微环谐振滤波器及光信号处理系统的制作方法

本实用新型涉及硅基光子学以及半导体制备工艺技术领域，尤其涉及一种微环谐振滤波器及光信号处理系统。

背景技术：

随着集成电路工艺技术的飞速发展，芯片的集成度更高，芯片上晶体管的数目增加，芯片的功能和处理速度明显提升，这极大程度地推进了通信技术的进步。然而，当集成电路芯片上线条宽度为nm量级时，晶体管材料的物理化学性质会发生很大变化，片上金属导线之间的传输延迟，还伴有严重的散热问题，这进一步限制了集成电路的发展。为了突破电互连对芯片集成的束缚，用光互连来代替电互连。用光集成器件构成的集成光路具有低功耗、高带宽、抗电磁干扰、低成本、小尺寸、适合量产等优点。随着网络通信和互连中数据量的飞速膨胀，这就对其中大量使用的光集成器件提出了更高的要求。

在光波导集成器件中，滤波器是极为重要的一类无源器件，应用广泛，可以实现不同波长光信号的复用和解复用，以及提取或抑制某个或某些波长通道。微环谐振滤波器在很小尺寸上可以实现高密度、多功能光子集成，是光电子集成回路中一个很重要的功能单元，是光通信和光传感中的一个重要功能器件，目前也有对微环滤波器的一些特性进行的研究，比如滤波器温度可调的特性、微环谐振滤波器陷波特性、波长带宽可调特性、微环耦合系数特性，但是都没有针对改善滤波器的输出信号特性的研究，尤其是如何获得单一波长的特定光波，同时降低能量在传递时的能量损耗。

有鉴于此，提出本实用新型。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种微环谐振滤波器，以三氧化二铝为衬底，加上硅材料构成的微环谐振腔及两个直波导，利用其结构特点和材料间的折射率差，能够有效降低特定波长的信号在能量传递过程中的能量损耗，同时获得需要的滤波谱线，具有较窄的3dB带宽。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种微环谐振滤波器，所述微环谐振滤波器包括衬底，在所述衬底上设有一个或多个微环谐振腔、输入直波导和输出直波导；

所述输入直波导和所述输出直波导互相平行且位于所述微环谐振腔的两侧，所述微环谐振腔的轴线垂直于所述输入直波导和所述输出直波导；

所述输入直波导与所述微环谐振腔之间形成第一耦合区域，所述微环谐振腔与所述输出直波导之间形成第二耦合区域；

所述衬底的材料为三氧化二铝；

所述输入直波导和所述输出直波导的材料为硅。

进一步地，所述微环谐振腔的半径相同、圆心位于同一条直线上。

更进一步地，相邻的所述微环谐振腔之间形成第三耦合区域。

进一步地，所述输入直波导和所述输出直波导的宽度为180－220nm。

进一步地，所述微环谐振腔的外径为950－1050nm，内径为780－820nm。

进一步地，所述微环谐振腔、所述输入直波导和所述输出直波导的高度均为90－110nm。

进一步地，所述微环谐振腔、所述输入直波导和所述输出直波导在高度上均有40－50nm嵌入衬底内。

进一步地，所述第一耦合区域、第二耦合区域、第三耦合区域的间距均为18－22nm。

优选地，所述微环谐振滤波器包括三氧化二铝衬底，在所述衬底上设有三个微环谐振腔、输入直波导和输出直波导；

所述多个微环谐振腔的半径相同、圆心位于同一条直线上；

所述输入直波导和所述输出直波导互相平行且位于所述微环谐振腔的两侧，所述微环谐振腔的轴线垂直于所述输入直波导和所述输出直波导；

所述微环谐振腔、所述输入直波导和所述输出直波导的材料为硅；

所述输入直波导与所述微环谐振腔之间形成第一耦合区域，所述微环谐振腔与所述输出直波导之间形成第二耦合区域，相邻的所述微环谐振腔之间形成第三耦合区域；

所述输入直波导和所述输出直波导的宽度为200nm；

所述微环谐振腔的外径为1000nm，内径为800nm；

所述微环谐振腔、所述输入直波导和所述输出直波导的高度均为100nm；

所述微环谐振腔、所述输入直波导和所述输出直波导在高度上均有50nm嵌入衬底内；

所述第一耦合区域、所述第二耦合区域、所述第三耦合区域的间距均为20nm。

与现有技术相比，本实用新型提供的微环谐振滤波器具有以下有益效果：

本实用新型提供的微环谐振滤波器，以三氧化二铝为衬底，加上硅材料构成的微环谐振腔及两个直波导，利用其结构特点和材料间的折射率差，能够有效降低特定波长的信号在能量传递时的能量损耗，同时获得需要的滤波谱线，具有较窄的3dB带宽。

