CN117270102A - 一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器,包括绝缘硅基底、槽波导微环谐振器，槽波导微环谐振器由2条直槽波导、1个槽波导微环组成；直槽波导由两个高折射率介质硅(Si)层、中间低折射率二氧化硅(SiO2)层垂直叠放组成；槽波导微环由电极金属金(Au)环、高折射率介质硅(Si)环、二氧化铪(HfO2)环、EO聚合物环、二氧化铪(HfO2)环、高折射率介质硅(Si)环、电极金属金(Au)环7层依次由上往下叠放而成，上下对称；上下两侧电极金属层分别与正、负电极相接。本发明具有功耗低、高光约束、可调谐的优势。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学和光片上网络技术领域，具体涉及一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器。
背景技术
光互连片上网络采用波导方式传输数据，具有更高的带宽、更低的延迟和更好的信噪比等优点。光互连片上网络由六个主要的部分组成：光源、路由、光调制器、电光转换驱动器，光子互连网络，以及光电探测器。其中光学滤波器主要用于对通过光子互连网络的光波进行解波分复用。
光滤波器是硅光子学的重要组成部分，光学滤波器是光片上网络中用于解波分复用的重要器件。解波分复用是目前光互连片上网络中用于对光信息进行处理的关键技术，主要用于对多路复用信号进行选择，采用解波分复用技术还可以大幅提升互连的带宽密度，可有效解决电互连技术的关键难题。该功能能够通过可调谐的滤波器实现。
槽波导是由两个高折射率的介质条和两个高折射率的介质条之间的一个低折射率的缝隙组成的微纳结构。由于介电不连续，TM光模倾向于高度集中在两个高折射率的介质条之间。这样的结构利用横向电场在波导边界的不连续性可以将大部分的光能量限制亚波长量级的中间低折射率层,在波导的横向能突破衍射极限。同时槽波导的中间层可以填充不同的材料,极大地丰富了波导材料的选择范围，也显著提高了作用效率，从而实现不同的功能。槽波导不仅可以实现尺寸小的光子器件设计，而且是全介质波导，便于波导的集成。
硅相对较弱的自由载流子色散效应限制了整体调制性能，并要求较高的功耗。最近电光聚合物(EO聚合物)作为硅的替代品有着巨大前景,因为EO聚合物可以在施加电压之下改变其折射率，同时保持可忽略不计的光学损耗。
式中,ΔnE0为EO聚合物折射率的变化，nE0为EO聚合物折射率，r33为EO聚合物的光电系数，单位为pm/v，V为施加电压，d为电极间距离。
光在微环波导中传输的最大特性是发生谐振效应。光从入射端口进入，当光传输到耦合区域时发生耦合效应，光从直波导耦合到微环中，光在微环中发生谐振，并耦合到直波导中，在直通端口或下载端口输出。其中，当光在环形波导中的传输相位差为2π的整数倍时，光在微环中形成稳态模式，从直通端或下载端输出；当光在环形波导中的传输相位差为π的奇数倍时，光信号发生相干相消，少量光发生耦合，大部分光仍然在原直波导中继续传输。因此，微环的基本作用是实现波长的分离。
由于微环具有谐振特性，因此利用这种特性可以实现波长选择性滤波功能。当光信号在微环中发生谐振现象时，能够稳定存在并传输的波长为谐振波长，由光相干理论可知此时满足以下条件:
2πRneff＝mλ (2)
式中，R为圆环硅波导的半径；neff为波导有效折射率，m为圆环硅波的谐振级数，谐振级数为设定的常量整数，其根据圆环硅波导的周长而定，也就是说等式左边的数值要等于波长的m倍，是一个常量；λ为光波波长。
将槽波导和微环结合得到多层叠加的槽波导微环，在槽波导微环上下侧放置电极，通过外加电场的作用，可以改变EO聚合物的折射率，进而调整谐振峰的位置，实现可调谐滤波功能。
发明内容
本发明提供一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器，包括绝缘硅基底、槽波导微环谐振器；槽波导微环谐振器由2条直槽波导、1个槽波导微环组成；2条直槽波导呈横向设置，且2条直槽波导相互平行，环形槽波导位于2条直槽波导之间；上方的直槽波导的左端形成滤波器的光波输入端，上方的直槽波导的右端为光波输出端OUT1，下方的直槽波导的左端为另一个输出端OUT2，下方的直槽波导的右端悬置。
上述方案中，绝缘硅基底由下层的硅基底和上层的二氧化硅基底组成。直槽波导由2个高折射率介质硅(Si)层、中间低折射率二氧化硅(SiO2)层垂直上下叠放组成；槽波导微环由电极金属金(Au)环、高折射率介质硅(Si)环、二氧化铪(HfO2)环、EO聚合物环、二氧化铪(HfO2)环、高折射率介质硅(Si)环、电极金属金(Au)环7层垂直从上往下叠放而成；上下两侧电极金属层分别与正、负电极相接。
上述方案中，直槽波导2个高折射率介质硅(Si)层对称。
上述方案中，上下直槽波导完全相同，对称放置。
上述方案中，两层二氧化铪(HfO2)环作为载流子屏障以降低漏电流来提高电光聚合物的极化效率。
上述方案中，光波输出端OUT1实现功能为带阻滤波器，光波输出端OUT2实现功能为带通滤波器。
上述方案中，EO聚合物环材料为聚合物AJ404。
上述方案中，圆环硅波导必须满足的谐振方程为：2πRneff＝mλ
