一种超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112379485 A(43)申请公布日 2021.02.19

(21)申请号 2020112788.1(22)申请日 2020.11.16

(71)申请人 西湖大学

地址 310024 浙江省杭州市西湖区转塘街

道石龙山街18号(72)发明人 孙春雷　李兰　林宏焘　(74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公

司 33200

代理人 贾玉霞(51)Int.Cl.

G02B 6/293(2006.01)

权利要求书2页 说明书6页 附图4页

()发明名称

一种超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构(57)摘要

本发明公开一种超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构，该结构包括由入射波导、弯曲波导和出射波导依次相连构成的边耦合波导，以及依次相连的左侧布拉格波导光栅、拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅、右侧布拉格波导光栅。且弯曲波导的最低点的垂线过拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅的连接点。所有的波导光栅的周期相等，且布拉格波导光栅的禁带带宽小于两倍的F‑P谐振腔的自由光谱范围，F‑P谐振腔的谐振波长靠近布拉格波导光栅的禁带的中部。本发明将波导耦合器、布拉格波导光栅与F‑P谐振腔结合，利用布拉格光栅的有限禁带带宽以及F‑P谐振腔的大自由光谱范围可实现全光谱范围单纵模激励，从而实现单通道信号滤波。

CN 112379485 ACN 112379485 A

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1.一种超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构，其特征在于，其包括入射波导(101)、出射波导(102)、弯曲波导(103)、左侧布拉格波导光栅(104)、右侧布拉格波导光栅(105)、拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)，其中：

所述入射波导(101)、弯曲波导(103)和出射波导(102)依次相连，构成边耦合波导；所述左侧布拉格波导光栅(104)、拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)、右侧布拉格波导光栅(105)依次相连，且所述左侧布拉格波导光栅(104)与所述右侧布拉格波导光栅同轴。

所述弯曲波导(103)的最低点的垂线过所述拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)的连接点；

所述入射波导(101)、弯曲波导(103)、出射波导(102)、左侧布拉格波导光栅(104)、拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)、右侧布拉格波导光栅(105)均为单模波导；

所述左侧布拉格波导光栅(104)、拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)、右侧布拉格波导光栅(105)均为周期性结构，且四者的周期相等；

所述左侧布拉格波导光栅(104)与所述右侧布拉格波导光栅(105)构成F-P谐振腔；所述弯曲波导(103)与所述F-P谐振腔构成侧边耦合F-P谐振腔；

所述左侧布拉格波导光栅(104)和右侧布拉格波导光栅(105)的禁带带宽中的较大值为ΔλF-P腔的自由光谱范围FSRFP，则两者满足如下关系：sb，

Δλsb＜2FSRFP

且所述F-P谐振腔的谐振波长靠近所述的左侧布拉格波导光栅(104)和右侧布拉格波导光栅(105)的禁带的中部。

2.根据权利要求1所述的超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构，其特征在于，该滤波器结构为左右对称结构，且Δλsb＜FSRFP。

3.根据权利要求1或2所述的超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构，其特征在于，该滤波器结构还包括位于拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)之间的单模波导(108)，所述弯曲波导(103)的最低点切线与所述单模波导(108)平行且存在间隙，构成侧边耦合波导结构；且所述弯曲波导(103)的最低点到所述单模波导(108)的垂线过所述单模波导(108)的中点。

4.根据权利要求3所述的超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构，其特征在于，所述F-P腔的自由光谱范围FSRFP的计算公式如下：

其中，Lpd为所述左侧布拉格波导光栅(104)和右侧布拉格波导光栅(105)的穿透深度，Lt为拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)的长度，ng1表示单模波导(108)的群折射率，ng2表示所述左侧布拉格波导光栅(104)与右侧布拉格波导光栅(105)的群折射率，ng3表示所述拉锥渐变型波导光栅(106)、反向拉锥渐变型波导光栅(107)的群折

