CN114675371A - 一种非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器 - Google Patents
一种非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种非对称结构布拉格光栅结构法布里‑波罗滤波器，其由输入非对称布拉格波导光栅、第一段F‑P腔直波导、单周期非对称布拉格波导、第二段F‑P腔直波导、输出非对称布拉格波导光栅组成。F‑P腔滤波器是由输入输出两个非对称布拉格光栅作为F‑P腔的反射镜，两个F‑P腔直波导中间插入单周期的光栅作为F‑P腔的谐振腔。本发明的用于窄线宽激光器的可调非对称布拉格光栅结构F‑P腔滤波器采用了非对称布拉格波导和覆盖电极的双F‑P腔直波导结构，解决了传统光栅滤波器的滤波波长调控精度不高、损耗大和无法对带宽进行调控的问题。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器。
背景技术
目前，新一轮科技革命和产业变革在全球持续深入发展，各领域对网络的依赖不断增强，作为其核心支撑的光通信系统、数据中心面临重大挑战。硅基光电子芯片凭借其CMOS兼容、低成本、小尺寸等独特优势，而备受关注。光子集成技术凭借目前成熟的低成本、大规模的互补金属氧化物半导体制造工艺，将以往通信设备中的光模块器件，如有源、无源器件等，集成于单一光芯片上，具有高集成度、低成本、高容和大带宽等优势。密集波分复用技术是光通讯网络中十分重要的一项技术，其在下一代的高速、大容量、高带宽的光网络发展中，有着重要的作用。为了满足密集波分复用技术需要的窄线宽光源的要求，窄线宽激光器被越来越多的人重视。
窄线宽激光滤波器是产生窄线宽激光的重要器件。传统激光窄线宽滤波器是采用对称性布拉格光栅，由于其通常采用单模波导到多模波导的转换，会导致激光的损耗较大，并且其带宽通常非常大。为了解决了对称布拉格光栅滤波器的缺点，进而设计出来采用对称性布拉格波导光栅F-P腔作为窄线宽激光滤波器，其可以解决对称性布拉格光栅损耗大的问题，并且由于F-P谐振腔的存在，可以产生窄的激光线宽。但其存在一些问题，对称性布拉格波导光栅F-P腔作为窄线宽激光滤波器调谐的方式单一，只能通过控制F-P腔长度，导致对滤波波长调控精度不高；其布拉格反射峰的带宽一般较小，并且无法对带宽进行调制；为了满足密集波分复用的多波长的窄线宽要求，需要将多个滤波器串联，极大加大了器件的面积和成本。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可调非对称布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种可调非对称布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器，其包括：
谐振腔单元，其包括单周期非对称布拉格波导及设置在单周期非对称布拉格波导两侧的第一段F-P腔直波导和第二段F-P腔直波导；
两个反射镜单元，设置在谐振腔单元的两侧，且分别由输入非对称布拉格波导光栅及输出非对称布拉格波导光栅构成，其中输入非对称布拉格波导光栅与第一段F-P腔直波导连接，所述输出非对称布拉格波导光栅与第二段F-P腔直波导连接。
输入非对称布拉格波导光栅或输出非对称布拉格波导光栅的长度为250-300微米，占空比为0.375-0.625，周期为0.35-0.4微米，光栅侧壁宽度为0.015-0.025微米、上下光栅偏移量为0-0.2微米，波导高度为0.22微米。
第一段F-P腔直波导或第二段F-P腔直波导的长度为0-0.2微米。
所述单周期非对称布拉格波导的长度为0.35-0.4微米，占空比为0.375-0.625、光栅侧壁宽度为0.015-0.025微米、上下光栅偏移量0-0.2微米、宽度为0.45微米，波导高度为0.22微米。
基于可调非对称布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器可实现窄线宽透射峰输出，其透射峰的半高全宽为0.3纳米，在F-P腔长度为0.1微米时，最小透射率可以达到-13.14dB。
所述第一段F-P腔直波导和第二段F-P腔直波导的上方设有用于通过调节电压改变第一段F-P腔直波导和第二段F-P腔直波导的折射率的金属层。
