CN116299868A - 一种双谐振腔滤波器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种双谐振腔滤波器，滤波器包括衬底、第一直波导、第二直波导和环形谐振腔；第一直波导、第二直波导和环形谐振腔均位于衬底上；第一直波导和第二直波导，设置于环形谐振腔的两侧，且分别与环形谐振腔耦合；第一直波导上设有第一孔洞，第二直波导上设有第二孔洞，第一孔洞、第二孔洞以及环形谐振腔之间，形成法布里‑珀罗谐振腔。采用本方法能够获得高消光比的滤波谱线。
Description
技术领域
本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种双谐振腔滤波器。
背景技术
目前，社会对通信容量的需求日益增长，但是通信波段的带宽资源却是非常有限的，这就要求用户需要对光谱进行高质量的波长选择，这时低损耗、窄带宽、高消光比的光滤波器的作用就显得尤为重要。除此之外，光滤波器在可调谐激光器、波分复用/解复用器、光交换阵列等有源及无源器件中都有很重要的应用。与传统的以光纤为基础的光器件相比，集成光子器件的体积和尺寸大幅度减小，可实现大规模、高密度的集成。另外，在硅、氧化硅等硅基平台上制作的集成光子器件在光通信波段信号传输几乎是透明的，具有低损耗、低成本、制作流程简单、工艺成熟、易实现规模化和产业化等特点。
目前的集成光滤波器件大多利用微环谐振腔或者片上受激布里渊散射效应来实现。其中，片上受激布里渊散射效应的实现往往需要高功率的泵浦光注入，来激发出布里渊散射效应；还需要复杂的器件结构来得到较高的布里渊增益系数，例如光子晶体结构、悬空波导结构等，而这些复杂的结构往往都需要繁琐的制作工艺来实现，不利于规模化和产业化。基于微环谐振腔的集成光滤波器件则具有结构简单、便于设计、体积尺寸小、制作工艺容易实现等特点，近年来受到广泛关注。
然而，现有的单一的微环谐振腔的结构过于简单，灵活性不高，难以获得高消光比的滤波谱线。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种双谐振腔滤波器。
本申请提供了一种双谐振腔滤波器。所述滤波器包括衬底、第一直波导、第二直波导和环形谐振腔；
所述第一直波导、所述第二直波导和所述环形谐振腔均位于所述衬底上；
所述第一直波导和所述第二直波导，设置于所述环形谐振腔的两侧，且分别与所述环形谐振腔耦合；所述第一直波导上设有第一孔洞，所述第二直波导上设有第二孔洞，所述第一孔洞、所述第二孔洞以及所述环形谐振腔之间，形成法布里-珀罗谐振腔。
在其中一个实施例中，所述法布里-珀罗谐振腔的等效腔长的两倍，为所述环形谐振腔的腔长的整数倍。
在其中一个实施例中，所述环形谐振腔为一个或多个封闭的环状结构的组合，所述多个封闭的环状结构，依次垂直排布于所述衬底上，且相邻的环状结构相互耦合。
在其中一个实施例中，在所述环状结构的数量为奇数的情况下，所述第一孔洞和所述第二孔洞位于所述环形谐振腔的同一侧；在所述环状结构的数量为偶数的情况下，所述第一孔洞和所述第二孔洞位于所述环形谐振腔的两侧。
在其中一个实施例中，所述环形谐振腔为两个互相耦合的半径相等的圆环。
在其中一个实施例中，所述环形谐振腔与所述第一直波导之间侧向耦合，所述环形谐振腔与所述第二直波导之间侧向耦合。
在其中一个实施例中，所述第一孔洞和所述第二孔洞的结构相同，且所述第一孔洞和所述第二孔洞为一个或者多个垂直于所述衬底设置的封闭的环状空腔。
在其中一个实施例中，所述衬底为硅基衬底；所述第一直波导、所述第二直波导以及所述环形谐振腔由特征尺寸在微米量级及以下的集成光学材料制成。
