CN107561616A - 一种低通滤波器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学滤波器领域，具体涉及一种低通滤波器及其制造方法，包括依次设置的输入端模式转换器、滤波器部分与输出端模式转换器，输入端模式转换器能够将输入的基模转换为高阶模式，高阶模式通过滤波器部分滤波输出至输出端模式转换器；输出端模式转换器能够将滤波后的高阶模转换为基模；滤波器部分包括波导，波导支持短于截止波长的所有波长的高阶模式。本发明低通滤波器利用了波导中模式截止原理通过波导实现低通滤波，结构简单，容易实现，通带带宽大，对工艺容差大。

Description

一种低通滤波器及其制造方法

技术领域

本发明涉及光学滤波器领域，具体涉及一种低通滤波器及其制造方法。

背景技术

光学滤波器是光通信和其它光学分支中重要的基本器件。典型的滤波器允许一个或多个波段通过，而阻止或抑制一个或多个波段通过。这些波段是有限的波长范围。另一方面，这里所描述的滤波器允许比截至波长更小或更短的所有波长通过，阻止或抑制比截至波长更长的所有波长。在电器滤波器中，这种滤波器通常被称作“鉴别器”。

低通滤波器具有图1所示的响应特性。图1中显示的是最简单的基本特性。图中的截至波长c将滤波器的响应曲线分为c短波长侧的“全通”和c长波长侧的“禁通”两个区域。实际上，“全通”波段和“禁通”波段之间并不是突变的，而是具有一些过渡区域的。尽管如此，过渡区域可以根据需求来设计成突变的。对于理想的器件，全通侧的光谱具有近似100％通过的特征，而“禁通”侧的光谱具有很高的抑制特性。高抑制特性意味着低于10％的光会通过，通常会更低。选择合适的设计参数可以大大地增加抑制比。

在集成光学现有的低通滤波器中采用光栅结构，其缺点有：滤波特性对光栅周期或占空比比较敏感，滤波器的回损大；且多采用晶体，薄膜等分离器件制作，尺寸大不利用集成。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用波导模式截止原理完成低通滤波的低通光学滤波器。

本发明的技术解决方案是提供一种低通滤波器，其特殊之处在于：包括依次设置的输入端模式转换器、滤波器部分与输出端模式转换器，上述输入端模式转换器能够将输入的基模转换为高阶模式，高阶模式通过滤波器部分滤波输出至输出端模式转换器；上述输出端模式转换器能够将滤波后的高阶模转换为基模；上述滤波器部分包括波导，上述波导支持短于截止波长的所有波长的高阶模式。

优选地，上述波导包括依次设置的输入波导部分、渐变波导部分及直波导部分；

上述输入波导部分的长度为L₁，宽度为W_in，其中L₁≥0；

上述渐变波导部分的宽度从输入波导部分的宽度W_in逐渐减小至直波导部分的宽度W_out，其中W_out＜W_in，W_out使得长于截止波长的高阶模截止；上述渐变波导部分的长度为L₂，其中L₂＞0；

上述直波导部分的长度为L₃，L₃≥0。

优选地，上述波导还包括位于直波导部分之后的第四波导部分及第五波导部分；

上述第四波导部分的宽度从W_out逐渐增大至设定宽度，其长度等于渐变波导部分的长度；

上述第五波导部分的宽度、长度分别与输入波导部分的宽度、长度相等。

优选地，设定宽度等于W_in。

优选地，上述输入端模式转换器包括与输入波导部分通过倏逝波耦合的第一波导，所述第一波导承载光信号的基模，第一波导的宽度从W₁逐渐减小至W₂，其中W₁＜W_in；第一波导的基模能够绝热地转变为输入波导部分的高阶模mode-N；上述输出端模式转换器包括与第五波导部分通过倏逝波耦合的第二波导，第二波导的宽度从W₂逐渐增大至W₁，其中W₁＜W_in，第二波导能够将滤波后的高阶模转化为基模输出。

