ОПТИЧЕСКИЙ ФИЛЬТР Российский патент 2013 года по МПК G02F1/225 

Изобретение относится к интегральной оптике и более точно касается оптического перестраиваемого фильтра. Оно может быть использовано в качестве перестраиваемого фильтра для частотного уплотнения сигналов в волоконно-оптических системах связи, малогабаритного перестраиваемого оптического спектрометра или фильтрующего элемента в составе аппаратуры считывания данных с волоконных брэгговских датчиков.

Известно устройство - интегральный мульти-отражательный перестраиваемый фильтр (A. V. Tsarev, "Tunable optical filters", United States Patent No 6,999,639, February 14, 2006, Published on February 14, 2006, Foreign Application Priority Data Sep 06, 2001; А.В. Царев, "Мультиплексоры для WDM с нанофотонными отражателями - новый путь к управлению многими сотнями оптических спектральных каналов", Нано- и микросистемная техника, №4, pp. 51-55 (2007)), содержащий канальные оптические волноводы для ввода-вывода оптического излучения и распространения светового пучка, делители светового пучка, расположенные последовательно по ходу излучения в виде наклонных элементарных отражателей, набор соединительных канальных оптических волноводов, для передачи оптического излучения, отраженных от противоположных элементарных отражателей. В данном устройстве фильтрация заданной длины волны оптического спектра осуществляется за счет конструктивной интерференции множества оптических пучков отраженных от наклонных элементарных отражателей, периодически расположенных вдоль канальных оптических волноводов. Перестройка отфильтрованной длины волны света осуществляется за счет контролируемого изменения показателя преломления в фазосдвигающих оптических элементах, расположенных вдоль волноводов, содержащих наклонные отражатели (для тонкой настройки) и набора соединяющих волноводов (для широкой перестройки). Их задача сформировать постоянный сдвиг фаз между двумя любыми оптическими пучками, отраженными от соседних элементарных отражателей. Уровень боковых лепестков в полосе пропускания фильтра можно понизить до уровня больше -20 дБ за счет аподизации, путем изменения коэффициента деления пучка при отражении от элементарных отражателей.

Известен аналогичный тип фильтра (с использованием множества наклонных отражателей), который работает на основе интерференции множества пучков распространяющихся в планарном оптическом волноводе, которые обеспечивают возможность широкой перестройки длины волны за счет акустооптического (АО) эффекта (А.В.Царев. "Акустооптический перестраиваемый фильтр", патент Российской Федерации № 2182347, 10 мая 2002 г., опубликован в Бюл. № 13, от 10.05.2002, A.V.Tsarev “Acousto-optical variable filter”, United States Patent No. 7092139, Published on August 15, 2006, Foreign Application Priority Data August 04, 2000). В данном устройстве делители светового пучка в виде периодически расположенных наклонных элементарных отражателей, пересекающих сердцевину канального волновода, выполнены таким образом, что отраженные пучки распространяются далее по планарному волноводу, а затем вновь поступают на аналогичный канальный волновод с множеством наклонных отражателей, который принято называть, фильтрующим элементом. В данном устройстве фильтрация заданной длины волны оптического спектра также осуществляется за счет конструктивной интерференции множества оптических пучков, поступающих из планарного волновода на наклонные элементарные отражатели, и которые направляют оптическое излучение вдоль оси канального оптического волновода фильтрующего элемента. Причем, для каждой длины волны существует оптимальный угол падающего пучка, для которого работает конструктивная интерференция и осуществляется эффективная фильтрация. Это позволяет осуществлять перестройку длины волны не только изменением показателя преломления, соответствующих канальных волноводов (как и в описанном выше оптическом фильтре), но и за счет поворота фазового фронта при акустооптическом взаимодействии. В этом случае, оптические пучки, которые распространяются по планарному волноводу, взаимодействует с поверхностной акустической волной (ПАВ), возбуждаемой встречно штыревым преобразователем (ВШП). Дифрагированный оптический пучок, отклоняется от падающего пучка на двойной брэгговский угол, и попадает на фильтрующий элемент. В данном устройстве этот угол определяется длиной акустической волны, которая контролируется частотой высокочастотного сигнала (сотни мегагерц), прилагаемого к встречно-штыревому преобразователю.

Достоинство обоих данных типов оптических фильтров и мультиплексоров заключается в принципиальной возможности узкополосной фильтрации и широкодиапазонной перестройки длины волны. Недостатком данных конструкций заключается в сложности изготовления наклонных отражателей, сочетающих малый коэффициент отражения (0.01-0.0001) и низкий уровень паразитного рассеяния. Поэтому данные оптические элементы до сих пор не реализованы в виде экспериментальных устройств. Данные устройства наиболее близко подходят к заявляемому и поэтому приняты за прототип.

Известен также оптический перестраиваемый фильтр на основе кольцевых резонаторов (Magdalena S. Nawrocka, Tao Liu, Xuan Wang, and Roberto R. Panepucci, “Tunable silicon microring resonator with wide free spectral range”, Appl. Phys. Lett. 89, 071110 (2006), которые могут объединяться в группы для улучшения фильтрующих свойств (K. Yamada, T. Shoji, T. Tsuchizawa, T. Watanabe, J. Takahashi, and S. Itabashi, “Silicon-wire-based ultrasmall lattice filters with wide freespectral ranges,” Opt. Lett. 28, 1663-1664 (2003)). Оптическая связь кольцевого резонатора с канальными оптическими волноводами, осуществляющих ввод-вывод оптического излучения, осуществляется за счет туннельной связи данных волноводов с волноводом кольцевого резонатора. Данные фильтры могут быть изготовлены на различных волноводных структурах, например, на основе нитрида кремния, полимеров, ниобата лития или структур кремний-на-изоляторе (КНИ). Наиболее компактные фильтры реализованы на КНИ-волноводах, т.к. высокий контраст показателя преломления (кремний-окисел) позволяет получать малый радиус искривления канальных волноводов (до нескольких микрон). Кроме того, это обеспечивает более широкую (до 40 нм) свободную спектральную зону (FSR-free spectral range), которая определяет рабочий диапазон работы фильтра. Перестройка длины волны таких кольцевых резонаторов осуществляется за счет фазосдвигающих оптических элементов, работающих на основе термооптического эффекта, электрооптического эффекта или изменения концентрации свободных носителей заряда в волноводной области. Недостатком данных фильтров является низкий диапазон перестройки длины волны, которая пропорциональна величине изменения показателя преломления, ограниченной физическими свойствами материала волноводов. Для расширения диапазона перестройки, иногда используют эффект нониуса (Vernier effect), т.е. фильтрация осуществляется согласованным изменением показателя преломления одновременно у двух кольцевых резонаторов, имеющих более узкую и разную величину свободной спектральной зоны (J.Floriot, F.Lemarchand, and M.Lequime. Tunable double-cavity solid-spaced bandpass filter, Opt. Express, 2004, v. 12, p. 6289-6298). Недостатком такого типа фильтров является сложность управления длиной волны, а также наличие паразитных сигналов на длинах волн, кратных величине свободной спектральной зоны каждого из фильтров.

Известен также оптический фильтр (K. Yamada, T. Shoji, T. Tsuchizawa, T. Watanabe, J. Takahashi, and S. Itabashi, “Silicon-wire-based ultrasmall lattice filters with wide freespectral ranges,” Opt. Lett. 28, 1663-1664 (2003)), работающий на основе использования линейки интерферометров Маха-Цандера (Mach-Zehnder (MZ)) и туннельной связи канальных волноводов. Фильтр изготавливается в структурах КНИ с помощью комплементарной металл-оксид-полупроводник (КМОП) совместимой технологии (complementary metal-oxide-semiconductor technology (CMOS)) и имеет постоянную разницу в оптической длине (path-length difference) разных плеч интерферометра (для обеспечения фильтрации) и различную величину туннельной связи (для обеспечения аподизации, необходимой для снижения уровня боковых лепестков). К сожалению, такие фильтры не предназначены для широкополосной перестройки длины волны, поэтому они предпочтительны для использования в качестве фиксированных фильтрующих устройств с малым числом частотных каналов (т.е. с малым набором рабочих длин волн).

Техническим результатом изобретения является создание оптического перестраиваемого фильтра, который бы одновременно имел широкий диапазон перестройки и узкую ширину линии фильтрации, и который можно было бы изготовить на основе существующих и перспективных технологий.

Технический результат достигается тем, что в оптическом перестраиваемом фильтре, содержащем канальные оптические волноводы для ввода-вывода оптического излучения и распространения светового пучка, делители светового пучка, расположенные последовательно по ходу излучения, средство формирования для передачи оптического излучения, ответвленного с помощью делителей пучка, причем средство формирования выполнено в виде набора соединительных канальных оптических волноводов и/или планарного оптического волновода, согласно изобретению, делители пучка выполнены в виде набора связанных оптических волноводов, взаимное расположение которых выбрано с учетом поддержания на рабочей длине волны излучения разности фаз, по существу кратной 2π, для большинства пучков, ответвленных с помощью различных делителей пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра. Здесь π = 3.14159… - универсальная константа. Требование, что большинство пучков имеет сдвиг разности фаз, по существу кратный 2π, приводит к тому, что на рабочей длине волны все эти пучки сложатся в фазе и сформируют интенсивный сигнал на выходе устройства. То относительно не большое число пучков, где это условие нарушается, не внесут существенного вклада в величину интенсивности сигнала на рабочей длине волны. Однако, их вклад может быть полезен для формирования нужной формы спектральной характеристики (например, для подавления паразитных сигналов за пределами ширины линии фильтрации).

Основу устройства составляют канальные и/или планарные волноводы. Канальный оптический волновод имеет увеличенное значение показателя преломления как вглубь, так и поперек структуры, т.е. он представляет собой локальную область на/либо под поверхностью твердого тела в виде тонкой полоски шириной от долей до единиц микрон, с показателем преломления выше показателя преломления окружающих его сред. Причем, область с увеличенным значением показателя преломления может быть как однородной, так и неоднородной (случай градиентного оптического волновода). Канальный оптический волновод может поддерживать распространение с низкими потерями узкого и не расходящегося оптического пучка вдоль его оси в окрестности области с увеличенным значением показателя преломления. Количество направляемых (волноводных) волн (мод), которые поддерживает данная структура, и пространственное распределение их оптических полей определяются профилем изменения показателя преломления по глубине и ширине. Для корректной работы данного устройства желательно использовать только одномодовые волноводы, т.е. те в которых распространяется только одна фундаментальная мода для той поляризации, которая используется в работе устройства. Чаще всего это ТЕ-поляризация, т.е. когда электрическое поле оптической волны лежит в плоскости подложки. Иногда используется также ТМ-поляризация, у которой вектор магнитного поля лежит в плоскости подложки. Планарный волновод представляет собой тонкий слой толщиной от долей до нескольких микрон с показателем преломления выше показателя преломления окружающих сред (подложки и окружающего верхнего слоя, в данном случае, воздуха). В планарным оптическим волноводе световой пучок может распространяться внутри данного слоя с очень низкими потерями (меньше 1 дБ/см). Планарные волноводы могут быть как однородными, так и градиентными.

