[發明專利]一種高效緊湊矩形環諧振腔波導型光濾波器

有效

• 申請號: 201410304912.8
• 申請日: 2014-06-30
• 公開（公告）號: CN104090331B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 王爽;劉克;張成龍
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/293
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 紀佳

技術領域

本發明涉及光濾波器器件，特別是涉及一種高效緊湊矩形環諧振腔波導型光濾波器結構，屬于集成光學領域。

背景技術

光濾波器是實現波分復用技術的重要器件，被廣泛應用于光通信領域和片上光互連系統。例如可以應用在光波分復用網絡中的光分插復用節點中，其功能是從傳輸光路中有選擇地上下本地接收和發送某些波長信道。分插復用節點的核心器件是光濾波器件，由濾波器件選擇要上/下路的波長，實現波長路由。新型的光濾波器特征是基于光波導結構，利用半導體薄膜制造技術，獲得良好的光域性能以及高度集成等特性。目前在Si、GaAs、InP等襯底上通過化學氣相沉積或分子束外延等方法，結合刻蝕技術實現集成二維平面光傳輸系統，使新型光濾波器在片上光互連系統中的應用也成為可能。同時集成光濾波器在光上下路復用、片上光交換以及光計算等領域也都具有廣闊的應用前景。

常見的光濾波器有基于干涉原理的濾波器，如熔錐光纖濾波器、法布里波羅濾波器、多層介質膜濾波器、馬赫‐曾德爾濾波器等；以及基于光柵原理的濾波器，如體光柵濾波器、陣列波導光柵濾波器(AWG)、光纖光柵濾波器等。上述濾波器的尺寸較大，常以分立器件的形式應用在系統中，難以實現大規模集成。另外當應用于光互連與光計算的片上集成系統中時，這些體濾波器無法滿足高度集成的需求。波導型光濾波器便應運而生，基于微環諧振腔的光濾波器，雖然可以在一定程度上解決集成問題，但存在著微環曲率半徑受到材料折射率差、波導彎曲損耗的限制、對溫度敏感以及帶寬較窄等問題。波導型馬赫‐曾德爾濾波器由于在結構中采用常規的Y分支、定向耦合器或者多模干涉耦合器等，也存在占據的單片尺寸較大或者一維方向上尺度仍然較長的問題，不利于提高光子集成回路分立元件的集成數量。因此技術上需要實現一種在二維方向上占據面積更小、結構更加緊湊以及功耗更低的波導型光濾波器器件。

發明內容

本發明針對目前集成光濾波器占據單片尺寸較大、無法二維方向集成等缺陷，提出一種新型基于溝槽的矩形環諧振腔波導型光濾波器結構，可以在二維方向高度集成，并且獲得較低的插入損耗，提高品質因數。

本發明采用的技術方案是：一種高效緊湊矩形環諧振腔波導型光濾波器，其特征在于：由單模光波導構成封閉的長矩形，兩條相互平行的直條單模光波導垂直穿過矩形波導兩條長邊，分別與矩形波導交叉；矩形波導端部在十字交匯處之間部分為相移臂4；兩條直條波導中間被矩形波導分割的部分為參考臂5，矩形長邊被兩條平行波導分割的部分為連接波導6；任一直條波導端部與十字交匯處之間的部分為輸入波導1，與其在同一直條波導的另一端與相鄰十字交匯處之間的部分為輸出波導Ⅰ8，與輸入波導相鄰的另一條直波導端部與相鄰十字交匯處之間的部分為輸出波導Ⅱ9；輸出波導Ⅱ9所在的直條波導另一端與相鄰十字交匯處之間部分為復用波導10。在矩形波導直角外側，沿波導傳播方向成45°角方向刻蝕切面，構成全反射鏡7；矩形波導與直條波導交叉處，分別沿相鄰的全反射鏡7平行方向刻蝕微納溝槽2。

溝槽2內填充溝槽介質材料3，所述溝槽介質材料3包括空氣、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、SU‐8聚合物、三氧化二鋁、二氧化鋯；對于同一種襯底材料，填充不同的溝槽介質導致等功分比時微納溝槽2的開口寬度不同。填充折射率越大的介質材料，溝槽2的開口寬度越寬，從而減緩器件刻蝕工藝的難度；但是所述溝槽與各波導角度應大于波導材料與溝槽填充材料所構成的介質界面的全反射角。

所述波導輸入端為輸入波導Ⅰ1的耦合端面1a；輸出端分別為輸出波導Ⅰ8的耦合端面8a和輸出波導Ⅱ9的耦合端面9a。輸入波導1、輸出波導Ⅰ8、輸出波導Ⅱ9、復用波導10完全等價，可以分別作為輸入輸出端口，實現交叉復用。

該器件制作在硅或絕緣體上硅(Silicon?on?insulator，SOI)或GeSi/Si或GaAs或GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半導體襯底材料的一種基底材料上。

本發明的積極進步效果在于：一、本發明采用基于受抑全內反射原理的溝槽型微納光子耦合器替代傳統濾波器結構中的分光/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，打破了傳統耦合器對器件結構一維長度的限制，使器件高效緊湊，能滿足器件小型化、二維集成化及多級級聯占據面積更小的應用需求。二、采用矩形環諧振腔替代傳統的微環諧振腔，克服了微環結構的材料折射率差對曲率半徑的制約，進一步減小圓環形波導結構的彎曲損耗。

附圖說明

圖1是本發明所提出的一種高效緊湊矩形環諧振腔波導型光濾波器結構示意圖。