CN117270242A - 一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器，属于半导体器件光滤波技术领域。该滤波器包括硅衬底、二氧化硅埋氧层、刻蚀形成的单晶薄膜铌酸锂脊波导、沉积形成的二氧化硅包层和热光电极。本发明通过合理控制耦合区域的耦合间距和耦合长度来实现所需要的滤波器带宽、消光比、矩形系数和平顶通带的滤波效果，提高了对工作波长的变化的容忍度，同时也提高了对工艺误差的容忍度，并且不会引入额外的损耗。本发明可以利用铌酸锂的热光效应实现有效折射率的改变。一方面，可以补偿工艺误差，解决由工艺误差引入的微环谐振峰漂移问题；另一方面，实现滤波器通带中心波导的调节，满足光通信系统中对波长选择的灵活可重构性的需求。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件光滤波技术领域，特别是指一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器。
背景技术
伴随着虚拟现实、人工智能、大数据、海量视频及物联网等技术的不断兴起，对通信系统提出了低成本、大带宽和高速率的发展需求。在过去几十年里，微电子芯片支撑着通信产业的发展，但其面临着能耗过大、散热困难、量子隧穿效应导致的绝缘失效、高频段损耗急剧增大及易受电磁干扰等问题，越来越难以满足上述发展需求。因此，全光互联通信系统在业内得到越来越多的关注。
光子集成技术可以将光子器件、电子器件和光电器件(包括激光器、调制器、光波导器件、探测器、驱动温控模块等集成到一个芯片上，实现对信息的发射、调制、传输、处理和探测，具有集成度高、功耗低和重量轻等优势。
在全光互联通信系统中，光学滤波器是一类非常重要的无源器件，用于选择特定波长的光信号使其通过，并滤除其他波长的光信号。其应用十分广泛，是全光信号处理和波分复用系统中的重要器件。微环谐振器结构紧凑，对波长敏感，是制作片上滤波器的优选结构。然而单个微环谐振器的洛伦兹线型，对工作波长的变化的容忍度很低，从而造成光功率的衰减，限制了其应用范围。通过级联微环谐振器可以改善以微环结构为基础的滤波器的滤波特性，通常情况下有着更好的平顶效果和更高的带外抑制比。此外，为满足光通信系统中对波长选择的灵活可重构性的需求，还要求滤波器能实现中心波长的可调谐。但是高阶微环滤波器在制备过程中容易受工艺误差影响，造成微环谐振峰漂移，因此需要严格控制工艺过程或者在制备完成后采取特殊的补偿手段。
薄膜铌酸锂(TFLN)是一种多功能集成光学材料，具有非常优异的电光效应、压电效应、声光效应、热光效应、光弹效应以及非线性效应等，建立完善的TFLN集成光学器件库是目前集成光学方向的研究热点之一。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的发展，提供一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器，能够提高对工作波长的变化的容忍度和可重构性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器，包括：
衬底1；
位于衬底之上的埋氧层2；
位于埋氧之上，通过刻蚀形成的脊波导3，用于光传输；
位于脊波导之上的包层4，用于保护波导并隔离波导和电极；
位于包层之上的热光电极5，用于产生热量，该热量传递到波导中，会引起波导有效折射率的改变，从而补偿工艺误差造成的谐振峰偏移，实现滤波通带中心可调。
进一步地，所述衬底1的材料为硅，埋氧层2的材料为二氧化硅。
进一步地，所述脊波导3的材料是单晶铌酸锂薄膜；其中，单晶铌酸锂薄膜的其厚度为500nm，脊波导的刻蚀深度为240～280nm，脊波导的宽度为1.0～1.4μm；
脊波导3的刻蚀结构包括：输入光波导6、直通输出光波导7、上载输入光波导8、下载输出光波导9和三个尺寸完全相同的跑道型微环谐振腔10；输入波导6和直通输出波导7的连接部与第一个微环谐振腔之间形成第一个耦合区域11，第一个微环谐振腔和第二个微环谐振腔之间形成第二个耦合区域12，第二个微环谐振腔和第三个微环谐振腔之间形成第三个耦合区域13，上载输入波导8和下载输出波导9的连接部与第三个微环谐振腔之间形成第四个耦合区域14；其中，第一个耦合区域11和第四个耦合区域14的耦合间距相同，第二个耦合区域12和第三个耦合区域13的耦合间距相同。
进一步地，所述包层4的材料为二氧化硅。
进一步地，所述热光电极5的材料为钛，其宽度为2～4μm，厚度为200～300nm。
通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的热光可调谐并具有平顶型滤波响应的微环滤波器，一方面，耦合区采用直波导和直波导倏逝耦合的方式，增大了对工艺误差的容忍度；另一方面，可以通过改变耦合区的长度可灵活实现对耦合系数的调节，进而改变滤波器的带宽。
2、本发明提供的热光可调谐并具有平顶型滤波响应的微环滤波器，通过合理设计耦合区的耦合系数，可以实现所需要的滤波器带宽、消光比、矩形系数和平顶带通的滤波效果，提高了对工作波长的变化的容忍度。