Канальные и планарные волноводы могут быть изготовлены путем диффузии металлов, протонным обменом из расплавов солей, распылением веществ с более высоким показателем преломления, чем у подложки, эпитаксией из газовой или жидкой фазы, модификацией свойств поверхностного слоя за счет облучения, например, электронами и/или фотонами и т.д. Канальный волновод может быть изготовлен путем травления канавок на поверхности планарного волновода. В результате вертикальное ограничение поля волны осуществляется свойствами исходного планарного волновода, а поперечное ограничение, осуществляется за счет скачка показателя преломления на границе вытравленной области. Глубина канавок может частично перекрывать сердцевину планарного волновода и формировать гребенчатый тип канального волновода, или полностью пересекать его сердцевину, тем самым формировать полосковый оптический волновод. Такие волноводы наиболее перспективны для создания данного типа устройств в структурах кремний-на-изоляторе и на ниобате лития. В качестве материалов для изготовления оптических волноводов может быть использован поликремний, смесь (в нужном соотношении) окиси кремния (SiO₂) и окись титана (TiO₂, Titanium dioxide), халькогенидное стекло (As₂S₃), нитрид алюминия (AlN, Aluminium nitride), нитрид кремния (Si₃N₄, Silicon nitride), оксинитрид кремния (SiON, Silicon oxynitride), нитрид галлия (GaN, Gallium nitride), полимеры и др. материалы, широко используемые в фотонике и интегральной оптике.

Для удобства обсуждения в дальнейшем, канальный волновод с соответствующими делителями пучка, через который производится ввод оптического излучения, будем называть формирующим элементом, а канальный волновод с соответствующими делителями пучка, через который производится вывод оптического излучения, будем называть фильтрующим элементом.

Канальные волноводы, по которым распространяется оптическое излучение между соответствующими делителями пучка разных фильтрующих элементов, будем называть соединительными волноводами. Под термином связанные оптические волноводы понимается общепринятая в научной литературе ситуация, когда энергия оптической волны может перетекать (частично или полностью) между двумя (или более) оптическими волноводами за счет туннельной связи их оптических полей через разделяющее их пространство. Под термином фазосдвигающие оптические элементы понимается общепринятая в научной литературе ситуация, когда фаза оптической волны, которая распространяется по оптическому волноводу, управляется с помощью внешнего сигнала, например, за счет электрооптического или термооптического эффектов, или эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда, или под другим физическим воздействием (деформации, излучения и т.д).

Кроме того, на основе данного изобретения можно получить дополнительные технические результаты, которые обсуждаются ниже.

Целесообразно для обеспечения лучшей фильтрации оптического излучения и уменьшения размеров устройства, в составе делителей пучка и/или средства формирования выполнить изогнутые канальные волноводы и/или канальные волноводы меняющие направление за счет эффекта отражения от области с высоким коэффициентом отражения, например, за счет эффекта полного внутреннего отражения. Это облегчит их соединение с соединительными волноводами и/или формирование в планарном волноводе набора фазированных пучков с учетом поддержания разности фаз на рабочей длине волны излучения по существу кратной 2π.

Целесообразно для обеспечения лучшей фильтрации оптического излучения в составе средства формирования выполнить расширители пучка, которые формируют в планарном волноводе набор фазированных пучков с учетом поддержания разности фаз на рабочей длине волны излучения по существу кратной 2π. Расширители пучка могут быть выполнены в виде адиабатических рупорных элементов и/или суживающихся канальных волноводов.

Целесообразно для уменьшения размеров устройства, волноводы формирующих и фильтрующих элементов выполнить параллельно друг к другу. При этом соединительные волноводы, как правило, выполнены нормально (под прямым углом) к указанным волноводам. Такую конструкцию фильтра будем называть прямоугольной (ортогональной).

Целесообразно для увеличения крутизны перестройки длины волны и/или расширения свободной спектральной зоны, волноводы формирующих и фильтрующих элементов выполнить под углом друг к другу. При этом соединительные волноводы, как правило, выполнены наклонно к указанным волноводам под углом, отличающимся от прямого. Такую конструкцию фильтра будем называть наклонной.

Целесообразно для обеспечения одновременной фильтрации нескольких частотных каналов (функция многоканальный фильтр - multi channel drop filter) выполнить последовательно несколько фильтрующих элементов (по одному на каждый частотный канал), при этом эффективный показатель преломления, и/или угол наклона фильтрующих элементов и/или расположение делителей пучка каждого выполнены с учетом индивидуальной присущей только данному фильтрующему элементу рабочей длины волны, отличной от рабочей длины волны других фильтрующих элементов.

Для осуществления сквозного прохождения широкополосного оптического сигнала (функция прохождения - through) целесообразно последний по ходу излучения фильтрующий элемент выполнить с учетом поддержания для большинства пучков разности фаз по существу кратной 2π в широком спектральном диапазоне, не меньше свободной спектральной зоны фильтра.

Для перестройки длины волны фильтруемого излучения в непосредственной близости по меньшей мере одного канального волновода фильтрующего или формирующего элемента целесообразно выполнить по крайней один набор управляющих электродов в виде полосок проводящего материала, для создания при приложении электрического поля локальных изменений показателя преломления в окрестности указанных волноводов за счет электрооптического или термооптического эффектов, или эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда.

Для перестройки длины волны фильтруемого излучения одновременно всех оптических каналов и для расширения диапазона перестройки длин волн света оптического фильтра, в непосредственной близости от набора соединительных канальных оптических волноводов целесообразно выполнить по крайней один набор управляющих электродов в виде полосок проводящего материала, для создания при приложении электрического поля локальных изменений показателя преломления в окрестности указанных волноводов за счет электрооптического или термооптического эффектов или эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда, причем длину управляющих электродов и величину приложенного к ним напряжения выбирают такими, чтобы иметь одинаковый или отличающийся на четное число π сдвиг фаз для соседних пучков, ответвленных различными делителями пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра.

Для сокращения числа управляющих электрических сигналов оптического фильтра с расширенным диапазоном перестройки длин волн света целесообразно в непосредственной близости от набора соединительных канальных оптических волноводов выполнить многосекционные электродные структуры. Приложение электрического поля к электродным структурам должно обеспечить линейное нарастание сдвига фаз для соседних пучков (с учетом возможного сдвига фазы на четное число π).

Для сокращения числа управляющих электрических сигналов оптического фильтра с расширенным диапазоном перестройки длин волн света целесообразно в непосредственной близости от набора соединительных канальных оптических волноводов выполнить многосекционные электродные структуры, причем по крайней два ряда этих структур расположить последовательно по ходу оптического пучка. Приложение электрического поля к первому ряду электродных структур с переменной длиной электродов обеспечивает линейное нарастание сдвига фаз для соседних пучков, а одновременное приложение электрического поля ко второму ряду электродных структур с постоянной длиной электродов обеспечивает линейное (с учетом возможного сдвига на четное число π) изменение сдвига фаз по всему набору полосковых волноводов.

В двух последних случаях для обеспечения сквозного прохождения широкополосного оптического сигнала (функция прохождения - through) необходимо на участке между последним и предпоследним фильтрующим элементом разместить аналогичный набор электродных структур, причем длина электродов и величина приложенного напряжения к каждому из электродов выбирают такими, чтобы иметь нулевой или отличающийся на четное число π сдвиг фаз для соседних пучков, ответвленных различными делителями пучка, и прошедших от входа до выхода оптического фильтра.

Для обеспечения широкой перестройки длины волны целесообразно выполнить, по крайней мере, один источник акустических волн для возбуждения акустической волны, способной взаимодействовать со световыми волнами оптических пучков, распространяющихся через средство формирования.

Следует отметить, что в случае, когда оптический фильтр содержит планарный волновод и источник акустических волн, то сквозное прохождение широкополосного оптического сигнала (функция through) осуществляется для всех длин волн, кроме тех, которые были отклонены с помощью акустооптической волны. Часть отклоненных световых пучков, на заданных длинах волн, будут отфильтрованы с помощью одного или нескольких фильтрующих элементов. Однако, желательно, чтобы все оставшиеся (не отфильтрованные) длины волн получили возможность для сквозного прохождения через устройство. Для этой цели оптический фильтр целесообразно изготовить с, по крайней мере одним, дополнительным источником акустических волн, выполненным с возможностью генерировать акустическую волну, направленную встречно акустической волне основного источника и способную взаимодействовать со световыми волнами пучка на участке между последним и предпоследним фильтрующими элементами.

Путем оптимизации величины коэффициента деления, фазы и положения каждого из делителей пучка формирующего и/или фильтрующих элементов могут быть скорректированы как форма линии пропускания, так и ее огибающая в спектральном диапазоне работы фильтра. Например, для обеспечения существенного подавления (больше 20 дБ) боковых лепестков, делители пучка целесообразно выполнить с разными коэффициентами деления. Это обеспечивается за счет изменения величины туннельной связи, которая выбирается такой, чтобы обеспечить оптимальную амплитуду пучков и/или фазу волн, ответвленных различными делителями пучка. При этом на выходе устройства вклад в результирующий сигнал от разных пучков, как правило, уменьшается от средней части формирующего и фильтрующего элементов к их концам. Следует отметить, что под термином «аподизация» понимется общепринятый в научно-технической литературе случай, когда варьируется амплитуды и/или фазы различных составляющих сигнала, суммирование которых формирует спектральный отклик устройства. Поэтому аподизация может быть амплитудной, фазовой или смешанной (амплитудно-фазовой). Большинство интерференционных оптических устройств использует аподизацию для улучшения их технических характеристик.

С целью обеспечения разного коэффициента деления пучка у формирующего и/или фильтрующего элементов, целесообразно выполнить делители пучка с разным расстоянием между связанными волноводами и/или разной эффективной длиной связи.

С целью упрощения технологии изготовления, делители пучка и/или канальные волноводы формирующего и/или фильтрующего элементов и/или соединительные волноводы могут быть выполнены в одном слое.

