CN111948754B - 一种集成滤波器件及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成光学技术领域，公开了一种集成滤波器件及其应用。包括：同时位于衬底上的第一环形布拉格光栅反射镜、第二环形布拉格光栅反射镜、第一直波导、第二直波导以及环形谐振腔；其中，第一环形布拉格光栅反射镜与第一直波导相连；第二环形布拉格光栅反射镜与第二直波导相连；同时第一直波导和第二直波导分别与环形谐振腔相互耦合；并且第一直波导和第二直波导分别位于环形谐振腔的相对两侧。本发明提供的集成滤波器件通过将环形谐振腔嵌入到由环形布拉格光栅反射镜形成的法布里‑珀罗谐振腔中，改变了环形谐振腔的透射光谱，可对输入光实现窄带宽、高消光比的滤波，同时具有结构紧凑、制作工艺简单、成本低等优点。

Description

一种集成滤波器件及其应用
技术领域
本发明属于集成光学技术领域，更具体地，涉及一种集成滤波器件及其应用。
背景技术
光通信波段的带宽资源是非常有限的，这就需要有低损耗、窄带宽、高消光比的光滤波器对光谱进行先进的波长选择。同时光滤波器在激光器、复用/解复用器、光放大器等有源及无源器件中都有很重要的应用。同时，与传统的光纤器件相比，集成光子器件具有体积小、集成度高等优点，其在光通信波段可以实现近乎透明的信号传输，同时高折射率也使得器件的尺寸得到极大的缩小。
目前的集成滤波器件大多利用微环谐振腔、波导布拉格光栅或者片上受激布里渊效应来实现。其中，集成的波导布拉格光栅为了实现高选择率以及高消光比，其光栅长度比较长，器件体积很大；而片上受激布里渊效应的实现往往需要高功率的泵浦光注入、复杂的器件结构和繁琐的制作工艺，有时甚至需要引入混合材料。基于微环谐振腔的集成滤波器件以其结构简单、体积小、制作工艺容易实现等优点被广泛关注。其中质量因子是微环谐振腔的基本参数之一，其定义为谐振波长与半高全宽之比。在相同的谐振波长下，微环谐振腔的质量因子越高，其滤波的带宽就越窄。谐振腔内部的光损耗是影响质量因子大小的重要因素之一。微环谐振腔的半径不同所产生的传输损耗和弯曲损耗也会不同，同时制作工艺也会使得波导侧壁变得粗糙，这都会对谐振腔内部的光损耗产生影响，从而限制了单一微环谐振腔结构的集成滤波器件滤波特性的提高。
发明内容
针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种由法布里-珀罗谐振腔与微环谐振腔相结合的集成滤波器件及其应用，旨在进一步提高微环谐振腔结构的滤波特性。
为实现上述目的，本发明提供了一种集成滤波器件，包括第一环形布拉格光栅反射镜、第二环形布拉格光栅反射镜、第一直波导、第二直波导、环形谐振腔和衬底；
所述第一环形布拉格光栅反射镜与第一直波导相连，所述第二环形布拉格光栅反射镜与第二直波导相连；
所述第一直波导和第二直波导分别位于环形谐振腔的相对两侧，且所述第一直波导和第二直波导均与所述环形谐振腔相互耦合；
所述第一环形布拉格光栅反射镜、第二环形布拉格光栅反射镜、第一直波导、第二直波导和环形谐振腔均置于所述衬底上。
进一步地，所述第一环形布拉格光栅反射镜与第二环形布拉格光栅反射镜均是具有周期性空气-光栅齿的环形布拉格光栅结构。
进一步地，所述空气齿与光栅齿均为角度相同的同心圆环，其宽度均为0.1微米～0.25微米，角度均为30度～150度。
进一步地，所述环形谐振腔为一个或者多个组合起来的圆环状、跑道型环状或者其他封闭环状结构。
进一步地，所述环形谐振腔为垂直分布的两个互相耦合的半径相等的微环。
进一步地，所述环形谐振腔为两个平行分布的不发生耦合的半径相等的微环。
进一步地，所述第一直波导、第二直波导和环形谐振腔的横截面的宽度均为0.35微米～1微米，高度均为0.1微米～1微米。
进一步地，所述环形谐振腔与第一直波导、所述环形谐振腔与第二直波导之间均为侧向耦合。
进一步地，所述环形谐振腔与第一直波导之间的最小间距、所述环形谐振腔与第二直波导之间的最小间距处的距离均为0.1微米～0.3微米。
