CN102707386B - 一种基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器 - Google Patents

一种基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器。下路波导与下路波导微腔间有耦合区，总线波导与下路波导微腔及反射波导微腔间各有一耦合区；下路波导微腔与反射波导微腔均由一维光子晶体微腔构成，包含位于微腔中央的渐变晶格常数区和位于渐变晶格常数区两侧的周期晶格常数区。下路波导微腔与反射波导微腔的谐振频率相同；下路波导微腔和反射波导微腔向下路波导或总线波导的耦合速率须满足一定的关系,下路波导微腔与反射波导微腔间总线波导长度亦须满足一定条件。本发明完全基于波导结构，具有结构简单，尺寸小，下载效率高，入射端口无反射波等特点。可以采用平面波导工艺制作并广泛应用于片上高密度集成的光波分复用互连系统。

Description

一种基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器
技术领域
本发明涉及一种波分复用集成光器件，特别是涉及一种超紧凑的基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器。
背景技术
随着现代人类社会对通信需求的日益增长，光纤互连技术也不断朝着高容量、大带宽和集成化方向发展。光通信和互连的距离包含从远到数千公里近到最近兴起的同一芯片上集成的甚短距离光互连系统。光纤通信技术中广泛使用的光波分复用(WDM)技术，能便捷有效的增加系统带宽容量，提升系统的整体性能。对于片上光互连技术来讲，密集波分复用是一种更加关键的技术，它能使在有限的芯片面积上实现低功耗和大容量的数据通信和互连。同时，片上光互连也对波分复用器件的尺寸和功耗提出了更高的要求。然而采用传统技术制作的波分复用器件，诸如微环谐振器，光栅等器件普遍存在尺寸较大等问题，不利于片上大规模的集成。
采用光子晶体可以实现较为紧凑的波分复用器件，但是目前提出的一些结构都是基于二维光子晶体或二维光子晶体平板的结构，其实际的尺寸与微环等滤波器件相当，在尺寸上不具有高密度集成的优势。实际制作的二维光子晶体波分复用器件存在诸如难于和传统波导耦合，光子晶体波导损耗和色散较大，分辨率较低等问题，难以符合片上密集波分复用系统对尺寸和功耗的要求。此外，在基于二维光子晶体的结构中由于晶格的周期性，使得基于二维光子晶体的应用设计受到这种周期性的限制，因此设计出的器件常常难以制作实现。
因此，研制出尺寸更小、功耗更低、易于集成和制作的波分复用器件是今后发展片上集成光互连技术的重要而有意义的工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑的基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器。
本发明采用的技术方案是：
包括总线波导、下路波导、下路波导微腔、反射波导微腔、第一耦合区、第二耦合区、第三耦合区；下路波导与下路波导微腔间的耦合区为第一耦合区，总线波导与下路波导微腔的耦合区为第二耦合区，反射波导微腔与总线波导的耦合区为第三耦合区；下路波导微腔与反射波导微腔的谐振频率相同；下路波导微腔向下路波导的耦合速率是下路波导微腔向总线波导耦合速率的二倍；下路波导微腔和反射波导微腔向总线波导的耦合速率相同；下路波导微腔中央与反射波导微腔中央之间总线波导的长度应为使得下路波导微腔和反射波导微腔谐振频率处的光在总线波导上传播产生的相位差为(m+1/2)π，其中m为整数；下路波导微腔与反射波导微腔均由制作在波导上的一维光子晶体微腔构成，包含位于微腔中央的渐变晶格常数区和位于渐变晶格常数区两侧的周期晶格常数区。
所述的位于第二耦合区的下路波导微腔和位于第三耦合区的反射波导微腔分别位于同一平面内总线波导的同侧，但下路波导微腔和反射波导微腔之间无直接耦合。
所述的位于第二耦合区的下路波导微腔和位于第三耦合区的反射波导微腔分别位于同一平面内总线波导的两侧。
