CN105759362A - 一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器 - Google Patents

一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，当TE光从单模输入波导输入，输入模式转换器将其转换为多模波导的TE基模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导的TE一阶模，该模式通过下路耦合区时被转换为下路单模波导的TE模，从下路单模波导的输出端输出，透射光则通过输出模式转换器转换为单模输出波导的TE模，从单模输出波导的输出端输出；本发明同时实现了滤波器的带通与带阻功能，可应用于片上高密度集成的光互连系统。

Description

一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器
技术领域
本发明涉及一种光滤波集成器件，特别是涉及一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器。
背景技术
随着集成电路的飞速发展，晶体管特征尺寸不断减小，高速信息在电互连传递时不可避免地遭遇了速度、带宽和功耗等方面的一系列瓶颈。基于硅光学的片上光互连为这一技术难题的解决提供了一种可行的方案，信息的交换将在光的传输层上直接进行。
光滤波器作为光互连的一个基础功能器件，可灵活地将不同信号过滤，是密集波分复用光网络非常重要的一个环节。目前光滤波功能的器件主要有两种结构：第一种是微环谐振腔结构，它能提供较高的Q值，但是它存在一系列的谐振波长，光的滤波受到自由谱宽的影响，且无法实现大滤波带宽；第二种是布拉格波导光栅结构，它是利用周期性的折射率微扰区，可实现不同带宽的光滤波功能，但是由于它是两端口器件，无法实现反射光谱的直接提取，并且反射光还会造成光源的不稳定。
因此，研制出结构简单、尺寸紧凑，功能齐全、易于集成和制作的带通带阻光滤波器，是今后发展片上集成光通信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基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，结构简单、尺寸紧凑，功能齐全、易于集成和制作。
本发明一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，包括单模输入波导、输入模式转换器、多模波导、反对称布拉格波导光栅、输出模式转换器、单模输出波导、下路耦合区和下路单模波导，其中单模输入波导与输入模式转换器的一端连接，输入模式转换器的另一端与多模波导连接，输出模式转换器的一端与多模波导连接，另一端与单模输出波导连接，下路耦合区由多模波导和下路单模波导组成，下路单模波导位于多模波导的一侧，所述的反对称布拉格波导光栅位于多模波导上，呈反对称分布；TE光从单模输入波导输入，输入模式转换器将其转换为多模波导的TE基模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导中的TE一阶模，反射光通过下路耦合区时被转换为下路单模波导的TE模，从下路单模波导的输出端输出；而不满足相位匹配条件波长的透射光，通过输出模式转换器，从单模输出波导输出。
所述的单模输入波导、输入模式转换器、多模波导、反对称布拉格波导光栅、单模输出波导和下路单模波导，为条形波导。
所述的输出模式转换器和输入模式转换器完全一致，由渐变的条形波导组成。
所述的下路耦合区的多模波导的TE一阶模和下路单模波导TE模的相位满足匹配条件，下路单模波导的长度为一个拍长。
所述的反对称布拉格波导光栅的周期满足将多模波导中的TE基模和TE一阶模相互发生耦合的相位匹配条件。
所述的反对称布拉格波导光栅的周期性折射率微扰区在多模波导的两侧边上。
所述的构成布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。
采用本发明的技术方案，TE光从单模输入波导输入，输入模式转换器将其转换为多模波导的基模，多模波导的基模通过反对称布拉格波导光栅时，满足相位匹配的波长的光被反向耦合为多模波导的一次模，该反向传输的光将在下路耦合区被耦合到下路单模波导,从下路单模波导的输出端输出；而不满足相位匹配条件波长的透射光，通过输出模式转换器，从单模输出波导输出。本发明同时实现了光滤波器的带通带阻功能，具有结构简单，尺寸紧凑和容差大等优点，制作工艺具有CMOS工艺兼容性，易于集成和扩展，方便低成本制造，可应用于片上高密度集成的光互连系统。
本发明的有益效果是：
1、结合非对称定向耦合器和反对称布拉格波导光栅实现滤波器带通和带阻功能，具有插损小和容差大等特点。
2、器件设计结构简单，尺寸紧凑。
3、器件制作工艺具有CMOS工艺兼容性，使得器件易于集成和扩展，方便低成本制造，可广泛应用于片上高密度集成的光互连通信系统。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是图1中条形波导的剖面图；
图3是图1中布拉格波导光栅的周期单元形状示意图；
图4是图1中布拉格波导光栅的俯视图；
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图中标识：1、单模输入波导2、输入模式转换器
3、多模波导4、反对称布拉格波导光栅
5、输出模式转换器6、单模输出波导
7、下路耦合区8、下路单模波导。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，包括单模输入波导（1）、输入模式转换器（2）、多模波导（3）、反对称布拉格波导光栅（4）、输出模式转换器（5）、单模输出波导（6）、下路耦合区（7）和下路单模波导（8），其中单模输入波导（1）与输入模式转换器（2）的一端连接，输入模式转换器（2）的另一端与多模波导（3）连接，输出模式转换器（5）的一端与多模波导（3）连接，另一端与单模输出波导（6）连接，下路耦合区（7）由多模波导（3）和下路单模波导（8）组成，下路单模波导（8）位于多模波导（3）的一侧，所述的反对称布拉格波导光栅（4）位于多模波导（3）上，呈反对称分布；TE光从单模输入波导（1）输入，输入模式转换器（2）将其转换为多模波导（3）的TE基模，反对称布拉格波导光栅（4）把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导（3）中的TE一阶模，反射光通过下路耦合区（7）时被转换为下路单模波导（8）的TE模，从下路单模波导（8）的输出端输出；而不满足相位匹配条件波长的透射光，通过输出模式转换器（5），从单模输出波导（6）输出，本发明同时实现了光滤波的带通与带阻功能，具有结构简单，尺寸紧凑和容差大等优点，制作工艺具有CMOS工艺兼容性，易于集成和扩展，方便低成本制造，可应用于片上高密度集成的光互连系统。