按照本发明的另一方面还提供了如上述的集成滤波器件在光通信中的应用。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，在第一环形布拉格光栅反射镜与第二环形布拉格光栅反射镜之间形成了一个法布里-珀罗谐振腔，并在其中嵌入了环形谐振腔。环形谐振腔的透射光谱受到了法布里-珀罗谐振腔的影响而发生改变，产生了窄带宽、高消光比的梳状滤波谱线，该梳状滤波曲线具有非常好的周期性，其自由光谱范围可以通过设计集成滤波器件的结构及其参数来得到不同的大小。同时，本发明提供的集成滤波器件的滤波特性不会因为制作工艺等外部因素引起的器件结构尺寸的微小偏差而受到较大的影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的集成滤波器件的俯视图。
图2是本发明实施例1提供的集成滤波器件的透射光谱仿真图。
图3是本发明实施例1提供的集成滤波器件的透射光谱仿真图中虚线框“a”标示区域的放大图。
图4是本发明实施例2提供的集成滤波器件在偏差分别为20纳米、30纳米、40纳米时的透射光谱仿真图。
图5是本发明实施例3提供的集成滤波器件的俯视图。
图6是本发明实施例3提供的集成滤波器件的透射光谱仿真图。
图7是本发明实施例4提供的集成滤波器件的俯视图。
图8是本发明实施例4提供的集成滤波器件的透射光谱仿真图。
其中：1-第一环形布拉格光栅反射镜、2-第二环形布拉格光栅反射镜、3-第一直波导、4-第二直波导、5-环形谐振腔、6-衬底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例所提供的集成滤波器件，其结构如图1所示，包括第一环形布拉格光栅反射镜(1)、第二环形布拉格光栅反射镜(2)、第一直波导(3)、第二直波导(4)、环形谐振腔(5)以及衬底(6)；
其中，第一环形布拉格光栅反射镜(1)与第一直波导(3)相连；第二环形布拉格光栅反射镜(2)与第二直波导(4)相连；第一直波导(3)和第二直波导(4)分别与环形谐振腔(5)相互耦合；第一直波导(3)和第二直波导(4)分别位于环形谐振腔(5)的相对两侧；第一环形布拉格光栅反射镜(1)、第二环形布拉格光栅反射镜(2)、第一直波导(3)、第二直波导(4)、环形谐振腔(5)均置于衬底(6)上。
本发明中，输入的光波在第一直波导(3)中传输被第一环形布拉格光栅反射镜(1)反射后，分别经过环形谐振腔(5)与第一直波导(3)和第二直波导(4)的耦合区耦合到第二直波导(4)中，之后被第二环形布拉格光栅反射镜(2)反射回去，再原路返回经过环形谐振腔(5)与第一直波导(3)和第二直波导(4)的耦合区耦合回第一直波导(3)中，又被第一环形布拉格光栅反射镜(1)反射。这样来回反射，第一环形布拉格光栅反射镜(1)与第二环形布拉格光栅反射镜(2)之间就会形成一个法布里-珀罗谐振腔，产生谐振效应。同时，环形谐振腔(5)内也有谐振效应的产生。形成的法布里-珀罗谐振腔的腔体与环形谐振腔(5)的腔体有一部分是重合的，产生的谐振效应就会互相影响，那么环形谐振腔(5)的输出光谱就会在法布里-珀罗谐振腔的影响下发生改变，进而产生窄带宽、高消光比的滤波光谱。其中，产生的法布里-珀罗谐振腔腔长为第一环形布拉格光栅反射镜(1)到第一直波导(3)与环形谐振腔(5)耦合区的距离与第二环形布拉格光栅反射镜(2)到第二直波导(4)与环形谐振腔(5)耦合区的距离之和。第一环形布拉格光栅反射镜(1)和第二环形布拉格光栅反射镜(2)的位置和方向可以根据光在环形谐振腔(5)中的传播方向进行改变，形成法布里-珀罗谐振腔。
优选地，第一环形布拉格光栅反射镜(1)与第二环形布拉格光栅反射镜(2)均是具有周期性空气-光栅齿的环形布拉格光栅结构。其中，空气齿与光栅齿均为角度相同的同心圆环，其宽度均为0.1微米～0.25微米，角度均为30度～150度。
优选地，环形谐振腔(5)为一个或者多个组合起来的圆环状、跑道型环状或者其他封闭环状结构。
优选地，环形谐振腔(5)为垂直分布的两个互相耦合的半径相等的微环。
优选地，环形谐振腔(5)为两个平行分布的不发生耦合的半径相等的微环。
