CN113866896B - 一种高q值微环谐振器 - Google Patents

一种高q值微环谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高Q值微环谐振器，输入波导和输出波导为单模波导，微环波导及其相邻的耦合波导均为多模波导。由于多模波导的宽度较大，能将大部分基模光场限制在波导内部，减少光场与侧壁的相互作用，降低侧壁粗糙导致的散射损耗，从而提高微环谐振器的本征Q值。第一欧拉波导和第二欧拉波导的曲率渐变，其缓变曲率半径将减小弯曲损耗，同时降低光场能量由基模向高阶模转换效率。耦合波导与微环波导满足模式匹配，抑制微环谐振器内高阶谐振模式被激发。利用多模欧拉波导曲率渐变的特性，通过弯曲欧拉波导实现微环波导与耦合波导之间耦合间隙渐变，降低耦合区域内光场模式失配导致的光损耗，从而进一步提高微环谐振器的本征Q值。

Description

一种高Q值微环谐振器
技术领域
本发明属于光通信、光互连和光传感领域，更具体地，涉及一种高Q值微环谐振器。
背景技术
微环谐振器由环形波导和相邻的耦合波导构成，在滤波、传感、调制等领域应用广泛。Q因子表示单位时间内谐振腔存储能量和耗散能量的比值，是衡量谐振腔性能的一个关键指标。高Q值微环谐振器是制作滤波器、环形振荡器、光缓存、传感器等器件的关键元件。影响微环谐振器Q值的因素有：微环谐振腔与输入/输出波导的耦合效率，耦合区波导侧壁粗糙带来的散射损耗，耦合区的模式失配损耗，环形波导的吸收损耗、弯曲损耗以及侧壁粗糙带来的散射损耗。其中，由于曝光和刻蚀工艺的固有限制，难以制作得到理想的光滑平整的侧壁，因此微环和耦合区波导的粗糙侧壁导致的散射损耗是限制Q值的关键因素。目前除了通过改善制备工艺降低侧壁粗糙度之外，另一个有效的方法是将波导宽度增加，尽可能将光场限制在波导内部，减少光场与侧壁的相互作用，提高微环的本征Q值。然而，将单模波导拓宽，波导将支持多模传输，输入光在耦合波导和微环内会激发高阶模，增大微环谐振腔内的传输损耗，会降低微环的Q值。此外，光场在微环波导与相邻波导的耦合区域内传输和演进过程中，由于耦合间隙的改变，会存在光场模式失配，激发波导内的高阶模和辐射模，从而引起微环谐振腔内损耗的增加和Q值的降低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高Q值微环谐振器，由此解决现有的微环谐振器传播损耗较大的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高Q值微环谐振器，包括：微环谐振腔，对称分布的第一单模波导和第二单模波导、第一锥形波导和第二锥形波导、第一欧拉波导和第二欧拉波导；所述第一锥形波导和第二锥形波导是单模到多模的过渡波导、第一欧拉波导和第二欧拉波导为多模波导；
所述第一欧拉波导的曲率沿光路逐渐增大，所述第二欧拉波导的曲率沿光路逐渐减小，所述微环谐振腔的曲率不变；所述第一欧拉波导、第二欧拉波导的宽度及两者连接处的曲率与所述微环谐振腔的截面宽度和曲率满足基模的模式匹配条件；
入射光从第一单模波导入射，依次经由第一锥形波导、第一欧拉波导，在第一欧拉波导与第二欧拉波导的耦合区域，满足谐振频率的光耦合进入微环谐振腔，不满足谐振频率的光依次经由第二欧拉波导、第二锥形波导，从第二单模波导输出。
优选地，所述高Q值微环谐振器还包括：多模圆弧波导，所述多模圆弧波导位于所述第一欧拉波导和第二欧拉波导之间，且所述第一欧拉波导和第二欧拉波导关于所述多模圆弧波导对称；所述多模圆弧波导与微环谐振腔同圆心；所述多模圆弧波导的截面宽度和曲率与所述微环谐振腔波导的截面宽度和曲率满足基模的模式匹配条件；
