CN113267908B - 基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器，该滤波器选用金刚石作为波导芯层材料，采用DOI波导结构，并采用热光效应实现谐振波长调制，建立滤波器的数学模型并进行仿真验证，模拟了微环耦合系数、损耗系数、微环半径对输出光谱的影响曲线。能够较为明显提高滤波器整体滤波效果，能降低吸收损耗，提高器件热性能，提升整体滤波效果，本发明还采用级联双微环与U型波导结合的方式，降低因环境因素带来的影响，提高器件消光比，进而提升整体滤波效果。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别涉及一种基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器。
背景技术
基于微环谐振腔滤波器具有选择性好，损耗低，结构紧凑，可集成度高等优点，但现行基于微环谐振腔滤波器整体滤波效果稍有欠缺，如何改善其滤波效果，提高各方面的性能表现使其成为众多滤波器类型中的研究热点。
基于微环谐振腔滤波器的滤波效果主要由微环谐振腔决定，一方面，基于单微环谐振腔滤波器具有良好的波长选择性，但容易受外界环境因素的影响，且具有洛伦兹响应时其消光比较难提高，非谐振光串扰增强，使滤波器滤波效果整体受到限制。因此可以通过级联微环的方式来改善，级联微环可以实现箱形光谱响应，同时降低非谐振光串扰，提升滤波效果。但由于微环谐振腔数量增多，器件整体尺寸增加的同时插入损耗也会增加，并引入伪模。为此可以通过添加波导以及改善微环谐振器形状的方式改善滤波效果，例如跑道型微环谐振器，添加U型波导等，该方式灵活性较高，可以实现高性能滤波效果。另一方面，为了实现对滤波器工作波长的控制，可以通过声光效应、热光效应以及等离子色散等原理来实现调节。热光效应调节速度相对较慢，但其易于实现并且损耗相对较低；电光调制速度较快，但相应器件损耗较大并且制作工艺上有一定难度。近年来，引进新材料作为波导材料并利用新材料的材料特性来提高微环性能的研究受到广泛关注，其中包括有机聚合物、Ⅲ-Ⅴ族半导体、金刚石等。传统的硅基材料传输性能优异，应用广泛，但由于硅基材料在低波长段内会产生较高的非线性损耗以及其自身本征激发温度有限，这使硅基微环在一些应用范围内滤波效果受限。有机聚合物和硅基材料相比具有较大的热膨胀系数，但其在恶劣环境容易受到影响，进而导致稳定性变差。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料具有很高的电子移动速度，但是由于其目前的市场价格较高，在大范围的生产制造领域发展受到限制。而金刚石作为波导材料时具有低吸收损耗以及良好的热性能，可以在跨越宽波长范围内实现良好的滤波效果。
发明内容
本发明克服了一些技术中的不足，提供一种基于金刚石级联双微环的可调谐滤波器，通过选择合适的级联方式以及采用光学性能良好的波导材料，提升滤波器整体的滤波效果。
为了实现更好的滤波效果，本发明通过以下技术方案实现的：一种基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器，所述滤波器采用左右对称结构，左右两侧各包括一个上下话路型微环谐振器、与上下话路型微环谐振器相连的U型波导，左右两侧的U型波导通过一段直波导相连；所述U型波导采用DOI结构，在Si基底上依次生长SiO2层和金刚石Diamond层，利用电子束光刻技术在金刚石Diamond层刻蚀微环滤波器和用于完成热调制的铬金属环，最后再采用等离子体增强化学气相沉积法在DOI结构表面上沉积2μm～3μm厚的SiO2层，用以提高谐振器性能表现；
采用传输矩阵法建立该滤波器的数学模型，以单个微环所在的U型波导连接上下话路型滤波器为一个单位建立整体的传递函数，首先分别建立第一微环所在部分和第二微环所在部分的传递函数，再建立整体的传递函数；
第一微环所在部分滤波器的传递函数T1为：
其中，
第一微环内的衰减因子
光波绕环内半周的相位改变θ1＝πR1β、ɑ1表示对应损耗系数、传播常数