С целью улучшения характеристик оптического фильтра, делители пучка и/или канальные волноводы формирующего и/или фильтрующего элементов, и/или соединительные волноводы и/или планарные волноводы могут быть выполнены в разных слоях.

Для уменьшения паразитных сигналов целесообразно свободные концы канальных волноводов соединить с демпфирующими областями, имеющие большие оптические потери на распространение. Такими демпфирующими областями могут быть части структуры с высокой концентрацией свободных носителей заряда, и/или содержащие рассеивающие центры, и/или субмикронные дифракционные решетки, и/или суживающиеся (клиновидные) канальные волноводы с плавно уменьшающимся сечением сердцевины (чтобы проходящее по ним излучение увеличило свой пространственный размер (расширилось) и покинуло область оптического фильтра).

С целью уменьшения размеров фильтра, делители пучка и/или, канальные волноводы формирующего и/или фильтрующего элементов и/или соединительные волноводы выполнены в структурах кремний-на-изоляторе.

С целью уменьшения размеров фильтра и улучшения параметров устройство выполнено в волноводных структурах на основе ниобата лития.

С целью улучшения параметров фильтра канальные волноводы, формирующие делители пучка, имеют одинаковые или близкие эффективные показатели преломления.

Конструктивная реализация оптических фильтров может содержать множество пересечений канальных волноводов формирующего и/или фильтрующего элементов с соединительными волноводами. Для уменьшения паразитных сигналов целесообразно выполнить пересечение указанных канальных волноводов с минимальными потерями на рассеяние, например, за счет описанного в научной литературе метода многослойного пересечения с использованием вертикальной связи, например, на основе суживающихся канальных волноводов (см. например, K.Watanabe, Y. Hashizume, Y. Nasu, Y. Sakamaki, M. Kohtoku, M. Itoh, and Y. Inoue, “Low-loss three-dimensional waveguide crossings using adiabatic interlayer coupling,” Electron. Letters 44, 1356-1357 (2008); R. Sun, M. Beals, A. Pomerene, J. Cheng, Ching-yin Hong, L. Kimerling, and J. Michel, "Impedance matching vertical optical waveguide couplers for dense high index contrast circuits," Opt. Express 16, 11682-11690 (2008); или Andrei V. Tsarev, "Efficient silicon wire waveguide crossing with negligible loss and crosstalk," Opt. Express 19, 13732-13737 (2011)).

Работа оптического фильтра поясняется на следующих фигурах, которые имеют сплошную нумерацию, дополнительно поясняемую по ходу изложения.

Фиг.1 изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра на связанных волноводах (ортогональная ориентация), согласно изобретению изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка.

Фиг.2 изображает принципиальную схему оптического одноканального фильтра на связанных волноводах (ортогональная ориентация, случай пересечения с соединительными волноводами), согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка.

Фиг.3 изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра на связанных волноводах (наклонная ориентация), согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка, θ - угол ориентации волноводов формирующего и фильтрующего элементов, измеряемый относительно нормали к соединительным волноводам.

Фиг.4 изображает принципиальную схему двухканального оптического фильтра на связанных волноводах, согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 и 4 - канальные оптические волноводы фильтрующих элементов, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 и 19-24 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующих элементов, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 и 63 - выход оптического фильтра для первого и второго спектральных каналов, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка.

Фиг.5 изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра-мультиплексора на связанных волноводах, согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 и 6 - канальные оптические волноводы фильтрующих элементов, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 71-76 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента для функции прохождения, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 65 - выход оптического фильтра для функции прохождения, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка.

Фиг.6 изображает принципиальную схему трехканального оптического фильтра-мультиплексора на связанных волноводах, согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3-6 - канальные оптические волноводы фильтрующих элементов, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18, 19-23, 54-58 - связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующих элементов разных спектральных каналов, 71-76 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента для функции прохождения, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41, 44-48, 49-53, 54-58 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62-64 - выходы оптического фильтра для разных спектральных каналов, 65 - выход оптического фильтра для функции прохождения, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 67-69 - входы оптического фильтра для добавления разных оптических длин волн в канал прохождения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка.

Фиг.7 изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра на связанных волноводах (ортогональная ориентация с термооптическим управлением), согласно изобретению, где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 101-106 - электроды для нагрева термооптических фазосдвигающих элементов широкой перестройки, 107 и 108 - набор электродных структур с постоянной длиной, 109 и 110 - набор электродных структур с линейно изменяемой длиной, 111-112 - электроды для нагрева термооптических фазосдвигающих элементов тонкой перестройки, 113 - изогнутые канальные оптические волноводы за счет эффекта полного внутреннего отражения.

Фиг.8 изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра с акустооптическим управлением на связанных волноводах (с адиабатическим расширением канальных волноводов рупорного типа), согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 59 - планарный оптический волновод формирующего элемента, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 76 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка, 77 - оптические пучки, отклоненные с помощью ПАВ, 79 - поглотитель ПАВ, 80 - адиабатический расширитель канального волновода рупорного типа, 82 - ПАВ, 83 - встречно-штыревой преобразователь для возбуждения ПАВ, 84 - источник высокочастотного сигнала для возбуждения ПАВ.

Фиг.9 изображает принципиальную схему одноканального оптического фильтра с акустооптическим управлением на связанных волноводах (двухслойный вариант с адиабатическим расширением оптического пучка на основе суживающегося канального волновода), согласно изобретению, изометрия; где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 59 - планарный оптический волновод формирующего элемента, 60 - суживающийся канальный оптический волновод, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 76 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка, 77 - оптические пучки, отклоненные с помощью ПАВ, 77 - оптические пучки, прошедшие фильтрующий элемент, 79 - поглотитель ПАВ, 81 - адиабатический расширитель оптического пучка на основе суживающегося канального волновода, 82 - ПАВ, 83 - встречно-штыревой преобразователь для возбуждения ПАВ, 84 - источник высокочастотного сигнала для возбуждения ПАВ, 85 - адиабатический расширитель оптического пучка на основе суживающегося канального волновода на выходе фильтрующего элемента.

Фиг.10 изображает принципиальную схему моделирования одноканального оптического фильтра на связанных волноводах (ортогональная ориентация с термооптическим управлением), где 1 - твердотельная подложка, 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 7-12 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка формирующего элемента, 13-18 связанные канальные оптические волноводы делителей пучка фильтрующего элемента, 30-32 - изогнутые канальные оптические волноводы, 36-41 - соединительные канальные оптические волноводы, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра для первого спектрального канала, 66 - выход оптического фильтра для контроля входного излучения, 70 - оптические пучки, ответвленные делителями пучка, 91-95 - FDTD мониторы, 97 - демпфирующая область, d - ширина зазора щели, R - радиус кривизны изогнутых волноводов, LL - длина фазосдвигающих оптических элементов на соединительных волноводах, A - период расположения соединительных волноводов, ΔT0, ΔT1, ΔT2, ΔT3 - значение прироста температуры фазосдвигающих оптических элементов на соединительных волноводах.

Фиг.11 - изменение коэффициента деления пучка для отклоненной (R_c) и прошедших (T_c) волн, как функция расстояния d между полосковыми волноводами на основе нанопроволок кремния (расчет 2D FDTD). Для сравнения приведена экспоненциальная аппроксимация для R_c(d).

Фиг.12 - пример функции аподизации A_p и необходимые для ее реализации коэффициенты R_c деления пучка и зазор d щели между полосковыми волноводами на основе нанопроволок кремния, как функция номера M делителя пучка (расчет 2D FDTD).

Фиг.13 - численная демонстрация работы оптического фильтра, имеющего 32 делителя пучка на основе нанопроволок кремния (расчет 2D FDTD), где 2 - канальный оптический волновод формирующего элемента, 3 - канальный оптический волновод фильтрующего элемента, 61 - вход оптического фильтра, 62 - выход оптического фильтра, 91, 91, 95 - FDTD мониторы.

Фиг.14 - спектральные свойства оптического фильтра, имеющего 32 делителя пучка, на основе нанопроволок кремния, для разных комбинаций управляющих температур фазосдвигающих оптических элементов (расчет 2D FDTD); а) для тонкой перестройки длины волны; б) для широкой перестройки длины волны; для обозначения разных значения ΔT1, ΔT2 и ΔT3 использовалась целочисленная нумерация в виде *i***. Здесь первое значение указывает на величину ΔT, а последующие цифры указываю величины ΔT1, ΔT2 и ΔT3 в долях ΔT00. В частности, обозначение 50i123 соответствует случаю: ΔT = 50 C°, ΔT1 = 1×ΔT00, ΔT2 = 2×ΔT00, и ΔT3 = 3×ΔT00.

Фиг.15 - коэффициенты деления пучка R как функция их номера M для разных фильтрующих элементов, необходимые для создания узкополосного оптического фильтра-мультиплексора с частотной сеткой 25 ГГц; здесь R_c2, R_c3, R_c6 коэффициенты деления пучка для разных волноводов 2, 3-5 и 6 соответственно.

Фиг.16 - спектральные свойства узкополосного оптического фильтра-мультиплексора на основе нанопроволок кремния, для разных комбинаций управляющих температур ΔT фазосдвигающих оптических элементов тонкой настройки (расчет по лучевой модели); а) для ортогональной ориентации; б) для наклонной ориентации.

Фиг.17 - коэффициенты деления пучка R как функция их номера M для разных фильтрующих элементов (случай акустооптического фильтра с сеткой частот 25 ГГц); здесь R_c2, и R_c3 - коэффициенты деления пучка для разных волноводов 2 и 3 соответственно.

Фиг.18 - спектральная зависимость эффективности фильтрации для разных значений частоты ПАВ (в МГЦ). Случай АО фильтра с сеткой частот 25 ГГц и 250 ГГц. d=10 мкм, оптическая апертура 0.58 см и 0.058 см, соответственно. Спектры фильтра на 25 ГГц располагаются внутри спектра фильтра на 250 ГГц.

Фиг.19 - спектральная зависимость эффективности фильтрации для АО фильтра с сеткой частот 25 ГГц. d=10 мкм, частота ПАВ 1225 МГц, оптическая апертура 0.58 см.

