CN1300955C

CN1300955C - 具有平顶输出响应的窄带Fabry－Perot滤波器

Info

Publication number: CN1300955C
Application number: CNB2004100049546A
Authority: CN
Inventors: 蔡晓; 左玉华; 王启明
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: CN1655478A

Abstract

一种具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，包括：一基片；一下分布式布拉格反射镜，该下分布式布拉格反射镜制作在基片的上面，一下Fabry-Perot腔，该下Fabry-Perot腔制作在下分布式布拉格反射镜的上面；一中间分布式布拉格反射镜，该中间分布式布拉格反射镜制作在下Fabry-Perot腔的上面；一上Fabry-Perot腔，该上Fabry-Perot腔制作在中间分布式布拉格反射镜的上面；一上分布式布拉格反射镜，该上分布式布拉格反射镜制作在上Fabry-Perot腔的上面；以及一减反膜，该减反膜制作在基片的底面上。

Description

具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器

技术领域

本发明涉及光通信技术，特别地涉及具有平顶输出响应的窄带法布里-伯罗(Fabry-Perot)滤波器。

背景技术

窄带光学滤波器是光网络中不可缺少的重要器件之一，而集成化的发展则是实用化追求的目标。在光通信网络中，Fabry-Perot滤波器可用于波分多路复用系统的解复用器。滤波器在光网络中的应用包括对信道光的区别检测，对滤波器除了要求窄带和陡峭带边以增加信道紧束密度外，还希望它具有平顶输出响应。因为信道光是尖峰波，在实际传输中其波长是可能有漂移的，由于Fabry-Perot滤波器是尖峰响应的，当信道光发生波长漂移时，要想很快调谐并对准信道不是很容易。如果Fabry-Perot滤波器具有平顶输出响应，则上述问题可以解决，因为只要信道光的尖峰落入平顶范围内都是有效的。因此，具有平顶输出响应的Fabry-Perot滤波器将提高对信道光检测的快速性和准确性。

2002年5月15日提交的名称为“Narrow-band tunable filter withmulti-cavity structure of flat-top and steep-edge frequency response”的欧洲专利申请CN1349318号中提出了一种具有平顶和陡峭带边响应的窄带滤波器，该滤波器的输入和输出端由两个自聚焦透镜形成，三个平行腔结构在输入和输出端之间，腔的两个壁是合适的反射膜，三个平行腔结构中两侧是介质腔，中间是空气腔，并且空气腔的间距是可调节的，并借此来实现平顶输出响应。该发明的滤波器可以克服传统滤波器中带宽不够窄的缺点。但是，由于这种滤波器包含作为输入和输出端的两个自聚焦透镜和平行多腔结构，并且平行多腔中至少一个是空气腔，因此滤波器的结构和调谐机制相对复杂，不能满足实用化系统应用的小型化可兼容集成的需求。

2001年12月19日提交的名称为“OPTICAL FILTER”的欧洲专利申请CA2344003号中提出了一种具有透镜的光学滤波器，其中透镜具有两个输入端口以及与两个输入端口光通信的两个输出端口，一个部分反射面与透镜的端面光学耦合，另一个反射面与部分反射面相隔距离“d”以在两个反射面之间形成光腔。转换器用于改变两个反射面之间的距离“d”。两个输入端口放置在离透镜光轴不同的径向距离，使得当分开的光束进入两个输入端口时，通过反射面之间的具有不同光程长度的光路。该发明的滤波器提供基本上平顶的窄带输出响应。显然，该滤波器需要具有两个输入端口和输出端口的特殊透镜，并且要求分开的光束分别进入离透镜光轴不同径向距离的两个输入端口，因此这种滤波器的结构相对复杂，不能满足实用化系统应用的小型化可兼容集成的需求。此外，两个输入端口离透镜光轴的径向距离的控制以及使用转换器改变反射面之间的距离不是特别容易，从而只能获得基本上平顶的输出响应。

在文献Electronics Letters，Volume：26，Issue：14，Pages：1073-1074，1990中描述了一种具有平顶和陡峭带边响应的三反射镜、全光纤Fabry-Perot滤波器。该器件是III型结构的，具有对称的三个反射镜，其中两个外侧反射镜以及两个半腔的长度是相同的。中间反射镜具有反射率R₀＝99.0％±0.1％，每个端镜具有反射率R₁≈89％，接近于临界关系：R_0c＝4R₁/(1+R₁)²。两个半腔通过同步斜坡电压以压电方式驱动。对于WDM应用，这种滤波器优于两反射镜Fabry-Perot滤波器，具有更加平顶和陡峭的带边，允许通道密度大于3倍的增加。但是，这种滤波器结构是复杂的，要求分别形成对称的三个反射镜，其中两个外侧反射镜的反射率相同并与中间反射镜的反射率满足临界关系。此外，这种滤波器的平顶响应中间处的下降比较大，大约是最大透射率的20％，因此只是基本上实现平顶。而且，这种器件不易与其他光子器件集成以实现各种复杂功能，从而不能满足实用化系统应用的小型化可兼容集成的需求。

