CN110908146A - 一种硅基集成可调谐带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基集成可调谐带通滤波器，涉及硅基光子学与集成光电子学领域，包括构成MZI的两个多模干涉耦合器、三个微环和多个加热电极，其中第一、第二微环与MZI上臂级联，第三微环与下臂级联，MZI下臂上设有加热电极，各微环上均设有加热电极；通过设计三个微环的耦合系数，由MZI结构引入干涉实现通带内相干相长、通带外相干相消，使带通滤波具有高形状因子；通过调节三个微环上的加热电极调谐各环波导的有效折射率，改变各环的谐振条件，调谐各环的谐振波长，实现对总带通滤波的带宽和中心波长的调谐。本发明在实现带宽和中心波长的可调谐的基础上，保持高形状因子，提高了微波光子带通滤波器的性能。

Description

一种硅基集成可调谐带通滤波器
技术领域
本发明属于光纤通信和集成光子学技术领域，更具体地，涉及一种硅基集成可调谐带通滤波器。
背景技术
光通信是现代信息传输最重要的方式之一，正朝着超高速、大容量、大宽带、长距离、低成本的方向前进。光学滤波器用于选择特定波长的光信号使其通过，并滤除其他波长的光信号，是全光信号处理和波分复用***中的重要器件。微环滤波器是光学滤波器中的一种。基于无源微环，如硅、氮化硅微环的滤波器利用微环的幅度响应和相位响应特性来处理光信号，实现滤波功能；利用热光效应、等离子色散效应等，可以实现良好的中心频率调谐性，并且已有多种结构实现了较好的重构性。此外由于微环与生俱来的可集成优势，被广泛应用于制造集成的光学滤波器。
光通信对滤波器滤波波形的矩形性有着较高的要求。由于微环本身的形状因子值较低，矩形性较差，在现有的使用微环结构的可调谐光滤波器方案中普遍存在形状因子值较低的问题。目前已有方案通过组合多个微环来提高滤波器的形状因子，但由于多环组合方案的带宽调谐主要靠改变各个环的谐振波长间的差值来实现，在调谐过程中总滤波波形上升沿和下降沿的形状几乎维持不变，这意味着滤波器的带宽越窄，形状因子越差，滤波波形的矩形性越差。故这些多环组合方案均是针对宽带宽(＞25GHz)滤波情况的解决方案，且对形状因子的提升有限。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种硅基集成可调谐带通滤波器，旨在解决基于微环结构的窄线宽滤波器形状因子值较低的技术问题，从而获得在带宽调谐过程中能保持较高形状因子的窄线宽可调谐带通滤波器。
为实现上述目的，本发明提供了一种硅基集成可调谐带通滤波器，包括第一多模干涉耦合器、第二多模干涉耦合器、第一微环、第二微环、第三微环、第一加热电极；
其中，所述第一多模干涉耦合器和第二多模干涉耦合器构成马赫泽德干涉仪(MZI)，第一多模干涉耦合器的输出端上臂与第二多模干涉耦合器的输入端上臂通过直波导相连构成MZI上臂，第一多模干涉耦合器的输出端下臂与第二多模干涉耦合器的输入端下臂通过直波导相连构成MZI下臂；
所述第一微环、第二微环均与MZI上臂的直波导耦合，同时所述第一微环、第二微环之间互不耦合，分别产生不同谐振波长的周期性陷波透射谱；所述第三微环与MZI下臂的直波导耦合；
所述第一加热电极设于所述MZI下臂的直波导上；
所述第一微环、第二微环、第三微环在其环形波导和耦合区域上均设有加热电极。
进一步地，当向所述第一微环、第二微环、第三微环的环形波导上所设的加热电极加载偏压时，各个微环的谐振波长发生改变。
进一步地，所述第一微环、第二微环的谐振波长分别位于所述第三微环谐振波长的两侧并呈对称分布。
进一步地，当向所述第一微环、第二微环、第三微环的耦合区域上所设的加热电极加载偏压时，各个微环的耦合系数发生改变。
进一步地，第一微环和第二微环的耦合系数相同，并与第三微环的耦合系数不同。
进一步地，所述第一加热电极用于调谐MZI上下臂光信号的相位关系，通过所述第一加热电极引入的附加相位，使得在第二多模干涉耦合器处实现通带内相干相长、带外相干相消。
