CN110308506B - 一种粗波分复用滤波器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种粗波分复用滤波器，包括用于传输第一模式光波的第一波导臂和用于传输第二模式光波的第二波导臂，第一波导臂和第二波导臂构成MZI型滤波器结构，其中，第一波导臂包括第一相位补偿区和第一模式无热区，第二波导臂包括第二相位补偿区和第二模式无热区；第一模式无热区和第二模式无热区的长度满足预设的无热要求；第一相位补偿区和第二相位补偿区保持第一波导臂和第二波导臂的相对相移不变，且补偿第一模式无热区和第二模式无热区的长度差异。本申请通过在两个波导臂上分别设置模式无热区和相位补偿区，实现了两臂等长的无热滤波器结构，且不需要使用弯曲波导或负折射率材料，也不需要进行波导或模式的转换。

Description

一种粗波分复用滤波器

技术领域

本申请涉及但不限于硅基光子集成芯片技术领域，尤其涉及一种粗波分复用(Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM)滤波器。

背景技术

滤波器作为分合波器件，在波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)通信系统中有重要的应用。片外的滤波器发展相对成熟，但基于硅光的滤波器却仍旧处于探索发展阶段。目前，硅基滤波器主要的技术路径有：微环谐振器、阵列波导光栅(ArrayedWaveguide Grating，AWG)、级联马赫曾德干涉仪(Mach Zehnder Interferometer，MZI)以及凹面光栅等，上述方案均可实现通信系统对滤波器通带平顶效应的要求。但硅材料具有较大的热光系数，硅的折射率对环境温度的改变较为敏感，在1.3微米(um)波长295开(K)的温度下，体硅的热光系数是1.94e-4。这使得模式的等效折射率也是随环境温度的改变而不断变化，进而对滤波器的性能产生显著影响。上述方案的性能都受到环境温度变化的挑战，通常环境温度对硅基滤波器的影响为～80皮米每开(pm/K)。

为实现滤波器的绝热性能，已报道的方案有：利用负热光材料(如二氧化钛TiO2等)与硅集成、级联多种波导、利用不同偏振的热光系数不同等，其中：

对于使用负热光材料的滤波器方案，它可以有效降低环境温度对滤波器滤波窗口的影响。但是，负热光材料与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)工艺不兼容，该方案只能在实验条件下实现，不适应于大规模的量产。

级联多种波导是滤波器中降低温度影响的另一种方案，比较典型的是级联狭缝波导。在狭缝波导中，由于波导模场局域在狭缝中，而狭缝为二氧化硅(SiO2)，它的热光系数与硅材料有很大的差别，从而可以在非对称MZI中，构建对环境温度不敏感的滤波器。不同波导结构在滤波器的连接中变得困难，需要波导转换器(taper)的不断转换，这一方面会使得滤波器的尺寸变得很大，另一方会使得滤波器的热敏感性增加。除此以外，狭缝模式的形成需要几十纳米的尺寸，而通常芯片制造厂商制造的波导宽度的最小特征尺寸在200纳米(nm)左右，这是对该方案的另一种限制。

利用不同偏振的热光系数不同，来构建无热的MZI滤波器结构是无热滤波器的第三种方案。在该种方案中首先面对的就是偏振转换的问题，需要对输入输出光的偏振态进行转换，需要级联偏振分离转换器(Polarization Splitter Rotator，PSR)，这会带来插损和器件尺寸的增加。另外，横磁(Transverse Magnetic，TM)模与横电(TransverseElectric，TE)模的热光系数只在厚硅中有较大的差别，在薄硅中，它们的热光系数相差很小，不适应于做滤波器的无热设计。TE₁模式经常被选作薄硅中的无热设计，但由于TE₁模式本身的特点，它在走线中仍旧需要波导和模式的转换才能完成无热的设计，这增大了器件的尺寸且降低了滤波器的无热特性。

发明内容

本申请提供了一种粗波分复用滤波器，能够实现两臂等长的CWDM无热滤波器结构，且不需要使用弯曲波导或负折射率材料，也不需要进行波导或模式的转换。

本申请提供了一种粗波分复用滤波器，包括用于传输第一模式光波的第一波导臂和用于传输第二模式光波的第二波导臂，所述第一波导臂和第二波导臂构成马赫曾德尔干涉仪MZI型滤波器结构，其中：