在其中一个实施例中，所述第一直波导的横截面宽度和所述第二直波导的横截面宽度，与所述环形谐振腔的横截面环宽相等。
在其中一个实施例中，所述第一直波导的纵截面高度、所述第二直波导的纵截面高度，以及所述环形谐振腔的纵截面高度均相等。
本发明提供的双谐振腔滤波器，利用第一孔洞与第二孔洞对直波导中的光波的反射作用，使得第一孔洞、第二孔洞以及环形谐振腔之间形成一个法布里-珀罗谐振腔，法布里-珀罗谐振腔进而与环形谐振腔构成双谐振腔；法布里-珀罗谐振腔中的光波与环形谐振腔中的光波相互作用，会使光波的滤波谱线发生变化，从而产生新的、高消光比、低噪声的滤波谱线。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例一提供的一种双谐振腔滤波器的结构示意图；
图2为本申请实施例一提供的双谐振腔滤波器的滤波谱线的仿真结果示意图；
图3A为本申请实施例一提供的双谐振腔滤波器的光波从第一直波导至第二直波导的传输路径示意图；
图3B为本申请实施例一提供的双谐振腔滤波器的光波从第二直波导至第一直波导的传输路径示意图；
图4A为本申请实施例二提供的双谐振腔滤波器的光波从第一直波导至第二直波导的传输路径示意图；
图4B为本申请实施例二提供的双谐振腔滤波器的光波从第二直波导至第一直波导的传输路径示意图；
图5为本申请实施例二提供的双谐振腔滤波器的滤波谱线的仿真结果示意图。
其中，1、第一直波导；2、第二直波导；3、第一孔洞；4、第二孔洞；5、环形谐振腔；6、衬底。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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，也可以是电连接；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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1，图 1 示出了本发明实施例提供一种双谐振腔滤波器的结构，本发明实施例一提供的双谐振腔滤波器，包括衬底6、第一直波导1、第二直波导2和环形谐振腔5。
第一直波导1、第二直波导2和环形谐振腔5均位于衬底6上；第一直波导1和第二直波导2，设置于环形谐振腔5的两侧，且分别与环形谐振腔5耦合；第一直波导1上设有第一孔洞3，第二直波导2上设有第二孔洞4，第一孔洞3、第二孔洞4以及环形谐振腔5之间，形成法布里-珀罗谐振腔。
上述实施例中，衬底6的形状可以是矩形或圆形，但要保证衬底6与第一直波导1、衬底6与第二直波导2以及衬底6与环形谐振腔5所接触的表面是平滑的。另外，衬底6可以是由两种不同的材料组合而成的硅基衬底。具体地，硅基衬底的材料，可以包括绝缘层上的硅材料、锗硅材料、多孔硅、微晶硅以及以硅为基底异质外延其他化合物半导体材料等。例如，本实施例中的衬底6，可以是由两层不同厚度的材料组合而成，下层为760微米厚的硅，上层为3微米厚的氧化硅。
其中，第一直波导1、第二直波导2以及环形谐振腔5都垂直于衬底6上。并且，第一直波导1、第二直波导2以及环形谐振腔5都可以以物理接触的方式直接沉积生长在衬底6表面。其中，相关制作工艺可以包括CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）、PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition，等离子增强化学气相沉积）以及LPCVD（Low Pressure Chemical VaporDeposition，低压化学气相沉积）等。