CN106680933A - 一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器。包括依次连接的输入波导、高阶模式衰减器、非对称单元周期波导微腔、模式调整器和输出波导，信号光从所述输入波导输入，非对称单元周期波导微腔谐振频率处的光波先后依次通过高阶模式衰减器和非对称单元周期波导微腔后经模式调整器转换为基模从输出波导输出，频率与非对称单元周期波导微腔谐振频率不相同的光波经非对称单元周期波导微腔反射并转换为高阶模式，后经高阶模式衰减器迅速损耗，实现输入波导无反射光。本发明能够使得谐振频率处的光波经周期波导微腔选频输出，非谐振频率处光波反射并迅速损耗，获得无反射的周期波导微腔带通滤波器。

Description

一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种集成光学滤波器件，特别是涉及光波导器件领域的一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器。

背景技术

光滤波器是光通信、片上光互连等技术的核心部件之一。近年来由于对大容量通信的急迫需求，低成本、芯片化的波导滤波器发展相当迅猛。基于光栅、微环谐振腔、微碟谐振腔等集成光学滤波器已有相当多的研究，广泛应用于光路由、光调制、光波分复用和光学传感等领域，但基于微环等传统光学滤波器存在器件尺寸较大、功耗较高，不利于片上大规模集成等问题。为了实现在同一芯片上集成更多的器件，目前集成光器件的研究有小型化和低功耗的需求。光子晶体的诞生为实现易于高密度集成的光子器件提供了一个极具潜力的技术。基于一维光子晶体结构的周期波导及其缺陷微腔，具有与普通波导类似的结构，性能可与二维平板光子晶体器件或其他传统的微环等光器件相近，但其器件尺寸却更加紧凑、作为可调器件时消耗的功耗更低，有望用作下一代光子芯片的基本元件。以周期波导微腔为基础可以发展起调制器、滤波器、光开关等光芯片中必不可少的功能器件。

在以直接耦合周期波导微腔为基础的光滤波器结构中，滤波器将位于周期波导微腔谐振波长处的光选择输出，而位于光子晶体禁带频率的光则形成后向反射波返回原输入端口。一般来讲，反射光会引起激光器工作不稳定，或是干扰双工系统中收发光器件双方的正常通信。虽然通过环路器或隔离器等器件可以有效的消除反射光，但这势必增加系统的复杂度和芯片面积，不利于规模集成应用和降低制作成本。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于横向非对称周期波导微腔的无反射带通滤波器，具有结构简单、尺寸紧凑等优点，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，可广泛应用于超大规模集成光电子芯片。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括输入波导、输出波导、高阶模式衰减器、模式调整器和非对称单元周期波导微腔，输入波导依次经高阶模式衰减器、非对称单元周期波导微腔和模式调整器后与输出波导连接。高阶指的是一阶及以上。

非对称单元周期波导微腔谐振频率处光信号从所述输入波导输入，先后依次通过高阶模式衰减器和非对称单元周期波导微腔后经模式调整器转换为严格基模从输出波导输出，频率与非对称单元周期波导微腔谐振频率不相同的光波通过高阶模式衰减器后经非对称单元周期波导微腔反射并转换为高阶模式，后经高阶模式衰减器迅速损耗，实现输入波导无反射光。

所述的输入波导和输出波导均为单模波导。

所述的高阶模式衰减器为快速渐变波导、非对称定向耦合器或非对称Y分叉波导。

快速渐变波导一端为多模波导，通过较短距离快速变化为单模波导，其作用是使周期波导微腔反射的高阶模式通过后快速损耗，实现输入端口无后向反射。非对称定向耦合器和非对称Y分叉的同一侧的两个端品是不对称的，其作用亦是实现将周期波导微腔的反射的高阶模式光耦合至其中一个波导衰减损耗掉，消除入射端口的后向反射。

所述的模式调整器为无损渐变波导，其一端为较宽的多模波导，经过足够长的距离后变化为单模波导，其作用是实现谐振频率处光波的模式整形和绝热无损输出。

所述的非对称单元周期波导微腔为沿信号传输方向的两侧不对称的单元渐变结构。

所述的非对称单元周期波导微腔的周期单元可以是非对称双排排列孔、倾斜单椭圆孔、倾斜单矩形孔等横向非对称结构，分别如图1-3中所示。

非对称双排排列孔如图1所示，具有上下两排的孔，上排孔和下排孔分别各自以图1中的波导竖直中心线方向对称并孔径向两端逐渐变小，上排孔和下排孔的孔径和布置均以图1中的波导水平中心线方向非对称。