本发明还提供一种上述低通滤波器的制造方法，使用半导体技术在衬底上制造具有各种折射率的光学透明材料的波导结构。

本发明的有益效果是：

1、本发明低通滤波器利用了波导中模式截止原理通过波导实现低通滤波，结构简单，容易实现，通带带宽大，对工艺容差大；

2、本发明包括直波导部分，使得所要禁通的波长能够有效地转变成辐射模式而从波导的直波导部分中滤除掉，提高消光比，使滤波器的性能更加好。

附图说明

图1为典型的低通滤波器响应特性图；

图2a为典型的波导结构俯视图；

图2b为典型的波导结构的截面图；

图3为波导的前三阶横电场模式的模场示意图；

图4为实施例一波导的俯视图；

图5a为波长为1.30μm时，其三阶模式模场分布的仿真图；

图5b为波长为1.60μm时，其三阶模模场分布的仿真图；

图6为图4所示的低通光学滤波器的多个不同的光谱响应；

图7为模式转换器示意图；

图8为图7所示的模式转换器的仿真结果；

图9为实施例低通滤波器示意图。

图中附图标记为：1-输入端模式转换器，2-滤波器部分，21-输入波导部分，22-渐变波导部分，23-直波导部分，24-第四波导部分，25-第五波导部分，3-输出端模式转换器。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。

从图9可以看出实施例包括输入端模式转换器1、滤波器部分2及输出端模式转换器3，输入端模式转换器1能够将输入的基模转换为高阶模式，高阶模式通过滤波器部分2滤波输出至输出端模式转换器3；输出端模式转换器3能够将滤波后的高阶模转换为基模；滤波器部分2包括波导，所述波导使得短于截止波长的所有波长的高阶模式传播，抑制长于截止波长的所有波长的高阶模式。

首先对滤波器部分2进行详细描述。

本发明所描述的光学低通滤波器是通过集成光学技术实现的，使用半导体技术在衬底上制造并具有各种折射率的光学透明材料的波导结构。本发明适用于任何类型的集成光学波导。实施例中采用掩埋型的条形波导(channelwaveguide)来描述本发明。掩埋型的条形波导是在芯层区域具有恒定折射率的矩形波导，且由具有不同和较低折射率的包层均匀包围。典型的波导结构示意图如图2a所示。光路通常以“附视图”的形式展示，因为沿着光路其大部分变化发生在波导宽度上，而波导的高度或厚度保持不变。图2b还显示了波导结构的截面图，其中波导的宽度表示为W，波导的厚度表示为h。波导的宽度可以沿光路而变化。芯层的折射率为n_co，包层的折射率为n_cl。

光波导支持有限的模式。模式是特性波导的特征场的分布。能量或者信号由波导的模式所承载。最低阶模式即模式1通常被称作“基模”，它具有最大的有效折射率。下一阶模式被称作二阶模，有时被称作第一高阶模，它具有低于基模的有效折射率。类似地，三阶模具有低于二阶模的有效折射率，等等。波导所能支持的模式总数由波导的结构参数和光信号的波长所决定。特别地，波导越宽，波导所能支持的模式越多。同样，波长越短(光学频率越高)，波导所支持的模式越多。波导的前三阶横电场模式(如果波导被设计成至少支持三个模式)的模场示意图如图3所示。此种情况下，波导的折射率为1.79，包层的折射率为1.45，波导的宽度为3μm，工作波长为1.30μm。为了简化说明，波导的厚度认为是无限大的，此种波导被称为平板波导。实际波导的厚度对器件性能起着重要的作用，但不会改变其物理性质或者本发明。

随着波长增大到足够大，所有的高阶模(即模式数大于1)将被截止。截止意味着该模式不能再在波导中传播，波导也不支持该模式。本发明的低通滤波器正是利用了模式截止原理。波导的几何尺寸被设计成使其能够传播短于截止波长的所有波长的高阶模，而抑制长于截止波长的所有波导的高阶模。

