光学梳状滤波器

02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST11.2.1光学梳状滤波器简介1.2.2光学梳状滤波器的工作原理1.2.3基于双折射晶体的梳状滤波器1.2.4基于PLC技术的梳状滤波器1.2.5基于GT谐振腔的梳状滤波器1.2光学梳状滤波器02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST2为什么需要梳状滤波器？DWDM信道间隔和技术方案：200GHz→100GHz→50GHz→25GHz1.6nm→0.8nm→0.4nm→0.2nmTFF→TFF止于此AWG→AWG→AWG止于此通信系统需要新的DWDM滤波技术TFF：ThinFilmFilter，薄膜滤波片AWG：ArrayedWaveguideGratings，阵列波导光栅02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST3什么是梳状滤波器？

Δf→2Δf降低了对后续滤波器的技术要求02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST4梳状滤波器的应用inuseforbackupinterleaverhereinterleaverhere作为波段滤波器，分波之后的信道间隔为原来的两倍，降低对后续滤波器的技术要求。作为波段滤波器，保留一半波长作为系统备份。02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST51.2.1光学梳状滤波器简介1.2.2光学梳状滤波器的工作原理1.2.3基于双折射晶体的梳状滤波器1.2.4基于PLC技术的梳状滤波器1.2.5基于GT谐振腔的梳状滤波器1.2光学梳状滤波器02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST6偏振光干涉分析两个偏振片中夹一个波片结构基于偏振光干涉分析得到I1~P1偏振方向检测光强I2~P2偏振方向检测光强(Δf)取决于(ΔnL)02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST7有限冲击响应系统傅里叶变换时域单个波–输入1个光脉冲，输出2个光脉冲两个波片–输入1个光脉冲，输出3个光脉冲n个波片-输入1个光脉冲，输出n+1个光脉冲输出脉冲序列可以表示如下：有限冲击响应（FIR）系统傅里叶级数02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST8傅里叶分析n=10n=50n=100以傅里叶级数来近似方波，级数项数越多，则近似程度越好。02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST9傅里叶分析任何波形均可以傅里叶级数来近似级数项数n越多，则近似程度越好梳状滤波器的谱线亦可以傅里叶级数来近似给定一系列串联的波片，可得到一个傅里叶级数系列级数系数系列ak取决于各波片快轴的方位角Φk设计任务：给定系数系列ak，计算角度系列Φk02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST10傅里叶分析级数项数更多，但上升和下降沿存在抖动，不符合要求。级数项数更少，但谱线满足应用需求。02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST111.2.1光学梳状滤波器简介1.2.2光学梳状滤波器的工作原理1.2.3基于双折射晶体的梳状滤波器1.2.4基于PLC技术的梳状滤波器1.2.5基于GT谐振腔的梳状滤波器1.2光学梳状滤波器02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST12晶体型梳状滤波器结构晶体型梳状滤波器的核心部分傅里叶级数的系数ak取决于波片快轴的相对角度:02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST13晶体型梳状滤波器结构kAkakbkθk(deg)фk(deg)01230.50.28130-0.03130.0915-0.1585-0.5915-0.34150.09150.1585-0.59150.3415θ1θ2θ3θp-750-6045ф1ф2ф3фp-75-75-135-90前两个波片快轴夹角为0°，合为一片检偏器与起偏器夹角为90°，因此位移晶体2和7的主平面正交。02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST14晶体型梳状滤波器结构2+3:偏振转换组件，将随机偏振的入射光转换为相同偏振态的两束平行光，以消除器件的偏振相关性。7:以位移晶体代替偏振片，两个正交偏振态均检测到。02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST15晶体型梳状滤波器结构位移晶体2,7,12的主平面分别位于0°,90°,0°方向。02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST16对时延单元的考虑温度稳定性考虑:晶体的双折射系数受温度影响，以两片温度系数相反的晶体，快轴相互对准；或者以两片温度系数相同的晶体，快轴与慢轴交错对准，实现温度补偿，两片晶体的厚度则取决于二者的温度系数比值。