Конструктивно устройство выполнено следующим образом. На поверхности твердотельной подложки 1 (фиг.1-9) либо в непосредственной близости под ней (случай так называемого заглубленного волновода) выполнены канальные оптические волноводы формирующего (2) и фильтрующего (3-6) элементов. На поверхности твердотельной подложки 1 (фиг.1-9) либо под ней в непосредственной близости от канальных оптических волноводов (2, 3) формирующего и фильтрующего элементов изготавливается набор делителей пучка, включающие рядом расположенные канальные оптические волноводы (7-29, 71-76), которые за счет туннельной связи способны ответвлять часть энергии падающего пучка в указанные волноводы. Оставшаяся часть энергии распространяется дальше по исходному волноводу до следующего аналогичного делителя пучка, пока не достигнет конца структуры.

Канальные волноводы делителей пучка имеют искривленные части (30-32, 34, 35), которые с одной стороны служат для плавного изменения коэффициента связи (30-32), чтобы уменьшить паразитное отражение, а с другой стороны позволяют оптимальным образом расположить все выводы делителей пучка для последующего соединения со средством формирования. В качестве варианта (см. фиг.7), направление канального волновода изменяется за счет эффекта зеркального отражения от области с высоким коэффициентом отражения, например, за счет эффекта полного внутреннего отражения (113) на вертикально вытравленной границе. Такие элементы описаны в литературе для создания кольцевых резонаторов (Doo Gun Kim, Jae Hyuk Shin, Cem Ozturk, Jong Chang Yi, Youngchul Chung, Nadir Dagli, "Rectangular Ring Lasers Based on Total Reflection Mirrors and Three Waveguide Couplers," Photonics Technology Letters, IEEE, vol.19, no.5, pp.306-308, (2007)). В общем случае средство формирования содержит набор искривленных (34, 35) и прямых (36-41, 44-58) канальных волноводов, и/или планарный волновод (59).

В последнем случае на поверхности твердотельной подложки 1 (см. фиг.8 и 9) либо под ней в непосредственной близости с волноводами формирующего 2 и фильтрующего 3 элементов выполнен планарный волновод 59, который оптически согласован с указанными полосковыми волноводами (для уменьшения паразитного рассеяния). Для оптического согласования полей полоскового и планарного волноводов выполнено рупорное расширение пучка (см. фиг.8) и/или адиабатически-суживающийся волновод 81 (см. фиг.9). Последний обычно выполняется на верхнем слое многослойной структуры и обеспечивает расширение пучка и переход оптической волны между двумя волноводными слоями (из канального волновода в планарный волновод). Данный оптический элемент работает на известном принципе, согласно которому оптическое поле направляемой волны (фундаментальной моды волновода) адиабатически увеличивается в размере по мере распространения волны к узкому концу (V. R. Almeida, R. R. Panepucci, and M. Lipson, "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003)).

Канальный оптический волновод 2 является составной частью формирующего элемента, а через его вход 61 вводят в фильтр оптический пучок, который может содержать разные длины волн оптического спектра. Ввод света в канальный оптический волновод 2 может осуществляться различными способами, например, стыковкой с волоконным оптическим световодом, фокусировкой оптического излучения на торец структуры, использованием решеточного элемента ввода-вывода, и т.д. Аналогично, канальные оптические волноводы 3-6 является составной частью фильтрующего элемента, а через их выходы 62-65 выводят оптические пучки, которые прошли через средство формирования.

В непосредственной близости каждого из канальных оптических волноводов 2-6 выполнены канальные волноводы делителей пучка 7-29, 71-76, которые туннельно связаны с этими волноводами 2-6. Коэффициент деления энергии пучка на связанных волноводов зависит от длины области связи (обычно растет с ее увеличением), от перекрытия полей мод каждого из волноводов (обычно уменьшается с ростом расстояния между волноводами) и величины фазового рассогласования их полей (зависит от эффективных показателей преломления мод соответствующих волноводов). Отметим, что в некоторых случаях, например, из технологических соображений удобства изготовления, делитель пучка может содержать более двух волноводов, например, три канальных волновода (см. (Doo Gun Kim, Jae Hyuk Shin, Cem Ozturk, Jong Chang Yi, Youngchul Chung, Nadir Dagli, "Rectangular Ring Lasers Based on Total Reflection Mirrors and Three Waveguide Couplers," Photonics Technology Letters, IEEE , vol.19, no.5, pp.306-308, (2007)). Важно, что для обеспечения аподизации коэффициент деления варьируется в широких пределах (от 0 до 1) путем изменения параметров элемента связи оптических волноводов, который выполняет функцию делителя пучка. В устройствах, представленных на фиг.1-9, канальные волноводы делителей пучка 7-29, 71-76 выполнены на разном расстоянии от волноводов 2-6, что обеспечивает необходимую апподизацию.

Для управления рабочей длиной волны оптического фильтра используются фазосдвигающие оптические элементы, работающие на основе электрооптического или термооптического эффектов, эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда. Технология изготовления электродов и конструкции фазосдвигающих оптических элементов подробно описаны в научно-технической литературы. На фиг.7 представлены варианты исполнения устройства на основе термооптического эффекта. Для этой цели на поверхности структуры выполнены электродные структуры 101-112, нагрев которых при протекании электрического тока, вызывает локальные изменения показателя преломления в области оптического волновода. Электроды 101-106 управляются независимо от многоканальных источников постоянного или переменного тока (не показаны) или сгруппированы, например, с периодом, равным 4 (т.е. каждый 4 запитывается параллельно), для уменьшения числа каналов у источника тока. У варианта устройства группы электродов 107-108 и 109-110 выполнены последовательно по ходу оптического излучения, причем электроды 107-108 выполнены с постоянной длиной электродов, а группа 109-110 - имеет линейно изменяющуюся длину от номера соединительного канального волновода, на котором они изготовлены. Нагрев электродов 109-110 дает линейное изменение фазы внутри каждой группы. Нагрев электродов 107-108 обеспечивает линейное изменение фазы (с точностью до постоянного смещения 2π) по всей структуре фильтра. Для обеспечения тонкой подстройки длины волны электроды 111 и 112 выполнены вдоль оптических волноводов формирующего 2 и фильтрующего 3 элементов.

Для обеспечения акустооптического управления на структурах фиг.8 и 9 выполнены полосковые 2 и 3, а также планарный 59 волноводы. Для возбуждения поверхностной акустической волны 82 выполнена по крайней мере одна электродная структура встречно-штыревых преобразователей 83, которая запитывается источником высокочастотного излучения 84. Для формирования оптических пучков под углом Брэгга к ПАВ выполнены адиабатические расширители пучков рупорного типа 80 (см. фиг.8) и на основе суживающихся канальных волноводов 81 (см. фиг.9). Для затухания отраженной волны выполнен акустический поглотитель 79, например, на основе прорезиненного компаунда. Для гашения паразитного и неиспользуемого излучения выполнены клиновидные суживающиеся волноводы 60. Устройство на фиг.9 целесообразно выполнить в двух волноводных слоях разделенных буферным слоем с низким показателем преломления. При этом большая часть устройства выполнена на основной подложке, а на верхнем слое выполнены канальные волноводы делителей пучка 7-18.

Работу оптического фильтра можно охарактеризовать следующим образом. Поступив на вход устройства 61 (см.фиг.1-9) световой пучок последовательно проходит через делители пучка и поступает на средство формирования в виде набора пучков (см. стрелки) со строго заданной амплитудой и фазой, которые определяются параметрами элементов связи соответствующих канальных оптических волноводов 2-6 с канальными волноводами 7-29, 71-76. Часть излучения проходит по волноводу 2 до его конца 66 и может быть использована для контроля уровня входного сигнала (функция out). Однако, для оптимальной конструкции устройства, большая часть энергии входного пучка переходит в средство формирования в виде когерентных световых пучков 70, которые обеспечивают фильтрующие свойства устройства.

Случаи, когда средство формирования выполнено только из канальных оптических волноводов, представлены на фиг.1-7. Для начала рассмотрим варианты простых одноканальных фильтров (см.фиг.1-3, 7). Здесь оптические пучки поступают из формирующего элемента на соединительные канальные волноводы 36-41 в виде когерентных световых пучков 70 и далее последовательно проходят через делители пучка фильтрующего элемента, образованные связанными волноводами 3 и 13-18. На каждом на таком элементе оптический пучок делится на две части, одна - проходит дальше по изогнутым волноводам 32 до суживающихся концов 60, использующихся в качестве демпфирующих элементов (для вывода ненужного излучения из структуры). Другая часть туннелирует в волновод 3 и последовательно проходит дальше через аналогичные делители пучка. На каждом из делителей пучка происходит суммирование оптических полей (с учетом их амплитуд и фаз), поступающих на делители пучка со стороны соответствующих соединительных волноводов 36-41, и полей уже поступивших в волновод 3 с предыдущих (по ходу оптического излучения) делителей пучка.

Согласно изобретению взаимное расположение делителей пучка выбрано с учетом поддержания разности фаз на рабочей длине волны излучения для большинства пучков, ответвленных с помощью различных делителей пучка, по существу кратной 2π. Поэтому на рабочей длине волны все такие пучки будут суммироваться в фазе и их амплитуды будут нарастать по мере распространения вдоль волновода 3 (см. увеличение ширины стрелок, которые иллюстрируют рост амплитуды). Для всех других длин волн набег фазы для любой пары пучков будет произвольным (не кратен 2π) и условие конструктивной интерференции будет нарушено, следовательно, интенсивность, прошедшей до выхода 62 оптической волны, будет мала. Таким образом, данное устройство будет осуществлять функцию оптической фильтрации для тех длин волн, для которых выполнено описанное выше условие кратности 2π.

