CN112558227B - 一种双层的温度不敏感且制备不敏感的mzi滤波器 - Google Patents

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    • G02B6/29362—Serial cascade of filters or filtering operations, e.g. for a large number of channels
    • G02B6/29364—Cascading by a light guide path between filters or filtering operations, e.g. fibre interconnected single filter modules

Abstract

本发明公开了一种双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，该滤波器包括第一干涉臂、第二干涉臂、第三干涉臂、第四干涉臂、过渡结构、taper结构、公共路径和耦合器部分；四个干涉臂和taper结构基于温度不敏感的弱限制性波导(Δ<25％)；第一二干涉臂的材料和几何尺寸完全一致；第三四干涉臂的材料和几何尺寸完全一致；所述公共路径和耦合器部分是基于强限制性波导(Δ﹥25％)；过渡结构用于降低弱限制性波导和强限制性波导之间的过渡损耗；taper结构用于降低两种波导宽度之间的过渡损耗。本发明通过调节波导的长度与宽度来调节与宽度相关的有效折射率来消除MZI波导宽度变化对于有效折射率的影响，同时保持所需的光学相位差，从而实现制备不敏感的MZI滤波器。

Description

一种双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器
技术领域
本发明属于光纤通信中的波分复用应用系统领域，具体涉及一种双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器。
背景技术
光纤通信因其传输速度快、传输容量大等优势，在现代通信系统之中占据非常重要的地位，其应用非常广泛。但随着现代多媒体技术和网络应用的发展，需要传输的数据量急剧增长，为最大限度地提高光纤系统的通信容量，使用多载波波长的波分复用(WDM)系统应运而生。WDM系统中的关键器件就是波长多路复用/解复用器。多路复用器将所有波长通道组合在一根光纤上，而解多路复用器将波长从一根光纤分离到多波长通道。
常见多路(解)复用器的方式，即滤波方式有法布里一帕罗腔滤波器、多层介质薄膜滤波器、声光可调谐滤波器、光纤光栅滤波器、马赫一曾德尔干涉仪型滤波器(MZI)和阵列波导光栅滤波器。其中MZI滤波器是实现WDM系统中复用/解复用和波长路由功能的关键器件，可以以级联的方式实现平顶的频谱响应，具有低插入损耗、低串扰和偏振效应、可制作成极窄通带器件、易与光纤耦合和良好的梳状滤波性能。
目前MZI滤波器可以基于二氧化硅、氮化硅和硅等材料，分别代表基于低折射率差波导的MZI和基于高折射率差波导的MZI，虽然基于高折射率差波导的MZI得益于纳米级的波导尺寸和微米级的弯曲半径，可以实现很小的器件尺寸，但是因为制备精度的限制，硅基MZI通常具有高插入损耗和高串扰。而基于低相对折射率差的MZI，虽然器件性能很好，但由于弯曲半径过大，甚至达到毫米级别，因此单级的器件尺寸就非常大，更不要说级联的MZI。氮化硅是近年来日趋成熟的比较新的工艺，折射率介于二氧化硅和硅之间，但是基于氮化硅的器件的性能也同样受制于制备精度。
发明内容
本发明的目的是在保证甚至改善MZI滤波器工作性能的条件下，减小器件的尺寸，实现温度不敏感且制备不敏感(fabrication insensitive)的MZI滤波器。
为了实现以上设计目标，本发明的技术方案如下：
一种双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，包括第一干涉臂、第二干涉臂、第三干涉臂、第四干涉臂、过渡结构、taper结构、公共路径和耦合器部分。
所述第一干涉臂和第二干涉臂在宽度与波导材料等性质完全一样，而第三干涉臂和第四干涉臂在宽度与波导材料等性质完全一样；
所述taper结构可以是线性、指数型和抛物线型等的任何一种能够降低两种波导宽度之间的过渡损耗的形式；
所述第一到第四干涉臂和taper结构基于温度不敏感的弱限制性波导(Δ＜25％，Δ＝(nc 2-nb 2)/2*nc 2，nc是芯层波导的有效折射率，nb是包层波导的有效折射率)，包括但不限于氮化硅或者掺杂二氧化硅的波导等；
所述公共路径和耦合器部分是基于强限制波导(Δ＞25％)，包括但不限于硅(Si)波导或者表面等离子激元波导中的一种；所述的公共路径设于第一干涉臂与第二干涉臂之间、第三干涉臂与第四干涉臂之间。
所述第一干涉臂和第二干涉臂的材料和几何尺寸完全一致，宽度均为W1，长度为L1；第三干涉臂和第四干涉臂的材料和几何尺寸完全一致，宽度均为W2，长度为L2；
所述第一二干涉臂和第三四干涉臂，当宽度W1＝W2时，则不需要taper结构。
所述过渡结构是为了降低弱限制性和强限制波导之间的过渡损耗。过渡结构的宽度由基于低相对折射率差的波导的宽度线性减小至基于高相对折射率差的单模波导的宽度，且基于低相对折射率差的波导材料的占比线性减小，基于高相对折射率差的波导材料的占比线性增加。
所述耦合器部分可以是方向耦合器(direction coupler)、多模干涉器(multimode interference)等任何能够实现分光功能的器件的一种。
所述干涉臂、耦合器部分和公共路径的波导可以是脊波导、条波导等多种波导形式，或者其混合形式。
为了保证MZI滤波器的相位变化的一致性，所有taper结构的几何尺寸和波导材料等性质均一致，所有过渡结构的几何尺寸和波导材料等性质均一致，滤波器性能所需的光学相位差仅仅由干涉臂决定。
进一步地，当所述的强限制波导为硅，弱限制波导为氮化硅时，可实现温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器CMOS兼容。
