一种基于硅基波导光栅的带宽可调滤波器的制作方法

本发明涉及硅基波导光栅滤波器，特别是涉及一种基于硅基波导光栅的带宽可调滤波器。

背景技术：

21世纪以来，硅基集成光电子器件的发展成为集成光学器件发展很重要的研究方向，各种基于硅基波导的新型光学器件不断被报道出来。由于硅基光学器件能够与现有非常成熟的CMOS工艺相结合，有丰富的工艺技术积累，生产成本低，可靠性高，便于大规模生产，并且能够与电路系统相结合，形成多功能的光电混合模块和系统，因此在通信、传感、军事、生物等众多领域得到很广泛的应用，而这些就对光通讯提出了更高的要求，比如多业务匹配，波长的资源的灵活分配等等，因此波分复用在光通信领域的作用越来越重要，基于点对点的方式，把不同的波长在发送端经合波后同时进行组合和传输，在接收端，再经过解复用器将不同的波长分开，在整个过程中，具体到每个波长的通道选择是通过可调滤波器来实现的，随着通信技术的发展，要求速率不同的信号可以同时传输，因此带宽可调的滤波器成为了光通讯不可缺少的模块。

学者们结合硅材料本身大折射率差、低损耗、与 CMOS 兼容等的优点，对硅基带宽可调滤波器进行了一系列的探索，基于微环以及马赫泽德干涉仪的带宽可调滤波器受本身FSR的限制，很难实现大范围的带宽可调，不能够覆盖全部的C波段，并且多级微环调节比较麻烦，而光栅带宽可调滤波器可以由于本身带宽范围大，并且不受FSR的影响，可以实现大范围的带宽可调。但目前基于硅基光栅的滤波器实现反射信号的下载结构例如MMI、Y分叉等等比较复杂，容差小，而且有一定的插损，所以实现基于无损的，容差大的下载型光栅滤波器的带宽可调滤波器具有很大的意义。

技术实现要素：

如何实现结构简单、无损的下载型光栅滤波器，以及不受FSR限制的大范围的带宽可调是带宽可调光栅滤波器研究的重要问题。本发明的目的在于提供一种基于硅基波导光栅的带宽可调滤波器。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括第一级光栅滤波器和第二级光栅滤波器；第一级光栅滤波器的左边下载端通过弯曲波导与第二级光栅滤波器输入单模波导相连接，第二级光栅滤波器的右边直通端通过弯曲波导与第一级光栅滤波器的右边非对称渐变定向耦合器的下端口连接，实现信号的回收；利用两级光栅滤波器的级联，并通过热电极调节两级光栅谱线叠加区域范围进而构成带宽可调滤波器。

所述第一级光栅滤波器，包括第一单模波导，第二单模波导，第一渐变波导，第二渐变波导，第一非对称渐变定向耦合器，第二非对称渐变定向耦合器，第一多模波导，第二多模波导，第一反对称多模波导光栅，第一弯曲波导，第二弯曲波导和第一热电极；第一单模波导依次经第一渐变波导、第一非对称渐变定向耦合器、第一多模波导、第一反对称多模波导光栅、第二多模波导、第二非对称渐变定向耦合器、第二渐变波导与第二单模波导连接，第一弯曲波导的一端与第一非对称渐变定向耦合器的下端口连接，第二弯曲波导的一端与第二非对称渐变定向耦合器的下端口连接，第一反对称多模波导光栅外，设有第一热电极，第一热电极通过二氧化硅保护层覆盖于波导上。

所述第二级光栅滤波器，包括第三单模波导，第四单模波导，第三渐变波导，第四渐变波导，第三非对称渐变定向耦合器，第三多模波导，第四多模波导，第二反对称多模波导光栅，第三弯曲波导和第二热电极；第三单模波导依次经第三渐变波导、第三非对称渐变定向耦合器、第三多模波导、第二反对称多模波导光栅、第四多模波导、第四渐变波导与第一级光栅滤波器中的第二弯曲波导的另一端连接，第三弯曲波导的一端与第三非对称渐变定向耦合器的下端口连接，第三弯曲波导的另一端与第四单模波导的一端连接，第四单模波导的另一端为下载端，第二反对称多模波导光栅外，设有第二热电极，第二热电极通过二氧化硅保护层覆盖于波导上。

