一种基于双层结构的偏振不敏感波导光栅滤波器

摘要

本发明公开了一种基于双层结构的偏振不敏感波导光栅滤波器；包括偏振不敏感滤波器单元，所述偏振不敏感滤波器单元中包括硅波导切趾光栅层和氮化硅波导切趾光栅层，其中由硅波导切趾光栅针对TE信号进行滤波，由氮化硅波导切趾光栅针对TM信号进行滤波。所述的偏振不敏感滤波器单元可以采用多模波导型滤波器实现，也可以采用光栅辅助型滤波器实现；本发明的滤波器可以实现TE模式和TM模式的同时滤波，实现偏振不敏感的光栅滤波器，并且器件尺寸相比传统的采用偏振旋转器的方案可有效缩小一半。此外，本发明基于硅基以及氮化硅波导光栅滤波器，容差大，插损小，且中心波长调节范围不受FSR限制，并且通过设置不同的耦合系数可以实现不同带宽的滤波器。

说明书

技术领域

本发明属于光栅滤波器技术领域，主要涉及硅以及氮化硅波导光栅滤波器，特别涉及一种基于双层结构的偏振不敏感波导光栅滤波器。

背景技术

近年来，随着集成光子学的飞速发展，硅基集成光子器件成为了一个重要的研究方向。在硅基集成光子器件领域中，硅基波导光栅器件受到了越来越多人的关注，针对硅基波导光栅的理论、形成机理、制作方法以及应用等方面的研究取得了大量的成果，结合其结构简单、易于集成、制作工艺与现有成熟的CMOS工艺兼容等特点，具有广阔的应用领域。随着氮化硅材料制备工艺的成熟，氮化硅材料以其折射率差小，温度不敏感等优势吸引了众多研究者的兴趣，这其中包括氮化硅光栅滤波器。光栅滤波器作为硅光子器件领域的基本功能器件，但是现在仍然面临着偏振敏感的问题。因此如何设计出性能好的偏振不敏感波导光栅滤波器成为了一个急需解决的问题。

基于硅材料本身大折射率差、低损耗、成本低、制作工艺与CMOS工艺兼容等优点，目前对于偏振不敏感滤波器的研究也取得了一定的成果，比如基于偏振旋转器的解决方案，通过偏振旋转器将不同偏振旋转为相同偏振态，再进行信号处理，虽然也能实现针对不同的偏振态进行操作，但是需要双倍的器件，并且整个器件尺寸较大，所以在实际应用中有很多的局限性。

发明内容

如何实现结构紧凑、偏振不敏感的波导光栅滤波器是硅光子学研究的重要问题。本发明的目的在于提供一种基于硅基的双层结构的偏振不敏感波导光栅滤波器。本发明基于硅上氮化硅两种主要材料，设计了双层结构的偏振不敏感滤波器，本设计结构紧凑，工艺简单，插损小，消光比高。而且本发明基于波导光栅滤波器，没有FSR的限制，调谐范围大，箱型的滤波谱线会提到频谱的利用率。所以本设计对于解决硅基光子学的偏振问题具有重要的研究意义。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

基于双层结构的偏振不敏感波导光栅滤波器，包括偏振不敏感滤波器单元，所述偏振不敏感滤波器单元中包括硅波导切趾光栅层和氮化硅波导切趾光栅层，其中由硅波导切趾光栅针对TE信号进行滤波，由氮化硅波导切趾光栅针对TM信号进行滤波。

其中一种方案中，所述的偏振不敏感滤波器单元采用多模波导型滤波器，所述的波导光栅滤波器包括输入单模波导、双偏振模式(解)复用器、输入渐变波导、多模波导型滤波器、输出渐变波导、输出单模波导、弯曲波导。其中输入单模波导输出端与双偏振模式(解)复用器输入端相连接，双偏振模式(解)复用器输出端与输入渐变波导窄端相连接，输入渐变波导宽端与多模波导型滤波器输入端相连接，多模波导型滤波器输出端与输出渐变波导宽端相连接，输出渐变波导窄端与输出单模波导相连接，弯曲波导一端与双偏振模式(解)复用器下载端相连接，金属电极覆盖在多模波导型滤波器上。

所述的双偏振模式(解)复用器包括单模波导，第一渐变波导，输出多模波导，第一贝塞尔弯曲波导，第二渐变波导，第二贝塞尔弯曲波导；第一渐变波导左端为单模波导，逐渐变宽为多模波导，第二渐变波导左端也为单模波导，逐渐变窄。

