提供的技术方案为：6.一种马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器，其特殊之处在于：7.包括n级相接的梳状滤波单元，第m级梳状滤波单元包括2m-1个梳状滤波器，第m-1级梳状滤波单元中的各个梳状滤波器均具有两个输出端，分别与第m级梳状滤波单元中对应的两个梳状滤波器的输入端相接，n≥1且为整数，m＝2，…，n；8.所述梳状滤波器包括a个马赫曾德尔干涉仪，a≥1且为整数；9.所述马赫曾德尔干涉仪包括沿光波的传输方向依次设置第一光耦合组件、传输波导及第二光耦合组件；所述传输波导包括第一路传输波导和第二路传输波导，第一路传输波导设置有相位延时波导，te偏振光和tm偏振光经过相位延时波导后，te偏振与tm偏振光之间的相位差为2πa，a为正整数，且te偏振光和tm偏振光的群折射率差在15％以内；10.第一光耦合组件包括第一耦合器及设置在第一耦合器两端的两路第一耦合器输入波导和两路第一耦合器输出波导，第二光耦合组件包括第二耦合器及设置在第二耦合器两端的两路第二耦合器输入波导和两路第二耦合器输出波导，两路第一耦合器输出波导分别与第一路传输波导、第二路传输波导的输入端相接，第一路传输波导和第二路传输波导的输出端分别与两路第二耦合器输入波导相接；11.第b-1个马赫曾德尔干涉仪的第二光耦合组件同时作为第b个马赫曾德尔干涉仪的第一光耦合组件，b＝2，…，a；12.第a个马赫曾德尔干涉仪的两路第二耦合器输出波导与下一级梳状滤波单元中对应的两个梳状滤波器的第1个马赫曾德尔干涉仪的第一光耦合组件(11)相接。13.进一步地，所述第一耦合器和第二耦合器为分段式弯曲定向耦合器或多模干涉耦合器；14.分段式弯曲定向耦合器或多模干涉耦合器在te偏振模式和tm偏振模式下的分光比相同。15.进一步地，所述分段式弯曲定向耦合器包括第一耦合区和第二耦合区，所述第一耦合区内te偏振光和tm偏振光均发生耦合，第二耦合区内tm偏振光发生耦合；所述第一耦合区为共圆心的两条第一耦合区弯曲波导，两条第一耦合区弯曲波导的半径不等；第二耦合区为共圆心的两条第二耦合区弯曲波导，两条第二耦合区弯曲波导的半径不等；两条第二耦合区弯曲波导的间距大于两条第一耦合区弯曲波导的间距，第一耦合区和第二耦合区之间用直波导或s型波导连接；16.相邻所述分段式弯曲定向耦合器的弯曲方向相反，用于抵消第一路传输波导和第二路传输波导之间因分段式弯曲定向耦合器引起的相位差。17.进一步地，所述多模干涉耦合器包括依次相接的一个或两个输入段、多模干涉区域及两个输出段；18.所述输入段与第一耦合器输入波导或第二耦合器输入波导相接，输入段为第一条形波导，第一条形波导宽度与第一耦合器输入波导或第二耦合器输入波导的宽度相同；输出段与第一耦合器输出波导或第二耦合器输出波导相接，输出段为第二条形波导，第二条形波导与第一耦合器输出波导或第二耦合器输出波导宽度相同；其中，第一条形波导、第一耦合器输入波导、第二耦合器输入波导、第二条形波导、第一耦合器输出波导及第二耦合器输出波导垂直于光波传输方向的截面为矩形，所述矩形的宽度为对应波导的宽度；19.所述多模干涉区域采用神经网络算法进行逆向计算，用于获得多模干涉区域的结构参数。20.进一步地，所述梳状滤波器包括一个马赫曾德尔干涉仪或两个马赫曾德尔干涉仪或三个马赫曾德尔干涉仪。21.进一步地，所述梳状滤波器包含一个马赫曾德尔干涉仪，马赫曾德尔干涉仪的两个光耦合器耦合系数均在0.45-0.55之间；22.或者，所述梳状滤波器包含两个马赫曾德尔干涉仪，沿光波传输方向，依次设置的各个耦合器的耦合系数范围分别为0.45-0.55、0.12-0.18、0.12-0.18；23.或者，所述梳状滤波器包含三个马赫曾德尔干涉仪，沿光波传输方向，依次设置的各个耦合器的耦合系数范围分别为0.45-0.55、0.17-0.23、0.17-0.23、0.03-0.07。24.进一步地，所述第n级梳状滤波单元中的2n-1个梳状滤波器形成2n-1个波分复用通道，相邻的波分复用通道间距相等；25.