CN106896446B - 一种基于轴向切趾光栅的滤波器 - Google Patents

一种基于轴向切趾光栅的滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于轴向切趾光栅的滤波器。其输入单模波导经输入渐变波导与非对称渐变定向耦合器左端上端口相连接，非对称渐变定向耦合器左端下端口和弯曲波导相连接，实现反射信号下载；非对称渐变定向耦合器右端上端口和反对称多模波导光栅左端相连接，反对称多模波导光栅右端依次经输出渐变波导与输出单模波导相连接。本发明光栅反射信号的分离采用非对称渐变定向耦合器，容差大，插损小，实现了光栅信号的下载；基于光栅滤波器，容差大，且带宽调节范围大，不受FSR限制，可以实现满足各种不同带宽需求的滤波器；通过对光栅齿轴向位置的调节实现切趾，实现了大边带抑制比的光栅滤波器，很大的提高了光栅滤波器的性能。

Description

一种基于轴向切趾光栅的滤波器
技术领域
本发明涉及光栅滤波器，特别是涉及一种基于轴向切趾光栅的滤波器。
背景技术
21世纪以来，集成光学器件特别是硅基集成光电子器件的发展十分迅速，硅基集成光电子器件俨然已经成为集成光学器件发展很重要的研究方向，各种新型的光学器件不断被报道出来。由于硅基光学器件能够与现有成熟的CMOS工艺相结合，生产成本低，性能可靠性高，便于大规模生产，并且能够与电路系统相结合，形成多功能的光电混合模块和系统，将在通信、传感、军事、生物等众多领域得到广泛地应用，具有非常光明的前景。因此对光通讯提出了更高的要求，比如多业务匹配，波长的资源的灵活分配等等，因此波分复用在光通信领域的作用越来越重要，随着通信技术的发展，要求速率不同的信号可以同时传输，因此可靠的高边带抑制比的光栅滤波器成为了光通讯不可缺少的模块。
学者们结合硅材料本身大折射率差、低损耗、与CMOS兼容等的优点，对硅基滤波器进行了一系列的探索，虽然基于微环以及马赫泽德干涉仪的滤波器具有窄的带宽，但受其本身FSR的限制，限制了波分复用的波段范围，不能够覆盖全部的C波段，而光栅不受FSR的限制，波长范围可以覆盖整个通讯波段。但目前的光栅受旁瓣影响对相邻通道串扰比较大，很难实现密集波分复用，所以实现基于硅基波导光栅的切趾型滤波器具有很大的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于轴向切趾光栅的滤波器，能够实现结构简单、工艺简单、无插损以及高的边带抑制比的切趾型光栅滤波器。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
本发明包括输入单模波导、输出单模波导、非对称渐变定向耦合器、输入渐变波导、输出渐变波导、弯曲波导和反对称多模波导光栅；输入单模波导右端口和输入渐变波导左端口相连接，输入渐变波导右端口和非对称渐变定向耦合器左端上端口相连接，非对称渐变定向耦合器左端下端口和弯曲波导相连接，实现反射信号下载；非对称渐变定向耦合器右端上端口和反对称多模波导光栅左端相连接，反对称多模波导光栅右端依次经输出渐变波导与输出单模波导相连接。
所述非对称渐变定向耦合器，包括第一渐变波导，第二渐变波导；第一渐变波导左侧为单模波导，逐渐变宽为多模波导，第二渐变波导左侧为单模波导，逐渐变窄。
所述非对称渐变定向耦合器，包括第一渐变波导，第二渐变波导，实现反射的TEm模式到TE0模的耦合，然后下载到弯曲波导。
所述反对称多模波导光栅，依次包括左多模波导、切趾光栅和右多模波导；切趾光栅通过两侧光栅齿的轴向位的渐变分布实现切趾，包括两侧光栅齿的轴向相对渐变横移和对称渐变的横移。
所述切趾光栅中，能满足相位匹配条件(n0+nm)/2＝λ/Λ的TE0和TEm会发生耦合，式中：n0为TE0零阶模式有效折射率，n1为TEm第m阶模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期，实现入射TE0零阶模式反向耦合为TEm第m阶模。
本发明具有的有益效果是：
1)光栅反射信号的分离采用非对称渐变定向耦合器，容差大，插损小，实现了光栅信号的下载；
2)基于光栅滤波器，容差大，且带宽调节范围大，不受FSR限制，可以实现满足各种不同带宽需求的滤波器；
3)通过对光栅齿轴向位置的调节实现切趾，实现了大边带抑制比的光栅滤波器，很大的提高了光栅滤波器的性能；
4)采用的器件可以用平面集成光波导工艺制作，只需要一次刻蚀完成，成本低，性能高，损耗小，并且与传统的CMOS工艺兼容，具有大规模生产的潜力。
附图说明
图1是轴向切趾光栅滤波器整体结构示意图。
图2是第一种轴向切趾光栅示意图。
图3是第二种轴向切趾光栅示意图。
图4是第三种轴向切趾光栅示意图。
图5是第四种轴向切趾光栅示意图。
图6是本发明在SOI上的截面结构示意图。
图7是本发明第一种切趾仿真效果示意图。
