CN110764191A - 一种基于微环的矩形光滤波器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种基于微环的矩形光滤波器，其能够免去独立调谐多腔的困扰，结构简单，尺寸小，调谐简便，对于制造误差不敏感，具有良好的通带平坦度和矩形系数，能够获得相比于普通微环大约两倍的群延时。该基于微环的矩形光滤波器具有第一端口(In)、第二端口(Through)、第三端口(Drop)、第四端口(Add)，在双臂耦合微环的波导上添加亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，顺时针和逆时针的两种传播方向的模式通过添加的微结构构成反射点而引起背向散射相互耦合，新的谐振峰在原有谐振峰的位置处发生谱峰分裂，通过控制耦合的强弱来调整通带的平坦程度而获得矩形光滤波器。还提供了设计方法。

Description

一种基于微环的矩形光滤波器及其设计方法
技术领域
本发明涉及光通信和光电子的技术领域，尤其涉及一种基于微环的矩形光滤波器，以及该基于微环的矩形光滤波器的设计方法。
背景技术
基于微环的矩形光滤波器在波分复用和实现平坦的群延时方面有重要的应用。相关的基于微环的矩形光滤波器结构包括：多环串联耦合、多环并联耦合等。
这种结构最大的弊端在于，需要利用多个独立的调谐单元(如加热电极等)对每一个微环制造引入的误差进行后补偿，不便于控制和使用。其次，整体器件的尺寸也会增大，不利于密集集成。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于微环的矩形光滤波器，其能够免去独立调谐多腔的困扰，结构简单，尺寸小，调谐简便，对于制造误差不敏感，具有良好的通带平坦度和矩形系数，能够获得相比于普通微环大约两倍的群延时。
本发明的技术方案是：这种基于微环的矩形光滤波器，该基于微环的矩形光滤波器具有第一端口(In)、第二端口(Through)、第三端口(Drop)、第四端口(Add)，在双臂耦合微环的波导上添加亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，顺时针和逆时针的两种传播方向的模式通过添加的微结构构成反射点而引起背向散射相互耦合，新的谐振峰在原有谐振峰的位置处发生谱峰分裂，通过控制耦合的强弱来调整通带的平坦程度而获得矩形光滤波器。
本发明在双臂耦合微环的波导上添加亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，顺时针和逆时针的两种传播方向的模式通过添加的微结构构成反射点而引起背向散射相互耦合，新的谐振峰在原有谐振峰的位置处发生谱峰分裂，通过控制耦合的强弱来调整通带的平坦程度而获得矩形光滤波器，由于仅由一个微环构成，因此可以能够免去独立调谐多腔的困扰；由于是在现有微环波导上添加一个亚波长大小的微结构，所以这种矩形光滤波器结构简单，尺寸小，调谐简便，对于制造误差不敏感；由于微环内形成的行驻波模式，从第四端口输出的光具有原本输出端第三端口输出光两倍的光程，所以群延时和消光比相应变为原来的两倍，更高的消光比，更平坦的通带，也就意味着光滤波器的矩形系数会更好。
还提供了一种基于微环的矩形光滤波器的设计方法，该亚波长大小的微结构通过在波导内进行版图设计，单次曝光刻蚀出来。
附图说明
图1示出了根据本发明的基于微环的矩形光滤波器的结构示意图。
图2a示出了圆形的微结构；图2b示出了条形的微结构；图2c示出了断裂型的微结构。
图3示出了反射点导致的背向散射和前向透过的光的比例与断裂长度的关系。
图4示出了反射点导致的光损耗与断裂长度的关系。
图5示出了根据本发明的一个具体的基于微环的矩形光滤波器的结构示意图。
图6示出了图5的基于微环的矩形光滤波器的第三端口(Drop)、第四端口(Add)的传输响应。
图7示出了根据本发明的另一个具体的基于微环的矩形光滤波器的结构示意图。
图8示出了图7的基于微环的矩形光滤波器的第三端口(滤波1端)、第四端口(滤波2端)的传输响应。
具体实施方式
如图1所示，这种基于微环的矩形光滤波器，该基于微环的矩形光滤波器具有第一端口In、第二端口Through、第三端口Drop、第四端口Add，在双臂耦合微环的波导上添加亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，顺时针和逆时针的两种传播方向的模式通过添加的微结构构成反射点而引起背向散射相互耦合，新的谐振峰在原有谐振峰的位置处发生谱峰分裂，通过控制耦合的强弱来调整通带的平坦程度而获得矩形光滤波器。
