CN108646346B - 一种基于相位调制切趾光栅的窄带滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相位调制切趾光栅的窄带滤波器，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相连接，非对称渐变定向耦合器与弯曲输出波导相连接，实现反射信号输出；非对称渐变定向耦合器右端上端口和反对称多模波导切趾光栅左端相连接，反对称多模波导切趾光栅右端依次经输出渐变波导与输出单模波导相连接，实现直通端信号输出。本发明光栅反射信号的提取采用非对称渐变定向耦合器，容差大，插损小；通过对光栅齿与波导间间隔调节，实现窄带宽可调；多模波导只支持两个模式，避免其它模式的耦合而产生的串扰；通过对光栅相位的调节实现切趾，实现了高边带抑制比的光栅滤波器，极大地提高了光栅滤波器的性能。

Description

一种基于相位调制切趾光栅的窄带滤波器
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相位调制切趾光栅的窄带滤波器。
背景技术
21世纪以来，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的遭遇了速度、带宽和功耗等方面的一系列瓶颈。基于硅光子学的片上光互连为这一技术难题提供了一种可行的解决方案，信息的交换将在光的传输层上直接进行。近年来，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被不断被报道出来。
窄带光滤波器作为光互连的一个核心功能器件，可灵活地实现不同信号的分离、上路和下路，是密集波分复用光网络非常重要的一个环节。学者们对窄带硅基滤波器进行了一系列的探索，虽然基于微环和F-P腔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。此外，均匀的光栅受旁瓣影响对相邻通道串扰比较大，当前报道的反对称结构的多模波导光栅，要实现窄带宽，需要增加波导宽度，因而波导支持的模式也将大大增加，这会引起一些不必要的模式串扰。因此，研究实现基于硅基波导光栅的切趾型窄带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相位调制切趾光栅的窄带滤波器，能够实现结构简单、工艺简单、带宽窄、插损小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：
一种基于相位调制切趾光栅的窄带滤波器，其特征在于：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切趾波导光栅；所述输入单模波导右端口和所述输入渐变波导左端口相连接，所述输入渐变波导右端口和所述非对称渐变定向耦合器左端上端口相连接，所述非对称渐变定向耦合器左端下端口和所述弯曲输出波导相连接，实现反射信号下路；所述非对称渐变定向耦合器右端上端口和所述反对称多模波导切趾光栅左端相连接，所述反对称多模波导切趾光栅(6)右端经所述输出渐变波导(9)与所述输出单模波导(10)相连接。
进一步地，所述非对称渐变定向耦合器包括第一渐变波导和第二渐变波导；所述第一渐变波导为只支持两个模式的多模波导，从左侧向右侧逐渐变宽，所述第二渐变波导左侧为单模波导，从左侧向右侧逐渐变窄。
进一步地，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，实现将第一渐变波导中反向传输的TE1模转化为第二渐变波导的TE0模，然后下路到弯曲输出波导。
进一步地，所述反对称多模切趾波导光栅包括多模波导、均匀光栅和相位调制切趾光栅；所述多模波导的宽度只支持两个模式，所述均匀光栅的周期和占空比都保持不变，所述相位调制的切趾光栅的相位沿光传播方向调制与所述均匀的光栅的相位呈高斯型变化。
进一步地，所述均匀光栅中，TE0模和TE1模的相位匹配条件为(n0+n1)Λ＝λ，式中：n0为TE0模的有效折射率，n1为TE1模的有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期，实现入射TE0模式反向耦合为TE1模。
本发明的工作原理：