式中，R为圆环硅波导的半径；neff为波导有效折射率，m为圆环硅波的谐振级数，谐振级数为设定的常量整数，其根据圆环硅波导的周长而定，也就是说等式左边的数值要等于波长的m倍，是一个常量；
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、完全自主设计了一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器的结构，将槽波导和微环结合，实现光滤波功能。
2、基于电光材料的微环，可用电场改变了电光材料的折射率以改变谐振峰位置，实现可调谐滤波功能。
3、槽波导和微环结合的结构具有高光约束和低损耗的特点。
4、虽然直槽波导多层结构的设计灵活性有限，但是该多层结构的制造工艺更为直接，工艺更简单，传输损耗也更小。
5、多个基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器依次串联可叠加成多通道滤波器。如图10所示。
附图说明
图1为一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器的立体结构示意图。
图2为上、下直槽波导的立体结构示意图。
图3为槽波导微环的立体结构示意图。
图4为一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器的俯视图。
图5为一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器的正视图。
图6为一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器的侧视图。
图7为一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器的横截面结构示意图。
图8为上、下直槽波导的横截面结构示意图。
图9为槽波导微环的横截面结构示意图。
图10为多个基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器依次串联结构示意图。
图中标号：1：硅(Si)基底；2：二氧化硅(SiO2)基底；3：上直槽波导；4：下直槽波导；5：槽波导微环谐振器；
3-1：槽波导上层高折射率介质硅(Si)层；3-2：槽波导中间低折射率二氧化硅(SiO2)层；3-3：槽波导下层高折射率介质硅(Si)层；4-1：槽波导上层高折射率介质硅(Si)层；4-2：槽波导中间低折射率二氧化硅(SiO2)层；4-3：槽波导下层高折射率介质硅(Si)层；
微环谐振器从上往下依次为，5-1：微环谐振器上层金属电极金(Au)层；5-2：高折射率介质硅(Si)层；5-3：屏障二氧化铪(HfO2)层；5-4：EO聚合物层；5-5：屏障二氧化铪(HfO2)层；5-6：高折射率介质硅(Si)层；5-7：微环谐振器下层金属电极金(Au)层；
L：上下直槽波导长度；R:槽波导微环的外半径；r：槽波导微环的内半径；H1：硅基底1的厚度；H2：二氧化硅基底2的厚度；w：直槽波导宽度；gap：上下直槽波导和微环的耦合距离；h1为直槽波导高折射率介质硅层的厚度；h2为直槽波导中间低折射率二氧化硅层的厚度；he为微环金属电极金层的厚度；ho为屏障二氧化铪层的厚度；hs为微环高折射率介质硅层的厚度；hEO为微环EO聚合物层的厚度；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。
如图1所示。一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器，该滤波器由绝缘硅基底、槽波导微环谐振器组成。在本实例中，绝缘硅基底由厚度为H1＝10um的下层硅基底和厚度为H2＝3um的上层二氧化硅基底叠加而成。
直槽波导有上下两条3和4，上方的直槽波导3的左端形成滤波器的光波输入端IN，上方的直槽波导3的右端为光波输出端OUT1，下方的直槽波导4的左端为另一个输出端OUT2，下方的直槽波导4的右端悬置。两条直槽波导完全相同且对称放置，长度均为L＝5um；由2个高折射率介质硅(Si)层、中间低折射率二氧化硅(SiO2)层垂直上下叠加而成；直槽波导的两个高折射率介质层、中间低折射率层均为长条形，高折射率介质层和中间低折射率层的宽度相同，均为w＝400nm。在本实例中，高折射率介质层为厚度h1＝300nm的硅(Si)层、中间低折射率层为厚度h2＝100nm的二氧化硅(SiO2)层。立体结构示意图如图2所示，横截面结构示意图如图8所示。
槽波导微环是由一个横截面为方形的环，由七部分组成；从上而下分别是上层金属电极金(Au)层5-1、高折射率介质硅(Si)层5-2、屏障二氧化铪(HfO2)层5-3、EO聚合物层5-4、屏障二氧化铪(HfO2)层5-5、高折射率介质硅(Si)层5-6、下层金属电极金(Au)层5-7，呈上下对称结构；各部分的内外半径相同，宽度相同。在本实例中，各层外半径为R＝2.2um,内半径为r＝1.8um；宽度均为w＝400nm；金属电极层厚度为he＝10nm,高折射率介质硅层的厚度为hs＝280nm，屏障二氧化铪层厚度为ho＝10nm，EO聚合物层厚度为hEO＝100nm，立体结构示意图如图3所示，槽波导微环谐振器的横截面结构示意图如图9所示。