所述第一非对称渐变定向耦合器、第二非对称渐变定向耦合器和第三非对称渐变定向耦合器均为插损低于0.2dB的非对称渐变定向耦合器。

所述第一反对称多模波导光栅和第二反对称多模波导光栅，其光栅齿均为反对称分布，第一反对称多模波导光栅和第二反对称多模波导光栅谐振波长不相同；实现满足相位匹配条件的TE₀零阶模式反向耦合为TE₁一阶模式，其中TE₀零阶模式和TE₁一阶模式的相位匹配条件为；式中n₀为TE₀零阶模式有效折射率，n₁为TE₁一阶模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。

所述第一非对称渐变定向耦合器和第三非对称渐变定向耦合器，左端为两个宽度不同的单模波导，间距保持不变，上部单模波导逐渐变宽成为多模波导，下部单模波导逐渐变窄；第二非对称渐变定向耦合器，右端为两个宽度不同的单模波导，间距保持不变，上部单模波导逐渐变宽成为多模波导，下部单模波导逐渐变窄。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明光栅反射信号的分离采用非对称渐变定向耦合器，容差大，插损小；

2)本发明基于光栅滤波器，带宽调节范围不受FSR限制，可以实现大范围的带宽可调；

3)本发明通过非对称渐变定向耦合器将第二级光栅直通端信号无损上载合波，实现了无带宽的浪费；

4)本发明器件可以用平面集成光波导工艺制作，一次刻蚀完成，成本低，性能高，损耗小，与传统的CMOS工艺兼容，结构简单，制作容易，具有大规模生产的潜力。

附图说明

图1是带宽可调滤波器整体结构示意图。

图2是第一级光栅滤波器示意图。

图3是第二级光栅滤波器示意图。

图4是本发明在SOI上的截面结构示意图。

图5是带宽可调滤波器工作原理示意图。

图中：1、8、15、20、四个个单模波导，2、9、16、19、四个渐变波导，4、6、11、13、四个多模波导，7、14、17、三个弯曲波导，3、10、18、三个非对称渐变定向耦合器，5、12、二个反对称多模波导光栅，21、二个热电极，22、二氧化硅保护层，23、顶层硅，24、衬底SiO₂，25、衬底Si。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括第一级光栅滤波器和第二级光栅滤波器；第一级光栅滤波器的左边下载端通过弯曲波导7与第二级光栅滤波器输入单模波导8相连接，第二级光栅滤波器的右边直通端通过弯曲波导17与第一级光栅滤波器的右边非对称渐变定向耦合器18的下端口连接，实现信号的回收；利用两级光栅滤波器的级联，并通过热电极调节两级光栅谱线叠加区域范围进而构成带宽可调滤波器。

如图2、图4所示，所述第一级光栅滤波器，包括第一单模波导1，第二单模波导20，第一渐变波导2，第二渐变波导19，第一非对称渐变定向耦合器3，第二非对称渐变定向耦合器18，第一多模波导4，第二多模波导6，第一反对称多模波导光栅5，第一弯曲波导7，第二弯曲波导17和第一热电极21；第一单模波导1依次经第一渐变波导2、第一非对称渐变定向耦合器3、第一多模波导4、第一反对称多模波导光栅5、第二多模波导6、第二非对称渐变定向耦合器18、第二渐变波导19与第二单模波导20连接，第一弯曲波导7的一端与第一非对称渐变定向耦合器3的下端口连接，第二弯曲波导17的一端与第二非对称渐变定向耦合器18的下端口连接，第一反对称多模波导光栅5外，设有第一热电极21，第一热电极21通过二氧化硅保护层22覆盖于波导上。

如图3、图4所示，所述第二级光栅滤波器，包括第三单模波导8，第四单模波导15，第三渐变波导9，第四渐变波导16，第三非对称渐变定向耦合器10，第三多模波导11，第四多模波导13，第二反对称多模波导光栅12，第三弯曲波导14和第二热电极21；第三单模波导8依次经第三渐变波导9、第三非对称渐变定向耦合器10、第三多模波导11、第二反对称多模波导光栅12、第四多模波导13、第四渐变波导16与第一级光栅滤波器中的第二弯曲波导17的另一端连接，第三弯曲波导14的一端与第三非对称渐变定向耦合器10的下端口连接，第三弯曲波导14的另一端与第四单模波导15的一端连接，第四单模波导15的另一端为下载端，第二反对称多模波导光栅12外，设有第二热电极21，第二热电极21通过二氧化硅保护层22覆盖于波导上。