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射率；neff，右侧布拉格波导光栅(105)中周期性变化w和neff，n是左侧布拉格波导光栅(104)、的有效折射率；λ为滤波器结构的工作波长。

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一种超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构

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技术领域

[0001]本发明涉及光学滤波器领域，具体涉及一种超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构。

背景技术

[0002]在当今通讯网络和计算系统中，对高速率数据日益增长的需求推动了低成本、高速光学链路的发展。光互连中，各种先进的复用技术，如波分复用、偏振复用和模式复用已经相继被用来提高通光信容量。其中，在共享物理通道中使用不同波长的波分复用是近几十年来光互连中最流行的技术之一。这种基于波分复用技术的光子链路需要具有大量波长通道。因此，在基于波分复用的光互连中使用的滤波器波长的操作，多个滤波器级联实现多个波长通道的复用。自由光谱范围越大意味着可以支持越多的波长通道且通道之间互不干扰。利用光路可逆原理，大自由光谱范围的滤波器可以实现输入光谱进行下载，从而可以实现宽谱信号分析。[0003]另外一方面，近年以来，在物联网场景需求推动下，光传感器在医疗、油气、电力、军工、城建、食品安全和地质勘探等领域广泛应用，因而催生了数亿规模的市场。为了实现多位点多参量的传感，利用波分复用技术的分布式传感是构建传感网络的关键技术之一。分布式光探测技术，可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息。采用大自由光谱范围的滤波器可以有效增加单根传感链路上彼此传感器的数量，实现更多位点和参量的同时传感。

[0004]目前已有多种实现大自由光谱范围滤波器的方案。微环谐振器通过选取超小半径可以实现较大的自由光谱范围，同时有紧凑的体积，但是自由光谱范围难以突破100nm，了其应用。为了在微环谐振器中实现扩展的自由光谱范围，人们使用了游标效应或两点耦合的多串耦合微环，但是这种方案敏感于实际器件尺寸变化，工艺容差小，通常需要热调进行微环谐振峰对准。在单环上级联反向耦合器也能实现宽的自由光谱范围，但这种方案中为了获取较窄的禁带宽度，要求反向耦合器中布拉格波导光栅刻槽宽度极小，工艺难度大，不利于工业生产，而且这种方案仍需要布拉格波导光栅的主峰和微环谐振峰对准，工艺容差小。理想的集成滤波器应具有大的自由光谱范围、高的抑制比和大的工艺容差，以避免精确的波长对准。

发明内容

[0005]针对现有技术的不足，本发明提出一种超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构，该滤波器结构能在宽谱范围甚至全光谱范围内实现单通道信号滤波。[0006]本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

[0007]一种超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构，其包括入射波导、出射波导、弯曲波导、左侧布拉格波导光栅、右侧布拉格波导光栅、拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅，其中：

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所述入射波导、弯曲波导和出射波导依次相连，构成边耦合波导；

[0009]所述左侧布拉格波导光栅、拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅、右侧布拉格波导光栅依次相连，且所述左侧布拉格波导光栅与所述右侧布拉格波导光栅同轴；[0010]所述弯曲波导的最低点的垂线过所述拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅的连接点；

[0011]所述入射波导、弯曲波导、出射波导、左侧布拉格波导光栅、拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅、右侧布拉格波导光栅均为单模波导；[0012]所述左侧布拉格波导光栅、拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅、右侧布拉格波导光栅均为周期性结构，且四者的周期相等；

[0013]所述左侧布拉格波导光栅与所述右侧布拉格波导光栅构成F-P谐振腔；[0014]所述弯曲波导与所述F-P谐振腔构成侧边耦合F-P谐振腔；

[0015]所述左侧布拉格波导光栅和右侧布拉格波导光栅的禁带带宽中的较大值为Δλsb，F-P腔的自由光谱范围FSRFP，则两者满足如下关系：[0016]Δλsb＜2FSRFP

