CN115236799A - 一种横向振幅切趾的光栅型铌酸锂光学滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器。包括薄膜铌酸锂平台上的输入波导、N个滤波单元、N个滤模器和输出波导；每个滤波单元均由模式解复用器、横向振幅切趾的多模波导光栅和直通波导连接；相邻滤波单元之间由一个滤模器连接，输入波导连接第一滤波单元模式复用/解复用器的输入连接波导作为输入端，每个滤波单元的模式复用/解复用器的下载波导为该滤波单元下载端，第N滤模器连接输出波导作为输出端。本发明在铌酸锂平台上的滤波器容差大，易于加工，带宽可自由调节，边带抑制比大，消光比大，长波不受FSR限制并且滤波形状呈现方谱，根据具体通信协议需求，可以实现各种不同带宽，不同通道数的滤波器。
Description
技术领域
本发明属于光通信领域的一种铌酸锂光学滤波器，具体涉及一种横向振幅切趾的光栅型铌酸锂光学滤波器。
背景技术
21世纪以来，集成光学器件发展十分迅速，具有“光学硅”之称的铌酸锂是一种集非线性效应、电光效应、光折变效应、热电效应等于一体的材料，尤其是铌酸锂薄膜制备技术的突破以及铌酸锂刻蚀技术的发展，已经引发了集成光学领域的一次革命，是一种非常有竞争力的集成光学材料。近年来，基于铌酸锂薄膜的光电子器件研究取得了激动人心的进展，研制出了一大批性能优越的光电子功能芯片，然而支持高速光传输的铌酸锂薄膜的光学滤波器研究仍十分匮乏，应用受限，研制出具有低损耗、高边模抑制比、方型光谱且超大FSR的高性能铌酸锂滤波器尤为迫切。
基于布拉格光栅的光学滤波器具有灵活的波长选择、3dB带宽大、低附加损耗和超宽的自由光谱范围等优点，是在铌酸锂平台做滤波器的较好选择。但目前的在铌酸锂平台上的布拉格滤波器受旁瓣影响对相邻通道串扰较大，很难实现密集波分复用。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种横向振幅切趾的光栅型铌酸锂光学滤波器，是具有低损耗、高边模抑制比、方型光谱且超大FSR的高性能铌酸锂滤波器。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括输入波导、输出波导和N个带有特殊的横向振幅切趾光栅的滤波结构，N个滤波结构依次连接在输入波导和输出波导之间；每个滤波结构均主要由一个带有横向振幅切趾的多模波导光栅的滤波单元和一个滤模器依次连接构成。
每个滤波单元均主要由模式复用/解复用器、多模波导光栅和直通波导依次连接组成。
所述的模式解复用器主要由输入连接波导、下载波导、模式复用工作区和输出连接波导连接构成，输入连接波导的输入端连接上一个滤波结构的滤模器的输出端/输入波导，下载波导的一端作为下载端，输入连接波导的输出端、下载波导的另一端分别连接模式复用工作区的一端，模式复用工作区另一端连接输出连接波导的一端，输出连接波导的另一端连接到多模波导光栅的输入端。
所述的多模波导光栅实现TE0模式反向耦合为TE1模式，满足相位匹配条件：
(neff0+neff1)/2＝λ/Λ
其中，neff0为TE0模式的有效折射率，neff1为TE1模式的有效折射率，λ为滤波波长，Λ为光栅锯齿周期。
所述的多模波导光栅为横向振幅切趾的多模波导光栅，多模波导光栅沿波导传输方向的两侧均设置齿形结构，每侧的齿形结构的各个齿顶端沿传播方向渐变分布，每侧的齿形结构的各个齿槽底端沿传播方向渐变分布，且两侧齿形结构以齿和齿槽在两侧相对对称布置而设置，一侧齿形结构的齿顶部处到另一侧齿形结构的齿槽底部处的间距w始终相同。