发明内容：

本发明的目的在于，提供一种具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，该滤波器的平顶响应中间处的下降小，基本上实现平顶。而且，这种器件可与其他光子器件集成以实现各种复杂功能，从而满足实用化系统应用的小型化可兼容集成的需求。

本发明的器件具有由p₁层介质膜构成的上反射镜、由p₃层介质膜构成的下反射镜以及由p₂层介质膜构成的中间反射镜。两个Fabry-Perot腔分别在上反射镜和中间反射镜之间以及在中间反射镜和下反射镜之间形成。通过适当选择三个反射镜所包含的多层介质膜的层数，也就是确定三个反射镜的反射率之间的特殊关系，使得两个Fabry-Perot腔稍微地“过耦合”，从而输出响应的中间出现小的下降而具有平顶特性。

众所周知，通过提高反射镜的反射率可以压窄Fabry-Perot腔的带宽以获得好的波长选择性，具有分布反馈作用的多层介质膜可以制作高反射率。的反射镜，并且反射镜中包含的介质膜的层数越多，其反射率越高。本发明的器件随着反射镜所包含的介质膜层数的增加，带宽依次减小。并且这些器件的三个反射镜所包含的介质膜层数p₁、p₂和p₃满足一定的关系，从而增加反射镜的介质层数目不会影响器件的平顶输出特性。

本发明提出了三个反射镜所包含的介质膜层数的一种特殊关系，根据本发明的滤波器器件的两个Fabry-Perot腔都稍微“过耦合”，从而具有好的平顶输出响应，增加各个反射镜的介质膜层数可以获得不同的带宽。本发明提出的方案工艺简单，实现容易，可靠性高，性能良好，并且器件容易与其他有源或无源光子器件集成以实现各种复杂功能。

本发明一种具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，包括：

一基片；

一下分布式布拉格反射镜，该下分布式布拉格反射镜制作在基片的上面，

一下Fabry-Perot腔，该下Fabry-Perot腔制作在下分布式布拉格反射镜的上面；

一中间分布式布拉格反射镜，该中间分布式布拉格反射镜制作在下Fabry-Perot腔的上面；

一上Fabry-Perot腔，该上Fabry-Perot腔制作在中间分布式布拉格反射镜的上面；

一上分布式布拉格反射镜，该上分布式布拉格反射镜制作在上Fabry-Perot腔的上面；以及

一减反膜，该减反膜制作在基片的底面上；

该上、中、下分布式布拉格反射镜所包含的介质层数彼此相关地设置，从而三个反射镜的反射率接近于一个临界关系并且中间反射镜的反射率比临界值稍低。

其中所述的基片由单晶硅材料制成。

其中所述的下分布式布拉格反射镜包括：在基片上形成多层二氧化硅层和比二氧化硅层的层数少一层的硅层，其中首先在基片上形成一层二氧化硅层，然后其余的硅层和二氧化硅层依次交替形成。

其中所述的下Fabry-Perot腔由硅材料制成，在下分布式布拉格反射镜上形成。

其中所述的中间分布式布拉格反射镜包括：多层二氧化硅层和比二氧化硅层少一层的硅层，其中首先在下Fabry-Perot腔上形成一层二氧化硅层，然后其余的硅层和二氧化硅层依次交替形成。

其中所述的上Fabry-Perot腔由硅材料制成，在中间分布式布拉格反射镜上形成。

其中所述的上分布式布拉格反射镜包括多层二氧化硅层和与二氧化硅层的层数相同的硅层，其中首先在上Fabry-Perot腔上形成一层二氧化硅层，然后其余的硅层和二氧化硅层依次交替形成。

