CN115268120A - 基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器 - Google Patents

基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及拓扑光子晶体及集成光子芯片领域，公开了一种基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，可实现光通讯波段的热可调滤波。其包括硅基底；所述硅基底被直线分界线和环形分界线分成第一区域，第二区域和第三区域；所述直线分界线位于光入射方向所在直线上；所述第一区域和第三区域靠近所述直线分界线的一侧分别排布有一排第一圆形空气孔形成直波导，所述第二区域和第三区域靠近所述环形分界线的一侧分别排布有一排第一圆形空气孔形成环形波导，本发明器件尺寸小，结构简单，适合于光子学芯片集成。

Description

基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器
技术领域
本发明涉及拓扑光子学及光通信系统领域，具体涉及基于能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器。
背景技术
近年来，硅光子学被认为是最有前途的光子集成平台之一，这是因为硅光子学结合了非常高的折射率对比度(硅与空气)以及可以直接利用CMOS技术制造光子芯片等特性。硅光子器件表现出前所未有的紧凑性，尤其是波长选择性器件。其中环形谐振器在硅光子器件中发挥着重要作用，因为硅的高折射率使环形谐振器的尺寸达到前所未有的小。
通常，环形谐振器由一组波导组成，其中至少有一个闭环耦合到输入波导和输出波导。环形谐振器的工作原理是基于光在共振波长的干涉，在多次往返后强度逐渐增加。由于谐振器的光程长度恰好是一个波长的整数时才会发生共振，所以环形谐振器可以作为一个滤波器。此外，两个或多个环形谐振器和波导可以相互耦合形成加/减滤波器或全通滤波器。此外环形谐振器可应用于波分复用器件、逻辑门、光调制器、可调谐激光、光电器件等。可调的环形谐振器也被广泛研究。2019年，Su等人(Record Purcell factors inultracompact hybrid plasmonic ring resonators[J].Science Advances,2019,5(8):eaav1790)设计了一种传统的直波导和圆环耦合的可调环形谐振器，质量因子Q为320，通过改变温度实现可调，调制效率达到了0.052nm/℃。2008年，Shen等人(Thermally tunablemicroring resonator for self-collimated beams in photonic crystals[C]International Workshop on Metamaterials.IEEE,2008)在光通信波段设计了一种基于光子晶体直波导和正方形环耦合的可调环形谐振器，质量因子Q为363，通过改变温度实现可调，调制效率为0.08nm/℃。
环形谐振器会出现一系列等间隔的共振峰，这些共振峰之间的间距被定义为自由频谱范围(FSR)。在许多应用中，会有一个相对较大的FSR(几纳米)，这要求环的尺寸要小。尽管硅与空气之间的高折射率对比会对波导产生强烈的约束，包括传统的硅波导和基于波导的光子晶体(PC)结构，但在制造过程中结构的缺陷仍然会引入强烈的光损耗，降低微环谐振器的性能。相比之下，拓扑光子晶体(TPC)具有独特的抗散射单向传输特性。近年来，随着能谷光子晶体(VPC)结构的发展，可以实现尺寸小、损耗低、可集成的高效环形谐振器。2021年，Gu等人(A topological photonic ring-resonator for on-chip channelfilters[J].Journal of Lightwave Technology,2021,PP(99):1-1)在光通信波段设计了基于拓扑能谷光子晶体环形谐振滤波器。此外，可以通过简单地增加或减少每个环的有效光程长度来改变谐振波长，因此可以通过控制结构的有效折射率来调整结构的有效光程，而不改变几何结构，这在硅光子器件的应用中很重要。