两侧齿形结构的齿宽和齿槽槽宽均相同，两侧齿形结构均以齿和齿槽依次交替布置，一侧齿形结构初始为齿，另一侧齿形结构初始为齿槽，使得两侧齿形结构以齿和齿槽在两侧相对布置而设置。
对于每一侧齿形结构的两端的齿槽深度中点之间作连线，每侧的齿形结构的各个齿顶端相对于连线以固定的变化函数进行变化，每侧的齿形结构的各个齿槽底端也相对于连线以固定的相同变化函数进行变化，使得多模波导光栅沿波导传输方向的宽度始终相同。
本发明在每个齿顶端到连线的偏移距离/齿槽底端到连线的偏移距离0.5*Δδ进行设置作为微扰，按照高斯、正弦、汉明等函数变化。
所述的变化函数为高斯、正弦、汉明等函数。
如图5所示，所述的多模波导光栅可以采用多种形式的锯齿，包括图5(a) 矩形锯齿、图5(b)三角形锯齿和图5(c)余弦形锯齿等。
所述的直通波导主要由直通波导渐变区和直通波导输出区依次连接而成，直通波导渐变区输入端与多模波导光栅的输出端连接，直通波导输出区输出端连接当前所在滤波结构的滤模器的输入端。
所述的输入波导、输出波导、滤波结构均均由掩埋氧化层衬底及其上的薄膜铌酸锂结构层构成，其中薄膜铌酸锂结构层键合于掩埋氧化层衬底的上表面，薄膜铌酸锂结构层由两个薄膜铌酸锂层层叠成脊形构成。
本发明的滤波器由薄膜铌酸锂平台上输入波导、N个滤波单元、N个滤模器和输出波导组成。每个滤波单元均由模式(解复用器)、横向振幅切趾的多模波导光栅和直通波导连接。相邻滤波单元之间由一个滤模器连接，输入波导连接第一滤波单元模式复用/解复用器的输入连接波导作为输入端，每个滤波单元的模式复用/解复用器的下载波导为该滤波单元下载端，第N滤模器连接输出波导作为输出端。
本发明基于横向振幅切趾的多模波导光栅，容差大，带宽可调节，长波不受FSR限制，可以实现各种不同带宽，不同通道数需求的滤波器；通过横向调节光栅齿深实现切趾，降低了相邻通道间的串扰，在薄膜铌酸锂平台上实现了大带宽抑制比的多模光栅滤波器，大大提高了该光栅滤波器的性能，为铌酸锂平台提供了核心无源器件——滤波器。
本发明的有益效果是：
本发明通过引入多模波导光栅和模式复用/解复用器，利用模式转换的方法实现了紧凑的波导滤波结构。
本发明采用布拉格反射式结构，避免了铌酸锂波导上的偏振旋转，且具有灵活的波长选择性、3dB带宽调节范围大、低附加损耗和超宽的自由光谱范围等优点，易于满足各类光通信应用需求。
本发明通过调节光栅两侧齿深渐变、保持反对称齿分布和保证光栅有效波导宽度不变实现切趾，避免了其他模式(例如TE0)的反射，获得一个大边带抑制比和在长波无限大FSR的薄膜铌酸锂平台上的光栅滤波器。
本发明采用x切的薄膜铌酸锂与现有铌酸锂平台上较为成熟的电光调制器工艺兼容，可以实现进行进一步集成。
本发明可以用平面集成光波导工艺制作，只需要一次刻蚀完成，工艺简便，成本低，性能高，损耗小，具有很大的生产化潜力。
综合来说，本发明在薄膜铌酸锂平台上获得了一个工艺容差大，结构简单、 3dB带宽调节范围大、低损耗，边带抑制比大和在长波无限大FSR的光学滤波器。
附图说明
图1是本发明的一种横向振幅切趾的多通道光栅型铌酸锂光学滤波器的整体结构示意图。
图2是本发明横向振幅切趾的多模光栅滤波器示意图。
图3是本发明横向振幅切趾的多模波导光栅采用的不同切趾函数形式的示意图，包括但不限于(a)高斯函数、(b)正弦函数和(c)汉明函数。
图4是本发明的横向振幅切趾的光栅型铌酸锂光学滤波器横截面结构示意图。
图5是多模波导光栅采用的锯齿形式，包括但不限于(a)矩形锯齿、(b) 三角形锯齿和(c)余弦形锯齿。
图6是本发明的工作原理图。
图7是本发明采用高斯切趾函数的长波无限FSR的仿真效果示意图。
图8是本发明实施例1采用高斯切趾函数的各反对称多模波导光栅的仿真结果图。
图9是本发明实施例2采用汉明切趾函数的各反对称多模波导光栅的仿真结果图。