其中所述的减反膜由氮化硅材料制成，在基片的底面上形成。

其中所述的基片的折射率为3.5，厚度为600μm。

其中所述的二氧化硅层的光学厚度是中心波长的四分之一，折射率为1.46。

其中所述的硅层的光学厚度是中心波长的四分之一，折射率为3.5。

其中所述的下Fabry-Perot腔的光学厚度是中心波长的二分之一，折射率为3.5。

其中所述的上Fabry-Perot腔的光学厚度是中心波长的二分之一，折射率为3.5。

其中所述的减反膜的光学厚度为中心波长的四分之一，折射率为1.87。

其中滤波器的输出响应的3dB带宽为120nm、19nm、3.3nm以及0.6nm。

其中滤波器的输出响应是平顶响应，相对透射率的极大值为0.79，极小值为0.69，起伏度为0.1。

附图说明

为进一步说明本发明滤波器的结构，下面结合实施例及附图对本发明作详细描述，其中：

图1是本发明器件的剖视图；

图2是本发明上反射镜的反射率对波长的关系曲线；

图3是本发明的中间反射镜的反射率对波长的关系曲线；

图4是本发明的下反射镜的反射率对波长的关系曲线；

图5是本发明的简化原理图；

图6是本发明的器件的输出响应曲线。

具体实施例方式

下面结合图1说明本发明实施例的结构。

本实施例的器件包括：基片10；下分布式布拉格反射镜(DBR)20；下Fabry-Perot腔30；中间DBR 40；上Fabry-Perot腔50；上DBR 60以及减反膜70。下面是本实施例的滤波器的具体结构：

本发明一种具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其中包括：

一基片10，基片10由单晶硅材料制成；该基片10的折射率为3.5，厚度为600μm；

一下分布式布拉格反射镜20，该下分布式布拉格反射镜20制作在基片10的上面；该下分布式布拉格反射镜20包括：在基片10上形成多层二氧化硅层21和比二氧化硅层21少一层的硅层22，其中首先在基片10上形成一层二氧化硅层21，然后其余的硅层22和二氧化硅层21依次交替形成；

一下Fabry-Perot腔30，该下Fabry-Perot腔30制作在下分布式布拉格反射镜20的上面；该下Fabry-Perot腔30由硅材料制成，在下分布式布拉格反射镜20上形成；该下Fabry-Perot腔30的光学厚度是中心波长的二分之一，折射率为3.5；

一中间分布式布拉格反射镜40，该中间分布式布拉格反射镜40制作在下Fabry-Perot腔30的上面；该中间分布式布拉格反射镜40包括：多层二氧化硅层41和比二氧化硅层41少一层的硅层42，其中首先在下Fabry-Perot腔30上形成一层二氧化硅层41，然后其余的硅层42和二氧化硅层41依次交替形成；

一上Fabry-Perot腔50，该上Fabry-Perot腔50制作在中间分布式布拉格反射镜40的上面；该上Fabry-Perot腔50由硅材料制成，在中间分布式布拉格反射镜40上形成；该上Fabry-Perot腔50的光学厚度是中心波长的二分之一，折射率为3.5；

一上分布式布拉格反射镜60，该上分布式布拉格反射镜60制作在上Fabry-Perot腔50的上面；该上分布式布拉格反射镜60包括多层二氧化硅层61和与二氧化硅层61相同层数的硅层62，其中首先在上Fabry-Perot腔50上形成一层二氧化硅层61，然后其余的硅层62和二氧化硅层61依次交替形成；以及

一减反膜70，该减反膜70制作在上分布式布拉格反射镜60的上面；该减反膜70由氮化硅材料制成，在基片10的底面上形成；该减反膜70的光学厚度为中心波长的四分之一，折射率为1.87。

其中该二氧化硅层21、41、61的光学厚度是中心波长的四分之一，折射率为1.46。

该硅层22、42、62的光学厚度是中心波长的四分之一，折射率为3.5。

该滤波器的输出响应的3dB带宽为120nm、19nm、3.3nm以及0.6nm。

该滤波器的输出响应是平顶响应，相对透射率的极大值为0.79，极小值为0.69，起伏度为0.1。

图2是本发明滤波器(m＝3，m为整数)的上反射镜的反射率对波长的关系曲线。分层媒质的传输矩阵方法在本领域是众所周知的。利用计算机程序实现传输矩阵方法发现在本发明中使用的由多层介质膜构成的上反射镜的反射率虽然与波长有关，但是在很宽的波长范围内变化缓慢。本发明滤波器具有在中心波长(1300纳米)附近的输出响应，上反射镜的反射率在带宽范围内没有太大改变。如图2给出该器件的上反射镜在1100nm到1600nm波长范围内的反射率。因此，上反射镜的反射率基本可以看作常数，在下文表示为R₁。本发明的其他器件的上反射镜的反射率在图6的表格中列出。