进一步地，所述双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器可以作为基本单元，n(n为整数)个基本单元多级级联以实现平顶的频谱响应，以及获得更小的串扰。多级级联之后的MZI仍可以作为基本单元，根据不同的自由传输范围(FSR)来设计相关的波导参数，再次级联之后来实现多波长(一般是2m，m为整数)的复用解复用
本发明的有益效果在于：
本发明的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，相比于传统的单层结构，结合了强限制性波导(Δ＞25％)和温度不敏感的弱限制性波导(Δ＜25％)的优势，有望在保证甚至改善器件性能的同时减小器件的尺寸，若强限制波导为硅，弱限制波导为氮化硅，则实现的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器CMOS兼容，具有极大的商业化潜力。且MZI的干涉臂采用类似氮化硅这种折射率对温度不敏感的材料，还可以实现温度不敏感的滤波器性能。通过对干涉臂宽度W1和W2和长度L1和L2的优化还可以调节与宽度相关的有效折射率来消除MZI波导宽度变化对于有效折射率的影响，同时保持所需的光学相位差，从而实现制备不敏感的MZI滤波器。
附图说明
图1是本发明的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器；
图2是干涉臂宽度一致的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器；
图3是双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器的高低折射率差波导之间的过渡结构；
图4是n(n为整数)个级联的基本单元；
图5是实现级联的多波长(2m)滤波结构；
其中，第一干涉臂1、第二干涉臂2、第三干涉臂3、第四干涉臂4、过渡结构5、taper结构6、公共路径7、耦合器部分8、低折射率差直波导9、高折射率差直波导10。
具体实施方式
如图1为本发明的一种双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，包括第一干涉臂1、第二干涉臂2、第三干涉臂3、第四干涉臂4、过渡结构5、taper结构6、公共路径7和耦合器部分8；
所述第一到第四干涉臂1-4和taper结构6基于温度不敏感的弱限制性波导，所述的弱限制性波导的相对折射率差Δ＜25％；所述第一干涉臂1和第二干涉臂2的材料和几何尺寸完全一致，宽度均为W1；第三干涉臂3和第四干涉臂4的材料和几何尺寸完全一致，宽度均为W2；所述公共路径7和耦合器部分8是基于强限制性波导，所述的强限制性波导的相对折射率差Δ＞25％；所述过渡结构5是为了降低弱限制性波导和强限制性波导之间的过渡损耗；所述taper结构6用于降低两种波导宽度之间的过渡损耗；所述的公共路径7设于第一干涉臂1与第二干涉臂之间2、第三干涉臂3与第四干涉臂4之间。
如图2是干涉臂宽度一致的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，此时宽度W1＝W2时，不需要taper结构6。
如图3是双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器的高低折射率差波导之间的过渡结构5。过渡结构5的宽度由基于低相对折射率差的波导的宽度线性减小至基于高相对折射率差的单模波导的宽度，且基于低相对折射率差的波导材料的占比线性减小，基于高相对折射率差的波导材料的占比线性增加。过渡结构5是为了降低弱限制性波导和强限制性波导之间的过渡损耗，所有过渡结构5的几何尺寸和波导材料性质均一致。
如图4是n个级联的基本单元，所述的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器可以作为基本单元，n个基本单元多级级联以实现平顶的频谱响应，以及获得更小的串扰。
如图5是实现级联的多波长(2m)滤波结构，多级级联之后的MZI仍可以作为基本单元，根据不同的自由传输范围(FSR)来设计相关的波导参数，再次级联之后来实现多波长的复用解复用。
接下来理论分析制备不敏感的原理：
在MZI中，在工作波长为λ0时，相消干涉的相位条件是：
mλ0＝n1L1-n2L2 (1)
其中，n1，n2分别是两个臂的相对折射率，L1，L2分别是两臂的长度，m是整数。在实际的制备过程中，臂长可以采用深紫外光刻技术精确定义，其引入的折射率变化很小，MZI的频谱偏移Δλ主要是由制备过程引入的波导宽度的变化Δw决定。所以考虑到工艺误差：
Figure BDA0002820878790000041
将公式(1)和公式(2)结合起来得到：
Figure BDA0002820878790000042
其中，w1，w2，ng1，ng2分别是MZI两臂的波导宽度和群折射率。
当两个波导宽度相等时，w＝w1＝w2，公式(3)可以简化为：
Figure BDA0002820878790000043
其中，n和ng是波导的有效折射率和群折射率。一般来说，基于450nm宽的硅基波导的MZI，关于波导宽度变化的频谱偏移是
Figure BDA0002820878790000044
即使加宽波导至800nm，仍会因制备过程引入约0.15nm/nm的频谱偏移。所以在工作波长为λ0，自由频谱范围为FSR时，制备不敏感的MZI必须满足以下条件：
Figure BDA0002820878790000045
Figure BDA0002820878790000046
由公式(4)可以看到，如果两个波导宽度相等，那么
Figure BDA0002820878790000047
是不可能为0的，而公式(3)可以令分子为零，即公式(5)部分为0，并结合MZI滤波器所需的FSR来进行优化设计，实现制备不敏感的目标，同时较采用相对折射率差较低的波导，也会增加对制备的容差。
而温度不敏感的实现，主要是靠在干涉臂采用温度不敏感的波导材料，比如氮化硅波导等。