Отметим, что конструктивно оптический фильтр может быть реализован как в ортогональной ориентации (см. фиг.1 и 2), так и наклонной (см. фиг.3). Ее отличительной особенностью является то, что она позволяет увеличить крутизну перестройки длины волны и/или расширить размер свободной спектральной зоны. Действительно, путь волноводы формирующего и фильтрующего элементов располагаются под углом θ относительно нормали к соединительным волноводам. Тогда нормальная ориентация соответствует случаю θ = 0° , а наклонная ориентация соответствует случаю θ ≠ 0°. Обычно для наклонной ориентации используется диапазон углов 45° < θ < 65°. Согласно изобретению условие конструктивной интерференции на рабочей длине волны λ₀ описывается выражением:

2π/λ₀ [ A× (N₁+N₂)/cosθ + L×(N_i+1-N_i) - 2A× N_i tg(θ)] = 2π m, (1)

где A - шаг расположения соединительных волноводов; N₁ и N₂ - эффективные показатели преломления фундаментальной моды канальных волноводов формирующего и фильтрующего элементов, соответственно; N_i+1 и N_i - эффективные показатели преломления фундаментальной моды канальных волноводов двух соседних соединительных волноводов (с номерами i+1 и i); L - одинаковые по длине области соединительных волноводов; m - порядок интерференции, который определяет величину свободной спектральной зоны Δλ оптического интерференционного фильтра:

Δλ =λ₀ /m (2)

На основе выражений (1)-(2) формулируются основные правила для управления длиной волны предлагаемого типа оптического фильтра, которую можно контролировать путем изменения показателя преломления канальных волноводов формирующего и фильтрующего элементов и/или соединительных волноводов. Для наглядности рассмотрим случай, когда одновременно на величину δN изменяется показатель преломления канальных волноводов формирующего и фильтрующего элементов. Тогда из выражения (1) можно найти соответствующее изменение рабочей длины волны:

δλ₀ = λ₀ δN/(N₁-N_isin(θ)). (3)

Из этого выражения видно, что крутизна перестройки длины волны (δλ₀/δN) зависит от угла ориентации волноводов θ, а также показателей преломления соединительных волноводов и волноводов формирующего и фильтрующего элементов. Если волноводы одинаковы (N₁= N_i), то крутизна перестройки растет как 1/(1-sin(θ)), что для характерных углов θ 45° и 60° дает увеличение крутизны в 3.4 и 7.5 раза, соответственно, по сравнению со случаем ортогональной ориентации (θ = 0°). Если, волноводы разные, причем N₁< N_i, то аналогичный эффект может быть достигнут при меньших углах θ, либо увеличение крутизны перестройки длины волны будет еще более значительным. Отметим, что эффект увеличения крутизны связан с увеличением периода расположения A соединительных волноводов и соответствующим увеличением длины волноводов формирующего и фильтрующего элементов, которые используются для сохранения той же самой величины Δλ, а именно:

A = λ₀ ² /(2Δλ) cos(θ)/(N₁-N_isin(θ)). (4)

Описанное выше управление оптическим фильтром может осуществляться монотонно по длине волны с помощью фазосдвигающих элементов, расположенных вдоль волноводов формирующего и фильтрующего элементов, которые будем называть элементами тонкой подстройки.

Из выражений (1)-(2) следует, что рабочую длину волны фильтра на величину δλ₀ можно изменить, если сформировать постоянный шаг изменения показателя ΔN_L =(N_i+1-N_i) в соединительных канальных волноводах.

δλ₀ = (Δλ/λ₀)ΔN_LL (5)

При этом очень удобно изменять длину волны дискретным образом с шагом δλ₀ = Δλ/p, где p - целое число (обычно 4 или 8). В этом случае необходимо иметь изменение ΔN_LLL=λ₀/p, что соответствует сдвигу фазы 2π/p в фазосдвигающих элементах длины LL, расположенных вдоль соединительных волноводов. Поскольку фаза определяется с точностью до 2π, то дискретное изменение длины волны оптического фильтра с шагом Δλ/p можно осуществить набором из p-1 фазосдвигающих устройств, последовательно расположенных (с периодом p) на разных канальных волноводах таким образом, чтобы создать дополнительное изменение фазы 2π/p между любыми соседними волноводами. Такие фазосдвигающих элементы будем называть элементами широкой перестройки длины волны. Комбинация элементов тонкой и широкой перестройки позволяет перестраивать рабочую длину фильтра с пределах свободной спектральной зоны при минимальных величинах изменения показателя преломления δN и ΔN_L в соответствующих оптических волноводах, что является важным преимуществом предлагаемого устройства. Это свойство будет более детально описано в дальнейшем.

Отличие одноканальных фильтров на фиг.1 и 2, заключается в месте расположения суживающихся областей 60, которые используются для вывода из структуры не отфильтрованного излучения (для уменьшения паразитных сигналов). Фиг.1 более компактна, но в структуре фиг.2 излучение покидает область фильтра, что приводит к дополнительному снижению паразитных помех, однако для этого нужно обеспечить пресечение волноводов с низкими потерями и низким уровнем перекрестных помех (см. например, K.Watanabe, Y. Hashizume, Y. Nasu, Y. Sakamaki, M. Kohtoku, M. Itoh, and Y. Inoue, “Low-loss three-dimensional waveguide crossings using adiabatic interlayer coupling,” Electron. Letters 44, 1356-1357 (2008); R. Sun, M. Beals, A. Pomerene, J. Cheng, Ching-yin Hong, L. Kimerling, and J. Michel, "Impedance matching vertical optical waveguide couplers for dense high index contrast circuits," Opt. Express 16, 11682-11690 (2008); или Andrei V. Tsarev, "Efficient silicon wire waveguide crossing with negligible loss and crosstalk," Opt. Express 19, 13732-13737 (2011)).

Использование нескольких структур, аналогичных той, что на фиг.2 позволяет конструировать фильтрующие элементы с расширенными функциональными возможностями. На фиг.4 представлен общий вид двухканального оптического фильтра, в котором в едином устройстве объединены два фильтра из фиг.2. Их работа аналогична работе одноканального фильтра, однако здесь оптические пучки, покидающие фильтр, не демпфируются с помощью суживающегося волновода 60 (см. фиг.2), а проходят дальше по соответствующим канальным волноводам (см. стрелки) и туннельно связываются с канальным волноводом 4 второго фильтрующего элемента. На его рабочей длине волны (отличной от длины волны первого фильтрующего элемента) набег фазы для любой пары пучков, ответвленных с помощью двух делителей пучка будет кратен 2π, и, следовательно, все такие пучки будут суммироваться в фазе и нарастать по мере распространения вдоль волновода 4 (см. увеличение ширины стрелок, которые иллюстрируют рост амплитуды). Важно, что описанное выше условие кратности 2π, определяющее рабочие длины волн первого и второго фильтрующего элементов, зависят от фазовых задержек оптических микропучков с входа 61 до выходов 62 и 63, и, следовательно, длины фильтруемых волн могут контролироваться описанным выше способом за счет изменения параметров и расположения, соответствующих канальных волноводов формирующих структуру оптического фильтра.

Легко заметить, что если изменить положение волновода 4 (см. фиг.4) на положение волновода 6 (см. фиг.5), то данное устройство трансформируется в оптический мультиплексор. Действительно, из геометрии фиг.5 легко заметить, что все микропучки, которые проходят от входа 61 волновода 2 до выхода 65 волновода 6, претерпевают одинаковый сдвиг фаз, который не зависит от длины волны оптического излучения. Следовательно, все они будут суммироваться в фазе и на выходе устройства 65 сформируют интенсивный сигнал, тем самым реализуют функцию прохождения (through) для всех длин волн, которые не были отфильтрованы на выходе 62 с помощью фильтрующего оптического элемента.

Комбинация технических решений, представленных на фиг.4 и 5, позволяет конструировать различные типы многоканальных оптических мультиплексоров, в которых одновременно реализуется функция многоканальной фильтрации и сквозного прохождения всех неотфильтрованных длин волн. Пример такого устройства показан на фиг.6. Данное устройство реализует функцию трехканального мультиплексора. Оно содержит один формирующий элемент с входом 61, три фильтрующих элемента с выходами 62-64, из которых можно вывести оптическое излучение на трех разных длин волн, а также фильтрующий элемент функции прохождения с выводом 65.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Оптический пучок, содержащий множество оптических длин волн, поступает на вход 61 по мере распространения по канальному волноводу 2 ответвляются в канальные волноводы 7-11 за счет туннельной связи. Каждый из ответвленных пучков распространяется по соответствующим канальным волноводам и по ходу распространения проходят через элементы связи различных фильтрующих элементов. Согласно изобретению устройство выполнено с учетом поддержания разности фаз на рабочих длинах волн излучения для любой пары пучков каждого из фильтрующих элементов, ответвленных с помощью различных делителей пучка, по существу кратной 2π. В данной ортогональной конструкции любые оптические пучки претерпевают одинаковый сдвиг фаз на пути от делителей пучка формирующего и фильтрующего элементов. Например, это видно из сравнения оптического пути (показанного стрелками) вдоль следующего порядка расположения канальных волноводов: 7-36-44-49-54, 8-37-45-50-55, 9-38-46-51-56 и т.д. В этом случае, если выполнить требование одинаковой задержки для любой пары соседних делителей пучка волноводов 2 и 6, например, 7-8 и 71-72, то фазовая задержка будет одинаковой для всех пучков от входа 61 до выхода 65, и, следовательно, устройство реализует функцию прохождения. С другой стороны, требуемый сдвиг фаз (кратный 2π) для осуществления фильтрации, в основном, формируется за счет оптической задержки между соответствующими делителями пучка, например, 7 и 8, а также 26 и 25 (от входа 61 до выхода 64). Для разных фильтрующих элементов требуемый сдвиг фаз 2π достигается на разных длинах волн, который определяется периодом расположения соответствующих делителей пучка, а также показателя преломления канальных волноводов, формирующих структуру оптического фильтра. Это позволяет организовать перестраиваемую фильтрацию оптического излучения на выходе 62-64 соответствующих фильтрующих элементов с помощью управляемых фазосдвигающих оптических элементов, а также прохождение до выхода 65 всех оставшихся (не отфильтрованных длин волн).

Для реализации функции перестраиваемого оптического мультиплексора ввода-вывода (Add/Drop multiplexor (ROADM)), сигналы на оптических длинах волн, соответствующих фильтрующих элементов могут быть введены в выводы 67, 68 и 69. Для лучшего подавления сигнала, который отфильтрован на предыдущей стадии, например, через вывод 62, последующий фильтрующий элемент 4 и/или 5 может иметь туже самую рабочую длину волны. Это обеспечивает лучшее подавление данной длины волны в прошедшем сигнале, что уменьшает уровень паразитных помех для оптических сигналов на той же длине волны, которая может поступить с входа 68 или 69.

Как обсуждалось выше, данное устройство может управляться с помощью фазосдвигающих оптических элементов для тонкой и широкой перестройки длины волны, как иллюстрируется на фиг.7. Первые из них располагаются вдоль канальных оптических волноводов формирующего 2 и фильтрующих 3-6 элементов (см. фиг.6). Они изменяют показатель преломления и, следовательно, фазовую задержку на пути между соседними отражателями пучка. В результате требуемый сдвиг фаз (кратный 2π) достигается на длинах волн, разных для разных каналов, которые зависят от изменения показателя преломления в соответствующих волноводах 2-6. Фазосдвигающие элементы на волноводах 3-5, позволяют независимо изменять рабочую длину волны каждого из фильтрующих элементов, однако, диапазон перестройки длины волны ограничен малым возможным изменением показателя и сдвига фазы на малом расстоянии (обычно порядка 10 мкм) между соседними делителями пучка. Для большего изменения рабочей длины волны используются фазосдвигающие элементы широкой перестройки на соединительных волноводах (36-41, 44-48, 49-53, 54-58). Их длина может быть достаточно большой, что снимает ограничение на величину сдвига фаз и, следовательно, на диапазон перестройки длины волны. Их задача создать постоянное изменение сдвига фаз по мере роста номера соответствующего соединительного волновода (36-41, 44-48, 49-53, 54-58). На рабочих длинах волн этот сдвиг фазы компенсируется (за счет отстройки длины волны) изменением фазовой задержки в соответствующих волноводах 2-5. Любая наперед заданная рабочая длина волны может быть отфильтрована за счет совместного использования фазосдвигающих оптических элементов для тонкой и широкой перестройки длины волны.

