一种基于铌酸锂薄膜侧壁光栅的电光可调谐滤波器

摘要

本发明公开一种基于铌酸锂薄膜侧壁光栅的电光可调谐滤波器，应用于光通信领域，针对现有WDM器件多采用分立器件的形式，体积大，不易集成的问题；本发明采用L型空间耦合封装设计的方式，实现激光器芯片和铌酸锂薄膜滤波器芯片的集成，设计推挽电极分布于侧壁光栅波导两侧，不仅提升了器件的工作动态范围，同时具有体积小、成本低、快速调谐和易集成等优势。

权利要求

1.一种基于铌酸锂薄膜侧壁光栅的电光可调谐滤波器，其特征在于，包括：激光器芯片

1、准直透镜2、隔离器3、分光棱镜4、聚焦透镜5、铌酸锂薄膜调制器芯片6、光纤组件7、制冷器8、热沉9、陶瓷基板10；激光器芯片1与铌酸锂薄膜调制器芯片6采用L型空间耦合方式，具体的：激光器芯片1、准直透镜2、以及隔离器3装配在热沉9上，热沉9放置在制冷器8上；

分光棱镜4、聚焦透镜5、铌酸锂薄膜调制器芯片6装配在陶瓷基板10上；

激光器芯片1发出多波长窄波信号，经过准直透镜2进入隔离器3，然后通过分光棱镜4分别进入不同的聚焦透镜5，最后进入铌酸锂薄膜波导芯片6的输入端，铌酸锂薄膜波导芯片6的输出端接光纤组件7；

铌酸锂薄膜波导芯片6具体包括：通过在铌酸锂薄膜芯片上刻蚀得到的多路铌酸锂薄膜波导；每一路铌酸锂薄膜波导结构相同，包括：第一直波导、第一MMI分束器、第一Y分支波导、第二直波导、第三直波导、第二MMI分束器、第三MMI分束器、四个侧壁长周期波导光栅、分布于侧壁长周期波导光栅两侧的电极；进入到每路铌酸锂薄膜波导内的信号，通过第一MMI分束器平均分成2路进入第一Y分支波导的两个臂，经第一Y分支波导第一条臂上的第二直波导后的信号进入第二Y分支波导的两个臂，第二Y分支波导的两个臂各连接一个侧壁长周期波导光栅；经第一Y分支波导第二条臂上的第三直波导后的信号进入第三Y分支波导的两个臂，第三Y分支波导的两个臂各连接一个侧壁长周期波导光栅；

每个侧壁长周期波导光栅的输入端与输出端分别连接一个渐变波导；

通过给侧壁长周期波导光栅两侧的电极加电，改变侧壁长周期波导光栅有效折射率。

2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜侧壁光栅的电光可调谐滤波器，其特征在于，分布于侧壁长周期波导光栅两侧的电极为推挽电极。

3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜侧壁光栅的电光可调谐滤波器，其特征在于，侧壁长周期波导光栅的光栅周期根据进入该路铌酸锂薄膜波导的谐振中心波长确定。

说明书

一种基于铌酸锂薄膜侧壁光栅的电光可调谐滤波器

技术领域

[0001] 本发明属于光通信领域，特别涉及一种波长可调谐滤波器。

背景技术

[0002] 作为沟通微波与光波的桥梁，电光调制器在光通信领域扮演着重要角色。多年以来，电光调制技术、光纤放大技术等一起推动着光通信不断迈向更高速率和更大容量。然而随着全球数据流量需求呈现持续性增长，而传统的单模光纤传输系统已逐渐逼近其传输容量的极限，即将不能满足日益增长的数据流量需求。为了应对这一问题，波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术应运而生，尤其是具有可重构信道、带宽和网络拓扑的动态WDM技术是研究发展的重点，而可调谐波长滤波器则是实现动态WDM技术的关键器件之一。

[0003] WDM器件多采用分立器件的形式，体积大，不易集成。其关键器件滤波器实现形式分为熔融接锥全光纤、干涉膜滤光、光纤光栅、炫耀光栅和波导阵列光栅等。光纤型结构具有体积大、波长复用数量受限、成本高、不易集成等问题；而波导型滤波器可以采用CMOS工艺实现大片流片制作，结构设计灵活，具有尺寸小、易于集成、性能稳定和制作成本低的优点。因此，波导型WDM器件研究越来越被重视，该器件在众多类型的高密集型的WDM器件中占有明显优势，有强大的发展潜力。

