一种高效紧凑矩形环谐振腔波导型光滤波器

摘要

一种高效紧凑矩形环谐振腔光波导型滤波器，属集成光学领域。其由单模光波导构成封闭的长矩形，两条相互平行的直条单模光波导垂直穿过矩形波导两条长边，与矩形波导交叉；矩形波导端部在十字交汇处之间部分为相移臂；两条直条波导中间被矩形波导分割的部分为参考臂，矩形长边被两条平行波导分割的部分为连接波导；直条波导端部与十字交汇处之间的部分为输入波导，与其在同一直条波导的另一端与相邻十字交汇处之间的部分为输出波导Ⅰ，与输入波导相邻的另一条直波导端部与相邻十字交汇处之间的部分为输出波导Ⅱ；本发明采用矩形环谐振腔替代传统的微环谐振腔，克服了微环结构的材料折射率差对曲率半径的制约，进一步减小圆环形波导结构的弯曲损耗。

说明书

技术领域

本发明涉及光滤波器器件，特别是涉及一种高效紧凑矩形环谐振腔波导型光滤波器结 构，属于集成光学领域。

背景技术

光滤波器是实现波分复用技术的重要器件，被广泛应用于光通信领域和片上光互连系 统。例如可以应用在光波分复用网络中的光分插复用节点中，其功能是从传输光路中有选择 地上下本地接收和发送某些波长信道。分插复用节点的核心器件是光滤波器件，由滤波器件 选择要上/下路的波长，实现波长路由。新型的光滤波器特征是基于光波导结构，利用半导 体薄膜制造技术，获得良好的光域性能以及高度集成等特性。目前在Si、GaAs、InP等衬底 上通过化学气相沉积或分子束外延等方法，结合刻蚀技术实现集成二维平面光传输系统，使 新型光滤波器在片上光互连系统中的应用也成为可能。同时集成光滤波器在光上下路复用、 片上光交换以及光计算等领域也都具有广阔的应用前景。

常见的光滤波器有基于干涉原理的滤波器，如熔锥光纤滤波器、法布里波罗滤波器、多 层介质膜滤波器、马赫‐曾德尔滤波器等；以及基于光栅原理的滤波器，如体光栅滤波器、 阵列波导光栅滤波器(AWG)、光纤光栅滤波器等。上述滤波器的尺寸较大，常以分立器件 的形式应用在系统中，难以实现大规模集成。另外当应用于光互连与光计算的片上集成系统 中时，这些体滤波器无法满足高度集成的需求。波导型光滤波器便应运而生，基于微环谐振 腔的光滤波器，虽然可以在一定程度上解决集成问题，但存在着微环曲率半径受到材料折射 率差、波导弯曲损耗的限制、对温度敏感以及带宽较窄等问题。波导型马赫‐曾德尔滤波器 由于在结构中采用常规的Y分支、定向耦合器或者多模干涉耦合器等，也存在占据的单片尺 寸较大或者一维方向上尺度仍然较长的问题，不利于提高光子集成回路分立元件的集成数 量。因此技术上需要实现一种在二维方向上占据面积更小、结构更加紧凑以及功耗更低的波 导型光滤波器器件。

发明内容

本发明针对目前集成光滤波器占据单片尺寸较大、无法二维方向集成等缺陷，提出一种 新型基于沟槽的矩形环谐振腔波导型光滤波器结构，可以在二维方向高度集成，并且获得较 低的插入损耗，提高品质因数。

本发明采用的技术方案是：一种高效紧凑矩形环谐振腔波导型光滤波器，其特征在于： 由单模光波导构成封闭的长矩形，两条相互平行的直条单模光波导垂直穿过矩形波导两条长 边，分别与矩形波导交叉；矩形波导端部在十字交汇处之间部分为相移臂4；两条直条波导 中间被矩形波导分割的部分为参考臂5，矩形长边被两条平行波导分割的部分为连接波导6； 任一直条波导端部与十字交汇处之间的部分为输入波导1，与其在同一直条波导的另一端与 相邻十字交汇处之间的部分为输出波导Ⅰ8，与输入波导相邻的另一条直波导端部与相邻十 字交汇处之间的部分为输出波导Ⅱ9；输出波导Ⅱ9所在的直条波导另一端与相邻十字交汇 处之间部分为复用波导10。在矩形波导直角外侧，沿波导传播方向成45°角方向刻蚀切面， 构成全反射镜7；矩形波导与直条波导交叉处，分别沿相邻的全反射镜7平行方向刻蚀微纳 沟槽2。