R1为第一微环半径，neff为有效折射率，λ为输出波长，
U型波导所对应的衰减因子
光波经过整个U型波导后的相位改变值θ11＝πR11β、ɑ11表示对应损耗系数，
波导从输入、输出口到耦合区对应直波导内的衰减因子
光波经过对应直波导后的相位变化值θ01＝L01β，ɑ0表示直波导的损耗系数，k1为第一微环中的振幅耦合系数、t1为第一微环中的振幅透过系数；R11为第一微环区域中U型波导的弯曲部分对应半径，L01对应从输入端口到第一个耦合区的直波导长度；
第二微环所在部分滤波器的传递函数T2为：
其中，
第二微环内的衰减因子
光波绕环内半周的相位改变θ2＝πR2β、ɑ2表示对应损耗系数、R2为第二微环半径，
U型波导所对应的衰减因子
光波经过整个U型波导后的相位改变值θ21＝πR21β、ɑ21表示对应损耗系数，
波导从输入、输出口到耦合区对应直波导内的衰减因子
光波经过对应直波导后的相位变化值θ02＝L02β，R21为第二微环区域中U型波导的弯曲部分对应半径，L02对应从输入端口到第一个耦合区的直波导长度；k2为第二微环中的振幅耦合系数、t2为第二微环中的振幅透过系数；
则该滤波器整体结构的传递函数为T0＝T2·M0·T1,其中
α0为连接波导区域的衰减因子，θ0为连接波导区域的相位变化值。
优选地，所述滤波器通过金属环加热完成谐振波长的调制；所述滤波器采用对称耦合的形式，各耦合区耦合系数一致，耦合系数均为0.08。
优选地，所述上下话路型滤波器中微环半径均为6μm，以获得较大的自由频谱宽度进而提升器件整体滤波效果，同时避免更大的弯曲损耗。
优选地，所述直波导和U型波导的损耗系数相同，损耗值为3dB/cm。
优选地，所述金刚石Diamond层作为波导芯层材料，其厚度为450nm且宽度为900nm，基底层SiO2的厚度为2μm且Si的厚度为10μm。
优选地，所述上下话路型滤波器的中上直波导的长度L1以及下直波导的长度L2均为24μm，直波导与U型波导的间隙d为475nm。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明系设计一种基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器，能够提高器件整体的滤波效果；
(2)采用金刚石材料作为波导材料，利用金刚石良好的低吸收损耗和热性能，能够降低损耗并实现较大的调制范围，同时跨越较大波长范围实现较高滤波效果；
(3)结合了U型波导与级联微环的优势，降低外界环境因素的影响，提高消光比，提升滤波器整体滤波效果。
附图说明
图1为基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器示意图；
图2为波导结构示意图；
图3为金属环加热结构示意图；
图4为滤波器工作原理示意图；
图5(a)为光波耦合进微环场分布图、图5(b)为光波未耦合进微环场分布图；
图6为无损条件下耦合系数对输出光谱的影响；
图7为损耗系数对输出光谱的影响；
图8为微环半径对输出光谱的影响；
图9(a)为对称模式下的场强分布、图9(b)为非对称模式下的场强分布；
图10为谐振波长1.6895μm处对应的微环的场强分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明为一种基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器，其结构示意图如图1所示，该滤波器为左右对称结构，每一部分均由一个上下话路型滤波器连接一个U型波导组成，再由一段L3＝10μm的直波导将两部分连接起来，构成滤波器整体。上下双直波导的长度均为L1＝L2＝24μm，直波导与U型波导的间隙d均为475nm。
滤波器的波导结构示意图如图2所示，该结构为条形波导类型，选用金刚石作为波导芯层，其厚度h为450nm，宽度w为900nm，基底层SiO2和Si的厚度h_SiO2、h_Si分别为2μm、10μm。考虑到实际生产时的生产工艺和工艺限制，为了提高微环谐振器的性能表现，需要在原DOI结构上覆盖沉积厚度为3μm的SiO2层。