所述第一非对称渐变定向耦合器3、第二非对称渐变定向耦合器18和第三非对称渐变定向耦合器10均为插入损耗低于0.2dB的非对称渐变定向耦合器，用来实现TE₀、TE₁两种模式的转换，并且通过对非对称渐变定向耦合器参数的优化，模式转换效率还可以提高。

所述第一反对称多模波导光栅5和第二反对称多模波导光栅12，其光栅齿均为反对称分布，第一反对称多模波导光栅5和第二反对称多模波导光栅12谐振波长不相同；实现满足相位匹配条件的TE₀零阶模式反向耦合为TE₁一阶模式，其中TE₀零阶模式和TE₁一阶模式的相位匹配条件为；式中n₀为TE₀零阶模式有效折射率，n₁为TE₁一阶模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。

如图2、图3所示，所述第一非对称渐变定向耦合器3和第三非对称渐变定向耦合器10，左端为两个宽度不同的单模波导，间距保持不变，上部单模波导逐渐变宽成为多模波导，下部单模波导逐渐变窄；第二非对称渐变定向耦合器18，右端为两个宽度不同的单模波导，间距保持不变，上部单模波导逐渐变宽成为多模波导，下部单模波导逐渐变窄。

本发明的工作原理：

本发明通过第一级光栅滤波器(如图2所示)下载端与第二级光栅滤波器(图3所示)输入端相连接，并通过将第二级光栅滤波器直通端信号通过非对称渐变定向耦合器与第一级光栅滤波器的右边第二非对称渐变定向耦合器18下端口相连接，实现信号的回收；并通过热电极调节两级光栅谱线叠加区域范围进而实现带宽可调滤波器，其工作原理如图5所示，通过各自热电极21分别调节第一级光栅滤波器与第二级光栅滤波器的谐振波长，可以实现带宽B的调节。

所述第一级光栅滤波器输入信号在第一反对称多模波导光栅5中，满足相位匹配条件的TE₀零阶模式的信号，被反向耦合为TE₁一阶模式，反向传输，经过第一非对称渐变定向耦合器3，反射TE₁信号转变为TE₀信号，通过下载端输入第二级光栅滤波器。其中TE₀零阶模式和TE₁一阶模式的相位匹配条件为；式中n₀为TE₀零阶模式有效折射率，n₁为TE₁一阶模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。

所述第二级光栅滤波器满足谐振波长的TE₀零阶模式的信号，被反向耦合为TE₁一阶模式，反向传输，经过第三非对称渐变定向耦合器10，反射TE₁信号转变为TE₀信号，通过下载端输出；不满足谐振波长的TE₀信号在直通端通过第一级光栅滤波器的非对称渐变定向耦合器，耦合为TE₁一阶模式，反向传输，在经过第一反对称多模波导光栅5时，因该信号在第一级光栅滤波器谐振波长范围内，所以在光栅区域被反向耦合为TE₀信号，从第一级光栅滤波器直通端输出，从而实现真正无带宽浪费的下载型带宽可调滤波器。

本发明实施例器件结构制作可以通过但不限于以下方式实施：

如图4所示，工艺制作流程是采用标准的绝缘层上硅（SOI）材料，其中SOI材料是指由衬底Si 25、衬底SiO₂ 24和顶层硅23组成，顶层硅23厚度为220nm，衬底SiO₂ 24为2μm。在完成晶圆表面的清洗后，其中光刻部分的工艺采用等离子增强化学气相沉积法PECVD沉积氧化硅作为掩膜，利用深紫外曝光形成所需要的220nm波导图形。顶层硅23的刻蚀采用离子束辅助自由基刻蚀ICP干法刻蚀。然后在波导层上沉积2μm左右的二氧化硅保护层22，在该氧化层上溅射金属作为热电极21，通过光刻形成热电极图案。单模波导宽度可以为450nm左右，非对称渐变定向耦合器上波导左右端宽度不同，如可以分别为600nm、1100nm, 非对称渐变定向耦合器下波导左右端宽度不同，可以分别为450nm、100nm，多模波导宽度可以采用1100nm，光栅齿的大小决定中心波长位置，例如可以采用光栅齿大小为150nm，光栅周期分别为308nm、312nm，占空比为0.5。