所述第m级梳状滤波单元中梳状滤波器的自由光谱范围为波分复用通道间隔的2m倍，各个梳状滤波器的中心波长设置为对应梳状滤波器波分复用通道的中间波长，用于提高最终滤波响应的消光比，一般可以通过延时波导的长度可以调节中心波长的位置；26.所述相位延时波导通过波导结构长度或设置加热器或进行离子注入，用于满足偏振不敏感及马赫曾德尔干涉仪的自由光谱范围。27.进一步地，所述马赫曾德尔干涉仪各段波导均包括芯层和包层，芯层为硅或氮化硅或铌酸锂，包层为二氧化硅或空气或su-8光刻胶。28.进一步地，所述第一光耦合组件与相位延时波导之间，相位延时波导与第二光耦合组件之间均采用锥形波导及弯曲波导连接。29.本发明还提供一种波分复用/解复用器，其特殊之处在于：包括上述马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器。30.本发明的有益效果：31.1、本发明提供马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器通过匹配te偏振模式和tm偏振模式下，马赫曾德尔干涉仪中相位延时波导引入整数倍相位差，同时采用偏振不敏感的光耦合器，使得级联梳状滤波器在不同偏振条件下均可实现相同通道的波分复用，具有偏振不敏感的优点。32.2、本发明马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器相比将tm偏振旋转为te偏振的传统方案，不需要偏振旋转器，因此对制造工艺要求更低，器件插入损耗更低。33.3、本发明提供的波分复用/解复用器，在不加入更多功能器件的条件下，提供了适用于任意波导加工工艺的马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器，通过对马赫曾德尔干涉仪的波导进行设计，形成光耦合器结构和相位延时波导结构，从而实现波长不敏感及偏振不敏感，该方法对加工工艺有广泛的适用性。34.4、本发明提供的分段式弯曲定向耦合器或多模干涉耦合器，均具有波长不敏感的优点，其耦合系数在波分复用的光谱范围内变化较传统光耦合器更小，更易减小不同通道之间的串扰，因此本发明提供的波分复用/解复用器具有串扰小的优点。附图说明35.图1为现有弯曲定向耦合器示意图；36.图2为本发明马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器实施例示意图(其中第一耦合器和第二耦合器均为分段式弯曲定向耦合器)；37.图3为本发明实施例中马赫曾德尔干涉仪结构示意图(其中第一耦合器和第二耦合器均为多模干涉耦合器)；38.图4为本发明实施例中分段式弯曲定向耦合器结构示意图；39.图5为本发明实施例中多模干涉耦合器结构示意图；40.图6为本发明波分复用/解复用器在te偏振模式和tm偏振模式下的光谱仿真图。41.附图标记如下：42.01-弯曲定向耦合器；43.1-马赫曾德尔干涉仪，11-第一光耦合组件，12-第二光耦合组件，13-分段式弯曲定向耦合器，131-第一耦合区，132-第二耦合区，14-相位延时波导，15-多模干涉耦合器，151-输入段，152-多模干涉区域，153-输出段，16-传输波导，17-第一耦合器输入波导，18-第二耦合器输出波导。具体实施方式44.实施例145.参见图2，本实施例提供一种马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器，该滤波器包括n级相接的梳状滤波单元，第n级梳状滤波单元中的2n-1个梳状滤波器形成2n-1个波分复用通道，相邻的波分复用通道间距相等。46.第m级梳状滤波单元包括2m-1个梳状滤波器，且梳状滤波器的自由光谱范围为波分复用通道间隔的2m倍，且各个梳状滤波器的中心波长不同，各个梳状滤波器的中心波长设置为对应梳状滤波器波分复用通道的中间波长；本实施例中，包括两级梳状滤波器，则第一级梳状滤波器的自由光谱范围为波分复用通道间隔的两倍，第二级梳状滤波器的自由光谱范围为波分复用通道间隔的四倍；第m-1级梳状滤波单元中的各个梳状滤波器均具有两个输出端，分别与第m级梳状滤波单元中对应的两个梳状滤波器的输入端相接，n≥1且为整数，m＝2，…，n。