帶寬與諧振波長濾波器設計范文

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《通信技術雜志》2014年第六期

1理論模型

文中的模型是在兩個單環(分別為環1與環2)雙直波導通過并聯并結合一個MZ干涉儀構成。輸入光經過總線波導與微環波導之間的耦合進入微環諧振腔中，微環諧振腔中的光再經過微環波導與總線波導之間的耦合返回輸出總線波導中。光從輸入端經3dB分束器分別進入兩個微環中，通過微加熱裝置與來調諧兩個單微環的諧振波長，進而可以使得兩個下載端的傳遞函數可以有部分的重疊。MZ干涉儀其中一個臂上的微加熱裝置是用來使光場產生一個Δθ的相移，這樣就可以讓兩臂中的光場產生相消干涉，從而達到增強下載端輸出的光強的目的。通過調節兩個下載端傳輸函數中的偏移Δθ可以達到調節濾波器帶寬的目的。除了熱調諧以外，PN結中的載流子注入或載流子消耗也可以用來調諧微環中諧振波長。但是熱調諧的范圍要比后者大許多。利用耦合模理論，可以分別推導出單環以及該結構的透射率公式為:式中，i=1，2，ti是兩個單微環DROP端透射率，MZI是MZ干涉儀兩臂之間的相位差，其可以通過微加熱器被調諧到π，κ是光場的耦合系數，θi和a分別是繞環相移和光場傳輸系數。

2結果與分析

下面首先分析采用此種雙環結構的透射率光譜與單環光譜之間的不同之處。計算中參數設置如下:t1=t2=0．2，a=0．99，微環半徑為30μm，令環1與環2升高的溫度分別12K、15K，13K、18K，16K、20K。仿真結果如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著溫度的升高，其諧振波長會發生紅移，即諧振波長會朝著波長較長的方向移動，這是因為，當加熱時，其有效折射率會改變使得光傳播有效路徑亦隨著改變，如果有效折射率增加，則光傳播有效路徑就會增加，諧振波長就會發生紅移。進一步通過精確數計算，可以發現諧振波長會隨著兩環升高溫度分別從10K、12K至20K、25K時發生的紅移量，即諧振波長會從1507．01nm、1509．24nm分別漂移至1518．30nm、1522．74nm，即諧振波長會朝著長波方向移動，且隨著溫度的進一步升高，紅移增加。同理如果微環纖芯是由具有負熱光系數的材料構成，DROP端諧振波長會發生藍移，且隨著溫度的升高，藍移增加。藍移是因為有效折射率的增加使得光傳播有效路徑減少所致。上面兩種情況，都會隨著溫度的進一步升高，諧振波長會重新回到原諧振波長。從圖1也可以看到，光譜的帶寬也在發生變化。即隨著雙環溫度升高，其光譜帶寬會變寬，藍色、紅色、綠色光譜的3dB帶寬分別為2．3nm、3．1nm、4．8nm。即在兩環溫度差大小差別不大時，升高的溫度越高，其帶寬越寬。從圖1中還可以看到，隨著溫度差的增大，其光譜帶寬會變寬。引起這種現象的原因是當兩環升高的溫度不同時，其有效光程差會有不同，即相位失諧量不同，從而導致兩個單環光譜的諧振波長與帶寬不同，合成的雙環光譜圖的帶寬也就會不同。具體一點就是，隨著兩環諧振波長的間隔增大，其合成的光譜帶寬就會變寬。圖2仿真計算了分束器具有不同分束比時，其透射率光譜圖出現的變化。從圖中可以發現，隨著分束比增大，光譜出現的不對稱性會增大。因此，在實際應用中，應選擇具有1:1分束比的耦合器。

3結語

文中設計并分析了一個基于雙波導雙微環———MZ干涉儀的簡單、新穎的帶寬和諧振波長同時可調的帶通濾波器，此濾波器的下載端通過兩個微環與MZ干涉儀有效地組合在一起。通過微加熱裝置改變微環波導材料的溫度以改變微環波導的有效折射率，進而實現了諧振波長與帶寬的可調諧性。數值模擬表明隨著溫度的升高，其諧振波長會發生紅移，即諧振波長會朝著波長較長的方向移動，得出的具體數值結果是，隨著兩環的溫度分別從10K、12K升高至20K、25K時，諧振波長會從1507．01nm、1509．24nm分別漂移至1518．30nm、1522．74nm，且隨著溫度的進一步升高，紅移增加。同時發現，即隨著雙環溫度升高，其光譜帶寬會變寬，且兩環溫度差大小差別不大時，升高的溫度越高，其帶寬越寬。這些結果對進一步優化微環濾波器的性能及更好使用該類型器件有重要指導意義。

作者：劉輝鄭加金徐林單位：南京郵電大學光電工程學院