CN108445586A - 一种基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器 - Google Patents

一种基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器，包括偏振与模式转换器、光栅辅助型耦合器和输出偏振与模式转换器，输入偏振与模式转换器通过多模波导、弯曲渐变波导和第一弯曲波导与光栅辅助型耦合器连接；光栅辅助型耦合器通过第二弯曲波导和渐变波导与输出偏振与模式转换器连接；通过利用偏振态和模式的转换来实现TE偏振光和TM偏振光都适用的带通滤波器。本发明实现了带通信号与输入光的偏振态无关，实现了偏振不相关的带通滤波器，极大的提高了光栅滤波器的性能。本发明具有结构简单，尺寸紧凑，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，可广泛应用于片上高密度集成的光互连系统。

Description

一种基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器
技术领域
本发明涉及光栅滤波器领域，特别是涉及一种基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器。
背景技术
随着当今社会的飞速发展，人们对网络数据量的需求不断增长，因而提高通信网络速度的要求成为当前急需解决的问题之一。光通信网络已经取得了巨大成功，目前正朝着低成本、大容量和高速度的目标前进。各种复用技术不断被采用，用以提高数据的传输容量。偏振复用与解复用技术，就是其中一种较为成熟的一种技术方式。然而，在偏振复用系统中，通常要求各光学器件能同时工作于TE和TM状态。
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。布拉格波导光栅具有很好的滤波性能，通过调节周期性的折射率微扰区，可实现不同谐振波长和带宽，还具有不受FSR的影响的优点。采用光栅辅助型结构，就可实现谐振波长的下路，实现带通滤波功能。但是该光滤波器只能工作于一种偏振态，无法在偏振复用系统中使用。
因此，研制出结构简单、尺寸紧凑，功能齐全、易于集成和制作的偏振不相关的带通光滤波器，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硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器，结构简单、易于集成和制作。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器，其特征在于：包括输入偏振与模式转换器、光栅辅助型耦合器(6)和输出偏振与模式转换器；所述输入偏振与模式转换器包括输入偏振转换器(2)和输入非对称渐变定向耦合器(3)，所述输入偏振转换器(2)的左端与输入单模波导(1)连接，所述输入偏振转换器(2)的右端与输入非对称渐变定向耦合器(3)的左端上端口连接；所述输出偏振与模式转换器包括输出偏振转换器(13)和输出非对称渐变定向耦合器(12)，所述输出偏振转换器(13)的左端与输出单模波导(14)连接，所述输出偏振转换器(13)的右端与所述输出非对称渐变定向耦合器(12)的左端下端口连接；所述输入偏振与模式转换器的右端上端口通过多模波导(4)和弯曲渐变波导(5)与所述光栅辅助型耦合器(6)的右端上端口连接；所述输入偏振与模式转换器的右端下端口经第一弯曲波导(9)与所述光栅辅助型耦合器(6)的左端上端口连接；所述光栅辅助型耦合器(6)的右端下端口通过第二弯曲波导(10)与所述输出偏振与模式转换器的右端下端口连接，所述光栅辅助型耦合器(6)的左端下端口经渐变波导(11)与输出偏振与模式转换器的右端上端口连接。
进一步地，所述光栅辅助型耦合器(6)，包括直通波导(7)和下路波导(8)，所述直通波导(7)与所述下路波导(8)宽度不同，在所述直通波导(7)和下路波导(8)两侧边上分布有光栅齿，所述光栅齿均为对称分布，所述光栅齿的周期和占空比相同但光栅齿大小不同；实现满足直通波导(7)的TE01模式反向耦合为下路波导(8)的TE02模式，其中相位匹配条件为(n1+n2)Λ＝λ；式中，n1为直通波导(7)TE01零阶模式有效折射率，n2为下路波导(8)TE02零阶模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。
进一步地，所述输入偏振转换器(2)和所述输出偏振转换器(13)结构相同，均由三段渐变波导组成。
进一步地，所述输入非对称渐变定向耦合器(3)和所述输出非对称渐变定向耦合器(12)均为插损低于0.2dB的非对称渐变定向耦合器；所述输入非对称渐变定向耦合器(3)的左端为两个宽度不同的波导且间距保持不变，其中，上部多模波导的宽度自左向右逐渐变窄，下部单模波导自左向右逐渐变宽；所述输出非对称渐变定向耦合器(12)的右端为两个宽度不同的波导且间距保持不变，其中，上部单模波导宽度自右向左逐渐变窄，下部多模波导宽度自右向左逐渐变宽。
本发明的工作原理：
当输入光为TM偏振态时，本发明通过输入偏振与模式转换器(如图2所示)，将TM偏振态输入光先转换为TE1模式再转换为TE0模式，通过光栅辅助型耦合器实现谐振波长信号的下路，下路信号经过输出偏振与模式转换器(如图3所示)，将TE0模式先转化为TE1模式最后转化为TM模式输出；当输入为TE偏振态光时，输入光经输入偏振与模式转换器，偏振态和模式阶数保持不变，通过光栅辅助型耦合器实现谐振波长信号的下路，下路信号经输出偏振与模式转换器，仍保持原有偏振态和模式阶数，以TE模式输出。由此，本发明实现了带通信号与输入光的偏振态无关，实现了偏振不相关的带通滤波器。