所述第一波导臂包括第一相位补偿区和第一模式无热区，所述第二波导臂包括第二相位补偿区和第二模式无热区；

所述第一模式无热区和所述第二模式无热区的长度满足预设的无热要求；

所述第一相位补偿区和所述第二相位补偿区保持第一波导臂和第二波导臂的相对相移不变，且补偿所述第一模式无热区和所述第二模式无热区的长度差异。

在一种示例性实施例中，所述第一相位补偿区位于所述第一模式无热区的左侧或右侧，所述第二相位补偿区位于所述第二模式无热区的左侧或右侧；

所述第一模式无热区的长度为L₁，所述第二模式无热区的长度为L₂，所述第一相位补偿区和所述第二相位补偿区的长度差异值为(L₁-L₂)。

在一种示例性实施例中，所述第一相位补偿区包括第一左侧相位补偿区和第一右侧相位补偿区，所述第一左侧相位补偿区和第一右侧相位补偿区分别位于所述第一模式无热区的左侧和右侧，所述第二相位补偿区包括第二左侧相位补偿区和第二右侧相位补偿区，所述第二左侧相位补偿区和第二右侧相位补偿区分别位于所述第二模式无热区的左侧和右侧；

所述第一模式无热区的长度为L₁，所述第二模式无热区的长度为L₂，所述第一左侧相位补偿区和所述第二左侧相位补偿区的长度差异值为(L₁-L₂)/2，所述第一右侧相位补偿区和所述第二右侧相位补偿区的长度差异值为(L₁-L₂)/2。

在一种示例性实施例中，所述粗波分复用滤波器还包括分光器和合光器，其中：

所述分光器的输入端连接所述粗波分复用滤波器的输入端，输出端分别连接所述第一波导臂的输入端和所述第二波导臂的输入端；

所述合光器的输入端分别连接所述第一波导臂的输出端和所述第二波导臂的输出端，输出端连接所述粗波分复用滤波器的输出端。

在一种示例性实施例中，所述分光器包括定向耦合器或Y型分光器；所述合光器包括定向耦合器或Y型分光器。

在一种示例性实施例中，所述第一模式光波为TE₀模，所述第二模式光波为TE₁模。

在一种示例性实施例中，所述预设的无热要求为：

其中，λ为介质中的波长，n₁为第一模式无热区第一模式光波的有效折射率，L₁为第一模式无热区的长度，n₂为第二模式无热区第二模式光波的有效折射率，L₂为第二模式无热区的长度，FSR为自由光谱范围，n_g，1为第一模式无热区波导的群折射率，n_g，2为第二模式无热区波导的群折射率。

与相关技术相比，本申请的一种粗波分复用滤波器，通过在两个波导臂上分别设置模式无热区和相位补偿区，使得MZI两臂等长，解决了无热结构的走线困难；整个结构无弯曲波导(Bend)的使用，也不需要进行波导或模式的转换，避免了Bend或转换引起的额外损耗和相位的偏差，滤波谱线得到保证；它没有利用负折射率材料对无热MZI结构进行热光系数补偿，因此与CMOS工艺兼容；

进一步地，由于使用的是TE₀模和TE₁模光波，相比使用TM波，减小了器件的尺寸，适应于薄硅平台。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本发明实施例的一种CWDM滤波器的结构示意图；

图2为本发明实施例的另一种CWDM滤波器的结构示意图；

图3为本发明实施例的又一种CWDM滤波器的结构示意图；

图4为本发明实施例的TE₀模(波长为1.3um)的热光系数随波导宽度的变化曲线示意图；

图5为本发明实施例的TE₁模(波长为1.3um)的热光系数随波导宽度的变化曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在普通无热滤波器中，由于无热设计会使得MZI两臂的波导长度不同，波导的走线不可避免要使用Bend来进行相位和长度的补偿。但Bend本身在实际加工中会产生较大的相位误差，另外对于TE₁模式，Bend的损耗强烈；需要进行模式的转换过后才能进入Bend，否则就会需要很大半径的弯曲波导。但模式转换后会显著增加滤波器尺寸，并带来新的相位误差，从而使滤波器的谱线发生漂移。

如图1所示，本发明实施例提供了一种CWDM滤波器，包括用于传输第一模式光波的第一波导臂和用于传输第二模式光波的第二波导臂，所述第一波导臂和第二波导臂构成MZI型滤波器结构，其中：

所述第一波导臂包括第一相位补偿区和第一模式无热区，所述第二波导臂包括第二相位补偿区和第二模式无热区；

所述第一模式无热区和所述第二模式无热区的长度满足预设的无热要求；

所述第一相位补偿区和所述第二相位补偿区保持第一波导臂和第二波导臂的相对相移不变，且补偿所述第一模式无热区和所述第二模式无热区的长度差异。

本申请的CWDM滤波器的基本结构为MZI结构，且MZI的两臂为等长无热结构，每个臂分别包含两部分：相位补偿区和模式无热区，其中，两臂的模式无热区由于热光系数的差异，其长度不同。