本文利用热光效应完成谐振波长的调制，具体实现途径采用金属环加热的方式，加上金属环后该滤波器的结构示意图如图3所示，图中紧贴微环的圆环H就是加热用的金属环。
微环滤波器材料结构是在Si基底上依次生长SiO2层、Diamond层和SiO2层，利用电子束光刻技术在Diamond层刻蚀微环滤波器，并刻蚀用于完成热调制的铬金属环，最后采用等离子体增强化学气相沉积法在结构上面沉积3μm厚的SiO2层。本发明中的Diamond层制备是采用最近的集成SCD器件的方法，将20-30mm厚的Ib型高压高温SCD板在沸腾酸中清洗，沸腾酸为硝酸、硫酸和高氯酸的等比例混合溶液，然后通过在电感耦合的等离子体反应性离子蚀刻室中循环通过Ar/Cl2、氧蚀刻和Ar冷却步骤将其细化到所需波导芯层厚度，金刚石薄膜两侧都清洗和蚀刻，以消除抛光过程中受应力/应变影响的层。最后进行酸清洗后，将样品转移至2μm厚的Si/SiO2基底上。之后进行滤波器的设计，利用负抗蚀剂FOX-12DowCorning定义蚀刻滤波器，然后用电子束光刻法蚀刻金属环。去掉抗蚀剂，在形成的滤波器上采用等离子体增强化学气相沉积法沉积3μm厚的SiO2层并抛光端面。
本文所设计滤波器的工作原理如图4所示。光波从输入口进入，在耦合区Ⅰ发生耦合，耦合进第一微环部分光波在满足谐振条件情况下在环内发生谐振效应，未耦合进微环的剩余光波继续沿着波导向前传播，在耦合区Ⅱ与从第一微环耦合出的部分光波一起继续向先传播，进入第二微环部分相应的滤波器重复之前的传播步骤，最终光波从输出口输出。图5(a)是光波均耦合进两个微环内并发生谐振效应的场分布示意图，图5(b)是光波未耦合进微环内或很少光波耦合进微环，绝大部分光波沿着波导直接传输至输出口的场分布示意图。
采用传输矩阵法建立该滤波器的数学模型，以单个微环所在的U型波导连接上下话路型滤波器为一个单位建立整体的传递函数，第一微环所在部分滤波器的传递函数T1为：
其中，
第一微环内的衰减因子
光波绕环内半周的相位改变θ1＝πR1β、ɑ1表示对应损耗系数、传播常数
R1为第一微环半径，neff为有效折射率，λ为输出波长，
U型波导所对应的衰减因子
光波经过整个U型波导后的相位改变值θ11＝πR11β、ɑ11表示对应损耗系数，
波导从输入、输出口到耦合区对应直波导内的衰减因子
光波经过对应直波导后的相位变化值θ01＝L01β，ɑ0表示直波导的损耗系数，k1为第一微环中的振幅耦合系数、t1为第一微环中的振幅透过系数；R11为第一微环区域中U型波导的弯曲部分对应半径，L01对应从输入端口到第一个耦合区的直波导长度；
第二微环所在部分滤波器的传递函数T2为：
其中，
第二微环内的衰减因子
光波绕环内半周的相位改变θ2＝πR2β、ɑ2表示对应损耗系数、R2为第二微环半径，
U型波导所对应的衰减因子
光波经过整个U型波导后的相位改变值θ21＝πR21β、ɑ21表示对应损耗系数，
波导从输入、输出口到耦合区对应直波导内的衰减因子
光波经过对应直波导后的相位变化值θ02＝L02β，R21为第二微环区域中U型波导的弯曲部分对应半径，L02对应从输入端口到第一个耦合区的直波导长度；k2为第二微环中的振幅耦合系数、t2为第二微环中的振幅透过系数；
则该滤波器整体结构的传递函数为T0＝T2·M0·T1,其中
α0为连接波导区域的衰减因子，θ0为连接波导区域的相位变化值。
本发明的整体滤波效果主要靠一些性能参数衡量，这些性能参数也影响到滤波器设计。本发明选用的特性参数为自由频谱宽度
消光比
品质因子
其中自由频谱宽度是指相邻两谐振峰之间的波长间距，本发明中波导色散很弱，即有效折射率基本不随波长变化，当输入波长一定时，自由频谱宽度就与微环周长呈反比关系，本发明合理设计微环谐振腔半径，以达到较高的自由频谱宽度。消光比用来衡量输出光谱中谐振峰的深度或高度，取决于归一化光强，同时光强又取决于滤波器整体结构参数，即微环半径、耦合区微环与直波导之间的间距以及耦合系数等均会对消光比产生影响，本发明综合考虑以上的影响因素，设计合理的结构参数，提升滤波器整体滤波效果。品质因子用来衡量谐振腔存储能量的能力，是存储能量与耗散能量的比值，品质因子主要取决于滤波器的插入损耗，损耗系数可以通过设计减少不必要的损耗，同时也要考虑器件实际制备工艺的影响。
