基于可调耦合器级联耦合共振光波导的可重构光学滤波器芯片

1.本发明属于集成光子滤波和微波光子信号处理领域，涉及一种基于可调耦合器级联耦合共振光波导的可重构光学滤波器芯片。


背景技术：

2.在集成光子滤波和微波光子信号处理领域中，光学滤波器具有至关重要的作用，且一直是该研究领域的热点。然而，在不同的应用场景下，通常需要设计特定的光学滤波器实现某一项功能。这会带来非常高的开发成本和非常长的开发时间。为了解决这一问题，领域内科学家开始研究可重构光学滤波器芯片。通过适当的改变可重构光学滤波器芯片的参数，它能够实现多种功能，满足不同场景的需要。目前实现的可重构光学滤波器芯片结构复杂，且功能重构性不足，滤波谱形重构的种类较少。因此有必要降低可重构光学滤波器芯片结构的复杂度，提高功能的重构性，增加可实现滤波器的种类，这也是集成光子滤波和微波光子信号处理领域中的一个热门的研究方向。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上问题，本发明提供了一种基于可调耦合器级联耦合共振光波导的可重构光学滤波器芯片，实现多种滤波器功能的同时，具有灵活的可重构性。
4.本发明所述一种基于可调耦合器级联耦合共振光波导的可重构光学滤波器芯片，具体通过以下技术方案实现：通过调节可调耦合器1中的移相器，可调耦合器1的相位差为π的整数倍，光信号从可调耦合器1的右上输出端输出或者从可调耦合器1的右下输出端输出，实现耦合共振光波导的单注入模式。在单注入模式中，可调耦合器2的移相器、可调耦合器3的移相器和可调耦合器4的移相器，实现平顶窄带滤波器和高消光比的带阻滤波器。通过调节可调耦合器1中的移相器，可调耦合器1的相位差不为π的整数倍，光信号从可调耦合器1的右上输出端和右下输出端同时输出，实现耦合共振光波导的双注入模式。在双注入模式下，通过调节移相器1、移相器2、可调耦合器2的移相器、可调耦合器3的移相器和可调耦合器4的移相器，可以实现三角形滤波器、矩形滤波器、正弦形滤波器、交织滤波器、带阻滤波器、带通滤波器，以及tangent形滤波器。
5.根据上述发明思路，一种基于可调耦合器级联耦合共振光波导的可重构光学滤波器芯片包括：第一光输入端口(1)、第二光输入端口(2)、可调耦合器1(3)、移相器1(4)、移相器2(5)、耦合共振光波导(6)、第一光输出端口(7)、第二光输出端口(8)；其中：
6.所述可调耦合器1(3)包括左上输入端、左下输入端、右上输出端、右下输出端四个端口，两个分光比为50:50的耦合器和移相器。通过调节所述可调耦合器的移相器可以改变可调耦合器右上输出端和右下输出端的分光比。
7.所述耦合共振光波导(6)由可调耦合器2、可调耦合器3和可调耦合器4与四个弯曲光波导相互连接构成，包含左上输入端、左下输入端、右上输出端、右下输出端四个端口。光
信号从耦合共振光波导的左上输入端和左下输入端输入，进入器件后，从右上输出端和右下输出端输出。
8.进一步的，所述可调器耦合器(3)的移相器采用光波导的热光效应、电光效应或者等离子色散效应实现。
9.进一步的，所述两个分光比为50:50的耦合器采用分光比为50:50的定向耦合器、分光比为50:50的绝热耦合器或者分光比为50:50的多模干涉耦合器实现。
10.进一步的，所述基于可调耦合器级联耦合共振光波导的可重构光学滤波器芯片采用以下材料实现：绝缘体上硅、氮化硅、铌酸锂、有机聚合物、氮氧化硅、二氧化硅。
11.进一步的，所述第一光输入端口(1)、第二光输入端口(2)、可调耦合器1(3)、移相器1(4)、移相器2(5)、耦合共振光波导(6)、第一光输出端口(7)、第二光输出端口(8)，可实现片上集成。
12.有益效果：
13.(1)与现有技术相比，采用本发明通过可调耦合器级联耦合共振光波导方式有效重构出了多种光学滤波器类型，包括平顶窄带滤波器、三角形滤波器、矩形滤波器、正弦形滤波器、交织滤波器、带阻滤波器、带通滤波器，丰富了可重构光学滤波器芯片的功能。
14.(2)提出的可重构光学滤波器芯片降低了该类器件的复杂度和制作成本，提高了该类器件的集成度，更灵活地应用于集成光子滤波和微波光子信号处理领域中。
附图说明
15.图1为本发明提供的基于可调耦合器级联耦合共振光波导的可重构光学滤波器芯片的结构示意图。
16.图2为单注入耦合共振光波导的第二光输出端口的平顶窄带滤波器。
17.图3为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的三角形滤波器。
18.图4为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的矩形滤波器。
19.图5为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的正弦形滤波器。
20.图6为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的交织滤波器。
21.图7为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的带阻滤波器。