本发明的有益效果：由两个非对称布拉格光栅作为F-P腔的反射镜，两个相同长度的直波导中间插入一个周期的光栅作为F-P腔的谐振腔。
引入了非对称布拉格波导光栅实现了对布拉格透射峰的带宽调控。
提出来将改变F-P腔直波导长度与对金属电极施加电压共同调控滤波器的滤波波长的方案，增加对尖锐透射峰调控的多样性。
提出了两个直波导中间插入单周期的光栅的F-P腔结构，极大的减小了损耗。
本发明具有尺寸小、线宽窄、可调谐、性能好、造价低、能大批量生产可以应用在窄线宽激光可调谐滤波器中，具有十分重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明的非对称布拉格光栅F-P腔的结构俯视图，
图2是本发明的非对称布拉格光栅F-P腔的结构的横截面示意图。
图3是本发明优化布拉格光栅占空比的透射光谱图。
图4是本发明优化非对称布拉格光栅F-P腔的上下光栅偏移量的透射光谱图。
图5是本发明调控非对称布拉格光栅F-P腔的F-P腔长度的透射光谱图。
图6是本发明尖锐透射峰中心波长随折射率变化光谱图。
图7是本发明非对称布拉格光栅F-P腔用于激光滤波过程的示意图。
图中，1代表光栅无微扰段的宽度，2代表上下光栅偏移量，3代表单个光栅的长度，4代表光栅有微扰段的宽度，5代表F-P腔中直波导的长度，6代表光栅周期长度，7代表材料为二氧化硅，8代表材料为硅，9代表金属电极，10代表反射镜单元，11代表F-P谐振腔单元，12代表激光模块，13代表激光入射非对称布拉格光栅F-P腔光谱，14代表激光通过非对称布拉格光栅F-P腔后的光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明的非对称布拉格光栅F-P腔的结构俯视图，其中1代表光栅无微扰段的宽度，2代表上下光栅偏移量，3代表单个光栅的长度，4代表光栅有微扰段的宽度，5代表F-P腔中直波导的长度，6代表光栅周期长度，7代表材料为二氧化硅，8代表材料为硅，9代表金属电极，10代表反射镜单元，11代表F-P谐振腔单元。
一种可调非对称布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器，可以实现窄线宽透射峰输出，可用于窄线宽激光可调谐滤波器。
其包括：由两个F-P腔直波导中间插入单周期非对称布拉格波导构成的谐振腔单元及设置谐振腔单元两端的由非对称布拉格波导光栅构成的反射镜单元。
谐振腔单元11，其包括单周期非对称布拉格波导及设置在单周期非对称布拉格波导两侧的第一段F-P腔直波导和第二段F-P腔直波导，第一段F-P腔直波导或第二段F-P腔直波导的长度5为0-0.2微米，所述单周期非对称布拉格波导的长度为0.35-0.4微米，占空比为0.375-0.625、光栅侧壁宽度为0.015-0.025微米、上下光栅偏移量为0-0.2微米、宽度为0.45微米，波导高度为0.22微米；
F-P腔直波导长度的变化，使其谐振光信号波长发生变化，进而调控尖锐透射峰的波长。光信号在谐振腔中往返一周其相位差为π的奇数倍时，能谐振增强。因此在谐振增强条件下，F-P腔直波导的长度与谐振波长成正比关系。所以通过改变F-P腔直波导长度，可以调控尖锐透射峰的波长。
两个反射镜单元10，设置在谐振腔单元的两侧，且分别由输入非对称布拉格波导光栅及输出非对称布拉格波导光栅构成，其中输入非对称布拉格波导光栅与第一段F-P腔直波导连接，所述输出非对称布拉格波导光栅与第二段F-P腔直波导连接。
其中输入非对称布拉格波导光栅或输出非对称布拉格波导光栅的长度3为250-300微米，占空比为0.375-0.625，周期为0.35-0.4微米，光栅侧壁宽度为0.015-0.025微米、上下光栅偏移量为0-0.2微米，波导高度为0.22微米。
非对称布拉格波导光栅通过改变光栅占空比和上下光栅偏移量来对布拉格透射光谱带宽和损耗进行调控。为了实现最优占空比与上下光栅偏移量，采用分步优化的方案。首先优化光栅占空比，其次优化上下光栅偏移量。优化光栅占空比从0.375-0.625，优化上下光栅偏移量从0-0.2微米。
最优非对称布拉格光栅波导结构的透射谱带宽为3.4纳米，损耗为0.59dB。
基于可调非对称布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器可实现窄线宽透射峰输出，其透射峰的半高全宽为0.3纳米，在F-P腔长度为0.1微米时，最小透射率可以达到-13.14dB。