本发明通过非对称渐变定向耦合器4左端下端口与弯曲波导12相连，实现反射信号的下路。所述多模波导切趾光栅6中一侧光栅齿为均匀分布，通过对另外一侧的光栅相位调制，使得两侧光栅相位的变化呈为高斯函数形式发生变化。
通过调节两侧光栅齿的相位差实现对耦合系数的调节，实现耦合系数沿着传播方向的变化，根据耦合模方程，可以推导出耦合系数公式为
Figure BDA0001630848970000021
其中
Figure BDA0001630848970000022
为两侧光栅的相位差，k0为
Figure BDA0001630848970000023
时TE0和TE1的耦合系数。
满足相位匹配条件的TE0零阶模式的输入信号，在反对称多模切趾波导光栅6中，被反向耦合为TE1模式，反向经过非对称渐变定向耦合器4，第一渐变波导3中的TE1模转变为第二渐变波导11中的TE0模，通过弯曲输出波导12端口实现下路。其中TE0模和TE1模的相位匹配条件为(n0+n1)Λ＝λ；式中n0为TE0模式有效折射率，n1为TE1模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。
本发明具有的有益效果是：
1)光栅反射信号的下路采用非对称渐变定向耦合器，容差大，插损小；
2)光栅齿分布在多模波导两侧，光栅齿与多模波导的间隔可调，可满足窄带宽调节；
3)通过对光栅齿相位的调节实现切趾，实现了大边带抑制比的光栅滤波器，很大地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是相位调制切趾光栅滤波器整体结构示意图。
图2是相位调制切趾光栅示意图。
图3是本发明在SOI上的截面结构示意图。
图中：1、输入单模波导，2、输入渐变波导，3、第一渐变波导，4、非对称渐变定向耦合器，5、多模波导，6、反对称多模切趾波导光栅，7、均匀光栅齿，8、相位调制光栅齿，9、输出渐变波导，10、输出单模波导，11、第二渐变波导，12、输出弯曲波导，13、二氧化硅保护层，14、顶层硅层，15、衬底二氧化硅层，16、衬底硅层。
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，本发明包括输入单模波导1、输出单模波导10、非对称渐变定向耦合器4、输入渐变波导2、输出渐变波导9、弯曲输出波导12和反对称多模切趾波导光栅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4左端上端口相连接，非对称渐变定向耦合器4左端下端口和弯曲输出波导12相连接，实现反射信号下路；非对称渐变定向耦合器4右端上端口和反对称多模切趾波导光栅6左端相连接，反对称多模切趾波导光栅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，所述输入渐变波导左侧为单模波导，逐渐展宽为只支持两个模式的多模波导。
如图1所示，所述非对称渐变定向耦合器4，包括第一渐变波导3，第二渐变波导11；第一渐变波导3为只支持两个模式的多模波导，从左侧向右侧逐渐变宽，第二渐变波导11左侧为单模波导，从左侧向右侧逐渐变窄。
如图1所示，所述非对称渐变定向耦合器4，包括第一渐变波导3，第二渐变波导11，实现将第一渐变波导中的TE1模转化为第二渐变波导的TE0模。
如图1所示，所述反对称多模切趾波导光栅6，包括多模波导5、均匀光栅齿7和相位调制光栅齿8，均匀光栅齿7和相位调制光栅齿8由矩形波导构成且距离多模波导有一定的间隔；均匀光栅齿7的周期和占空比保持不变，通过对相位调制光栅齿8的相位进行调制实现切趾功能(如图2所示)。采用这种切趾光栅结构时，可以推导出耦合系数公式为
Figure BDA0001630848970000041
其中
Figure BDA0001630848970000042
为两侧光栅的相位差，k0为
Figure BDA0001630848970000043
时TE0和TE1的耦合系数。
所述反对称多模切趾波导光栅6中，能满足相位匹配条件(n0+n1)Λ＝λ的TE0模和TE1模会发生耦合，式中：n0为TE0模式的有效折射率，n1为TE1模式的有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期，实现入射TE0模式反向耦合为TE1模式。