根据公式(1)与(2)，利用MATLAB软件对本文提出的滤波器进行参数设计，分析耦合系数、损耗系数、微环半径等因素对输出光谱的影响，获得优选值。
耦合系数：
设定图4中两个微环半径的初始值为R1＝R2＝10μm，各耦合区微环与直波导的间距为gap1＝gap2＝0.475μm，整体滤波器损耗为0，由于该滤波器采用对称耦合的形式，所以各耦合区耦合系数一致，为k1＝k2＝k，将上述参数代入该滤波器传递函数表达式，运行结果如图6所示。
从运行结果可以看出，无损条件下，随着K值的增加，滤波器输出响应中的谐振峰高度持续降低，同时各谐振峰对应通道带宽稍有增强，非谐振信号与谐振信号之间的差值减弱，即串扰增强，因此设计滤波器时应使K值尽可能的小，本文选定的K值为0.08。
损耗值：
利用上述结果，确定滤波器耦合系数为k1＝k2＝0.08，并进一步研究有损情况下该滤波器的输出表现。从图4中可以看出，该滤波器损耗系数分为直波导部分和U型波导部分，考虑到该波导传输的TE偏振基模以及金刚石材料的折射率差很高，即使U型波导半径很小，其传输损耗也依然非常小，几乎可以忽略不计[18，19]，所以本文将直波导和U型波导的损耗系数设为一致，不影响整体结果的同时也简化了计算。其余部分的设定值不变，运行结果如图7所示。
从图7中可以看出，加入损耗系数后，该滤波器的输出光谱表现出陷波滤波的性质，为带阻滤波器，即输出响应几乎为0的部分低损耗通过，高损耗阻止谐振峰波段，达到滤波的效果。随着损耗的增加，谐振峰的深度也在增加，即谐振波长与非谐振波长之间的隔离度增强，考虑到本文的目标滤波特性以及实际生产制造的情况，本文选定的损耗值为3dB/cm。
微环半径：
由于本文设计的滤波器为对称形式，所以两部分微环的半径一致，结合前面确定的耦合系数与损耗系数，将各部分参数代入数学模型，得到运行结果如图8所示。
从图中可以看出，在谐振波长1.6895μm处，随着半径的增加，谐振峰的深度随之减小，同时谐振中心波长向左微移，滤波效果减弱，当微环半径为6μm时达到最大谐振峰深度，但微环半径的减小也会增大弯曲损耗，结合以上结果选定滤波器的微环半径为6μm。
将耦合系数为k1＝k2＝0.08、微环半径R1＝R2＝6μm、耦合系数k1＝k2＝0.08代入COMSOL中建立仿真模型，并得到相应仿真结果。图9表示的是该滤波器耦合区纵切切面的场强分布，图9(a)表示的是对称模式下的场强分布，图9(b)表示的是非对称模式下的场强分布。
图10表示的是谐振波长1.6895μm处对应的微环的场强分布图。从图中可以看出，光波从输入口进入后几乎很少或没有光波耦合进微环，并且光波在沿着波导向前的传播的过程中场强逐渐减弱，在接近输出口附近减弱至几乎为0，该结果与数值模型分析结果相同，达到特定波长过滤效果。
该滤波器在耦合系数k＝0.08，损耗值3dB/cm，R＝6μm时具有良好的滤波效果，其中FSR为30.8nm，ER为44.65dB，对应3dB带宽为0.08nm，同时计算出该滤波器的品质因子Q为2.2×104，调制范围达到0.5nm。可以看出，该滤波器具有很大的FSR，超过一般滤波器FSR值很多，更大的FSR具有更好的波长选择性，同时高达44.65dB的消光比可以减小串扰，增强隔离度，较高的品质因子和较大的调制范围都说明该滤波器具有优秀的滤波特性。
本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有而各种更改和变化。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。因注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
Claims (6)