3、本发明提供的热光可调谐并具有平顶型滤波响应的微环滤波器，可以利用铌酸锂的热光效应实现有效折射率的改变。一方面，可以补偿工艺误差，解决由工艺误差引入的微环谐振峰漂移问题；另一方面，实现滤波器通带中心波导的调节，满足光通信系统中对波长选择的灵活可重构性的需求。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做详细描述，其中：
图1为本发明实施例中在单晶铌酸锂薄膜上刻蚀形成的输入输出波导、微环谐振腔和热光电极位置的示意图。
图2为本发明实施例中所提供的热光可调谐并具有平顶型滤波响应的微环滤波器的截面示意图。
图3为本发明实施例中所提供的滤波器在入射光模式为TE模(横电模)时，在1550nm附近的平顶输出响应曲线。其中，横轴为波长，单位是nm，纵轴是归一化强度，单位是dB。
图4为本发明实施例中所提供的滤波响应热光可调特性图。
附图标记：1为硅衬底，2为二氧化硅埋氧层，3为单晶铌酸锂薄膜脊波导，4为二氧化硅包层，5为热光电极，6为输入波导，7为直通输出波导，8为上载输入波导，9下载输出波导，10为跑道型微环谐振腔，11为第一个耦合区域，12为第二个耦合区域，13为第三个耦合区域，14为第四个耦合区域。
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进一步地详细说明。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。
如图1和2所示，一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器，其结构从下到上依次为其包括最底层的硅衬底1、二氧化硅埋氧层2、刻蚀形成的单晶薄膜铌酸锂脊波导3、沉积形成的二氧化硅包层4和热光电极5。
其中，刻蚀形成的单晶薄膜铌酸锂脊波导3包括：输入波导6、直通输出波导7、上载输入波导8和下载输出波导9。在它们之间有3个跑道型微环谐振腔10，且这三个微环谐振腔的尺寸完全相同。
按照从左至右的顺序，靠近输入波导6、直通输出波导7和第一个微环谐振腔之间形成第一个耦合区域11，第一个微环谐振腔和第二个微环谐振腔之间形成第二个耦合区域12，第二个微环谐振腔和第三个微环谐振腔之间形成第三个耦合区域13，靠近上载输入波导8、下载输出波导9和第一个微环谐振腔之间形成第四个耦合区域14。为实现所需要的滤波器带宽、消光比、矩形系数和平顶带通的滤波效果，需要合理控制耦合区域的耦合间距从而达到实现特定的耦合系数。耦合区域采用的是直波导与直波导的倏逝耦合方式，目的是为了提高对工艺误差的容忍度。这种耦合方式设计简单，并且不会引入额外的损耗。此外，可以通过改变耦合区波导的长度来以灵活地调节耦合系数。
为实现滤波器的滤波通带中心可调和补偿工艺误差，首先在单晶薄膜铌酸锂脊波导沉积二氧化硅包层4，进而在二氧化硅包层4上方制备热光电极5。沉积二氧化硅包层4的目的是为了保护波导并隔离波导和电极，避免引入电极吸收损耗。在对热光电极5施加电压时，产生的热量传递到波导中，会引起有效折射率的改变，从而补偿工艺误差造成的谐振峰偏移和实现滤波通带中心可调。
可选地，为实现单模光场传输，对于单晶铌酸锂薄膜厚度为500nm的TFLN晶圆，单晶薄膜铌酸锂脊波导3的刻蚀深度为240～280nm，波导宽度为1.0～1.5μm。
下面为一个更具体的例子：
参见图1，一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的微环滤波器，其包括：硅衬底1、二氧化硅埋氧层2、刻蚀形成的单晶薄膜铌酸锂脊波导3、沉积形成的二氧化硅包层4和热光电极5。
图2为微环滤波器的波导结构。单晶薄膜铌酸锂脊波导3包括：输入波导6、直通输出波导7、上载输入波导8和下载输出波导9。在它们之间有3个跑道型微环谐振腔10。脊波导的刻蚀深度为240～280nm，宽度为1.0～1.5μm。按照从左至右的顺序，靠近输入波导6、直通输出波导7和第一个微环谐振腔之间形成第一个耦合区域11，第一个微环谐振腔和第二个微环谐振腔之间形成第二个耦合区域12，第二个微环谐振腔和第三个微环谐振腔之间形成第三个耦合区域13，靠近上载输入波导8、下载输出波导9和第三个微环谐振腔之间形成第四个耦合区域14。其中，第一个耦合区域11和第四个耦合区域14的耦合间距相同，第二个耦合区域12和第三个耦合区域13的耦合间距相同。耦合间距的大小需要按照实际应用中所需的滤波带宽进行设计。
仍见图1和图2，热光电极位于微环谐振腔脊波导之上，其宽度设计为，其宽度为2～4μm，厚度为200～300nm。