其中，第一直波导1和第二直波导2相互平行设置，且第一直波导1和第二直波导2分布于环形谐振腔5的两侧，分别与环形谐振腔5耦合。第一直波导1和第二直波导2的结构，可以是等高的长方体结构，长方体结构的底面与衬底6的表面接触，且与衬底6的表面平行。其中，环形谐振腔5与衬底6的接触面可以是一个圆环。环形谐振腔5是一个以圆环为底，以第一直波导1和第二直波导2的高为高的立体圆环状结构。第一直波导1上设有第一孔洞3，第二直波导2上设有第二孔洞4，上述第一孔洞3和第二孔洞4为一个或者多个垂直于衬底6设置的封闭的环状空腔。上述封闭的环状空腔，可以是圆形空腔、椭圆形空腔以及跑道形空腔等封闭的空腔。上述孔洞，可以仅仅是一种环状空腔，也可以是多种环状空腔的组合。但是需要注意的是，第一孔洞3与第二孔洞4的最大宽度也不能超过其所在的直波导的横截面的宽度，且第一孔洞3与第二孔洞4的结构相同。上述第一孔洞3与第二孔洞4的结构相同，可以是指第一孔洞3与第二孔洞4的环状空腔的数量和大小均相同。上述第一孔洞3与第二孔洞4的结构相同，其目的是使得通过第一孔洞3反射的光波，部分光波能够通过环形谐振腔5进入第二直波导2后遇到与第一孔洞3相同的第二孔洞4，通过第一孔洞3反射的光波，部分光波能够在第二孔洞4处进行反射，使得第一孔洞3和第二孔洞4之间可以形成法布里-珀罗谐振腔。
优选地，第一直波导1、第二直波导2以及环形谐振腔5的材料，可以由硅半导体材料、铌酸锂材料、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料等任意特征尺寸在微米量级及以下的集成光学材料制成。例如，第一直波导1、第二直波导2和环形谐振腔5的材料均为硅，与衬底6的上层氧化硅之间存在较大的折射率差，可以将光波很好地限制在第一直波导1和第二直波导2中传输。
在本实施例中，光波从第一直波导1进入，在第一直波导1中传输，其中，一部分在经过第一直波导1与环形谐振腔5所形成的第一耦合区时，通过耦合进入环形谐振腔5中；另一部分光波会继续在第一直波导1中传输，直到遇到第一孔洞3，第一孔洞3会将这一部分光波反射回去。从第一孔洞3反射回去的光波，在经过第一耦合区时，仍会有一部分光波通过耦合进入环形谐振腔5中。进入环形谐振腔5中的光波，会沿着环形谐振腔5继续传播，在传播到环形谐振腔5与第二直波导2形成的第二耦合区域时，通过耦合，一部分光波会进入第二直波导2中。进入第二直波导2中的光波，沿着第二直波导2传输，传输至第二孔洞4时，这部分光波会被第二孔洞4反射。经第二孔洞4反射回的光波，在经过第二耦合区时，会有一部分光波通过耦合重新进入环形谐振腔5，在环形谐振腔5中传播。当在环形谐振腔5中传播的光波进入第一耦合区时，会有一部分光波通过耦合，重新进入第一直波导1中，重新进入第一直波导1中的光波沿着第一直波导1传输，直至第一孔洞3。一部分光波会在第一孔洞3被反射，反射回来的光波继续在第一孔洞3中传输，如此循环。
这样，原始输入的光波中的一部分，会在第一孔洞3和第二孔洞4之间来回反射，形成一个法布里-珀罗谐振腔，产生谐振效应。同时，光波在环形谐振腔5中也会发生谐振效应，这两个谐振腔的一分部腔体是重合的，这两个谐振腔产生的谐振效应也会相互作用，就会产生新的滤波谱线。其中，第一孔洞3在第一直波导1中的位置，第二孔洞4在第二直波导2中的位置，可以根据光波在环形谐振腔5中的传播方向进行改变，以便形成法布里-珀罗谐振腔。法布里-珀罗谐振腔具有高品质因子和高品质性，与环形谐振腔5相互作用，使得滤波谱线发生极大地改变，可以产生高消光比、低噪声的滤波谱线。
在一个实施例中，法布里-珀罗谐振腔的等效腔长的两倍，为环形谐振腔5的腔长的整数倍。
