CN113484949A - 一种超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构，其包括由入射波导、弯曲波导和直通波导依次相连构成的上边耦合波导，和位于中部的依次相连的左侧布拉格波导光栅、拉锥渐变型波导光栅、中心单模波导、反向拉锥渐变型波导光栅、右侧布拉格波导光栅相连构成的F‑P谐振腔，以及位于下部的由左侧下载出射波导、弯曲波导和右侧下载出射波导依次相连构成的下边耦合波导。过位于上下部的弯曲波导的最低点作中心单模波导的垂线，该垂线过单模波导的中点。所有的波导光栅的周期相等，且布拉格波导光栅的禁带带宽小于两倍的F‑P谐振腔的自由光谱范围，F‑P谐振腔的谐振波长靠近布拉格波导光栅的禁带的中部。本发明可实现全光谱单通道信号滤波。

Description

一种超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构
技术领域
本发明涉及光学滤波器领域，具体涉及一种超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构。
背景技术
在当今通讯网络和计算系统中，对高速率数据日益增长的需求推动了低成本、高速光学链路的发展。光互连中，各种先进的复用技术，如波分复用、偏振复用和模式复用已经相继被用来提高通光信容量。其中，在共享物理通道中使用不同波长的波分复用是近几十年来光互连中最流行的技术之一。这种基于波分复用技术的光子链路需要具有大量波长通道。因此，基于波分复用的光互连中可使用滤波操作，多个滤波器级联实现多个波长通道的复用。自由光谱范围越大意味着可以支持越多独立的波长通道且通道之间互不干扰。利用光路可逆原理，大自由光谱范围的滤波器可以实现输入光谱并行下载，从而可以实现宽谱信号分析。
另外一方面，集成光学滤波器是微型集成光谱仪和波长计是关键部件，有着广泛的应用，从健康医疗到环境监测，光谱学，生物和化学传感，天文学等。传统的光谱仪和波长计这样的仪器通常体积庞大，价格昂贵，而且带有可移动部件。这些物理方面的缺点使它们难以满足生物临床、航空航天等尖端技术领域现场检测和实时监控的需求。利用基于光子集成回路的结构可以显著降低光谱仪器的体积、重量和成本，极大地拓展了光谱仪的应用范围。采用大自由光谱范围的滤波器可以突破光谱仪分辨率和波长通道数互相制约的矛盾，有效增加集成光谱仪的光谱分辨率以及工作范围，同时实现高分辨率和大分辨范围的特性。
目前已有多种实现大自由光谱范围滤波器的方案。微环谐振器通过选取超小半径可以实现较大的自由光谱范围，同时有紧凑的体积，但是自由光谱范围难以突破100nm，限制了其应用。为了在微环谐振器中实现扩展的自由光谱范围，人们使用了游标效应或两点耦合的多串耦合微环，但是这种方案敏感于实际器件尺寸变化，工艺容差小，通常需要热调进行微环谐振峰对准。在单环上级联反向耦合器也能实现宽的自由光谱范围，但这种方案中为了获取较窄的禁带宽度，要求反向耦合器中布拉格波导光栅刻槽宽度极小，工艺难度大，不利于工业生产，而且这种方案仍需要布拉格波导光栅的主峰和微环谐振峰对准，工艺容差小。理想的集成滤波器应具有大的自由光谱范围、高的抑制比和大的工艺容差，以避免精确的波长对准。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构，该滤波器结构能在宽谱范围甚至全光谱范围内实现单通道信号滤波。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构，其包括入射波导、上传出射波导、上侧弯曲波导、左侧布拉格波导光栅、右侧布拉格波导光栅、拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅、单模波导、左侧下载出射波导、右侧下载出射波导、下侧弯曲波导，其中：
所述入射波导、上侧弯曲波导和上传出射波导依次相连，构成上侧边耦合波导；
所述左侧布拉格波导光栅、拉锥渐变型波导光栅、中心单模波导、反向拉锥渐变型波导光栅、右侧布拉格波导光栅依次相连，且所述左侧布拉格波导光栅与所述右侧布拉格波导光栅同轴；
所述左侧下载出射波导、下侧弯曲波导和右侧下载出射波导依次相连，构成下侧边耦合波导；
所述上侧弯曲波导和下侧弯曲波导的最低点的垂线均过所述单模波导的中点；
所述入射波导、上传出射波导、上侧弯曲波导、左侧布拉格波导光栅、右侧布拉格波导光栅、拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅、单模波导、左侧下载出射波导、右侧下载出射波导、下侧弯曲波导均为单模波导；
