具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片

1.本发明涉及光电子器件技术，公开具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片，属于光学元件、系统或仪器的技术领域。


背景技术：

2.光学全通滤波器具有平坦的幅频响应即强度-波长曲线和非线性相频响应即相位-波长曲线，可在不影响信号强度的同时实现对信号相位的调控，进一步实现色散补偿、可调延时、波束成形等功能，在雷达、通信、传感等领域具有重要应用价值，而上述领域核心系统和器件的集成化对集成光学全通滤波器提出了迫切需求。
3.目前，使用最广泛的光学全通滤波器结构是基于半导体有损波导并采用环形谐振器结构实现的，该光学全通滤波器结构最早提出于1998年。现有的基于半导体有损波导的光学全通滤波器结构如图1（a）所示，该光学全通滤波器结构由任意1个具有2个输入、2个输出的4端口器件变换而来，通过将其中1个输出端短接到1个输入端，即可实现全通滤波器。常见的4端口器件比如定向耦合器、马赫曾德尔干涉仪等，基于定向耦合器、马赫曾德尔干涉仪实现的光学全通滤波器的结构分别如图1（b）、图1（c）所示。现有的基于半导体有损波导的光学全通滤波器结构和输出幅频以及相频响应曲线如图1（d）所示，由于波导本身具有损耗，光学全通滤波器结构输出端幅频响应为幅度通常为数十db的洛伦兹型谐振谷，即幅频响应并非理想平坦，而是包含明显的周期性缺陷，相频响应则围绕着洛伦兹型谐振峰具有非线性响应曲线。因此，此光学全通滤波器幅频响应平坦性较差，在使用光学全通滤波器结构调控信号相位的同时不可避免地对信号强度也产生了大幅度影响，难以应用于实际应用场景。另一方便，该光学全通滤波器结构在传输光谱上通常具有一个较高损耗的缺陷，实现幅频响应曲线平坦并降低损耗是目前光学全通滤波器亟待解决的问题。
4.综上，本发明提出一种全新的可实现光学全通滤波器的集成光子芯片以克服上述缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片，通过强度相等且相位相差π 的两个布拉格光栅模式实现平坦幅频响应的同时降低损耗的发明目的，解决现有集成光学全通滤波器幅频响应平坦性较差且存在高损耗缺陷的技术问题。
6.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片，包括：马赫增德尔干涉仪、第一布拉格光栅、第二布拉格光栅、合束器。马赫增德尔干涉仪的输入端接入光信号，马赫增德尔干涉仪的一臂上集成有第一移相器；第一布拉格光栅的输入端连接所述马赫增德尔干涉仪的一个输出端；第二布拉格光栅的输入端连接所述马赫增德尔干涉仪的另一个输出端，第二布拉格光栅的输出端连接的直波导上集成有第二移相器；合束器的一个输入端连
接第一布拉格光栅输出端，合束器的另一个输入端与第二布拉格光栅输出端连接的直波导相连接，在两个布拉格光栅输出模式强度相等且两个布拉格光栅输出模式相位相差π时输出具有平坦幅频响应和非线性相频响应的光信号。
7.作为具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片的进一步优化方案，以两个布拉格光栅输出模式强度相等为原则控制第一移相器的移相量，以两个布拉格光栅输出模式相位相差π为原则控制第二移相器的移相量。
8.作为具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片的再进一步优化方案，马赫增德尔干涉仪、第一布拉格光栅、第二布拉格光栅以及合束器均为片上集成器件。
9.作为具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片的再进一步优化方案，第一移相器和第二移相器均为金属加热器。
10.作为具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片的再进一步优化方案，马赫增德尔干涉仪两臂的臂长相等。
11.作为具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片的再进一步优化方案，第一布拉格光栅、第二布拉格光栅的反射系数均大于99%。
12.本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：（1）本发明所提光学全通滤波器芯片，利用两个强度相等但相位相差π的布拉格光栅输出模式相互干涉的原理实现全通滤波器芯片功能，通过调节前置马赫增德尔干涉仪输出功率的分配调控两个布拉格光栅输出模式的相对强度，通过调节一个布拉格光栅输出的相位调控两个布拉格光栅输出模式的相对相位，两个布拉格光栅输出模式发生干涉时消除各自在幅频响应上的凹陷，消除传输光谱上的高损耗缺陷，实现低损耗平坦幅频响应，，使得光学全通滤波器芯片具有超大光学带宽的同时具备低损耗的优点，可实现可调光延时、色散补偿、相位纠正等多种功能，在雷达、通信、信号处理等领域具有重要价值。
13.（2）本发明通过集成在马赫增德尔干涉仪一臂上的移相器调控两个布拉格光栅输出模式的相对强度，通过集成在一个布拉格光栅输出端连接直波导上的移相器调控两个布拉格光栅输出模式的相对相位，可通过片上集成金属加热器实现移相器。
附图说明