其中，法布里-珀罗谐振腔的等效腔长，可以为第一耦合点到第一孔洞3的距离，加上第二耦合点到第二孔洞4的距离之和。其中，第一耦合点，可以为位于第一直波导1上，处于第一耦合区的部分区域的中心点。第二耦合点，可以为位于第二直波导2上，处于第二耦合区的部分区域的中心点。第一耦合点到第一孔洞3的距离，可以是第一耦合点距离第一孔洞3的远离耦合区域的一侧的最远距离，也可以理解为第一耦合点距离光波在第一孔洞3中的反射点的距离。第二耦合点到第二孔洞4的距离，可以是第二耦合点距离第二孔洞4的远离耦合区域的一侧的最远距离，也可以理解为第二耦合点距离光波在第二孔洞4中的反射点的距离。其中，环形谐振腔5的腔长，可以为环形谐振腔5的周长。例如，若环形谐振腔5为一个半径（在本实施例中，可以以圆环内圆的半径为圆环半径）为10微米的圆环，则，环形谐振腔5的腔长约为62.83微米。
根据法布里-珀罗谐振腔的原理可知，法布里-珀罗谐振腔的波长计算公式为：
，其中，m为谐振次数，且，m为正整数，/>
为法布里-珀罗谐振腔的波长，
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为法布里-珀罗谐振腔的等效腔长。
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为环形谐振腔5的波长，/>
为材料的有效折射率（在本实施例中，设置第一直波导1和第二直波导2与环形谐振腔5的材料相同，则环形谐振腔5的材料的有效折射率也是/>
），L2为环形谐振腔5的腔长。
当法布里-珀罗谐振腔和环形谐振腔5的波长相等时，通过上述公式可以得到：
，当法布里-珀罗谐振腔的等效腔长的两倍，为环形谐振腔的腔长的整数倍时，一定存在某两个正整数m和n，使得上述公式成立。当存在某两个整数m 和n，使得法布里-珀罗谐振腔的等效腔长的两倍，为环形谐振腔5的腔长的整数倍时，法布里-珀罗谐振腔与环形谐振腔5之间一定会存在相等的波长，在相等的波长处，法布里-珀罗谐振腔与环形谐振腔5，其腔内的谐振效应就会增强，滤波谱线就会具有高消光比和低噪声，进而可以产生高消光比、低噪声的滤波谱线。
例如，环形谐振腔5的腔长约为62.83微米，第一孔洞3到第一耦合点的距离为62.83微米；第二孔洞4到第二耦合点的距离为62.83微米。则，在第一孔洞3和第二孔洞4之间形成的法布里-珀罗谐振腔的等效腔长为125.66微米，此时法布里-珀罗谐振腔的等效腔长的两倍等于环形谐振腔5的腔长的4倍。此时，正整数m是正整数n的4倍，法布里-珀罗谐振腔和环形谐振腔5之间，存在相同的等效波长
，其中，/>
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为材料的有效折射率，使得两个谐振腔的谐振效应产生相互作用，在这种情况下，形成的滤波谱线具有高消光比、低噪声的特点。
图2为本发明实施例一提供的双谐振腔滤波器的滤波谱线的仿真结果示意图。该双谐振腔滤波器的环形谐振腔5为半径（在本实施例中，可以以圆环内圆的半径为圆环半径）为10微米的圆环，第一孔洞3到第一耦合区的距离为62.83微米；第二孔洞4到第二耦合区的距离为62.83微米。第一孔洞3和第二孔洞4的结构参数相同，均为一个半径为150纳米的圆形孔洞。第一直波导1、第二直波导2、环形谐振腔5的横截面的宽度都相等，均为500纳米；第一直波导1、第二直波导2、第一孔洞3、第二孔洞4、环形谐振腔5的纵截面的高度都相等，均为220纳米。衬底6由两层不同厚度的材料组合而成，下层为760微米厚的硅，上层为3微米厚的氧化硅；第一直波导1、第二直波导2、环形谐振腔5的材料为硅。对上述滤波器的滤波谱线进行仿真，如图2所示，横坐标为入射光的波长（单位：μm），纵坐标为透射功率（单位：dB），其中，透射功率等于光波输出功率与输入功率的比值。