本实用新型的另一目的在于提供一种含上述微环谐振滤波器的光信号处理系统。

该光信号处理系统，包括上述微环谐振滤波器，还包括光源发射器、电感耦合器、放大电路、电路信号处理器和显示器，所述光源发射器、所述微环谐振滤波器、所述电感耦合器、所述放大电路、所述电路信号处理器和所述显示器依次相连。

由于该光信号处理系统包括上述微环谐振滤波器，所以具有上述微环谐振滤波器的光信号处理器能够获得3dB带宽窄的特定需要的滤波谱线。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为微环谐振腔的工作过程示意图；

图2为本实用新型提供的微环谐振滤波器的结构示意图；

图3为本实用新型提供的微环谐振滤波器的俯视图；

图4为本实用新型提供的微环谐振滤波器沿A－A的剖视图；

图5为本实用新型提供的光信号处理系统的示意图；

图6为本实用新型提供的微环谐振滤波器的输出信号频谱图。

图标：1－衬底；2－微环谐振腔；3－输入直波导；4－输出直波导；5－第一耦合区域；6－第二耦合区域；7－第三耦合区域。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语相连”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

微环谐振滤波器由于尺寸小、性能优良已成为集成光学领域的重要器件单元。为了获得特定滤波，且降低能量传递过程中的损耗，本实用新型提供的微环谐振滤波器，以三氧化二铝为衬底1，加上硅材料构成的微环谐振腔2及两个直波导。利用其结构特点和材料间的折射率差，能够有效降低对的信号在能量传递过程中的能量损耗，同时获得需要的滤波谱线，具有3dB带宽窄、消光比高的优点。

图1为微环谐振腔2的工作过程示意图，下面结合图1对微环谐振腔2中光的传输原理进行简要说明：

光从输入直波导3的一端入射，当传至耦合区域时输入直波导3和微环谐振腔2之间发生光耦合，部分光耦合至微环谐振腔2中。耦合至微环谐振腔2的光在环中传输半周后，到达另一个耦合区域，再次发生耦合，部分光耦合至输出直波导4，剩余光传回到刚开始的耦合区域。当耦合进入微环谐振腔2的光在微环谐振腔2内传输一周的相位变化刚好为2π的整数倍时，此特定波长的光在微环谐振腔2中干涉加强，达到谐振状态，其结果是微环谐振腔2的光增加，导致输出直波导4中光增加，若传输过程中不发生光的损耗，则从输入直波导3输入的光将全部从输出直波导4中输出；相反，其它耦合进入微环谐振腔2的光无法干涉增强，处于非谐振状态，大部分光仍在输入直波导3中传输。通过上述工作原理，微环谐振腔2可以实现波长的分离，微环谐振腔2的谐振波长与有效折射率以及半径有关，因此可以通过改变环微环谐振腔2的半径或者有效折射率来使选择特定的谐振波长。

图2为本实用新型提供的微环谐振滤波器的结构示意图。图3为本实用新型提供的微环谐振滤波器的俯视图。图4为本实用新型提供的微环谐振滤波器沿A－A的剖视图。如图2、图3和图4所示，本实用新型提供的微环谐振滤波器，包括衬底1，在衬底1上设有一个或多个微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4；输入直波导3和输出直波导4互相平行且位于微环谐振腔2的两侧，微环谐振腔2的轴线垂直于输入直波导3和输出直波导4；输入直波导3与所述微环谐振腔2之间形成第一耦合区域5，所述微环谐振腔2与所述输出直波导4之间形成第二耦合区域6；

其中，衬底1的材料为三氧化二铝；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4的材料为硅。

传统的硅基二氧化硅材料折射率差比较小，因此波导对光的限制较弱，弯曲半径也较大，至少有几个毫米，限制了器件尺寸，不利于器件集成。采用三氧化二铝作为衬底1的材料，硅作为微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4的材料，两者具有较大的折射率差，使其对光场有强烈的限制作用，能使波导截面尺寸降至百纳米量级、弯曲半径减小至微米量级，从而可极大地降低芯片尺寸，有利于芯片集成，极大地推动了光器件的大规模集成。

微环谐振腔2的个数可以为一个或多个。

若仅有一个微环谐振腔2时，如图1所示，光从输入直波导3的一端入射，当传至第一耦合区域5时，输入直波导3和微环谐振腔2之间发生光耦合，部分光耦合至微环谐振腔2中。耦合至微环谐振腔2的光在环中传输半周后，到达第二耦合区域6，再次发生耦合，部分光耦合至输出直波导4，剩余光传回到第一耦合区域5。当耦合进入微环谐振腔2的光在微环谐振腔2内传输一周的相位变化刚好为2π的整数倍时，此特定波长的光在微环谐振腔2中干涉加强，达到谐振状态，；相反，其它耦合进入微环谐振腔2的光无法干涉增强，处于非谐振状态。