倾斜单椭圆孔如图2所示，具有图中沿传输方向的水平一排孔，一排孔以图2中的波导竖直中心线方向对称并尺寸向两端逐渐渐变，但一排孔以图2中的波导水平中心线方向非对称。

倾斜单矩形孔如图3所示，类似于倾斜单椭圆孔，具有图中沿传输方向的水平一排孔，一排孔以图3中的波导竖直中心线方向对称并尺寸向两端逐渐渐变，但一排孔以图3中的波导水平中心线方向非对称。

非对称单元周期波导微腔的结构特点是，周期单元的排列周期尺寸不变，但孔自身尺寸从中央向输入波导和输出波导两则逐渐变小或逐渐变大。

具体实施中所述的高阶模式衰减器采用快速渐变波导、非对称定向耦合器或非对称Y分叉波导，但不限于此。

当信号光基模通过输入波导后，满足微腔谐振频率的光将谐振遂穿，经模式调整器调整为严格基模后从输出波导输出；不满足微腔谐振频率的光由于周期波导的光禁带作用发生反射，从而获得无反射的周期波导微腔带通滤波器。

在横向非对称周期波导能带结构中，光子禁带出现在第2和3能带。同时由于横向对称性破缺引起了能带的反交叉现象(anti-crossing)，使得位于禁带频率的光反向耦合致两条反交叉能带的高阶模式，在高阶模式衰减器的作用下实现了无反射的滤波器结构。

本发明具有的有益效果是：

本发明由于采用非对称性单元结构，周期波导的第二、三光子能带出现横向非对称性破缺引起的反交叉现象，禁带内非谐振频率的入射光波从基模耦合至反向高阶模，实现将直接耦合周期波导微腔滤波器的入射光反向耦合致高阶模式，高阶模式衰减器使反向传输高阶模迅速完全衰减损耗，获得了微腔谐振频率处光波透射传输，非谐振频率范围无反射光的滤波器结构。

现有带有微环的滤波结构虽然没有反射，但是尺寸较大，现有带有对称周期波导微腔的滤波结构虽然尺寸较小，但是存在反射。通过本发明对带有对称周期波导微腔的滤波结构进行改进克服了存在反射的技术问题，同时实现了小尺寸和无反射的技术效果，相比微环结构的滤波器大大减小了尺寸。

本发明无反射滤波器的制作方法具有CMOS兼容性，设计适当的非对称单元和高阶模式衰减器，从而可实现结构简单、尺寸紧凑的无反射滤波器结构。利用成熟的标准CMOS工艺，使得本发明所涉及的无反射滤波器可大规模制作，大大降低芯片的生产成本。

附图说明

图1是本发明的周期单元为非对称双排圆孔和高阶模式衰减器为快速变化波导的实施例图。

图2是本发明的周期单元为倾斜单椭圆孔和高阶模式衰减器为非对称Y分叉的实施例图。

图3是本发明的周期单元为倾斜单矩形孔和高阶模式衰减器为非对称定向耦合器的实施例图。

图中：1、输入波导，2、输出波导，3、高阶模式衰减器，4、模式调整器，5、非对称单元周期波导微腔。

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所示，本发明包括输入波导1，输出波导2，高阶模式衰减器3，模式调整器4，非对称单元周期波导微腔5。输入波导1与高阶模式衰减器3相连接，模式调整器4与输出波导2相连接，在高阶模式衰减器3和模式调整器4之间为非对称单元周期波导微腔5。图1所示实例中，高阶模式衰减器为一宽度快速变化的波导。

或者高阶模式衰减器又可以采用图2所示的非对称Y分叉或图3所示的非对称定向耦合器，它们都可以将非对称单元周期波导微腔5反射的高阶模式耦合至除输入波导1的其他波导。

其中，高阶模式衰减器3的作用是只允许基模无损耗通过而高阶模完全衰减，实现输入波导1的反方向对反射的高阶模式光完全隔离。模式调整器4的作用是调整从非对称单元周期波导微腔5输出的谐振频率光波模式，使其从一变形基模无损地过渡到严格基模输出。

本发明的实施例如下：

实施例1

下面以图1所示的一种具体实施结构并采用硅光子技术中广泛使用的绝缘衬底上硅(Silicon on Silica)基片为例子予以说明，基片顶层硅厚度为220nm。

通过平面波展开方法计算谐振频率并确定器件的制作参数。如图1所示，周期单元采用非对称的双圆孔结构，即上下两排小孔水平位置错开半个周期，使得该周期波导单元为横向非对称的。同时，为了将微腔的谐振频率设计在第2能带边缘，故在微腔中央采用较大半径的小孔，向微腔两侧逐渐减小圆孔半径的结构，谐振模式为介质模式。以1550nm附近谐振波长为设计目标，优化调整器件各参数，根据平面波展开法计算得到的各参数如下表：