沟槽2内填充沟槽介质材料3，所述沟槽介质材料3包括空气、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、SU‐8聚合物、三氧化二铝、二氧化锆；对于同一种衬底材料，填充不同的沟槽 介质导致等功分比时微纳沟槽2的开口宽度不同。填充折射率越大的介质材料，沟槽2的开 口宽度越宽，从而减缓器件刻蚀工艺的难度；但是所述沟槽与各波导角度应大于波导材料与 沟槽填充材料所构成的介质界面的全反射角。

所述波导输入端为输入波导Ⅰ1的耦合端面1a；输出端分别为输出波导Ⅰ8的耦合端面 8a和输出波导Ⅱ9的耦合端面9a。输入波导1、输出波导Ⅰ8、输出波导Ⅱ9、复用波导10 完全等价，可以分别作为输入输出端口，实现交叉复用。

该器件制作在硅或绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)或GeSi/Si或GaAs或GaAs/AlGaAs 以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的一种基底材料上。

本发明的积极进步效果在于：一、本发明采用基于受抑全内反射原理的沟槽型微纳光子 耦合器替代传统滤波器结构中的分光/合光器，如常用的Y分支、定向耦合器或者多模干涉 耦合器等，打破了传统耦合器对器件结构一维长度的限制，使器件高效紧凑，能满足器件小 型化、二维集成化及多级级联占据面积更小的应用需求。二、采用矩形环谐振腔替代传统的 微环谐振腔，克服了微环结构的材料折射率差对曲率半径的制约，进一步减小圆环形波导结 构的弯曲损耗。

附图说明

图1是本发明所提出的一种高效紧凑矩形环谐振腔波导型光滤波器结构示意图。

图2是图1所示沿A‐A’方向的纵向剖面示意图。

图3是图1所示结构信号传输模型图。

图4所示为分光系数时，系统的频率响应曲线。

图5所示为分光系数时，系统的频率响应曲线。

图6所示为分光系数时，系统的频率响应曲线。

图中：1输入波导，1a输入波导端口，2微纳沟槽，3沟槽填充介质材料，4相移臂，5 参考臂，6连接波导，7全反射镜，8输出波导Ⅰ，8a输出波导Ⅰ端口，9输出波导Ⅱ，9a 输出波导Ⅱ端口，10复用波导，11绝缘体上硅(SOI)刻蚀脊型波导，12脊型波导下包层 二氧化硅层，13硅衬底。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的一种高效紧凑矩形环谐振腔波导型光滤波器结构可以制作在硅、绝缘体上硅 (Silicon on insulator，SOI)、GeSi/Si、GaAs、GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料 的一种基底材料上。作为具体实施的一个例子，本发明以制备在SOI衬底材料上的条脊型波 导构成的滤波器为例。光信号从输入端口1a进入器件，由于马赫增德尔干涉结构以及环形 谐振腔的作用，非谐振频率光信号从输出端口8a输出，谐振频率光从输出端口9a输出，实 现滤波功能。

参阅图1，本发明一种高效紧凑矩形环谐振腔波导型光滤波器结构，其中包括输入波导 1，微纳沟槽2，沟槽填充介质材料3，相移臂4，参考臂5，连接波导6，全反射镜7，输出 波导Ⅰ8，输出波导Ⅱ9，复用波导10。其中所刻蚀微纳沟槽的工作原理均是采用光波的受 抑全内反射现象，即从输入波导进入沟槽的光倏逝波与沟槽的宽度相比拟时，一部分倏逝波 穿过沟槽到达对面的介质界面而形成穿透光波；另一部分倏逝波通过古斯‐汉欣位移现象而 形成反射光波。通过改变沟槽宽度或者调节沟槽填充介质材料的折射率，可调节穿透光波和 反射光波的功率比，从而调节滤波器的频率响应曲线，改善滤波器的品质因数。