所述的双偏振模式(解)复用器，主要是实现反射信号的TE

所述的多模波导型滤波器包括左多模波导、右多模波导、多模硅波导切趾光栅、多模氮化硅切趾光栅，所述左多模波导、右多模波导为同一多模波导的左、右两端或者为两段分立的多模波导但通过多模硅波导切趾光栅连通；

所述的多模硅波导切趾光栅以及多模氮化硅切趾光栅中，其切趾方式包括但不限于横向切趾，相位切趾等切趾方式。

所述的多模硅波导切趾光栅中，能满足相位匹配条件(n

所述的多模氮化硅切趾光栅中，能满足相位匹配条件(n

所述的多模硅波导切趾光栅以及多模氮化硅切趾光栅，其反射模式TE

进一步的，所述的左多模波导、右多模波导为同一多模波导的左、右两端，当从顶层向下俯视多模波导型滤波器，所述多模硅波导切趾光栅、多模氮化硅切趾光栅均对称分布于所述多模波导的两侧；在多模波导型滤波器的纵向截面上，多模硅波导切趾光栅、多模氮化硅切趾光栅位于直接相邻的两层或中间隔有SiO

在另一种方案中，所述的偏振不敏感滤波器单元采用光栅辅助型滤波器，所述的波导光栅滤波器包括第一输入单模波导、第一金属电极、光栅辅助型滤波器、第一输出单模波导、第一弯曲波导、第二弯曲波导；其中第一输入单模波导输出端与光栅辅助型滤波器的输入端相连接，光栅辅助型滤波器的直通端与第一输出单模波导相连接，第一弯曲波导一端与光栅辅助型滤波器的下载端相连接，光栅辅助型滤波器的add端与第二弯曲波导的一端相连接，第一金属电极覆盖在光栅辅助型滤波器上。

所述的光栅辅助型滤波器包括第一单模硅波导切趾光栅、第二单模硅波导切趾光栅、第一单模氮化硅切趾光栅、第二单模氮化硅切趾光栅；其中第一单模硅波导切趾光栅一端作为光栅辅助型滤波器输入端，另一端为光栅辅助型滤波器直通端，第二单模硅波导切趾光栅一端作为光栅辅助型滤波器下载端，另一端作为光栅辅助型滤波器的add端；

所述第一单模硅波导切趾光栅、第二单模硅波导切趾光栅满足如下条件：针对TE信号，输入TE

所述第一单模氮化硅切趾光栅、第二单模氮化硅切趾光栅满足如下条件：针对TM信号，输入TM

进一步的，所述的氮化硅波导切趾光栅包括但不限于位于硅波导切趾光栅的两侧，中间，以及叠在硅波导光栅齿上方或者下方。具体的，从顶层向下俯视光栅辅助型滤波器，所述第一单模氮化硅切趾光栅、第二单模氮化硅切趾光栅位于第一单模硅波导切趾光栅、第二单模硅波导切趾光栅二者之间，或者分布于二者的两侧，或者位于二者的正上方或正下方且不覆盖硅波导切趾光栅的光栅齿，或者位于二者的正上方或正下方且部分覆盖或完全覆盖硅波导切趾光栅的光栅齿；在光栅辅助型滤波器的纵向截面上，第一单模氮化硅切趾光栅、第二单模氮化硅切趾光栅与第一单模硅波导切趾光栅、第二单模硅波导切趾光栅位于直接相邻的两层或中间隔有SiO

本发明具有的有益效果是：

1)本发明采用双层结构的波导光栅滤波器，可以同时实现TE模式和TM模式的同时滤波，实现偏振不敏感的光栅滤波器，并且器件尺寸相比传统的采用偏振旋转器的方案缩小一半。

2)本发明基于硅基以及氮化硅波导光栅滤波器，容差大，插损小，且中心波长调节范围不受FSR限制，并且通过设置不同的耦合系数可以实现不同带宽的滤波器；

3)本发明的方案一：基于双层结构的偏振不敏感多模波导光栅滤波器，其在多模波导上发生基模和高阶模的耦合，易于实现宽带的滤波器。并且结合双层光栅齿不同位置的排列组合，可以实现不同带宽的滤波器。例如图3中(1)(2)(3)可以实现较宽的滤波器带宽，而图3中(4)可以实现较窄的滤波器带宽。