发明内容

[0004] 为解决上述技术问题，本发明提出一种基于铌酸锂薄膜侧壁光栅的电光可调谐滤波器，采用混合集成的方式，实现激光器芯片和铌酸锂薄膜滤波器芯片的集成。

[0005] 本发明采用的技术方案为：一种基于铌酸锂薄膜侧壁光栅的电光可调谐滤波器，包括：激光器芯片1、准直透镜2、隔离器3、分光棱镜4、聚焦透镜5、铌酸锂薄膜调制器芯片6、光纤组件7、制冷器8、热沉9、陶瓷基板10；激光器芯片1与铌酸锂薄膜调制器芯片6采用L型空间耦合方式，具体的：

[0006] 激光器芯片1、准直透镜2以及隔离器3装配在热沉9上，热沉9放置在制冷器8上；

[0007] 分光棱镜4聚焦透镜5、铌酸锂薄膜调制器芯片6装配在陶瓷基板10上；

[0008] 激光器芯片1发出多波长窄波信号，经过准直透镜2进入隔离器3，然后通过分光棱镜4分别进入不同的聚焦透镜5，最后进入铌酸锂薄膜波导芯片6的输入端，铌酸锂薄膜波导芯片6的输出端接光纤组件7。

[0009] 铌酸锂薄膜波导芯片6具体包括：通过在铌酸锂薄膜芯片上刻蚀得到的多路铌酸锂薄膜波导；每一路铌酸锂薄膜波导结构相同，包括：第一直波导、第一MMI分束器、第一Y分支波导、第二直波导、第三直波导、第二MMI分束器、第三MMI分束器、四个侧壁长周期波导光栅、分布于侧壁长周期波导光栅两侧的电极；进入到每路铌酸锂薄膜波导内的信号，通过第一MMI分束器平均分成2路进入第一Y分支波导的两个臂，经第一Y分支波导第一条臂上的第二直波导后的信号进入第二Y分支波导的两个臂，第二Y分支波导的两个臂各连接一个侧壁长周期波导光栅；经第一Y分支波导第二条臂上的第三直波导后的信号进入第三Y分支波导的两个臂，第三Y分支波导的两个臂各连接一个侧壁长周期波导光栅。

[0010] 每个侧壁长周期波导光栅的输入端与输出端分别连接一个渐变波导。

[0011] 本发明的有益效果：本发明通过采用混合集成封装的形式，将激光器芯片、铌酸锂薄膜芯片、透镜、分光棱镜和光纤组件等进行混合集成封装，该方案具有滤波范围宽，动态可调等优势；采用L型空间耦合方案，具有结构紧凑、体积小、稳定性好和易批量生产等优点。

附图说明

[0012] 图1为本发明的基于铌酸锂薄膜侧壁光栅的电光可调谐滤波器整体结构图；

[0013] 其中，(a)为俯视图，(b)为立体图，(c)为侧视图；

[0014] 图2为本发明的铌酸锂薄膜芯片示意图；

[0015] 其中，(a)为阵列铌酸锂薄膜芯片图，(b)为长周期波导光栅结构图；

[0016] 图3为1550nm时侧壁光栅直波导传输图；

[0017] 图4为阵列侧壁波导光栅的传输谱。

具体实施方式

[0018] 为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

[0019] 本发明的基于铌酸锂薄膜侧壁光栅的电光可调谐滤波器，包括：激光器芯片1、铌酸锂薄膜调制器芯片6、透镜2/5、分光棱镜4、隔离器3和光纤组件7等。

[0020] 激光器组件1具体包括：氮化铝基座(其上装配有DFB芯片和热敏电阻)、热沉和制冷器，多波长DFB(Distributed feedback laser，分布式反馈激光器)光源芯片放置于氮化铝基座上方中心，可实现多波长信号输出，氮化铝基座上方的热敏电阻可以实现温度反馈，氮化铝基座通过焊料粘接在热沉上方，而热沉下方通过焊料粘接在制冷器的上方，制冷器可以实现温度控制；

[0021] 透镜2/5：透镜2为准直透镜，透镜5为聚焦透镜，需要根据DFB芯片和铌酸锂薄膜的光发散角和光斑大小来选择不同的焦距和数值孔径等参数；

[0022] 隔离器3：用于防止分光棱镜反射回的光干扰激光器芯片工作；

[0023] 分光棱镜4：根据铌酸锂薄膜阵列波导的数量进行设计，以本发明来说，有四路铌酸锂薄膜阵列波导，因此选择4个分光棱镜，为了保证4路波导分光均匀性一致，棱镜的分光比依次设计为：25％、33％、50％、100％；