入射光从第一单模波导入射，依次经由第一锥形波导、第一欧拉波导进入多模圆弧波导；满足谐振频率的光耦合进入微环谐振腔，不满足谐振频率的光依次经由第二欧拉波导、第二锥形波导，从第二单模波导输出。
优选地，入射光从第一单模波导入射，依次经由第一锥形波导、第一欧拉波导进入多模圆弧波导；满足谐振频率的光耦合进入微环谐振腔，不满足谐振频率的光依次经由第二欧拉波导、第二锥形波导，从第二单模波导输出。
优选地，所述第一单模波导和第二单模波导的截面宽度相同。
优选地，所述多模微环谐振腔、多模圆弧波导、第一单模波导、第一锥形波导、第一欧拉波导、第二欧拉波导、第二锥形波导和第二单模波导均为条形波导，脊形波导，多层波导中的任一种。
优选地，所述多模微环谐振腔、多模圆弧波导、第一单模波导、第一锥形波导、第一欧拉波导、第二欧拉波导、第二锥形波导和第二单模波导均采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟或砷化镓中的任一种制成。
按照本发明的第二方面，本发明提供一种带通滤波器，所述带通滤波器采用如第一方面所述的高Q值微环谐振器。
按照本发明的第三方面，本发明提供一种带阻滤波器，所述带阻滤波器采用第一方面所述的高Q值微环谐振器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、相对于传统的由单模波导和微环组成的微环谐振器为了减小传播损耗，需要复杂的工艺步骤和较高的制造成本降低侧壁粗糙度，本发明提供的高Q值微环谐振器，除输入波导和输出波导外，其余波导均为多模波导，由于多模波导的宽度大于基模波导的宽度，能够更好地将光场限制在波导中，降低了其对侧壁粗糙度的敏感性，减少与侧壁的相互作用从而降低在侧壁的散射损耗。
2、本发明提供的高Q值微环谐振器，第一欧拉波导和第二欧拉波导的曲率渐变，其缓变曲率半径会极大地减少弯曲损耗，同时不会激发高阶模，抑制光场能量由基模向高阶模转移；充分运用多模欧拉波导曲率渐变的特性，通过所述多模欧拉波导实现与多模微环谐振器的耦合间隙渐变，避免由于锥形波导直接连接多模和单模波导造成的高阶模耦合进入谐振微环。
3、本发明提供的高Q值微环谐振器，多模欧拉波导只在曲率最大处，即第一多模欧拉波导与第二多模欧拉波导的耦合区域处，与多模微环实现模式匹配，从而提高基模耦合强度，抑制高阶模在波导曲率变化时的激发和高阶模进入微环的耦合，极大地降低了模式失配。
4、本发明提供的高Q值微环谐振器，第一线性锥形波导和第二线性锥形波导作为过渡区，一方面实现绝热过渡，降低了高阶模的激发；另一方面也降低了光场损耗；此外，谐振腔采用曲率不变的微环，可以避免由于腔内曲率突变产生的有效折射率变化，避免腔内形成F-P腔，降低了腔内循环传播的损耗，有利于提高Q值。
5、本发明提供的高Q值微环谐振器，还包括与多模微环同圆心的多模圆弧波导，多模圆弧波导的曲率与多模微环谐振腔满足基模的模式匹配条件，因此可以在基模耦合的情况下抑制高阶模的产生，降低模式失配。
6、本发明提供的高Q值微环谐振器，尺寸较小，结构紧凑，在与其他器件集成方面有很大优势，可用在单环或多环的带通或带阻滤波器中。
附图说明
图1为本发明提供的高Q值微环谐振器示意图之一；
图2为本发明提供的高Q值微环谐振器耦合区截面示意图；
图3为本发明提供的高Q值微环谐振器示意图之二；
图4为本发明提供的高Q值微环谐振器示意图之三。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-第一单模波导；2-第一锥形波导；3-第一欧拉波导；4-多模圆弧波导；5-第二欧拉波导；6-第二锥形波导；7-第二单模波导；8-多模微环谐振腔。