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：
制作工艺流程是基于标准的SOI材料，SOI材料由二氧化硅保护层(13)、顶层硅层(14)、衬底二氧化硅层(15)和衬底硅层(16)组成，其中顶层硅层厚度为220nm，衬底二氧化硅层厚度为2μm，二氧化硅保护层厚度为2.2μm。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波导图形。顶层硅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2.2μm左右的二氧化硅保护层。单模波导宽度可以设定为450nm，输入渐变波导的宽度可以由450nm展宽为600nm，长度可以为50um。非对称渐变定向耦合器中的第一渐变波导左右端宽度可以分别为600nm和800nm,长度为可以200μm，非对称渐变定向耦合器中的第二渐变波导左右端宽度可以分别为400nm和200nm,长度可以为200μm。多模波导宽度可以为800nm，光栅齿与多模波导的间距可以为200nm，光栅齿的大小可以为150nm，波导一侧光栅均匀分布，光栅周期分别为320nm，占空比为0.5。波导另外一侧光栅的相位随传播方向变化，两侧光栅的相位差呈高斯函数
Figure BDA0001630848970000051
其中a可以取15，z为光栅沿传播方向的坐标，L为光栅的总长度。若需要更小带宽，可以通过增大光栅齿与多模波导的间距来实现。

Claims (5)

1.一种基于相位调制切趾光栅的窄带滤波器，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(4)、输入渐变波导(2)、输出渐变波导(9)、弯曲输出波导(12)和反对称多模切趾波导光栅(6)；所述输入单模波导(1)右端口和所述输入渐变波导(2)左端口相连接，所述输入渐变波导(2)右端口和所述非对称渐变定向耦合器(4)左端上端口相连接，所述非对称渐变定向耦合器(4)左端下端口和所述弯曲输出波导(12)相连接，实现反射信号下路；所述非对称渐变定向耦合器(4)右端上端口和所述反对称多模波导切趾光栅(6)左端相连接，所述反对称多模波导切趾光栅(6)右端经所述输出渐变波导(9)与所述输出单模波导(10)相连接；
所述反对称多模切趾波导光栅(6)包括多模波导(5)、均匀光栅(7)和相位调制切趾光栅(8)；所述均匀光栅(7)和相位调制切趾光栅(8)由矩形波导构成；所述均匀光栅(7)和相位调制切趾光栅(8)分布在所述多模波导(5)两侧，所述均匀光栅(7)和相位调制切趾光栅(8)与所述多模波导(5)分离设置；通过增大均匀光栅(7)和相位调制切趾光栅(8)与多模波导(5)的间距，能够满足带宽的减小；所述均匀光栅(7)的周期和占空比都保持不变，所述相位调制切趾光栅(8)的相位沿光传播方向调制与所述均匀的光栅(7)的相位呈高斯型变化。
2.根据权利要求1所述的基于相位调制切趾光栅的窄带滤波器，其特征在于：所述非对称渐变定向耦合器(4)包括第一渐变波导(3)和第二渐变波导(11)；所述第一渐变波导(3)为只支持两个模式的多模波导，从左侧向右侧逐渐变宽，所述第二渐变波导(11)左侧为单模波导，从左侧向右侧逐渐变窄。
3.根据权利要求2所述的基于相位调制切趾光栅的窄带滤波器，其特征在于：所述非对称渐变定向耦合器(4)，包括第一渐变波导(3)，第二渐变波导(11)，实现将第一渐变波导(3)中反向传输的TE1模转化为第二渐变波导(11)的TE0模，然后下路到弯曲输出波导(12)。
4.根据权利要求1所述的基于相位调制切趾光栅的窄带滤波器，其特征在于：所述反对称多模切趾波导光栅(6)包括多模波导(5)、均匀光栅(7)和相位调制切趾光栅(8)；所述多模波导(5)的宽度只支持两个模式。
5.根据权利要求4所述的基于相位调制切趾光栅的窄带滤波器，其特征在于：所述均匀光栅(7)中，TE0模和TE1模的相位匹配条件为(n0+n1)Λ＝λ，式中：n0为TE0模的有效折射率，n1为TE1模的有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期，实现入射TE0模式反向耦合为TE1模。
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