进一步地，所述第一多模干涉耦合器用于光波分束，将光信号分为上、下两路，并分别发送至MZI上、下臂进行下一步处理；所述第二多模干涉耦合器用于干涉合束，将处理后的两路光信号合为一路。
优选地，所述第一微环、第二微环、第三微环的微环半径R和波导尺寸相同，其中2um≤R≤300um。
优选地，采用硅材料制作。
优选地，所述直波导、环形波导采用条波导或脊波导结构；波导宽度W满足：450nm≤W≤600nm，波导高度h满足：150nm≤h≤300nm。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的硅基集成可调谐带通滤波器，由于采用马赫泽德干涉结构引入了干涉，经设计可正好在通带内实现MZI上下臂相干相长，在通带外实现MZI上下臂相干相消，与现有技术相比，解决了因微环结构本身形状因子低而导致滤波器的形状因子低的问题，显著提升了滤波波谱的矩形性。
(2)本发明提供的硅基集成可调谐带通滤波器，由于组合了三个微环的透射谱，带宽可在GHz量级的窄线宽范围内实现可调谐，且能保持较好的滤波性能。而且，通过微环上的加热电极可实现滤波器的调谐性：利用热光效应改变波导的有效折射率，进而改变微环的谐振波长，从而使得光学滤波器中心波长可调；通过设计三个微环上加热电极的功率，调节上臂两微环谐振波长与下臂单环谐振波长的差值，从而实现光学滤波器的带宽可调。
附图说明
图1为本发明提供的硅基集成可调谐带通滤波器的结构示意图；
图2为实施例中MZI上臂、下臂的相位响应以及MZI上下臂相位差的仿真结果；
图3为实施例中MZI上臂、下臂以及总输出的幅度响应的仿真结果；
图4为实施例的带宽调谐的仿真结果；
图5为实施例在窄线宽带宽调谐过程中形状因子SF随带宽变化的曲线。
图中：1-第一多模干涉耦合器、2-第二多模干涉耦合器、3-第一微环、4-第二微环、5-第三微环、6-第一加热电极、7-第二加热电极、8-第三加热电极、9-第四加热电极、10-第五加热电极、11-第六加热电极、12-第七加热电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明提供的硅基集成可调谐带通滤波器的结构示意图，包括第一多模干涉耦合器1和第二多模干涉耦合器2、第一微环3、第二微环4、第三微环5、第一加热电极6、第二加热电极7、第三加热电极8、第四加热电极9、第五加热电极10、第六加热电极11和第七加热电极12。
MZI(Mach Zehnder interference，马赫泽德干涉仪)由第一多模干涉耦合器1和第二多模干涉耦合器2构成，第一多模干涉耦合器1的输出端上臂与第二多模干涉耦合器2的输入端上臂通过直波导相连构成MZI上臂，第一多模干涉耦合器1的输出端下臂与第二多模干涉耦合器的输入端2下臂通过直波导相连构成MZI下臂，所述MZI上下臂等长；第一多模干涉耦合器1的输入端为整个滤波器的输入端，第二多模干涉耦合器2的输出端为滤波器的输出端；第一多模干涉耦合器1用于光波分束，将光信号分为上、下两路，并分别发送至MZI上、下臂进行下一步处理；所述第二多模干涉耦合器2用于干涉合束，将经微环处理后的两路光信号合为一路。
第一微环3、第二微环4依次与MZI上臂直波导耦合，用于处理MZI上臂的光信号，第一微环3和第二微环4彼此间不发生光场耦合，分别产生不同谐振波长的周期性陷波透射谱；第三微环5与MZI下臂直波导耦合，用于处理MZI下臂的光信号，产生周期性陷波透射谱。
各个微环均在其环形波导和耦合区域上设有加热电极，MZI下臂直波导上设有第一加热电极6。第一加热电极6作用于MZI下臂直波导，用于调谐MZI上下臂光信号的相位关系，需要设计合理的第一加热电极6引入的附加相位，使得在第二多模干涉耦合器2处实现通带内相干相长、带外相干相消。
第二加热电极7、第三加热电极8、第四加热电极9分别作用于第一微环3、第二微环4、第三微环5的环形波导上，通过在加热电极上加载不同的偏压，利用热光效应改变第一微环3、第二微环4、第三微环5的环形波导的有效折射率，改变各环的谐振条件，进而可改变各环的谐振波长λ1、λ2、λ3。通过对三个微环谐振波长的分布进行设计和调谐，可实现对整个带通滤波器的带宽和中心波长的设计和调谐。