图4给出的是实施例滤波器部分2的俯视图，并且标示出滤波器部分2的波导宽度是如何沿波导长度方向改变。滤波器部分2可以划分为输入波导部分21、渐变波导部分22、直波导部分23、第四波导部分24及第五波导部分25，其中输入波导部分21的宽度为W_in，其长度是任意的，甚至可以为零。在输入波导部分21之后的渐变波导部分22，其宽度从输入部分的W_in逐渐变细到W_out，其长度为L₂。紧跟着直波导部分23的宽度为W_out，长度为L₃，长度L₃也可以为零。这三部分是本发明的主要部分。它们与之后要讨论的光输入结构即模式转换器共同构成了本发明。通常在直波导部分23之后会添加另外两部分。这些结构是对称的，从而可以实现双向的使用，或者是为了和其它光路兼容。第四部分紧连着直波导部分23，其宽度从W_out渐变到其它所需的宽度，为了说明，本实施例中其宽度为W_in。第四部分之后是第五部分，称为输出部分，在图4中，其宽度为W_in，其长度可以是任意的甚至是零。

如图4所示，需要滤波的光信号从发明的输入波导部分21输入，光信号在某一高阶模中传输，我们将该高阶模记为mode-N，其中N是大于1的整数。输入波导部分21的宽度为W_in，且被设计成在感兴趣的波段范围内光不会被截止。这个考虑通常意味着W_in足够大，使得所有感兴趣的波长均不会被截止，其截止波长记为λ_c。截止波长如图1所示，是区分全通波段和禁通波段的波长。在图4中，渐变波导部分22的终端宽度为W_out，该宽度使得高于截止波长λ_c的高阶模mode-N截止。模式mode-N的截止波长由波导参数包括芯层的折射率n_co，包层的折射率n_cl，波导的厚度h，波导的宽度W_out等决定。波导的宽度W_in和W_out也由设计所决定。小于截止波长λ_c的光信号可以不被截止地从输入波导部分21传输到直波导部分23输出。对于，所有大于λ_c的波长，其模式mode-N在渐变波导部分22的某处开始将被截止。被截止的模式会转变成辐射模式，并逐渐远离波导传输。渐变波导部分22的长度L₂要足够的长使得要通过的波长(波长小于λ_c)不会因任何的辐射或转变成其它模式而损失掉。直波导部分23的长度L₃和宽度W_out要足够的长使得所要禁通的波长能够有效地转变成辐射模式而从波导的直波导部分23中滤除掉。有效的滤除是指截止的辐射模式不会被第三部分波导重新捕获或者探测器捕获或者被第三部分末端的光纤捕获。

为了进一步说明本发明的低通滤波器的工作原理，选取一个具体的示例来仿真说明。参考图4，所选择的波导芯层的折射率n_co＝1.65，包层的折射率_cl＝1.45，输入端的宽度W_in＝2.5μm，直波导部分23的宽度W_out＝1.85μm，渐变波导部分22的长度L₂＝100μm，直波导部分23的长度L₃＝500μm。在图4中，也包括了第四部分和第五部分。在所选取的参数下，三阶模mode-3的截止波长λ_c为1.45μm。图5a给出的是波长为1.30μm时其三阶模式模场分布的仿真图。很明显，小于1.30μm的波长可以无衰减地从输入端传输到输出端。图5b显示的时波长为1.60μm时其三阶模模场分布的仿真图。波长1.60μm比截止波长要大，其三阶模式被截止，转变成辐射模式而从波导区域散射开。该模式从输入端到输出端有很大地衰减。

图6显示的是图4所示的低通光学滤波器的多个不同的光谱响应。图5a及图5b所述结构的光谱响应曲线在图6中是用“三阶”标注。采用不同的参数的结构的其它模式的光谱响应也画在该图中。具体的参数如下：所有结构的芯层的折射率为1.60，包层的折射率为1.45，渐变结构的长度L₁为100μm，直波导部分23的长度L₃为500μm对于二阶模式：W_in＝1.5μm，W_out＝0.95μm；三阶模式：W_in＝2.5μm，W_out＝1.85μm；四阶模式：W_in＝3.5μm，W_out＝2.75μm；五阶模式W_in＝4.5μm，W_out＝3.65μm。更高阶模式具有更陡峭的截止转变。

