CN110780506A - 一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器 - Google Patents

一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器 Download PDF

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CN110780506A CN201910645416.1A CN201910645416A CN110780506A CN 110780506 A CN110780506 A CN 110780506A CN 201910645416 A CN201910645416 A CN 201910645416A CN 110780506 A CN110780506 A CN 110780506A
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Abstract

本发明提供了一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器，包括：巧妙地通过微环和马赫曾德尔干涉仪的级联结构改善了滤波器的形状因子；输入光经过3dB分束器后，两束光信号分别经过一个上传下载微环，并且上支路光波导引入相移为π，然后两路光信号通过另一3dB耦合器输出，分别向两微环的传输端口输入两束低功率的泵浦光，由于光力效应，微环悬臂会向下弯曲，引起微环的折射率发生改变，从而能够对两个微环的谱线单独操控，最终实现波长和带宽全光可调谐的滤波器。本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案能够改善滤波器的形状因子，具有波长和带宽同时可大范围调谐，调谐效率高、结构紧凑、可大规模集成等优势，有利于构建具有低功耗的片上全光系统。

Description

一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器
技术领域
本发明涉及光学滤波器领域，尤其涉及一种基于硅基微环的全光可调谐滤波 器。
背景技术
21世纪以来，硅基集成电子设备日益发展，使得通信技术飞速发展，私人 电子通讯设备广泛普及。这一方面极大程度上满足了人们日常生活中对于信息量 的需求。另一方面随着信息时代一同而来的还有对数据传输更高的要求，即数据 处理速度需要更快，功耗需要更小。而传统的以电子流作为载体传递信息的方法 无论是在信息容量还是传输速率上都无法满足当代信息全球化的要求。
为了解决这一问题，现代的信息传输系统中，更多的使用光作为携带信息的 媒介。光学器件是光通讯系统的核心，不同结构的光学器件可以实现不同的功能。 光学滤波器被广泛的用在密集波分复用系统中，其中波长和带宽同时可调谐滤波 器，可以使得滤波器能够适用于不同的信道波长和信号速率，从而使滤波器应用 更加灵活，高形状因子的滤波器可以减小信道之间的串扰，低能耗的滤波器也是 我们一直追求的目标。但是想要保持高形状因子、低功耗、波长和带宽同时可调 谐的滤波器却是一个难题。
可以通过热光效应、电光效应、声光效应、光力效应四种方法进行滤波器波 长和带宽的调谐。热光效应可实现波长和带宽同时可调谐，调谐方便，但是响应 速率较慢且不能长期稳定工作，功耗相对较大；电光效应驱动控制部分简单，响 应速度比较快，但是功耗较大；声光效应响应快，有较宽的中心波长调谐范围， 但是对偏振态敏感、分辨力较低、功耗较大；而MEMS微环中的光力效应在极 低的功耗下就能被触发，可以用来实现带宽和波长同时可调谐、功耗低和可集成 的光学滤波器，这有利于构建具有低功耗的全光系统，对其进行深入的研究十分 有必要。运用MEMS微环设计出一种具有高形状因子、低功耗、波长和带宽同 时可调谐的光学滤波器，在光通信系统中有着巨大的市场需求。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器； 一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器，包括：第一光学耦合器、第二光学耦合 器、第一上传下载微环、第二上传下载微环、第一连接波导、第二连接波导和衬 底；
所述第一光学耦合器采用3dB分束器，所述第二光学耦合器采用3dB耦合 器；
所述第一光学耦合器输出端上臂通过波导与所述第一上传下载微环的输入 端口相连；所述第一上传下载微环的输出端口通过第一连接波导与所述第二光学 耦合器的输入端上臂相连；所述第一光学耦合器输出端下臂通过波导与所述第二 上传下载微环的输入端口相连；所述第二上传下载微环的输出端口通过第二连接 波导与所述第二光学耦合器的输入端下臂相连；