优选地，第一直波导(3)、第二直波导(4)和环形谐振腔(5)的横截面的宽度均为0.35微米～1微米，高度均为0.1微米～1微米。
进一步地，环形谐振腔(5)与第一直波导(3)、所述环形谐振腔(5)与第二直波导(4)之间均为侧向耦合。
优选地，环形谐振腔(5)与第一直波导(3)之间的最小间距、所述环形谐振腔(5)与第二直波导(4)之间的最小间距处的距离均为0.1微米～0.3微米。
而且，本领域技术人员容易理解，本发明的集成滤波器件可应用于光通信中。
下面结合若干优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
实施例1
本实施例中，环形谐振腔(5)为单个半径为15微米的微环，第一环形布拉格光栅反射镜(1)到第一直波导(3)与环形谐振腔(5)耦合区的距离为353.43微米，第二环形布拉格光栅反射镜(2)到第二直波导(4)与环形谐振腔(5)耦合区的距离与之相等，也是353.43微米，产生的法布里-珀罗谐振腔腔长的两倍为环形谐振腔(5)腔长的15倍。
图2为本实施例提供的集成滤波器件的透射光谱仿真图。本实施例提供的集成滤波器件的透射光谱具有明显的周期性，其一个周期的长度等于环形谐振腔(5)的自由光谱范围。图2显示了其中的两个周期。在一个周期内，该透射光谱图具有梳状光谱的特征，每两个相邻的陷波最低点之间的距离等于第一环形布拉格光栅反射镜(1)与第二环形布拉格光栅反射镜(2)之间形成的法布里-珀罗谐振腔的自由光谱范围。从图2可看出环形谐振腔(5)的自由光谱范围是法布里-珀罗谐振腔的自由光谱范围的15倍。
图3所示，是本发明实施例提供的集成滤波器件的透射光谱仿真图(图2)中“a”标示区域的放大图。从该图可以分析出，本实施例提供的集成滤波器件的滤波3dB带宽为7.05皮米，消光比为29.08dB。
实施例2
本实施例中，环形谐振腔(5)为单个半径为15微米分别加上20纳米、30纳米、40纳米偏差的微环；同样的，第一环形布拉格光栅反射镜(1)到第一直波导(3)与环形谐振腔(5)耦合区的距离为353.43微米分别加上20纳米、30纳米、40纳米的偏差，第二环形布拉格光栅反射镜(2)到第二直波导(4)与环形谐振腔(5)耦合区的距离与之相等。本实施例是在实施例1的基础上引入了20纳米、30纳米、40纳米的偏差。
图4为本实施例提供的集成滤波器件的透射光谱仿真图，偏差分别为20纳米、30纳米、40纳米。本实施例提供的集成滤波器件的透射光谱同样具有明显的周期性，其一个周期的长度等于环形谐振腔(5)加上不同的偏差后的自由光谱范围。与实施例1相似，在一个周期内，加上不同偏差后的透射光谱图仍具有梳状光谱的特征即每两个相邻的陷波最低点之间的长度等于第一环形布拉格光栅反射镜(1)与第二环形布拉格光栅反射镜(2)之间形成的法布里-珀罗谐振腔的自由光谱范围。
从图4可以分析出，本实施例提供的集成滤波器件的滤波3dB带宽在偏差为20纳米、30纳米、40纳米时分别为7.05皮米、7.06皮米、7.07皮米，消光比分别为29.22dB、29.29dB、29.36dB。由制作工艺等外部因素而产生的器件结构尺寸的微小偏差并不会对本发明提供的集成滤波器件本身的滤波特性产生较大的影响。
实施例3
本实施例提供的集成滤波器件的俯视图如图5所示。本实施例中，环形谐振腔(5)为垂直分布的两个互相耦合的半径相等的微环，其半径都为15微米。第一环形布拉格光栅反射镜(1)到第一直波导(3)与环形谐振腔(5)的上微环耦合区的距离为353.43微米，第二环形布拉格光栅反射镜(2)到第二直波导(4)与环形谐振腔(5)下微环耦合区的距离与之相等，也是353.43微米，产生的法布里-珀罗谐振腔腔长的两倍为环形谐振腔(5)中单个微环腔长的15倍。与实施例1相比，本实施例中的第一环形布拉格光栅反射镜(1)和第二环形布拉格光栅反射镜(2)的位置根据输入光在环形谐振腔(5)中的传播方向进行了调整，使得输入光可以在第一环形布拉格光栅反射镜(1)和第二环形布拉格光栅反射镜(2)之间来回反射形成法布里-珀罗谐振腔。