所述相位补偿区可以是在模式无热区的两端分开进行补偿，也可以是只在模式无热区的一端进行补偿。若是在模式无热区的两端分开进行补偿，则所述模式无热区的两端的上下两臂相位补偿区的长度差异应分别为模式无热区长度差异值的一半，即：(L₁-L₂)/2。若是只在模式无热区的一端进行相位补偿，则两臂相位补偿区的长度差异应为两臂模式无热区的长度差异值，即：(L₁-L₂)。

本申请的CWDM滤波器方案与CMOS工艺兼容，不需要额外的工艺步骤，适应于量产的需要；由于对MZI结构进行了无热设计，使得滤波器对环境温度有较好的容限；针对无热情况下MZI两臂不等长的情况，对其进行了相位的补偿，使得MZI两臂在保证相对相移不变的前提下，做到了长度相等；本申请的CWDM滤波器整个结构都没有用到弯曲波导，也不需要模式的转换，降低了滤波器的尺寸，也消除了由于模式转换和弯曲波导所带来的相差问题。

在一种示例性实施例中，如图1或图2所示，所述第一相位补偿区位于所述第一模式无热区的左侧或右侧，所述第二相位补偿区位于所述第二模式无热区的左侧或右侧；

所述第一模式无热区的长度为L₁，所述第二模式无热区的长度为L₂，所述第一相位补偿区和所述第二相位补偿区的长度差异值为(L₁-L₂)。

在该实施例中，只在模式无热区的一端进行相位补偿，即模式无热区只有一端具有相位补偿区，且上下两臂的相位补偿区具有相同的相移，但长度不同，长度差异值等于模式无热区的长度差异值。

在设计时，首先利用热光系数的差异构建模式无热区，由此会形成长度不同的两段波导。然后，在一端对模式无热区的长度进行补偿，补偿的基本原则是保持两臂的相对相移不变，且长度差异为模式无热区的长度差异值，即(L₁-L₂)，这样可以使得两臂在给定自由光谱范围(Free Spectral Range，FSR)下，保持同等长度，并实现无热滤波的效果。

在另一种示例性实施例中，如图3所示，所述第一相位补偿区包括第一左侧相位补偿区和第一右侧相位补偿区，所述第一左侧相位补偿区和第一右侧相位补偿区分别位于所述第一模式无热区的左侧和右侧，所述第二相位补偿区包括第二左侧相位补偿区和第二右侧相位补偿区，所述第二左侧相位补偿区和第二右侧相位补偿区分别位于所述第二模式无热区的左侧和右侧；

所述第一模式无热区的长度为L₁，所述第二模式无热区的长度为L₂，所述第一左侧相位补偿区和所述第二左侧相位补偿区的长度差异值为(L₁-L₂)/2，所述第一右侧相位补偿区和所述第二右侧相位补偿区的长度差异值为(L₁-L₂)/2。

在该实施例中，在模式无热区的两端进行相位补偿，在所述模式无热区的左侧相位补偿区中，上下两臂具有相同相移，但长度不同，长度差异值为模式无热区长度差异值的一半；在模式无热区的另一端补偿另一半模式无热区长度差异值。

在设计时，首先利用热光系数的差异构建模式无热区，由此会形成长度不同的两段波导。然后，在两端对模式无热区的长度进行补偿，补偿的基本原则是保持两臂的相对相移不变，但长度差异为模式无热区长度差异的一半，即：(L₁-L₂)/2；而在另一端补偿长度差值的另一半，从而可以使得两臂在给定FSR下，保持同等长度并实现无热滤波的效果。

在一种示例性实施例中，如图2或图3所示，所述CWDM滤波器还包括分光器和合光器，其中：

所述分光器的输入端连接所述粗波分复用滤波器的输入端，输出端分别连接所述第一波导臂的输入端和所述第二波导臂的输入端；

所述合光器的输入端分别连接所述第一波导臂的输出端和所述第二波导臂的输出端，输出端连接所述粗波分复用滤波器的输出端。

在该实施例的一示例中，所述分光器包括定向耦合器或Y型分光器；所述合光器包括定向耦合器或Y型分光器。

此处的分/合光器包括但不限于定向耦合器或Y型分束器，也可以是其他能进行模式或功率分配的分/合束器，如绝热耦合器ADC等。

在一种示例性实施例中，所述第一模式光波为TE₀模，所述第二模式光波为TE₁模。

图4和图5分别是TE₀模和TE₁模的热光系数随不同波导宽度的变化曲线示意图，从图4和图5看出，不同波导宽度对应不同模式下的热光系数不同，因此基于不同模式的热光系数差异能够满足较大的宽度容差要求。