47.梳状滤波器包括a个马赫曾德尔干涉仪1，a≥1且为整数；如图2所示，本实施例对1271nm-1331nm的4个通道进行波分复用，图中λ1、λ2、λ3、λ4分别对应中心波长1271nm、1291nm、1311nm、1331nm。该马赫曾德尔干涉仪1级联梳状滤波器包括2个级次的梳状滤波器，第一级次的梳状滤波器包括1个梳状滤波器，该梳状滤波器包括首尾相连的2个马赫曾德尔干涉仪1，一共有3个光耦合器；在解波分复用的情况下，中心波长为1271nm、1291nm、1311nm、1331nm的四个通道的光输入经过第一级次的梳状滤波器后，中心波长为1271nm、1311nm的光进入上方的第二级次梳状滤波器中，并被分别输出至其两个输出端，中心波长1291nm、1331nm的光进入下方的第二级次梳状滤波器中，并被分别输出至其两个输出端。48.参见图3，马赫曾德尔干涉仪1包括沿光波的传输方向依次设置第一光耦合组件11、传输波导16及第二光耦合组件12；传输波导16包括第一路传输波导和第二路传输波导，第一路传输波导设置有相位延时波导14，相位延时波导14采用标准的220nm soi(silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅)，包层为2μm厚度的二氧化硅；te偏振光和tm偏振光经过相位延时波导14后，te偏振与tm偏振光之间的相位差为2πa，a为正整数，用于使te偏振与tm偏振光的滤波响应一致，且te偏振光和tm偏振光的群折射率差在15％以内，以保证滤波器在te模式和tm模式下的自由光谱范围尽可能相等；可以理解的是，随着te偏振与tm偏振光相位差的增加，两种偏振光的群折射率同样会增加，导致两种偏振模式下滤波器自由光谱范围偏差增大，因此在满足整数倍相位差的条件下，需要尽可能减小群折射率差。相位延时波导14可通过波导结构设计或设置加热器或进行离子注入，以满足偏振不敏感及马赫曾德尔干涉仪1的自由光谱范围。49.本实施例中，通过改变相位延时波导14的长度、宽度、曲率，相位延时波导14的te偏振和tm偏振有效折射率nte、ntm满足以下公式：[0050][0051]其中ng为te、tm偏振的群折射率均值，fsr为自由光谱范围，λ为中心波长，n为正整数，ng与马赫曾德尔干涉仪1的自由光谱范围fsr满足以下公式：[0052][0053]其中，δl为相位延时波导14的长度，在设计相位延时波导14时，应注意满足te、tm偏振光相位差整数倍的条件下，te、tm偏振的群折射率应尽可能相等。如图2所示，本实施例中第一梳状滤波器fsr为40nm，λ为1301nm，包括两个马赫曾德尔干涉仪1首尾相接，有两段相位延时波导14，其中第一段相位延时波导积累的相位根据第一梳状滤波器的fsr、λ确定范围，第二段相位延时波导积累的相位约为第一段相位延时波导的两倍，然后细微调整两段相位延时波导的长度、宽度、曲率，使两者的te与tm相位差周期倍数a为1，即te偏振光经过相位延时波导14后，相比tm偏振积累的相位差恰好为1个周期；第二梳状滤波器fsr为80nm，λ分别为1291nm、1311nm，相位延时波导14的设计步骤同第一梳状滤波器；可以理解的是，相位延时波导14需要抵消光耦合器引起的两臂相位差。[0054]马赫曾德尔干涉仪1各段波导均包括芯层和包层，芯层为硅或氮化硅或铌酸锂，包层为二氧化硅或空气或su-8光刻胶。马赫曾德尔干涉仪1各段波导可以均为条形波导，条形波导的横截面可以是方形或者矩形，也可以为条形和脊型波导组合，但各段波导不可以都是脊形波导。