图中：1、输入单模波导，2、输入渐变波导，3、非对称渐变定向耦合器，4、第一渐变波导，5、左多模波导，6、反对称多模波导光栅，7、切趾光栅，8、右多模波导，9、输出渐变波导，10、输出单模波导，11、弯曲波导，12、第二渐变波导，13、二氧化硅保护层，14、顶层硅，15、衬底SiO2，16、衬底Si。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明包括输入单模波导1、输出单模波导10、非对称渐变定向耦合器3、输入渐变波导2、输出渐变波导9、弯曲波导11和反对称多模波导光栅6；输入单模波导1右端口和输入渐变波导2左端口相连接，输入渐变波导2右端口和非对称渐变定向耦合器3左端上端口相连接，非对称渐变定向耦合器3左端下端口和弯曲波导11相连接，实现反射信号下载；非对称渐变定向耦合器3右端上端口和反对称多模波导光栅6左端相连接，反对称多模波导光栅6右端依次经输出渐变波导9与输出单模波导10相连接。
如图1所示，所述非对称渐变定向耦合器3，包括第一渐变波导4，第二渐变波导12；第一渐变波导4左侧为单模波导，逐渐变宽为多模波导，第二渐变波导12左侧为单模波导，逐渐变窄。
如图1所示，所述非对称渐变定向耦合器3，包括第一渐变波导4，第二渐变波导12，实现反射的TEm模式到TE0模的耦合，然后下载到弯曲波导11。
如图1所示，所述反对称多模波导光栅6，依次包括左多模波导5、切趾光栅7和右多模波导8；切趾光栅7通过两侧光栅齿的轴向位的渐变分布实现切趾，包括两侧光栅齿的轴向相对渐变横移和对称渐变的横移。其中：切趾波导光栅7可以有四种不同的构成方式：
1、两侧光栅齿相对位置Δs沿传播方向呈渐变分布，变化趋势为小—大—小(如图2所示)；
2、两侧光栅齿相对位置Δs沿传播方向呈渐变分布，变化趋势为大—小—大(如图3所示)；
3、两侧光栅齿位置沿传播方向均呈渐变分布，光栅齿变化趋势为密—疏—密(如图4所示)；
4、两侧光栅齿位置沿传播方向均呈渐变分布，光栅齿变化趋势为疏—密—疏(如图5所示)。
采用第1种切趾光栅结构时，可以根据耦合模可以得到耦合系数公式为其中k0为TE0和TEm的耦合系数。
所述切趾光栅7中，能满足相位匹配条件(n0+nm)/2＝λ/Λ的TE0和TEm会发生耦合，式中：n0为TE0零阶模式有效折射率，n1为TEm第m阶模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期，实现入射TE0零阶模式反向耦合为TEm第m阶模。
本发明的工作原理：
本发明通过非对称渐变定向耦合器3左端下端口与弯曲波导11相连实现反射信号的提取和下载。所述切趾光栅7为光栅齿轴向位置的调节，变化函数可以为高斯、正弦、余弦等以及其他渐变切趾函数。
主要有四种实现方式：
1、其两侧光栅齿轴向相对位置Δs沿传播方向呈渐变分布，其中Δs变化方式为小—大—小；
2、其两侧光栅齿轴向相对位置Δs沿传播方向呈渐变分布，其中Δs变化为大—小—大；
3、两侧光栅齿均呈渐变分布，光栅齿分布为密—疏—密；
4、两侧光栅齿均呈渐变分布，光栅齿分布为疏—密—疏；
通过调节光栅齿的位置实现对耦合系数的调节，实现耦合系数沿着传播方向的渐变，根据耦合模方程，所述切趾光栅耦合系数为其中k0为当Δs＝Λ/2时TE0和TEm的耦合系数。
满足相位匹配条件的TE0零阶模式的输入信号，在反对称多模波导光栅6中，被反向耦合为TEm第m阶模式，反向传输，经过非对称渐变定向耦合器3，反射TEm信号转变为TE0信号，通过弯曲波导11端口实现下载。其中TE0零阶模式和第m阶模式TEm的相位匹配条件为(n0+nm)/2＝λ/Λ；式中n0为TE0零阶模式有效折射率，nm为第m阶模式TEm有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。
本发明实施例器件结构制作可以通过但不限于以下方式实施：
如图6所示，制作工艺流程是基于标准的SOI材料，SOI材料由衬底Si 16、衬底SiO215和顶层硅14三层组成，其中顶层硅14厚度为220nm，衬底SiO2 15厚度为2um，顶层硅14作为保护层可以根据需要选择。在完成晶圆表面的清洗后，其中光刻部分的工艺采用等离子增强化学气相沉积法PECVD沉积氧化硅作为掩膜，利用深紫外曝光形成所需要的波导图形。顶层硅14的刻蚀采用离子束辅助自由基刻蚀ICP干法刻蚀。然后在波导层上沉积2um左右的二氧化硅保护层13。单模波导宽度可以为450nm左右，非对称渐变定向耦合器上波导左右端宽度不同，如可以分别为600nm、1.0um,非对称渐变定向耦合器下波导左右端宽度不同，可以分别为450nm、100nm，多模波导宽度可以采用1.0um，光栅切趾函数可以采用高斯切趾其中b可以取10，光栅齿的大小决定中心波长位置，例如为了使中心波长在1550附近，可以采用光栅齿大小为50nm，光栅周期分别为336nm，占空比为0.5。
图7是本发明第一种切趾仿真效果示意图，下载端反射信号中心波长为1.58um,3dB带宽为4nm，边带抑制比可以达到28dB 。