14.图1 （a）为传统的光学全通滤波器结构图，图1（b）为基于定向耦合器实现的全通滤波器的结构图，图1（c）为基于马赫曾德尔干仪实现的全通滤波器的结构图，图1（d）为图1（a）所示光学全通滤波器幅频响应以及相频响应的仿真结果。
15.图2为本发明提出的具有超大平坦光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器的结构图。
16.图3为本发明提出的光学全通滤波器中的布拉格光栅透射谱的仿真结果。
17.图4为本发明提出的光学全通滤波器的输出光谱的仿真结果。
具体实施方式
18.下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
19.针对现有技术不足，本发明的解决思路是将两个相同的布拉格光栅器件输出响应进行干涉，通过前置马赫增德尔干涉仪和单独的移相器控制两个布拉格光栅器件的相对幅
度和相位，可控制二者响应的干涉结果，在特定条件下可实现全通滤波器，即平坦的幅频响应和非线性相频响应。
20.如图2所示，本发明所提光学全通滤波器芯片包含一个马赫增德尔干涉仪和两个布拉格光栅。马赫增德尔干涉仪的两个输出端分别连接至两个相同的布拉格光栅的输入端，两个布拉格光栅的输出端则通过一个合束器实现干涉。每个布拉格光栅的透射谱如图3所示，在较宽的频谱范围内包含1个单一的谐振谷。光学全通滤波器芯片还包含两个集成移相器，其中，移相器1位于马赫曾德尔干涉仪的一臂，调节信号经过马赫曾德尔干涉仪后在两个输出端功率分配，从而实现对两个布拉格光栅模式相对强度的调控。移相器2位于一个布拉格光栅输出端连接的直波导上，用来调控两个布拉格光栅模式的相对相位。当控制移相器1使得两个布拉格光栅模式强度相等且控制移相器2使得两个布拉格光栅模式相位相差π 时，两个布拉格光栅的输出端连接至合束器输入端，合束器输出端形成全通滤波器输出端，两个布拉格光栅输出模式经合束器干涉后实现平坦幅频响应和非线性相频响应。
21.马赫增德尔干涉仪、两个布拉格光栅和合束器均为片上集成器件。两个移相器为集成金属加热器，可以通过片上集成的方式与马赫增德尔干涉仪、布拉格光栅一同制备。马赫增德尔干涉仪具有相等的臂长。两个布拉格光栅具有较高的反射系数，例如，两个布拉格光栅的反射系数均大于99%。
22.本发明提出的光学全通滤波器的输出光谱的仿真结果如图4所示，可见幅频响应在整个20nm的光谱范围内非常平坦，幅频响应曲线抖动幅度小于0.1db且无高损耗缺陷，而相频响应保持了布拉格光栅器件的非线性相频响应。
23.以上实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，符合发明宗旨的任意形式的等同替换都落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片，其特征在于，包括：马赫增德尔干涉仪，其输入端接入光信号，其一臂上集成有第一移相器；第一布拉格光栅，其输入端连接所述马赫增德尔干涉仪的一个输出端；第二布拉格光栅，其输入端连接所述马赫增德尔干涉仪的另一个输出端，其输出端连接的直波导上集成有第二移相器；及，合束器，其一个输入端连接所述第一布拉格光栅输出端，其另一个输入端与所述第二布拉格光栅输出端连接的直波导相连接，在两个布拉格光栅输出模式强度相等且两个布拉格光栅输出模式相位相差π 时输出具有平坦幅频响应和非线性相频响应的光信号。2.根据权利要求1所述具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片，其特征在于，以两个布拉格光栅输出模式强度相等为原则控制第一移相器的移相量，以两个布拉格光栅输出模式相位相差π为原则控制第二移相器的移相量。3.根据权利要求1或2所述具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片，其特征在于，所述马赫增德尔干涉仪、第一布拉格光栅、第二布拉格光栅以及合束器均为片上集成器件。4.根据权利要求1或2所述具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片，其特征在于，所述第一移相器和第二移相器均为金属加热器。5.根据权利要求1或2所述具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片，其特征在于，所述马赫增德尔干涉仪两臂的臂长相等。6.根据权利要求1或2所述具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片，其特征在于，所述第一布拉格光栅、第二布拉格光栅的反射系数均大于99%。

技术总结
本发明公开具有超大光学带宽和超低损耗的光学全通滤波器芯片，属于光学元件、系统或仪器的技术领域。该芯片包含一个马赫增德尔干涉仪和两个相同的布拉格光栅。马赫增德尔干涉仪的两个输出端分别连接两个布拉格光栅的输入端，两个布拉格光栅的输出端则通过一个合束器实现干涉。光学全通滤波器也包含两个集成移相器，其中1个移相器位于马赫曾德尔干涉仪的一臂，第2个移相器位于一个布拉格光栅输出端连接的直波导，通过控制两个移相器是的两个布拉格光栅输出模式干涉，可在最终输出端呈现出光学全通滤波器的特性，即具有平坦幅频响应和非线性相频响应，且该全通滤波器具有超大带宽和超低损耗。和超低损耗。和超低损耗。


技术研发人员：李昂 王畅 包飞霞
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/10/8