本發(fā)明涉及光柵濾波器，特別是涉及一種基于軸向切趾光柵的濾波器。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)以來，集成光學(xué)器件特別是硅基集成光電子器件的發(fā)展十分迅速，硅基集成光電子器件儼然已經(jīng)成為集成光學(xué)器件發(fā)展很重要的研究方向，各種新型的光學(xué)器件不斷被報道出來。由于硅基光學(xué)器件能夠與現(xiàn)有成熟的CMOS工藝相結(jié)合，生產(chǎn)成本低，性能可靠性高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，并且能夠與電路系統(tǒng)相結(jié)合，形成多功能的光電混合模塊和系統(tǒng)，將在通信、傳感、軍事、生物等眾多領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用，具有非常光明的前景。因此對光通訊提出了更高的要求，比如多業(yè)務(wù)匹配，波長的資源的靈活分配等等，因此波分復(fù)用在光通信領(lǐng)域的作用越來越重要，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，要求速率不同的信號可以同時傳輸，因此可靠的高邊帶抑制比的光柵濾波器成為了光通訊不可缺少的模塊。

學(xué)者們結(jié)合硅材料本身大折射率差、低損耗、與CMOS兼容等的優(yōu)點，對硅基濾波器進(jìn)行了一系列的探索，雖然基于微環(huán)以及馬赫澤德干涉儀的濾波器具有窄的帶寬，但受其本身FSR的限制，限制了波分復(fù)用的波段范圍，不能夠覆蓋全部的C波段，而光柵不受FSR的限制，波長范圍可以覆蓋整個通訊波段。但目前的光柵受旁瓣影響對相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_比較大，很難實現(xiàn)密集波分復(fù)用，所以實現(xiàn)基于硅基波導(dǎo)光柵的切趾型濾波器具有很大的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于軸向切趾光柵的濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡單、無插損以及高的邊帶抑制比的切趾型光柵濾波器。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括輸入單模波導(dǎo)、輸出單模波導(dǎo)、非對稱漸變定向耦合器、輸入漸變波導(dǎo)、輸出漸變波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)和反對稱多模波導(dǎo)光柵；輸入單模波導(dǎo)右端口和輸入漸變波導(dǎo)左端口相連接，輸入漸變波導(dǎo)右端口和非對稱漸變定向耦合器左端上端口相連接，非對稱漸變定向耦合器左端下端口和彎曲波導(dǎo)相連接，實現(xiàn)反射信號下載；非對稱漸變定向耦合器右端上端口和反對稱多模波導(dǎo)光柵左端相連接，反對稱多模波導(dǎo)光柵右端依次經(jīng)輸出漸變波導(dǎo)與輸出單模波導(dǎo)相連接。

所述非對稱漸變定向耦合器，包括第一漸變波導(dǎo)，第二漸變波導(dǎo)；第一漸變波導(dǎo)左側(cè)為單模波導(dǎo)，逐漸變寬為多模波導(dǎo)，第二漸變波導(dǎo)左側(cè)為單模波導(dǎo)，逐漸變窄。

所述非對稱漸變定向耦合器，包括第一漸變波導(dǎo)，第二漸變波導(dǎo)，實現(xiàn)反射的TE_m模式到TE₀模的耦合，然后下載到彎曲波導(dǎo)。

所述反對稱多模波導(dǎo)光柵，依次包括左多模波導(dǎo)、切趾光柵和右多模波導(dǎo)；切趾光柵通過兩側(cè)光柵齒的軸向位的漸變分布實現(xiàn)切趾，包括兩側(cè)光柵齒的軸向相對漸變橫移和對稱漸變的橫移。

所述切趾光柵中，能滿足相位匹配條件(n₀+n_m)/2＝λ/Λ的TE₀和TE_m會發(fā)生耦合，式中：n₀為TE₀零階模式有效折射率，n₁為TE_m第m階模式有效折射率，λ為諧振波長，Λ為光柵齒周期，實現(xiàn)入射TE₀零階模式反向耦合為TE_m第m階模。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1)光柵反射信號的分離采用非對稱漸變定向耦合器，容差大，插損小，實現(xiàn)了光柵信號的下載；