1.一种基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器，其特征在于：
所述双微环包括第一微环和第二微环，第一微环和第二微环为上下话路型微环谐振器，滤波器采用左右对称结构，左右两侧各包括一个与上下话路型微环谐振器相连的U型波导，左右两侧的U型波导通过一段直波导相连；
所述滤波器采用DOI结构，微环滤波器材料结构是在Si基底上依次生长SiO2层、金刚石层和SiO2层，利用电子束光刻技术在金刚石层刻蚀微环滤波器和用于完成热调制的铬金属环，最后再采用等离子体增强化学气相沉积法在DOI结构表面上沉积2μm～3μm厚的SiO2层，以提高谐振器性能；
采用传输矩阵法建立该滤波器的数学模型，以单个微环所在的U型波导连接上下话路型滤波器为部分建立其传递函数，首先分别建立第一微环所在部分和第二微环所在部分的传递函数，再建立整体结构的传递函数；
第一微环所在部分的传递函数T1为：
其中，
第一微环内的衰减因子
光波绕环内半周的相位改变θ1＝πR1β、ɑ1表示对应损耗系数、传播常数
R1为第一微环半径，neff为有效折射率，λ为输出波长，
U型波导所对应的衰减因子
光波经过整个U型波导后的相位改变值θ11＝πR11β、ɑ11表示对应损耗系数，
波导从输入、输出口到耦合区对应直波导内的衰减因子
光波经过对应直波导后的相位变化值θ01＝L01β，ɑ0表示直波导的损耗系数，k1为第一微环中的振幅耦合系数、t1为第一微环中的振幅透过系数；R11为第一微环区域中U型波导的弯曲部分对应半径，L01对应从输入端口到第一个耦合区的直波导长度；
第二微环所在部分的传递函数T2为：
其中，
第二微环内的衰减因子
光波绕环内半周的相位改变θ2＝πR2β、ɑ2表示对应损耗系数、R2为第二微环半径，
U型波导所对应的衰减因子
光波经过整个U型波导后的相位改变值θ21＝πR21β、ɑ21表示对应损耗系数，
波导从输入、输出口到耦合区对应直波导内的衰减因子
光波经过对应直波导后的相位变化值θ02＝L02β，R21为第二微环区域中U型波导的弯曲部分对应半径，L02对应从输入端口到第一个耦合区的直波导长度；k2为第二微环中的振幅耦合系数、t2为第二微环中的振幅透过系数；
则该滤波器整体结构的传递函数为T0＝T2·M0·T1,其中
α0为连接波导区域的衰减因子，θ0为连接波导区域的相位变化值。
2.根据权利要求1所述的基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器，其特征在于：所述滤波器通过金属环加热完成谐振波长的调制；所述滤波器采用对称耦合的形式，第一微环中的振幅耦合系数k1和第二微环中的振幅耦合系数k2均为0.08。
3.根据权利要求1所述的基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器，其特征在于：所述滤波器中第一微环半径R1和第二微环半径R2均为6μm。
4.根据权利要求1所述的基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器，其特征在于：所述直波导的损耗系数ɑ0、与第一微环相连的U型波导的损耗系数ɑ11和与第二微环相连的U型波导的损耗系数ɑ21相同，损耗系数为3dB/cm。
5.根据权利要求1所述的基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器，其特征在于：所述金刚石层作为波导芯层，其厚度为450nm且宽度为900nm，Si基底的厚度为10μm，Si基底与金刚石层之间的SiO2层厚度为2μm。
6.根据权利要求1所述的基于金刚石波导的级联双微环谐振腔滤波器，其特征在于：左侧U型波导中弯曲部分两侧的直波导的长度L1以及右侧U型波导中弯曲部分两侧的直波导的长度L2均为24μm，微环与U型波导中弯曲部分两侧的直波导之间的间隙d为475nm。
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