图6为本实施例提供的集成滤波器件的透射光谱仿真图。与实施例1相似，本实施例提供的集成滤波器件的透射光谱也具有明显的周期性，其一个周期的长度等于环形谐振腔(5)中单个微环的自由光谱范围。图6显示了其中的两个周期。在一个周期内，该透射光谱图具有梳状光谱的特征，每两个相邻的陷波最低点之间的距离等于第一环形布拉格光栅反射镜(1)与第二环形布拉格光栅反射镜(2)之间形成的法布里-珀罗谐振腔的自由光谱范围。从图6可看出环形谐振腔(5)中单个微环的自由光谱范围是法布里-珀罗谐振腔的自由光谱范围的15倍。
由图6可分析出本实施例提供的集成滤波器件的滤波3dB带宽为7.01皮米，消光比高达38.28dB。
实施例4
本实施例提供的集成滤波器件的俯视图如图7所示。本实施例中，环形谐振腔(5)为两个平行分布的半径相等的微环，其半径都为10微米。这两个平行分布的微环彼此之间不发生耦合，其上下两边都分别会与第一直波导(3)和第二直波导(4)发生耦合，两个圆环中心点之间的距离为21微米。第一环形布拉格光栅反射镜(1)到第一直波导(3)与环形谐振腔(5)的左右微环耦合区中点的距离为78.54微米，第二环形布拉格光栅反射镜(2)到第二直波导(4)与环形谐振腔(5)的左右微环耦合区中点的距离与之相等，也是78.54微米，产生的法布里-珀罗谐振腔腔长的两倍为环形谐振腔(5)中单个微环腔长的5倍。
图8为本实施例提供的集成滤波器件的透射光谱仿真图。本实施例提供的集成滤波器件的透射光谱具有非常明显的梳状光谱的特征。在仿真的波长区域内，该光谱以中间最低陷波处为中心左右对称，每两个相邻的陷波最低点之间的距离即该光谱的自由光谱范围由环形谐振腔(5)中的两个平行分布的微环的半径及其中心点之间的距离决定，为0.024纳米。
由图8可分析出本实施例提供的集成滤波器件的滤波3dB带宽为2.65皮米，消光比高达41.96dB。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成滤波器件，其特征在于，包括第一环形布拉格光栅反射镜(1)、第二环形布拉格光栅反射镜(2)、第一直波导(3)、第二直波导(4)、环形谐振腔(5)和衬底(6)；
所述第一环形布拉格光栅反射镜(1)与第一直波导(3)相连，所述第二环形布拉格光栅反射镜(2)与第二直波导(4)相连；
所述第一直波导(3)和第二直波导(4)分别位于环形谐振腔(5)的相对两侧，且所述第一直波导(3)和第二直波导(4)均与所述环形谐振腔(5)相互耦合；
所述第一环形布拉格光栅反射镜(1)、第二环形布拉格光栅反射镜(2)、第一直波导(3)、第二直波导(4)和环形谐振腔(5)均置于所述衬底(6)上。
2.如权利要求1所述的集成滤波器件，其特征在于，所述第一环形布拉格光栅反射镜(1)与第二环形布拉格光栅反射镜(2)均是具有周期性空气-光栅齿的环形布拉格光栅结构。
3.如权利要求2所述的集成滤波器件，其特征在于，所述空气-光栅齿均为角度相同的同心圆环，其宽度均为0.1微米～0.25微米，角度均为30度～150度。
4.如权利要求1所述的集成滤波器件，其特征在于，所述环形谐振腔(5)为一个或者多个组合起来的圆环状、跑道型环状或者其他封闭环状结构。
5.如权利要求4所述的集成滤波器件，其特征在于，所述环形谐振腔(5)为垂直分布的两个互相耦合的半径相等的微环。
6.如权利要求4所述的集成滤波器件，其特征在于，所述环形谐振腔(5)为两个平行分布的不发生耦合的半径相等的微环。
7.如权利要求1所述的集成滤波器件，其特征在于，所述第一直波导(3)、第二直波导(4)和环形谐振腔(5)的横截面的宽度均为0.35微米～1微米，高度均为0.1微米～1微米。
8.如权利要求1所述的集成滤波器件，其特征在于，所述环形谐振腔(5)与第一直波导(3)、所述环形谐振腔(5)与第二直波导(4)之间均为侧向耦合。
9.如权利要求8所述的集成滤波器件，其特征在于，所述环形谐振腔(5)与第一直波导(3)之间的最小间距、所述环形谐振腔(5)与第二直波导(4)之间的最小间距处的距离均为0.1微米～0.3微米。
10.如权利要求1-9任一项所述的集成滤波器件在光通信中的应用。
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