但现有技术中，光通信波段尚无基于拓扑能谷光子晶体实现的可调滤波器件。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，以实现基于光子晶体结构的光通信波段的可调滤波器件。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，其特征在于，包括硅基底；所述硅基底被直线分界线和环形分界线分成第一区域，第二区域和第三区域；所述直线分界线位于光入射方向所在直线上；第一区域位于直线分界线一侧，第二区域和第三区域位于直线分界线另一侧，且所述第二区域位于所述第三区域内；
所述第一区域和第二区域内，第一圆形空气孔和第二圆形空气孔分别呈三角晶格交错设置形成第一能谷型光子晶体，所述第三区域内，第二圆形空气孔和第一圆形空气孔分别呈三角晶格交错设置形成第二能谷型光子晶体；
所述第一区域和第三区域靠近所述直线分界线的一侧分别排布有一排第一圆形空气孔形成直波导，所述第二区域和第三区域靠近所述环形分界线的一侧分别排布有一排第一圆形空气孔形成环形波导，所述环形波导与所述直波导连接；所述第一圆形空气孔、第二圆形空气孔的半径分别为R1、R2，其满足条件：R1>R2。
第一圆形空气孔和第二圆形空气孔形成的三角晶格的晶格常数均为a＝482nm。
所述第一圆形空气孔、第二圆形空气孔的半径分别为：R1＝129nm，小圆形空气孔的半径R2＝43nm。
所述环形波导为其中一条边与所述直波导平行的等边三角形，其顶点与所述直波导相交。
所述硅基底的厚度为220nm，所述第一圆形空气孔和第二圆形空气孔贯穿所述硅基底。
所述的基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，通过改变硅基底温度来改变硅基底的折射率，进而实现可调滤波功能。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，利用拓扑光子晶体的抗散射和单向传输性质构建了一个热可调的拓扑环形谐振器与拓扑直波导耦合的滤波器，实现高质量因子Q值和宽自由频谱范围(FSR)。通过改变温度，对耦合谐振器形成的谐振峰的位置进行调节。由于硅的特性，温度的升高(降低)，使其折射率变大(减小)，导致谐振峰向长(短)波长移动。在100K–750K的温度变化范围内，调制相位达到了7.73π，调节效率0.064nm/K，整个可逆的调节过程为光电集成提供了很大的便利。该设计尺寸小，结构简单，适合于片上集成。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器的结构示意图；
图2为本发明实施例中第一能谷光子晶体(VPC1)拓扑结构能带图；
图3为本发明实施例中第一能谷光子晶体(VPC1)拓扑结构能带的中心波长随着温度变化情况示意图；
图4为本发明实施例中不同温度下拓扑直波导的边缘态能带结构图(展示温度为100K，450K，750K)；
图5为本发明实施例中环形谐振滤波器在波长1531.12nm处TE模式光波传输电场强度分布图；
图6为本发明实施例中环形谐振滤波器在波长1538.13nm处TE模式光波传输电场强度分布图；
图7为本发明实施例中环形谐振滤波器在温度100K下波长透射率谱；
图8为本发明实施例中环形谐振滤波器在不同温度下的波长透射率谱；
图9为本发明实施例中环形谐振滤波器在不同温度下谐振波长随温度变化的线性拟合图；
图1中，1为直波导，2为环形波导，3为第一区域，4为第二区域，5为第三区域，6为第一能谷型光子晶体，7为第二能谷型光子晶体，8为直线分界线，9为环形分界线，10为第一圆形空气孔，11为第二圆形空气孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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做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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，包括硅基底；所述硅基底被直线分界线8和环形分界线9分成第一区域3，第二区域4和第三区域5；所述直线分界线8位于光入射方向所在直线上；第一区域3位于直线分界线8一侧，第二区域4和第三区域5位于直线分界线8另一侧，且所述第二区域4位于所述第三区域5内，即第二区域4被第三区域5包围。