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。
本发明实施例提供一种高Q值微环谐振器，如图1所示，包括：多模微环谐振腔8，对称分布的第一单模波导1和第二单模波导7、第一锥形波导2和第二锥形波导6、第一欧拉波导3和第二欧拉波导5；所述第一锥形波导、第二锥形波导、第一欧拉波导和第二欧拉波导为多模波导。
具体地，所述第一锥形波导、第二锥形波导均为线性锥形波导，具有绝热过渡功能。且所述第一锥形波导为单模到多模的过渡波导；所述第二锥形波导为多模到单模的过渡波导。
所述第一单模波导和第二单模波导的截面宽度相同。
所述第一欧拉波导和第二欧拉波导的曲率渐变，且其宽度和曲率半径与曲率不变的多模微环的宽度和曲率半径满足模式匹配条件。
所述第一欧拉波导和第二欧拉波导的宽度与多模圆弧波导的宽度相等。
所述第一欧拉波导的曲率沿光路逐渐增大，所述第二欧拉波导的曲率沿光路逐渐减小，所述微环谐振腔的曲率不变；所述第一欧拉波导、第二欧拉波导的截面宽度及两者连接处的曲率与所述微环谐振腔的截面宽度和曲率满足基模的模式匹配条件。
具体地，所述第一欧拉波导和第二欧拉波导的曲率渐变，所述多模微环谐振腔的曲率不变。如图1所示，由于第一欧拉波导和第二欧拉波导关于圆弧波导对称，因此，第一欧拉波导和第二欧拉波导与多模微环谐振腔的间隙的渐变的；相应地，所述第一欧拉波导与多模微环谐振腔的间隙逐渐减小，在多模圆弧波导处达到最小，所述第二欧拉波导与多模微环谐振腔的间隙逐渐增大。
所述曲率渐变的多模欧拉波导、曲率不变的多模微环的截面宽度和曲率半径均需要满足模式匹配条件，因此，多模欧拉波导的截面宽度与多模微环的截面宽度不相等。
所述模式匹配条件为，多模欧拉波导的半径与多模欧拉波导的有效折射率的乘积与多模微环的半径与多模微环的有效折射率的乘积相等。
入射光从第一单模波导入射，依次经由第一锥形波导、第一欧拉波导，在第一欧拉波导与第二欧拉波导的耦合区域，满足谐振频率的光耦合进入微环谐振腔，不满足谐振频率的光依次经由第二欧拉波导、第二锥形波导，从第二单模波导输出。
具体地，在所述第一欧拉波导、第二欧拉波导的耦合区域，满足谐振频率的光耦合进入多模微环谐振腔，光场能量主要局域在微环内，不满足谐振频率的光依次经由第二欧拉波导、第二锥形波导，从第二单模波导输出。
所述第一欧拉波导、第一欧拉波导与所述多模微环谐振腔相互耦合。并且，由于所述第一欧拉波导和第二欧拉波导的曲率渐变，所述多模微环谐振腔的曲率不变，且第一欧拉波导和第二欧拉波导关于圆弧波导对称，相应地，所述第一欧拉波导、第二欧拉波导与所述多模微环谐振腔耦合直接的耦合间隙是缓变的，在与多模微环谐振腔的距离(即耦合间隙)最短处满足特定波长的基模的模式匹配条件，抑制高阶模的产生。
也即，使用多模欧拉波导作为与多模微环发生耦合的波导，即，第一欧拉波导、第二欧拉波导与多模微环谐振腔相互耦合。
如图1所示，欧拉波导的曲率是渐变的，在中间的耦合区曲率最大，并且该曲率与微环曲率实现模式匹配，随着向两边延展，曲率渐渐缩小，在与过渡波导相接处，曲率最小。曲率越小，弯曲损耗越小，同时有利于保证光波的基模特性，抑制基模向高阶模转化。
需要特别说明的是，因为要实现模式匹配，微环波导宽度和多模欧拉波导宽度不相等。例如，对于SOI脊形波导，其顶层硅厚度为220nm，刻蚀深度为70nm，在上面包覆一层氧化硅材料，针对1550nm波长，如图2所示，多模欧拉波导宽度W1为1.0μm，中心处最小半径R1为118.5μm，微环波导宽度W2为1.6μm,半径R2为117μm。
