CN101726798A - 一种可集成的耦合微腔光学滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可集成的耦合微腔光学滤波器，包括微腔和波导，所述微腔包括内圈和外圈，外圈是螺旋环形的。本发明提供的可集成的耦合微腔光学滤波器，采用螺旋形结构微腔，缺口处直接连接输入输出波导，提高了耦合的效率；螺旋形微腔直接连接波导，具有方向性输入输出的特性，同时具有高Q值、窄线宽的特点；结构紧凑易于集成，同时无需波导耦合输入/输出，减小器件的加工难度，降低器件制备的成本，特别适于制备多功能的高性能集成光学芯片的滤波器。

Description

一种可集成的耦合微腔光学滤波器

技术领域

本发明属于光通信及信息处理器件领域，具体涉及一种可集成的耦合微腔光学滤波器。

背景技术

光通信与信息处理领域的飞快发展，对光电子学器件提出了新的要求。这些要求包括高效率、快速响应、小型化、高集成化和低成本。基于回音壁模式(Whispering-Gallery Modes，以下简称WGM)的光学微腔作为一种新型的集成光学器件，受到国内外学者的广泛重视。所谓回音壁光学微腔，是指几何尺度可以与光波长相比拟，并且具有高品质因子(Q)的谐振腔。该光学微谐振腔一般由高折射率的导光层和低折射率的限制层或空气组成，通过内外介质大的折射率差来形成光的全反射，在微腔中形成特定的模式，也就是所谓的回廊耳语模，又称回音壁模。这种微腔也被称为WGM微腔，其优点是腔内光子寿命长、损耗低、品质因子高。由于其独特的优点，WGM光学微腔器件，正越来越受到人们的关注，它适合作为各种光通信与信息处理器件，如激光器、光学滤波器、光波分复用器、光开关、光调制器以及非线性频率转换器，对光学微腔的研究，必将极大地促进集成光学的发展，实现光学芯片的最终目标。

光学滤波器是光通信系统以及光电子集成回路的不可或缺的重要元器件，在波长锁定、波分复用/解复用、波长路由、波长转换、色散补偿和增益平坦技术中都有广泛应用。光滤波器主要有光栅型、干涉型、波导型阵列光栅型、光纤熔锥形及波导微环谐振腔型。然而，光栅型、干涉型、波导型阵列光栅型以及光纤熔锥形光滤波器均为分立元件，不易于与其他光子器件实现单片集成。波导微环谐振腔型光学滤波器，具有体积小、品质因子高的优点，易于与波导型调制器、光开关、激光器、探测器这些光子器件实现单片集成。但是，该结构存在的缺点是：微环谐振腔需要输入/输出波导进行耦合，为了达到高的耦合效率，需要严格控制微环与输入/输出波导的间距，而该间距通常很小，即增加了器件的加工难度，以及器件制备的成本。

发明内容

为了解决背景技术中所述的技术问题，本发明提供了一种可集成的耦合微腔光学滤波器，该滤波器采用螺旋微腔结构，无需波导耦合输入和输出，提高了耦合的效率。

本发明的技术解决方案是：一种可集成的耦合微腔光学滤波器，包括微腔和波导，其特征在于：所述微腔包括内圈和外圈，所述外圈是螺旋环形的。

上述波导通过微腔外圈末端的缺口与微腔相连接。

上述微腔是两个，上述波导是两根，所述波导分别连接于两个微腔，进行光的输入和输出。

上述波导的宽度和螺旋环形微腔缺口的宽度是相等的。

上述两个微腔是通过瞬衰波相互耦合的。

上述波导是直波导、弯曲波导或梯形波导。

上述微腔的内圈和外圈是同心的。

上述滤波器的材料是材料可以为硅基半导体或有机/无机复合材料。

本发明的优点是：

1、本发明提供的可集成的耦合微腔光学滤波器，采用螺旋形结构微腔，缺口处直接连接输入输出波导，提高了耦合的效率。

2、本发明提供的滤波器，螺旋形微腔直接连接波导，具有方向性输入输出的特性，同时具有高Q值、窄线宽的特点。

3、结构紧凑易于集成，同时无需波导耦合输入/输出，减小器件的加工难度，降低器件制备的成本，特别适于制备多功能的高性能集成光学芯片的滤波器。

附图说明

图1是本发明的较佳实施例的结构示意图；

图2是本发明的具体实施例的频谱特性图；

图3是本发明的具体实施例在工作波长为1.1407μm时的光场分布图；

图4是本发明的具体实施例在工作波长为1.1529μm时的光场分布图；

具体实施方式

参见图1，本发明的较佳实施例中的结构包括螺旋环形微腔1、螺旋环形微腔2、输入波导3、输出波导4、耦合区域5；两个螺旋环形微腔是对称的，螺旋环形微腔1的外圈11和螺旋环形微腔2的外圈21由于结构特点自动形成缺口，螺旋环形微腔1外圈11的缺口处连接输入波导3，螺旋环形微腔2外圈21的缺口处连接输出波导4。螺旋环形微腔1内圈12和螺旋环形微腔2内圈22是圆环形的。外圈11和内圈12是同心的，外圈21和内圈22是同心的。