本发明在双臂耦合微环的波导上添加亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，顺时针和逆时针的两种传播方向的模式通过添加的微结构构成反射点而引起背向散射相互耦合，新的谐振峰在原有谐振峰的位置处发生谱峰分裂，通过控制耦合的强弱来调整通带的平坦程度而获得矩形光滤波器，由于仅由一个微环构成，因此可以能够免去独立调谐多腔的困扰；由于是在现有微环波导上添加一个亚波长大小的微结构，所以这种矩形光滤波器结构简单，尺寸小，调谐简便，对于制造误差不敏感；由于微环内形成的行驻波模式，从第四端口Add输出的光具有原本输出端第三端口Drop输出光两倍的光程，所以群延时和消光比相应变为原来的两倍，更高的消光比，更平坦的通带，也就意味着光滤波器的矩形系数会更好。
优选地，亚波长反射点的形状在满足加工条件的情况下是任意的。例如，所述微结构为圆形(如图2a所示)、条形(如图2b所示)、或者断裂型(如图2c所示)的亚波长结构。
具体的亚波长反射点形状和尺寸需要根据具体的集成平台和需求来设计。反射点引入的散射情况用耦合系数和损耗来表征。耦合系数表示顺时针(逆时针)光经过一次缺陷点转化为逆时针(顺时针)光的比例，即两种旋向的光的耦合强弱，同时决定了谐振峰的分裂程度(通带平坦度)；损耗表示，光经过缺陷点除了转化为两种旋向的光外引入的损耗(其他方向的散射)。而且，耦合系数与损耗往往成正相关关系，即两种旋向的光耦合越强，要求反射点尺寸越大，那么同时损失掉的能量就会越多，对于微环来说Q值就会相应降低。因此，需要仔细设计缺陷的形状和尺寸，以期在获得足够反射能量的同时减小光能量的额外损失。
优选地，该基于微环的矩形光滤波器为：在1.4um宽，0.2um厚的氮化硅微环波导中央上设置一个断裂型的微结构，该微结构的断裂长度为0.2um-0.4um。
具体地，该基于微环的矩形光滤波器为：在1.4um宽，0.2um厚的氮化硅微环波导中央上设置一个断裂型的微结构，该微结构的断裂长度为0.3um。
或者，该基于微环的矩形光滤波器为：在1.4um宽，0.2um厚的氮化硅微环波导中央上设置一个圆形的微结构，该微结构的半径等于0.2um。
假设1.4um宽，0.2um厚的氮化硅波导中央上有一个断裂型微结构反射点，那么可以得到此反射点导致的背向散射和前向透过的光的比例与断裂长度的关系如图3所示。
从图3、4可以看出，可以看到，随着反射点尺寸的增大，直通透过比例在减小，而背向散射的比例基本保持不变。但是当反射点尺寸过大之后，由于向其他方向散射的比例在增大，光从波导中逃逸的增多，因此损耗也会增大。
以下为一个具体的实施例。
如图5所示，该基于微环的矩形光滤波器设在0.2um厚的氮化硅平台(平台可以为其他的，此处仅仅是为了举例说明，而不代表限定)上，波导的宽度为1.4um，微环的半径为500um，微环的耦合间距均为0.8um；在微环的中心具有一个断裂型的微结构，该微结构的断裂长度为0.2um；光从第一端口In输入，光每经过一次微结构就有一部分光以相反传播方向的模式进行耦合，当光在微环内多次反射耦合之后，存在两个稳定的旋向相反的模式，两个模式相互耦合后发生谱峰分裂，通过控制两种模式耦合的强弱来调整通带的平坦程度；第三端口Drop、第四端口Add都有光输出，相比之下第四端口Add的消光比更大，通带更平坦，利用第四端口Add作为输出端口得到矩形滤波器。
如果微环波导上没有这个反射点，那么这就是一个单纯的微环滤波器，光从第三端口Drop输出且传输谱线满足洛伦兹型，而第四端口Add没有光输出；但是在添加了这个反射点之后，光每经过一次就会有很小一部分向相反传播方向的模式进行耦合，当光在微环内多次反射耦合之后，就会存在两个稳定的旋向相反的模式，两个模式相互耦合会发生谱峰分裂，通过控制两种模式耦合的强弱即可控制通带的平坦程度。此时，第四端口Add和第三端口Drop都会有光输出，相比之下第四端口Add的消光比更大，通带更平坦。因此利用第四端口Add作为输出端口，即可以得到一个光矩形滤波器。两个端口的传输响应如图6所示。
在添加了反射点之后，可以看到微环在第四端口Add也存在光输出。这个端口的插入损耗为8dB，带宽约为7GHz。可以很明显的看到第四端口Add的传输谱线具有平坦的通带，且边沿更加陡峭。区别于普通微环洛伦兹型的传输谱线(20dB/3dB的矩形系数约为9.8)，第四端口Add的传输谱线的矩形系数可以达到2.8。此外腔的群延时相比于普通微环也增加了一倍，相当于以同样的器件尺寸获得更长的等效腔长。此外，还可以通过加热电极等方式对此微环滤波器的中心波长进行调谐。由于仅由一个微环构成，因此可以免去独立调谐多腔的困扰。这种基于亚波长反射点微环的光滤波器结构简单，尺寸小，调谐简便，对于制造误差不敏感；具有良好的通带平坦度和矩形系数；能够获得相比于普通微环大约两倍的群延时。因此，此结构作为矩形光滤波器和平顶延时结构具有优异的性能。