4)本发明的方案二：基于双层结构的光栅辅助型波滤波器，其在两根宽度不同单模波导上发生基模之间的耦合，易于实现窄带的滤波器，并且不需要额外的模式复用器，减少了器件数量及损耗。并且结合双层光栅齿不同位置的排列组合，也可以实现不同带宽的滤波器。例如图5中(1)(4)可以实现较宽的滤波器带宽，而图5中(2)(3)可以实现较窄的滤波器带宽。

5)本发明通过在光栅齿上加热电极通过热调的方式来实现频谱中心波长的调节。

6)本发明的制作工艺与传统的CMOS工艺兼容，成本低，性能好，损耗小，结构简单，制作容易，具有大规模生产的潜力

附图说明

图1是本发明基于双层结构偏振不敏感多模波导光栅滤波器的整体结构示意图。

图2是双偏振模式(解)复用器的结构示意图。

图3是四种偏振不敏感多模波导光栅滤波器的结构示意图，主要是多模硅波导布拉格光栅和多模氮化硅布拉格光栅的相对位置分布图；

图4是基于双层结构偏振不敏感光栅辅助型波导光栅滤波器的整体结构示意图。

图5是四种偏振不敏感光栅辅助型滤波器的结构示意图，主要是单模硅波导布拉格光栅和单模氮化硅布拉格光栅的相对位置分布图；

图6是本发明器件的截面结构示意图。

图中：1、输入单模波导，2、双偏振模式(解)复用器，3、输入渐变波导，4、多模波导型滤波器，5、金属电极，6、输出渐变波导，7、输出单模波导，8、弯曲波导，9、单模波导，10、第一渐变波导，11、多模波导，12、第一贝塞尔弯曲波导，13、第二渐变波导，14、第二贝塞尔弯曲波导，15、左多模波导，16、右多模波导，17、多模硅波导切趾光栅，18、多模氮化硅切趾光栅，19、第一输入单模波导，20、第一金属电极，21、光栅辅助型滤波器，22、第一输出单模波导，23、第一弯曲波导，24、第二弯曲波导，25、第一单模硅波导切趾光栅，26、第二单模硅波导切趾光栅，27、第一单模氮化硅切趾光栅，28、第二单模氮化硅切趾光栅，29、金属电极层，30、氮化硅波导层，31、硅波导层，32、二氧化硅层，33、硅衬底层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的基于双层结构的偏振不敏感波导光栅滤波器包括偏振不敏感滤波器单元，所述偏振不敏感滤波器单元中包括硅波导切趾光栅层和氮化硅波导切趾光栅层，其中由硅波导切趾光栅针对TE信号进行滤波，由氮化硅波导切趾光栅针对TM信号进行滤波

如图1所示，为本发明的第一种方案，其偏振不敏感滤波器单元采用多模波导型滤波器，所述的波导光栅滤波器包括输入单模波导1、双偏振模式(解)复用器2、输入渐变波导3、偏振不敏感多模波导光栅滤波器4、金属电极5、输出渐变波导6、输出单模波导7、弯曲波导8。其中输入单模波导1输出端与双偏振模式(解)复用器2输入端相连接，双偏振模式(解)复用器2输出端与输入渐变波导3窄端相连接，输入渐变波导3宽端与多模波导型滤波器4输入端相连接，多模波导型滤波器4输出端与输出渐变波导6宽端相连接，输出渐变波导6窄端与输出单模波导7相连接，弯曲波导8一端与双偏振模式(解)复用器2下载端相连接，金属电极5覆盖在多模波导型滤波器4上。

如图2所示，所述双偏振模式(解)复用器2包括单模波导9，第一渐变波导10，多模波导11，第一贝塞尔弯曲波导12，第二渐变波导13，第二贝塞尔弯曲波导14.其中单模波导9右端口与第一渐变波导10左端口相连接，第一渐变波导10右端口与多模波导11相连接，第一贝塞尔弯曲波导12右端口与第二渐变波导13左端口相连接，第二渐变波导13右端口与第二贝塞尔弯曲波导14左端口相连接。

如图3所示，所述多模波导型滤波器包括左多模波导15，右多模波导16，多模硅波导切趾光栅17，多模氮化硅切趾光栅18，其结构设置如下：所述的左多模波导15、右多模波导16为同一多模波导的左、右两端，当从顶层向下俯视多模波导型滤波器4，所述多模硅波导切趾光栅17、多模氮化硅切趾光栅18均对称分布于所述多模波导的两侧；在多模波导型滤波器4的纵向截面上，多模硅波导切趾光栅17、多模氮化硅切趾光栅18位于直接相邻的两层或中间隔有SiO