上述主要是对本发明的滤波器部分2进行的描述，以下对模式转换器进行描述。

本发明所述的低通光学滤波器可由图4中所描述的前三部分(第一部分和第三部分的长度可以为零)和输入所激发的模式所决定。滤波器部分2依赖于输入所激发的高阶的模式。通常，大部分集成光学器件是围绕基模传输设计的。此外，单模光纤也是在其所使用的波长范围内传输基模，因此基模是集成光学回路所需的。实施例中通过图7所示的模式转换器将基模传化为高阶模式。该模式转换器由两根相互耦合的波导构成，其耦合区的长度为L。将第一根波导定义为第一波导，第一波导接受承载光信号的基模作为其输入，第二根波导(在本发明明中，此处的第二根波导即可以认为是滤波器部分2的输入波导部分21)的宽度W₃大于第一波导，并且支持高阶模式mode-N即低通滤波器所用到的模式。在耦合区，两根波导靠的足够近，使得第一波导的基模和第二根波导的高阶模mode-N之间能够发生倏逝波耦合。第一波导的宽度在耦合区有W₁变细到W₂，而第二根波导的宽度通常恒定不变(但不是必须的)。对于给定的集成光学材料平台，W₁，W₂，W₃，L等参数的选择需要使得第一波导的基模能够绝热地转变为二根波导的高阶模mode-N。

图7所示的模式转换器的仿真结果如图8所示。图8显示的是基模从第一根波导的左端输入时，其模场的演变过程。所用的参数为：n_co＝1.65，n_cl＝1.45，W₁＝1μm，W₂＝0.5μm，W₃＝2.75μm，L＝500μm，工作波长＝1.30μm。在该条件下，转换的模式是四阶模。

在图9中，输入端的模式转换器将输入的基模转换为高阶模式，输出端的模式转换器将高阶模式重新转换回基模。因此，输入端和输出端部分是单模结构，适用于集成光学波导。

Claims (6)

1.一种低通滤波器，其特征在于：包括依次设置的输入端模式转换器、滤波器部分与输出端模式转换器，所述输入端模式转换器能够将输入的基模转换为高阶模式，高阶模式通过滤波器部分滤波输出至输出端模式转换器；所述输出端模式转换器能够将滤波后的高阶模转换为基模；所述滤波器部分包括波导，所述波导支持短于截止波长的所有波长的高阶模式。

2.根据权利要求1所述的低通滤波器，其特征在于：所述波导包括依次设置的输入波导部分、渐变波导部分及直波导部分；

所述输入波导部分的长度为L₁，宽度为W_in，其中L₁≥0；

所述渐变波导部分的宽度从输入波导部分的宽度W_in逐渐减小至直波导部分的宽度W_out，其中W_out＜W_in，W_out使得长于截止波长的高阶模截止；所述渐变波导部分的长度为L₂，其中L₂＞0；

所述直波导部分的长度为L₃，L₃≥0。

3.根据权利要求2所述的低通滤波器，其特征在于：所述波导还包括位于直波导部分之后的第四波导部分及第五波导部分；

所述第四波导部分的宽度从W_out逐渐增大至设定宽度，其长度等于渐变波导部分的长度；

所述第五波导部分的宽度、长度分别与输入波导部分的宽度、长度相等。

4.根据权利要求3所述的低通滤波器，其特征在于：设定宽度等于W_in。

5.根据权利要求3或4所述的低通滤波器，其特征在于：所述输入端模式转换器包括与输入波导部分通过倏逝波耦合的第一波导，所述第一波导承载光信号的基模，第一波导的宽度从W₁逐渐减小至W₂，其中W₁＜W_in；第一波导的基模能够绝热地转变为输入波导部分的高阶模mode-N；所述输出端模式转换器包括与第五波导部分通过倏逝波耦合的第二波导，第二波导的宽度从W₂逐渐增大至W₁，其中W₁＜W_in，第二波导能够将滤波后的高阶模转化为基模输出。

6.一种权利要求1-5任一所述的低通滤波器的制造方法，其特征在于：使用半导体技术在衬底上制造具有各种折射率的光学透明材料的波导结构。