2)基于光柵濾波器，容差大，且?guī)捳{(diào)節(jié)范圍大，不受FSR限制，可以實現(xiàn)滿足各種不同帶寬需求的濾波器；

3)通過對光柵齒軸向位置的調(diào)節(jié)實現(xiàn)切趾，實現(xiàn)了大邊帶抑制比的光柵濾波器，很大的提高了光柵濾波器的性能；

4)采用的器件可以用平面集成光波導(dǎo)工藝制作，只需要一次刻蝕完成，成本低，性能高，損耗小，并且與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。

附圖說明

圖1是軸向切趾光柵濾波器整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是第一種軸向切趾光柵示意圖。

圖3是第二種軸向切趾光柵示意圖。

圖4是第三種軸向切趾光柵示意圖。

圖5是第四種軸向切趾光柵示意圖。

圖6是本發(fā)明在SOI上的截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明第一種切趾仿真效果示意圖。

圖中：1、輸入單模波導(dǎo)，2、輸入漸變波導(dǎo)，3、非對稱漸變定向耦合器，4、第一漸變波導(dǎo)，5、左多模波導(dǎo)，6、反對稱多模波導(dǎo)光柵，7、切趾光柵，8、右多模波導(dǎo)，9、輸出漸變波導(dǎo)，10、輸出單模波導(dǎo)，11、彎曲波導(dǎo)，12、第二漸變波導(dǎo)，13、二氧化硅保護(hù)層，14、頂層硅，15、襯底SiO₂，16、襯底Si。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明包括輸入單模波導(dǎo)1、輸出單模波導(dǎo)10、非對稱漸變定向耦合器3、輸入漸變波導(dǎo)2、輸出漸變波導(dǎo)9、彎曲波導(dǎo)11和反對稱多模波導(dǎo)光柵6；輸入單模波導(dǎo)1右端口和輸入漸變波導(dǎo)2左端口相連接，輸入漸變波導(dǎo)2右端口和非對稱漸變定向耦合器3左端上端口相連接，非對稱漸變定向耦合器3左端下端口和彎曲波導(dǎo)11相連接，實現(xiàn)反射信號下載；非對稱漸變定向耦合器3右端上端口和反對稱多模波導(dǎo)光柵6左端相連接，反對稱多模波導(dǎo)光柵6右端依次經(jīng)輸出漸變波導(dǎo)9與輸出單模波導(dǎo)10相連接。

如圖1所示，所述非對稱漸變定向耦合器3，包括第一漸變波導(dǎo)4，第二漸變波導(dǎo)12；第一漸變波導(dǎo)4左側(cè)為單模波導(dǎo)，逐漸變寬為多模波導(dǎo)，第二漸變波導(dǎo)12左側(cè)為單模波導(dǎo)，逐漸變窄。

如圖1所示，所述非對稱漸變定向耦合器3，包括第一漸變波導(dǎo)4，第二漸變波導(dǎo)12，實現(xiàn)反射的TE_m模式到TE₀模的耦合，然后下載到彎曲波導(dǎo)11。

如圖1所示，所述反對稱多模波導(dǎo)光柵6，依次包括左多模波導(dǎo)5、切趾光柵7和右多模波導(dǎo)8；切趾光柵7通過兩側(cè)光柵齒的軸向位的漸變分布實現(xiàn)切趾，包括兩側(cè)光柵齒的軸向相對漸變橫移和對稱漸變的橫移。其中：切趾波導(dǎo)光柵7可以有四種不同的構(gòu)成方式：

1、兩側(cè)光柵齒相對位置Δs沿傳播方向呈漸變分布，變化趨勢為小—大—小(如圖2所示)；

2、兩側(cè)光柵齒相對位置Δs沿傳播方向呈漸變分布，變化趨勢為大—小—大(如圖3所示)；

3、兩側(cè)光柵齒位置沿傳播方向均呈漸變分布，光柵齒變化趨勢為密—疏—密(如圖4所示)；

4、兩側(cè)光柵齒位置沿傳播方向均呈漸變分布，光柵齒變化趨勢為疏—密—疏(如圖5所示)。

采用第1種切趾光柵結(jié)構(gòu)時，可以根據(jù)耦合?？梢缘玫今詈舷禂?shù)公式為其中k₀為TE₀和TE_m的耦合系數(shù)。

所述切趾光柵7中，能滿足相位匹配條件(n₀+n_m)/2＝λ/Λ的TE₀和TE_m會發(fā)生耦合，式中：n₀為TE₀零階模式有效折射率，n₁為TE_m第m階模式有效折射率，λ為諧振波長，Λ為光柵齒周期，實現(xiàn)入射TE₀零階模式反向耦合為TE_m第m階模。

