CN109254351B - 一种基于单个反对称多模周期波导微腔的上下路滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单个反对称多模周期波导微腔的上下路滤波器。总线波导和上下路波导在耦合区与反对称多模周期波导微腔侧向耦合；反对称多模周期波导微腔在耦合区处的周期波导支持不少于两个工作模式且两个模式的传播常数各不相同，反对称多模周期波导微腔在耦合区处的周期波导色散关系中不少于两个工作模式所在能带存在反交叉，且该两个模式之间存在反射耦合。本发明能够使得总线波导中传播的位于反对称多模周期波导微腔谐振频率处的光波通过反对称多模周期波导微腔下载至上下路波导的下路输出端，或者使得从上下路波导的上路端输入的谐振频率处光波插入至总线波导之中，获得结构简单，上下载效率高，尺寸超紧凑的片上滤波器。

Description

一种基于单个反对称多模周期波导微腔的上下路滤波器
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多模周期波导微腔的超紧凑上下路及复用解复用器。
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、微碟等集成光学滤波器经过多年的研究相对成熟，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微腔的滤波器存在器件尺寸较大、调谐功耗较高等问题，不利于片上大规模集成。为了实现在同一芯片上集成更多的器件，对于集成光器件的性能有小型化和低功耗的需求，光子晶体器件则为实现这一目标提供了一种极具潜力的技术方案。基于一维光子晶体结构的周期波导微腔，具有与传统光波导类似的结构，性能可与二维平板光子晶体器件或传统的微环谐振腔等滤波器件相近，但其具有尺寸更加紧凑、调谐功耗更低的优势，有望用作下一代大规模集成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、路由器等光芯片中必不可少的功能器件。
在基于传统周期波导微腔的滤波器结构中，由于周期波导微腔固有的驻波模式特性，难以构建完全下载滤波器，同时该结构入射端口会有较强的反射光信号，将会影响光波系统中激光器的正常工作。为了解决下载效率的问题，研究人员又提出了基于两个周期波导微腔的上下路滤波器，基于两个同谐振频率周期波导微腔的模式干涉相消机制，这种滤波器理论上可以消除入射端口反射并实现完全下载。但这种方案具有其固有的缺陷：首先，使用两个微腔成倍增加器件尺寸，不利于器件的小型化和大规模集成；其次，在实际制作中很难保证两个周期波导微腔的谐振频率完全一致，需要消耗额外功耗对两个周期波导微腔谐振波长进行调谐校准。
因此，研究能够实现完全上下载、尺寸更小、功耗更低、易于制作和大规模集成的滤波器件是未来发展片上集成光电子芯片的重要基础。
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单个反对称多模周期波导微腔的上下路滤波器，相比传统微环谐振腔等结构，具有结构简单、尺寸非常紧凑、调谐功耗极低等优点，器件制作工艺具有CMOS制程兼容性，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中。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于单个反对称多模周期波导微腔的上下路滤波器：
包括平行布置的总线波导、反对称多模周期波导微腔和上下路波导，总线波导包含相连接的输入端和输出端，上下路波导包含相连接的上路端和下路端，总线波导和上下路波导在耦合区与反对称多模周期波导微腔侧向耦合；反对称多模周期波导微腔在耦合区处形成周期波导，反对称多模周期波导微腔在耦合区处的周期波导支持不少于两个工作模式且两个模式的传播常数各不相同，反对称多模周期波导微腔在耦合区处的周期波导色散关系中不少于两个工作模式所在能带存在反交叉，不少于两个模式之间存在反射耦合，总线波导和上下路波导皆为单模波导且其模式传播常数仅与耦合区处反对称多模周期波导微腔的周期波导其中一个工作模式的传播常数相同。
所述的反对称多模周期波导微腔沿垂直于波导方向中心线的两侧以中心对称，但沿平行于波导方向中心线的两侧以中心反对称，且尺寸沿波导方向呈抛物线渐变结构。
所述的反对称多模周期波导微腔具体是沿波导方向开有反对称排列的多排双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔的周期波导结构；双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔以平行于波导方向中心线两侧反对称布置，双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔以垂直于波导方向中心线两侧对称布置。