图3是本发明的滤波器(m＝3，m为整数)的中间反射镜在1100nm到1600nm波长范围内的反射率曲线。同样地，利用计算机程序实现的传输矩阵方法发现本发明的中间反射镜的反射率在输出响应的带宽范围内也没有很大的改变。因此，中间反射镜的反射率基本上可以看作常数，在下文表示为R₂。本发明其他器件的中间反射镜的反射率在图6的表格中列出。

图4给出本发明的滤波器(m＝3，m为整数)的下反射镜在1100nm到1600nm波长范围内的反射率曲线。从图4中可以看到，下反射镜的反射率也基本上可以看作常数，在下文中表示为R₃。本发明其他器件的下反射镜的反射率在图6的表格中给出。

图5是本发明器件的简化原理图。由于本发明器件的反射镜的反射率基本上可以看作常数，因此图1中所示本发明器件的结构可以用图5中所示的简化原理图来表示。其中两个Fabry-Perot腔的折射率为n，厚度为h，上反射镜的反射率为R₁，中间反射镜的反射率为R₂，下反射镜的反射率为R₃。如果忽略吸收损耗，利用众所周知的多光束干涉方法计算得到：

\frac{I^{(t)}}{I^{(i)}} = \frac{(1 - R_{1}) (1 - R_{2}) (1 - R_{3})}{{| 1 - \sqrt{R_{1} R_{2}} e^{- iδ} - \sqrt{R_{2} R_{3}} e^{- iδ} + \sqrt{R_{1} R_{3}} e^{- i 2 δ} |}^{2}} - - - (1)

其中I^(t)是透射光强度，I⁽ⁱ⁾是入射光强度，I^(t)/I⁽ⁱ⁾表示相对透射率，相位因子为：

δ＝4πnhcosθ/λ (2)

其中θ为入射角，λ为波长，n为腔的折射率。当入射角为0°时：

δ＝4πnh/λ (3)

根据(1)式，如果中间反射镜的反射率R₂被选择具有临界值R_c

R_{c} = {(\frac{\sqrt{R_{1}} + \sqrt{R_{3}}}{1 + \sqrt{R_{1} R_{3}}})}^{2} - - - (4)

当δ＝2kπ(k是整数)时I^(t)/I⁽ⁱ⁾＝1。本发明滤波器器件的R₁、R₂、R₃和R_c在图6的表格中给出，可以看到R₁、R₂和R₃接近满足(4)式的临界关系，但中间反射镜的反射率R₂稍微低于其临界值R_c，从而使两个Fabry-Perot腔稍微“过耦合”，导致在输出响应的中间出现小的下降，使得输出响应出现平顶。假设

u＝(1-R₁)(1-R₂)(1-R₃)

a＝1+R₁R₂+R₂R₃+R₁R₃+2(R₁R₂ ²R₃)^1/2

b＝-((R₁R₂)^1/2+(R₂R₃)^1/2+(R₁ ²R₂R₃)^1/2+(R₁R₂R₃ ²)^1/2)

c＝(R₁R₃)^1/2

那么(1)式可以改写为：

\frac{I^{(t)}}{I^{(i)}} = \frac{u}{a + 2 b \cos δ + 2 c \times \cos 2 δ} - - - (5)

将(5)式对δ微分并令其为零，

2sinδ(b+4c·cosδ)＝0 (6)

当sinδ＝0时，获得输出响应的极小值T_dip

T_{dip} = \frac{u}{a + 2 b + 2 c} - - - (7)

当cosδ＝-b/4c时，获得输出响应的极大值T_peak

T_{peak} = \frac{u}{a - b^{2} / 4 c - 2 c} - - - (8)

根据(7)和(8)式，本发明滤波器器件的输出响应的极大值和极小值在表1的表格中给出。

表1

M	R₁	R₂	R₃	R_c	T_dip	T_peak	BW
M	R₁	R₂	R₃	R_c	T_dip	T_peak	BW	1	0.819525	0.885899	0.495005	0.965987	0.6914	0.7892	120nm
2	0.965987	0.996339	0.885899	0.998953	0.6914	0.7923	19nm	1	0.819525	0.885899	0.495005	0.965987	0.6914	0.7892	120nm
2	0.965987	0.996339	0.885899	0.998953	0.6914	0.7923	19nm	3	0.993997	0.999889	0.979145	0.999968	0.6914	0.7924	3.3nm
4	0.998953	0.999997	0.996339	0.999999	0.6914	0.7924	0.6nm	3	0.993997	0.999889	0.979145	0.999968	0.6914	0.7924	3.3nm

