一种基于光子晶体的微波光子滤波器实现方法

摘要

本发明涉及一种基于光子晶体的微波光子滤波器实现方法。本发明在同一块光子晶体上利用弯曲波导集成耦合分束器和慢光波导延迟线，从而使滤波器的系统函数在1550nm处表现出自由频谱范围130GHz，陷波深度达到10dB的带通滤波特性，可以实现滤除光生毫米波信号多余边带的功能。本发明使用二维光子晶体结构，相对于光纤环结构可大幅减小滤波器尺寸，有利于器件的微型化和集成化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光子晶体的微波光子滤波器实现方法，属于光滤波器技术领域。

背景技术

目前我国大部分通信业务都集中在3GHz以下，并且现有的低频频段频率资源几乎都已 经被占用，但对于3GHz以上的频率资源却较少利用，特别是对于24GHz和60GHz频段的 两个大气传输高损耗窗口。为了能充分利用60GHz免许可频段，RoF技术应运而生，该技术 充分结合光纤和高频无线电波传输的特点，低成本的射频信号有线传输和超宽带无线接入。

一般而言，RoF系统利用射频振荡器把基带信号变频到射频频段，继而驱动调制器将射 频信号加载到光载波上产生光生毫米波信号，之后光信号通过单模光纤传输到基站。在光生 毫米波的产生和传输过程中，一方面信号色散和插损都会引入噪声，干扰信号的传输长度和 传输质量，另一方面双边带传输易引起峰间干扰，所以RoF系统需要使用滤波器来滤除噪声 和多余边带。然而，传统的微波滤波器由于电子瓶颈的存在，几乎无法处理10GHz以上的微 波信号，因而利用光子方法处理高频微波的技术受到了国内外越来越多研究者的关注。微波 光子滤波器(MPF)具有低损耗、高带宽、抗电磁干扰、易于实现可调谐并易于重构等特点， 能够显著提高通信质量。与传统滤波器相比，微波光子滤波器可以把电域滤波转移到光域， 从而使RoF系统克服电子瓶颈。

按照抽头数量是否有限，微波光子滤波器主要有基于有限冲击响应系统(FIR)的滤波器 (文献1，Capmany J，Ortega B，Pastor D.″A Tutorial of microwave photonic filters″.Journal  of Lightwave Technology，2006；文献2，Chaneh.W，Minasian.R.A.″Optical source coherence  controller for fiber optic delay line RF /microwave signal processors″.Optics Communications， 2005；文献3，Yu Yan and Jianping Yao.″A tunable photonic microwave filter with a complex  coefficient using an optical RF phase shifer″.Photonics Technology Letters，2007)，和基于无限冲 击响应系统(IIR)的滤波器(文献4，Qiaofan Xu，David Fattal，and Raymond G.Beansoleil. ″Silicon microring resonators with 1.5μm radius″.Optics Express，2011；文献5，Zhu Wang，Kin  Seng Chiang，and Qing Liu.″Microwave photonic filter based on circulating a cladding mode in a  fiber ring resonator″.Optics Letters，2010)。其中，IIR滤波器以其结构简便，价格低廉等特点 深受关注。IIR滤波器一般由两部分组成：耦合分束单元和环形延迟单元。耦合分束单元可以 提供分束和耦合功能，将输入滤波器的光部分引入延迟单元，在经过延迟单元附加周期性延 迟之后重新耦合进入耦合单元，进入下一轮分束-延迟-耦合循环。理论上这种循环是无限的， 因此称为无限响应滤波器。除了简单的光纤环之外，IIR滤波器根据延迟单元的材料可分为萨 尼亚克环滤波器(文献6，Xudong Wang，Erwin H.W.Chan，and Robert A.Minasian.″Microwave  photonic notch filter based on a dual-Sagnac-loop structure″.Applied Optics，2010)，硅环滤波器 (文献7，Magdalena S.Nawrocka，Tao Liu，Xuan Wang，and Roberto R.Panepucci.″Tunable  silicon microring resonator with wide free spectral range″.Applied Physics Letters，2006)，马赫曾 德尔干涉滤波器(文献8，JoséMora，Beatriz Ortega，Antonio Díez，JoséLuis Cruz，Miguel V. Andrés，JoséCapmany，and Daniel Pastor，Journal of Lightwave Technology，2006)和基于SOA的 微波光子滤波器(文献9，Weiqi Xue，Salvador Sales，Jesperand JoséCapmany.″Widely  Tunable Microwave Photonic Notch Filter Based on Slow and Fast Light Effects″.Photonics  Technology Letters，2009)。这些滤波器各有其优点，如可重构(文献7)、相干色散低(文献9) 或者能形成单带宽频率响应(文献8)，但却均存在同样的缺点，即延迟单元规模较大，不利 于器件微型化和集成化。其原因就在于延迟单元材料群折射率偏低。自由频谱范围(Free  Spectral Range，FSR)的计算公式如下：FSR＝c/nL，其中c是光在真空中的速度，n是延迟 单元的群折射率，L是延迟单元的长度。根据公式，一旦符合RoF系统要求的FSR确定，延 迟单元的长度就会和群折射率成反比，因此使用高群折射率材料成为减小延迟单元长度的有 效手段。作为一种拥有慢光特性的材料，光子晶体的引入为减小滤波器尺寸提供了新的方案。