所述的反对称多模周期波导微腔中，双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔的孔径尺寸从中心向两端呈抛物线函数逐渐变小或逐渐变大，或者所述的反对称多模周期波导微腔的垂直于波导方向的尺寸(即宽度)沿波导方向呈抛物线函数设计，即靠近总线波导和上下路波导的两侧波导边缘以呈抛物线函数设计。
反对称多模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，但孔尺寸从中央向波导两则呈抛物线函数逐渐变小或逐渐变大。
所述的工作模式如为TM模式或TE模式。
反对称多模周期波导微腔两端由于周期波导的反对称布置使得形成模式转换反射镜，所述的总线波导和上下路波导与反对称多模周期波导微腔的耦合系数远大于反对称多模周期波导微腔两端反射镜的同阶模式反射(非模式转换反射)系数。
二、一种基于单个反对称多模周期波导微腔的复用解复用器：主要由权利要求1-5任一所述的上下路滤波器级联形成复用解复用器，所有上下路滤波器共用一个总线波导，；作为复用器时，各路光信号从各自的上下路波导的上路端输入光信号，经滤波复用/解复用后从总线波导的输出端共同输出；作为解复用器时，从总线波导的输入端输入，经滤波复用/解复用后各路光信号从各自的上下路波导的下路端输出光信号。
下路工作时，从总线波导输入端输入的光波在耦合区耦合至反对称多模周期波导微腔的谐振模，但由于其模式转换反射镜的作用，反对称多模周期波导微腔并不能反向耦合至总线波导，故输入端口无反射，同样反对称多模周期波导微腔的谐振光在耦合区耦合到下路波导，从其下路端输出，实现下载功能。当上路工作时，从上下路波导上路端口输入的光波在耦合区耦合至反对称多模周期波导微腔的谐振模，与下路工作时同理，该谐振波长的光波将从总线波导的输出端输出，实现插入功能。
本发明能够使得总线波导中传播的位于反对称多模周期波导微腔谐振频率处的光波通过反对称多模周期波导微腔下载至上下路波导的下路输出端，或者使得从上下路波导的上路端输入的位于反对称多模周期波导微腔谐振频率处光波插入至总线波导之中，获得结构简单，上下载效率高，尺寸超紧凑的片上滤波器。
本发明具有的有益效果是：
本发明由于采用反对称性单元结构，周期波导的第二、三光子能带出现对称性破缺引起的反交叉现象，使得基模与一阶模式之间存在反射模式转换现象，利用总线波导、下路波导与反对称多模周期波导的选择性模式耦合，实现反对称多模周期波导微腔谐振频率处光信号的完全下载和插入。
现有微环、微盘等滤波结构虽然同样可以获得高上下载效率，但是器件尺寸较大，且微环腔本身的模式体积很大，基于该类微腔制作可调谐功能器件时功耗较高，不利于大规模集成。而传统周期波导微腔滤波器虽然尺寸极小、调谐功耗较低，但下载效率极低。通过本发明对带有周期波导微腔的滤波结构进行改进，引入反对称和多模特性，利用模式耦合的选择性，克服了上下载效率低和入射端口反射的技术问题，同时实现了小尺寸、无反射和高效率的技术效果，相比微环等传统结构器件大大减小了尺寸、降低了调谐功耗。
本发明一种基于单个反对称多模周期波导微腔的上下路滤波器的制作方法具有CMOS兼容性，设计适当的反对称单元、高Q值反对称多模周期波导微腔及其与波导间耦合结构，从而可实现结构简单、尺寸紧凑的高效上下路滤波器结构，实施例整个器件尺寸可达到30微米。利用成熟的标准CMOS工艺，使得本发明所涉及的滤波器及其可调谐器件易于批量制作，大大降低芯片的生产成本。
附图说明
图1是本发明的反对称双圆孔实施例图。
图2是本发明的反对称两侧波导边缘实施例图。
图3是本发明的反对称双椭圆孔实施例图。
图4是本发明的反对称双柜形孔实施例图。
图中：总线波导1，反对称多模周期波导微腔2，上下路波导3，输入端4，输出端5，上路端6，下路端7，耦合区8。
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，本发明包括平行布置的总线波导1、反对称多模周期波导微腔2和上下路波导3，总线波导包含相连接的输入端4和输出端5，上下路波导包含相连接的上路端6和下路端7，总线波导1和上下路波导3的中间在耦合区8与反对称多模周期波导微腔2耦合连接；反对称多模周期波导微腔2在耦合区8处形成周期波导，反对称多模周期波导微腔2在耦合区8处的周期波导支持不少于两个工作模式且两个模式的传播常数各不相同，反对称多模周期波导微腔2实质为含渐变缺陷的多模周期波导。反对称多模周期波导微腔2在耦合区8处的周期波导色散关系中不少于两个工作模式所在能带存在反交叉，不少于两个模式之间存在反射耦合，从而使得反对称多模周期波导微腔2内形成至少具有两个反射镜且具有模式转换反射功能，总线波导1和上下路波导3皆为单模波导且其模式传播常数仅与耦合区8处反对称多模周期波导微腔2的周期波导其中一个工作模式的传播常数相同。