显然这些器件的极大值大约为0.79，极小值大约为0.69，因此器件的平顶响应的起伏度几乎是不变的，大约为0.1。因此随着器件反射镜中包含的介质膜层数增加(m增大)，器件的平顶响应特性不变，而仅仅是带宽变窄，因此根据本发明可以制作具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器。

表1是说明根据本发明的各个器件的设计参数以及输出响应特性的表格。在表格中列出了与不同m对应的器件的R₁、R₂、R₃以及根据(4)式计算的临界值R_c。表1中还列出各个器件的输出响应的极大值、极小值以及3dB带宽。

图6给出了使用传输矩阵方法而获得的本发明器件(m＝3时)的典型输出响应的模拟结果。从图6可以看到器件输出响应的起伏度大约为0.1，该值与图6的表格中给出的值相同。m为其他值时的输出响应曲线与图6相似，仅仅是带宽不同。

至此，已经详细地说明了本发明器件的结构和原理。与现有的滤波器相比，本发明的滤波器具有两个Fabry-Perot腔和三个由多层介质膜构成的反射镜。在本发明中，三个反射镜所包含的介质层数彼此相关地设置，从而三个反射镜的反射率接近于一个临界关系并且中间反射镜的反射率比临界值稍低，使得两个Fabry-Perot腔稍微地“过耦合”，滤波器具有平顶的输出响应。可以通过根据本发明原理增加反射镜中所包含的介质膜数来减小滤波器的带宽并且保持输出响应的平顶特性。与两个反射镜的Fabry-Perot滤波器相比，本发明的滤波器器件更适合于WDM应用，因为它具有更加平顶和陡峭的带边(文献Electronics Letters，Volume：26，Issue：14，Pages：1073-1074，1990中描述的平顶滤波器的输出响应的起伏度比本发明器件的大)。本发明提出的方案工艺简单，实现容易，可靠性高，性能优越，器件容易与其他有源或无源光子器件集成以实现各种复杂功能，从而能够满足实用化系统应用的小型化可兼容集成的需求。

Claims

1.一种具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，包括：

一基片；

一减反膜，该减反膜制作在基片的底面上；

2.根据权利要求1所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的基片由单晶硅材料制成。

3.根据权利要求1所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的下分布式布拉格反射镜包括：在基片上形成多层二氧化硅层和比二氧化硅层的层数少一层的硅层，其中首先在基片上形成一层二氧化硅层，然后其余的硅层和二氧化硅层依次交替形成。

4.根据权利要求1所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的下Fabry-Perot腔由硅材料制成，在下分布式布拉格反射镜上形成。

5.根据权利要求1所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的中间分布式布拉格反射镜包括：多层二氧化硅层和比二氧化硅层少一层的硅层，其中首先在下Fabry-Perot腔上形成一层二氧化硅层，然后其余的硅层和二氧化硅层依次交替形成。

6.根据权利要求1所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的上Fabry-Perot腔由硅材料制成，在中间分布式布拉格反射镜上形成。

7.根据权利要求1所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的上分布式布拉格反射镜包括多层二氧化硅层和与二氧化硅层的层数相同的硅层，其中首先在上Fabry-Perot腔上形成一层二氧化硅层，然后其余的硅层和二氧化硅层依次交替形成。

8.根据权利要求1所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的减反膜由氮化硅材料制成，在基片的底面上形成。

9.根据权利要求2所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的基片的折射率为3.5，厚度为600μm。

10.根据权利要求3所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的二氧化硅层的光学厚度是中心波长的四分之一，折射率为1.46。

11.根据权利要求3所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的硅层的光学厚度是中心波长的四分之一，折射率为3.5。

12.根据权利要求4所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器器件，其特征在于，其中所述的下Fabry-Perot腔的光学厚度是中心波长的二分之一，折射率为3.5。

13.根据权利要求6所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的上Fabry-Perot腔的光学厚度是中心波长的二分之一，折射率为3.5。

14.根据权利要求8所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中所述的减反膜的光学厚度为中心波长的四分之一，折射率为1.87。

15.根据权利要求1所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中滤波器的输出响应的3dB带宽为120nm、19nm、3.3nm以及0.6nm。

16.根据权利要求1所述的具有平顶输出响应的窄带Fabry-Perot滤波器，其特征在于，其中滤波器的输出响应是平顶响应，相对透射率的极大值为0.79，极小值为0.69，起伏度为0.1。