所述左侧布拉格波导光栅、拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅、右侧布拉格波导光栅均为周期性结构，且四者的周期相等；
所述左侧布拉格波导光栅与所述右侧布拉格波导光栅构成F-P谐振腔；
所述上侧弯曲波导、所述F-P谐振腔和下侧弯曲波导构成上传下载F-P谐振腔；
所述左侧布拉格波导光栅和右侧布拉格波导光栅的禁带带宽中的较大值为Δλsb，F-P谐振腔的自由光谱范围FSRFP，则两者满足如下关系：
Δλsb＜2FSRFP
且所述F-P谐振腔的谐振波长靠近所述的左侧布拉格波导光栅和右侧布拉格波导光栅的禁带的中部。
进一步地，该滤波器结构为左右对称结构，且Δλsb＜FSRFP。
进一步地，该滤波器结构还包括位于拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅之间的单模波导，所述上侧弯曲波导和下侧弯曲波导的最低点切线与所述单模波导平行且存在间隙，分别构成上侧边耦合波导结构和下侧边耦合波导结构。
进一步地，所述F-P腔的自由光谱范围FSRFP的计算公式如下：
Figure BDA0003143501760000031
Figure BDA0003143501760000032
其中，Lpd为所述左侧布拉格波导光栅和右侧布拉格波导光栅的穿透深度，Lt为拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅的长度，ng1表示单模波导的群折射率，ng2表示所述左侧布拉格波导光栅与右侧布拉格波导光栅的群折射率，ng3表示所述拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅的群折射率；neff，w和neff，n是左侧布拉格波导光栅、右侧布拉格波导光栅中周期性变化的有效折射率；λ为滤波器结构的工作波长。
进一步地，所述上侧弯曲波导和下侧弯曲波导均由位于两侧的弯曲波导和位于中间连接两段弯曲波导的一段直波导组成。
进一步地，在所述下侧弯曲波导中增加多模干涉仪，即所述下侧弯曲波导包括下侧弯曲波导一、下侧弯曲波导二、下侧弯曲波导三和多模干涉仪，所述下侧弯曲波导一和下侧弯曲波导二的一端分别与所述多模干涉仪的两个输出端口对接，所述下侧弯曲波导一和下侧弯曲波导二的另一端分别与左侧下载出射波导、右侧下载出射波导连接，所述下侧弯曲波导三的两端分别与所述多模干涉仪的两个输入端口对接，所述上侧弯曲波导、所述F-P谐振腔和下侧弯曲波导构成上传下载F-P谐振腔。
一种级联多通道滤波器阵列，该滤波器阵列由上述的单级的上传下载滤波器结构进行串联而成，且每个滤波器的波导光栅的周期不同；所述滤波器阵列还包括第一热电极，所述第一热电极位于每个单级的上传下载滤波器结构的波导光栅的正上方，且所述波导光栅和所述第一热电极通过折射率低于波导折射率的材料进行隔离。
进一步地，所述滤波器阵列还包括上传下载微环，所述上传下载微环包括上传直波导、上传弯曲波导、上传耦合波导、微环和下载耦合波导组成，所述上传直波导、上传弯曲波导、上传耦合波导依次连接，所述上传耦合波导与所述微环相互靠近，留有合适的耦合间距；所述下载耦合波导与微环相互靠近，留有合适的耦合间距；所述下载耦合波导与串联而成的级联多通道滤波器阵列的输入波导连接。
所述微环的正上方设置第二热电极，且所述微环与所述第二热电极之间也通过折射率低于波导折射率的材料进行隔离；
所述微环的自由光谱范围大于与之靠近的两个相邻滤波器的波长间隔。
本发明的有益效果如下：
本发明的超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构可以同时实现超大自由光谱范围操作、亚纳米光带宽和大工艺公差。所发明的滤波器结构能支持多个独立的波长通道且通道之间互不干扰。这在光通信领域，特别在光谱分析等方面有着极大的应用价值。当前的微光谱仪在分辨率、工作带宽和尺寸等方面存在短板，阻碍其商业化应用。基于本发明，可以构建窄带滤波型微光谱仪，使其具有超宽FSR，亚纳米光学带宽和高对比度的特性。以本发明为基本单元构成多通道滤波器来扩大采样范围，施加外部电压进行调谐，使谐振波长发生漂移，从而实现时间和空间双重采样的光谱分析。在物联网场景需求推动下，高分辨率、大工作带宽和高对比度微光谱仪在生物、医疗、油气、电力、军工、城建、食品安全和地质勘探等领域有着潜在的广泛应用，具有重大意义。
附图说明
图1为本发明的实施例一的超大自由光谱范围的上传下载滤波器结构的示意图；
图2为本发明的实施例一的超大自由光谱范围的上传下载滤波器的工作原理图；