所述第一区域3和第二区域4内，第一圆形空气孔10和第二圆形空气孔11分别呈三角晶格交错设置形成第一能谷型光子晶体(VPC1)6，所述第三区域5内，第二圆形空气孔11和第一圆形空气孔10分别呈的三角晶格交错设置形成第二能谷型光子晶体(VPC2)7。具体地，本实施例中，第一能谷型光子晶体中和第二能谷型光子晶体为镜像结构，即：第一能谷型光子晶体中，以第一圆形空气孔圆心为顶点形成的最小六方蜂窝结构中，第二圆形空气孔形成倒立的正三角形，相反，第二能谷型光子晶体中，以第一圆形空气孔圆心为顶点形成的最小六方蜂窝结构中，第二圆形空气孔形成正立的正三角形。
所述第一区域3和第三区域5靠近所述直线分界线8的一侧分别排布有一排第一圆形空气孔10形成直波导1，所述第二区域4和第三区域5靠近所述环形分界线9的一侧分别排布有一排第一圆形空气孔10形成环形波导2，所述环形波导2与所述直波导2连接，所述第一圆形空气孔10、第二圆形空气孔11的半径分别为R1、R2，其满足条件：R1>R2。
具体地，本实施例中，第一圆形空气孔10和第二圆形空气孔11形成的三角晶格的晶格常数均为a＝482nm。
具体地，本实施例中，所述第一圆形空气孔10、第二圆形空气孔11的半径分别为：R1＝129nm，小圆形空气孔的半径R2＝43nm。
具体地，本实施例中，所述环形波导2为其中一条边与所述直波导1平行的等边三角形，其顶点与所述直波导1相交。
具体地，本实施例中，所述硅基底的厚度为220nm，所述第一圆形空气孔10和第二圆形空气孔11贯穿所述硅基底。
优选地，本实施例中，硅基底1上的所有区域(包括第一区域3，第二区域4、第三区域5)内的圆形空气孔(包括第一圆形空气孔10、第二圆形空气孔11)的圆心均遵循统一的六角蜂窝结构排布，该六角蜂窝的边长为
Figure BDA0003825682150000051
其中a表示第一圆形空气孔10或第二圆形空气孔11形成的三角晶格的晶格常数。
具体地，本实施例中，通过改变温度来改变硅基底的折射率，进而实现可调滤波功能。
本发明实施例提供的一种基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，可以基于CMOS技术进行加工，其加工方法为：首先选取一个标准的具有220nm厚的顶层硅和3μm厚二氧化硅层的SOI晶片，第一步在硅表面涂覆光刻胶(ZEP520A)，然后使用电子束光刻对于光刻胶进行曝光，随后使用光刻胶作为掩模层进行反应离子刻蚀，在此步骤中，重要的是要获得垂直蚀刻侧壁，以保持光子晶体结构相对于位于光子晶体平板中间的x-y平面的镜面对称性。然后在此基础上，在制作好的结构上涂覆光刻胶，同时在光刻胶上做出需要刻蚀的图形，之后以光刻胶作为掩模，使用稀释的氢氟酸刻蚀15分钟，移除二氧化硅衬底。这就可以得到一个独立式的环形谐振器结构。
如图2所示，为本发明实施例中第一能谷光子晶体(VPC1)的能带图。点线阴影区域为空气光锥，在1455.31nm–1776.72nm范围内可以看出存在一个TE模式带隙，由竖线阴影区域标记。所述第二能谷光子晶体(VPC2)与第一能谷光子晶体(VPC1)有着相同的能带结构。图3中，为不同温度下第一能谷光子晶体(VPC1)的能带的中心波长的变化情况，这里温度变化100K–750K(温度间隔为50K，除了250K–293K的温度间隔为43K，293K–350K的温度间隔为57K)。可以看到随着温度的增加，因为硅的折射率变大，第一能谷光子晶体(VPC1)的能带的中心波长向长波长移动。
如图4所示，为本发明实施例中拓扑的直波导1的边缘态能带图，图中横线阴影区域为体带，点线阴影区域为空气光锥。从图中可以看出，不同温度下拓扑波导处于不同的工作波段。
如图5为温度100K下波长1531.12nm处的TE模式光波传输电场强度在环形谐振滤波器中的分布图，由于1531.12nm处满足共振条件，可以看出在共振模式中光波被很好的限制在环中起到滤波的作用。如图6为温度100K下波长1538.13nm处的TE模式光波传输电场强度在环形谐振滤波器中的分布图，可以看出1538.13nm处，光波几乎都在直波导传输。