Случай, когда канальные оптические волноводы 2 и 3 выполнены в непосредственной близости от планарного оптического волновода 59 показаны на фиг.8 и 9. Здесь ответвленные на делителях пучка оптические пучки переходят в планарный волновод 59 с помощью адиабатических расширителей пучка (80 или 81), которыми оканчиваются соответствующие элементы связи делителей пучков. При этом в планарном волноводе формируется набор когерентных оптических пучков 76, которые проходят через область, по которой распространяется акустическая волна 82, которая генерируется источником 83 акустических волн. Период расположения делителей пучка определяется величиной свободной зоны Δλ согласно выражению (4). В качестве источника акустических волн 83 обычно используется один или несколько фазированных встречно-штыревых преобразователей (ВШП), представляющих собой гребенку электродов, подключенных к высокочастотному источнику 84 высокочастотного переменного электрического поля. Источник 83 за счет пьезоэффекта эффективно возбуждает поверхностную акустическую волну, которая распространяется в приповерхностной области, занимаемой оптическим волноводом 59, и может вступать в эффективное взаимодействие с направляемыми оптическими волнами. Для этой цели фазовые фронты пучков, формируемых и направляемых адиабатическими расширителями пучка должны располагаться под углом Брэгга θ_B к фазовому фронту акустической волны:

θ_B = arcsin(λ₀/(2ΛN)), (6)

где Λ - длина волны ПАВ, Λ = v/F, v и F - скорость и частота ПАВ, N - эффективный показатель преломления направляемой моды планарного волновода.

Для исключения отражения ПАВ, которое может привести к появлению паразитных сигналов, используется акустический поглотитель 79. На рабочей длине волны света когерентные оптические пучки 76 удовлетворяет условиям брэгговского фазового синхронизма и дифрагирует на ПАВ, в результате чего меняют направление распространения на двойной брэгговский угол и формируют когерентные пучки 77. Далее продифрагированные оптические пучки 77 с помощью аналогичных адиабатических расширителей пучка (80 или 81) попадают из планарного оптического волновода 59 в фильтрующий оптический элемент, выполненный в виде канального оптического волновода 3 и набора делителей пучка на связанных волноводах 13-18, и выводится из устройства через выход 62. Спектральные характеристики оптического фильтра оптимизируются методом аподизации за счет применения разных коэффициентов деления пучка, определяемых их коэффициентами связи, например, изменением взаимного положения (щели) канальных волноводов 7-18, 2, и 3 (см. фиг.8 и 9).

Главное отличие устройств на фиг.8 и на 9 заключается в особенностях их технической реализации. Устройство на фиг.8 предлагается реализовать в одном слое, например, на волноводах в ниобате лития. Сначала, создаются одномодовые планарные волноводы, например, за счет высокотемпературной диффузии титана, которая создает в приповерхностной области (порядка нескольких микрон) слой с более высоким показателем преломления (на величину порядка 0.01) по отношению к объемному материалу. Далее структура из канальных волноводов реализуется технологией глубокого травления через весь волноводный слой. В данной конструкции каждый элемент связи на канальных волноводах заканчивается с одной стороны адиабатически расширяющейся областью 80 (рупорного типа) для формирования относительно широкого (порядка 10 мкм) оптического пучка 76, а другой стороны суживающимся волноводом 60 для вывода не используемого излучения из устройства. В этом смысле данное устройство очень похоже на устройство, представленное на фиг.1. Отличие в том, что на фиг.1 широкодиапазонная перестройка длины волны осуществляется путем линейного изменения показателя преломления в канальных волноводах 36-41. В данном устройстве на фиг.8 предлагается перестраивать длину волны за счет поворота фазового фронта при акустооптическом взаимодействии в планарном оптическом волноводе 59.

Структуру на фиг.9 предлагается изготавливать в двух волноводных слоях с высоким показателем преломления (например, Ti:LiNbO3 и SiO2:TiO2), разделенных буферным слоем с меньшим показателем преломления (например, из двуокиси кремния). Ее достоинство в том, что благодаря изготовлению делителей пучка на вертикально связанных волноводах имеется возможность вывести не отфильтрованное излучение из области оптического фильтра, где оно может быть демпфировано, например, с помощью суживающихся волноводов 85 с меньшим уровнем паразитного рассеяния (как на фиг.2) или использоваться для дальнейшей обработки (аналогично фиг.4-6). В многослойном варианте адиабатическое расширение пучка осуществляется на основе суживающегося канального волновода 81, который одновременно реализует функцию оптического согласования канального и планарного волноводов. Принцип работы таких элементов хорошо изучен в научной литературе (V. R. Almeida, R. R. Panepucci, and M. Lipson, "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003)). При адиабатическом уменьшении размера канального волновода равномерно увеличивается область поля, которое занимает его оптическая мода. В результате происходит не только расширение оптического пучка, но и за счет туннельной связи основная доля его энергии постепенно перетекает из канального волновода в планарный волновод. Возможен комбинированный вариант устройства, объединяющий основанные элементы на фиг.8 и на 9. Здесь, указанный выше суживающийся канальный волновод 81 за счет туннельной связи переводит оптическое излучение в нижерасположенный канальный волновод, в котором оно расширяется до нужного размера с помощью адиабатической области 80 (рупорного типа). Ее задача сформировать слаборасходяйщеся оптический пучок, который распространяется под брэгговским углом к фронту акустической волны, чтобы обеспечить эффективное акустооптическое взаимодействие.

Как было сказано выше, взаимное расположение делителей пучка устройств на фиг.8 и 9 выбираются с учетом поддержания разности фаз на рабочей длине волны излучения для любой пары пучков 76 или 77, по существу кратной 2π. При этом сдвиг фаз для любых пучков, прошедших от входа 61 до выхода 62 оказывается по существу кратным 2π. В результате на рабочей длине волны света большинство оптических волн сложится в фазе и фильтр пропустит заданную длину волны света. На всех остальных длинах волн света условие конструктивной интерференции нарушится, и прохождение сигнала до выхода 62 уменьшится на несколько порядков (заграждение сигнала). Данные пучки (на всех остальных длинах волн) демпфируются (см. фиг.8) или проходят дальше (см. фиг.9) в виде пучков 78. Последние могут покинуть фильтр, либо использоваться для дальнейшей обработки, например, в случае последовательного расположения нескольких аналогичных фильтров, осуществляющих многоканальную фильтрацию (аналогично фиг.4-6). Перестройка рабочей длины волны фильтра осуществляется за счет изменения длины волны ПАВ, которая контролируется частотой, задаваемой источником 84. Для разных частот ПАВ будет меняться двойной Брэгговский угол, на который отклоняются пучки 76 при дифракции на ПАВ, и, следовательно, будет изменяться сдвиг фаз между дифрагированными пучками 77. В результате, условие когерентного суммирования (сдвиг фаз 2π) изменится, и оно будет наблюдаться для другой длины волны, зависящей от частоты ПАВ.

В конструкции перестраиваемого фильтра, представленного на фиг.9, показан только один фильтрующий элемент на основе волновода 3 и один источник 83 акустических волн. Однако функциональные возможности устройства значительно расширяются, если по аналогии с фиг.6 в нее включить несколько последовательно расположенных фильтрующих элементов, а также использовать дополнительные источники акустических волн. При этом устройство приобретает свойство многоканального узкополосного перестраиваемого оптического фильтра.

Следует подчеркнуть, что все данные устройства (см. фиг.1-фиг.9) используют принцип интерференции и их работа полностью аналогично работе оптических фильтров на основе мульти-отражательных элементов, которые детально и подробно описаны в научной литературе и патентах (United States Patent No. 7092139 и No 6999639) автора данного изобретения. Все основные свойства новых устройств можно получить из описания работы мульти-отражательных фильтров, если заменить слабо-отражающие зеркала на делители пучка на основе связанных волноводов. При этом в основных выражениях коэффициент отражения нужно заменить на коэффициент деления пучка. Важно, что все достоинства мульти-отажательных фильтрующих элементов полностью переносятся на предлагаемые новые типы оптических фильтров, но последние обладают еще важным преимуществом - большей технологичностью. Она связана с тем, что технология деления пучка на связанных волноводах хорошо отработана и применяется в фотонике, а экспериментальных устройств на основе мульти-отажательных элементов еще не создано. Хотя качественное описание работы новых фильтров на связанных волноводах ясно и понятно, то их количественное описание очень сложно и возможно только с использованием методов численного моделирования.

Для демонстрации принципа работы и основных свойств предлагаемого оптического фильтра на связанных волноводах мы провели численный эксперимент с использованием метода конечных разностей во временной области (finite difference time domain (FDTD)), который реализован в популярном коммерческом пакете FullWave от компании RSoft Design Group, Inc. (www.rsoftdesign.com). В качестве модели для детального анализа мы использовали базовую структуру фильтра, представленного на фиг.1.