图3为实施例一的上传下载滤波器在1410-1630nm波长范围内的透射率示意图；
图4为实施例一的上传下载滤波器在1410、1520、1630nm处的模拟电场分布示意图，其中，白色箭头表示注入光的方向。
图5为本发明的实施例三的超大自由光谱范围的上传下载滤波器结构的示意图；
图6为本发明的实施例四的超大自由光谱范围的上传下载滤波器结构的示意图；
图7为本发明的实施例六的超大自由光谱范围的上传下载滤波器结构的示意图；
图8为图7左侧布拉格波导光栅104的波导截面图；
图9为本发明的实施例七的超大自由光谱范围的上传下载滤波器结构的示意图；
图10为图9左侧布拉格波导光栅104的波导截面图；
图11为本发明的实施例八的超大自由光谱范围的上传下载滤波器结构的示意图；
图12为本发明的实施例九的超大自由光谱范围的上传下载滤波器结构的示意图；
图13为本发明的实施例十的级联多通道滤波器阵列的示意图；
图14为图13左侧布拉格波导光栅104的波导截面图；
图15为本发明的实施例十一的级联多通道滤波器阵列的示意图；
图16为本发明的实施例十二的微环辅助型级联多通道滤波器阵列的示意图；
实施例一～十二中，101为入射波导、102为上传出射波导、103为上侧弯曲波导、104为左侧布拉格波导光栅、105为右侧布拉格波导光栅、106为拉锥渐变型波导光栅、107为反向拉锥渐变型波导光栅、108为单模波导、109为左侧下载出射波导、110为右侧下载出射波导、111为下侧弯曲波导、112为多模干涉仪、201为波导芯层，202为波导包层，203为被刻蚀的波导包层、301为波导芯层、302为波导包层、303为纳米柱、下侧弯曲波导一111-1、下侧弯曲波导二111-2、下侧弯曲波导三111-3、4为第一热电极、6为上传下载微环、601为上传直波导、602为上传弯曲波导、603为上传耦合波导、604为微环、605为下载耦合波导、606为第二热电极。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的超大自由光谱范围的上传下载滤波器结构进行更详细的描述，其中示意图表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明的超大自由光谱范围的上传下载滤波器结构，包括入射波导101、上传出射波导102、上侧弯曲波导103、左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106、反向拉锥渐变型波导光栅107和单模波导108、左侧下载出射波导109、右侧下载出射波导110、下侧弯曲波导111；
入射波导101、上侧弯曲波导103和上传出射波导102依次相连，构成上侧边耦合波导；
左侧下载出射波导109、下侧弯曲波导111和右侧下载出射波导110依次相连，构成下侧边耦合波导；
左侧布拉格波导光栅104、拉锥渐变型波导光栅106、单模波导108、反向拉锥渐变型波导光栅107、右侧布拉格波导光栅105依次相连，且所述左侧布拉格波导光栅104与所述右侧布拉格波导光栅同轴；
左侧布拉格波导光栅104与右侧布拉格波导光栅105之间存在单模波导108，并构成F-P谐振腔；上侧弯曲波导103和下侧弯曲波导111的最低点切线均与单模波导108平行且存在间隙，分别构成上侧边耦合波导结构和下侧边耦合波导结构；单模波导108的长度可以为零。上侧弯曲波导103和下侧弯曲波导111的最低点到单模波导108的垂线均过单模波导108的中点；上侧弯曲波导103和下侧弯曲波导111与F-P谐振腔分别构成上传下载F-P谐振腔。
此外，入射波导101、上传出射波导102、上侧弯曲波导103、左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106、反向拉锥渐变型波导光栅107、单模波导108、左侧下载出射波导109、右侧下载出射波导110、下侧弯曲波导均为单模波导111均为单模波导，且左侧布拉格波导光栅104、拉锥渐变型波导光栅106、反向拉锥渐变型波导光栅107、右侧布拉格波导光栅105均为周期性结构，且四者的周期相等。
