一种振幅响应平坦的可调硅基色散补偿器件

技术领域

本发明属于硅基光电子学与光通信技术领域，具体涉及一种振幅响应平坦的可调硅基色散补偿器件。

背景技术

随着人工智能、物联网、云计算等技术的快速发展，全球数据量呈现爆发式增长，人们对网络传输数据容量的要求与日俱增。传统的10Gb/s光传输系统已疲于应对日益增长的宽带需求，40Gb/s光传输系统已大规模投入商用，100Gb/s系统也已逐渐从幕后技术研究走向商用平台，光纤通信必将沿着更高速率、更高容量方向不断发展。然而，随着传输比特率的不断提升，色散成为了传输系统中主要的损伤来源之一，光纤色散使信号脉冲展宽重叠，无法识别，制约着高速信号的远距离传输。因此，如何实现色散补偿，进行高精度色散管理成为未来高速光传输系统中亟需解决的痛点。

目前，色散补偿的实现方法有：电域色散补偿和光域色散补偿。电域色散补偿采用数字信号处理技术，能够对链路的色散以及非线性效应进行补偿和抑制，但需要采用相干接收技术，无法对光电探测器直接探测后的强度信号相位信息实现完全补偿，且所需功耗大。光域色散补偿可以直接补偿信号相位信息，功耗低，多应用色散补偿光纤、光纤布拉格光栅等色散器件进行补偿。色散补偿光纤能够实现宽带色散补偿，但色散光纤体积大，插入损耗大，色散量不可调，并且由于存在工艺误差无法对光纤色散实现高精度补偿。光纤布拉格光栅体积较小，插入损耗低，成本相对低廉，但需要额外器件接收反射光，且色散量不可调，只能补偿特定色散量，光源的谱宽改变或传输光纤长度改变，则无法完全补偿，不能满足光传输系统中对高精度色散管理的需求。因此，亟需一种结构紧凑、成本低、色散量可调的光域色散补偿器件实现色散补偿。

得益于硅基光电子技术工艺与现有互补-金属-氧化物半导体工艺技术兼容、硅与二氧化硅间的大折射率差等特点，硅基集成光电器件具有成本低、易于实现大规模光子线路制造、与电子线路混合集成、器件紧凑集成度高的优势，高性能的硅基集成光电器件已在光通信领域得以商用。这些高性能、低成本的硅基集成光电器件为高速光传输系统中的高精度色散补偿应用提供了可能。目前，硅基平台片上色散控制器件主要为波导布拉格光栅和微环谐振器(Micro-ring resonator,MRR)。波导布拉格光栅带宽大，但不可调，全通型微环结构紧凑，色散量可调但幅度响应不平坦，会引起信号幅度劣化，影响信号恢复质量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种振幅响应平坦的可调硅基色散补偿器件，能实现理想的平坦振幅响应，不会改变色散补偿后信号的振幅曲线，劣化信号恢复质量；且能够实现器件中心频率、色散量、以及带宽的复合精确调控。

一种可调硅基色散补偿器件，包括输入耦合光栅(1)、马赫增德尔干涉仪MZI加载耦合系数可调微环谐振器(2)、分光比可调耦合器(3)、萨格纳克环反射器(4)以及输出耦合光栅(5)；色散待补偿光信号通过输入耦合光栅(1)耦合入射进硅基色散补偿器件，信号先后经过马赫增德尔干涉仪MZI加载耦合系数可调微环谐振器(2)和分光比可调耦合器(3)，实现一阶理想全通滤波，再经过萨格纳克环反射器(4)被全反射后，再次通过分光光比可调耦合器(3)以及马赫增德尔干涉仪MZI加载耦合系数可调微环谐振器(2)，实现二阶理想全通滤波，最后通过2×1多模干涉耦合器从输出耦合光栅(5)耦合输出。

较佳的，所述马赫增德尔干涉仪MZI加载耦合系数可调微环谐振器(2)，由马赫增德尔干涉仪MZI与耦合系数可调的微环谐振器耦合实现；在耦合区域，所述微环谐振器与所述马赫增德尔干涉仪上臂波导构成一个可调马赫增德尔干涉仪MZI。

