CN113866878A - 基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器及其调控方法 - Google Patents

基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器及其调控方法 Download PDF

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CN113866878A CN202111076226.6A CN202111076226A CN113866878A CN 113866878 A CN113866878 A CN 113866878A CN 202111076226 A CN202111076226 A CN 202111076226A CN 113866878 A CN113866878 A CN 113866878A
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郑分刚
王锐
袁伟
张桂菊
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Abstract

本发明涉及一种基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器及其调控方法，该滤波器包括衬底、波导、相变布拉格光栅和光栅覆盖层，衬底上设置波导，波导上设置相变布拉格光栅，相变布拉格光栅上设置光栅覆盖层，其中相变布拉格光栅采用相变材料GSST。本发明相变布拉格光栅采用相变材料GSST，利用相变材料GSST的光学特性，在不改变器件结构的情况下具有通带和阻带两种光通特性，而且可以通过调节滤波器的各个参数以改变相变布拉格光栅的折射率分布，从而实现滤波通道数目的调节以及透射率带宽的可调谐，使其能够广泛应用于光通信领域。

Description

基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器及其调控方法
技术领域
本发明涉及光通信与集成光学技术领域，尤其是指一种基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器及其调控方法。
背景技术
光学相变材料近年来在集成光学领域内引发了很高的重视。在发生相变时，材料的折射率与消光系数有很大差异，光在此类介质材料中的表现出差异十分巨大的传播特性。近十几年来在光学成像、片上集成光学器件和辐射光开关等方面被广泛研究。尤其是在绝缘体上硅领域。在2013年，M.Rudé等人使用硫系相变材料Ge2Sb2Te5(GST)实现了在1.55μm处的基于跑道型谐振器光开关，由于GST在通讯C波段处的大折射率对比度，光开关的消光比高达12dB，此外开关响应速度在纳秒级并且具有非易失性特点(参见文献：M.Rudé,etal.,Optical switching at 1.55μm in silicon racetrack resonators using phasechange materials,103(2013)141119.)。最近GST也得到了进一步的改进，2019年，Y.Zhang等人将Se元素替代一部分Te，得到了性能更优的相变材料。相比于GST，实现了更宽的透明带1-18.5μm(参见文献：Y.Zhang,et al.,Broadbandtransparentoptical phase changematerials for high-performance nonvolatile photonics,Nat Commun,10(2019)4279.)。同年，F.De Leonardis等人使用新型的硫族相变材料Ge2Sb2Se4Te1(GSST)，对非易失的片上紧凑电光型光开关进行了仿真建模与分析，得到了具有58-72nm大带宽和低至0.3dB插入损耗的效果(参见文献：F.De Leonardis,et al.,Broadband Electro-OpticalCrossbar Switches UsingLow-Loss Ge2Sb2Se4Te1 PhaseChangeMaterial,Journal ofLightwave Technology,37(2019)3183-3191.)。