[0024] 阵列铌酸锂薄膜滤波器芯片6：波导在铌酸锂薄膜芯片上刻蚀而成，里面包含直波导6‑1、MMI分束器6‑2、侧壁长周期波导光栅6‑3、渐变波导6‑5、电极6‑4等，侧壁长周期波导光栅6‑3是芯片的主体部分，根据应用需要，独立的侧壁长周期波导光栅设计，实现特定波长的基模和一阶模式的耦合，从而实现滤波功能，针对不同波长设计不同周期，实现多波长滤波功能，本发明设计8路，根据应用需求可以进一步增加或者减少；

[0025] 电极结构：独立的推挽电极分布于侧壁长周期波导光栅的两侧，可以实现两个功能：首先利用铌酸锂薄膜的电光效应，对波导的有效折射率进行调制，实现中心阻带波长移动，从而具有动态滤波功能；其次，电极采用金或者铝等金属制作而成，因此具有对波导一阶模式的吸收功能，防止一阶模式重新耦合进入波导中。

[0026] 结构参数选择如表1所示

[0027]

[0028] 光纤组件7：在玻璃条上通过精准定位进行开槽，同时将光纤定轴与槽内，进行点紫外胶固化，经过磨抛，保证与波导耦合的端面光滑无毛刺。

[0029] 制冷器8：安装于光源芯片、准直透镜和隔离器的下方，使以上器件恒温工作，保证激光器的波长稳定性；

[0030] 热沉9：一般采用钨铜等金属制成，具有良好的散热功能；

[0031] 陶瓷基板10：分光棱镜、聚焦透镜和铌酸锂薄膜芯片放置于热膨胀系数较小的陶瓷基板上，保证较小的形变和位移。

[0032] 整体采用L型空间耦合封装设计，有源器件激光器1、准直透镜2和隔离器3放置于制冷器8上，保证准直透镜2与激光器芯片1具有同一制冷，控制在恒定温度(一般为25℃)，而为了降低功耗，铌酸锂薄膜波导芯片6、分光棱镜4和聚焦透镜5装配在陶瓷基板10上，可保证较小的位移形变。该设计的优点为：保证光路的环境温度性和可靠性，同时降低模块功耗，实现小体积集成化封装。

[0033] 激光器匹配激光器芯片发出多波长窄波信号，经过准直透镜2进入隔离器3，在通过分光棱镜4分别进入不同的聚焦透镜5，最后进入铌酸锂薄膜波导的输入端，进入到每路铌酸锂薄膜波导内的信号，通过1个MMI平均分成2路进入Y分支的两个臂，再通过第二个MMI分成2路进入侧壁波导光栅中。

[0034] 侧壁波导光栅结构如图2所示，采用一段宽度渐变波导，由单模波导演变为双模波导，本发明通过侧壁光栅的辅助，可以实现特定谐振波长下，基模耦合到一阶模式，输出端也采用宽度渐变，由双模波导演变为单模波导，而1阶模式的模场比较大，单模波导不再支持1阶模式传输，因此1阶模式会扩散到平板波导上，而通过在波导周围制作金属电极的方式对其进行吸收如图3所示，实线为基模，虚线为1阶模式，通过金属吸收逐渐变弱。如公式(1)所示，不同的谐振中心波长对应不同的光栅周期，如图2(b)所示，因此根据应用需求，设计了不同谐振中心波长的周期光栅，本发明有16个独立的侧壁光栅直波导，可以实现16个波长的滤波，如图4所示，另外光栅两侧布置有金电极，电极设计采用推挽结构，可以进一步降低驱动电压，针对铌酸锂是一种优异的电光调制晶体，通过加电，可以实现有效折射率的改变，根据公式(1)可知，谐振中心波长也会发生相应的变化，因此每1个长周期侧壁光栅不仅是过滤一个波长，而是可以过滤掉一定波长范围的光波，在不增加芯片尺寸的条件下，进而拓宽了滤波的范围，从而实现动态滤波功能。

[0035] Λ(N1‑N2)＝λ0                             (1)

[0036] 其中，Λ为周期，N1为基模有效折射率，N2为1阶模有效折射率，λ0为谐振中心波长。

[0037] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。