[0017]且所述F-P谐振腔的谐振波长靠近所述的左侧布拉格波导光栅和右侧布拉格波导光栅的禁带的中部。[0018]进一步地，该滤波器结构为左右对称结构，且Δλsb＜FSRFP。[0019]进一步地，该滤波器结构还包括位于拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅之间的单模波导，所述弯曲波导的最低点切线与所述单模波导平行且存在间隙，构成侧边耦合波导结构；且所述弯曲波导的最低点到所述单模波导的垂线过所述单模波导的中点。

[0020]进一步地，所述F-P腔的自由光谱范围FSRFP的计算公式如下：

[0021]

[0022]

其中，Lpd为所述左侧布拉格波导光栅和右侧布拉格波导光栅的穿透深度，Lt为拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅的长度，ng1表示单模波导的群折射率，ng2表示所述左侧布拉格波导光栅与右侧布拉格波导光栅的群折射率，ng3表示所述拉锥渐变型波导光栅、反向拉锥渐变型波导光栅的群折射率；neff，右侧w和neff，n是左侧布拉格波导光栅、布拉格波导光栅中周期性变化的有效折射率；λ为滤波器结构的工作波长。[0024]本发明的有益效果如下：

[0025]本发明的超大自由光谱范围的集成光学滤波器结构可以同时实现超大自由光谱范围操作、亚纳米光带宽和大工艺公差。也就意味着，可以支持越多的波长通道且通道之间互不干扰。这在光通信领域和分布式传感方面有着极大的应用价值。附图说明

[0026]图1为本发明的实施例一的超大自由光谱范围的滤波器结构的示意图；

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图2为本发明的实施例一的超大自由光谱范围的滤波器的工作原理图；

[0028]图3为实施例一的滤波器在1400-1620nm波长范围内的透射率示意图；[0029]图4为实施例一的滤波器在1400、1521、1522、1620nm处的模拟电场分布示意图，其中，白色箭头表示注入光的方向。

[0030]图5为本发明的实施例三的超大自由光谱范围的滤波器结构的示意图；[0031]图6为本发明的实施例五的超大自由光谱范围的滤波器结构的示意图；[0032]图7为图6左侧布拉格波导光栅104的波导截面图；

[0033]图8为本发明的实施例六的超大自由光谱范围的滤波器结构的示意图；[0034]图9为图8左侧布拉格波导光栅104的波导截面图；

[0035]图10为本发明的实施例七的超大自由光谱范围的滤波器结构的示意图；[0036]实施例一～七中，101为入射波导、102为出射波导、103为弯曲波导、104为左侧布拉格波导光栅、105为右侧布拉格波导光栅、106为拉锥渐变型波导光栅、107为反向拉锥渐变型波导光栅、108为单模波导、201为波导芯层，202为波导包层，203为被刻蚀的波导包层、301为波导芯层、302为波导包层、303为纳米柱。具体实施方式

[0037]下面将结合示意图对本发明的超大自由光谱范围的滤波器结构进行更详细的描述，其中示意图表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的。[0038]在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为本发明的具体保护范围。[0039]在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。[0040]如图1所示，本发明的超大自由光谱范围的滤波器结构，包括入射波导101、出射波导102、弯曲波导103、左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106、反向拉锥渐变型波导光栅107和单模波导108；[0041]所述入射波导101、弯曲波导103和出射波导102依次相连，构成边耦合波导；[0042]所述左侧布拉格波导光栅104、拉锥渐变型波导光栅106、单模波导108、反向拉锥渐变型波导光栅107、右侧布拉格波导光栅105依次相连，且所述左侧布拉格波导光栅104与所述右侧布拉格波导光栅同轴；左侧布拉格波导光栅104与右侧布拉格波导光栅105之间存在单模波导108，并构成F-P谐振腔；弯曲波导103的最低点切线与单模波导108平行且存在间隙，构成侧边耦合波导结构；单模波导108的长度可以为零。弯曲波导103的最低点到单模波导108的垂线过单模波导108的中点；弯曲波导103与F-P谐振腔构成侧边耦合F-P谐振腔。[0043]此外，入射波导101、弯曲波导103、出射波导102、左侧布拉格波导光栅104、拉锥渐