22.图8为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的带通滤波器。
23.图9为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的tangent形滤波器。
具体实施方式
24.为了使本发明的目的、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。
25.图1为本发明提供的基于可调耦合器级联耦合共振光波导的可重构光学滤波器芯片的结构示意图，包含芯片架构图、可调耦合器结构示意图、耦合共振光波导结构示意图。芯片主要由以下单元构成：第一光输入端口、第二光输入端口、可调耦合器1、移相器1、移相器2、耦合共振光波导、第一光输出端口、第二光输出端口。所述可调耦合器主要由以下单元构成：左上输入端、左下输入端、右上输出端、右下输出端四个端口，两个分光比为50:50的耦合器和移相器。所述耦合共振光波导结构由可调耦合器2、可调耦合器3和可调耦合器4与
四个弯曲光波导相互连接构成，包含左上输入端、左下输入端、右上输出端、右下输出端四个端口。在芯片架构图中，光输入信号从第一光输入端口或者第二光输入端口进入可调耦合器1。可调耦合器1将光信号分成两路分别进入移相器1和移相器2。在通过移相器1、移相器2引入相移后，光信号进入到耦合共振光波导，进行光谱整型。最终，光信号通过第一光输出端口、第二光输出端口进行输出。整体结构通过传输矩阵法建立模型并分析。
26.图2为单注入耦合共振光波导的第二光输出端口的平顶窄带滤波器。当光信号从第一光输入端口进入可调耦合器1，调节可调耦合器1中的移相器，使得可调耦合器1的相位差为π的奇数倍，光信号从可调耦合器1的右上输出端进行输出。这种情况下，可调耦合器1表现为光开关功能。光信号通过移相器1，然后进入耦合共振光波导结构中，耦合共振光波导进入单注入模式。接下来使用z变换技术、零极点理论和低通数字滤波器技术对单注入耦合共振光波导结构进行建模和优化。调节可调耦合器2、可调耦合器3、可调耦合器4的移相器，使得三个可调耦合器的分光比分别为：0.3：0.7、0.031：0.969、0.3：0.7，可以获得工作在1.55μm通信波长范围、3-db带宽为3.38ghz、消光比为30db、形状因子为1.74、自由光谱范围为42ghz的带通滤波器，对应第二光输出端口的透射谱。同样，当光信号从第一光输入端口进入可调耦合器1，调节可调耦合器1中的移相器，使得可调耦合器1的相位差为π的偶数倍，光信号从可调耦合器1的右下输出端进行输出。光信号通过移相器2，然后进入耦合共振光波导结构中，耦合共振光波导进入单注入模式。接下来使用z变换技术、零极点理论和低通数字滤波器技术对单注入耦合共振光波导结构进行建模和优化，获得与上述相同的带通滤波器，对应第一光输出端口的透射谱。
27.图3为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的三角形滤波器。当光信号从第一光输入端口进入可调耦合器1，调节可调耦合器1中的移相器，使得可调耦合器1的右上输出端口和右下输出端口同时输出光信号，且分光比为50:50。可调耦合器1表现为分光比可变的定向耦合器。可调耦合器1的右上输出端光信号通过移相器1，然后从耦合共振光波导的左上输入端进入；可调耦合器1的右下输出端光信号通过移相器2，然后从耦合共振光波导的左下输入端进入。耦合共振光波导的两个输入端同时输入光信号，耦合共振光波导表现为双注入模式。使用传输矩阵法对此模式下的耦合共振光波导进行建模仿真。调节可调耦合器2、可调耦合器3、可调耦合器4的移相器，使得三个可调耦合器的分光比分别为：0.35：0.65、1：0、0.97：0.03，可以获得工作在1.55μm通信波长范围的三角波滤波器，对应第一光输出端口的透射谱。
28.图4为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的矩形滤波器。当光信号从第一光输入端口进入可调耦合器1，调节可调耦合器1中的移相器，使得可调耦合器1的右上输出端口和右下输出端口同时输出光信号，且分光比为50:50。可调耦合器1的右上输出端光信号通过移相器1，调节移相器1获得0.5π的相位，然后从耦合共振光波导的左上输入端进入；可调耦合器1的右下输出端光信号通过移相器2，然后从耦合共振光波导的左下输入端进入。耦合共振光波导的两个输入端同时输入光信号，耦合共振光波导表现为双注入模式。使用传输矩阵法对此模式下的耦合共振光波导进行建模仿真。调节可调耦合器2、可调耦合器3、可调耦合器4的移相器，使得三个可调耦合器的分光比分别为：0.6：0.4、1：0、0.7：0.3，可以获得工作波长在1.5495～1.5515μm的矩形波滤波器，对应第一光输出端口的透射谱。
29.图5为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的正弦形滤波器。当光信号从第
