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        一種新型SOI微環(huán)輔助馬赫-曾德爾干涉儀濾波器的設(shè)計(jì)

        2020-10-13 10:28:28宮原野董姍姍牛長(zhǎng)流
        關(guān)鍵詞:馬赫諧振器干涉儀

        宮原野,董姍姍,丁 智,牛長(zhǎng)流

        (1.蚌埠學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,安徽 蚌埠 233000;2.安徽科技學(xué)院信息與網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院,安徽 蚌埠 233000; 3.北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院,北京 100144)

        近年來,微環(huán)諧振器優(yōu)秀的濾波性能引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注,以其為核心元器件設(shè)計(jì)的光學(xué)濾波器[1-3]、光學(xué)傳感器[4]、波分復(fù)用器[5]等光學(xué)器件在光通信領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。

        馬赫-曾德爾干涉儀是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成的光學(xué)元器件[6]。傳統(tǒng)的馬赫-曾德爾干涉儀的輸出光譜為余弦狀的譜線,難以滿足密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的濾波需求。為此有研究者提出將微環(huán)諧振器與馬赫-曾德爾干涉儀相結(jié)合設(shè)計(jì)光學(xué)濾波器[7-9]。文獻(xiàn)[10]中提出的濾波器結(jié)構(gòu)能夠獲得頂部平坦的輸出光譜,但器件結(jié)構(gòu)過大,不利于器件在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中集成。

        為解決上述問題,筆者將2個(gè)微環(huán)諧振器與馬赫-曾德爾干涉儀的上下臂分別耦合,利用微環(huán)諧振器的反饋回路引入相位調(diào)節(jié)機(jī)制,優(yōu)化濾波器結(jié)構(gòu)的耦合系數(shù),在濾波器輸出端獲得平坦的輸出光譜,同時(shí)很大程度降低器件尺寸。在滿足密集波分復(fù)用系統(tǒng)的濾波需求前提下,提高器件的集成性能。

        1 模型結(jié)構(gòu)

        從圖1中可以看出,該濾波器結(jié)構(gòu)包含2個(gè)閉合回路,可以表示為:

        (1)

        (2)

        根據(jù)信號(hào)流程圖理論,由于2個(gè)閉合回路互不接觸,該結(jié)構(gòu)的特征行列式為:

        (3)

        從Ein端到Eout端的前向通路共有4條,其特征行列式分別為:

        P1=C1C2C4D1D2,Δ1=Δ

        (4)

        P2=C3Y1Y2D3D4,Δ2=Δ

        (5)

        (6)

        (7)

        根據(jù)信號(hào)流程圖理論、梅森公式,Ein端到Eout端的系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以表示為:

        (8)

        2 仿真分析

        2.1 普通馬赫-曾德爾干涉儀的輸出光譜

        馬赫-曾德爾干涉儀濾波器輸出光譜為余弦狀輸出光譜,文獻(xiàn)[10]提出,馬赫-曾德爾干涉儀輸出光譜強(qiáng)度的傳遞函數(shù)可以表示為:B=0.5[1-cos(2πΔL/λ)],其中:ΔL為馬赫-曾德爾干涉儀上下臂的臂長(zhǎng)差;λ為波長(zhǎng)。

        馬赫-曾德爾干涉儀輸出端的輸出光譜如圖2所示,其中臂長(zhǎng)差變化對(duì)濾波器輸出光譜影響如表1所示。隨著臂長(zhǎng)差增大,自由光譜范圍隨之減小。

        表1 臂長(zhǎng)差對(duì)濾波器輸出光譜的影響Table 1 Influence of arm length difference on filter output spectrum

        2.2 改進(jìn)的微環(huán)輔助馬赫-曾德爾干涉儀濾波器的輸出光譜

        首先對(duì)改進(jìn)的微環(huán)輔助馬赫-曾德爾干涉儀濾波器中的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置:Ring1和Ring2的周長(zhǎng)分別為L(zhǎng)1=1 000 μm、L2=0.5L1;端口耦合器的耦合系數(shù)為k1=k2=0.5;微環(huán)與馬赫-曾德爾干涉儀干涉臂之間耦合器的耦合系數(shù)為k3=k4=0.955;馬赫-曾德爾干涉儀上下2個(gè)干涉臂臂長(zhǎng)差Δd=1 mm;用SOI材料設(shè)計(jì)濾波器的有效折射率neff=3.4。在Matlab環(huán)境下對(duì)濾波器的輸出性能進(jìn)行模擬分析,濾波器的輸出光譜如圖3所示。

        從圖3中可以看出,濾波器的輸出光譜頂部平坦,自由光譜范圍到達(dá)1.4 nm。與馬赫-曾德爾干涉儀濾波器輸出性能相比,筆者提出的新型濾波器的濾波性能有了很好的改善。

        2.3 微環(huán)與馬赫-曾德爾干涉儀濾波器間耦合系數(shù)對(duì)輸出光譜的影響

        對(duì)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置中,將輸入輸出端口耦合系數(shù)設(shè)置為0.5,可以將入射光信號(hào)等量地引入馬赫-曾德爾干涉儀上下臂中。微環(huán)與馬赫-曾德爾干涉儀濾波器間耦合系數(shù)對(duì)濾波器輸出光譜的波形有著較大的影響。不同耦合系數(shù)條件下濾波器的輸出光譜如圖4所示。從圖4中可以看出,當(dāng)耦合系數(shù)k3,k4取0.2時(shí),輸出光譜依然具有周期性,頂部有3個(gè)諧振峰,平坦性能隨著耦合系數(shù)的增大逐漸改善。當(dāng)耦合系數(shù)達(dá)到0.8時(shí),輸出光譜頂部趨近于平坦,濾波性能逐漸提高。

        3 結(jié)論

        為提升普通馬赫-曾德爾干涉儀濾波器的濾波性能,設(shè)計(jì)了一種新型的微環(huán)輔助馬赫-曾德爾干涉儀濾波器。利用微環(huán)諧振理論、光信號(hào)傳輸理論、信號(hào)流程圖理論及梅森公式推導(dǎo)出濾波器輸出端強(qiáng)度的傳遞函數(shù),在Matlab環(huán)境下通過對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)耦合系數(shù)的優(yōu)化發(fā)現(xiàn),在微環(huán)諧振器與馬赫-曾德爾干涉儀濾波器間耦合系數(shù)為0.955時(shí),在濾波器輸出端獲得頂部平坦的輸出光譜。與普通馬赫-曾德爾干涉儀濾波器相比較,該濾波器的濾波性能有了很大的提升。

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