入射光从第一单模波导进入间隙渐变的耦合区，达到模式匹配条件的光波耦合进入所述的多模微环，特定频率的光波在谐振腔内谐振，不符合谐振条件的光波再耦合出去。
可以理解的是，入射光也可以从第二单模波导入射，依次经由第二锥形波导、第二欧拉波导，在第二欧拉波导与第一欧拉波导的耦合区域，满足谐振频率的光耦合进入微环谐振腔，不满足谐振频率的光依次经由第一欧拉波导、第一锥形波导，从第一单模波导输出。
优选地，如图3-4所示(图3为本发明提供的高Q值微环谐振器作为带阻滤波器时的示意图，图4为本发明提供的高Q值微环谐振器作为带通滤波器时的示意图)，所述高Q值微环谐振器还包括：多模圆弧波导4，所述多模圆弧波导位于所述第一锥形波导和第二锥形波导之间，且所述第一锥形波导和第二锥形波导关于所述多模圆弧波导对称；所述多模圆弧波导与多模微环谐振腔同圆心；所述多模圆弧波导的截面宽度和曲率与所述微环谐振腔波导的截面宽度和曲率满足基模的模式匹配条件；
入射光从第一单模波导入射，依次经由第一锥形波导、第一欧拉波导进入多模圆弧波导；在多模圆弧波导处，满足谐振频率的光耦合进入微环谐振腔，不满足谐振频率的光依次经由第二欧拉波导、第二锥形波导，从第二单模波导输出。
具体地，多模圆弧波导的曲率半径和宽度与所述多模微环谐振腔的曲率半径和宽度满足基模的模式匹配条件；也就是说，与谐振腔耦合的波导，其基模有效折射率和半径的乘积要与谐振腔的基模有效折射率和半径的乘积相等；也即，多模圆弧波导的基模有效折射率和半径的乘积等于多模微环波导的基模有效折射率和半径的乘积。其中，可以改变半径来调整基模的有效折射率。所以基模可以在两波导间相互耦合。即多模圆弧波导与多模微环谐振腔相互耦合。
如图3所示，入射光从第一单模波导进入过渡区(即第一锥形波导)，到达间隙渐变的耦合区(即第一欧拉波导与圆弧波导之间间隙很小的一块区域)，达到模式匹配条件的光波耦合进入所述的多模微环，特定频率的光波在谐振腔内谐振，不符合谐振频率条件的光波再耦合出去，进入曲率渐变的耦合波导(即圆弧波导与第二欧拉波导之间间隙很小的一块区域)，经过所述过渡波导(即第二锥形波导)和第二单模波导输出，从而实现滤波功能。
也即，多模圆弧波导为多模微环的同心耦合的多模圆环波导。
多模圆弧波导、第一欧拉波导、第二欧拉波导、多模微环谐振腔的曲率半径以及上述各波导与多模微环谐振腔的间隙宽度都经过严格设计，以而达到对于基模的模式匹配条件。
只有满足模式匹配条件，同时满足微环谐振条件的光波才能耦合进入微环，并在腔内谐振。例如，对于SOI脊形波导，顶层硅厚度为220nm，刻蚀深度为70nm，包覆一层氧化硅。多模欧拉波导宽度W1为1.0μm，中心处最小半径R1为118.5μm，微环波导宽度W2为1.6μm,半径R2为117μm(如图2所示)，在1550nm附近的光波满足模式匹配条件，在该范围内满足谐振条件的光波即可耦合进入微环，并在腔内谐振。
第一单模波导、第一锥形波导、第一欧拉波导、第二欧拉波导、第二锥形波导和第二单模波导的长度可任意设置，与多模微环谐振腔之间的间隙应足够大，避免与谐振腔发生耦合。
所述圆弧波导与多模微环谐振腔同圆心，即所述圆弧波导为所述多模微环谐振腔的同心圆弧波导，且所述圆弧波导的长度可调，圆弧波导的长度L≥0。圆弧波导的长度取决于微环谐振器的设计参数要求和各波导所采用的材料、结构，以及实际制备的工艺精度等条件。
多模圆弧波导的长度是可变的，因此能够控制耦合长度。
优选地，所述多模微环谐振腔、多模圆弧波导、第一单模波导、第一锥形波导、第一欧拉波导、第二欧拉波导、第二锥形波导和第二单模波导均为条形波导，脊形波导，多层波导中的任一种。