需要说明的是，在本实施例中，虽然举例中第一孔洞3到第一耦合点的距离与第二孔洞4到第二耦合点的距离相等，但是对双环谐振腔滤波器进行设计时，只需要满足法布里-珀罗谐振腔的等效腔长的两倍，为环形谐振腔5的腔长的整数倍即可。第一孔洞3到第一耦合点的距离与第二孔洞4到第二耦合点的距离之间的长度关系，在此不进行限定。
在另一个实施例中，环形谐振腔5为一个或多个封闭的环状结构的组合，多个封闭的环状结构，依次垂直排布于衬底6上，且相邻的环状结构相互耦合。
在本实施例中，上述多个封闭的环状结构，可以是圆形环状结构、椭圆形环状结构以及跑道型环状结构等。在本实施例中，多个封闭的环状结构，可以是相同的环状结构，也可以是不同的环状结构的组合。需要说明的是，多个环状结构可以是不同的环状结构，但是，需要按照固定的方向依次垂直分布于衬底6上。其中，上述固定的方向，是指与直波导的长所垂直的方向。另外，当环形谐振腔5为多个封闭的环状结构时，相邻的环状结构相互耦合。
在本实施例中，光波从第一直波导1进入，在第一直波导1中传输，其中，一部分在经过第一直波导1与环形谐振腔5所形成的第一耦合区时，通过耦合进入环形谐振腔5中；另一部分光波会继续在第一直波导1中传输，直到遇到第一孔洞3，第一孔洞3会将这一部分光波反射回去。从第一孔洞3反射回去的光波，在经过第一耦合区时，部分光波通过耦合，进入距离第一直波导1最近的封闭的环状结构中，这一部分光波在进入距离第一直波导1最近的封闭的环状结构中后，继续传输，直到遇到与之相邻的环状结构，通过耦合，一部分光波会进入相邻的环状结构中，继续在相邻的环状结构中传输。如此循环，直至部分光波通过耦合进入第二直波导2中。光波在第二直波导2中传输，直到遇到第二孔洞4，这部分光波在第二孔洞4处反射，反射后的光波继续在第二直波导2中传输，传输到第二耦合区时，通过耦合，部分光波重新进入环形谐振腔5距离第二直波导2最近的环状结构中，继续传输，直到遇到与之相邻的环状结构，通过耦合，一部分光波会进入相邻的环状结构中，继续在相邻的环状结构中传输，如此循环，直至部分光波通过耦合进入第一直波导1中，这部分光波在第一直波导1中传播直至第一孔洞3，这部分光波在第一孔洞3处反射，如此循环。光波通过耦合，实现在环形谐振腔5的各个环状结构中传输，进而实现第一孔洞3与第二孔洞4之间，形成法布里-珀罗谐振腔。
需要说明的是，当环形谐振腔5为一个环状结构时，制作工艺简单，滤波谱线质量较低。当环形谐振腔5为多个环状结构时，制作工艺复杂，滤波谱线质量较高。可以通过将环形谐振腔5的环状结构设置为不同个数的环状结构，来输出不同的滤波谱线，进而满足不同应用场景。
进一步地，在环状结构的数量为奇数的情况下，第一孔洞3和第二孔洞4位于环形谐振腔5的同一侧；在环状结构的数量为偶数的情况下，第一孔洞3和第二孔洞4位于环形谐振腔5的两侧。
图3A为本申请实施例一提供的双谐振腔滤波器的光波从第一直波导至第二直波导传输路径示意图。如图3A所示（光波的传输路径用箭头表示），光波从第一直波导1进入，直到第一孔洞3（本实施例只考虑形成法布里-珀罗谐振腔的部分光波的传输路径），这部分光波经第一孔洞3反射，继续沿着第一直波导1传输，直至第一耦合区，通过耦合，部分光波进入环形谐振腔5中，进入环形谐振腔5的部分光波沿环形谐振腔5继续传输，直至第二耦合区，通过耦合，部分光波进入第二直波导2中。图3B为本实施例一提供的双谐振腔滤波器的光波从第二直波导至第一直波导传输路径示意图。