三个微环的谐振波长可独立调节。优选地，该光学带通滤波器工作时，第一微环、第二微环的谐振波长分别位于第三微环谐振波长的两侧并呈对称分布；通过改变第一微环、第二微环的谐振波长与第三微环谐振波长的差值来改变滤波器带通滤波的带宽，通过同步调谐第一微环、第二微环、第三微环的谐振波长来改变带通滤波器的中心波长。
第五加热电极10、第六加热电极11分别作用于第一微环3、第二微环4与MZI上臂直波导耦合的区域，第七加热电极12作用于第三微环5与MZI下臂直波导耦合的区域，通过在加热电极上加载不同的偏压，利用热光效应改变第一、第二、第三微环耦合区域波导的有效折射率，实现对各环与直波导的耦合系数的调谐。三个微环的耦合系数可独立调节，需合理设计，优选地，第一微环3和第二微环4的耦合系数相同，与第三微环5的耦合系数不同。
优选地，第一微环、第二微环、第三微环的微环半径和波导尺寸相同；微环半径R满足：2um≤R≤300um，半径过小弯曲损耗大；半径过大，谐振峰之间波长间隔小，作为光滤波器时，会滤出多个波长，不易区分。
优选地，该光学带通滤波器采用的材料为硅材料。
优选地，波导采用条波导或脊波导结构。波导宽度W满足：450nm≤W≤600nm，波导宽度过窄时传输损耗大，波导宽度过宽时，在波导内会有多模传输，导致有多个谐振峰，使得所需基模谐振峰透射率降低；波导高度h满足：150nm≤h≤300nm，以保证在波导内只有基模传输。
针对不同的带宽调谐范围需求，通过逆向设计得到对应的结构参数和设计参数，即三个微环的耦合系数和谐振波长。以一种带宽调谐范围为2-4GHz的窄线宽可调谐带通滤波器为例：微环半径为50微米，波导宽度为450nm，波导厚度为220nm；第一微环、第二微环、第三微环与直波导的耦合系数分别为0.022、0.022、0.057；调谐过程中保持第三微环的谐振波长λ3位于第一微环的谐振波长λ1和第二微环的谐振波长λ2的中间，即有谐振波长差Δλ＝λ3-λ1＝λ2-λ3。
在带宽调谐过程中，当将第一微环、第二微环、第三微环的谐振波长分别设为λ1＝1549.3677nm、λ2＝1549.3892nm、λ3＝1549.37845nm时，对应的MZI上臂、下臂的相位响应以及MZI上下臂相位差的仿真结果如图2所示，对应的MZI上臂、下臂以及总输出的幅度响应的仿真结果如图3所示。
如图2，由微环的基本性质，第一微环3、第二微环4分别在各自谐振波长λ1、λ2附近引入2π相移量，得到所示的MZI上臂的相位响应曲线；第三微环5在谐振波长λ3附近引入2π相移量，再由MZI下臂上的第一加热电极6引入π相移，得到所示的MZI下臂的相位响应曲线；将所得的MZI上臂与下臂的相位响应相减，得到上下臂相位差曲线。
如图3中，MZI上臂的幅度响应曲线为经过第一微环3和第二微环4处理后的幅度响应，在λ1、λ2处均出现陷波；MZI下臂的幅度响应曲线为经过第三微环处理后的幅度响应，在λ3处出现陷波；总输出的幅度响应曲线为经过第二多模干涉耦合器干涉整合上下两路光信号后的幅度响应，即为带通滤波器的幅度响应曲线，由曲线可知滤波中心波长位于λ3处。
同时参阅图2与图3：由图2中的上下臂相位差曲线可知，在λ3附近的相位差为2kπ(其中k为整数)，即在此处可实现相干相长，对应于图3中的总输出谱线的滤波通带内；在远离λ3处的相位差为(2k+1)π(其中k为整数)，即在此处可实现相干相消，对应于图3中的总输出谱线的滤波通带外。如此实现了通带内相干相长，通带外相干相消的效果，在不劣化***损耗的情况下同时具有高形状因子。
图4展示了带宽从2GHz调谐至4GHz的过程，具体过程为：将第三微环的谐振波长λ3固定在1549.37845nm处，调谐第一、第二微环的谐振波长λ1和λ2，使Δλ在0.00795-0.01525nm范围内调谐，即可实现滤波器总输出带宽2-4GHz的可调谐。在窄线宽带宽调谐过程中，形状因子SF随带宽变化的曲线如图5所示。其中，带通滤波器的形状因子SF定义为：