所述第一连接波导和所述第二连接波导均为两端直中间弯曲的形状，以适应 所述第一上传下载微环、所述第二上传下载微环和所述第二光学耦合器的连接关 系，且所述第一连接波导比所述第二连接波导的长度多s，用于改变所述第二光 学耦合器的输入端上臂的波导的传输信号相位；且s大于0；
所述衬底为矩形，所述第一光学耦合器、所述第二光学耦合器、所述第一上 传下载微环、所述第二上传下载微环、所述第一连接波导和所述第二连接波导均 设置于所述衬底的上表面，且在所述第一上传下载微环和所述第二上传下载微环 的下方的衬底的上表面分别设置有第一凹槽和第二凹槽，以使所述第一上传下载 微环和所述第二上传下载微环分别部分悬空于所述第一凹槽和所述第二凹槽上 方；
工作中，所述第一光学耦合器、所述第二光学耦合器、所述第一连接波导和 所述第二连接波导一起构成了马赫曾德尔干涉仪结构；通过两根直波导分别向所 述第一光学耦合器输出端上臂和下臂输入功率为P1和P2的泵浦光，所述第一上 传下载微环的悬空部分和所述第二上传下载微环的悬空部分将在光力作用下分 别向所述第一凹槽和所述第二凹槽内弯曲，进而改变所述第一上传下载微环和所 述第二上传下载微环的折射率；
通过改变两路泵浦光的功率P1和P2，控制所述第一上传下载微环和所述第 二上传下载微环的悬空部分的弯曲形变量，从而分别调谐所述第一上传下载微环 和所述第二上传下载微环的传输谱线，实现波长和带宽全光可调谐的光学滤波器。
进一步地，所述第一上传下载微环和所述第二上传下载微环的半径和波导宽 度均相等，且半径为30μm，波导宽度为450nm。
进一步地，s的值为94.3μm，为所述第一上传下载微环的周长的一半，以使 所述第二光学耦合器的输入端上臂的波导传输信号的相位相比于下臂的波导传 输信号偏移π个相位。
进一步地，所述第一凹槽和所述第二凹槽为形状和大小均相同的矩形，且所 述第一上传下载微环的悬空部分距离所述第一凹槽的下底面的垂直距离为 160nm；所述第二上传下载微环的悬空部分距离所述第二凹槽的下底面的垂直距 离为160nm。
进一步地，所述第一光学耦合器输出端上臂的波导和所述第一上传下载微环 之间存在第一间距，所述第一连接波导和所述第一上传下载微环之间存在第二间 距，且所述第一间距和所述第二间距的大小相等；所述第一光学耦合器输出端下 臂的波导和所述第二上传下载微环之间存在第三间距，所述第二直波导和所述第 二上传下载微环之间存在第四间距，且所述第三间距和所述第一间距的大小相等； 且所述第一间距、所述第二间距、所述第三间距和所述第四间距均为200nm。
进一步地，所述第一光学耦合器、所述第二光学耦合器、所述第一上传下载 微环3和所述第二上传下载微环的材料均为硅；所述衬底的材料为二氧化硅。
进一步地，所述第一凹槽的靠近所述第一上传下载微环圆心的一条边距离所 述第一上传下载微环悬空部分的最大距离为11.2μm；所述第二凹槽的靠近所述 第二上传下载微环圆心的一条边距离所述第二上传下载微环悬空部分的最大距 离为11.2μm。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案是马赫 曾德尔干涉仪(MZI)与硅基微机械微环的级联结构，能够改善滤波器的形状因 子，具有波长和带宽同时可大范围调谐，调谐效率高、结构紧凑、可大规模集成 等优势，有利于构建具有低功耗的片上全光系统。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器的结构图；
图2是本发明实施例中一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器的平面结构 图；
图3是带宽和波长同时可调谐滤波器工作原理图；
图4是光力作用使微环发生弯曲的截面示意图；
图5是本发明实施例中一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器的带宽可调 谐性仿真图；
图6是本发明实施例中一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器的中心波长 可调谐性仿真图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细 说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器；请参阅图1， 图1是本发明实施例中一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器的结构图；包括：
第一光学耦合器1、第二光学耦合器4、第一上传下载微环2、第二上传下 载微环3、第一连接波导5、第二连接波导6和衬底7；
所述第一光学耦合器1采用3dB分束器，所述第二光学耦合器4采用3dB 耦合器；