[0055]马赫曾德尔干涉仪1为多个时，多个马赫曾德尔干涉仪1首尾相接，首尾相连的马赫曾德尔干涉仪1数量越多，各通道带宽越大，但是插入损耗也越高；优选的，a为1或2或3，具体的，梳状滤波器包含一个马赫曾德尔干涉仪1，马赫曾德尔干涉仪1的两个光耦合器耦合系数均在0.45-0.55之间；或梳状滤波器包含两个马赫曾德尔干涉仪1，沿光波传输方向，依次设置的各个耦合器的耦合系数范围分别为0.45-0.55、0.12-0.18、0.12-0.18；本实施例中，沿光波传输方向3个光耦合器分光比依次为0.5，0.15，0.15。或梳状滤波器包含三个马赫曾德尔干涉仪1，沿光波传输方向，依次设置的各个耦合器的分光比范围分别为0.45-0.55、0.17-0.23、0.17-0.23、0.03-0.07。[0056]参见图1，为一种目前常用的弯曲定向耦合器，弯曲定向耦合器的耦合区为共圆心的两条弯曲波导，两条弯曲波导的半径、圆心角不同。弯曲定向耦合器中两条弯曲波导中的光功率可以由下式求出：[0057][0058][0059]其中p0为初始光功率，p1为上弯曲波导中的光功率，p2为下弯曲波导中的光功率，为最大耦合系数，k由下式定义：[0060][0061]弯曲定向耦合器的相位(k·l)为π，可以理解的是，该条件下分光比变化幅度较小，即波长相关性较小，由于弯曲半径不同，两条弯曲波导的有效折射率neff也不同，因此弯曲定向耦合器的最大耦合系数会相应减小，通过设定耦合距离、弯曲半径和耦合长度，可以获得指定分光比的定向耦合器，同时有波长不敏感的优点；由于弯曲定向耦合器属于定向耦合器，光经过耦合区后，两臂之间存在90度，即四分之一个周期的相位差，同时由于弯曲定向耦合器两臂的结构不对称，光经过弯曲定向耦合器后亦会积累额外的相位差。[0062]本实施例中，第一光耦合组件11包括依次相接的两路第一耦合器输入波导17、分段式弯曲定向耦合器13和两路第一耦合器输出波导，第二光耦合组件12包括两路第二耦合器输入波导、分段式弯曲定向耦合器13和两路第二耦合器输出波导18，分段式弯曲定向耦合器13在te偏振模式和tm偏振模式的分光比相同；两路第一耦合器件输出波导分别与第一路传输波导、第二路传输波导的输入端相接，第一路传输波导和第二路传输波导的输出端分别与两路第二耦合器输入波导相接；具体的，第一光耦合组件11与相位延时波导14之间，相位延时波导14与第二光耦合组件12之间均采用锥形波导及弯曲波导连接，以减少波导宽度之间的模式适配损耗；第二路传输波导包含与第一路传输波导相同结构和数量的锥形波导及弯曲波导。第b-1个马赫曾德尔干涉仪1的第二光耦合组件12同时作为第b个马赫曾德尔干涉仪1的第一光耦合组件11，其中，b＝2，…，a。[0063]参见图4，分段式弯曲定向耦合器13包括第一耦合区131和第二耦合区132，第一耦合区131内te偏振光和tm偏振光均发生耦合，第二耦合区132内tm偏振光发生耦合；第一耦合区131为共圆心的两条第一耦合区弯曲波导，两条第一耦合区弯曲波导的半径不等；第二耦合区132为共圆心的两条第二耦合区弯曲波导，两条第二耦合区弯曲波导的半径不等；两条第二耦合区弯曲波导的间距大于两条第一耦合区弯曲波导的间距，第一耦合区131和第二耦合区132之间用直波导或s型波导连接。包含te、tm偏振的光进入分段式弯曲定向耦合器13后，首先进入te耦合区，此时te偏振和tm偏振的光均发生耦合，而后增加耦合距离，进入tm耦合区，此时te偏振超出耦合距离而脱耦，tm偏振继续发生耦合，每个分段耦合区的设计原理和弯曲定向耦合器3相同；由于分段式弯曲定向耦合器13属于定向耦合器，光经过分段式弯曲定向耦合器13后，两臂之间存在90度，即四分之一个周期的相位差，同时由于分段式弯曲定向耦合器13两臂的结构不对称，光经过分段式弯曲定向耦合器13后会积累额外相位差。[0064]若一个梳状滤波器中包括的分段式弯曲定向耦合器13为偶数时，相邻分段式弯曲定向耦合器13的弯曲方向相反，就可以抵消第一路传输波导和第二路传输波导之间因分段式弯曲定向耦合器13引起的相位差；若一个梳状滤波器中包括的分段式弯曲定向耦合器13为奇数时，相邻分段式弯曲定向耦合器13的弯曲方向相反，但是还需要调节相位延时波导14，以抵消第一路传输波导和第二路传输波导之间因分段式弯曲定向耦合器13引起的相位差。