图7示出了另一个具体的实施例。该基于微环的矩形光滤波器在100nm氮化硅平台上，波导的宽度为2.8um，微环的半径为600um，微环的耦合间距均为1.1um；在微环的中心具有一个条形的微结构，该微结构大小为0.5um*0.2um；光从第一端口In输入，光每经过一次微结构就有一部分光以相反传播方向的模式进行耦合，当光在微环内多次反射耦合之后，存在两个稳定的旋向相反的模式，两个模式相互耦合后发生谱峰分裂，通过控制两种模式耦合的强弱来调整通带的平坦程度；第三端口Drop、第四端口Add都有光输出，相比之下第四端口Add的消光比更大，通带更平坦，利用第四端口Add作为输出端口得到矩形滤波器。
此反射点引起的反射系数为2.72e-4，而每经过一次该反射点，损失的能量大约为0.2％。
由于这个反射点，在“滤波2端”也会有光输出，如图8所示。相比于“滤波1端”，“滤波2端”的消光比更大，通带平坦，因此矩形系数更好。“滤波2端”插损为9dB，Q值达到4.8e5，矩形系数为3。同样非常适合作为矩形光滤波器。
还提供了一种基于微环的矩形光滤波器的设计方法，该亚波长大小的微结构通过在波导内进行版图设计，单次曝光刻蚀出来。
优选地，通过加热电极对该矩形光滤波器的中心波长进行调谐，在芯片的表面生长刻蚀出加热电极，通过改变加热电极的电压来改变加热电极周围局部的温度，热量扩散到波导处相应改变波导的折射率，进而改变矩形光滤波器的中心波长。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于微环的矩形光滤波器，其特征在于：该基于微环的矩形光滤波器具有第一端口(In)、第二端口(Through)、第三端口(Drop)、第四端口(Add)，在双臂耦合微环的波导上添加亚波长大小的微结构来构成反射点，激励起反向传播的模式，顺时针和逆时针的两种传播方向的模式通过添加的微结构构成反射点而引起背向散射相互耦合，新的谐振峰在原有谐振峰的位置处发生谱峰分裂，通过控制耦合的强弱来调整通带的平坦程度而获得矩形光滤波器。
2.根据权利要求1所述的基于微环的矩形光滤波器，其特征在于：所述微结构为圆形、条形、或者断裂型的亚波长结构。
3.根据权利要求2所述的基于微环的矩形光滤波器，其特征在于：在1.4um宽，0.2um厚的氮化硅微环波导中央上设置一个断裂型的微结构，该微结构的断裂长度为0.2um-0.4um。
4.根据权利要求3所述的基于微环的矩形光滤波器，其特征在于：在1.4um宽，0.2um厚的氮化硅微环波导中央上设置一个断裂型的微结构，该微结构的断裂长度为0.3um。
5.根据权利要求1所述的基于微环的矩形光滤波器，其特征在于：该基于微环的矩形光滤波器在200nm氮化硅平台上，波导的宽度为1.4um，微环的半径为500um，微环的耦合间距均为0.8um；在微环的中心具有一个断裂型的微结构，该微结构的断裂长度为0.2um；光从第一端口(In)输入，光每经过一次微结构就有一部分光以相反传播方向的模式进行耦合，当光在微环内多次反射耦合之后，存在两个稳定的旋向相反的模式，两个模式相互耦合后发生谱峰分裂，通过控制两种模式耦合的强弱来调整通带的平坦程度；第三端口(Drop)、第四端口(Add)都有光输出，相比之下第四端口(Add)的消光比更大，通带更平坦，利用第四端口(Add)作为输出端口得到矩形滤波器。
6.根据权利要求1所述的基于微环的矩形光滤波器，其特征在于：该基于微环的矩形光滤波器在100nm氮化硅平台上，波导的宽度为2.8um，微环的半径为600um，微环的耦合间距均为1.1um；在微环的中心具有一个条形的微结构，该微结构大小为0.5um*0.2um；光从第一端口(In)输入，光每经过一次微结构就有一部分光以相反传播方向的模式进行耦合，当光在微环内多次反射耦合之后，存在两个稳定的旋向相反的模式，两个模式相互耦合后发生谱峰分裂，通过控制两种模式耦合的强弱来调整通带的平坦程度；第三端口(Drop)、第四端口(Add)都有光输出，相比之下第四端口(Add)的消光比更大，通带更平坦，利用第四端口(Add)作为输出端口得到矩形滤波器。
7.一种根据权利要求1所述的基于微环的矩形光滤波器的设计方法，其特征在于：该亚波长大小的微结构通过在波导内进行版图设计，单次曝光刻蚀出来。
8.根据权利要求7所述的基于微环的矩形光滤波器的设计方法，其特征在于：通过加热电极对该矩形光滤波器的中心波长进行调谐，在芯片的表面生长刻蚀出加热电极，通过改变加热电极的电压来改变加热电极周围局部的温度，热量扩散到波导处相应改变波导的折射率，进而改变矩形光滤波器的中心波长。
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