具体地，滤波器在使用时，激光注入到滤波器的入射波导101中，激光通过上侧弯曲波导103耦合到F-P谐振腔中。非谐振波长从F-P谐振腔耦合到上传出射波导102中，谐振波长耦合进入在F-P谐振腔中并增强，直到输入功率、外耦合功率、腔损耗功率达到动态平衡，光像是被腔体束缚住，光最后将耦合到入射波导101、上传出射波导102、左侧下载出射波导109和右侧下载出射波导110，从而实现特定波长光的滤波。通过在左侧布拉格光栅104和右侧布拉格光栅105之间引入拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107，降低左侧布拉格光栅104、右侧布拉格光栅105和单模波导108的模式失配，从而降低腔内损耗，抑制边带抖动和增加谐振腔的品质因子。单模波导108连接拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107。通过控制拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107的周期数和单模波导108的长度可以调控F-P谐振腔的自由光谱范围。如图2所示，选择拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107尽量少的周期数和单模波导108的长度(单模波导108的长度可以为零)，使得左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105的禁带带宽小于两倍的F-P谐振腔腔的自由光谱范围，便可以实现单纵模的激发，从而实现全光谱范围单个峰或者单个谷超大自由光谱范围的滤波器。其中，Δλsb表示布拉格波导光栅的禁带带宽，FSRFP为F-P腔的自由光谱范围则两者满足如下关系：
Δλsb＜2FSRFP；
且所述F-P谐振腔的谐振波长靠近所述的左侧布拉格波导光栅(104)和右侧布拉格波导光栅(105)的禁带的中部。
其中，FSRFP的计算公式如下：
Figure BDA0003143501760000071
Figure BDA0003143501760000072
其中，Lpd为所述左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105的穿透深度，Lt为拉锥渐变型波导光栅106、反向拉锥渐变型波导光栅107的长度，ng1表示单模波导108的群折射率，ng2表示所述左侧布拉格波导光栅104与右侧布拉格波导光栅105的群折射率，ng3表示所述拉锥渐变型波导光栅106、反向拉锥渐变型波导光栅107的群折射率；neff，w和neff，n是左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105中周期性变化的有效折射率；λ为滤波器结构的工作波长。
下面给出本发明的滤波器结构的多个实施例。
实施例一
基于220nm绝缘层上硅平台制备集成的超大自由光谱范围的上传下载滤波器，示意图如图1所示。入射波导101、上传出射波导102、左侧下载出射波导109、右侧下载出射波导110、上侧弯曲波导103、下侧弯曲波导111和单模波导108宽度为500nm，波导为脊波导，刻蚀深度(波导高度)为150nm，上下侧弯曲波导的弯曲半径为20μm。左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105由宽波导和窄波导周期性交替而成，宽波导宽度为500nm，窄波导为300nm，周期数为150，周期为317nm。拉锥渐变型波导光栅106由宽波导和窄波导周期性交替而成，宽波导宽度为500nm，宽度不变，窄波导宽度从300nm线性变宽至500nm，周期数为5，周期为317nm；反向拉锥渐变型波导光栅107由宽波导和窄波导周期性交替而成，宽波导宽度为500nm，宽度不变，窄波导宽度从500nm线性变为300nm，周期数为5，周期为317nm；单模波导108长度为零，弯曲波导103和单模波导108的间隙为250nm。
在本实施例中，滤波器在使用时，扫频连续激光注入到滤波器的入射波导101中，激光通过边耦合波导结构耦合到F-P谐振腔中。非谐振波长(除1520nm外)从F-P谐振腔耦合到上传出射波导102中，谐振波长1520nm在谐振腔中形成振荡，最终耦合到入射波导101、上传出射波导102、左侧下载出射波导109和右侧下载出射波导110中，在下载出射波导109和110中，得到了1520nm的激光，从而实现了对特定波长的滤光。
图3给出了实施例一的滤波器的光谱传输图，从图中可以看出，在220nm的超大波长范围内，只能看到在1520nm有一个深的凹陷，而在非共振波长处平坦的响应。图4展示了在工作波长为1410、1520和1630nm时整个结构的电场分布。对于禁带外波长为1410和1630nm的光，该滤波器被认为是传统的三波导耦合器。因此，光在F-P腔中不能增强，而是耦合到下载出射波导110，因此从下载出射波导109可以实现更低的串扰。对于1520nm的谐振波长，光耦合进入腔内，增强腔内的光强。
实施例二