由于光子晶体具有体积小、局域性好并可实现大拐弯低损耗甚至零损耗的能量传输等特 性，因而在OEIC和PIC应用领域具有巨大优势和潜力，并且国内外已经有研究小组在光子 晶体慢光方面取得了重大成果：2009年Yun Shen等人实现了群折射率在100以上的耦合腔波 导慢光器件(文献10，Yun Shen，Guoping Wang.Multiple slow light bands in photonic crystal  coupled resonator optical waveguides constructed with a portion of photonic quasicrystals.Physics  LettersA，2009)，2010年，Fang Long等人将光子晶体线波导慢光器件应用在缓存单元中(文 献11，Fang Long，Huiping Tian，and Yuefeng Ji.Buffering capability and limitations in low  dispersion photonic crystal waveguides with elliptical airholes.Optics，2010)。其中光子晶体波导 慢光结构设计灵活，可以通过调整结构参数确定不同的群折射率，同时制作所需精度要比高 Q值耦合腔要低的多，是制作延迟单元的较为理想方案。

本发明首次使用光子晶体制作微波光子滤波器，具体为利用弯曲波导将四端口耦合分束 器和慢光波导延迟线集成在同一基底上。将1550nm窄带TE偏振光注入耦合器，由于光子晶 体的耦合模作用(文献12，CHIENFSS，HSU Y J.Dual wavelength demultiplexing by coupling  and decoupling of photonic crystal waveguides.Optics Express，2004)，TE光经过耦合单元分束 后一部分直接从出口输出，另一部分则进入下行通道，并经弯曲波导输入延迟单元，经过延 迟单元内慢光波导延迟后重新输入耦合单元。如此通过无穷次循环之后形成的系统频谱响应 具有陷波(带阻)滤波器的特性。

发明内容

本发明的目的在于利用光子晶体的慢光和波导耦合特性，使微波光子滤波器的尺寸大幅 减小，更适用于目前RoF系统的基站微型化趋势。

本发明首次将光子晶体耦合分束器和慢光波导利用两个180°U型弯曲波导集成在同一 块平板上，提出了一种利用光子晶体制作微波光子滤波器的实现方法，该滤波器可以在半导 体材料基板上通过聚焦粒子束(FIB)技术分段刻蚀得到。1550nm波段窄带TE偏振光将从入射 口进入耦合分束W1(去掉完美光子晶体一排空气孔)波导，经过波导分束之后，一部分光 输出滤波器，另一部分则耦合进入与入射波导并列的另一W1波导。这部分TE光沿弯曲波 导进入慢光波导形成的延迟单元，通过慢光波导的慢光作用，TE光的群速度减慢，从而可以 在较短光程内实现更大的延迟时间。

在本发明制作的微波光子滤波器由耦合分束器和慢光波导两部分构成，两者之间由两条 180°U型弯曲波导连接。其中，两条平行的W1波导构成四端口耦合分束器，波导之间间隔 一排空气孔，通过仿真软件对其能带图和透射谱进行仿真，得到耦合分束器的耦合系数；通 过平移W1波导两侧第一排空气孔并改变第一、第二排空气孔的半径形成慢光波导，对慢光 能带图进行仿真，处理仿真结果可以得到波导的群折射率曲线，从而说明1550nmTE光在波 导中传播的群速度变慢。两条弯曲波导构成连接部分，对其场图和透射谱进行仿真，从结果 中分析出弯曲波导在1550nm波段的透射性能良好，可以实现连接集成器件前后模块的目的。 最后对微波光子滤波器整体场图和透射谱进行仿真，通过观测TE光在滤波器中的传输过程 和在输出口的频响特性，证明滤波器具有60GHz的FSR和10dB以上的陷波深度，可以应用 于60GHzRoF系统中。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种基于光子晶体的微波光子滤波器实现方法，其中：