请参阅图2，图2是本发明实施例中一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器 的平面结构图；所述第一光学耦合器1输出端上臂11通过波导与所述第一上传 下载微环2的输入端口相连；所述第一上传下载微环2的输出端口通过第一连接 波导5与所述第二光学耦合器4的输入端上臂41相连；所述第一光学耦合器1 输出端下臂12通过波导与所述第二上传下载微环3的输入端口相连；所述第二 上传下载微环3的输出端口通过第二连接波导6与所述第二光学耦合器4的输入 端下臂42相连；(注意：图2中的微环指第一上传下载微环和第二上传下载微环， 凹槽指第一凹槽和第二凹槽)；
所述第一连接波导5和所述第二连接波导6均为两端直中间弯曲的形状，以 适应所述第一上传下载微环2、所述第二上传下载微环3和所述第二光学耦合器 4的连接关系，且所述第一连接波导5比所述第二连接波导6的长度多s，用于 改变所述第二光学耦合器4的输入端上臂41的波导的传输信号相位；且s大于 0；
所述衬底7为矩形，所述第一光学耦合器1、所述第二光学耦合器4、所述 第一上传下载微环2、所述第二上传下载微环3、所述第一连接波导5和所述第 二连接波导6均设置于所述衬底7的上表面，且在所述第一上传下载微环2和所 述第二上传下载微环3的下方的衬底7的上表面分别设置有第一凹槽71和第二 凹槽72，以使所述第一上传下载微环2和所述第二上传下载微环3分别部分悬 空于所述第一凹槽71和所述第二凹槽72上方；
工作中，所述第一光学耦合器1、所述第二光学耦合器4、所述第一连接波 导5和所述第二连接波导6一起构成了马赫曾德尔干涉仪(MZI)结构；通过两 根直波导8分别向所述第一光学耦合器1输出端上臂11和下臂12输入功率为 P1和P2的泵浦光，所述第一上传下载微环2的悬空部分和所述第二上传下载微 环3的悬空部分将在光力作用下分别向所述第一凹槽71和所述第二凹槽72内弯 曲，进而改变所述第一上传下载微环2和所述第二上传下载微环3的折射率；
通过改变两路泵浦光的功率P1和P2，控制所述第一上传下载微环2和所述 第二上传下载微环4的悬空部分的弯曲形变量，从而分别调谐所述第一上传下载 微环2和所述第二上传下载微环3的传输谱线，实现波长和带宽全光可调谐的光 学滤波器。
所述第一上传下载微环2和所述第二上传下载微环3的半径和波导宽度均相 等，且半径为30μm，波导宽度为450nm。
s的值为94.3μm，为所述第一上传下载微环2的周长的一半，以使所述第二 光学耦合器4的输入端上臂41的波导传输信号的相位相比于下臂42的波导传输 信号偏移π个相位。
所述第一凹槽71和所述第二凹槽72为形状和大小均相同的矩形，且所述第 一上传下载微环2的悬空部分距离所述第一凹槽71的下底面的垂直距离为 160nm；所述第二上传下载微环3的悬空部分距离所述第二凹槽72的下底面的 垂直距离为160nm。
所述第一光学耦合器1输出端上臂11的波导和所述第一上传下载微环2之 间存在第一间距，所述第一连接5波导和所述第一上传下载微环1之间存在第二 间距，且所述第一间距和所述第二间距的大小相等；所述第一光学耦合器1输出 端下臂12的波导和所述第二上传下载微环3之间存在第三间距，所述第二直波 导6和所述第二上传下载微环3之间存在第四间距，且所述第三间距和所述第一 间距的大小相等；且所述第一间距、所述第二间距、所述第三间距和所述第四间 距均为200nm。
所述第一光学耦合器1、所述第二光学耦合器4、所述第一上传下载微环3 和所述第二上传下载微环3的材料均为硅；所述衬底7的材料为二氧化硅。
所述第一凹槽71的靠近所述第一上传下载微环2圆心的一条边距离所述第 一上传下载微环2悬空部分的最大距离为11.2μm；所述第二凹槽72的靠近所述 第二上传下载微环3圆心的一条边距离所述第二上传下载微环3悬空部分的最大 距离为11.2μm(如图4所示)。
图3是带宽和波长同时可调谐光学滤波器的原理图。所述一种基于硅基微环 的全光可调谐滤波器的输出传递函数t如下所示：
Figure BDA0002133428650000061
Figure BDA0002133428650000062
上式中，t1和t2分别为第一上传下载微环和第二上传下载微环的下载端口的传递函数；ΦMZI为π，k为上传下载微环与直波导的光学耦合系数，θ1和θ2分别为第 一上传下载微环和第二上传下载微环的环程相移，a为预设的透过系数。
第一上传下载微环和第二上传下载微环的下载端口的传输谱(传输函数)ti有着一定的谐振偏移量△θ，使得t1和t2对应的两个传输谱线部分重叠，并且通过 调节输入泵浦光的功率P1和P2，可以调谐重叠量，进而调节整个滤波器的带宽；
图4是光力效应使微环发生弯曲的截面示意图，当泵浦光由直波导耦合进入 微环后，在微环悬臂和衬底之间会产生光吸引力F，两个微环的悬空部分会分别 向着衬底方向发生形变x(两个微环的形变量可相同也可不同)；进而导致悬空 部分与衬底之间的间隔g减小，悬空部分波导的有效折射率增大，微环(第一上 传下载微环和第二上传下载微环)的传输谱线发生红移；