如图3B所示，部分光波进入第二直波导2后，继续沿着第二直波导2传输，直至第二孔洞4，这部分光波经第二孔洞4反射，继续沿着第二直波导2传输，直至第二耦合区，通过耦合，部分光波进入环形谐振腔5中，进入环形谐振腔5的部分光波沿环形谐振腔5继续传输，直至第一耦合区，通过耦合，部分光波进入第一直波导1中。当环形谐振腔5的环状结构的数量为奇数的情况下，为了使第一直波导1中的光波通过第一孔洞3反射后，通过环形谐振腔5进入第二直波导2后继续传输至第二孔洞4，通过第二孔洞4反射，将这部分光波反射至第二耦合区，使得第一孔洞3和第二孔洞4之间形成法布里-珀罗谐振腔，需要将第一孔洞3和第二孔洞4设置于环形谐振腔5的同一侧。
如上所述，环形谐振腔5可以为一个或多个封闭的环状结构的组合。上述实施例一提供一种双谐振腔滤波器，环形谐振腔5包括一个圆环。接下来，本申请实施例二还提供一种双谐振腔滤波器，环形谐振腔5包括两个圆环。
具体地，图4A为本申请实施例二提供的双谐振腔滤波器的光波从第一直波导至第二直波导2传输路径示意图。如图4A所示，光波从第一直波导1进入，直到第一孔洞3（本实施例只考虑形成法布里-珀罗谐振腔的部分光波的传输路径），这部分光波经第一孔洞3反射，继续沿着第一直波导1传输，直至第一耦合区，通过耦合，部分光波进入环形谐振腔5的第一个圆环，进入第一个圆环的部分光波沿环形谐振腔5继续传输，直至第一个圆环与第二个圆环的耦合区，通过耦合，部分光波进入第二个圆环，进入第二个圆环的部分光波沿环形谐振腔5继续传输，直至第二耦合区，通过耦合，部分光波进入第二直波导2中。
图4B为本申请实施例二提供的双谐振腔滤波器的光波从第二直波导2至第一直波导传输路径示意图。如图4B所示，部分光波进入第二直波导2后，继续沿着第二直波导2传输，直至第二孔洞4，这部分光波经第二孔洞4反射，继续沿着第二直波导2传输，直至第二耦合区，通过耦合，部分光波进入环形谐振腔5的第二个圆环，进入第二个圆环的部分光波沿环形谐振腔5继续传输，直至第一个圆环与第二个圆环的耦合区，通过耦合，部分光波进入第一个圆环，进入第一个圆环的部分光波沿环形谐振腔5继续传输，直至第一耦合区，通过耦合，部分光波进入第一直波导1中。
当环形谐振腔5的环状结构的数量为耦数的情况下，为了使第一直波导1中的光波通过第一孔洞3反射后，通过环形谐振腔5进入第二直波导2后继续传输至第二孔洞4，通过第二孔洞4反射，将部分光波反射至第二耦合区，使得第一孔洞3和第二孔洞4之间形成法布里-珀罗谐振腔，需要将第一孔洞3和第二孔洞4设置于环形谐振腔5的两侧。
图5为本发明实施例二提供的双谐振腔滤波器的滤波谱线的仿真结果示意图。该实施例提供的双谐振腔滤波器的环形谐振腔5为两个垂直分布的半径（在本实施例中，可以以圆环内圆的半径为圆环半径）为10微米的圆环，第一孔洞3到第一耦合区的距离为251.32微米；第二孔洞4到第二耦合区的距离为251.32微米。第一孔洞3和第二孔洞4的结构参数相同，均为一个半径为150纳米的圆形孔洞。第一直波导1、第二直波导2、环形谐振腔5的横截面的宽度都相等，均为500纳米；第一直波导1、第二直波导2、第一孔洞3、第二孔洞4、环形谐振腔5的纵截面的高度都相等，均为220纳米。衬底6由两层不同厚度的材料组合而成，下层为760微米厚的硅，上层为3微米厚的氧化硅；第一直波导1、第二直波导2、环形谐振腔5的材料为硅。对上述滤波器的滤波谱线进行仿真，如图5所示，横坐标为入射光的波长（单位：μm），纵坐标为透射功率（单位：dB），其中，透射功率等于光波输出功率与输入功率的比值。
在一个可行的实施例中，第一直波导1的横截面宽度和第二直波导2的横截面宽度，与环形谐振腔5的横截面环宽相等。
