一种可重构光学全通滤波器
技术领域
本发明属于光学滤波器和微波光子
技术领域
，更具体地，涉及一种可重构光学全通滤波器。背景技术
全通滤波器是在一定频率范围内保持幅度恒定而只对相位信息进行改变的一种特殊滤波器，也可以称为全通网络(相位滤波器)。传统的滤波器通过本身幅频响应的变化实现信号滤波，而全通滤波器通过本身的相频响应特性改变信号的相位信息，除了固定的插损，对信号的幅度没有任何影响。在电学中，这种特性常用于消除系统中不需要的相位影响以及对特定信号引入延时；在光学领域，可以通过对全通滤波器的相位响应进行相应的设计，用来构造光延迟线、色散补偿器等，是全光信号处理系统中的重要器件。
光学全通滤波器通常有两种结构：Gires-Tournois腔和微环结构。相比于Gires-Tournois腔，微环谐振的形成不需要腔面提供光反馈，具有与生俱来的集成优势。微环体积小、成本低、易调谐并且具有良好的移相特性，因此微环结构被广泛地应用于全通滤波器的结构中。理想状态下，即波导无传输损耗，微环的幅度响应恒为1，并且具有2π的相位响应。将一系列的微环级联，可以在不改变幅度响应的基础上无限扩大系统的相位响应范围和群延时，这可以看作理想的全通滤波器。但实际情况下，波导的损耗不可忽略，因此微环谐振器的幅度响应不再是一条恒为1的直线，而是一个存在凹陷曲线。同时，为了满足更多系统的应用需求，迫切需要相频响应范围更大且可调、可重构的全通滤波器。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种可重构光学全通滤波器，旨在获得平坦的幅频响应的同时得到相位响应范围大、延时高的全通滤波器，并实现滤波器阶数的重构，从而增强全通滤波器的灵活性。
为实现上述目的，本发明提供了一种可重构光学全通滤波器，包括：三个光学耦合器、N+2个光学相移器和N个微环，N为大于或等于2的整数；其中，
第一光学耦合器输出端上臂通过第一波导与第二光学耦合器输入端上臂相连，第一光学耦合器输出端下臂通过第二波导与第二光学耦合器输入端下臂相连；所述第一波导或第二波导上设有第一光学相移器；
所述第二光学耦合器输出端上臂通过第三波导与第三光学耦合器输入端上臂相连，第二光学耦合器输出端下臂通过第四波导与第三光学耦合器输入端下臂相连；所述第三波导上设有第二光学相移器，第四波导上设有第三光学相移器以及与所述第四波导耦合的第一微环，或者所述第四波导上设有第二光学相移器，第三波导上设有第三光学相移器以及与所述第三波导耦合的第一微环；
所述第三光学耦合器输出端与第五波导相连，所述第五波导上设有N-1个光学相移器以及与所述第五波导耦合的N-1个微环；
通过调谐所述N个微环的耦合系数，使得第i+1微环的零点和第i微环的极点镜像对称，i＝1、…、N-1；通过调节所述第一光学相移器，使得第一微环的零点和第N微环的极点镜像对称，从而实现全通滤波。
进一步地，第j微环与设有第j+2光学相移器的波导的耦合区设计为一个可调耦合器，所述可调耦合器由两个完全相同的耦合区和两段等长的波导组成，通过调节所述第j+2光学相移器改变所述可调耦合器上下两臂的相位差，从而调谐所述第j微环的耦合系数，j＝1、…、N。
进一步地，所述N个微环上设有相移器，用于调控相应微环的谐振波长。
进一步地，采用热光效应、载流子注入或光力原理改变微环的谐振波长，从而调节全通滤波器相频响应中心频率。
进一步地，所述N+2个光学相移器以及设在所述N个微环的相移器采用加热电极、PN结或光力结构来实现。
进一步地，所述第一光学耦合器采用1×2多模干涉耦合器或Y分支耦合器或定向耦合器；所述第二光学耦合器采用2×2多模干涉耦合器或定向耦合器；所述第三光学耦合器采用2×1多模干涉耦合器或Y分支耦合器或定向耦合器。
进一步地，所述光学全通滤波器还包括：第一耦合光栅和第二耦合光栅；
所述第一耦合光栅与所述第一光学耦合器的输入端相连，作为光学全通滤波器的输入端；
所述第二耦合光栅与所述第五波导相连，作为光学全通滤波器的输出端。
进一步地，所述滤波器采用以下任意一种材料：硅、有机聚合物、氮化硅、氧化硅；所述滤波器采用以下任意一种波导结构：条波导、脊波导、狭缝波导、表面等离子体波导。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的光学全通滤波器，由于采用幅度、相位、耦合系数调节后得到幅频响应为常数的全通滤波器，具体实现方法为：通过调谐N个微环的耦合系数，使得第i+1微环的零点和第i微环的极点镜像对称，i＝1、…、N-1；同时，调节第一光学相移器，使得第一微环的零点和第N微环的极点镜像对称，从而实现全通滤波。与现有技术相比，不需要通过消除波导损耗来实现全通滤波器，解决了级联微环全通滤波器对波导损耗敏感而难以制作的问题。此外，该器件的相频响应为各微环谐振器相频响应的叠加，因此该全通滤波器具有超大的相频响应范围。
(2)本发明提供的光学全通滤波器，由于采用多个微环，相比于低阶的全通滤波器，其相频响应的滚边更陡峭，相频变化范围更大。因此基于该结构实现的微波光子延时器可以实现高延时，并且可以通过级联更多的微环来进一步的提高延时量。同时由于其陡峭的滚边，基于该结构的微波光子移相器可以在更低频区域工作，有助于提高相移器的工作频率范围。此外，该结构具有阶数可重构的特性，在相控阵雷达、信号处理等领域具有潜在的应用价值。