一光输入端口进入可调耦合器1，调节可调耦合器1中的移相器，使得可调耦合器1的右上输出端口和右下输出端口同时输出光信号，且分光比为50:50。可调耦合器1的右上输出端光信号通过移相器1，调节移相器1引入0.5π的相位，然后从耦合共振光波导的左上输入端进入；可调耦合器1的右下输出端光信号通过移相器2，然后从耦合共振光波导的左下输入端进入。耦合共振光波导的两个输入端同时输入光信号，耦合共振光波导表现为双注入模式。使用传输矩阵法对此模式下的耦合共振光波导进行建模仿真。调节可调耦合器2、可调耦合器3、可调耦合器4的移相器，使得三个可调耦合器的分光比分别为：0.85：0.15、1：0、0.85：0.15，可以获得工作波长在1.5495～1.5515μm的正弦波滤波器，对应第一光输出端口的透射谱。
30.图6为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的交织滤波器。当光信号从第一光输入端口进入可调耦合器1，调节可调耦合器1中的移相器，使得可调耦合器1的右上输出端口和右下输出端口同时输出光信号，且分光比为50:50。可调耦合器1的右上输出端光信号通过移相器1，调节移相器1引入0.5π的相位，然后从耦合共振光波导的左上输入端进入；可调耦合器1的右下输出端光信号通过移相器2，然后从耦合共振光波导的左下输入端进入。耦合共振光波导的两个输入端同时输入光信号，耦合共振光波导表现为双注入模式。使用传输矩阵法对此模式下的耦合共振光波导进行建模仿真。调节可调耦合器2、可调耦合器3、可调耦合器4的移相器，使得三个可调耦合器的分光比分别为：0.8：0.2、1：0、0.8：0.2，可以获得工作波长在1.5495～1.5515μm的交织滤波器，对应第一光输出端口的透射谱。
31.图7为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的带阻滤波器。当光信号从第一光输入端口进入可调耦合器1，调节可调耦合器1中的移相器，使得可调耦合器1的右上输出端口和右下输出端口同时输出光信号，且分光比为75:25。可调耦合器1的右上输出端光信号通过移相器1，然后从耦合共振光波导的左上输入端进入；可调耦合器1的右下输出端光信号通过移相器2，然后从耦合共振光波导的左下输入端进入。耦合共振光波导的两个输入端同时输入光信号，耦合共振光波导表现为双注入模式。使用传输矩阵法对此模式下的耦合共振光波导进行建模仿真。调节可调耦合器2、可调耦合器3、可调耦合器4的移相器，使得三个可调耦合器的分光比分别为：0.03：0.97、1：0、0.09：0.91，可以获得工作波长在1.5495～1.5515μm的带阻滤波器，对应第一光输出端口的透射谱。
32.图8为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的带通滤波器。当光信号从第一光输入端口进入可调耦合器1，调节可调耦合器1中的移相器，使得可调耦合器1的右上输出端口和右下输出端口同时输出光信号，且分光比为20:80。可调耦合器1的右上输出端光信号通过移相器1，然后从耦合共振光波导的左上输入端进入；可调耦合器1的右下输出端光信号通过移相器2，然后从耦合共振光波导的左下输入端进入。耦合共振光波导的两个输入端同时输入光信号，耦合共振光波导表现为双注入模式。使用传输矩阵法对此模式下的耦合共振光波导进行建模仿真。调节可调耦合器2、可调耦合器3、可调耦合器4的移相器，使得三个可调耦合器的分光比分别为：0.06：0.94、1：0、0.19：0.81，可以获得工作波长在1.5495～1.5515μm的带通滤波器，对应第一光输出端口的透射谱。
33.图9为双注入耦合共振光波导的第一光输出端口的tangent形滤波器。当光信号从第一光输入端口进入可调耦合器1，调节可调耦合器1中的移相器，使得可调耦合器1的右上输出端口和右下输出端口同时输出光信号，且分光比为50:50。可调耦合器1的右上输出端
光信号通过移相器1，然后从耦合共振光波导的左上输入端进入；可调耦合器1的右下输出端光信号通过移相器2，然后从耦合共振光波导的左下输入端进入。耦合共振光波导的两个输入端同时输入光信号，耦合共振光波导表现为双注入模式。使用传输矩阵法对此模式下的耦合共振光波导进行建模仿真。调节可调耦合器2、可调耦合器3、可调耦合器4的移相器，使得三个可调耦合器的分光比分别为：0.14：0.86、1：0、0.32：0.68，可以获得工作波长在1.5495～1.5515μm的tangent形滤波器，对应第一光输出端口的透射谱。
34.以上所述的具体实施方法，对于本发明的目的、技术方案进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明方案的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在不脱离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。