一种基于反对称多模布拉格波导光栅的上下路滤波器

摘要

本发明公开了一种基于反对称多模布拉格波导光栅的上下路滤波器，当TE光从单模输入波导输入，下路非对称Y分叉波导将其转换为多模波导的TE基模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为反射光，通过下路非对称Y分叉波导时被转换为下路单模波导的TE模从下路端输出，透射光则通过上路非对称Y分叉波导，从单模输出波导输出；同样的，上路光从上路单模输入波导输入，上路非对称Y分叉波导将其转换为多模波导的TE一阶模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的反射光通过上路非对称Y分叉波导时被转换为单模输出波导的TE模，从输出端输出，本发明同时实现了信号上下路功能，可应用于片上高密度集成的光互连系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光的上路和下路滤波集成器件，特别是涉及一种基于反对称多模 布拉格波导光栅的上下路滤波器。

背景技术

随着集成电路的飞速发展，晶体管特征尺寸不断减小，高速信息在电互连传递时 不可避免的遭遇了速度、带宽和功耗等方面的一系列瓶颈。基于硅光学的片上光互连为这 一技术难题的解决提供了一种可行的方案，信息的交换将在光的传输层上直接进行。

光滤波器作为光互连的一个基础功能器件，可灵活地实现不同信号的分离、上路 和下路，是密集波分复用光网络非常重要的一个环节。目前可实现光上下路滤波功能的器 件主要有三种结构：第一种是微环谐振腔结构，它能提供较高的Q值，同时它不需要两个反 射端面，但是它存在一系列的谐振波长，光的滤波受到自由谱宽的影响，且滤波的带宽较 小；第二种是F-P腔结构，它需要两个反射端面，存在一系列的谐振波长和滤波带宽小的特 点；第三种是布拉格光栅结构，它是利用周期性的折射率微扰区，可实现不同带宽的光滤波 功能，但是由于它是两端口器件，无法同时实现带通和带阻滤波功能，光的反射谱无法通过 类似光纤环路器来提取，如果采用对称的Y分叉结构将会引入6dB的损耗。

因此，研制出结构简单、尺寸紧凑，功能齐全、易于集成和制作的上下路光滤波器， 是今后发展片上集成光通信技术的重要而有意义的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于反对称多模布拉格波导光栅的上下路滤波器，结 构简单、尺寸紧凑，功能齐全、易于集成和制作。

本发明一种基于反对称多模布拉格波导光栅的上下路滤波器，包括单模输入波 导、下路非对称Y分叉波导、多模波导、反对称布拉格波导光栅、上路非对称Y分叉波导、单模 输出波导、下路单模波导和上路单模输入波导，其中单模输入波导与下路非对称Y分叉波导 一分支连接，下路单模波导与下路非对称Y分叉波导的另一分支连接，下路非对称Y分叉波 导的主干与多模波导的一端连接，多模波导的另一端与上路非对称Y分叉波导的主干连接， 单模输出波导与上路非对称Y分叉波导一分支连接，上路单模输入波导与上路非对称Y分叉 波导的另一分支连接，所述的反对称布拉格波导光栅位于多模波导上，呈反对称分布。

所述的单模输入波导、下路非对称Y分叉波导、多模波导、反对称布拉格波导光栅、 上路非对称Y分叉波导、下路单模波导、上路单模波导和单模输出波导均为条形波导。

所述的下路非对称Y分叉波导和上路非对称Y分叉波导结构一致，非对称Y分叉波 导的两分支由两宽度不同的单模波导组成，非对称Y分叉波导的主干由一多模波导组成。

所述的反对称布拉格波导光栅的周期满足将多模波导中的TE基模反向耦合为TE 一阶模的相位匹配条件。

该反对称布拉格波导光栅的周期性折射率微扰区在多模波导的两侧边上。

所述的构成反对称布拉格波导光栅的周期单元形状均为矩形。

采用本发明的技术方案，TE光从单模输入波导输入，下路非对称Y分叉波导将其转 换为多模波导的TE基模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦 合为多模波导中的TE一阶模，反射光通过下路非对称Y分叉波导时被转换为下路单模波导 的TE模，从下路端输出；而不满足相位匹配条件波长的透射光，通过上路非对称Y分叉波导， 从单模输出波导输出；同样的，上路光从上路单模输入波导输入，上路非对称Y分叉波导将 其转换为多模波导的TE一阶模，反对称布拉格波导光栅把满足相位匹配条件波长的上路光 反向耦合为多模波导中的TE基模，反射光通过上路非对称Y分叉波导时被转换为单模输出 波导的TE模，从单模输出波导的输出端输出，本发明同时实现了信号上下路功能，具有结构 简单，尺寸紧凑和容差大等优点，制作工艺具有CMOS工艺兼容性，易于集成和扩展，方便低 成本制造，可应用于片上高密度集成的光互连系统。

本发明的有益效果是：

1、结合非对称Y分叉波导和反对称布拉格波导光栅实现了上下路光滤波器功能，具有 插损小和容差大等特点。

2、器件设计结构简单，尺寸紧凑。

3、器件制作工艺具有CMOS工艺兼容性，使得器件易于集成和扩展，方便低成本制 造，可广泛应用于片上高密度集成的光互连通信系统。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是图1中条形波导的剖面图；