Claims (4)

1.一种基于轴向切趾光栅的滤波器，其特征在于：包括输入单模波导(1)、输出单模波导(10)、非对称渐变定向耦合器(3)、输入渐变波导(2)、输出渐变波导(9)、弯曲波导(11)和反对称多模波导光栅(6)；输入单模波导(1)右端口和输入渐变波导(2)左端口相连接，输入渐变波导(2)右端口和非对称渐变定向耦合器(3)左端上端口相连接，非对称渐变定向耦合器(3)左端下端口和弯曲波导(11)相连接，实现反射信号下载；非对称渐变定向耦合器(3)右端上端口和反对称多模波导光栅(6)左端相连接，反对称多模波导光栅(6)右端依次经输出渐变波导(9)与输出单模波导(10)相连接；
所述反对称多模波导光栅(6)，依次包括左多模波导(5)、切趾光栅(7)和右多模波导(8)；切趾光栅(7)通过两侧光栅齿的轴向位的渐变分布实现切趾，包括两侧光栅齿的轴向相对渐变横移和对称渐变的横移；
切趾光栅(7)有四种不同的构成方式：
1、两侧光栅齿相对位置Δs沿传播方向呈渐变分布，变化趋势为小—大—小；
2、两侧光栅齿相对位置Δs沿传播方向呈渐变分布，变化趋势为大—小—大；
3、两侧光栅齿位置沿传播方向均呈渐变分布，光栅齿变化趋势为密—疏—密；
4、两侧光栅齿位置沿传播方向均呈渐变分布，光栅齿变化趋势为疏—密—疏。
2.根据权利要求1所述的一种基于轴向切趾光栅的滤波器，其特征在于：所述非对称渐变定向耦合器(3)，包括第一渐变波导(4)，第二渐变波导(12)；第一渐变波导(4)左侧为单模波导，逐渐变宽为多模波导，第二渐变波导(12)左侧为单模波导，逐渐变窄。
3.根据权利要求2所述的一种基于轴向切趾光栅的滤波器，其特征在于：所述非对称渐变定向耦合器(3)，包括第一渐变波导(4)，第二渐变波导(12)，实现反射的TEm模式到TE0模的耦合，然后下载到弯曲波导(11)。
4.根据权利要求1所述的一种基于轴向切趾光栅的滤波器，其特征在于：所述切趾光栅(7)中，能满足相位匹配条件(n0+nm)/2＝λ/Λ的TE0和TEm会发生耦合，式中：n0为TE0零阶模式有效折射率，nm为第m阶模式TEm有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期，实现入射TE0零阶模式反向耦合为TEm第m阶模。
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