上述的附图中，附图标记含义如下：1、输入波导；2、输出波导；a1为第一滤波单元，…，aN为第N滤波单元，b1为第一滤模器，…，bN为第N滤模器3、掩埋氧化层衬底；4、薄膜铌酸锂结构层；
在滤波单元中，an1(n＝1,2,…,N-1,N)为第n滤波单元的模式解复用器，an2 为第n滤波单元的横向振幅切趾的多模波导光栅，an3为第n滤波单元的直通波导；
n01为第n滤波单元的模式解复用器的输入连接波导，n02为第n滤波单元的模式解复用器的模式复用工作区，n03为第n滤波单元的模式解复用器的输出连接波导，n04为第n滤波单元的模式解复用器的下载波导；
an2为第n滤波单元中横向振幅切趾的多模波导光栅。
an3为第n滤波单元的直通波导，n06为第n滤波单元的直通波导的直通波导渐变区，n07为第n滤波单元的直通波导的直通波导输出区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施的光学滤波器包括输入波导1、输出波导2和N个滤波结构，N个滤波结构依次连接在输入波导1和输出波导2之间；每个滤波结构均主要由沿波导传输方向的一个带有横向振幅切趾的多模波导光栅的滤波单元和一个滤模器依次连接构成。这样使得输入波导1和输出波导2之间之间串联N个结构类似的滤波单元和滤模器，第一滤波单元a1、第一滤模器b1、…、第N滤波单元aN、第N滤模器bN依次连接。其中，第一个滤波单元的输入端和输入波导1连接，上一个滤波结构的滤模器输出端和下一个滤波结构的滤波单元的输入端连接，最后一个滤波结构的滤模器输出端和输出波导2连接。
如图2所示，每个滤波单元an均为多模光栅滤波器结构，且结构相同，均主要由模式复用/解复用器an1、多模波导光栅an2和直通波导an3依次连接组成。
这样模式解复用器an1的输出连接波导n03经多模波导光栅an2中带有横向振幅切趾的多模波导光栅n05与直通波导an3的输入端n06连接，n＝1,2,…,N-1,N。
模式解复用器an1主要由沿波导传输方向的输入连接波导n01、下载波导n04、模式复用工作区n02和输出连接波导n03连接构成，输入连接波导n01的输入端连接上一个滤波结构的滤模器bn的输出端/输入波导1，下载波导n04的一端作为滤波单元下载端，输入连接波导n01的输出端、下载波导n04的另一端分别连接模式复用工作区n02的一端，模式复用工作区n02另一端连接输出连接波导n03的一端，输出连接波导的另一端连接到多模波导光栅an2的输入端。
输入波导1的输入端作为信号输入端，输入波导1的输出端连接第一滤波单元a1的模式复用/解复用器an1的输入连接波导101，第N滤模器bN的输出端连接输出波导2作为信号输出端。
模式复用/解复用器an1中的模式复用工作区n02，用于实现TE1模式向TE0 的模式转换，可以但不限于由不对称定向耦合波导、绝热演化波导、光栅辅助耦合波导构成。
横向振幅切趾的多模波导光栅an2锯齿分布一直保持反对称分布，使得入射的TE0模式被反射后转换为TE1模式，多模波导光栅an2实现TE0模式反向耦合为TE1模式，满足相位匹配条件：
(neff0+neff1)/2＝λ/Λ
其中，neff0为TE0模式的有效折射率，neff1为TE1模式的有效折射率，λ为滤波波长，Λ为光栅锯齿周期。
多模波导光栅an2为横向振幅切趾的多模波导光栅n05，多模波导光栅n05 沿波导传输方向的两侧均设置齿形结构，每侧的齿形结构的各个齿顶端沿传播方向渐变分布，每侧的齿形结构的各个齿槽底端沿传播方向渐变分布，且两侧齿形结构以齿和齿槽在两侧相对对称布置而设置，即反对称结构，一侧齿形结构的齿和另一侧齿形结构的齿槽相对布置多模波导光栅n05的对称两侧，一侧齿形结构的齿相对于多模波导光栅n05的中心线对称过去后为另一侧齿形结构的齿槽，一侧齿形结构的齿顶部处到另一侧齿形结构的齿槽底部处的间距始终相同，波导传输方向的各处相同。