对于所述的第二耦合区的下路波导微腔和位于第三耦合区的反射波导微腔均与总线波导在同一平面的情况下，第二耦合区和第三耦合区结构分别为总线波导上的波导弯曲区与下路波导微腔和反射波导微腔的中央区域邻近耦合构成。
所述的下路波导、下路波导微腔和反射波导微腔位于同一平面上，总线波导位于与下路波导、下路波导微腔和反射波导微腔所在平面平行的平面上；总线波导与下路波导微腔中央的垂直耦合区为第二耦合区，总线波导与反射波导微腔中央的垂直耦合区为第三耦合区，下路波导与下路波导微腔间为第一耦合区；但下路波导微腔和反射波导微腔之间无直接耦合。
所述的一维光子晶体的周期单元为圆形孔或方形孔。
本发明具有的有益效果是：
本发明结合了传统波导和波导型光子晶体微腔各自的优点，完全基于波导结构，具有下载效率高，尺寸小，入射端口无反射波等特点。同时也解除了二维光子晶体中晶格常数对器件设计的限制，制作更加简单，可以采用平面波导工艺制作并广泛应用于片上高密度集成的光波分复用互连系统。
附图说明
图1是本发明的第一种结构示意图。
图2是本发明的第二种结构示意图。
图3是本发明的第三种结构示意图。
图4是图3的A-A′剖视图。
图5是波导微腔的一种圆形孔实施例图。
图6是波导微腔的一种方形孔实施例图。
图7是图1-2中第二、三耦合区的波导弯曲耦合实施例图。
图8是图1-2中第一耦合区的一种实施例图。
图9是一种具体实施例及其参数标注图。
图中：1、总线波导，2、下路波导，3、下路波导微腔，4、反射波导微腔，5、第一耦合区，6、第二耦合区，7、第三耦合区，8、入射端口，9、下路端口，10、直通端口，11、波导微腔中央，12、圆形孔，13、方形孔，14、渐变晶格常数区，15、周期晶格常数区、16、波导弯曲区。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图2、图3所示，包括总线波导1、下路波导2、下路波导微腔3、反射波导微腔4、第一耦合区5、第二耦合区6、第三耦合区7；下路波导2与下路波导微腔3间的耦合区为第一耦合区5，总线波导1与下路波导微腔3的耦合区为第二耦合区6，反射波导微腔4与总线波导1的耦合区为第三耦合区7；下路波导微腔3与反射波导微腔4的谐振频率相同；且下路波导微腔3向下路波导2的耦合速率是下路波导微腔3向总线波导1耦合速率的二倍；下路波导微腔3和反射波导微腔4向总线波导1的耦合速率相同；下路波导微腔3中央与反射波导微腔4中央之间总线波导1的长度应为使得下路波导微腔3和反射波导微腔4谐振频率处的光在总线波导上传播产生的相位差为(m+1/2)π，其中m为整数；下路波导微腔3与反射波导微腔4均由制作在波导上的一维光子晶体微腔构成，包含位于微腔中央11的渐变晶格常数区14和位于渐变晶格常数区14两侧的周期晶格常数区15。
下路波导微腔3和反射波导微腔4是通过在下路波导上刻蚀一维周期圆形孔12或方形孔13形成的，下路波导微腔3、反射波导微腔4包括渐变晶格常数区14和周期晶格常数区15。渐变晶格常数区14起始的最小单元尺寸是根据当前制作工艺水平精度选定。
如图1所示，所述的位于第二耦合区6的下路波导微腔3和位于第三耦合区7的反射波导微腔4分别位于同一平面内总线波导1的同侧，但下路波导微腔3和反射波导微腔4之间无直接耦合。
如图2所示，所述的位于第二耦合区6的下路波导微腔3和位于第三耦合区7的反射波导微腔4分别位于同一平面内总线波导1的两侧。
如图7所示，对于所述的第二耦合区6的下路波导微腔3和位于第三耦合区7的反射波导微腔4均和总线波导1位于同一平面的情况下，第二耦合区6和第三耦合区7结构分别为总线波导1上的波导弯曲区16与下路波导微腔3和反射波导微腔4的波导微腔中央11邻近耦合构成。
如图8所示，下路波导微腔3与下路波导2的第一耦合区5可以是带弯曲的直接耦合结构或如图1、图2、图3所示的直接耦合结构。
如图3所示，所述的下路波导2、下路波导微腔3和反射波导微腔4位于同一平面上，总线波导1位于与下路波导2、下路波导微腔3和反射波导微腔4所在平面平行的平面上；总线波导1与下路波导微腔3中央的垂直耦合区为第二耦合区6，总线波导1与反射波导微腔4中央的垂直耦合区为第三耦合区7，下路波导2与下路波导微腔3间为第一耦合区5；但下路波导微腔3和反射波导微腔4之间无直接耦合。