周期a(nm)	中央最大孔半径	两侧最小孔半径	周期数	宽度(nm)
					350	0.31a	0.15a	30	900

在周期波导微腔中，小孔半径由中央最大孔半径0.31a经30个周期线性缓变至两则最小孔半径0.15a，以减小微腔谐振能量损耗，获得极高Q值。

本实施例中高阶模式衰减器为一梯形结构，左边连接宽度为500nm的标准输入波导，右边连接宽度为800nm的周期波导微腔。为实现对高阶模式的有效隔离，高阶模式衰减器的长度设计为1.5μm。为简单起见，模式调整器为一较长的缓变梯形波导，左侧连接宽度为800nm的周期波导微腔，右侧连接宽度为500nm的标准输出波导，模式调整器的长度为5μm。

采用电子束光刻技术定义器件图形。采用PMMA495光刻胶为ICP刻蚀掩膜层，通过ICP刻蚀将图形转移到顶层硅上形成三维结构器件。

上述无反射滤波器谐振波长位于1550.2nm附近，Q值大于1.9×10⁵，滤波器带宽约为0.008nm，插入损耗约为1.5dB，反射消光比大于40dB，可见大大降低了在输入端反射信号的输出，使得整个器件几乎无反射信号的输出。并且实施例的整个器件长度小于30μm，实现了小尺寸制作。

实施例2

如图2所示为周期单元采用单排倾斜椭圆、高阶模式衰减器采用非对称Y分叉的另一实施例，椭圆长轴与竖直方向成一定负夹角形成横向非对称结构。设计时在确定谐振频率对应的周期单元后，优化波导宽度使得反射波高阶模式的传播常数和非对称Y分叉的除输入端口波导的另一波导传播常数相同，以便将反射波耦合至该波导并完全损耗，实现输入端口1无反射。

实施例3

如图3所示为采用周期单元为单排倾斜矩孔形、高阶模式衰减器采用定向耦合器的实施例。本实施例中矩形长边与竖直方向成正夹角形成横向非对称结构，反射高阶模传播常数与定向耦合器的另一侧波导传播常数相近，因而反射波耦合至另一侧波导并损耗，实现与实施例1和实施例2类似的消除输入端口1反射的作用。

由此可见，本发明在实现无反射滤波器的同时也具有结构极其紧凑、易于制作和成本低廉等突出显著的技术效果。

上述实施例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)

1.一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器，其特征是：包括输入波导(1)、输出波导(2)、高阶模式衰减器(3)、模式调整器(4)和非对称单元周期波导微腔(5)，输入波导(1)依次经高阶模式衰减器(3)、非对称单元周期波导微腔(5)和模式调整器(4)后与输出波导(2)连接。

2.根据权利要求1的一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器，其特征在于：频率与非对称单元周期波导微腔(5)谐振频率相同的信号光从所述输入波导(1)输入，先后依次通过高阶模式衰减器(3)和非对称单元周期波导微腔(5)后经模式调整器(4)转换为基模从输出波导(2)输出；频率与非对称单元周期波导微腔(5)谐振频率不相同的信号光从所述输入波导(1)输入，通过高阶模式衰减器(3)后经非对称单元周期波导微腔(5)反射并转换为高阶模式，后经高阶模式衰减器(3)迅速损耗，实现输入波导(1)无反射光。

3.根据权利要求1的一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器，其特征在于：所述的输入波导(1)和输出波导(2)均为单模波导。

4.根据权利要求1的一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器，其特征在于：所述的高阶模式衰减器(3)为快速渐变波导、非对称定向耦合器或非对称Y分叉波导。

5.根据权利要求1的一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器，其特征在于：所述的模式调整器(4)为无损渐变波导以实现输出模式的整形调节。

6.根据权利要求1的一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器，其特征在于：所述的非对称单元周期波导微腔(5)为沿信号传输方向的两侧不对称的单元渐变结构。

7.根据权利要求1或6的一种横向非对称的无反射周期波导微腔带通滤波器，其特征在于：所述的非对称单元周期波导微腔(5)的周期单元可以是非对称双排排列圆孔、倾斜单椭圆孔、倾斜单矩形孔等横向非对称结构。