本發(fā)明的工作原理：

本發(fā)明通過非對稱漸變定向耦合器3左端下端口與彎曲波導(dǎo)11相連實現(xiàn)反射信號的提取和下載。所述切趾光柵7為光柵齒軸向位置的調(diào)節(jié)，變化函數(shù)可以為高斯、正弦、余弦等以及其他漸變切趾函數(shù)。

主要有四種實現(xiàn)方式：

1、其兩側(cè)光柵齒軸向相對位置Δs沿傳播方向呈漸變分布，其中Δs變化方式為小—大—??；

2、其兩側(cè)光柵齒軸向相對位置Δs沿傳播方向呈漸變分布，其中Δs變化為大—小—大；

3、兩側(cè)光柵齒均呈漸變分布，光柵齒分布為密—疏—密；

4、兩側(cè)光柵齒均呈漸變分布，光柵齒分布為疏—密—疏；

通過調(diào)節(jié)光柵齒的位置實現(xiàn)對耦合系數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)耦合系數(shù)沿著傳播方向的漸變，根據(jù)耦合模方程，所述切趾光柵耦合系數(shù)為其中k₀為當(dāng)Δs＝Λ/2時TE₀和TE_m的耦合系數(shù)。

滿足相位匹配條件的TE₀零階模式的輸入信號，在反對稱多模波導(dǎo)光柵6中，被反向耦合為TE_m第m階模式，反向傳輸，經(jīng)過非對稱漸變定向耦合器3，反射TE_m信號轉(zhuǎn)變?yōu)門E₀信號，通過彎曲波導(dǎo)11端口實現(xiàn)下載。其中TE₀零階模式和第m階模式TE_m的相位匹配條件為(n₀+n_m)/2＝λ/Λ；式中n0為TE₀零階模式有效折射率，n_m為第m階模式TE_m有效折射率，λ為諧振波長，Λ為光柵齒周期。

本發(fā)明實施例器件結(jié)構(gòu)制作可以通過但不限于以下方式實施：

如圖6所示，制作工藝流程是基于標(biāo)準(zhǔn)的SOI材料，SOI材料由襯底Si 16、襯底SiO₂15和頂層硅14三層組成，其中頂層硅14厚度為220nm，襯底SiO₂ 15厚度為2um，頂層硅14作為保護(hù)層可以根據(jù)需要選擇。在完成晶圓表面的清洗后，其中光刻部分的工藝采用等離子增強化學(xué)氣相沉積法PECVD沉積氧化硅作為掩膜，利用深紫外曝光形成所需要的波導(dǎo)圖形。頂層硅14的刻蝕采用離子束輔助自由基刻蝕ICP干法刻蝕。然后在波導(dǎo)層上沉積2um左右的二氧化硅保護(hù)層13。單模波導(dǎo)寬度可以為450nm左右，非對稱漸變定向耦合器上波導(dǎo)左右端寬度不同，如可以分別為600nm、1.0um,非對稱漸變定向耦合器下波導(dǎo)左右端寬度不同，可以分別為450nm、100nm，多模波導(dǎo)寬度可以采用1.0um，光柵切趾函數(shù)可以采用高斯切趾其中b可以取10，光柵齒的大小決定中心波長位置，例如為了使中心波長在1550附近，可以采用光柵齒大小為50nm，光柵周期分別為336nm，占空比為0.5。

圖7是本發(fā)明第一種切趾仿真效果示意圖，下載端反射信號中心波長為1.58um,3dB帶寬為4nm，邊帶抑制比可以達(dá)到28dB 。