反对称多模周期波导微腔2沿垂直于波导方向中心线的两侧以中心对称，但沿平行于波导方向中心线的两侧以中心反对称，且周期单元尺寸呈抛物线渐变结构，具体是：表面上沿波导方向开有反对称排列的多排双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔等横向反对称结构的周期波导结构，每排孔均沿反对称多模周期波导微腔2波导方向平行排布，分别如图1、图2和图3所示；双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔以平行于波导方向中心线两侧反对称布置，双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔以垂直于波导方向中心线两侧对称布置。
反对称多模周期波导微腔2中，双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔的孔径尺寸从中心向两端呈抛物线函数逐渐变小或逐渐变大，或者反对称多模周期波导微腔2靠近总线波导1和上下路波导3的两侧波导边缘以呈抛物线函数设计。
双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔的孔径尺寸从中心向两端呈抛物线函数逐渐变小或逐渐变大如下实施：
反对称双圆孔如图1所示，沿波导方向设有上下两排平行的孔，上排孔和下排孔分别各自以图1中垂直于波导方向的竖直中心线两侧对称并孔径从中心向两端逐渐变大，上排孔和下排孔的孔径和布置均以图1中平行于波导方向的水平中心线两侧反对称。
反对称双排椭圆孔如图3所示，具有图中沿波导传输方向的水平两排孔，两排孔以图3中垂直于波导方向的竖直中心线两侧对称并尺寸向两端逐渐渐变增大，但一排孔以图3中平行于波导方向的水平中心线两侧反对称。
反对称双排矩形孔如图4所示，类似于双排椭圆孔，具有图中沿传输方向的水平一排孔，两排孔以图4中垂直于波导方向的竖直中心线两侧对称并尺寸向两端逐渐渐变增大，但一排孔以图4中平行于波导方向的水平中心线两侧反对称。
反对称多模周期波导微腔2以沿垂直于波导方向的尺寸作为宽度，宽度呈抛物线函数设计如下实施：
反对称两侧波导边缘如图2所示，沿波导方向设有上下两排平行的孔，上排孔和下排孔布置分别各自以图1中垂直于波导方向的竖直中心线两侧对称并孔径不变，上排孔和下排孔的布置均以图1中平行于波导方向的水平中心线两侧反对称。反对称多模周期波导微腔的宽度呈抛物线设计，即从耦合区8处反对称多模周期波导微腔2中央处宽度呈抛物线连续增大或连续减小至反对称多模周期波导微腔2两端的宽度。
反对称多模周期波导微腔2具有波长和模式选择性，只有满足共振波长且传播常数与耦合区周期波导传播常数相同的光波才能有效耦合至反对称多模周期波导微腔2的谐振模式。
下载工作时，信号光从所述总线波导1的输入端4输入，不满足反对称多模周期波导微腔2谐振频率的光波直接从输出端5输出，满足反对称多模周期波导微腔2谐振频率的光波在总线波导1中的传播常数与耦合区8处周期波导其中一个模式的传播常数相同，因而经耦合区8耦合至反对称多模周期波导微腔2内。由于反对称多模周期波导微腔2的反射镜具有模式转换反射能力，耦合至反对称多模周期波导微腔2的一阶模被反射转换为反向传播基模，由于其传播常数与总线波导不同，反向传播基模该模式不能反向耦合至总线波导，也不能耦合至上下路波导3。但反对称多模周期波导微腔2的一阶模未被反射转换情况下，反对称多模周期波导微腔2的一阶模将耦合至上下路波导3并从下路端7输出该信号光。
上传插入工作时，信号光从上下路波导3的上路端6输入，模式耦合和转换机制与下载工作时情况相同，最后信号光经过反对称多模周期波导微腔2从总线波导1的输出端5输出。
具体实施中，上下路滤波器级联形成复用器，所有上下路滤波器共用一个总线波导1，各路光信号从各自的上下路波导3的上路端6输入光信号，经滤波复用后从总线波导1的输出端5共同输出。从而通过多个上下路滤波器级联形成复用器，能实现光信号插入到总线波导中的复用功能。
本发明的实施例如下：