Общий вид нового фильтра на связанных полосковых волноводах из кремниевых проволок (Si wire) показан на фиг.10. Входной сигнал поступает со входа 61 в правый волновод 2 и распадается на микро-пучки на множестве адиабатических направляемых ответвителей (делителей пучка) на волноводах 7-12 с различными коэффициентами связи, которые отвечают за аподизацию фильтра. Каждый из микро-пучков распространяется дальше по структуре и совместно объединяются в выходной волновод 3 с помощью соответствующего набора аналогичных направляемых ответвителей на волноводах 13-18. Структура имеет постоянную разницу в оптической длине. Таким образом, на рабочей длине волны все микро-пучки суммируются в фазе вдоль выходного волновода и производят эффективную фильтрацию на выходе 62. Все остальные длины волн проходят дальше по искривленным частям направляемых ответвителей и покидают структуру фильтра. Для уменьшения паразитных сигналов искривленная часть каждого ответвителя заканчиваются локальными демпфирующими областями с большой мнимой части (равной 0.4) показателя преломления. Она обеспечивает незначительное отражение назад и приводит к полному затуханию входящей световой волны. Для реальных трехмерных (3D) структур на конце искривленной части волновода должен изготавливаться суживающийся волновод 60 (см. фиг.1, 3-5), который излучает (из структуры), поступающий на нее оптический пучок, или он должен быть продлен за правый (не показано) канальный волноводов, пересечь его и выйти дальше из фильтра (как на фиг.2). Он может быть демфирован или использован для дополнительной обработки, скажем, для построения мультиплексора или многоканального фильтра (как на фиг.4-6). Для этого случая является предпочтительным использование пересечения многослойных волноводов с незначительным уровнем перекрестных помех (см. например, Andrei V. Tsarev, "Efficient silicon wire waveguide crossing with negligible loss and crosstalk," Opt. Express 19, 13732-13737 (2011)).

Параметры всех волноводов соответствуют типичным волноводным проволокам из кремния с шириной 450 нм и высотой 250 нм, изготовленных на структурах кремний-на-изоляторе. Входные и выходные волноводы имеют искривленные части малым радиусом кривизны R, а также различную ширину зазора щели d у разных элементов связи (см. фиг.10.), для осуществления аплодизации. При проектировании мы используем гауссову функцию аподизации A_p (для обеспечения высокого подавление боковых лепестков) и заранее рассчитали методом FDTD зависимость коэффициента деления пучка (R_c) и величину коэффициента прохождения (T_c) для оптических волн (см. фиг.11) путем измерения мощности фундаментальной моды (определенной FDTD мониторами 91-96, см. фиг.10) для различных значений радиуса кривизны волноводов R и длины прямой части Lg направленного ответвителя. Затем мы определили необходимые зависимости коэффициента деления пучка (R_c) и ширины щели d от номера ответвителя М (см. фиг.12). Типичное распределение электромагнитного поля на рабочей длине волны (Drop) у такого фильтра показано на фиг.13. Можно видеть, что на этой длине волны все оптические микро-пучки, поступающие от различных ответвителей, конструктивно складываются и создают интенсивный сигнал в выходном волноводе 3, который на выходе устройства 62 измеряется с помощью FDTD монитора 95.

Как уже упоминалось выше, полная перестройка рабочей оптической длины волны фильтра может быть организована с помощью фазовращателей для тонкой и широкой настройки. Целью этих фазовращателей является создание управляемой линейно-изменяемой (от номера соединительного волновода) фазовой задержки между оптическим микро-пучками, проходящими по разным путям от входа до выхода устройства. В данном фильтре мы осуществляем фильтрацию за счет термооптического эффекта, а именно путем изменения температуры в соответствующих наборах волноводов, показанных на фиг.10.

Тонкая перестройка устройства осуществляется повышением температуры (ΔT) у входного 2 и выходного 3 волноводов. Результаты, представленные на фиг.14а, показывают, что этот фильтр имеет умеренную крутизну перестройки длины волны Δλ/ΔT=0.093 нм/°C, что характерно для других типов оптических фильтров на кремнии, скажем, на основе кольцевых резонаторов. Для разумных значений возможного изменения температуры (<100 °С), фазосдвигающие элементы тонкой настройки (см. кривые *i000 для ΔT = 0 °C, 50 °C, и 100 °C) могут обеспечить лишь ¼ часть от свободной спектральной зоны фильтра, которая в данном случае составляет около 37 нм.

Для большего диапазона перестройки длины волны фильтра используются фазосдвигающие элементы широкой перестройки, управляемые по схеме модуля 2π (manifold module (2π) scheme). Для этой схемы у всех микро-пучков формируется линейно-растущий (от номера волновода) сдвиг фаз, который изменяется в пределах от нуля до 2π. Мы рассмотрели эту схему для случая дискретного переключения длины волны с шагом FSR/4. Для этого термооптические фазосдвигающие элементы, расположеннее вдоль волноводов 36-41 по оси X, были организованы в 4 периодические группы (см. фиг.10). Каждая из них имеет свое значение прироста температуры (ΔT0, ΔT1, ΔT2, ΔT3) в канальных оптических волноводах, которое удобно определять в единицах ΔT00, т.е. характерной температуры, необходимой для создания сдвига фаз π/2 на рабочей длине волны устройства. Для компактных фазовращателей разной длины LL= 11 мкм и LL == 40 мкм моделирование методом FDTD дает значения ΔT00 ~ 177°C и ΔT00 ~ 48°C, соответственно. На практике, целесообразно использовать более длинные структуры, которые управляются меньшими значениями температуры. Например, мы получили ΔT00 ~ 4.8 C° для случая LL = 400 мкм.

Результаты расчета спектральных характеристик оптического фильтра для разных комбинаций значений управляющих температур в каждой из групп волноводов 36-41 показаны на фиг.14б. Во всех расчетах полагалось, что ΔT0=0, а для обозначения разных значения ΔT1, ΔT2 и ΔT3 использовалась целочисленная нумерация в виде *i***. Здесь первое значение указывает на величину ΔT, а последующие цифры указываю величины ΔT1, ΔT2 и ΔT3 в долях ΔT00. В частности, обозначение 50i123 соответствует случаю: ΔT = 50 C°, ΔT1 = 1×ΔT00, ΔT2 = 2×ΔT00, и ΔT3 = 3×ΔT00. Данные фиг.14 показывают, что предлагаемое устройство может быть использовано как широко перестраиваемый оптический фильтр с небольшим уровнем внутренних вносимых потерь (-1 дБ) и высоким подавлением боковых лепестков (ниже -26 дБ). Произвольная рабочая длина оптической волны (в пределах всего FSR) может быть легко настроена, применяя всего 4 управляющих сигнала, а именно, 3 - для дискретной перестройки длины волны с шагом FSR/4 путем изменения температуры ΔT1, ΔT2 и ΔT3 фазосдвигающих элементов на соединительных волноводах 36-41, а также тонкой непрерывной перестройкой в пределах диапазона FSR/4 путем изменения температуры ΔT в фазосдвигающих элементах тонкой подстройки, расположенных вдоль волноводов 2 и 3 формирующего и фильтрующего элементов, соответственно. FSR зависит от разницы длины пути (path-length difference) и для нашего случая (длина связи Lg = 2 мкм и радиус кривизны R = 3 мкм) составляет около 37 нм. Полная максимальная полуширина линии (FWHM) оптического фильтра длиной 0.32 мм, использующего 32 направленных ответвителя с переменным зазором d (от 100 нм до 417 нм для обеспечения аподизации фильтра), составила 1.7 нм. В общем случае FWHM зависит от конструкции оптического фильтра и числа делителей пучка M_c, и для нашего случаю может быть оценена как 0.68×FSR/Mc. Масштабирование этих данных для больших структур показывают, что фильтр с FWHM меньше 0.05 нм может быть реализован в устройстве размером около 1 см. Фильтр может перестраиваться в пределах FSR около 37 нм при умеренном изменении температуры (<100 С°) в четырех группах фазосдвигающих термооптических элементов.

Для описания устройств такого большого размера не возможно применять методы прямого численного моделирования типа FDTD. Поэтому для таких случаев удобно использовать лучевую модель, в которой корректно учитывается амплитуды и фазы всех микро пучков прошедших разным путем от входа до выхода устройства с учетом коэффициентов деления амплитуд и задержки фаз на каждом из элементов связи. Такие алгоритмы успешно использованы автором патента для описания мульти-отражательных фильтрующих элементов. Примеры спектральных характеристик предлагаемых оптических фильтров с термооптическим и акустооптическим управлением приведены на фиг.15-19. Они демонстрируют, что данные фильтры обладают свойствами, имеющими практически важное значение, а сами фильтры могут найти применение в устройствах обработки и передачи данных, волоконной связи и сенсорных устройствах.

В частности, фиг.15 и 16 описывают ожидаемые параметры многоканального перестраиваемого фильтра-мультиплексора, аналогичного тому, что представлен на фиг.6, для случаев если бы он был реализован в ортогональной и наклонной конфигурациях. Для построения фильтра с оптимальными параметрами, коэффициент деления пучка был оптимизирован для разных волноводов (см. фиг.15), причем оказалось, что зависимости от их номера у коэффициентов деления пучка R_c2, R_c3, R_c6, должна быть разной для разных волноводов 2, 3-5 и 6, соответственно. Спектральные зависимости, соответствующие такому распределению коэффициентов деления пучка, показаны на фиг.16. Для ортогональной ориентации, перестройка длины волны за счет фазосдвигающих элементов тонкой подстроки осуществляется в сравнительно не большом диапазоне (фиг.16а), поэтому для перестройки в диапазоне всего FSR необходимо дополнительно применять фазосдвигающих элементов широкой перестройки. Для наклонной ориентации с углом 60° элементы тонкой подстройки могут перестраивать длину волны фильтра во всем диапазоне FSR (см. фиг.16б), при относительно малом изменении температуры фазосдвигающих элементов на волноводах 2-6.

Свойства акустооптического фильтра, аналогично тому, что показан на фиг.8 иллюстрируют данные фиг.17-19. Фиг.17 приводит оптимальное распределение коэффициента деления пучка на волноводах 2 и 3 для узкополосного фильтра, для работы с сеткой частот 25 ГГц. Его спектральные характеристики для разных частот ПАВ показаны на фиг.18. Видно, что разным частотам ПАВ соответствуют разные длины фильтруемых волн (см. верхнюю шкалу на графике) имеющие разные оптические частоты (см. нижнюю шкалу на графике). Для наглядности на рисунке приведены параметры двух фильтров разного размера, имеющих в 10 раз отличающееся число делителей пучка, 58 и 580, соответственно. Детальная форма линии пропускания узкополосного акустооптического фильтра показана на фиг.18. Видно, что устройство имеет узкую ширину линии, высокий уровень подавления боковых лепестков и малые размеры (меньше 1 см), одновременно. Все эти результаты получены в рамках лучевой модели и спектрального приближения (для описания поля волны в области планарного волновода) по алгоритму, разработанному нами раньше для описания акустооптических фильтров на мульти-отражательных элементах (А.В.Царев, Е.А.Колосовский “Компактный узкополосный перестраиваемый акустооптический фильтр”, Автометрия, том 42, № 6, с.93-104(2006)).