滤波器有扩充通信容量的能力，在集成光学系统中可以起到波分复用的功能，是十分重要的器件。光滤波器早已被大量研究，例如多模干涉滤波器、光栅滤波器以及基于马赫增德尔原理或者微环谐振器原理的滤波器等。传统的可调谐滤波方式例如声光可调谐滤光法，虽然调谐速度快，滤波隔离度却很低；光纤布拉格光栅滤波的调谐范围很小，对温度变化敏感，易受环境影响，长期稳定性较差，法布里-珀罗干涉仪的传输峰值过大，可能对有效载荷信号产生不利影响并且它的相邻信道隔离度也很低，只能用于信道监测，不能从多个波长中增加或减少一个信号波长。在集成光学领域，近年来也出现了利用模分、波分复用技术提高信道的滤波结构设计，但是要实现动态滤波功能仍需额外添加模转换器与其他光热调制模块，使得结构更为复杂。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器及其调控方法，在不改变器件结构的情况下具有通带和阻带两种光通特性，而且可以通过调节滤波器的各个参数以改变相变布拉格光栅的折射率分布，从而实现滤波通道数目的调节以及透射率带宽的可调谐，使其能够广泛应用于光通信领域。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器，包括衬底、波导、相变布拉格光栅和光栅覆盖层，所述衬底上设置所述波导，所述波导上设置所述相变布拉格光栅，所述相变布拉格光栅上设置所述光栅覆盖层，其中所述相变布拉格光栅采用相变材料GSST。
在本发明的一个实施例中，所述波导的宽度为810nm～900nm，其宽/厚比为2.5～2.8。
在本发明的一个实施例中，所述相变布拉格光栅的占空比为0.15～0.19，其周期数目为30～100，其厚度为80nm～170nm、其周期为332nm～355nm，所述光栅覆盖层的厚度为1～9nm。
在本发明的一个实施例中，所述光栅覆盖层完全覆盖住所述相变布拉格光栅。
在本发明的一个实施例中，所述光栅覆盖层仅覆盖住所述相变布拉格光栅的顶部。
在本发明的一个实施例中，当所述波导的入射光为准TE0模的条件下，在光波长为1550nm时，其有效折射率为2.92～2.95。
此外，本发明还提供一种如上述所述的基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的调控方法，包括：当所述波导的入射光为准TE0模的条件下，通过调节所述相变布拉格光栅的周期数目，以使相变材料GSST处于非晶态情况下实现光透射率极小值在0.03～0.13范围内可调节的阻带，以及使相变材料GSST处于晶态情况下实现光透射率极大值在0.55～0.7范围内可调节的通带。
在本发明的一个实施例中，包括：当所述波导的入射光为准TE0模的条件下，通过调节所述相变布拉格光栅的周期，其调节范围在332nm～355nm内，以使相变材料GSST在非晶态与晶态时实现阻带与通带均可在1530～1565nm的波段内任意可调。
在本发明的一个实施例中，包括：当所述波导的入射光为准TE0模的条件下，通过调节所述相变布拉格光栅的厚度及占空比，以使相变材料GSST在非晶态与晶态时实现阻带与通带的带宽可调。
在本发明的一个实施例中，包括：当所述波导的入射光为准TE0模的条件下，通过改变所述相变布拉格光栅的数目及相邻相变布拉格光栅的间距，实现通道数目的可调谐。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明相变布拉格光栅采用相变材料GSST，利用相变材料GSST的光学特性，在不改变器件结构的情况下具有通带和阻带两种光通特性，而且可以通过调节滤波器的各个参数以改变相变布拉格光栅的折射率分布，从而实现滤波通道数目的调节以及透射率带宽的可调谐，使其能够广泛应用于光通信领域。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的结构示意图。
图2是本发明基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器结构的xoz面侧视示意图。
图3是本发明基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器结构的xoy面正视示意图。
图4是本发明基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的结构示意图。
图5是本发明中以脉冲激光沉积法所制备的光学相变材料GSST的复折射率曲线图。
图6是在实施例1参数设置下波导内的准TE0模通过本发明可调谐光滤波器的透射光谱。
图7是在实施例2中的参数P调整结果。
图8是在实施例3中的参数dc调整结果。
图9是在实施例4中的参数T调整结果。
图10是在实施例5中的参数N调整结果。
图11是在实施例6参数设置下的光透射谱结果。
图12是在实施例6中的参数调整结果。
图13是在实施例7中所述结构示意图。
图14是在实施例7中参数设置下的透射光谱。
图15是在实施例8中所述结构示意图。
图16是在实施例8中参数设置下的透射光谱。
附图标记说明：10、衬底；20、波导；30、相变布拉格光栅；40、光栅覆盖层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