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 Insulator)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反对称多模周期波导微腔谐振波长并确定波导宽度、小孔半径尺寸等参数。如图1所示，周期单元采用反对称的双圆孔结构，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反对称结构。同时，为了实现腔镜的模式转换反射，将微腔的谐振频率设计在能带出现反交叉的第3能带边缘，故在微腔中央采用较小半径的小孔，向微腔两侧逐渐增大圆孔半径的结构。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反对称周期波导微腔反射镜各参数如下表：
Figure BDA0001889980690000061
在周期波导微腔中，小孔半径由中央最小孔半径0.1a经40个周期呈抛物线rmin+i2*(rmax-rmin)/N2)*a缓变至两则最大孔半径0.3a，其中i为从微腔中央(i＝0)向微腔两端(i＝N)的小孔计数，采用抛物线渐变的目的是减小微腔谐振能量损耗，获得极高Q值。
本实施例中总线波导和下路波导宽度为365nm，选用此宽度的依据是平面波展开法计划表明在谐振波长附近总线波导、上下路波导的传播常数和800nm宽小孔半径为0.1a的反对称周期波导的一阶模的传播常数相同以实现模式匹配和高效模式耦合。在总线波导和上下路波导与反对称多模周期波导微腔的耦合区，总线波导和上下路波导皆采用了S形弯曲波导，其目的是实现波导与微腔的渐变耦合，减小模式突变引起的较大损耗。
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1547nm附近，当耦合间距为200nm时，Q值大于1×103，滤波器带宽约为1.5nm，下载端插入损耗约为0.26dB，反射消光比大于20dB，可见大大降低了在输入端反射信号的输出，提高了下载效率。并且实施例的整个器件长度约30μm，实现了小尺寸制作。
由此可见，本发明在实现无反射完全上下路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 (3)

1.一种基于单个反对称多模周期波导微腔的上下路滤波器，其特征是：包括平行布置的总线波导(1)、反对称多模周期波导微腔(2)和上下路波导(3)，总线波导包含相连接的输入端(4)和输出端(5)，上下路波导包含相连接的上路端(6)和下路端(7)，总线波导(1)和上下路波导(3)在耦合区(8)与反对称多模周期波导微腔(2)侧向耦合；
反对称多模周期波导微腔(2)在耦合区(8)处的周期波导支持不少于两个工作模式且两个模式的传播常数各不相同，反对称多模周期波导微腔(2)在耦合区(8)处的周期波导色散关系中不少于两个工作模式所在能带存在反交叉，不少于两个模式之间存在反射耦合，总线波导(1)和上下路波导(3)皆为单模波导且其模式传播常数仅与耦合区(8)处反对称多模周期波导微腔(2)的周期波导其中一个工作模式的传播常数相同；
所述的反对称多模周期波导微腔(2)沿垂直于波导方向中心线的两侧以中心对称，但沿平行于波导方向中心线的两侧以中心反对称，且尺寸沿波导方向呈抛物线渐变结构；具体是：表面上沿波导方向开有反对称排列的多排双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔横向反对称结构的周期波导结构，每排孔均沿反对称多模周期波导微腔(2)波导方向平行排布；双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔以平行于波导方向中心线两侧反对称布置，双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔以垂直于波导方向中心线两侧对称布置；
所述的反对称多模周期波导微腔(2)中，双圆孔、双椭圆孔、双矩形孔的孔径尺寸从中心向两端呈抛物线函数逐渐变大，或者所述的反对称多模周期波导微腔(2)的垂直于波导方向的尺寸沿波导方向呈抛物线函数设计；
反对称多模周期波导微腔两端由于周期波导的反对称布置使得形成模式转换反射镜，所述的总线波导和上下路波导与反对称多模周期波导微腔的耦合系数大于反对称多模周期波导微腔两端反射镜的同阶模式反射系数。
2.根据权利要求1所述的一种基于单个反对称多模周期波导微腔的上下路滤波器，其特征在于：所述的工作模式为TM模式或TE模式。
3.基于权利要求1-2任一所述的一种基于单个反对称多模周期波导微腔的上下路滤波器的复用解复用器，其特征在于：所有上下路滤波器共用一个总线波导(1)；作为复用器时，各路光信号从各自的上下路波导(3)的上路端(6)输入光信号，经滤波复用/解复用后从总线波导(1)的输出端(5)共同输出；作为解复用器时，从总线波导(1)的输入端(4)输入，经滤波复用/解复用后各路光信号从各自的上下路波导(3)的下路端(7)输出光信号。
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