因此，通过操纵输入泵浦光功率P1和P2的大小，可以分别控制第一上传下 载微环和第二上传下载微环的悬空部分的折射率大小，进而控制两微环的传输谱 线，从而控制谐振偏移量△θ大小。在两微环的下载端口传输谱的交点波长处， 两微环下载端口输出相位差接近π，由于MZI的上臂引入了π(第二光学耦合器 的上臂波导长度比下臂多s)，因此抵消了两微环下载端口π的输出相位差，从 而导致两下载传输谱在输出端口相长干涉，可以减小带内的幅度抖动。而在远离 通带的波长处，两微环下载端口输出相位接近相等，而MZI的一臂引入的π相 移导致两下载传输谱在输出端口相消干涉，从而大大改善滤波器的消光比以及形 状因子。
滤波器的3dB带宽可以实现较大范围的调谐：通过同时控制两束泵浦光的 功率P1和P2，利用光力效应来调节两个上传下载微环的悬空部分的形变量，从 而引起两个上传下载微环的传输谱线发生漂移，即图2中的谐振偏移量△θ会发 生变化，最终两个微环叠加后的光学滤波器波形可以被操控，也就是实现了带宽 可调；
光学滤波器的中心波长可调谐原理如下所述：通过同时操控两束泵浦光的功 率P1和P2来调节两个上传下载微环的悬空部分的悬空部分的形变量，使它们的 传输谱线发生同样的漂移量，即保持谐振偏移量△θ不变，从而实现中心波长的 可调。具体如下：
首先，根据两束泵浦光的功率P1和P2，采用下式计算出第一上传下载微环 和第二上传下载微环分别对应的弯曲形变量x1和x2：
Figure BDA0002133428650000071
上式中，P为泵浦光功率，F(x)为泵浦光功率为上传下载微环悬空部分受到的光吸引力，x为上传下载微环悬空部分向下的弯曲形变量，λc为产生光吸引力的控 制光的波长，λr为微环的谐振波长，τi -1为微环中光场振幅的本征衰减速率，可 忽略不计；
Figure BDA0002133428650000072
为微环中光场振幅的外衰减速率，R为上传下载微环 的半径，k为上传下载微环与直波导的光学耦合系数；c为真空中光速；kmech为 上传下载微环的悬空部分的机械弹簧常数，使用软件COMSOL仿真计算得到。
然后，根据第一上传下载微环和第二上传下载微环分别对应的弯曲形变量x1和x2，采用FDTD光学仿真软件仿真得到第一上传下载微环和第二上传下载 微环分别对应的折射率neff1和neff2；
进而，根据得到的折射率，采用下式计算得到输入信号经第一上传下载微环 和第二上传下载微环分后分别对应的环程相移θ1和θ2：
Figure BDA0002133428650000081
上式中，neff为折射率，Leff为上传下载微环的周长，λ为输入信号的波长；
最后，根据θ1和θ2，采用下式计算得到谐振偏移量Δθ：
改变输入光功率P的大小，微环有效折射率neff改变，谐振偏移量△θ变化，最 终改变整个滤波器的输出谱线(波形)。
图5展示了本发明实施例中一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器的3dB 带宽可调谐性能，当操控两束泵浦光功率P1和P2时，滤波器的3dB带宽可以在 0.15nm-0.38nm范围调谐，两束光的最高功率之和为0.59mW，那么带宽的调谐 效率可以达到0.045nm/mW，并且滤波器的形状因子最优可以实现0.52。
图6展示了本发明实施例中一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器的中心 波长可调谐性能，当操控两束泵浦光功率P1和P2时，中心波长可以实现0.94nm 的调谐，两束光的最高功率之和为2.47mW，那么中心波长的调谐效率可以达到 0.0352nm/mW，滤波器的形状因子可以保持在0.5左右。
本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案是马赫曾德尔干涉仪(MZI) 与硅基微机械微环的级联结构，能够改善滤波器的形状因子，具有波长和带宽同 时可大范围调谐，调谐效率高、结构紧凑、可大规模集成等优势，有利于构建具 有低功耗的片上全光系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。

Claims (7)

1.一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器，其特征在于：包括：第一光学耦合器(1)、第二光学耦合器(4)、第一上传下载微环(2)、第二上传下载微环(3)、第一连接波导(5)、第二连接波导(6)和衬底(7)；
所述第一光学耦合器(1)采用3dB分束器，所述第二光学耦合器(4)采用3dB耦合器；