如图7所示，为温度100K下环形谐振滤波器的透射率曲线图，图中可以看出，工作波段在1492.57nm–1632.50nm范围内，在该工作范围内出现了间隔相等的谐振峰，自由频谱区域(FSR)为10.54nm。在共振波长1531.12nm处，半高宽为1.2nm，质量因子为1275.93。而在1538.13nm处透射率达到了0.78以上。如图8所示，以100K下1531.12nm特定峰为基准，可以看到随着温度增加峰位向长波长移动。如图9所示，为不同温度下特定谐振峰的偏移情况，以100K下1531.12nm为基准。谐振峰的偏移量和温度的变化量满足线性关系，调制效率为0.064nm/K。谐振环输出端持续保持低透射率，因此可以说明本结构实现了可调滤波的功能。本实施例中，硅基底采用色散折射率；白色空气孔折射率为1。
本发明提供了一种基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，通过两种光子晶体在分界处形成直波导和环形波导得到，由于第一光子晶体VPC1和第二光子晶体VPC2各自边缘处谷边缘态的共同作用，可以实现直波导和环形波导内的光子单向传输，其可以实现高质量因子Q值和宽自由频谱范围(FSR)，由于硅的特性，温度的升高(降低)，使其折射率变大(减小)，导致谐振峰向长(短)波长移动。在100K–750K的温度变化范围内，调制相位达到了7.73π，调节效率0.064nm/K，整个可逆的调节过程为光电集成提供了很大的便利。同时，该器件尺寸小，结构简单，适合于光子学芯片集成。因此，在1550nm附近波段内，本发明可以通过改变温度来改变硅的折射率，进一步改变硅和空气的相对折射率，可用于实现能谷光子晶体器件的可调滤波功能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，其特征在于，包括硅基底，所述硅基底被直线分界线(8)和环形分界线(9)分成第一区域(3)，第二区域(4)和第三区域(5)；所述直线分界线(8)位于光入射方向所在直线上；第一区域(3)位于直线分界线(8)一侧，第二区域(4)和第三区域(5)位于直线分界线(8)另一侧，且所述第二区域(4)位于所述第三区域(5)内；
所述第一区域(3)和第二区域(4)内，第一圆形空气孔(10)和第二圆形空气孔(11)分别呈三角晶格交错设置形成第一能谷型光子晶体，所述第三区域(5)内，第二圆形空气孔(11)和第一圆形空气孔(10)分别呈的三角晶格交错设置形成第二能谷型光子晶体；
所述第一区域(3)和第三区域(5)靠近所述直线分界线(8)的一侧分别排布有一排第一圆形空气孔(10)形成直波导(1)，所述第二区域(4)和第三区域(5)靠近所述环形分界线(9)的一侧分别排布有一排第一圆形空气孔(10)形成环形波导(2)，所述环形波导(2)与所述直波导(1)连接，所述第一圆形空气孔(10)、第二圆形空气孔(11)的半径分别为R1、R2，其满足条件：R1>R2。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，其特征在于，第一圆形空气孔(10)和第二圆形空气孔(11)形成的三角晶格的晶格常数均为a＝482nm。
3.根据权利要求1所述的基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，其特征在于，所述第一圆形空气孔(10)、第二圆形空气孔(11)的半径分别为：R1＝129nm，小圆形空气孔的半径R2＝43nm。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，其特征在于，所述环形波导(2)为其中一条边与所述直波导(1)平行的等边三角形，其顶点与所述直波导(1)相交。
5.根据权利要求1所述的基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，其特征在于，所述硅基底的厚度为220nm，所述第一圆形空气孔(10)和第二圆形空气孔(11)贯穿所述硅基底。
6.根据权利要求1所述的基于拓扑能谷光子晶体的热可调环形谐振滤波器，其特征在于，通过改变硅基底温度来改变硅基底的折射率，进而实现可调滤波功能。
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