首先请参见附图5所示，图为光学相变材料Ge2Sb2Se4Te1(GSST)的众多实验数据中一组复折射率，实施例1与实施例2中均使用了该材料。在光波长为1550nm时，相变材料GSST的在非晶态、晶态下折射率差为1.75。在晶态下，其折射率为5.13+0.42i，在非晶态下，其折射率为3.38+0.02i。
实施例1
请参阅图1所示，本实施例提供一种基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器，该滤波器包括衬底10、波导20、相变布拉格光栅30和光栅覆盖层40，衬底10上设置波导20，波导20上设置相变布拉格光栅30，相变布拉格光栅30上设置光栅覆盖层40，其中相变布拉格光栅30采用相变材料GSST，入射光自波导20一侧输入，经过相变布拉格光栅30后输出。为使图像清楚明确，图中减少了相变布拉格光栅30的栅格数目。
其中，波导20的宽度为810nm～900nm，其宽/厚比为2.5～2.8，其所用材料为单晶硅。在波导20顶部以脉冲激光沉积法覆盖沉积一层相变布拉格光栅30结构，以构造周期性折射率分布，从而对波导20内的传输模式产生影响。
参见附图2，图中标出了相变布拉格光栅30的厚度T、光栅周期P与波导厚度S，以及光栅覆盖层。在本实施例中，光栅覆盖层40的厚度取9nm。
参见附图3，图中标出了相变布拉格光栅30与波导20的宽度W。此外，衬底10所用材料为二氧化硅，波导20所用材料为硅，相变布拉格光栅30所用材料为相变材料GSST，光栅覆盖层40所用材料为二氧化硅。在本实施例中，衬底10的厚度大于1微米，宽度大于3微米；波导20的宽度W＝900nm，厚度S＝320nm，长度大于34.5μm(光栅数目N*周期P)；相变布拉格光栅30的宽度W＝900nm，厚度T＝170nm，占空比dc＝0.15，光栅数目N＝100，光栅周期P＝345nm。
图6反映的是在实施例1参数设置下，当光学相变材料GSST分别处于非晶态与晶态时，入射准TE0模式光经过器件的透射谱。其中实线为非晶态结果，虚线为晶态结果。此时非晶态下透射率带阻段的中心波长为1565mn，半峰全宽(Full width at half maximum，FWHM)为20nm，在此波段计算的插入损耗为-12.19dB。晶态时的中心波长为1540nm，FWHM为29nm，对应的插入损耗为-2.839dB。可见在1530～1565nm波长范围内，相变材料GSST处于晶态时，透射谱线含有一个通带；相变材料处于非晶态时，透射谱中含一个阻带。以上两种状态可以在不改变器件结构情况下，可以通过调整相变材料GSST得到。
实施例2
根据布拉格共振波长的公式λ中心波长＝2neffP，逐渐增加P，可以使透射率红移(增加周期)蓝移(减小周期)。本发明中，改变的是整体器件结构中的相变布拉格光栅30部分，相当于改变了高折射率-低折射率分布的多层光学薄膜结构的折周期大小，因此所得类布拉格共振波长有相似的红移蓝移效果。
参见附图7，图7反映的是本实施例提供的条件下，基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的参数调谐结果，调节的参数为相变布拉格光栅30的周期P，其余结构参数为：W＝900nm，S＝320nm，T＝170nm，dc＝0.15，N＝100。调节周期P分别为339nm，342nm，345nm，可见透射谱随P增加逐渐红移，实现了在C波段内类布拉格共振波长在滤波器双态下均任意可调。
实施例3
参见附图8，图8反映的是本实施例提供的条件下，基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的参数调谐结果，调节相变布拉格光栅30的占空比dc，其余结构参数为：W＝900nm，S＝320nm，T＝170nm，P＝345nm，N＝100。调节相变布拉格光栅30的占空比dc分别为0.13，011，0.09，dc增加，透射谱带宽随之增加。这是由于光栅层部分的有效折射率
Figure BDA0003262297090000071
相较于裸波导部份的有效折射率
Figure BDA0003262297090000072
要大，将占空比dc减小意味着降低了GSST材料占平均折射率neff的比重，因此类布拉格共振波长会减小，图像左移。同时，由于相变材料GSST的减少，降低了对光的吸收，透射率增加了并且减小了半高宽。
实施例4
参见附图9，图9反映的是本实施例提供的条件下，基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的参数调谐结果，调节相变布拉格光栅30的厚度T，即对结构的光栅部分有效折射率进行调整，其余结构参数为：W＝900nm，S＝320nm，dc＝0.15，P＝345nm，N＝100。调节相变布拉格光栅30的厚度T分别为80nm，140nm，160nm。由于neff最终需要裸波导与光栅部分取平均，增加光栅厚度使得光栅部分的折射率比重增加，导致类布拉格共振波长红移。同时相变材料GSST的体积增加了，因此透射率呈现下降趋势。