本发明提供的微环滤波器的工作原理为：单模光从输入波导6中入射，当传输到第一个耦合区域时，发生倏逝波耦合，若满足谐振条件，则光会耦合进入第一个微环谐振腔内传输；若不满足谐振条件，光将会从直通输出波导7输出；耦合进入第一个微环谐振腔的光继续传输并依次经过第二个、第三个和第四个耦合区域，最终从下载输出波导9中输出，形成带通滤波曲线响应。通过合理设计耦合区域的参数，如耦合间距和耦合区长度，来实现所需要的滤波器带宽、消光比、矩形系数和平顶带通的滤波效果。非耦合区直波导区域的长度和弯曲半径需要根据所需的自由光谱范围确定。设计第一个耦合区域的耦合系数为0.45，第二个耦合区域的耦合系数为0.09，第三个耦合区域的耦合系数为0.05。本发明并未对滤波器的非耦合区直波导区域的长度和弯曲半径做限定。利用光学传输矩阵的方法可以计算得到本发明滤波器的TE模透过率。以1550nm为中心且具有一定带宽的连续激光入射该滤波器，其TE模的光谱透过率如图3所示。此时可以看到透射谱的顶部具有平顶的形状，通带内波动很小，两个带边下降很快，滤波器的消光比超过了40dB。
由于金属钛的电阻较高，因此本发明采用金属钛作为制备热光电极的材料。在热光电极上施加电压会产生热量，传递到波导上可以改变波导的有效折射率，进而改变微环滤波器的谐振峰，实现滤波中心波长的可调。原则上，三个微环谐振腔的尺寸应该完全相同，即三个微环谐振腔的谐振波长应该对准。对于存在工艺误差的微环谐振腔，可以通过加热该微环谐振腔上的热光电极来实现对其谐振峰的调节，因此还可以补偿工艺误差。同样利用光学传输矩阵的方法，可以计算得到本发明滤波器在不同加热功率，不同波段的TE模透过率。在1550nm附近且具有一定带宽的连续激光入射该滤波器，改变电极上加载的热功率，其TE模的光谱透过率如图4所示。此时可以看到透射谱的顶部保持了平顶的形状。由于薄膜铌酸锂的热光系数为正，因此增加热功率时，滤波器的中心波长向长波长移动。通过图4还可以看出，本发明滤波器的热光调谐效率约为10pm/mW。
总之，本发明通过合理控制耦合区域的耦合间距和耦合长度来实现所需要的滤波器带宽、消光比、矩形系数和平顶通带的滤波效果，提高了对工作波长的变化的容忍度，同时也提高了对工艺误差的容忍度，并且不会引入额外的损耗。本发明可以利用铌酸锂的热光效应实现有效折射率的改变。一方面，可以补偿工艺误差，解决由工艺误差引入的微环谐振峰漂移问题；另一方面，实现滤波器通带中心波导的调节，满足光通信系统中对波长选择的灵活可重构性的需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器，其特征在于，包括：
衬底(1)；
位于衬底之上的埋氧层(2)；
位于埋氧之上，通过刻蚀形成的脊波导(3)，用于光传输；
位于脊波导之上的包层(4)，用于保护波导并隔离波导和电极；
位于包层之上的热光电极(5)，用于产生热量，该热量传递到波导中，会引起波导有效折射率的改变，从而补偿工艺误差造成的谐振峰偏移，实现滤波通带中心可调。
2.根据权利要求1所述的一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器，其特征在于，所述衬底(1)的材料为硅，埋氧层(2)的材料为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器，其特征在于，所述脊波导(3)的材料是单晶铌酸锂薄膜；其中，单晶铌酸锂薄膜的其厚度为500nm，脊波导的刻蚀深度为240～280nm，脊波导的宽度为1.0～1.4μm；
脊波导(3)的刻蚀结构包括：输入光波导(6)、直通输出光波导(7)、上载输入光波导(8)、下载输出光波导(9)和三个尺寸完全相同的跑道型微环谐振腔(10)；输入波导(6)和直通输出波导(7)的连接部与第一个微环谐振腔之间形成第一个耦合区域(11)，第一个微环谐振腔和第二个微环谐振腔之间形成第二个耦合区域(12)，第二个微环谐振腔和第三个微环谐振腔之间形成第三个耦合区域(13)，上载输入波导(8)和下载输出波导(9)的连接部与第三个微环谐振腔之间形成第四个耦合区域(14)；其中，第一个耦合区域(11)和第四个耦合区域(14)的耦合间距相同，第二个耦合区域(12)和第三个耦合区域(13)的耦合间距相同。
4.根据权利要求1所述的一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器，其特征在于，所述包层(4)的材料为二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器，其特征在于，所述热光电极(5)的材料为钛，其宽度为2～4μm，厚度为200～300nm。
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| CN202311350488.6A Pending CN117270242A (zh) | 2023-10-18 | 2023-10-18 | 一种热光可调谐并具有平顶型输出响应的三阶微环滤波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117270242A (zh) |
-
2023
- 2023-10-18 CN CN202311350488.6A patent/CN117270242A/zh active Pending
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Legal Events
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