加工容差考虑：前两片晶体的双折射系数较大，相应的厚度加工容差较小。因此，二者加工厚度稍小于理论设计值，不足部分以低双折射系数的晶体补偿，后者加工容差较大，且可加工几种厚度，以供选择。例如与石英晶体补偿YVO4晶体，容差由0.04μm提高到0.9μm。成本考虑：以右图所示的PBS棱镜代替晶体波片，可降低成本。一个时延单元由3片晶体组成02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST171.2.1光学梳状滤波器简介1.2.2光学梳状滤波器的工作原理1.2.3基于双折射晶体的梳状滤波器1.2.4基于PLC技术的梳状滤波器1.2.5基于GT谐振腔的梳状滤波器1.2光学梳状滤波器02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST18基于PLC技术的梳状滤波器结构方向耦合器的传输矩阵（琼斯矩阵）：两个输出端口之间的耦合比取决于耦合角θ。θ=kL,L为耦合区长度,k为耦合系数，取决于波导参数和波导间距。02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST19PLC型梳状滤波器的矩阵分析延迟线：相移器：方向耦合器：单元传输矩阵：格状光路：传输函数：02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST20PLC格状光路解析前面N-1级格状光路的传输矩阵：计算θn、φn的递归公式:～02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST21设计步骤根据数字滤波器技术得到的传输谱线：传输函数：光路参数：递归公式最佳平坦化滤波器：02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST22设计实例0.5dB带宽>30GHz3dB带宽>50GHz串扰<-25dB@相邻通道±6GHzkAkakbkθkφk00.50.31450.3145-30°010.28130.5915-0.59150°0200.15850.158560°03-0.0313-0.09150.091590°002-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST231.2.1光学梳状滤波器简介1.2.2光学梳状滤波器的工作原理1.2.3基于双折射晶体的梳状滤波器1.2.4基于PLC技术的梳状滤波器1.2.5基于GT谐振腔的梳状滤波器1.2光学梳状滤波器02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST24Gires-Tournois谐振腔基于多光束干涉分析得到：其中波数k=2π/λ。输入一个光脉冲，输出+∞个光脉冲傅里叶变换无限冲激响应（IIR）系统傅里叶级数02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST25采用一个GT腔的迈克尔逊干涉仪两条光路的相位差：透过率：信道间隔取决于间隙d，谱线形状取决于反射率R。为了实现梳状滤波器波形，L1-L2=d/2。02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST26R=5%R=10%R=15%R=20%采用一个GT腔的迈克尔逊干涉仪R↑,通带↑,阻带↑,串扰↑02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST27采用两个GT腔的迈克尔逊干涉仪采用一个GT腔的梳状滤波器，要求L1-L2=d/2。在实际的制造过程中，这点难以保证，因此提出采用两个GT腔的梳状滤波器结构。

基于普通干涉基于偏振光干涉后面对此结构进行分析02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST28采用两个GT腔的迈克尔逊干涉仪

基于普通干涉02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST29R=18%采用两个GT腔的迈克尔逊干涉仪02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST30梳状滤波器技术方案对比技术方案GT谐振腔时延晶体PLC格状光路信道间隔1(GHz)6.25~20025~20025~200插入损耗IL(dB)0.71.52.00.5dB通带宽度(GHz)±16±10±11-25dB阻带宽度(GHz)±12±16±14插入损耗抖动(dB)0.30.4N/A偏振相关损耗PDL(dB)0.20.30.2频率误差(GHz)1.0±1.02.0频飘温度系数(GHz)2.0±2.0温控工作温度(℃)-5~70-5~70温控GTR谐振腔：信道间隔Δf最窄，损耗最低，通带最好。时延晶体：最好的阻带宽度。PLC格状光路：必须温控才能稳定工作。02-9月-23byZ.J.Wan,NGIA-HUST31参考文献Interleavertechnology:comparisonsandapplicationsrequirementsSynthesisofcoherenttwo-portlattice-formopticaldelay-linecircuitOpticalhalf-bandfiltersMultifun