具体地，各多模波导均可采用包括但不限于脊形波导、条形波导、多层波导等形式制作。
优选地，所述多模微环谐振腔、多模圆弧波导、第一单模波导、第一锥形波导、第一欧拉波导、第二欧拉波导、第二锥形波导和第二单模波导均采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟或砷化镓中的任一种制成。
具体地，各波导及多模微环谐振腔均可采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟或砷化镓等制成，不局限于特定材料。
本发明实施例提供一种带通滤波器，所述带通滤波器采用如上述实施例所述的高Q值微环谐振器。
本发明实施例提供一种带阻滤波器，所述带通滤波器采用如上述实施例所述的高Q值微环谐振器。
具体地，上述实施例所述的高Q值微环谐振器可用在单环或者多环的带通或带阻滤波器中。
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 (8)

1.一种高Q值微环谐振器，其特征在于，包括：多模微环谐振腔，对称分布的第一单模波导和第二单模波导、第一锥形波导和第二锥形波导、第一欧拉波导和第二欧拉波导；所述第一锥形波导、第二锥形波导、第一欧拉波导和第二欧拉波导为多模波导；
所述第一欧拉波导的曲率沿光路逐渐增大，所述第二欧拉波导的曲率沿光路逐渐减小，所述微环谐振腔的曲率不变；所述第一欧拉波导、第二欧拉波导的截面宽度及两者连接处的曲率与所述多模微环谐振腔的截面宽度和曲率满足基模的模式匹配条件；
入射光从第一单模波导入射，依次经由第一锥形波导、第一欧拉波导，在第一欧拉波导与第二欧拉波导的耦合区域，满足谐振频率的光耦合进入微环谐振腔，不满足谐振频率的光依次经由第二欧拉波导、第二锥形波导，从第二单模波导输出。
2.如权利要求1所述的高Q值微环谐振器，其特征在于，还包括：多模圆弧波导，所述多模圆弧波导位于所述第一欧拉波导和第二欧拉波导之间，且所述第一欧拉波导和第二欧拉波导关于所述多模圆弧波导对称；
所述多模圆弧波导与多模微环谐振腔同圆心；所述多模圆弧波导的截面宽度和曲率与所述微环谐振腔波导的截面宽度和曲率满足基模的模式匹配条件；
入射光从第一单模波导入射，依次经由第一锥形波导、第一欧拉波导进入多模圆弧波导；满足谐振频率的光耦合进入微环谐振腔，不满足谐振频率的光依次经由第二欧拉波导、第二锥形波导，从第二单模波导输出。
3.如权利要求2所述的高Q值微环谐振器，其特征在于，所述多模圆弧波导的截面宽度与所述第一欧拉波导、第二欧拉波导的截面宽度相同。
4.如权利要求1所述的高Q值微环谐振器，其特征在于，所述第一单模波导和第二单模波导的截面宽度相同。
5.如权利要求2所述的高Q值微环谐振器，其特征在于，所述多模微环谐振腔、多模圆弧波导、第一单模波导、第一锥形波导、第一欧拉波导、第二欧拉波导、第二锥形波导和第二单模波导均为条形波导，脊形波导，多层波导中的任一种。
6.如权利要求2所述的高Q值微环谐振器，其特征在于，所述多模微环谐振腔、多模圆弧波导、第一单模波导、第一锥形波导、第一欧拉波导、第二欧拉波导、第二锥形波导和第二单模波导均采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟或砷化镓中的任一种制成。
7.一种带通滤波器，其特征在于，所述带通滤波器采用如权利要求1-6任一项所述的高Q值微环谐振器。
8.一种带阻滤波器，其特征在于，所述带阻滤波器采用如权利要求1-6任一项所述的高Q值微环谐振器。
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