实施例二与实施例一的不同之处仅在于将实施例一中的脊波导变成条波导。
实施例三
实施例三与实施例一的不同之处仅在于将实施例一弯曲波导103和101中加入一段直波导，如图5所示。
实施例四
实施例四与实施例一的不同之处仅在于将实施例一中的左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107由宽波导和窄波导交替的方案更改为波导内刻蚀小孔的方案。如图6所示，左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105均由普通单模波导和打孔的单模波导周期性交替形成；拉锥渐变型波导光栅106由单模波导和打孔的单模波导周期性交替而成，单模波导宽度不变，圆孔的半径逐渐变小；反向拉锥渐变型波导光栅107由单模波导和打孔的单模波导周期性交替而成，单模波导宽度不变，圆孔的半径逐渐变大。
实施例五
实施例五与实施例四的不同之处仅在于将实施例三中的左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107种的圆孔替换成非圆形孔，如矩形孔、方形孔、椭圆形孔等。
实施例六
实施例六与实施例一的不同之处仅在于将实施例一中的左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107由宽波导和窄波导交替的方案更改为刻蚀波导包层的方案。如图7所示，左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107均由普通单模波导和周期性刻蚀的包层组成。图8所示为图7左侧布拉格波导光栅104的波导截面图。201为波导芯层，202为波导包层，203为被刻蚀的波导包层。
实施例七
实施例七与实施例六的不同之处仅在于将实施例六的左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107由刻蚀波导包层的方案改为波导旁边刻蚀纳米柱。如图9所示，左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107均由普通单模波导和周期性刻蚀的纳米柱组成。图10所示为图9左侧布拉格波导光栅104的波导截面图。601为波导芯层，302为波导包层，303为纳米柱。纳米柱303可以是矩形柱、方形柱、圆柱、椭圆柱。
实施例八
实施例八与实施例一的不同之处仅在于将实施例一的左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107和单模波导108由普通波导改为狭缝波导，如图11所示。
实施例九
实施例九与实施例一的不同之处在于将实施例一的弯曲波导111的两个端口和实施例九中的多模干涉仪112的两个输入端口114对接，如图12所示。实施例九中的多模干涉仪112由一个多模波导113、两个输入端口114和两个输出端口115组成。输入端口114和输出端口115在多模波导113的两边，且输入输出端口对齐。即：下侧弯曲波导111包括下侧弯曲波导一111-1、下侧弯曲波导二111-2、下侧弯曲波导三111-3和多模干涉仪112，下侧弯曲波导一111-1和下侧弯曲波导二111-2的一端分别与多模干涉仪112的两个输出端口对接，下侧弯曲波导一111-1和下侧弯曲波导二111-2的另一端分别与左侧下载出射波导109、右侧下载出射波导110连接，下侧弯曲波导三111-3的两端分别与多模干涉仪112的两个输入端口114对接，上侧弯曲波导103、所述F-P谐振腔和下侧弯曲波导111构成上传下载F-P谐振腔。
实施例十
实施例十为实施例一的应用拓展，为级联多通道滤波器阵列，应用于光谱分析。实施例十由多个超大自由光谱范围的上传下载型滤波器组成。仅作为展示，图13只有四个滤波器级联的情况，四个滤波器设计与实施例一相同。左侧第一个滤波器在实施例一中的入射波导101与左侧第二个滤波器在实施例一中的出射波导102相连，然后左侧第二个滤波器在实施例一中的入射波导101与左侧第三个滤波器在实施例一中的出射波导102相连，依次类推。每个滤波器的区别在于实施例一中的左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107的周期不同。不同的光栅周期对应不同的谐振波长。所有滤波器在实施例一中的左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107的正上方有第一热电极4。波导301和第一热电极4之间通过低折射率材303(折射率低于波导的折射率)进行隔离，其截面图如图14所示。通过对第一热电极4施加电压可以产生大量焦耳热，从而改变波导的折射率，然后改变了滤波器的谐振波长。通过级联多个滤波器可以有效扩展该器件的光谱分析范围。