所述第一段F-P腔直波导和第二段F-P腔直波导的上方设有用于通过调节电压改变第一段F-P腔直波导和第二段F-P腔直波导的折射率的金属层。在两个F-P腔直波导上覆盖金属电极9，并对金属电极加热调控波导有效折射率进而构成可调滤波器。
其原理如下：
采用输入和输出非对称布拉格波导光栅作为反射镜单元，两个直波导中间插入单周期非对称布拉格波导的结构作为谐振腔单元。通讯波段的信号光通过输入非对称布拉格波导光栅时部分满足布拉格波长的光将透过非对称布拉格波导传输到F-P腔中。光信号在谐振腔中往返一周其相位差为π的奇数倍时，能谐振增强。因此当光信号传输到F-P腔时只要满足谐振增强的条件就可以在腔内振荡，然后通过输出非对称布拉格波导光栅透射出去。其余满足布拉格波长但不满足谐振增强条件的光信号将被反射回去。于是在非对称布拉格波导光栅F-P腔的透射光谱中出现尖锐透射峰。通过增加布拉格光栅占空比可以减小尖锐透射峰的损耗，通过增加非对称布拉格光栅的上下光栅偏移量可以减小尖锐透射峰最小透过率，通过增加非对称布拉格光栅F-P腔的长度和对金属电极施加电压可以使得尖锐透射峰的波长红移。激光光束经过非对称布拉格光栅F-P腔可调谐滤波器，激光光束光谱线宽可以减小到0.3纳米，并且可以通过调控F-P腔长度和施加电压来调控激光光束透射光谱的中心波长。
实施例
如图1所示，结构包括两个非对称布拉格光栅作为F-P腔的反射镜，有两个直波导中间插入一个周期的非对称光栅作为F-P腔的腔长。如图2所示，为非对称布拉格光栅F-P腔的横截面，其是在衬底硅上形成一层3微米的二氧化硅的衬底层，该可调非对称布拉格光栅结构F-P腔滤波器结构形成于二氧化硅衬底层上方，最后沉积一层二氧化硅包层。
通过对非对称布拉格光栅F-P腔进行理论分析。首先分析非对称布拉格光栅平均有效折射率N eff ，计算公式为：
N eff =n eff1 ∙L 1 ∕Λ+n eff2 ∙L 2 ∕Λ+ n eff3 ∙L 3 ∕Λ
其中n eff1 、n eff2 、n eff3 分别为非对称布拉格光栅上下光栅都存在、上下光栅只存在一个、上下光栅都不存在的区域的有效折射率。L 1 、L 2 、L 3 分别为一个周期内非对称布拉格光栅上下光栅都存在、上下光栅只存在一个、上下光栅都不存在的区域长度。然后计算布拉格光栅的布拉格波长，通过布拉格公式：
λ B =2Λ∙N eff
可以计算出非对称布拉格光栅的相应的布拉格波长。其中λ B 为布拉格波长，Λ为布拉格光栅的周期。最后分析非对称布拉格光栅F-P腔的尖锐透射峰的中心波长，光在F-P腔中谐振时其波长必须满足公式：
π=2π∙n eff3 ∙L/λ
其中λ为尖锐透射峰的中心波长，L为F-P腔的长度。可以通过改变L来调控尖锐透射峰的中心波长。
通过对非对称布拉格光栅F-P腔进行优化，分别是优化布拉格光栅的占空比，优化非对称布拉格光栅F-P腔的上下光栅偏移量。通过对布拉格光栅占空比进行调控。随着布拉格光栅的占空比不断增加，其尖锐透射峰的损耗不断减小。当布拉格光栅占空比为0.625时，其损耗达到最小为0.59dB，如图3所示。通过对非对称布拉格光栅的上下光栅偏移量进行调控。当非对称布拉格光栅上下光栅不偏移，其透射光谱没有出现布拉格反射峰和尖锐透射峰。随着非对称布拉格光栅偏移量的不断增加，其尖锐透射峰的透过率和线宽不断减小。当非对称布拉格光栅的上下光栅偏移量为0.2时，其透过率达到最小为-13.14dB，其线宽最小为0.3纳米。优化后的结构参数为布拉格光栅占空比为0.625、非对称布拉格光栅上下偏移量为0.2微米，如图4所示。
通过对非对称布拉格光栅F-P腔的腔长进行调控。如图5所示，选取腔长为0微米、0.05微米、0.1微米、0.15微米进行仿真。通过观察仿真结果可以知道，当腔长度为0微米、0.05微米、0.1微米、0.15微米时，其尖锐反射峰的波长为1589.64纳米、1590.19纳米、1590.87纳米、1591.58纳米，其尖锐反射峰的最小透过率分别为-18.85dB、-17.61dB、-13.14dB、-16.84dB。
通过对非对称布拉格光栅波导F-P腔的直波导区域上方的金属层施加电压，影响直波导的折射率，从而改变尖锐透射峰的中心波长。如图6所示，随着折射率的不断减小其尖锐透射峰中心波长不断减小。该尖锐透射峰具有窄线宽和可调谐的特点，可用于窄线宽激光可调谐滤波器。