在本实施例中，上述第一直波导1的横截面宽度，可以是指对第一直波导1沿着与衬底6表面平行的方向进行横切，得到的横截面的宽度，也可以理解为第一直波导1与衬底6所接触的面形成的长方形的宽。上述第二直波导2的横截面宽度，可以是指沿着与衬底6表面平行的方向对第二直波导2进行横切，得到的横截面的宽度，也可以理解为第二直波导2与衬底6所接触的面形成的长方形的宽。上述环形谐振腔5的横截面环宽，可以是指沿着与衬底6表面平行的方向对环形谐振腔5进行横切，得到的圆环状的横截面的环宽，也可以理解为环形谐振腔5与衬底6所接触的面形成的圆环的环宽。一般情况下，第一直波导1的横截面宽度、第二直波导2的横截面宽度，以及环形谐振腔5的横截面环宽，可以设置为0.1微米至1微米的区间内的一个长度。在本实施例中，第一直波导1的横截面宽度和第二直波导2的横截面宽度，与环形谐振腔5的横截面环宽相等，其目的是为了将光波很好地限制在直波导中，防止光波在进行耦合的时候，泄露到波导外面，造成不必要的损耗。
在一个可行的实施例中，第一直波导1的纵截面高度、第二直波导2的纵截面高度，以及环形谐振腔5的纵截面高度均相等。
在本实施例中，上述第一直波导1的纵截面高度，可以是指沿着第一直波导1的长对第一直波导1进行纵切，得到的纵截面的高度，也可以理解为第一直波导1位于衬底6上凸出的高度。上述第二直波导2的纵截面高度，可以是指沿着第二直波导2的长对第二直波导2进行纵切，得到的纵截面的高度，也可以理解为第二直波导2位于衬底6上凸出的高度。上述环形谐振腔5的纵截面高度，可以是指沿着环形谐振腔5的直径对环形谐振腔5进行纵切，得到的纵截面的高度，也可以理解为环形谐振腔5位于衬底6上凸出的高度。一般情况下，第一直波导1的纵截面高度、第二直波导2的纵截面高度，以及环形谐振腔5的纵截面高度，可以设置为0.1微米至1微米的区间内的一个长度。在本实施例中，第一直波导1的纵截面高度、第二直波导2的纵截面高度，以及环形谐振腔5的纵截面高度均相等，其目的是为了将光很好地限制在第一直波导1和第二直波导2中，防止光波在进行耦合的时候，泄露到直波导外面，造成不必要的损耗。
在一个优选的实施例中，环形谐振腔5与第一直波导1之间侧向耦合，环形谐振腔5与第二直波导2之间侧向耦合。
在本实施例中，环形谐振腔5上的点到第一直波导1的最小距离为第一距离；第一距离能够保证环形谐振腔5和第一直波导1之间形成有效耦合；环形谐振腔5上的点到第二直波导2的最小距离为第二距离；第二距离能够保证环形谐振腔5和第二直波导2之间形成有效耦合。其中，第一距离和第二距离相等，可以为0.1微米至0.3微米的区间内的一个长度。
本实施例采用第一直波导1的横截面宽度和第二直波导2的横截面宽度，与环形谐振腔5的横截面环宽相等，且第一直波导1的纵截面高度、第二直波导2的纵截面高度，以及环形谐振腔5的纵截面高度均相等的设计，使得本实施例中所有的结构都处在一个水平面上（除了衬底6），他们横截面的高度宽度都相等，水平位置也都相等，此时采用侧向耦合，耦合效率高，防止光波在进行耦合的时候，泄露到直波导外面，造成不必要的损耗。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种双谐振腔滤波器，其特征在于，所述滤波器包括衬底、第一直波导、第二直波导和环形谐振腔；
所述第一直波导、所述第二直波导和所述环形谐振腔均位于所述衬底上；
所述第一直波导和所述第二直波导，设置于所述环形谐振腔的两侧，且分别与所述环形谐振腔耦合；所述第一直波导上设有第一孔洞，所述第二直波导上设有第二孔洞，所述第一孔洞、所述第二孔洞以及所述环形谐振腔之间，形成法布里-珀罗谐振腔。
2.根据权利要求1所述的双谐振腔滤波器，其特征在于，所述法布里-珀罗谐振腔的等效腔长的两倍，为所述环形谐振腔的腔长的整数倍。