本发明的原理以及工作方式如下：螺旋环形微腔1和螺旋环形微腔2相耦合，以此来实现滤波功能。螺旋环形微腔1的外圈11轮廓、螺旋环形微腔2的外圈21轮廓均由以下数学表达式所示：

r(φ)＝r₀(1+ε.φ/2π)

式中r₀是初始半径，ε是偏离度，φ是方向角，也就是外圈轮廓呈螺旋线型分布。内圈是一与外圈同心的圆环，半径为R。根据需要可以对半径R的大小进行调节。在螺旋环形微腔1外圈11缺口处，连接一根输入波导，进行光的输入。在螺旋环形微腔2外圈21缺口处，连接一输出波导，用以光输出。根据时域耦合模理论，如果多个波长由输入波导3输入，当特性波长λi满足螺旋环形微腔1的谐振条件时，则该波长λi即可被耦合进入螺旋环形微腔1进行传播。在耦合区域5，螺旋环形微腔1的光可以耦合到螺旋环形微腔2进行传播，并且由输出波导4输出，实现滤波功能。

本发明的一个具体实施例：r₀＝2μm，ε＝0.06，输入波导3和输出波导4的宽度为0.12μm，两螺旋环形微腔耦合间隔b可以为0～0.1μm，实例中我们取b＝0.035μm。多波长光信号从输入波导3输入，当特性波长λi满足螺旋环形微腔1的谐振条件，则这个特定波长λi即可进入螺旋环形微腔1进行传播。在耦合区域5，该波长的光可以从螺旋环形微腔1耦合进螺旋环形微腔2进行传播，并且由输出波导4输出，实现滤波功能。本发明提供的可集成耦合微腔光学滤波器，也可以是一个螺旋微腔，螺旋微腔的外圈上对称设置缺口，连接输入波导3和输出波导4。

本发明提供的可集成的耦合微腔光学滤波器采用了螺形微腔，分别与输入波导3和输出波导4相连接进行光的输入和输出，无需波导耦合输入和输出，因而加工难度大大减低。同时，两螺旋环形微腔耦合，由于两微腔结构相同，对耦合间隔要求不高，进一步减小了加工难度。通过仿真得到，由于两微腔间的强耦合作用，相对于单个微腔，模式出现了分裂现象，即偶对称模式和奇对称模式。

参见图2，是本发明提供的可集成耦合微腔光学滤波器的频谱特性图，表示了奇对称工作波长为1.1407μm和偶对称具体工作波长为1.1529μm时的频谱特性。

参见图3和图4，本发明提供的可集成耦合微腔光学滤波器在工作波长分别为1.1407μm和1.1529μm时的光场分布，光场分布为回音壁模式。

本发明所提供的可集成耦合微腔光学滤波器的材料可以为硅基半导体或有机/无机材料复合材料。

Claims (8)

1.一种可集成的耦合微腔光学滤波器，包括微腔和波导，其特征在于：所述微腔包括内圈和外圈，所述外圈是螺旋环形的。

2.根据权利要求1所述的可集成的耦合微腔光学滤波器，其特征在于：所述波导通过微腔外圈末端的缺口与微腔相连接。

3.根据权利要求2所述的可集成的耦合微腔光学滤波器，其特征在于：所述微腔是两个，所述波导是两根，所述波导分别连接于两个微腔。

4.根据权利要求3所述的可集成的耦合微腔光学滤波器，其特征在于：所述波导的宽度和螺旋环形微腔缺口的宽度是相等的。

5.根据权利要求4所述的可集成的耦合微腔光学滤波器，其特征在于：所述两个微腔是通过瞬衰波相互耦合的。

6.根据权利要求1所述的可集成的耦合微腔光学滤波器，其特征在于：所述波导是直波导、弯曲波导或梯形波导。

7.根据权利要求1所述的可集成的耦合微腔光学滤波器，其特征在于：所述螺旋环形微腔的内圈和外圈是同心的。

8.根据权利要求1所述的可集成的耦合微腔光学滤波器，其特征在于：所述滤波器的材料是硅基半导体或有机/无机复合材料。

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