(3)本发明提供的光学全通滤波器，通过微环上的光学相移器实现滤波器的调谐；可以利用但不限于热光效应、载流子注入原理或光力原理改变微环的谐振波长，从而使得光学全通滤波器相位滤波的中心频率可调。同时该结构引入了可调耦合器，微环与波导的耦合系数可调，因此该高阶全通滤波器的相位响应和阶数实现可重构。
附图说明
图1为本发明提供的光学全通滤波器的结构示意图；
图2为微环单元结构示意图；
图3为本发明提供的光学全通滤波器幅频响应仿真结果示意图；
图4为本发明提供的光学全通滤波器相频响应仿真结果示意图；
图5为本发明提供的光学全通滤波器延时响应仿真结果示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一耦合光栅，2-第一光学耦合器，3-第一光学相移器，4-第二光学耦合器，5-第二光学相移器，6-第三光学相移器，7-第一微环，8-第三光学耦合器，9-第二耦合光栅。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参阅图1，本发明提供了一种可重构光学全通滤波器，包括：第一耦合光栅1、第二耦合光栅9、三个光学耦合器、N+2个光学相移器和N个微环，N为大于或等于2的整数；其中，第一光学耦合器2的输出端、第二光学耦合器4的输入端与第一光学相移器3一起构成MZI1结构(Mach-Zehnder Interferometer，马赫-曾德尔干涉仪)；第二光学耦合器4的输出端、第三光学耦合器8的输入端、第二光学相移器5、第三光学相移器6以及第一微环7一起构成MZI2结构。
具体的，第一光学耦合器2输出端上臂通过第一波导与第二光学耦合器4输入端上臂相连，第一光学耦合器2输出端下臂通过第二波导与第二光学耦合器4输入端下臂相连；第一波导或第二波导上设有第一光学相移器3，用于改变上下两臂信号的相位差。第二光学耦合器4输出端上臂通过第三波导与第三光学耦合器8输入端上臂相连，第二光学耦合器4输出端下臂通过第四波导与第三光学耦合器8输入端下臂相连；第三波导上设有第二光学相移器5，第四波导上设有第三光学相移器6以及与第四波导耦合的第一微环7，或者第四波导上设有第二光学相移器5，第三波导上设有第三光学相移器6以及与第三波导耦合的第一微环7，第二光学相移器5用于改变上下两臂信号的相位差。第三光学耦合器8输出端通过第五波导与第二耦合光栅9相连，第五波导上设有N-1个光学相移器以及与第五波导耦合的N-1个微环。
参阅图2，微环有两个端口分别是端口1和端口2，第j微环与设有第j+2光学相移器的波导的耦合区设计为一个可调耦合器，可调耦合器包括两个完全相同的耦合区和两段等长的波导，通过调节第j+2光学相移器改变可调耦合器上下两臂的相位差，从而调谐第j微环的耦合系数，j＝1、…、N。
该光学全通滤波器的工作原理为：通过调节MZI1内第一光学相移器3实现MZI2上下两臂分光比调控；MZI2上臂信号光经过第一微环7耦合，下臂信号则通过波导传输后输入第三光学耦合器8；通过调节第二光学相移器5使MZI2下臂信号相比于上臂信号产生π的整数倍的相位差；经过幅度、相位调控后的两路信号输入到第三光学耦合器8中进行干涉，两路光干涉得到的信号从第三光学耦合器8输出，并经过级联的多个微环(第二微环到第N微环)耦合作用后，从第二耦合光栅9输出。本发明是一个多零极点系统，为了获得幅度响应为常数的全通滤波器，则需要零点和极点关于Z域单位圆镜像对称。对单个全通型微环的传输谱进行Z变换，则其在Z域上存在一个零点和极点。通过调谐各个微环的耦合系数使得第一微环的极点和第二微环的零点镜像对称，第二微环的极点和第三微环的零点镜像对称，以此类推直到第N-1微环的极点和第N微环的零点对称。最后为了得到与第N微环极点位置镜像对称的零点，利用MZI1结构的干涉特性来改变第一微环的零点位置，具体是通过调节第一光学相移器3，使得第一微环的零点和第N微环的极点镜像对称，从而实现整体结构的全通滤波。此外，通过调控MZI2结构后级联微环的自耦合系数为0或1可以实现全通滤波器的阶数可重构。
图3、图4和图5分别为光学全通滤波器幅频响应、相频响应和延时响应的仿真结果，分别给出了在第一微环7耦合系数相同情况下，一个微环、两个微环和三个微环在全通状态下的仿真结果。图3中为三种全通滤波器结构的幅频响应，无论微环个数多少，该结构的幅度响应都可以保持为常数，但整体结构的损耗会随着微环个数的增加而增大，因此在插损允许的条件下，该结构的全通滤波器可以级联足够多的微环。图4为三种全通滤波器结构的相频响应，从图中看到随着微环个数的增加，相频响应的范围以2π的倍数增加，并且其相频响应的滚边也会相应地变得更陡峭。图5为三种全通滤波器结构的延时响应，可以看到相比于低阶全通滤波器而言，高阶全通滤波器可以实现更高的延时。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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