本申请的CWDM滤波器，选用了TE₀模和TE₁模两种模式传输光波，它没有利用负折射率材料对无热MZI结构进行热光系数补偿，因此与CMOS工艺兼容。由于是TE模式，对比TM波，器件的尺寸会减小，适应于薄硅平台。本申请的CWDM滤波器，MZI两臂全程无Bend的使用，这不同于现有技术。由于TE₀和TE₁热光系数的差异，它们实现无热功能时所需的波导长度不同。本申请设计了相位补偿区，对MZI两臂的相位和长度进行补偿。通过相位补偿区的长度，补偿模式无热区的长度差异。经过上述补偿，使得MZI两臂等长，解决了无热结构的走线困难；无Bend的使用，避免了Bend引起的额外损耗和相位的偏差，滤波谱线得到保证。

在一种示例性实施例中，所述预设的无热要求为：

其中，λ为介质中的波长，n₁为第一模式无热区第一模式光波的有效折射率，L₁为第一模式无热区的长度，n₂为第二模式无热区第二模式光波的有效折射率，L₂为第二模式无热区的长度，FSR为给定的自由光谱范围，n_g，1为第一模式无热区波导的群折射率，n_g，2为第二模式无热区波导的群折射率，T为温度。

在一种示例性实施例中，在相位补偿区或模式无热区可以施加热光加热器(heater)，以改善工艺误差对滤波器无热性能带来的影响。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (5)

1.一种粗波分复用滤波器，其特征在于，包括用于传输第一模式光波的第一波导臂和用于传输第二模式光波的第二波导臂，所述第一波导臂和第二波导臂构成马赫曾德尔干涉仪MZI型滤波器结构，其中：

所述第一波导臂包括第一相位补偿区和第一模式无热区，所述第二波导臂包括第二相位补偿区和第二模式无热区；

所述第一模式无热区和所述第二模式无热区的长度满足预设的无热要求；

所述第一相位补偿区和所述第二相位补偿区保持第一波导臂和第二波导臂的相对相移不变，且补偿所述第一模式无热区和所述第二模式无热区的长度差异；

所述第一相位补偿区包括第一左侧相位补偿区和第一右侧相位补偿区，所述第一左侧相位补偿区和第一右侧相位补偿区分别位于所述第一模式无热区的左侧和右侧，所述第二相位补偿区包括第二左侧相位补偿区和第二右侧相位补偿区，所述第二左侧相位补偿区和第二右侧相位补偿区分别位于所述第二模式无热区的左侧和右侧；

所述第一模式无热区的长度为L₁，所述第二模式无热区的长度为L₂，所述第一左侧相位补偿区和所述第二左侧相位补偿区的长度差异值为(L₁-L₂)/2，所述第一右侧相位补偿区和所述第二右侧相位补偿区的长度差异值为(L₁-L₂)/2。

2.根据权利要求1所述的粗波分复用滤波器，其特征在于，还包括分光器和合光器，其中：

所述分光器的输入端连接所述粗波分复用滤波器的输入端，输出端分别连接所述第一波导臂的输入端和所述第二波导臂的输入端；

所述合光器的输入端分别连接所述第一波导臂的输出端和所述第二波导臂的输出端，输出端连接所述粗波分复用滤波器的输出端。

3.根据权利要求2所述的粗波分复用滤波器，其特征在于，所述分光器为定向耦合器或Y型分光器；所述合光器为定向耦合器或Y型分光器。

4.根据权利要求1所述的粗波分复用滤波器，其特征在于，所述第一模式光波为TE₀模，所述第二模式光波为TE₁模。

5.根据权利要求1至4任一所述的粗波分复用滤波器，其特征在于，所述预设的无热要求为：

其中，λ为介质中的波长，n₁为第一模式无热区第一模式光波的有效折射率，L₁为第一模式无热区的长度，n₂为第二模式无热区第二模式光波的有效折射率，L₂为第二模式无热区的长度，FSR为自由光谱范围，n_g,1为第一模式无热区波导的群折射率，n_g,2为第二模式无热区波导的群折射率，T为温度。

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