所述光栅辅助型耦合器，包括直通波导和下路波导，二者宽度不同，因而相位失配不会发生耦合作用，光栅齿均匀分布在直通波导和下路波导两侧边上，两波导光栅齿的周期和占空比相同但光栅齿大小不同，由于折射率微扰区的作用，满足相位匹配调节波长的光由直通波导(7)的TE01模式反向耦合为下路波导(8)的TE02模式，其中相位匹配条件为(n1+n2)Λ＝λ，式中n1为直通波导的TE01零阶模式有效折射率，n2为下路波导的TE02零阶模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。通过调节光栅齿的周期，就可以实现谐振波长的调节。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明结合偏振转换器和模式转换器，实现TM模式和TE模式间的转换。
2、本发明采用光栅辅助型耦合器，带宽范围调节方便，器件设计结构简单，尺寸紧凑。
3、本发明实现偏振不相关的带通滤波器，可应用于偏振复用系统。
4、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是本发明基于光栅辅助型耦合器的模式分束转换器的结构图；
图2是图1输入偏振与模式转换器图；
图3是图1输出偏振与模式转换器图；
图4是本发明在SOI上的截面结构示意图。
图中标识：1、单模输入波导，2、输入偏振转换器，3、输入非对称渐变定向耦合器，4、多模波导，5、弯曲渐变波导，6、光栅辅助型耦合器，7、直通波导，8、下路波导，9、第一弯曲波导，10、第二弯曲波导，11、渐变波导12、输出非对称渐变定向耦合器，13、输出偏振转换器，14、输出单模波导，15、衬底硅，16、衬底SiO2,17、顶层硅。
具体实施方式
下面进一步结合附图和实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例：
如图1所示，本发明包括输入偏振与模式转换器、光栅辅助型耦合器6和输出偏振与模式转换器；输入偏振与模式转换器的右端上端口通过多模波导4和弯曲渐变波导5与光栅辅助型耦合器6的右端上端口连接，输入偏振与模式转换器的右端下端口经第一弯曲波导9与光栅辅助型耦合器6的左端上端口连接；光栅辅助型耦合器6的右端下端口通过第二弯曲波导10与输出偏振与模式转换器的右端下端口连接，光栅辅助型耦合器6的左端下端口经渐变波导11与输出偏振与模式转换器的右端上端口连接。利用偏振态和模式的转换，实现TE偏振光和TM偏振光都适用的带通滤波器。
如图2所示，所述输入偏振与模式转换器，包括输入偏振转换器2，输入非对称渐变定向耦合器3，输入偏振转换器2的左端与输入单模波导1连接，输入偏振转换器2的右端与输入非对称渐变定向耦合器3的左端上端口连接。
所述光栅辅助型耦合器，包括直通波导7和下路波导8，直通波导7与下路波导8宽度不同，光栅齿分布在直通波导7和下路波导8两侧边上，光栅齿均为对称分布，两波导光栅齿的周期和占空比相同但光栅齿大小不同；实现满足直通波导7的TE01模式反向耦合为下路波导8的TE02模式的相位匹配条件，其中相位匹配条件为(n1+n2)Λ＝λ，式中n1为直通波导7的TE01零阶模式有效折射率，n2为下路波导8的TE02零阶模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。
所述输出偏振与模式转换器，包括输出偏振转换器13，输出非对称渐变定向耦合器12，输出偏振转换器13的左端与输出单模波导14连接，输出偏振转换器13的右端与输出非对称渐变定向耦合器12的左端下端口连接。
所述输入偏振转换器2和输出偏振转换器13结构相同，由三段渐变波导组成。
所述输入非对称渐变定向耦合器3和输出非对称渐变定向耦合器12结构相同，均为插损低于0.2dB的非对称渐变定向耦合器；输入非对称渐变定向耦合器3，左端为两个宽度不同的波导，间距保持不变，上部多模波导宽度自左向右逐渐变宽，下部单模波导自左向右逐渐变窄；输出非对称渐变定向耦合器12，右端为两个宽度不同的波导，间距保持不变，上部单模波导宽度自右向左逐渐变窄，下部多模波导宽度自右向左逐渐变宽。
如图1所示的一种实施例，本发明一种基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器由单模波导、偏振转换其、非对称渐变定向耦合器、渐变波导、多模波导、弯曲波导和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。
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4所示，工艺制作流程是采用标准的绝缘层上硅(SOI)材料，其中SOI材料是指由衬底硅15、衬底SiO216顶层硅17组成，顶层硅17厚度为220nm，衬底SiO216为2μm。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220nm波导图形。顶层硅17的刻蚀采用离子束辅助自由基刻蚀ICP干法刻蚀。单模波导宽度可以为450nm左右，偏振转换器的宽度可以由450nm变化到600nm再到700nm最后变化到800nm，分别对应的长度为6μm、30μm和12μm。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800nm、600nm,对应长度为200μm，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400nm、200nm，对应长度为200μm。多模波导宽度可以采用600nm，直通波导宽度可以为400nm，下路波导宽度可以为600nm，光栅齿的大小决定中心波长位置，例如可以采用光栅齿大小为30nm和50nm，光栅周期分别为332nm，占空比为0.5。