实施例5
参见附图10，图10反映的是本实施例提供的条件下，基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的参数调谐结果，调节相变布拉格光栅30的栅格数目N，其余结构参数为W＝900nm，S＝320nm，T＝170nm，dc＝0.15，P＝345nm。调节栅格数目N为50，70，100。从图中可以看出，相变材料GSST的吸收能力随着N增加(50、70、100)逐渐体现出来，不论是晶态还是非晶态，光透过率都呈现下降趋势。这很好理解，增加了相变材料GSST在器件中的体积，由于相变材料GSST是有一定损耗的，所以材料越多，必然增加其对光的吸收。N的改变并没有改变折射率的周期性分布，因此中心波长不发生变化。
实施例6
参见附图4，图4为本实施例中对实施例1所述器件的光栅覆盖层改进后的xoz面侧视图，相较于实施例1中的光栅覆盖层，本实施例中的光栅覆盖层40将相变布拉格光栅30整体全部覆盖，这将影响到多层光学薄膜结构的折射率分布，对光透射率产生一定影响，使相变材料GSST发生相变的方法归根结底来说均是对相变材料GSST进行加热而使之相变，而加热会使相变材料发生热膨胀或者是材料融化而产生形变。此时光栅覆盖层40可以在相变布拉格光栅30发生相变时稳定其结构，使之不发生过大形变。这样既可以对相变材料GSST可重复激发相变的次数进行增加，延长其寿命，也能对它起到更好的保护作用和防止氧化等。此时对应的结构参数为波导的宽度W＝900nm，厚度S＝320nm，长度大于34.5μm(N*P)；相变布拉格光栅30的宽度W＝900nm，厚度T＝170nm，占空比dc＝0.15，光栅数目N＝100，光栅周期P＝345nm；光栅覆盖层40的厚度为9nm。
参见附图11，图11反映的是本实施例提供的条件下，基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的光透射谱。对实施例1中结构进行改变后，类布拉格共振峰形貌上变化不大，没有影响到其带通与带阻能力，而且旁瓣减小了。此时结构发生的变化对于光栅层来说没变，但原本仅有硅的波导部分之上多了9nm厚的光栅覆盖层40，这使该部分额外附加了9nm二氧化硅的折射率。二氧化硅材料的折射率要比硅小，因此平均折射率neff会发生改变。
参见附图12，图12反映的是本实施例提供的条件下，基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的参数调谐结果。调整相变布拉格光栅30的周期P为345nm，346nm，347nm，当P＝0.346μm时，可将类布拉格共振波长均移动至1.550μm处，GSST处于非晶态器件插入损耗为-15.2596dB，处于晶态的插入损耗为-2.2445dB。
实施例7
在实施例1中，对GSST光栅部分的各个参数进行了调谐。实施例6中又在晶、非晶两种开关态具有较大折射率差的情况下得到了通带与阻带类布拉格中心波长的重合。不过此时仅有一个滤波带。法布里珀罗谐振腔(Fabry-Perot resonator)(K.Markowski,et al.,Linearly chirped tapered fiber-Bragg-grating-based Fabry-Perot cavity and itsapplication in simultaneous strain andtemperaturemeasurement,Opt.Lett.,42(2017)1464-1467.)由两个反射镜组成，满足共振条件波长的光在结构内不断发生干涉而增强，这一现象在半导体激光器中有重要的应用。对于光栅结构来说在某些波段下是具有一定的反射效果的，我们将实施例1结构中的类布拉格光栅部分视为反射镜，再增设一光栅模块，使之形成类似法布里珀罗(F-P)谐振腔的结构。此时透射率的结果是布拉格光栅与F-P腔的共同作用的结果。对N调整意味着改变了类布拉格光栅部分的透射率，相当于改变了在F-P腔反射镜处的反射率。接下来改变光栅模块的参数进即可对共振峰的数目与强度进行控制。将此结构称之为相移光栅。接下来介绍具体实施方式。
参见附图13，图13反映的是本实施例中所述搭载相移光栅的多通道滤波器结构示意图，光栅数目实际更多。该结构与附图1中相比，在GSST光栅模块一边增设了一光栅模块，两模块间距为周期的半整数倍。为突出光栅模块间距，减少了光栅栅格数目，实际两部分光栅模块的栅格数目为30。此时对应结构参数为W＝0.81μm，S＝0.32μm，T＝0.16μm，dc＝0.15，N＝100，P＝0.354μm，光栅覆盖层的厚度9nm。