图3是图1中布拉格波导光栅的周期单元形状示意图；

图4是图1中布拉格波导光栅的俯视图；

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图中标识：

1、单模输入波导2、下路非对称Y分叉波导

3、多模波导4、反对称布拉格波导光栅

5、上路非对称Y分叉波导6、单模输出波导

7、下路单模波导8、上路单模输入波导。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于反对称多模布拉格波导光栅的上下路滤波器，包括单 模输入波导（1）、下路非对称Y分叉波导（2）、多模波导（3）、反对称布拉格波导光栅（4）、上路 非对称Y分叉波导（5）、单模输出波导（6）、下路单模波导（7）和上路单模输入波导（8），其中 单模输入波导（1）与下路非对称Y分叉波导（2）一分支连接，下路单模波导（7）与下路非对称 Y分叉波导（2）的另一分支连接，下路非对称Y分叉波导（2）的主干与多模波导（3）的一端连 接，多模波导（3）的另一端与上路非对称Y分叉波导（5）的主干连接，单模输出波导（6）与上 路非对称Y分叉波导（5）一分支连接，上路单模输入波导（8）与上路非对称Y分叉波导（5）的 另一分支连接，所述的反对称布拉格波导光栅（4）位于多模波导（3）上，呈反对称分布；TE光 从单模输入波导（1）输入，下路非对称Y分叉波导（2）将其转换为多模波导的TE基模，反对称 布拉格波导光栅（4）把满足相位匹配条件波长的入射光反向耦合为多模波导（3）中的TE一 阶模，反射光通过下路非对称Y分叉波导（2）时被转换为下路单模波导（7）的TE模，从下路端 输出；而不满足相位匹配条件波长的透射光，通过上路非对称Y分叉波导（5），从单模输出波 导（6）输出；同样的，上路光从上路单模输入波导（8）输入，上路非对称Y分叉波导（5）将其转 换为多模波导（3）的TE一阶模，反对称布拉格波导光栅（4）把满足相位匹配条件波长的上路 光反向耦合为多模波导（3）中的TE基模，反射光通过上路非对称Y分叉波导（5）时被转换为 单模输出波导（6）的TE模，从单模输出波导（6）的输出端输出，本发明同时实现了信号上下 路功能，具有结构简单，尺寸紧凑和容差大等优点，制作工艺具有CMOS工艺兼容性，易于集 成和扩展，方便低成本制造，可应用于片上高密度集成的光互连系统。

所述的下路非对称Y分叉波导（2）的两分支由两宽度不同的单模波导组成，下路非 对称Y分叉波导（2）的主干由一多模波导组成，当单模输入波导（1）的输入模式为TE模时，下 路非对称Y分叉波导（2）将该模式转换为多模波导的TE基模；

所述的上路非对称Y分叉波导（5）的结构和下路非对称Y分叉波导（2）结构一致，当上路 单模输入波导（8）的输入模式为TE模时，下路非对称Y分叉波导（2）将该模式转换为多模波 导的TE一阶模；

所述的反对称布拉格波导光栅（4）的周期性折射率微扰区对称设在多模波导（3）的两 侧边上，呈反对称分布；当多模波导（3）中入射光波长满足相位匹配条件的TE基模通过反对 称布拉格波导光栅（4）时，被反向耦合为多模波导（3）的TE一阶模，该TE一阶模的反射光通 过下路非对称Y分叉波导（2）时被转换为下路单模波导（7）的TE模，从下路单模波导（7）的输 出端输出；而当多模波导（3）中波长不满足相位匹配条件的TE基模通过反对称布拉格波导 光栅（4）时，该透射光不会受到反对称布拉格波导光栅（4）的影响，继续向前传输，通过上路 非对称Y分叉波导（5）时，被转换为单模输出波导（6）的TE模，从单模输出波导（6）的输出端 输出；当光从上路单模输入波导（8）中输入，通过上路非对称Y分叉波导（5）时，被转换为多 模波导（3）的一阶模，波长满足相位匹配条件的TE一阶模通过反对称布拉格波导光栅（4） 时，被反向耦合为多模波导（3）的TE基模，该TE基模的反射光通过上路非对称Y分叉波导（5） 时，被转换为单模输出波导（6）的TE模，从单模输出波导（6）的输出端输出。

如图1、图3和图4所示，所述的反对称布拉格波导光栅（4）是通过在波导上刻蚀一 维矩形周期单元形成的，反对称布拉格波导光栅（4）的周期满足多模波导（3）的TE基模反向 耦合到TE一阶模的相位匹配条件。

为满足多模波导（3）TE模反向耦合到TE一阶模的要求，需要设计布拉格波导光栅 周期，可以通过以下公式获得

(1)

式中Λ为光栅周期，为多模波导TE基模的传播常数，为多模波导TE一阶模式的 传播常数。

如图1所示一种实施例，本发明一种基于反对称多模布拉格波导光栅的上下路滤 波器由单模波导、非对称Y分叉波导、多模波导和反对称布拉格波导光栅构成，该器件所有 组成部分皆位于同一平面内。图1中的所有单模波导1、6、7、8，非对称Y分叉波导2、5，多模波 导3和布拉格波导光栅4，皆采用图2所示的条形波导。

实施例：

如图1、图2和图4所示，采用顶层硅厚为220nm、氧化硅埋层2μm的绝缘层上硅(SOI)材 料，在完成晶圆表面清洗后，进行深紫外光刻或电子束直写光刻获得硅刻蚀掩膜，通过硅干 法刻蚀，制作出高度为220nm的条形波导，其中非对称Y分叉波导的两分叉波导宽度分别为 500nm和400nm，主干波导宽为900nm，多模波导的宽度为900nm，多模波导的两侧边刻蚀 反对称结构的布拉格波导光栅，矩形光栅齿为150nm，其周期为308nm，布拉格波导光栅的 长度为300μm。

上述实施例中的光栅周期参数是针对工作波长为1550nm，900nm宽度的多模条 形波导设计的，器件也适合其它工作波长和宽度的多模条形波导，也适用于不同的顶层硅 厚度的条形波导，只需改变渐变型波导的尺寸和设计不同的光栅周期参数，即可实现光滤 波器功能。整个器件只需一次刻蚀即可完成制作。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的 精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范 围。