较佳的，可调马赫增德尔干涉仪MZI的下臂波导顶部集成微纳金属加热电极，用于改变可调马赫增德尔干涉仪MZI两臂相位差，从而改变耦合系数可调的微环谐振器的耦合系数。

较佳的，耦合系数可调的微环谐振器的波导顶部集成微纳金属加热电极，实现对色散补偿器件中心波长的调控。

较佳的，所述分光比可调耦合器(3)，由一个2×1的马赫增德尔干涉仪MZI实现。

较佳的，所述分光比可调耦合器(3)的上臂波导顶部集成微纳金属加热电极，实现对分光比可调耦合器(3)分光比的调控。

较佳的，所述萨格纳克环反射器(4)包括1×2定向耦合器和连接定向耦合器两个输出端口的弯曲波导。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种振幅响应平坦的可调硅基色散补偿器件，该器件的核心是高阶理想可重构全通滤波器，由马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)加载耦合系数可调MRR、分光比可调耦合器、萨格纳克环反射器级联构成。其中，MZI加载耦合系数可调MRR级联分光比可调耦合器构成一阶理想全通滤波器，与有损全通微环滤波器相比，该器件能实现理想的平坦振幅响应，不会改变色散补偿后信号的振幅曲线，从而影响信号恢复质量；通过在器件末端引入萨格纳克环反射器，实现光信号在全通滤波器中的往返传输，可在不增加器件尺寸、功耗以及操作复杂程度的基础上，达到二阶滤波效果，增大色散量与带宽调节范围；通过在耦合系数可调MRR、分光比可调耦合器上集成微纳金属加热电极和相应的正负电极，能够实现器件中心频率、色散量、以及带宽的灵活复合调控，实现在带宽较大的情况下色散量由±232.6±40ps/nm@8.75GHz至±132.0±40ps/nm@16.25GHz的高精度调节，可灵活运用于各类高精度色散调控场景。

附图说明

图1(a)为全通微环滤波器结构；图1(b)为理想全通滤波器的传输谱和相位谱，图1(c)为实际工作中全通滤波器的传输谱和相位谱。

图2为本发明提供的一种振幅响应平坦的可调硅基色散补偿器件的结构框图。

图3为本发明提供的一种振幅响应平坦的可调硅基色散补偿器件改变耦合系数时的色散曲线。

图4为本发明提供的一种振幅响应平坦的可调硅基色散补偿器件改变耦合系数时的振幅响应曲线。

其中，1-输入光栅耦合器，2-MZI加载耦合可调MRR，3-分光比可调耦合器，4-萨格纳克环反射器，5-输出光栅耦合器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种振幅响应平坦的可调硅基色散补偿器件，是一种可实现振幅响应平坦、并且中心频率、色散量以及带宽可调的高阶理想全通滤波器，其包括输入耦合光栅1、MZI加载耦合系数可调MRR 2、分光比可调耦合器3、萨格纳克环反射器4、输出耦合光栅5。各器件间通过传输波导与多模干涉(Multimode Interference,MMI)耦合器进行连接。

上述方案中，通过长距离光纤传输的色散待补偿光信号由输入耦合光栅1耦合入射进硅基色散补偿器件，信号从2×1MMI先后经过MZI加载耦合系数可调MRR 2和分光比可调耦合器3，实现一阶理想全通滤波，引入色散补偿量。引入色散后的光信号经过萨格纳克环反射器4被全反射后，再次通过分光光比可调耦合器3以及MZI加载耦合系数可调MRR 2，实现二阶理想全通滤波，引入双倍色散补偿量，最后通过2×1MMI从输出耦合光栅5耦合输出，返回传输光纤。

上述方案中，MZI加载耦合系数可调MRR 2及其后级联的分光比可调耦合器3构成理想全通滤波器。进一步，通过联合调控MZI加载耦合可调MRR2中MRR的耦合系数与中心波长，可调耦合器的分光比，能够实现振幅响应平坦的一阶理想全通滤波器，同时滤波器的中心波长、带宽、色散量可被灵活调控，实现可调色散补偿器功能。