Claims (4)

1.一种基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器，其特征在于：包括输入偏振与模式转换器、光栅辅助型耦合器(6)和输出偏振与模式转换器；所述输入偏振与模式转换器包括输入偏振转换器(2)和输入非对称渐变定向耦合器(3)，所述输入偏振转换器(2)的左端与输入单模波导(1)连接，所述输入偏振转换器(2)的右端与输入非对称渐变定向耦合器(3)的左端上端口连接；所述输出偏振与模式转换器包括输出偏振转换器(13)和输出非对称渐变定向耦合器(12)，所述输出偏振转换器(13)的左端与输出单模波导(14)连接，所述输出偏振转换器(13)的右端与所述输出非对称渐变定向耦合器(12)的左端下端口连接；所述输入偏振与模式转换器的右端上端口通过多模波导(4)和弯曲渐变波导(5)与所述光栅辅助型耦合器(6)的右端上端口连接；所述输入偏振与模式转换器的右端下端口经第一弯曲波导(9)与所述光栅辅助型耦合器(6)的左端上端口连接；所述光栅辅助型耦合器(6)的右端下端口通过第二弯曲波导(10)与所述输出偏振与模式转换器的右端下端口连接，所述光栅辅助型耦合器(6)的左端下端口经渐变波导(11)与输出偏振与模式转换器的右端上端口连接。
2.根据权利要求1所述的基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器，其特征在于：所述光栅辅助型耦合器(6)，包括直通波导(7)和下路波导(8)，所述直通波导(7)与所述下路波导(8)宽度不同，在所述直通波导(7)和下路波导(8)两侧边上分布有光栅齿，所述光栅齿均为对称分布，所述光栅齿的周期和占空比相同但光栅齿大小不同；实现满足直通波导(7)的TE01模式反向耦合为下路波导(8)的TE02模式，其中相位匹配条件为(n1+n2)Λ＝λ；式中，n1为直通波导(7)TE01零阶模式有效折射率，n2为下路波导(8)TE02零阶模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。
3.根据权利要求1所述的基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器，其特征在于：所述输入偏振转换器(2)和所述输出偏振转换器(13)结构相同，均由三段渐变波导组成。
4.根据权利要求1所述的基于硅基波导光栅的偏振不相关的带通滤波器，其特征在于：所述输入非对称渐变定向耦合器(3)和所述输出非对称渐变定向耦合器(12)均为插损低于0.2dB的非对称渐变定向耦合器；所述输入非对称渐变定向耦合器(3)的左端为两个宽度不同的波导且间距保持不变，其中，上部多模波导的宽度自左向右逐渐变窄，下部单模波导自左向右逐渐变宽；所述输出非对称渐变定向耦合器(12)的右端为两个宽度不同的波导且间距保持不变，其中，上部单模波导宽度自右向左逐渐变窄，下部多模波导宽度自右向左逐渐变宽。
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