CN111610650A - 一种三维集成的可编程光学滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维集成的可编程光学滤波器，包括衬底层、不透光层和倒装键合层，倒装键合层和衬底层分别为独立的芯片，在衬底层上制作第一级滤波器，在倒装键合层上制作第二级滤波器，第一级滤波器和第二级滤波器均为单级可调谐光学滤波器，单级可调谐光学滤波器由多个微环级联而成，相邻两级微环之间采用垂直耦合且相邻两级微环之间设有一层不透光材料。本发明利用三维集成技术，大幅度减少芯片占用面积；利用垂直耦合的方式，提高光的传输效率，有效减小高阶微环滤波器的传输损耗；两级滤波器分别制作在独立的芯片上，可以通过筛选测试以得到性能最佳产品，并能够使热光效应的热串扰降到最低。

Description

一种三维集成的可编程光学滤波器
技术领域
本发明属于光通信和微波光子技术领域，特别涉及了一种可编程光学滤波器。
背景技术
在光信号处理的时候，使用光学滤波器是必不可少的事情，但是常见的滤波器多半是不可调节的，如果由于参数改变而需要更改滤波范围，通常只能更换新的滤波器。如果滤波器是可编程的，那么在这种情况下就可以快速更改滤波器参数以满足新场景需求。因此，可编程光学滤波器相比于传统的固定的光学滤波器，具有使用灵活方便等特点。
集成是现在光电子器件发展的趋势，集成化能够减小光电子器件的体积，增加系统密度。但是传统的集成光电子器件以二维平面集成为主，由于光传输的特殊性，小半径的弯曲波导会带来严重的弯曲损耗，二维集成已经基本接近系统密度极限，因此开发合适的三维集成器件势在必行。
发明内容
为了解决上述背景技术提到出的技术问题，本发明提出了一种三维集成的可编程光学滤波器。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：包括衬底层、不透光层和倒装键合层，倒装键合层和衬底层分别为独立的芯片，在衬底层上制作第一级滤波器，在倒装键合层上制作第二级滤波器，所述第一级滤波器和第二级滤波器均为单级可调谐光学滤波器，在不透光层上设有第一耦合区和第二耦合区，第一级滤波器与第二级滤波器通过第一耦合区和第二耦合区进行连接；所述单级可调谐光学滤波器由多个微环级联而成，相邻两级微环之间采用垂直耦合且相邻两级微环之间设有一层不透光材料，该不透光材料在垂直方向上不能完全覆盖微环，未覆盖不透光材料的区域作为相邻两级微环的耦合区。
进一步地，相邻两级微环的耦合系数由微环之间的垂直距离和耦合区面积所决定，垂直距离越小，耦合系数越大，垂直距离越大，耦合系数越大。
进一步地，相邻两级微环之间还存在水平耦合。
进一步地，当相邻两级微环仅在耦合区重叠时，省去所述不透光材料。
进一步地，每个微环都附有独立的电阻加热条，控制通过电阻加热条的电流大小以控制加热功率，从而调节温度，改变微环的折射率，完成对中心频率法人调谐。
进一步地，微环的形状包括但不限于圆形。
进一步地，相邻两级微环的耦合区应精确对准。
进一步地，在垂直切面上，层数相邻的耦合区位于不同侧。
进一步地，在垂直耦合中，上层微环应当在下层微环上使用薄膜外延工艺进行制作。
进一步地，两个单级可调谐光学滤波器的级联应当通过芯片的倒装键合工艺来实现。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明设计的三维集成结构的相比于传统的平面集成结构，首先它需要将一块独立的芯片倒装键合在衬底上，在键合前可以充分地测试筛选性能更好的第二级滤波器，从而能够提高产品的性能；其次，垂直耦合的距离相比于普通的水平耦合大幅度减小，微环波导之间的距离容易做到200nm以下，光的传输效率大幅度提高，换言之，器件损耗远小于传统器件；另外，芯片之间的相互独立，对于使用热光效应的可调谐滤波器，可以有效地减小两级滤波器之间的热串扰，使两级芯片的调谐相对独立；最后，三维集成相比于平面集成，节省了芯片面积，这对于光电子芯片的小型化是十分有利的。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中垂直耦合的示意图；
图3为实施例中三微环滤波器的示意图；
图4为实施例中六微环滤波器的示意图；
标号说明：111、衬底层；112、不透光层；113、倒装键合层；121、第一级滤波器；122、第二级滤波器；131、第一耦合区；132、第二耦合区；221、第一级微环；222、第二级微环；231、不透光材料；211、输入波导；212、输出波导；241、电阻加热条。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种三维集成的可编程光学滤波器，如图1所示，包括衬底层111、不透光层112和倒装键合层113。倒装键合层113和衬底层111分别为独立的芯片，在衬底层111上制作第一级滤波器121，在倒装键合层113上制作第二级滤波器122。所述第一级滤波器121和第二级滤波器122均为单级可调谐光学滤波器，在不透光层112上设有第一耦合区131和第二耦合区132，第一级滤波器121与第二级滤波器122通过第一耦合区131和第二耦合区132进行连接。