若有多个微环谐振腔2时，微环谐振腔2的半径相同、圆心位于同一条直线上。其中，相邻的微环谐振腔2之间形成第三耦合区域7。

以三个微环谐振腔2为例，如图2、3或4所示，光从输入直波导3的一端入射，当传至第一耦合区域5时，输入直波导3和微环谐振腔2之间发生光耦合，部分光耦合至第一个微环谐振腔2中。耦合至微环谐振腔2的光在环中传输半周后，一部分光到达与第二个微环谐振腔2的第三耦合区域7，再次发生耦合，另一部分光回到第一耦合区域5。类似的，经过第三个微环谐振腔2，最终部分光通过第二耦合区域6耦合至输出直波导4，并从输出直波导4输出。当耦合进入微环谐振腔2的光在微环谐振腔2内传输一周的相位变化刚好为2π的整数倍时，此特定波长的光在微环谐振腔2中干涉加强，达到谐振状态；相反，其它耦合进入微环谐振腔2的光无法干涉增强，处于非谐振状态。

为了得到4300nm波长的光，对输入直波导3、输出直波导4以及微环谐振腔2的尺寸进行限定。

本实用新型提供的微环谐振滤波器，输入直波导3和输出直波导4的宽度为180－220nm，长度不能超过衬底1的长度。

微环谐振腔2的外径为950－1050nm，内径为780－820nm。

微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4的高度均为90－110nm。

微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4在高度上均有40－50nm嵌入衬底1内。

衬底1的大小可以根据实际要求进行设计。

作为本实用新型的优选实施方式，衬底1的大小为10μm×10μm×1μm。

在本实用新型中，第一耦合区域5、第二耦合区域6、第三耦合区域7的间距均为18－22nm。

如图2、3和4所示，在本实用新型提供的微环谐振滤波器的第一种实施方式中，微环谐振滤波器包括三氧化二铝衬底1，在三氧化二铝衬底1上设有三个微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4；三个微环谐振腔2的半径相同、圆心位于同一条直线上；输入直波导3和输出直波导4互相平行且位于微环谐振腔2的两侧，微环谐振腔2的轴线垂直于输入直波导3和输出直波导4；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4的材料为硅；输入直波导3与微环谐振腔2之间形成第一耦合区域5，微环谐振腔2与输出直波导4之间形成第二耦合区域6；相邻的微环谐振腔2之间形成第三耦合区域7。

输入直波导3和输出直波导4的宽度为200nm；微环谐振腔2的外径为1000nm，内径为800nm；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4的高度均为100nm；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4在高度上均有50nm嵌入衬底1内；第一耦合区域5、第二耦合区域6、第三耦合区域7的间距均为20nm。

将光输入上述的微环谐振滤波器，输出直波导4所得到的输出光信号经能量归一化的频谱图，如图6所示。

从图6中可以看出，可以得到良好的光输出信号，具有较窄的3dB带宽，在4.3μm(即4300nm)波长处的滤波特性良好。

在本实用新型提供的微环谐振滤波器的第二种实施方式中，微环谐振滤波器与第一种实施方式相同，不同的是输入直波导3和输出直波导4的宽度为210nm；微环谐振腔2的外径为980nm，内径为780nm；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4的高度均为90nm；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4在高度上均有45nm嵌入衬底1内；第一耦合区域5、第二耦合区域6、第三耦合区域7的间距均为18nm。

在本实用新型提供的微环谐振滤波器的第三种实施方式中，微环谐振滤波器与第一种实施方式相同，不同的是输入直波导3和输出直波导4的宽度为190nm；微环谐振腔2的外径为1020nm，内径为820nm；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4的高度均为110nm；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4在高度上均有50nm嵌入衬底1内；第一耦合区域5、第二耦合区域6、第三耦合区域7的间距均为22nm。

如图1所示，在本实用新型提供的微环谐振滤波器的另一种实施方式中，微环谐振滤波器包括三氧化二铝衬底1，在三氧化二铝衬底1上设有一个微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4；输入直波导3和输出直波导4互相平行且位于微环谐振腔2的两侧；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4的材料为硅；输入直波导3与微环谐振腔2之间形成第一耦合区域5，微环谐振腔2与输出直波导4之间形成第二耦合区域6。

输入直波导3和输出直波导4的宽度为200nm；微环谐振腔2的外径为1000nm，内径为800nm；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4的高度均为100nm；微环谐振腔2、输入直波导3和输出直波导4在高度上均有50nm嵌入衬底1内；第一耦合区域5、第二耦合区域6的间距均为20nm。

如图5所示，本实用新型提供的光信号处理系统的一种实施方式，包括本实用新型提供的第一种实施方式的微环谐振滤波器，还包括光源发射器、电感耦合器、放大电路、电路信号处理器和显示器，其中光源发射器、微环谐振滤波器、电感耦合器、放大电路、电路信号处理器和显示器依次相连。光源发射器发射的光经微环谐振滤波器过滤得到特定波长的光，经电感耦合器将光信号转化为电信号，再经放大电路、电路信号处理器处理，最终在显示器上显示。通过光信号处理系统可以对输入的光进行过滤得到4300nm的光信号，并经过光电转化显示出来。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。