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变型波导光栅106、反向拉锥渐变型波导光栅107、右侧布拉格波导光栅105均为单模波导，且左侧布拉格波导光栅104、拉锥渐变型波导光栅106、反向拉锥渐变型波导光栅107、右侧布拉格波导光栅105均为周期性结构，且四者的周期相等。[0044]具体地，在滤波器在使用时，激光注入到滤波器的入射波导101中，激光通过弯曲波导103耦合到F-P谐振腔中。非谐振波长从F-P谐振腔耦合到出射波导102中，谐振波长耦合进入在F-P谐振腔中并增强，直到输入功率，外耦合功率，腔损耗功率达到动态平衡，光像是被腔体束缚住，无法从F-P谐振腔耦合到出射波导102，从而实现特定波长光的滤波。通过在左侧布拉格光栅104和右侧布拉格光栅105之间引入拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107，降低左侧布拉格光栅104、右侧布拉格光栅105和单模波导108的模式失配，从而降低腔内损耗，抑制边带抖动和增加谐振腔的品质因子。单模波导108连接拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107。通过控制拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107的周期数和单模波导108的长度可以F-P谐振腔的自由光谱范围。如图2所示，选择拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107尽量少的周期数和单模波导108的长度(单模波导108的长度可以为零)，使得左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105的禁带带宽小于两倍的F-P谐振腔腔的自由光谱范围，便可以实现单纵模的激发，从而实现全光谱范围单个峰或者单个谷超大自由光谱范围的滤波器。其中，ΔλFSRFP为F-P腔的自由光谱范围则两者满足sb表示布拉格波导光栅的禁带带宽，如下关系：[0045]Δλsb＜2FSRFP；

[0046]且所述F-P谐振腔的谐振波长靠近所述的左侧布拉格波导光栅(104)和右侧布拉格波导光栅(105)的禁带的中部。[0047]其中，FSRFP的计算公式如下：

[0048]

[0049]

其中，Lpd为所述左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105的穿透深度，Lt为拉锥渐变型波导光栅106、反向拉锥渐变型波导光栅107的长度，ng1表示单模波导108的群折射率，ng2表示所述左侧布拉格波导光栅104与右侧布拉格波导光栅105的群折射率，ng3表示所述拉锥渐变型波导光栅106、反向拉锥渐变型波导光栅107的群折射率；neff，w和neff，n是左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105中周期性变化的有效折射率；λ为滤波器结构的工作波长。

[0051]下面给出本发明的滤波器结构的多个实施例。[0052]实施例一

[0053]基于220nm绝缘层上硅平台制备集成的超大自由光谱范围的滤波器。入射波导101、出射波导102、弯曲波导103和单模波导108宽度为500nm，波导为脊波导，刻蚀深度(波导高度)为150nm，弯曲波导的弯曲半径为20μm。左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105由宽波导和窄波导周期性交替而成，宽波导宽度为500nm，窄波导为300nm，周期数为150，周期为317nm。拉锥渐变型波导光栅106由宽波导和窄波导周期性交替而成，宽波导

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宽度为500nm，宽度不变，窄波导宽度从300nm线性变宽至500nm，周期数为5，周期为317nm；反向拉锥渐变型波导光栅107由宽波导和窄波导周期性交替而成，宽波导宽度为500nm，宽度不变，窄波导宽度从500nm线性变为300nm，周期数为5，周期为317nm；单模波导108长度为零，弯曲波导103和单模波导108的间隙为250nm。[00]在本实施例中，滤波器在使用时，扫频连续激光注入到滤波器的入射波导101中，激光通过边耦合波导结构耦合到F-P谐振腔中。谐振波长1521nm一直在谐振腔中振荡无法从谐振腔耦合到出射波导102，非谐振波长(除1521nm外)从F-P谐振腔耦合到出射波导102中，以实现对1521nm波长激光的滤除。