如图4所示，为本发明的第二种方案，其偏振不敏感滤波器单元采用光栅辅助型滤波器，所述的波导光栅滤波器包括第一输入单模波导19，第一金属电极20，光栅辅助型滤波器21，第一输出单模波导22，第一弯曲波导23，第二弯曲波导24。其中第一输入单模波导19输出端与光栅辅助型滤波器21的输入端相连接，光栅辅助型滤波器21的直通端与第一输出单模波导22相连接，第一弯曲波导23一端与光栅辅助型滤波器21的下载端相连接，光栅辅助型滤波器21的add端与第二弯曲波导24的一端相连接，第一金属电极20覆盖在光栅辅助型滤波器21上。

如图5所示，所述的光栅辅助型滤波器21包括第一单模硅波导切趾光栅25、第二单模硅波导切趾光栅26、第一单模氮化硅切趾光栅27、第二单模氮化硅切趾光栅28；其中第一单模硅波导切趾光栅25一端作为光栅辅助型滤波器21输入端，另一端为光栅辅助型滤波器21直通端，第二单模硅波导切趾光栅26一端作为光栅辅助型滤波器21下载端，另一端作为光栅辅助型滤波器21的add端；其位置结构如下：从顶层向下俯视光栅辅助型滤波器21，所述第一单模氮化硅切趾光栅27、第二单模氮化硅切趾光栅28位于第一单模硅波导切趾光栅25、第二单模硅波导切趾光栅26二者之间，或者分布于二者的两侧，或者位于二者的正上方或正下方且不覆盖硅波导切趾光栅的光栅齿，或者位于二者的正上方或正下方且部分覆盖或完全覆盖硅波导切趾光栅的光栅齿；在光栅辅助型滤波器21的纵向截面上，第一单模氮化硅切趾光栅27、第二单模氮化硅切趾光栅28与第一单模硅波导切趾光栅25、第二单模硅波导切趾光栅26位于直接相邻的两层或中间隔有SiO

如图6所示，是本发明器件的截面结构示意图。包括金属电极层29，氮化硅波导层30，硅波导层31，二氧化硅层32，硅衬底层33。

本发明的工作原理如下：

针对第一种方案结构，也就是双层结构的偏振不敏感多模波导型滤波器

本发明通过多模硅波导切趾光栅和多模氮化硅波导切趾光栅上下两层分别针对TE模式和TM模式进行滤波，所以能够实现偏振不敏感滤波器。其中多模硅波导切趾光栅中，能满足相位匹配条件(n

所述的多模氮化硅切趾光栅中，能满足相位匹配条件(n

所述的多模硅波导切趾光栅以及多模氮化硅切趾光栅，其反射模式TEm和TMn的阶数可以相同也可以不同，即m可以等于n，m也可以不等于n。

另外一种基于双层结构的光栅辅助型滤波器，本发明通过单模硅波导切趾光栅和单模氮化硅波导切趾光栅上下两层分别针对TE模式和TM模式进行滤波，所以能够实现偏振不敏感滤波器。对于单模硅波导切趾光栅输入TE

所述的多模硅波导切趾光栅以及多模氮化硅切趾光栅中，其切趾方式包括但不限于横向切趾，相位切趾等切趾方式。

硅波导光栅滤波器和氮化硅波导滤波器的带宽由光栅的结构所决定：

其中，L为布拉格光栅总长度，k为光栅耦合系数，Λ为光栅齿周期，λ为中心波长。(需要注意的是，一般波长的变化相对于波长的量级而言是很小的，比如波长变化十个纳米或者二十个纳米已经很大了，但是波长的值是1550纳米左右，所以这个波长的变化相比于波长本身的值来说很小，其变化对带宽的影响基本可以忽略，即滤波器的带宽仅由结构决定)，通过分别调节硅波导光栅和氮化硅波导的结构参数，例如皱褶深度也就是光栅齿的尺寸来控制硅波导光栅滤波器和氮化硅波导光栅滤波器使两者的带宽相同。

硅波导光栅滤波器和氮化硅波导光栅滤波器的中心波长可通过金属电极来调节，通过热光效应或者电光效应。

本发明中的工艺制作流程均可由四种方案实现，每种方案都针对不同的硅波导层和氮化硅波导层的相对位置，如图6(1)-(4)所示，包括金属电极层29，氮化硅波导层30，硅波导层31，二氧化硅层32，硅衬底层33。