所述第一光学耦合器(1)输出端上臂(11)通过波导与所述第一上传下载微环(2)的输入端口相连；所述第一上传下载微环(2)的输出端口通过第一连接波导(5)与所述第二光学耦合器(4)的输入端上臂(41)相连；所述第一光学耦合器(1)输出端下臂(12)通过波导与所述第二上传下载微环(3)的输入端口相连；所述第二上传下载微环(3)的输出端口通过第二连接波导(6)与所述第二光学耦合器(4)的输入端下臂(42)相连；
所述第一连接波导(5)和所述第二连接波导(6)均为两端直中间弯曲的形状，以适应所述第一上传下载微环(2)、所述第二上传下载微环(3)和所述第二光学耦合器(4)的连接关系，且所述第一连接波导(5)比所述第二连接波导(6)的长度多s，用于改变所述第二光学耦合器(4)的输入端上臂(41)的波导的传输信号相位；且s大于0；
所述衬底(7)为矩形，所述第一光学耦合器(1)、所述第二光学耦合器(4)、所述第一上传下载微环(2)、所述第二上传下载微环(3)、所述第一连接波导(5)和所述第二连接波导(6)均设置于所述衬底(7)的上表面，且在所述第一上传下载微环(2)和所述第二上传下载微环(3)的下方的衬底(7)的上表面分别设置有第一凹槽(71)和第二凹槽(72)，以使所述第一上传下载微环(2)和所述第二上传下载微环(3)分别部分悬空于所述第一凹槽(71)和所述第二凹槽(72)上方；
工作中，所述第一光学耦合器(1)、所述第二光学耦合器(4)、所述第一连接波导(5)和所述第二连接波导(6)一起构成了马赫曾德尔干涉仪结构；通过两根直波导(8)分别向所述第一光学耦合器(1)输出端上臂(11)和下臂(12)输入功率为P1和P2的泵浦光，所述第一上传下载微环(2)的悬空部分和所述第二上传下载微环(3)的悬空部分将在光力作用下分别向所述第一凹槽(71)和所述第二凹槽(72)内弯曲，进而改变所述第一上传下载微环(2)和所述第二上传下载微环(3)的折射率；
通过改变两路泵浦光的功率P1和P2，控制所述第一上传下载微环(2)和所述第二上传下载微环(4)的悬空部分的弯曲形变量，从而分别调谐所述第一上传下载微环(2)和所述第二上传下载微环(3)的传输谱线，实现波长和带宽全光可调谐的光学滤波器。
2.如权利要求1所述的一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器，其特征在于：所述第一上传下载微环(2)和所述第二上传下载微环(3)的半径和波导宽度均相等，且半径为30μm，波导宽度为450nm。
3.如权利要求2所述的一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器，其特征在于：s的值为94.3μm，为所述第一上传下载微环(2)的周长的一半，以使所述第二光学耦合器(4)的输入端上臂(41)的波导传输信号的相位相比于下臂(42)的波导传输信号偏移π个相位。
4.如权利要求1所述的一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器，其特征在于：所述第一凹槽(71)和所述第二凹槽(72)为形状和大小均相同的矩形，且所述第一上传下载微环(2)的悬空部分距离所述第一凹槽(71)的下底面的垂直距离为160nm；所述第二上传下载微环(3)的悬空部分距离所述第二凹槽(72)的下底面的垂直距离为160nm。
5.如权利要求1所述的一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器，其特征在于：所述第一光学耦合器(1)输出端上臂(11)的波导和所述第一上传下载微环(2)之间存在第一间距，所述第一连接(5)波导和所述第一上传下载微环(1)之间存在第二间距，且所述第一间距和所述第二间距的大小相等；所述第一光学耦合器(1)输出端下臂(12)的波导和所述第二上传下载微环(3)之间存在第三间距，所述第二直波导(6)和所述第二上传下载微环(3)之间存在第四间距，且所述第三间距和所述第一间距的大小相等；且所述第一间距、所述第二间距、所述第三间距和所述第四间距均为200nm。
6.如权利要求1所述的一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器，其特征在于：所述第一光学耦合器(1)、所述第二光学耦合器(4)、所述第一上传下载微环(3)和所述第二上传下载微环(3)的材料均为硅；所述衬底(7)的材料为二氧化硅。
7.如权利要求1所述的一种基于硅基微环的全光可调谐滤波器，其特征在于：所述第一凹槽(71)的靠近所述第一上传下载微环(2)圆心的一条边距离所述第一上传下载微环(2)悬空部分的最大距离为11.2μm；所述第二凹槽(72)的靠近所述第二上传下载微环(3)圆心的一条边距离所述第二上传下载微环(3)悬空部分的最大距离为11.2μm。
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