[0065]第a个马赫曾德尔干涉仪1的两路第二光耦合组件12输出波导与下一级梳状滤波单元中对应的两个梳状滤波器的第1个马赫曾德尔干涉仪1的第一光耦合组件11相接；本实施例采用的第一光耦合组件为分段式弯曲定向耦合器13，以图2为例说明：第1级梳状滤波单元包括一个梳状滤波器，该梳状滤波器包括两个马赫曾德尔干涉仪1，第2级梳状滤波单元包括第一梳状滤波器和第二梳状滤波器，两个梳状滤波器均包括两个马赫曾德尔干涉仪1，第2个马赫曾德尔干涉仪1的两路第二光耦合组件12输出波导，一路第二光耦合组件12输出波导与第2级梳状滤波单元中第一梳状滤波器的第1个马赫曾德尔干涉仪1的第一耦合器输入波导17的其中一路进行连接，将λ1和λ3传输过去，经过分段式弯曲定向耦合器13耦合后，将信号传输进另一路波导；另一路第二光耦合组件12输出波导与第2级梳状滤波单元中第二梳状滤波器的第1个马赫曾德尔干涉仪1的第一耦合器输入波导17的其中一路进行连接，将λ2和λ4传输过去，经过分段式弯曲定向耦合器13耦合后，将信号传输进另一路波导。[0066]本实施例提供的马赫曾德尔干涉仪级联梳状滤波器可以用在波分复用器或解复用器上。用在解复用器上，第1级梳状滤波单元中第1个马赫曾德尔干涉仪1的第一耦合器输入波导17接收含有2n-1个中心波长的光信号，并按照指定比例将光信号分两束，分别进入第一路传输波导和第二路传输波导，第一路传输波导设置有相位延时波导14，用于与第二路传输波导产生指定的相位差，第二光耦合组件12接收第一路传输波导和第二路传输波导传输的两路光信号并按照预设比例进行合束并发生干涉后，传输至下一级梳状滤波单元，直至含有2n-1个中心波长的光信号分别进入2n-1个波分复用通道实现解复用。用在复用器上，第n级梳状滤波单将2n-1个中心波长的分别对应的光信号反向传输，实现复用。[0067]参见图6为本实施例仿真滤波响应，黑色曲线为te偏振响应曲线，灰色曲线为tm偏振响应曲线，4个波分复用/解复用通道依次用实线、虚线、点线、点划线表示，te和tm偏振没有完全重合是因为相位延时波导14两个偏振的群折射率不相等，从图中可以看出本发明实施例中te偏振和tm偏振的滤波响应单通道带宽均大于8nm，各通道中心波长处串扰小于-25db，偏振相关损耗小于1db，具有偏振不敏感的优点。[0068]实施例2[0069]本实施例中，第一光耦合组件11包括依次相接的两路第一耦合器输入波导17、多模干涉耦合器15和两路第一耦合器输出波导，第二光耦合组件12包括两路第二耦合器输入波导、分段式弯曲定向耦合器13和两路第二耦合器输出波导18，多模干涉耦合器15与分段式弯曲定向耦合器13在te偏振模式和tm偏振模式的分光比相同。[0070]参见图5，多模干涉耦合器15包括依次相接的一个输入段151、多模干涉区域152及两个输出段153；输入段151与第一耦合器输入波导17或第二耦合器输入波导相接，输入段151为第一条形波导，第一条形波导宽度与第一耦合器输入波导17或第二耦合器输入波导的宽度相同；输出段153与第一耦合器输出波导或第二耦合器输出波导18相接，输出段153为第二条形波导，第二条形波导与第一耦合器输出波导或第二耦合器输出波导18宽度相同；其中，第一条形波导、第一耦合器输入波导17、第二耦合器输入波导、第二条形波导、第一耦合器输出波导及第二耦合器输出波导18垂直于光波传输方向的截面为矩形，所述矩形的宽度为对应波导的宽度。[0071]多模干涉区域152由多段快速变化的曲线围成，通过截面结构的变化实现波导有效折射率的快速调控，本实施例中，多模干涉耦合器15以边缘极坐标为参数进行基于遗传神经网络的逆向设计，使多模干涉耦合器15具有偏振不敏感和波长不敏感的优点。[0072]其他结构与实施例1相同。









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