该光子晶体微波光子滤波器器件是基于三角晶格二维光子晶体波导结构实现的，其中二 维光子晶体波导结构可以通过FIB(聚焦离子束：Focused Ion beam)或EBL(电子束光刻蚀： E-Beam Lithography)逐段刻蚀制作。

所述能实现微波光子陷波滤波功能的集成器件是由耦合分束器、弯曲波导结构和慢光波 导构成。这些器件中波导的宽度均为a是三角晶格光子晶体的晶格常数。晶格常数值 a＝350nm，空气孔半径r＝123nm，背景材料Si的折射率n＝3.4。

所述耦合分束器结构的设计可以通过调整耦合区域空气孔半径完成。调整耦合区域空气 孔半径可以在实现1550nm波段光波单模传输的同时减小耦合区域长度，从而提有效减小器 件尺寸。

所述慢光波导是通过平移W1波导两侧第一排空气孔并改变第一、第二排空气孔的半径 得到的。其中改变前两排空气孔的大小可以使导模平移，具体表现为第一排半径越小、第二 排半径越大，导模越向上平移，从而实现针对不同频段光波的慢光功能。考虑到慢光波导和 简单W1波导之间存在模式差异，本发明使用锥形渐变结构改善模式匹配。锥形渐变波导的 作用即为在结构差异较大的慢光波导和W1波导之间插入逐渐变化的中间结构，从而使光传 播模式逐渐转变。从使用前后的场图中可以明显观察到透射特性的改善。

所述弯曲波导结构的设计是通过三个方面来设计完成的，即：一是在两个60°角转弯处各 增加一个空气孔；二是波导的三个弯曲处沿对称轴方向向外移动特定空气孔位置；三是改变 弯曲处空气孔的半径。

与传统方法相比本发明有如下优点：

本发明中所提及的一种基于光子晶体的微波光子滤波器实现方法是直接在一块二维光 子晶体平板上完成的，通过设计平板上空气孔的半径和位置，无需拼接即可直接实现1550nm 波段TE光陷波滤波功能。

与传统微波光子滤波器相比，本发明具有光子晶体体积小、损耗低、功耗低、光场局域 性良好等优点，尤其是在体积小方面，与一般使用的硅环和光纤环延迟线相比，本发明延迟 线的群折射率远大于硅(3.4)或光纤(1.42)。本发明设计的滤波器延迟线仅有产生同等延迟 时间的硅环或光纤环长度的1/50，大大减小了器件体积。与同类光子晶体集成器件(如文文献 13，L.Ferrier，P.Rojo Romeo，X.Letartre，E.Drouard and P.Viktorovitch，″3D integration of  photonic crystal devices：vertical coupling with a silicon waveguide″.Optics Express，2010)相 比，本发明还有如下几个优点：1.本发明设计的耦合分束器中，只改变了耦合波导区域的半 径，并未改变空气孔的形状，减小了制作难度；2.本发明通过改变波导两侧前两排空气孔的 半径和位置，可以使导模平移，从而改变器件的工作频段，增加了器件使用范围的灵活性； 3.本发明设计的耦合分束器和慢光结构具有相同的晶格常数和材料基底，使其可以在同一块 平板上利用EBL等方法直接刻蚀，无需拼接，有利于器件在PIC中的应用。

本发明的原理如下：

本发明中一种基于光子晶体的微波光子滤波器实现方法是基于三角晶格二维光子晶体波 导实现的。其实现原理是：1550nmTE光自入射口Port1进入集成器件，由于两条W1波导之 间的耦合作用，在经过波导耦合作用之后，TE光一部分直接从出口Port3输出，另一部分则 进入下行通道Port4。为了利用分束之后的TE光，在Port 4之后加入弯曲波导结构，通过调 整弯曲波导的相关参数，增加TE光的透射率。TE光通过弯曲波导结构进入慢光波导，由于 慢光耦合作用使传输光的群速度大幅减小，从而实现很强的慢光效应。慢光波导的出口处加 有和入口处同样的弯曲波导，将经过慢光耦合作用的光重新引入耦合分束器的Port 2口，继 续分束。如此经过无限次循环，最终在Light Out端口的频谱图反映出陷波滤波特性。

附图说明

以下各图所取的光子晶体异或逻辑门结构参数均与具体实施方式中相同。

图1是一种基于光子晶体的微波光子滤波器实现方法模型示意图，其中包含了三个部分： 光子晶体耦合分束器(PC-Coupler)、光子晶体延迟线(PC-Delayline)和180°U型弯曲波导。 Light In是输入口，Light Out是输出口。光子晶体为硅基二维三角晶格空气孔结构，晶格常 数a＝350nm，普通空气孔半径r＝0.35a，介质硅的折射率n_si＝3.4。