对于每一侧齿形结构的两端的齿槽深度中点之间作连线，连线应平行于波导传输方向，每侧的齿形结构的各个齿顶端相对于连线以固定的变化函数进行变化，每侧的齿形结构的各个齿槽底端也相对于连线以固定的变化函数进行变化，且齿分布一直保持反对称分布，多模波导光栅n05沿波导传输方向的宽度始终相同。
本发明在每个齿顶端到连线的偏移距离/齿槽底端到连线的偏移距离0.5*Δδ进行设置作为微扰，按照高斯、正弦、汉明等函数变化。且函数以多模波导光栅an2的中心点在多模波导光栅an2两端之间对称布置，使得每侧齿形结构的两端之间以多模波导光栅an2中心点对称布置。且正弦取为前1/2周期。
如图3所示，切趾函数可以采用多种渐变函数，包括图3(a)高斯函数、图 3(b)正弦函数和图3(c)汉明函数等。
如图5所示，多模波导光栅可以采用多种形式的锯齿，包括图5(a)矩形锯齿、图5(b)三角形锯齿和图5(c)余弦形锯齿等。
本发明通过横向振幅切趾的多模波导光栅an2的结构克服了传统布拉格式滤波器边摸抑制比差的缺陷，提高了消光比，增加了边带抑制比，为铌酸锂平台提供了核心无源器件——滤波器。
而且，本发明通过上述结构设置能够在长波波长处时没有其他模式反射产生，能随意在长波波长处建立数个通道进行控制，能够满足现有所有通信协议里的中心波长，3dB带宽、边带抑制比、通道数等要求。
直通波导an3主要由沿波导传输方向的直通波导渐变区n06和直通波导输出区n07依次连接而成，直通波导渐变区n06输入端与多模波导光栅an2的输出端连接，直通波导渐变区n06的宽度从多模波导光栅an2输出端的宽度到直通波导输出区n07的输入端宽度渐变，用于连接多模波导光栅an2输出端和直通波导输出区n07之间；直通波导输出区n07输出端连接当前所在滤波结构的滤模器的输入端。
如图3所示，输入波导1、输出波导2、滤波结构均由掩埋氧化层衬底3及其上的薄膜铌酸锂结构层4构成，其中薄膜铌酸锂结构层4键合于掩埋氧化层衬底3的上表面，薄膜铌酸锂结构层4由两个薄膜铌酸锂层层叠成脊形构成。
具体实施中，两个薄膜铌酸锂结构层的厚度相同，底层的薄膜铌酸锂层的厚度为200nm，顶层的薄膜铌酸锂层的厚度为200nm，顶层的薄膜铌酸锂层的刻蚀倾斜角度设计为72°。
多模波导光栅an2的波导延伸方向为铌酸锂晶体y轴方向，铌酸锂晶体的z 轴方向与波导延伸方向垂直。
下面说明本发明作为横向振幅切趾的多通道光栅型薄膜铌酸锂光学滤波器的工作过程：
本发明的工作原理如图5所示，携带信息的各个波长(λ1…λn)光信号从输入端输入。各个波长的光波TE0模式信号经过模式解复用器an1后模斑被展宽，但不激发高阶模式，进入横向振幅切趾的多模波导光栅后，满足相位匹配条件的各个波长被各个横向切趾的多模波导光栅反射并转换为TE1模式，被反射的各个波长的光(λ1…λN)将被模式解复用器被转换为TE0模式并耦合到模式解复用器an1的下载波导，从各个下载端依次输出信号。通过优化光栅周期、锯齿深度、波导宽度和波导厚度和切趾强度，从而获得一个大带宽、低损耗的大边带抑制比和长波无限大FSR的铌酸锂光学滤波器。
本发明的具体实施1例如下：
选用基于绝缘体上铌酸锂(LNOI)材料的薄膜铌酸锂纳米线光波导：其芯层是铌酸锂材料，薄膜铌酸锂的厚度为400nm，波导结构刻蚀深度为200nm、在波长为1550nm时，折射率为no＝2.21，ne＝2.14，由刻蚀制备工艺导致的波导侧壁倾角为72°；其下包层材料为二氧化硅(SiO2)，厚度为3μm、折射率为1.44；上包层为空气，针对在O-band通信波段的CWDM4器件进行了设计和仿真，此时N＝4。