[0055]图3给出了实施例一的滤波器的光谱传输图，从图中可以看出，在220nm的超大波长范围内，只能看到在1521nm有一个深的凹陷，而在非共振波长处平坦的响应。图4展示了在工作波长为1400、1521、1522和1620nm时整个结构的电场分布。对于禁带外波长为1400和1620nm的光，该滤波器被认为是传统的双波导耦合器。因此，光在F-P腔中不能增强，而是耦合到右侧的布拉格光栅中。对于阻带内1522nm而非谐振处的波长，光被耦合到腔内，然后被布拉格光栅反射，最后传输到直通端口。对于1521nm的谐振波长，光耦合进入腔内，增强腔内的功率，直到耦合功率、外耦合功率和损耗功率之间实现动态平衡。因此，光就像被困在腔内，几乎没有功率耦合到直通端口。[0056]实施例二

[0057]实施例二与实施例一的不同之处仅在于将实施例一中的脊波导变成条波导。[0058]实施例三

[0059]实施例三与实施例一的不同之处仅在于将实施例一中的左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107由宽波导和窄波导交替的方案更改为波导内刻蚀小孔的方案。如图5所示，左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105均由普通单模波导和打孔的单模波导周期性交替形成；拉锥渐变型波导光栅106由单模波导和打孔的单模波导周期性交替而成，单模波导宽度不变，圆孔的半径逐渐变小；反向拉锥渐变型波导光栅107由单模波导和打孔的单模波导周期性交替而成，单模波导宽度不变，圆孔的半径逐渐变大。[0060]实施例四

[0061]实施例四与实施例三的不同之处仅在于将实施例三中的左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107种的圆孔替换成非圆形孔，如矩形孔、方形孔、椭圆形孔等。[0062]实施例五

[0063]实施例五与实施例一的不同之处仅在于将实施例一中的左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107由宽波导和窄波导交替的方案更改为刻蚀波导包层的方案。如图6所示，左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107均由普通单模波导和周期性刻蚀的包层组成。图7所示为图6左侧布拉格波导光栅104的波导截面图。201为波导芯层，202为波导包层，203为被刻蚀的波导包层。[00]实施例六

[0065]实施例六与实施例五的不同之处仅在于将实施例五的左侧布拉格波导光栅104、

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右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107由刻蚀波导包层的方案改为波导旁边刻蚀纳米柱。如图8所示，左侧布拉格波导光栅104和右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107均由普通单模波导和周期性刻蚀的纳米柱组成。图9所示为图8左侧布拉格波导光栅104的波导截面图。601为波导芯层，302为波导包层，303为纳米柱。纳米柱303可以是矩形柱、方形柱、圆柱、椭圆柱。

[0066]实施例七

[0067]实施例七与实施例一的不同之处仅在于将实施例一的左侧布拉格波导光栅104、右侧布拉格波导光栅105、拉锥渐变型波导光栅106和反向拉锥渐变型波导光栅107和单模波导108由普通波导改为狭缝波导，如图10所示。[0068]此外，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，采用其他集成光学平台，如绝缘层上硅平台、无机硫系玻璃平台、氧化钛平台、氮化硅平台、绝缘层上铌酸锂平台和三五族磷化铟平台等；采用不同的光学工作波段，比如紫外波段、可见光波段、近红外波导、中红外波导和远红外波段等。[0069]综上，在本实施例中，提出的超大自由光谱范围的滤波器结构，本发明将波导耦合器、布拉格波导光栅与F-P谐振腔结合，利用布拉格光栅的有限禁带带宽以及F-P谐振腔的大自由光谱范围的特点，控制F-P谐振腔的腔长使得布拉格波导光栅的禁带带宽小于两倍的F-P谐振腔腔的自由光谱范围，便可以实现单纵模的激发，从而实现全光谱范围单个峰或者单个谷超大自由光谱范围的滤波器。[0070]本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

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说　明　书　附　图

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图9

图10

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