Следует отметить, что все данные фильтры, как и большинство других оптических устройств, являются поляризационно-зависимыми, т.е. их характеристики зависят от поляризации проходящего по ним излучения. Для таких типов оптических элементов применяются методы поляризационной диверсификации, при которой входящее излучение разделяется по поляризации, и каждая поляризация фильтруется параллельно, одинаковыми поляризационно-зависимыми устройствами. В случае необходимости, элементы обработки кроме делителей поляризации содержат также элементы преобразования поляризации для того, чтобы фильтры использовали оптическое излучение одинаковой поляризации. Современные технологии позволяют реализовать функцию поляризационной диверсификации в монолитном исполнении с оптическим фильтром (см., например, W. Bogaerts, D. Taillaert, P. Dumon, D. Van Thourhout, and R. Baets, “A polarization-diversity wavelength duplexer circuit in silicon-on-insulator photonic wires,” Opt. Express 15, 1567-1578 (2007)).

Важное замечание, касающееся примеров устройств, приведенных на фиг.1-9. Эти фигуры демонстрируют принципиальные схемы новых оптических фильтров и для наглядности содержат небольшое число делителей пучка на связанных оптических волноводах. Устройства с практически значимыми характеристиками выглядят аналогично, но содержат большее количество делителей пучка, от нескольких единиц до нескольких сотен.

Промышленная применимость

Предлагаемый оптический перестраиваемый фильтр может быть использован при конструировании систем частотного уплотнения (DWDM), используемых в волоконно-оптической связи, а также для создания малогабаритных перестраиваемых спектрометров оптического излучения, например, при создании дистанционных сенсорных устройств - датчиков состава газов, жидкостей и твердых тел, а также в составе элементов считывания данных с брэгговских волоконных датчиков.

Оптический перестраиваемый фильтр может быть изготовлен по известной технологии, разработанной для создания устройств интегральной оптики и микроэлектроники. В качестве материала для изготовления акустооптического варианта устройства может использоваться любое прозрачное твердое тело, для которого имеется технология изготовления канальных и планарных оптических волноводов с малыми потерями (меньше и порядка 1 дБ/см) и эффективного возбуждения акустических волн. К таким материалам относятся ниобат и танталат лития, полупроводниковые гетероэпитаксиальные структуры A_IIIB_V, диэлектрические слоистые структуры, содержащие пьзоактивный слой для возбуждения ПАВ, например, ZnO/SiO2/Si и т.д. Наиболее перспективными являются устройства на базе оптических волноводов на ниобате лития, обладающего хорошими оптическими, акустооптическими и электрооптическими свойствами.

В качестве материалов для изготовления варианта устройства с термооптическим управлением может использоваться любое прозрачное твердое тело, для которого имеется технология изготовления канальных оптических волноводов с малыми потерями. Более перспективными являются волноводы с высоким показателем преломления, т.к. в них можно простым образом реализовать канальные оптические волноводы с малым радиусом закругления. К таким материалам относятся волноводы на основе структур кремний-на-изоляторе, а также полупроводниковые гетероэпитаксиальные структуры A_IIIB_V. Причем, волноводы на основе кремния, так называемые кремниевые проволоки, считаются наиболее перспективными, т.к. они наиболее технологичны (изготавливаются по КМОП-совместимой технологии), дешевы и обладают высокими термооптическими свойствами. Волноводы на основе полупроводниковых материалом интересны также и тем, что в них можно реализовать высокую скорость переключения длины волны за счет изменения концентрации свободных носителей заряда. Могут быть реализованы устройства также на основе полимерных оптических волноводов. Их недостаток - низкий показатель преломления, что затрудняет реализацию малых радиусов закругления. Однако, такие волноводы дешевы, технологичны и здесь имеется большой выбор различных материалов, в том числе, с очень хорошими управляющими свойствами (высокими значениями термооптических или электрооптических коэффициентов). Конкретный выбор конструкции и материала оптического фильтра зависит от технической задачи. Данное изобретение позволяет реализовать разные задачи максимально гибким образом на основе известных технологий, успешно применяемой в фотонике для других типов оптических элементов, например, кольцевых резонаторов и решеточных фильтров на КНИ, и/или кольцевых резонаторов и акустооптических фильтров на ниобате лития.

Автор выражает благодарность компании RSOFT Design Group. Inc, США (www.rsoftdesign.com), которая предоставила пользовательскую лицензию и техническую поддержку для комплекта программ для анализа фотонных устройств (Rsoft Photonic CAD Suite 8.0, включая пакет FullWAVE 6.0 для вычислений по методу FDTD).

Оптический фильтр содержит канальные оптические волноводы для ввода-вывода оптического излучения и распространения светового пучка, делители светового пучка, расположенные последовательно по ходу излучения, и средство формирования для передачи оптического излучения, ответвленного с помощью делителей пучка. Средство формирования выполнено в виде набора соединительных канальных оптических волноводов и/или планарного оптического волновода. Делители пучка выполнены в виде набора связанных оптических волноводов, взаимное расположение которых выбрано с учетом поддержания на рабочей длине волны излучения разности фаз, по существу кратной 2 π, для большинства пучков, ответвленных с помощью различных делителей пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра. Технический результат - обеспечение широкого диапазона перестройки, узкой ширины линии фильтрации. 22 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Оптический фильтр, содержащий канальные оптические волноводы для ввода-вывода оптического излучения и распространения светового пучка, делители светового пучка, расположенные последовательно по ходу излучения, и средство формирования для передачи оптического излучения, ответвленного с помощью делителей пучка, причем средство формирования выполнено в виде набора соединительных канальных оптических волноводов и/или планарного оптического волновода, отличающийся тем, что делители пучка выполнены в виде набора связанных оптических волноводов, взаимное расположение которых выбрано с учетом поддержания на рабочей длине волны излучения разности фаз, по существу, кратной 2π, для большинства пучков, ответвленных с помощью различных делителей пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра, где π=3,14159… - универсальная константа.

2. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что делители пучка или средство формирования дополнительно содержат изогнутые канальные волноводы, или канальные волноводы, меняющие направление за счет эффекта отражения от области с высоким коэффициентом отражения.

3. Оптический фильтр по п.1 или 2, отличающийся тем, что средство формирования дополнительно содержит расширители пучка, выполненные в виде адиабатических рупорных элементов или суживающихся канальных волноводов, предназначенные для формирования в планарпом волноводе набора фазированных пучков с учетом поддержания разности фаз на рабочей длине волны излучения, по существу, кратной 2π.

4. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что канальный волновод с соответствующими делителями пучка, через который производится ввод оптического излучения, выполнен в виде формирующего элемента, и канальный волновод с соответствующими делителями пучка, через который производится вывод оптического излучения, выполнен в виде, по крайней мере, одного фильтрующего элемента.

5. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что волноводы формирующих и фильтрующих элементов выполнены параллельно друг к другу.

6. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что волноводы формирующих и фильтрующих элементов выполнены под углом друг к другу.

7. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что несколько фильтрующих элементов выполнены последовательно по ходу излучения.

8. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что последний по ходу излучения фильтрующий элемент выполнен с учетом поддержания разности, по существу, кратной 2π в широком спектральном диапазоне, не меньше свободной спектральной зоны фильтра.

9. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что в непосредственной близости по меньшей мере одного канального волновода фильтрующего или формирующего элемента выполнен по крайней мере один набор управляющих электродов в виде полосок проводящего материала, для создания при приложении электрического поля локальных изменений показателя преломления в окрестности указанных волноводов за счет электрооптического, или термооптического эффектов, или эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда.

10. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что в непосредственной близости от набора соединительных канальных оптических волноводов выполнен по крайней мере один набор управляющих электродов в виде полосок проводящего материала, для создания при приложении электрического поля локальных изменений показателя преломления в окрестности указанных волноводов за счет электрооптического или термооптического эффектов, или эффекта электрострикции, или изменения концентрации свободных носителей заряда, причем длину управляющих электродов и величину приложенного к ним напряжения выбирают такими, чтобы иметь одинаковый или отличающийся на четное число π сдвиг фаз для соседних пучков, ответвленных различными делителями пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра.

11. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что в непосредственной близости от набора соединительных канальных оптических волноводов выполнены многосекционные электродные структуры, причем по крайней мере два ряда этих структур расположены последовательно по ходу оптического пучка.

12. Оптический фильтр по п.4 или 11, отличающийся тем, что на участке между последним и предпоследним фильтрующим элементом располагается аналогичный набор электродных структур, причем длина электродов и величина приложенного напряжения к каждому из электродов выбирают такими, чтобы иметь нулевой или отличающийся на четное число π сдвиг фаз для соседних пучков, ответвленных различными делителями пучка и прошедших от входа до выхода оптического фильтра.

13. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, один источник акустических волн для возбуждения акустической волны, способной взаимодействовать со световыми волнами оптических пучков, распространяющихся через средство формирования.

14. Оптический фильтр по пп.4, 9 или 13, отличающийся тем, что содержит, по крайней мере, один дополнительный источник акустических волн для возбуждения акустической волны, направленной встречно акустической волне основного источника и способной взаимодействовать со световыми волнами оптических пучков, распространяющихся через средство формирования между последним и предпоследним фильтрующими элементами.

15. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что делители пучка выполнены с разными коэффициентами деления, причем амплитуды пучков, ответвленных с помощью различных делителей пучка, как правило, уменьшаются от средней части формирующего и фильтрующего элементов к их концам.

16. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что делители пучка формирующего или фильтрующего элементов выполнены с разным расстоянием между связанными волноводами и/или разной эффективной длиной связи.

17. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что формирующий или фильтрующий элементы выполнены в одном слое.

18. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что формирующий или фильтрующий элементы выполнены в разных слоях.

19. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что свободные концы канальных волноводов соединены с демпфирующими областями, имеющими большие оптические потери на распространение, в виде структур с высокой концентрацией свободных носителей заряда, или структур, содержащих рассеивающие центры, или структур, содержащих субмикронные дифракционные решетки, или структур, содержащих суживающиеся (клиновидные) канальные волноводы с плавно уменьшающимся сечением сердцевины.

20. Оптический фильтр по п.4, отличающийся чем, что формирующий, или фильтрующий элементы, или соединительные волноводы, или планарный волновод выполнены в структурах кремний-на-изоляторе.

21. Оптический фильтр по п.4, отличающийся тем, что формирующий, или фильтрующий элементы, или соединительные волноводы, или планарный волновод выполнены в структурах на основе ниобата лития.

22. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что волноводы, формирующие делители пучка, имеют одинаковые или близкие эффективные показатели преломления.

23. Оптический фильтр по п.1, отличающийся тем, что делители пучка содержат, по крайней мере, два связанных канальных оптических волновода.