实施例十一
实施例十一与实施例十的不同之处仅在于将实施例十中的四个级联的滤波器替换成实施例九中的滤波器结构，如图15所示。
实施例十二
实施例十二与实施例十的不同之处仅在于输入前有一个上传下载微环6，如图16所示。实施例十二中的上传下载微环6由上传直波导601、上传弯曲波导602、上传耦合波导603、微环604和下载耦合波导605组成。上传耦合波导603与微环604相互靠近，留有合适的耦合间距。下载耦合波导605与微环604相互靠近，留有合适的耦合间距。微环604正上方有第二热电极606，且两者在高度方向上通过合适厚度的低折射率材料(折射率小于波导折射率)进行隔离。实施例十二中的下载耦合波导605与实施例十第一个滤波器的输入波导连接。通过对第二热电极606和第一热电极4施加电压可以产生大量焦耳热，从而改变波导的折射率，进而改变了滤波器和微环的谐振波长。通过调谐微环和滤波器谐振波长。通过独立调控微环和滤波器的谐振波长，可以实现光谱的扫描，微环604的自由光谱范围需要大于相邻两个滤波器(如左侧第一个滤波器和左侧第二个滤波器)的波长间隔。引入微环的目的是可以有效的增加光谱分析的分辨率和信噪比。
此外，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，采用基于其他光学材料制备的集成光学平台，如绝缘层上硅平台、无机硫系玻璃平台、氧化钛平台、氮化硅平台、绝缘层上铌酸锂平台和三五族磷化铟平台等；采用不同的光学工作波段，比如紫外波段、可见光波段、近红外波导、中红外波导和远红外波段等。
综上，在本实施例中，提出的超大自由光谱范围的上传下载滤波器结构，本发明将波导耦合器、布拉格波导光栅与F-P谐振腔结合，利用布拉格光栅的有限禁带带宽以及F-P谐振腔的大自由光谱范围的特点，控制F-P谐振腔的腔长使得布拉格波导光栅的禁带带宽小于两倍的F-P谐振腔腔的自由光谱范围，便可以实现单纵模的激发，从而实现全光谱范围单个峰或者单个谷超大自由光谱范围的滤波器。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构，其特征在于，其包括入射波导(101)、上传出射波导(102)、上侧弯曲波导(103)、左侧布拉格波导光栅(104)、右侧布拉格波导光栅(105)、拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)、单模波导(108)、左侧下载出射波导(109)、右侧下载出射波导(110)、下侧弯曲波导(111)，其中：
所述入射波导(101)、上侧弯曲波导(103)和上传出射波导(102)依次相连，构成上侧边耦合波导；
所述左侧布拉格波导光栅(104)、拉锥渐变型波导光栅(106)、中心单模波导(108)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)、右侧布拉格波导光栅(105)依次相连，且所述左侧布拉格波导光栅(104)与所述右侧布拉格波导光栅同轴；
所述左侧下载出射波导(109)、下侧弯曲波导(111)和右侧下载出射波导(110)依次相连，构成下侧边耦合波导；
所述上侧弯曲波导(103)和下侧弯曲波导(111)的最低点的垂线均过所述单模波导(108)的中点；
所述入射波导(101)、上传出射波导(102)、上侧弯曲波导(103)、左侧布拉格波导光栅(104)、右侧布拉格波导光栅(105)、拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)、单模波导(108)、左侧下载出射波导(109)、右侧下载出射波导(110)、下侧弯曲波导(111)均为单模波导；
所述左侧布拉格波导光栅(104)、拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)、右侧布拉格波导光栅(105)均为周期性结构，且四者的周期相等；
所述左侧布拉格波导光栅(104)与所述右侧布拉格波导光栅(105)构成F-P谐振腔；
所述上侧弯曲波导(103)、所述F-P谐振腔和下侧弯曲波导(111)构成上传下载F-P谐振腔。
所述左侧布拉格波导光栅(104)和右侧布拉格波导光栅(105)的禁带带宽中的较大值为Δλsb，F-P谐振腔的自由光谱范围FSRFP，则两者满足如下关系：
Δλsb＜2FSRFP
且所述F-P谐振腔的谐振波长靠近所述的左侧布拉格波导光栅(104)和右侧布拉格波导光栅(105)的禁带的中部。