对于四个多模波导光栅，选取参数为光栅总宽度为2000nm，光栅齿深横向变化采用Δδ＝(δ/2)exp[-b(i-N/2)2/N2]的高斯函数，其中Δδ是横向光栅齿槽深，δ表示i＝N/2时对应的光栅齿槽深，b是切趾强度，i表示第i个光栅对应的数值， N是布拉格光栅的周期个数，exp[]表示以自然常数e为底的指数函数。光栅齿槽深δ为800nm，光栅周期个数为300，光栅占空比为0.5，切趾强度b＝8，四个多模波导光栅的周期分别为339.5nm、34646nm、353nm和359.5nm。
经三维时域有限差分算法对器件的TE模式反射谱进行了仿真验证。图7展示了中心波长为1271nm时，TE1模式的反射谱和透射谱仿真结果，由图可知本发明的器件对于TE模式能在1271nm中心波长获得～16nm的1dB带宽、边模抑制比大于30dB、～0.05dB附加损耗和平顶响应的优异性能，而且在长波 1800nm处时没有其他模式反射，证明了该器件的长波无限FSR。
图8对应为第一、第二、第三和第四多模波导光栅的仿真结果，由图可知本发明的器件在1271nm、1291nm、1311nm和1331nm通道均取得了16nm的 1dB带宽，四个通道均有平顶的响应，插入损耗均<0.05dB，各个通道的串扰均 <-30dB。
本发明的具体实施例2如下：
选用基于绝缘体上铌酸锂(LNOI)材料的薄膜铌酸锂纳米线光波导：其芯层是铌酸锂材料，薄膜铌酸锂的厚度为400nm，波导结构刻蚀深度为200nm、在波长为1550nm时，折射率为no＝2.21，ne＝2.14，由刻蚀制备工艺导致的波导侧壁倾角为72°；其下包层材料为二氧化硅(SiO2)，厚度为3μm、折射率为1.44；上包层为空气，针对在O-band通信波段的CWDM4器件进行了设计和仿真，此时N＝4。
对于四个多模波导光栅，选取参数为光栅总宽度为2000nm，光栅齿深横向变化采用Δδ＝(δ/2)*(1+b*cos(theta(i))/(1+b)的汉明函数,其中theta从-pi线性变化到pi，变化个数为光栅周期数，其中Δδ是横向光栅齿槽深，δ表示i＝N/2(theta＝0) 时对应的光栅齿槽深，b表示切趾强度，cos表示余弦函数，i表示第i个光栅对应的数值，N是布拉格光栅的周期个数，pi为圆周率。光栅齿槽深δ为800nm，光栅周期个数为300，光栅占空比为0.5，b＝1,四个多模波导光栅的周期分别为 341nm、347.5nm、354nm和360.5nm。
经三维时域有限差分算法对器件的TE模式反射谱进行了仿真验证。图9对应为第一、第二、第三和第四多模波导光栅的仿真结果，由图可知本发明的器件在1271nm、1291nm、1311nm和1331nm通道均取得了16nm的1dB带宽，四个通道均有平顶的响应，插入损耗均<0.05dB，各个通道的串扰均<-20dB。证明了采用其他渐变函数作为切趾函数也可以提高该滤波器的性能。由此可见，本发明的器件可以在铌酸锂平台上通过合适的切趾方法获得一个具有一个大带宽、低损耗、大宽带边模抑制比、长波无限FSR和平顶响应的滤波器,连接调制器则可构成多通道的波分复用发射器。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：包括输入波导(1)、输出波导(2)和N个带有横向振幅切趾光栅的滤波结构，N个滤波结构依次连接在输入波导(1)和输出波导(2)之间；每个滤波结构均主要由一个带有横向振幅切趾的多模波导光栅的滤波单元和一个滤模器依次连接构成。