在本实例中，上下直槽波导长度均为L＝5um；上下直波导与微环的距离为gap＝50nm,如图6所示。
在本实例中，硅(Si)材料折射率取3.475，二氧化硅(SiO2)材料的折射率取1.44，空气折射率取1，EO聚合物未加电压的折射率为1.69，二氧化铪(HfO2)材料的折射率取1.98，金属电极层金(Au)材料的折射率取10.35+0.19i。
槽波导微环的屏障层采用二氧化铪(HfO2)制成。二氧化铪是一种常用的介电介质，它具有高直流介电常数k＝25，用一层氧化铪(HfO2)介质材料将EO聚合物层与硅(Si)层隔离，以便在对金属施加电场时，作为载流子屏障以降低漏电流来提高电光聚合物的极化效率。
在本实施例中，基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器是基于垂直多层结构。首先，通过光刻和蚀刻在衬底上绘制微环和波导几何图形。然后，通过离子注入对样品进行掺杂，通过金属蒸发和升空过程定义底部接触。再将EO聚合物自旋涂覆作为微环的介质层，该层的厚度可以通过使用不同的旋涂配方来控制，并辅以反蚀刻工艺。之后在涂覆贵金属之前，可先沉积一层低导电性的绝缘体薄层，以减小泄漏电流。在设备操作之前，应通过定义的触点施加高电场，使聚合物有效地极化。
通过控制施加在电极层偏置电压对微环中的EO聚合物层施加电压，使得EO聚合物的折射率发生变化，从而导致微环的谐振峰发生移动，实现可调谐滤波的功能。
由于硅的热光(TO)系数，微环对环境温度波动仍然非常敏感。由于硅环的正TO系数为1.8×10-4/℃，硅环的共振表现出强烈的温度依赖波长位移(TDWS)。可通过以下两种办法来解决该问题：一种是通过在集成设备中使用主动热控制器来减少TDWS，这种方法可能会导致进一步的功耗问题；另一种方法是通过使用具有负TO系数的聚合物，与硅的正系数相反，这可以将TDWS减少到几乎为零。
综上所述，该滤波器可以通过偏置电压控制光的透射波长，实现光滤波器的功能。该结构结构也可用于开关，调制和其他基于片上谐振器的功能。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器，该调制器由硅基底(1)二氧化硅基底(2)和两条直槽波导(3)和(4)、槽波导微环(5)五部分组成。在本实例中，硅基底(1)为10um高的硅(Si)层，二氧化硅基底(2)为3um高的二氧化硅(SiO2)层；
在本实例中，直槽波导(3)和(4)，上方的直槽波导(3)的左端形成滤波器的光波输入端IN，上方的直槽波导(3)的右端为光波输出端OUT1，下方的直槽波导(4)的左端为另一个输出端OUT2，下方的直槽波导(4)的右端悬置。两条直槽波导完全相同且对称放置；其中直槽波导(3)由2个厚度300nm的高折射率介质硅(Si)层(3-1)和(3-3)、厚度100nm中间低折射率二氧化硅(SiO2)层(3-2)垂直上下叠加而成；直槽波导的两个高折射率介质层、中间低折射率层均为长条形，高折射率介质层和中间低折射率层的宽度相同，均为400nm。
在本实例中，槽波导微环(5)是由一个横截面为方形的环，由七部分组成；从上而下分别是厚度为10nm的上层金属电极金(Au)层(5-1)、厚度为280nm的高折射率介质硅(Si)层(5-2)、厚度为10nm的屏障二氧化铪(HfO2)层(5-3)、厚度为100nm的EO聚合物层(5-4)、厚度为10nm的屏障二氧化铪(HfO2)层(5-5)、厚度为280nm的高折射率介质硅(Si)层(5-6)、厚度为10nm的下层金属电极金(Au)层(5-7)，呈上下对称结构；各部分的内外半径相同，分别为220nm、180nm，宽度均为400nm。
在本实例中，上下直槽波导长度均为L＝5um；上下直波导与微环的距离为gap＝50nm。
在本实例中，硅(Si)材料折射率取3.475，二氧化硅(SiO2)材料的折射率取1.44，EO聚合物未加电压的折射率为1.69，二氧化铪(HfO2)材料的折射率取1.98，金属电极层金(Au)材料的折射率取10.35+0.19i。
2.根据权利要求1所述的一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器，其特征是，槽波导微环(5)的EO聚合物层(5-4)可以换成其他EO聚合物材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器，其特征是，槽波导微环(5)的屏障层可以换成其他合适的低导电性的绝缘体材料。
4.根据权利要求1所述的一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器，其特征是，光波输出端OUT1实现功能为带阻滤波器，光波输出端OUT2实现功能为带通滤波器。
5.根据权利要求1所述的一种基于槽波导微环谐振器的可调谐光滤波器，其特征是，依次将多个滤波器的光波输入端IN和上一级光波输出端OUT1相串联，可以实现多通道可调谐滤波。
Priority Applications (1)
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