光信号经过沟槽2分光后分别进入相移臂4和参考臂5，在沟槽2处合光，构成马赫增 德尔干涉器结构，经该结构部分光信号从输出端口Ⅰ8a输出，部分进入连接波导6环谐振 腔。参考臂5、连接波导6共同构成矩形环谐振腔，经沟槽2分光使非谐振频率光信号重新 进入相移臂4和参考臂5构成的马赫‐增德尔结构中，经输出端口Ⅰ8a输出，其结果使得输 出端口Ⅰ传输谱除谐振频率外更平坦；而谐振频率光信号谐振增强，经输出端口Ⅱ9a输出， 使输出端口Ⅰ8a和输出端口Ⅱ9a形成互补。对于谐振环另一端参考臂5和相移臂4构成另 一个马赫‐增德尔结构，增强环谐振腔谐振中心频率的信号谐振，使输出端口Ⅰ传输谱更尖 锐，提高了滤波器的品质因数。

参阅图2，图1中A‐A’方向的纵向剖面示意图，本发明以SOI结构单模波导为例，但范 围不限于此。其中单模SOI基脊型光波导11可以通过半导体器件处理工艺中的反应离子刻 蚀方法获得，脊形光波导的下包层12是采用二氧化硅材料，沉积在硅基衬底13上。

参阅图3，为了说明这种高效紧凑矩形环谐振腔光滤波器结构的工作效果，基于图1结 构的信号流程图，展示了光信号在图1结构滤波器中的传递情况。考虑到本发明结构中各段 波导长度、折射率分别相等，经过各波导光信号所通过的光程相等，因此采用Z变换信号处 理方法。其中项表示延迟项，即信号通过单个波导信号延时，其中n表示波导折射率，d表 示单个波导长度，c表示真空中光速。由微纳沟槽的分光特性，光信号在通过沟槽时被分为 穿透光波和反射光波。设穿透光波电场幅度系数为t，反射光波电场幅度系数r。假设输入 光波电场幅度系数为1，由能量守恒原理，

在器件中，由于信号具有方向性，光信号通过沟槽时，引入矢量穿透系数τ，则。同时引入 向左反射系数α和向右反射系数β，则。如图3所示，4个虚线圆框内的信号指向，分别表 示信号经过各个沟槽时的分光情况。

为求解系统稳态时传递函数，引入状态空间表示法。设每一个延迟项的输出状态分别为 ～，其中k为离散时间变量，由信号传递图可得状态方程，

其中表示输入状态，输出端口Ⅰ和输出端口Ⅱ的状态方程分别为，

采用矩阵及向量方法表示为，

其中x(k+1)、x(k)、y(k)分别为13阶向量。A为13×13阶矩阵，B、D为13×1阶矩阵，C为 1×13阶矩阵。

传输函数可表示为

带入对应的系数矩阵得到输出端口I和输出端口II的传输函数为

参阅图4、图5、图6，例举了在沟槽耦合器的不同分光系数下，该滤波器的传输特性 曲线，在实际应用中可根据不同需求，改变沟槽宽度或者调节填充沟槽介质材料的折射率， 得到理想的滤波特性和品质因数。

图4在的条件下该滤波器的传输特性曲线。中心滤波幅度达到‐64.7dB。呈左右对称的 梳状结构，并且滤波曲线品质因数计算为。

图5在的条件下该滤波器的传输特性曲线。中心滤波幅度达到‐90dB，并且滤波品质因 数计算为。

图6在的条件下该滤波器的传输特性曲线。中心滤波幅度达到‐74.3dB，并且滤波曲线 品质因数计算为。

本器件发明结构紧凑，易于在二维方向上集成和扩展。同时制备适用范围广泛，是可以 在不同衬底材料上制备的微纳结构波导型光滤波器器件。