2.根据权利要求1所述的超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构，其特征在于，该滤波器结构为左右对称结构，且Δλsb＜FSRFP。
3.根据权利要求1或2所述的超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构，其特征在于，该滤波器结构还包括位于拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)之间的单模波导(108)，所述上侧弯曲波导(103)和下侧弯曲波导(111)的最低点切线与所述单模波导(108)平行且存在间隙，分别构成上侧边耦合波导结构和下侧边耦合波导结构。
4.根据权利要求3所述的超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构，其特征在于，所述F-P腔的自由光谱范围FSRFP的计算公式如下：
Figure FDA0003143501750000021
Figure FDA0003143501750000022
其中，Lpd为所述左侧布拉格波导光栅(104)和右侧布拉格波导光栅(105)的穿透深度，Lt为拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)的长度，ng1表示单模波导(108)的群折射率，ng2表示所述左侧布拉格波导光栅(104)与右侧布拉格波导光栅(105)的群折射率，ng3表示所述拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)的群折射率；neff，w和neff，n是左侧布拉格波导光栅(104)、右侧布拉格波导光栅(105)中周期性变化的有效折射率；λ为滤波器结构的工作波长。
5.根据权利要求1所述的超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构，其特征在于，所述上侧弯曲波导(103)和下侧弯曲波导(111)均由位于两侧的弯曲波导和位于中间连接两段弯曲波导的一段直波导组成。
6.根据权利要求1所述的超大自由光谱范围的集成光学上传下载滤波器结构，其特征在于，在所述下侧弯曲波导(111)中增加多模干涉仪(112)，即所述下侧弯曲波导(111)包括下侧弯曲波导一(111-1)、下侧弯曲波导二(111-2)、下侧弯曲波导三(111-3)和多模干涉仪(112)，所述下侧弯曲波导一(111-1)和下侧弯曲波导二(111-2)的一端分别与所述多模干涉仪(112)的两个输出端口(115)对接，所述下侧弯曲波导一(111-1)和下侧弯曲波导二(111-2)的另一端分别与左侧下载出射波导(109)、右侧下载出射波导(110)连接，所述下侧弯曲波导三(111-3)的两端分别与所述多模干涉仪(112)的两个输入端口对接，所述上侧弯曲波导(103)、所述F-P谐振腔和下侧弯曲波导(111)构成上传下载F-P谐振腔。
7.一种级联多通道滤波器阵列，其特征在于，该滤波器阵列由权利要求1～6的任意一项的单级的上传下载滤波器结构进行串联而成，且每个滤波器的波导光栅(104、105、106、107)的周期不同；所述滤波器阵列还包括第一热电极(4)，所述第一热电极(4)位于每个单级的上传下载滤波器结构的波导光栅(104、105、106、107)的正上方，且所述波导光栅(104、105、106、107)和所述第一热电极(4)通过折射率低于波导折射率的材料进行隔离。
8.根据权利要求7所述的级联多通道滤波器阵列，其特征在于，所述滤波器阵列还包括上传下载微环(6)，所述上传下载微环(6)包括上传直波导(601)、上传弯曲波导(602)、上传耦合波导(603)、微环(604)和下载耦合波导(605)组成，所述上传直波导(601)、上传弯曲波导(602)、上传耦合波导(603)依次连接，所述上传耦合波导(603)与所述微环(604)相互靠近，留有合适的耦合间距；所述下载耦合波导(605)与微环(604)相互靠近，留有合适的耦合间距；所述下载耦合波导(605)与串联而成的级联多通道滤波器阵列的输入波导连接。
所述微环(604)的正上方设置第二热电极(606)，且所述微环(604)与所述第二热电极(606)之间也通过折射率低于波导折射率的材料进行隔离；
所述微环(604)的自由光谱范围大于与之靠近的两个相邻滤波器的波长间隔。
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