所述的一维光子晶体的周期单元为圆形孔12，如图5所示；或周期方形孔13如图6所示，。
本发明所提出的波导型光子晶体微腔下路滤波器的工作原理是：
下路波导微腔3和反射波导微腔4之间通过总线波导实现间接耦合，下路波导微腔3和反射波导微腔4之间总线波导的长度应设计为使下路波导微腔3和反射波导微腔4谐振频率处的光在该段总线波导上传输的相位差为(m+1/2)π，其中m为整数。下路波导微腔3和反射波导微腔4耦合到总线波导1的耦合速率应设计为相同，下路波导微腔3向下路波导2的耦合速率是下路波导微腔3向总线波导1耦合速率的二倍。入射光从总线波导1的入射端口8进入，下路波导微腔3和反射波导微腔4在入射光的激励下建立谐振。下路波导微腔3和反射波导微腔4各自耦合到总线波导1中的光波相干相消使得入射端口8处反射消失，而入射波中满足微腔谐振频率的光被完全下载到下路波导2的下路端口9，其它频率的光完全通过总线波导1的直通端口10。
为满足各耦合速率之间关系，数值上采用有限差分时域方法(FDTD)扫描结构参数来实现。其中耦合速率可以通过以下公式获得：
1/τi=ω0/2Qi        (1)
式中ω0下路波导微腔3和反射波导微腔4的谐振频率，1/τi为耦合到第i个通道的速率，Qi是对应于该通道能量损耗的品质因子，其大小由下式计算：
Q i = ω 0 U P i - - - ( 2 )
其中，U为谐振腔中的存储的电磁能量，Pi为耦合到第i通道的功率。
由于本发明是基于一维周期光子晶体的三维结构，它只具有一个维度的周期晶格产生的不完全光子带隙，在另外两个垂直的方向是通过折射率差来实现模式的限制。因此，波导型光子晶体微腔的设计一个重要的考虑是需要其本征损耗极小即耦合到辐射模的损耗极小，其对应的耦合速率应远远小于其耦合至总线波导1的速率。因此本发明在波导微腔中除周期晶格常数区15外引入了一个渐变晶格常数区14以实现微腔中央处模场和周期晶格常数区15外模场的渐变过渡和匹配，减小辐射损耗。为了实现密集波分复用DWMD功能，应减小各波导微腔的耦合到各通道的速率即提高其总的Q值，整个结构的光谱线宽为ω0/Q。
在此以图9所示的一种具体实施结构并采用绝缘层上硅为器件材料作为例子予以说明，但决非仅限于此结构和材料例。
如图9所示，本发明提及的紧凑型波分解复用下路滤波器由传统波导和波导型光子晶体微腔构成，该滤波器所有组成部分皆位于同一平面内。以绝缘层上硅材料SOI平台为例，采用电子束光刻EBL或190纳米CMOS加工技术在硅层上制作该器件。所采用的SOI基片硅层厚度为220纳米，氧化层SiO2厚度为2微米，最底层亦是硅。采用PMMA495光刻胶作为刻蚀掩膜层，通过感应耦合等离子体刻蚀将图形转移到顶层硅上形成器件结构。
该实施例中器件具体的结构参数标注如图9所示，通过FDTD优化的具体结构参数值如下表所示：
表1 图9中滤波器实施例结构参数值(长度单位:nm)
  wc   wb   sd   sr   pt   pd   pr   ld   lr
  500   450   134.5   134   400   234   200   3000   2000
  a1   a2   a3   a4   a5   a   ri
  330   350   370   390   410   430   0.28ai
上表中各参数代表的意义为：wc为波导微腔宽度，wb为总线波导宽度，sd为下路波导微腔中央相邻的两小孔边缘之间的距离,sr为反射波导微腔中央相邻的两小孔边缘之间的距离,pt为波导微腔与总线波导之间的间距，pd为总线波导弯曲段与下路波导微腔间最近处的间距，pr为总线波导弯曲段与反射波导微腔间最近处的间距，ld和lr分别为总线波导1上两弯曲段的半长度。a为周期晶格区的晶格常数。ai,ri分别为渐变区的晶格常数和小孔半径，其中i=1,…,5，表示从微腔中央往周期晶格区方向的各个晶格常数和小孔半径。