Figure BDA0002315111200000071
图5所示曲线表明，在调谐过程中，滤波器的形状因子可保持在0.55以上的水平，实现了对形状因子的显著提升，同时带内纹波控制在1dB以内，消光比大于25dB，提升了滤波性能。
本发明通过在微环的环形波导上的加热电极加不同偏压，利用热光效应改变波导的有效折射率，改变各环的谐振条件，进而改变微环的谐振波长，实现带通滤波器的可调谐：当同步调谐三个微环的谐振波长时，可实现带通滤波器中心波长的可调谐；当固定第三微环的谐振波长，调谐第一、第二微环的谐振波长时，可实现带通滤波器带宽的可调谐。本发明通过在微环的耦合区域上的加热电极加不同偏压，利用热光效应改变波导的有效折射率，改变微环的弯曲波导与直波导的耦合系数，可实现对各微环耦合系数的调控，用于克服工艺误差对器件性能带来的影响，以及可在同一个器件上实现不同的耦合系数组合，以适用于不同带宽调谐范围需求的应用场景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅基集成可调谐带通滤波器，其特征在于，包括第一多模干涉耦合器(1)、第二多模干涉耦合器(2)、第一微环(3)、第二微环(4)、第三微环(5)、第一加热电极(6)；
其中，所述第一多模干涉耦合器(1)和第二多模干涉耦合器(2)构成马赫泽德干涉仪(MZI)，第一多模干涉耦合器(1)的输出端上臂与第二多模干涉耦合器(2)的输入端上臂通过直波导相连构成MZI上臂，第一多模干涉耦合器(1)的输出端下臂与第二多模干涉耦合器的输入端(2)下臂通过直波导相连构成MZI下臂；
所述第一微环(3)、第二微环(4)均与MZI上臂的直波导耦合，同时所述第一微环(3)、第二微环(4)之间互不耦合，分别产生不同谐振波长的周期性陷波透射谱；所述第三微环(5)与MZI下臂的直波导耦合；
所述第一加热电极(6)设于所述MZI下臂的直波导上；
所述第一微环(3)、第二微环(4)、第三微环(5)在其环形波导和耦合区域上均设有加热电极。
2.如权利要求1所述的硅基集成可调谐带通滤波器，其特征在于，当向所述第一微环(3)、第二微环(4)、第三微环(5)的环形波导上所设的加热电极加载偏压时，各个微环的谐振波长发生改变。
3.如权利要求2所述的硅基集成可调谐带通滤波器，其特征在于，所述第一微环(3)、第二微环(4)的谐振波长分别位于所述第三微环(5)谐振波长的两侧并呈对称分布。
4.如权利要求1所述的硅基集成可调谐带通滤波器，其特征在于，当向所述第一微环(3)、第二微环(4)、第三微环(5)的耦合区域上所设的加热电极加载偏压时，各个微环的耦合系数发生改变。
5.如权利要求4所述的硅基集成可调谐带通滤波器，其特征在于，第一微环(3)和第二微环(4)的耦合系数相同，并与第三微环(5)的耦合系数不同。
6.如权利要求1所述的硅基集成可调谐带通滤波器，其特征在于，所述第一加热电极(6)用于调谐MZI上下臂光信号的相位关系，通过所述第一加热电极(6)引入的附加相位，使得在第二多模干涉耦合器(2)处实现通带内相干相长、带外相干相消。
7.如权利要求1所述的硅基集成可调谐带通滤波器，其特征在于，所述第一多模干涉耦合器(1)用于光波分束，将光信号分为上、下两路，并分别发送至MZI上、下臂进行下一步处理；所述第二多模干涉耦合器(2)用于干涉合束，将处理后的两路光信号合为一路。
8.如权利要求1-7任一项所述的硅基集成可调谐带通滤波器，其特征在于，所述第一微环(3)、第二微环(4)、第三微环(5)的微环半径R和波导尺寸相同，其中2um≤R≤300um。
9.如权利要求1-7任一项所述的硅基集成可调谐带通滤波器，其特征在于，采用硅材料制作。
10.如权利要求1-7任一项所述的硅基集成可调谐带通滤波器，其特征在于，所述直波导、环形波导采用条波导或脊波导结构；波导宽度W满足：450nm≤W≤600nm，波导高度h满足：150nm≤h≤300nm。
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