其中，在所述MZI加载耦合可调MRR 2的耦合区域，MRR的波导与MZI 2的上臂波导构成一个2×2的可调MZI；通过调节该2×2MZI两臂相位差，MZI输出端口的分光比被随之调节，从而实现MRR耦合系数可调。进一步，为了调节可调MZI两臂相位差，在2×2可调MZI下臂波导顶部集成微纳金属加热电极，基于片上热光效应，通过改变微纳金属加热电极的驱动电压信号，可改变硅基波导材料的有效折射率，最终改变两臂相位差。为了调节色散波长器件的中心波长，在MRR波导顶部集成微纳金属加热电极，通过改变加载至微纳金属加热电极的驱动电压信号，即可实现对MRR谐振波长的调节，即对色散波长器件中心波长的调控。所述分光比可调耦合器3，由一个2×1的MZI实现，通过调节2×1MZI两臂相位差，MZI输出端口的分光比被随之调节，从而实现耦合器耦合系数可调。进一步，为了调节分光比，在2×1MZI上臂波导顶部集成微纳金属加热电极，通过改变施加电压，即可实现对耦合器3分光比的精确调控。

上述方案中，所述萨格纳克环反射器4由1×2定向耦合器和连接定向耦合器两个输出端口的弯曲波导组成，待补偿信号被萨格纳克环反射器4全反射后再次通过所述理想全通滤波器，从而实现高阶滤波，达到双倍色散补偿效果。

实施例：

光信号通过传输光纤(介质)引入色散。色散指光在介质中传播的频率依赖性，会导致复色光在空间中走离。波导中的光脉冲以包络形式传播，其传播常数为β，其群速度可以表示为：

其中，β为光在介质中的传播常数，n为介质的折射率，是频率ω的函数。针对单个模式而言，波导中的色散指的是群速度色散。单模光纤引入正色散量，可通过色散补偿器引入数值大小相同的负色散量进行色散补偿。

MRR是一种具有波长选择性的谐振增强型光器件。光在微环中传输时，满足微环谐振条件的光会在环中谐振而传输多圈，得到大的群延时量τ，其数学表达式为：

其中，

光在MRR中的群速度色散，即二阶色散可表示为：

因此，可以用MRR结构实现片上色散器件。值得注意的是，色散器件除了在不同频率处对应相位变化以及延时量不同以外，还需要有恒定的振幅响应。

当忽略光在波导中的传输损耗α时，理想的全通滤波器可以通过全通型微环结构实现，其结构如图1(a)所示。其中，t为波导直通端振幅透过系数，k为直波导与微环的振幅耦合系数。全通型微环的振幅传输函数可以表示为：

其中，L是微环的周长。当α＝0时，a＝1。此时，全通型微环的振幅响应和相位响应如图1(b)所示，可见其振幅响应平坦，相位响应在谐振波长附近呈现2π突变，可视为全通滤波器。然而，在实际应用中，损耗α≠0，其振幅响应和相位响应如图1(c)所示，振幅在谐振波长附近存在较大衰减。

在本实施例中，通过改变可调MZI上下臂相位差，可实现MRR传输系数与耦合系数t

此时，引入色散后的光信号经过萨格纳克环反射器4被全反射后，再次通过分光光比可调耦合器3级联MZI加载MRR，实现二阶理想全通滤波，引入双倍色散补偿，最后通过2×1MMI从输出耦合光栅耦合输出，返回传输光纤，完成色散补偿。

在本实施例中，为了实现对色散补偿器入射波长，色散量，带宽的复合调控，分别在MRR耦合区域的MZI下臂、MRR波导、以及分光比可调耦合器的MZI上臂顶部集成微纳金属加热电极和相应的正负电极，基于片上热光效应，通过改变微纳金属加热电极的驱动电压信号，可改变硅基波导材料的有效折射率，从而改变耦合器耦合系数与MRR中心波长。

图3表示了当微环谐振器周长固定时，改变微环耦合系数k

图4表示了当微环谐振器周长固定时，改变微环耦合系数k

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。