图2是光子晶体耦合分束器的结构模型示意图，其中包含了两个W1波导，波导宽度为 两个波导之间间隔一排空气孔。耦合区域红色空气孔的半径rr＝0.30a。Port 1为入射口， TE光经过分束一部分沿Port3输出，另一部分通过Port4进入弯曲波导。

图3上图是利用平面波展开法得到的rr＝0.30a时TE光耦合分束器中的能带图，下图是 利用FDTD算法得到的输出端口透射谱。

图4是慢光波导结构示意图，如图所示，慢光波导是将W1波导两侧第一排空气孔向右 平移Δx＝0.1a，向波导内测平移Δy＝0.17a；将第一排空气孔半径减小为r1＝0.8r，第二排空气 孔增大为r2＝1.1r。

图5是TE光在慢光波导中的群折射率n_g曲线图，横坐标为谐振频率的波长，曲线表示 不同波长对应的群折射率n_g。

图6是180°弯曲波导结构示意图，左侧小图是60°弯曲波导的放大图。为了增加TE光的 透射率，在60°弯曲波导的两个转折处各增加一个空气孔，并将2个蓝色空气孔在垂直和水平 方向沿箭头方向各移动0.15a，蓝色空气孔的半径rx＝0.36a。将红色空气孔半径改变为 ry＝0.38a，并向波导外侧平移0.1a。

图7是弯曲波导的场分布图。

图8是慢光波导锥形耦合结构的示意图。着色空气孔左侧是普通W1波导，右侧是慢光 波导，着色区域空气孔特性按照线性规律由普通波导逐渐变化为慢光波导。具体表现为：由 左向右每两个相邻红色空气孔的半径以差值0.03a/5递减，同时将红色空气孔沿波导水平向右 和垂直向下方向平移，相邻空气孔平移间距分别是Δx/5和Δy/5；蓝色空气孔的半径则按照从 左向右差值0.03a/5递增。

图9是慢光波导添加锥形耦合结构前后的TE光场图，上图为未加锥形结构的场图，上 下对比可知锥形耦合结构可显著提高耦合效率，减小模式色散。

图10是微波光子滤波器在Light Out处测量的透射谱，红色虚线是FDTD计算得出的透 射谱，蓝色曲线是利用公式绘制的透射谱。

图11是微波光子滤波器不同时间的场分布图。

图12是微波光子滤波器(MPF)在60GHz光载无线系统中应用的示意图，由调制器产 生的双边带信号经过MPF滤波之后生成了单边带信号。

具体实施方式

基于光子晶体的微波光子滤波器结构如图1所示。该结构使用的硅基二维三角晶格空气 孔结构，晶格常数a＝350nm，普通空气孔半径r＝0.35a，介质硅的折射率n_si＝3.4。其中包含两 个主要部分：耦合分束器(PC Coupler)和慢光波导延迟线(PC Delay-line)，以及连接这两部分 的180°U型弯曲波导。1550nm TE模窄带光从Light In口输入，经过窄带滤波器的滤波作用， 从Light Out口输出，透射谱表现出FSR＝60GHz、陷波深度10dB的频谱特性。

图2是光子晶体耦合分束器的结构模型示意图，其中包含了两个W1波导，波导宽度为 两个波导之间间隔一排空气孔，间隔空气孔的半径rr＝0.30a。TE光从Port 1输入，一 部分从Port 3输出，另一部分则因波导耦合原理从Port 4输出，并经过U型弯曲波导进入慢 光波导延迟线，经过时间为T的延迟后沿Port 2口重新进入耦合分束器。耦合分束器四个端 口的光强符合下列公式：

$E_3=\sqrt{1-r}(\sqrt{1-k}{E}_1+j\sqrt{k}{E}_2)---\left(1\right)$

$E_4=\sqrt{1-r}(\sqrt{1-k}{E}_2+j\sqrt{k}{E}_1)---\left(2\right)$

$E_2=E_4\sqrt{1-\delta }\exp \left(\mathrm{j\beta L}\right)---\left(3\right)$

其中E_i表示Port i端口的场强；r表示TE光通过一次耦合分束器的能量损耗；k是耦合分束 器的耦合常数，物理意义即为沿一条W1波导输入的TE光通过一次耦合分束器进入另一W1 波导的光强占所有输出光强的比例；δ表示弯曲波导和慢光延迟线造成的损耗；β是光波在慢 光波导中的传播常数，可通过β＝2πfn_g/c计算，f是射频信号的频率，n_g是慢光波导群折射率， c是光在真空的速度；L是慢光波导的长度。根据公式1-3可得到微波光子滤波器的透射特性， 即：