Claims (8)

1.一种双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，其特征在于：包括第一干涉臂、第二干涉臂、第三干涉臂、第四干涉臂、过渡结构、taper结构、公共路径和耦合器部分；
所述第一到第四干涉臂和taper结构基于温度不敏感的弱限制性波导，所述的弱限制性波导的相对折射率差Δ<25％；所述第一干涉臂和第二干涉臂的材料和几何尺寸完全一致，宽度均为W1；第三干涉臂和第四干涉臂的材料和几何尺寸完全一致，宽度均为W2；所述公共路径和耦合器部分是基于强限制性波导，所述的强限制性波导的相对折射率差Δ﹥25％；所述过渡结构是为了降低弱限制性波导和强限制性波导之间的过渡损耗；所述taper结构用于降低两种波导宽度之间的过渡损耗；所述的公共路径设于第一干涉臂与第二干涉臂之间、第三干涉臂与第四干涉臂之间；
温度不敏感的实现是靠在干涉臂采用温度不敏感的波导材料，在工作波长为λ0，自由频谱范围为FSR时，制备不敏感的MZI必须满足以下条件：
Figure FDA0003290657640000011
Figure FDA0003290657640000012
其中，w1，w2，ng1，ng2分别是MZI两臂的波导宽度和群折射率，n1，n2分别是两个臂的相对折射率，L1，L2分别是两臂的长度；
所述相对折射率差Δ＝(nc 2-nb 2)/2*nc 2，nc是芯层波导的有效折射率，nb是包层波导的有效折射率。
2.根据权利要求1所述的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，其特征在于：所述的弱限制性波导为氮化硅或者掺杂二氧化硅的波导中的一种；所述的强限制性波导为硅波导或者表面等离子激元波导中的一种。
3.根据权利要求1所述的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，其特征在于：所述taper结构是线性、指数型或抛物线型中的任意一种形式。
4.根据权利要求2所述的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，其特征在于：当宽度W1＝W2时，不需要taper结构。
5.根据权利要求1所述的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，其特征在于：所有taper结构的几何尺寸和波导材料性质均一致，所有过渡结构的几何尺寸和波导材料性质均一致。
6.根据权利要求1所述的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，其特征在于：干涉臂、耦合器部分和公共路径的波导为脊波导、条波导或者其混合形式。
7.根据权利要求1所述的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，其特征在于：所述的强限制性波导为硅，弱限制性波导为氮化硅，可实现温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器CMOS兼容。
8.根据权利要求1-7任一项所述的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器，其特征在于：所述的双层的温度不敏感且制备不敏感的MZI滤波器可以作为基本单元，n个基本单元多级级联以实现平顶的频谱响应，以及获得更小的串扰；多级级联之后的MZI仍可以作为基本单元，根据不同的自由传输范围(FSR)来设计相关的波导参数，再次级联之后来实现多波长的复用解复用。
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