3.根据权利要求1所述的双谐振腔滤波器，其特征在于，所述环形谐振腔为一个或多个封闭的环状结构的组合，所述多个封闭的环状结构，依次垂直排布于所述衬底上，且相邻的环状结构相互耦合。
4.根据权利要求3所述的双谐振腔滤波器，其特征在于：
在所述环状结构的数量为奇数的情况下，所述第一孔洞和所述第二孔洞位于所述环形谐振腔的同一侧；
在所述环状结构的数量为偶数的情况下，所述第一孔洞和所述第二孔洞位于所述环形谐振腔的两侧。
5.根据权利要求1所述的双谐振腔滤波器，其特征在于，所述环形谐振腔为两个互相耦合的半径相等的圆环。
6.根据权利要求1所述的双谐振腔滤波器，其特征在于，所述环形谐振腔与所述第一直波导之间侧向耦合，所述环形谐振腔与所述第二直波导之间侧向耦合。
7.根据权利要求1所述的双谐振腔滤波器，其特征在于，所述第一孔洞和所述第二孔洞的结构相同，且所述第一孔洞和所述第二孔洞为一个或者多个垂直于所述衬底设置的封闭的环状空腔。
8.根据权利要求1至权利要求7任意一项所述的双谐振腔滤波器，其特征在于：
所述衬底为硅基衬底；
所述第一直波导、所述第二直波导以及所述环形谐振腔由特征尺寸在微米量级及以下的集成光学材料制成。
9.根据权利要求1至权利要求7任意一项所述的双谐振腔滤波器，其特征在于，所述第一直波导的横截面宽度和所述第二直波导的横截面宽度，与所述环形谐振腔的横截面环宽相等。
10.根据权利要求1至权利要求7任意一项所述的双谐振腔滤波器，其特征在于，所述第一直波导的纵截面高度、所述第二直波导的纵截面高度，以及所述环形谐振腔的纵截面高度均相等。
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|---|---|---|---|
| CN202310528869.2A CN116299868A (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 一种双谐振腔滤波器 |
Applications Claiming Priority (1)
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Citations (3)
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2023
- 2023-05-11 CN CN202310528869.2A patent/CN116299868A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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| JP2007003445A (ja) * | 2005-06-27 | 2007-01-11 | Jeol Ltd | Ｅｓｒ用ファブリ・ペロー共振器およびｅｓｒ装置 |
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| CN114509845A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-05-17 | 苏州熹联光芯微电子科技有限公司 | 一种微环谐振器以及电子器件 |
Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 张江峰等: "输出多线型微环谐振器的研究", 《光学学报》, pages 0923002 - 1 * |
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