$\frac{E_3}{E_1}=\sqrt{1-r}[\sqrt{1-k}-\frac{k}{\frac{e^{-j2\mathrm{\pi f}{n}_{g}L/c}}{\sqrt{1-\delta }}-\sqrt{(1-r)(1-k)}}]---\left(4\right)$

因此为了了解微波光子滤波器的透射特性，我们只需确定r、k、δ、n_g、L五个参数。

首先通过调整耦合分束器结构确定参数r和k，如减小两排W1波导之间空气孔的半径来 增加耦合强度，从而减小损耗。经过多次调试，本发明将分束器的长度确定为34a，波导中 间空气孔半径确定为0.30a。图3是耦合分束器的测量结果：上图是耦合分束器的能带图，归 一化频率0.226对应输入波长1550nm，从图中可以看出0.226频段波导内存在两条导模，这 两条导模存在波矢差，正是由于波矢差的存在才产生波导耦合作用；下图是Port 3和Port 4 的透射谱，从图中可以看出Port 3在1550nm处的透射率是0.564，Port 4则是0.346。因此耦 合分束器的损耗r＝1-(0.564+0.346)＝0.09，k＝0.346/(0.564+0.346)＝0.38。

接下来确定TE光在慢光波导延迟线内的群折射率。如图4所示，调整波导两侧空气孔 的相关参数可以显著增加慢光效率，从而减小器件尺寸。参数调整具体表现为：将两侧第一 排空气孔半径减小为普通空气孔半径的80％，即0.28a，同时向右平移0.1a，向波导内侧平移 波导宽度的10％，即0.14a；将两侧第二排空气孔半径增大为普通空气孔半径的1.1倍，即 0.385a。调整之后的群折射率与波长关系图如图5所示，从图5可以得出调整慢光波导参数 可显著提高群折射率，最终得到的群折射率n_g＝111。由于本发明制作的陷波滤波器需要应用 于60GHz RoF系统中滤除多余边带，因此滤波器的自由频谱范围FSR应为双边带频段略宽， 本发明将FSR确定为130GHz。根据FSR＝c/n_gL和晶格常数，慢光波导延迟线的长度L确定 为59a。

然后通过180°U型弯曲波导连接耦合分束器和慢光波导延迟线。弯曲波导的结构如图6 所示，为了增加TE光的透射率，在60°弯曲波导的两个转折处各增加一个空气孔，并将2个 蓝色空气孔在垂直和水平方向沿箭头方向各移动0.15a，蓝色空气孔的半径rx＝0.36a。将红色 空气孔半径改变为ry＝0.38a，并向波导外侧平移0.1a。利用FDTD算法对弯曲波导进行仿真， 从图7可以看出TE光在弯曲波导中传输良好。由于1550nmTE光处在慢光波导截止频率的 边缘，同时慢光波导和普通W1波导之间存在模式不匹配问题。因此需要在波导两侧增加锥 形结构改善波导的透射特性。锥形结构如图8所示，着色空气孔左侧是普通W1波导，右侧 是慢光波导，着色区域空气孔特性按照线性规律由普通波导逐渐变化为慢光波导。具体表现 为：由左向右每两个相邻红色空气孔的半径差为0.03a/5，同时将红色空气孔沿波导水平和垂 直方向平移，相邻空气孔平移间距分别是Δx/5和Δy/5；蓝色空气孔的半径则按照从左向右差 值0.03a/5递减。同样利用FDTD算法仿真，仿真结果如图9所示：上图是未加锥形波导的场 图，可以看到1550nmTE光局域在慢光波导中难以引入普通波导；下图则是增加锥形波导之 后的场图，从图中可以看到透射特性得到显著提高。

最后对微波滤波器的整体特性进行分析。如图10所示，红色曲线是FDTD计算得出的透 射谱，蓝色曲线是利用公式绘制的透射谱，红色曲线和蓝色曲线分别表示FDTD计算得出的 和利用公式绘制的输出端Light Out的频谱特性，两者之间相互吻合，表现出FSR＝130GHz、 陷波深度10dB以上的陷波特性。当输入光源是1550nmTE光时，不同时间的电场空间分布 图如图11所示。这种滤波器适合在60GHz RoF系统使用，如图12所示，滤波器可以滤除多 余边带。

综上所述，本发明设计了一种基于光子晶体的微波光子滤波器实现方法。本发明在一块 光子晶体上利用180°U型弯曲波导集成了耦合分束器和慢光波导延迟线，形成在1550nm波 段FSR＝130GHz，陷波深度10dB以上的陷波滤波器，可以在未来的60GHz光载无线系统中 获得良好的应用。