单级可调谐光学滤波器基本结构由多个微环滤波器级联而成。为了节省芯片面积，两级微环之间可以使用折叠式的垂直耦合，如图2所示，这是一种使用了两阶微环的滤波器的示意图，其中第一级微环221和第二级微环222之间便是使用了折叠式的垂直耦合，由两级可调节微环滤波器和一层不透光材料231构成，这层不透光的材料限制了两级微环，使之只能在该材料未覆盖的耦合区进行耦合。如图2所示，输入直波导211和第一级微环221、输出直波导212和第二级微环222之间也是垂直耦合，光的传输路径为①→②→③→④。微环之间的耦合系数κ由微环的垂直距离d和耦合区面积所决定。定性的说，d越小，耦合系数κ越大；耦合区面积越大，耦合系数κ越大。耦合系数κ影响了单级滤波器的带宽，耦合系数κ越大，滤波器的带宽也越大。
显然，这两级微环的耦合方式可以作为一个基本结不断重复，但是如此折叠堆叠过多的微环，则会大幅度提高工艺难度，这是因为，每制作一层微环，都需要对包层材料的平整度进行检测，平整度如果没有达到要求，上层的微环的性能将无法得到保证；并且，每层包层材料和不透光层材料的厚度都需要严格控制。所以，微环层数的数量控制在2-4层为宜。
在本实施例中，可以将垂直耦合和水平耦合有机的结合起来，如图3所示为三微环级联的滤波器(未画出电阻加热区)，其中第一微环和第二微环之间便采用水平耦合，而第二微环和第三微环之间则采用垂直耦合。如图4所示为六微环级联的情况，名称最后的括号表示了该结构所在的层数，该结构也是同时存在水平耦合和垂直耦合。
在本实施例中，垂直耦合除了采用折叠式的垂直耦合，在微环仅有耦合区重叠的时候，可以省去不透光材料，如图3所示，第二微环和第三微环之间的垂直耦合即属于这种情况。
在本实施例中，每个微环都附有独立的电阻加热条，如图2所示的第一微环的电阻加热条241，控制通过电阻加热条的电流大小，就可以控制加热的功率，从而调节温度，改变微环的折射率，完成对中心频率的调谐。另外，也可以以一级滤波器为一个单位，也就是在单个芯片上设置整体加热区，此时需要不透光层112的绝热能力相对较好。
在本实施例中，每个微环的直径可以相等，也可以不相等，如图4所示。微环的形状也不局限于圆形。同时，微环的耦合区应该较为精确的对准，以获得较好的耦合效果减小传输损耗，在垂直切面上，层数相邻的耦合区不应该在同一侧。
在本实施例中，微环垂直耦合的情况中，上层微环应当在下层微环上使用薄膜外延工艺进行制作。两级滤波器的级联应当通过芯片的倒装键合工艺来实现。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：包括衬底层、不透光层和倒装键合层，倒装键合层和衬底层分别为独立的芯片，在衬底层上制作第一级滤波器，在倒装键合层上制作第二级滤波器，所述第一级滤波器和第二级滤波器均为单级可调谐光学滤波器，在不透光层上设有第一耦合区和第二耦合区，第一级滤波器与第二级滤波器通过第一耦合区和第二耦合区进行连接；所述单级可调谐光学滤波器由多个微环级联而成，相邻两级微环之间采用垂直耦合且相邻两级微环之间设有一层不透光材料，该不透光材料在垂直方向上不能完全覆盖微环，未覆盖不透光材料的区域作为相邻两级微环的耦合区。
2.根据权利要求1所述三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：相邻两级微环的耦合系数由微环之间的垂直距离和耦合区面积所决定，垂直距离越小，耦合系数越大，垂直距离越大，耦合系数越大。
3.根据权利要求1所述三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：相邻两级微环之间还存在水平耦合。
4.根据权利要求1所述三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：当相邻两级微环仅在耦合区重叠时，省去所述不透光材料。
5.根据权利要求1所述三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：每个微环都附有独立的电阻加热条，控制通过电阻加热条的电流大小以控制加热功率，从而调节温度，改变微环的折射率，完成对中心频率法人调谐。
6.根据权利要求1所述三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：微环的形状包括但不限于圆形。
7.根据权利要求1所述三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：相邻两级微环的耦合区应精确对准。
8.根据权利要求1所述三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：在垂直切面上，层数相邻的耦合区位于不同侧。
9.根据权利要求1所述三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：在垂直耦合中，上层微环应当在下层微环上使用薄膜外延工艺进行制作。
10.根据权利要求1所述三维集成的可编程光学滤波器，其特征在于：两个单级可调谐光学滤波器的级联应当通过芯片的倒装键合工艺来实现。
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