实施例中，下路波导微腔3和反射波导微腔4皆由第二和第三耦合区处下路波导上刻蚀的周期空气孔构成。为了设计超高本征Q值，在两个微腔的中央处渐变晶格常数区空气孔的周期a和半径r＝0.28a皆成线性变化，ai经五次从a线性递减到0.767*a。微腔中央最小的两个空气孔间距离通过数值上的参数扫描优化以达到尽可能大的本征Q值，本例中约为107。波导平行微腔放置，两个微腔的谐振频率设计为相同，以确保滤波器能实现入射端口无反射的工作。与下路波导2直接相连接的下路波导微腔3结构是不对称的，即该微腔在下路波导2一侧没有周期晶格常数区15，但除渐变晶格常数区15外有2个额外的空气孔，其半径分别为0.28*a和0.28*a1，以使下路波导微腔3向下路波导2耦合能量的速率是向总线波导1耦合速率的2倍。下路波导微腔3与反射波导微腔4中央之间总线波导的长度应设计为使得下路波导微腔3与反射波导微腔4谐振频率处的光在其之间传输的相位延迟为π/2的奇数倍。下路波导微腔3与反射波导微腔4之间的周期晶格常数区周期小孔数为8个，它们各自的渐变晶格常数区小孔数为10个。由于下路波导微腔3与反射波导微腔4之间间隔了足够数量的小孔，因而可以认为下路波导微腔3与反射波导微腔4之间是无直接耦合的。
由此完成了滤波器的设计和制作，该滤波器工作波长为1572nm,下载效率可达99.2%。

Claims (6)

1.一种基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器，其特征在于：包括总线波导(1)、下路波导(2)、下路波导微腔(3)、反射波导微腔(4)、第一耦合区(5)、第二耦合区(6)、第三耦合区(7)；下路波导(2)与下路波导微腔(3)间的耦合区为第一耦合区(5)，总线波导(1)与下路波导微腔(3)的耦合区为第二耦合区(6)，反射波导微腔(4)与总线波导(1)的耦合区为第三耦合区(7)；下路波导微腔(3)与反射波导微腔(4)的谐振频率相同；下路波导微腔(3)向下路波导(2)的耦合速率是下路波导微腔(3)向总线波导(1)耦合速率的二倍；下路波导微腔(3)和反射波导微腔(4)向总线波导(1)的耦合速率相同；下路波导微腔(3)中央与反射波导微腔(4)中央之间总线波导(1)的长度应为使得下路波导微腔(3)和反射波导微腔(4)谐振频率处的光在总线波导上传播产生的相位差为(m+1/2)π，其中m为整数；下路波导微腔(3)与反射波导微腔(4)均由制作在波导上的一维光子晶体微腔构成，包含位于微腔中央(11)的渐变晶格常数区(14)和位于渐变晶格常数区(14)两侧的周期晶格常数区(15)。
2.根据权利要求1所述的一种基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器，其特征在于：所述的下路波导微腔(3)和反射波导微腔(4)分别位于同一平面内总线波导(1)的同侧，但下路波导微腔(3)和反射波导微腔(4)之间无直接耦合。
3.根据权利要求1所述的一种基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器，其特征在于：所述的下路波导微腔(3)和反射波导微腔(4)分别位于同一平面内总线波导(1)的两侧。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器，其特征在于： 所述的第二耦合区(6)和第三耦合区(7)结构分别为总线波导(1)上的波导弯曲区(16)与下路波导微腔(3)和反射波导微腔(4)的中央区域(11)邻近耦合构成。
5.根据权利要求1所述的一种基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器，其特征在于：所述的下路波导(2)、下路波导微腔(3)和反射波导微腔(4)位于同一平面上，总线波导(1)位于与下路波导(2)、下路波导微腔(3)和反射波导微腔(4)所在平面平行的平面上；总线波导(1)与下路波导微腔(3)中央的垂直耦合区为第二耦合区(6)，总线波导(1)与反射波导微腔(4) 中央的垂直耦合区为第三耦合区(7)；但下路波导微腔(3)和反射波导微腔(4)之间无直接耦合。
6.根据权利要求1所述的一种基于波导型光子晶体微腔的下路解复用滤波器，其特征在于：所述的下路波导微腔（3）和反射波导微腔（4）是通过在下路波导上刻蚀一维周期圆形孔（12）或方形孔（13）形成的。
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