参见附图14，图14反映的是本实施例提供的条件下所得透射谱。与预期相同，滤波通道数增加。在1540～1560nm范围内，相变材料处于非晶态时具有中心波长为1.551μm且半高宽为9nm的带通段，它的中心插入损耗为-0.891dB。晶态时中心波长为1.550μm，半高宽8nm，具有插入损耗-18.245dB的带阻段。这种带阻-带通-带阻的特性在滤波器方面有着应用前景。
实施例8
在实施例7的基础上，调节光栅模块间距以进一步增加滤波通道数。
参见附图15，图15反映的是本实施例提供的条件下，搭载相移光栅的多通道滤波器结构示意图，为使图像清楚明确，光栅数目实际为30。该结构与附图1中相比，在GSST光栅模块一边增设了一光栅模块，两模块间距为周期的半整数倍。对应参数为S＝0.32μm，W＝0.81μm；P＝0.35μm，dc＝0.15，T＝0.16μm，N＝N1＝30，两光栅模块间距为95.5*P。
参见附图16，图16反映的是本实施例的一个透射光谱结果，此时中心波长1.540μm处的插入损耗低至-0.2379dB，FWEM＝3.4nm。可见，光谱中在C波段内通带阻带数目进一步增加，与预期目的相符。
综上所述，本发明相变布拉格光栅采用相变材料GSST，利用相变材料GSST的光学特性，在不改变器件结构的情况下具有通带和阻带两种光通特性，而且可以通过调节滤波器的各个参数以改变相变布拉格光栅的折射率分布，从而实现滤波通道数目的调节以及透射率带宽的可调谐，使其能够广泛应用于光通信领域。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器，其特征在于：包括衬底、波导、相变布拉格光栅和光栅覆盖层，所述衬底上设置所述波导，所述波导上设置所述相变布拉格光栅，所述相变布拉格光栅上设置所述光栅覆盖层，其中所述相变布拉格光栅采用相变材料GSST。
2.根据权利要求1所述的基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器，其特征在于：所述波导的宽度为810nm～900nm，其宽/厚比为2.5～2.8。
3.根据权利要求1所述的基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器，其特征在于：所述相变布拉格光栅的占空比为0.15～0.19，其周期数目为30～100，其厚度为80nm～170nm、其周期为332nm～355nm，所述光栅覆盖层的厚度为1～9nm。
4.根据权利要求3所述的基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器，其特征在于：所述光栅覆盖层完全覆盖住所述相变布拉格光栅。
5.根据权利要求3所述的基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器，其特征在于：所述光栅覆盖层仅覆盖住所述相变布拉格光栅的顶部。
6.根据权利要求4或5所述的基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器，其特征在于：当所述波导的入射光为准TE0模的条件下，在光波长为1550nm时，其有效折射率为2.92～2.95。
7.一种如权利要求6所述的基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的调控方法，其特征在于，包括：当所述波导的入射光为准TE0模的条件下，通过调节所述相变布拉格光栅的周期数目，以使相变材料GSST处于非晶态情况下实现光透射率极小值在0.03～0.13范围内可调节的阻带，以及使相变材料GSST处于晶态情况下实现光透射率极大值在0.55～0.7范围内可调节的通带。
8.根据权利要求7所述的基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的调控方法，其特征在于，包括：当所述波导的入射光为准TE0模的条件下，通过调节所述相变布拉格光栅的周期，其调节范围在332nm～355nm内，以使相变材料GSST在非晶态与晶态时实现阻带与通带均可在1530～1565nm的波段内任意可调。
9.根据权利要求7所述的基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的调控方法，其特征在于，包括：当所述波导的入射光为准TE0模的条件下，通过调节所述相变布拉格光栅的厚度及占空比，以使相变材料GSST在非晶态与晶态时实现阻带与通带的带宽可调。
10.根据权利要求7所述的基于相变布拉格光栅的多参数可调谐滤波器的调控方法，其特征在于，包括：当所述波导的入射光为准TE0模的条件下，通过改变所述相变布拉格光栅的数目及相邻相变布拉格光栅的间距，实现通道数目的可调谐。
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