激光模块12发出的激光经过可调非对称布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器之后，可以从图7中得到激光入射非对称布拉格光栅F-P腔光谱13以及激光通过非对称布拉格光栅F-P腔后的光谱图14。
非对称布拉格光栅F-P腔用于窄线宽激光可调谐滤波器。激光光束通过非对称布拉格光栅F-P腔激光光束光谱线宽将变窄。并且可以通过调控F-P腔的长度来改变透射光束中心波长。该结构具有窄线宽、尖锐透射峰中心波长可调谐、结构紧凑、造价低、能大批量生产的特点，其对窄线宽激光器的应用有十分重要的意义。
实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器，其特征在于：其包括：
谐振腔单元，其包括单周期非对称布拉格波导及设置在单周期非对称布拉格波导两侧的第一段F-P腔直波导和第二段F-P腔直波导；
两个反射镜单元，设置在谐振腔单元的两侧，且分别由输入非对称布拉格波导光栅及输出非对称布拉格波导光栅构成，其中输入非对称布拉格波导光栅与第一段F-P腔直波导连接，所述输出非对称布拉格波导光栅与第二段F-P腔直波导连接。
2.根据权利要求1所述的非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器，其特征在于：输入非对称布拉格波导光栅或输出非对称布拉格波导光栅的长度为250-300微米，占空比为0.375-0.625，周期为0.35-0.4微米，光栅侧壁宽度为0.015-0.025微米、上下光栅偏移量为0-0.2微米，波导高度为0.22微米。
3.根据权利要求1所述的非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器，其特征在于：第一段F-P腔直波导或第二段F-P腔直波导的长度为0-0.2微米。
4.根据权利要求1所述的非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器，其特征在于：所述单周期非对称布拉格波导的长度为0.35-0.4微米，占空比为0.375-0.625、光栅侧壁宽度为0.015-0.025微米、上下光栅偏移量0-0.2微米、宽度为0.45微米，波导高度为0.22微米。
5.根据权利要求1所述的非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器，其特征在于：基于可调非对称布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器可实现窄线宽透射峰输出，其透射峰的半高全宽为0.3纳米，在F-P腔长度为0.1微米时，最小透射率可以达到-13.14dB。
6.根据权利要求1所述的非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器，其特征在于：所述第一段F-P腔直波导和第二段F-P腔直波导的上方设有用于通过调节电压改变第一段F-P腔直波导和第二段F-P腔直波导的折射率的金属层。
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| CN202210357094.2A Active CN114675371B (zh) | 2022-04-07 | 2022-04-07 | 一种非对称结构布拉格光栅结构法布里-波罗滤波器 |
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Citations (6)
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| CN111948754A (zh) * | 2020-07-23 | 2020-11-17 | 华中科技大学 | 一种集成滤波器件及其应用 |
| US20210231865A1 (en) * | 2018-06-04 | 2021-07-29 | Bangor University | Improvements in and relating to waveguides |
-
2022
- 2022-04-07 CN CN202210357094.2A patent/CN114675371B/zh active Active
Patent Citations (6)
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