所述的输入模式转换器（2）由渐变波导组成，当单模输入波导（1）的输入模式为TE模时，模式转换器（2）将该模式转换为多模波导（3）的TE基模；
所述的输出模式转换器（5）的结构和输入模式转换器（2）结构一致，输出模式转换器（5）将多模波导（3）中的TE基模转换为单模输出波导（6）的TE模；
所述的反对称布拉格波导光栅（4）的周期性折射率微扰区对称设在多模波导（3）的两侧边上，呈反对称分布；当多模波导（3）中入射光波长满足相位匹配条件的TE基模通过反对称布拉格波导光栅（4）时，被反向耦合为多模波导（3）的TE一阶模，该TE一阶模反射光通过下路耦合区（7）时被转换为下路单模波导（8）的TE模，从下路单模波导（8）的输出端输出；而当多模波导（3）中波长不满足相位匹配条件的TE基模通过反对称布拉格波导光栅（4）时，该透射光不会受到反对称布拉格波导光栅（4）的影响，继续向前传输，通过输出模式转换器（5）时，被转换为单模输出波导（6）的TE模，从单模输出波导（6）的输出端输出。
如图1、图3和图4所示，所述的反对称布拉格波导光栅（4）是通过在波导上刻蚀一维矩形周期单元形成的，反对称布拉格波导光栅（4）的周期满足多模波导（3）的TE基模反向耦合到TE一阶模的相位匹配条件。
为满足多模波导（3）TE模反向耦合到TE一阶模的要求，需要设计布拉格波导光栅周期，可以通过以下公式获得
(1)
式中Λ为光栅周期，为多模波导TE基模的传播常数，为多模波导TE一阶模的传播常数。
为满足下路耦合区（7）相位匹配条件，要求多模波导（3）TE一阶模的传播常数与下路单模波导（8）的传播常数大致相同，下路单模波导（8）的长度为一个拍长，拍长可以通过以下公式获得
式中L为拍长，为多模波导（3）和下路单模波导（8）构成的组合波导的TE一阶模的传播常数，为组合波导TE二阶模的传播常数。
如图1所示一种实施例，本发明一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器由单模波导、模式转换器、多模波导和反对称布拉格波导光栅构成，该器件所有组成部分皆位于同一平面内。图1中的所有单模波导1、6、8，模式转换器2、5，多模波导3和布拉格波导光栅4，皆采用图2所示的条形波导。
实施例：
如图1、图2和图4所示，采用顶层硅厚为220nm、氧化硅埋层2μm的绝缘层上硅(SOI)材料，在完成晶圆表面清洗后，进行深紫外光刻或电子束直写光刻获得硅刻蚀掩膜，通过硅干法刻蚀，制作出高度为220nm的条形波导，其中单模波导宽度为450nm，多模波导的宽度为900nm，多模波导的两侧边刻蚀反对称结构的布拉格波导光栅，矩形光栅齿为150nm，其周期为310nm，布拉格波导光栅的长度为300μm。
上述实施例中的光栅周期参数是针对工作波长为1550nm，900nm宽度的多模条形波导设计的，器件也适合其它工作波长和宽度的多模条形波导，也适用于不同的顶层硅厚度的条形波导，只需改变渐变型波导的尺寸和设计不同的光栅周期参数，即可实现光滤波器功能。整个器件只需一次刻蚀即可完成制作。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，其特征在于:包括单模输入波导、输入模式转换器、多模波导、反对称布拉格波导光栅、输出模式转换器、单模输出波导、下路耦合区和下路单模波导，其中单模输入波导与输入模式转换器的一端连接，输入模式转换器的另一端与多模波导连接，输出模式转换器的一端与多模波导连接，另一端与单模输出波导连接，下路耦合区由多模波导和下路单模波导组成，下路单模波导位于多模波导的一侧，所述的反对称布拉格波导光栅位于多模波导上，呈反对称分布；TE光从单模输入波导输入，输入模式转换器将其转换为多模波导的TE基模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导中的TE一阶模，反射光通过下路耦合区时被转换为下路单模波导的TE模，从下路单模波导的输出端输出；而不满足相位匹配条件波长的透射光，通过输出模式转换器，从单模输出波导输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，其特征在于：所述的单模输入波导、输入模式转换器、多模波导、反对称布拉格波导光栅、单模输出波导和下路单模波导，为条形波导。
3.根据权利要求2所述的一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，其特征在于：所述的输出模式转换器和输入模式转换器完全一致，由渐变的条形波导组成。
4.根据权利要求1、2所述的任意一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，其特征在于：所述的下路耦合区的多模波导的TE一阶模和下路单模波导TE模的相位满足匹配条件，下路单模波导的长度为一个拍长。
5.根据权利要求1、2所述的任意一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，其特征在于：所述的反对称布拉格波导光栅的周期满足将多模波导中的TE基模和TE一阶模相互发生耦合的相位匹配条件。
6.根据权利要求2所述的一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，其特征在于：所述的反对称布拉格波导光栅的周期性折射率微扰区在多模波导的两侧边上。
7.根据权利要求2所述的一种基于反对称多模布拉格波导光栅的带通带阻滤波器，其特征在于：所述的构成布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。
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