2.根据权利要求1所述的一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：每个滤波单元(an)均主要由模式复用/解复用器(an1)、多模波导光栅(an2)和直通波导(an3)依次连接组成。
3.根据权利要求1所述的一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述的模式解复用器(an1)主要由输入连接波导(n01)、下载波导(n04)、模式复用工作区(n02)和输出连接波导(n03)连接构成，输入连接波导(n01)的输入端连接上一个滤波结构的滤模器(bn)的输出端/输入波导(1)，下载波导(n04)的一端作为下载端，输入连接波导(n01)的输出端、下载波导(n04)的另一端分别连接模式复用工作区(n02)的一端，模式复用工作区(n02)另一端连接输出连接波导(n03)的一端，输出连接波导的另一端连接到多模波导光栅(an2)的输入端。
4.根据权利要求1所述的一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述的多模波导光栅(an2)实现TE0模式反向耦合为TE1模式，满足相位匹配条件：
(neff0+neff1)/2＝λ/Λ
其中，neff0为TE0模式的有效折射率，neff1为TE1模式的有效折射率，λ为滤波波长，Λ为光栅锯齿周期。
5.根据权利要求3所述的一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述的多模波导光栅(an2)为横向振幅切趾的多模波导光栅(n05)，多模波导光栅(n05)沿波导传输方向的两侧均设置齿形结构，每侧的齿形结构的各个齿顶端沿传播方向渐变分布，每侧的齿形结构的各个齿槽底端沿传播方向渐变分布，且两侧齿形结构以齿和齿槽在两侧相对对称布置而设置，一侧齿形结构的齿顶部处到另一侧齿形结构的齿槽底部处的间距w始终相同。
6.根据权利要求5所述的一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：对于每一侧齿形结构的两端的齿槽深度中点之间作连线，每侧的齿形结构的各个齿顶端相对于连线以固定的变化函数进行变化，每侧的齿形结构的各个齿槽底端也相对于连线以固定的相同变化函数进行变化，使得多模波导光栅(n05)沿波导传输方向的宽度始终相同。
7.根据权利要求6所述的一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述的变化函数为高斯、正弦、汉明等函数。
8.根据权利要求1所述的一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述的直通波导(an3)主要由直通波导渐变区(n06)和直通波导输出区(n07)依次连接而成，直通波导渐变区(n06)输入端与多模波导光栅(an2)的输出端连接，直通波导输出区(n07)输出端连接当前所在滤波结构的滤模器的输入端。
9.根据权利要求1所述的一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器，其特征在于：所述的输入波导(1)、输出波导(2)、滤波结构均均由掩埋氧化层衬底(3)及其上的薄膜铌酸锂结构层(4)构成，其中薄膜铌酸锂结构层(4)键合于掩埋氧化层衬底(3)的上表面，薄膜铌酸锂结构层(4)由两个薄膜铌酸锂层层叠成脊形构成。
10.一种采用如权利1-9任一项所述的一种横向振幅切趾的光栅型多通道薄膜铌酸锂光学滤波器。
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