一种基于集成硅波导的多工作频段、可编程微波光子滤波器的制作方法

本发明属于滤波技术领域，涉及一种基于集成硅波导的多工作频段、可编程微波光子滤波器

背景技术：

微波光子技术结合了微波通信与光子技术，充分利用光子技术采样速率高、损耗低、时间带宽积大、能实现并行传输等优势，能有效突破传统电学产生和处理微波信号的瓶颈，提高微波通信系统的通信容量和信号处理带宽。采用微波光子技术实现的微波光子滤波器在信号处理频率、带宽、灵活性方面都远优于传统电学滤波器，能够处理的信号带宽更大、频率更高、动态范围更大，在推动5g等新型通信技术发展、扩大滤波器的应用场景等方面都有重要意义。

目前微波光子滤波器的方法主要可以划分为两大类：第一种为直接构建有限冲激响应(finiteimpulseresponse,fir)结构，第二种为控制包含微波信号信息的光信号边带。第一种方法是实现微波光子滤波器中最为常见的方法，该方法是将待处理的微波信号调制在光信号上，通过对光信号的调制和延时，实现不同幅度、相位和延时的微波信号支路，最终实现微波滤波的效果。自2008年以来，国内外研究团队将直接构建fir结构微波光子滤波器从单纯正系数(mora,j.,chen,l.r.,capmany,j.single-bandpassmicrowavephotonicfilterwithtuningandreconfigurationcapabilities.journaloflightwavetechnology,2008)推动到能够实现正、负系数再发展到能实现复系数(zhang,c.,yan,l.s.,pan,w.,etal.atunablemicrowavephotonicfilterwithacomplexcoefficientbasedonpolarizationmodulation.ieeephotonicsjournal,2013)，也实现了中心频率可调、带宽可调功能。但是，由于系统中偏振调制器、光参量放大器等仪器的加入，滤波器变得越来越复杂，难以实现小型化和集成化。

第二种方法是通过改变边带与光载波、边带与边带间的相对功率，以及边带或光载波的形状来实现微波滤波。而控制光信号边带可以采用受激布里渊散射(stimulatedbrillouinscattering,sbs)效应(li,p.,zou,x.,pan,w.,etal.tunablephotonicradio-frequencyfilterwitharecordhighout-of-bandrejection.ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,2017)、光纤布拉格光栅(fiberbragggrating,fbg)(gao,l.,zhang,j.,chen,x.,etal.microwavephotonicfilterwithtwoindependentlytunablepassbandsusingaphasemodulatorandanequivalentphase-shiftedfiberbragggrating.ieeetransactionsonmicrowavetheoryandtechniques,2014)或微环(yang,w.,yi,x.,shijie,s.,etal.tunablesinglebandpassmicrowavephotonicfilterbasedonphasecompensatedsilicon-on-insulatormicroringresonator.in201621stoptoelectronicsandcommunicationsconference(oecc),2016)等光学器件。sbs效应具有阈值低、自然线宽窄、可以灵活控制等优点。但sbs效应对泵浦设备要求较高，为了实现控制光信号边带的目的，需要对泵浦光进行精确控制，这无疑增加了实现滤波器的难度，也提高了滤波器系统的成本。除此之外，sbs效应的集成方案采用as2s3波导，不但价格较高，也无法与现有cmos工艺兼容，不利于大规模集成。相比之下，采用fbg和微环的方案对相关仪器的要求低得多，价格低廉，而且能通过热调、电调等方法有效地改变fbg和微环的反射/谐振波长，从而改变滤波器的中心频率。但是由于制作完成的fbg和微环的反射谱和谐振谱的形状难以改变，所以利用该方法实现滤波器的带宽调节范围较窄，滤波形状也很难有较大变化。

通过分析现有微波光子滤波器方案可知，滤波器的可调性不强，同时实现中心波长可调和带宽可调的方案较少；滤波形状可变滤波器方案少，几乎没有实现特殊滤波形状的滤波器方案；滤波器工作频段仅能满足单一频段需求，无法同时满足光学信号、微波信号和毫米波信号的滤波需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于集成硅波导的多工作频段、可编程微波光子滤波器，本发明结构紧凑，将所有功能模块集成到一个硅基芯片上，制作简单，成本较低，并且可以实现多工作频段和可编程，更加灵活，使用范围更广，可用性强。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于集成硅波导的多工作频段、可编程微波光子滤波器，包括在硅基芯片上依次连接的耦合器、固定延时结构、相位调制结构、功率调制结构、可调延时结构和反射结构，所述耦合器将输入的信号分为均匀的n路信号，n≥4；所述固定延时结构用于为每一路信号加入等差的延时量；所述相位调制结构用于调节每一路光信号相位；所述功率调制结构用于调节每一路光信号功率；所述可调延时结构用于为每一路信号加入不同的延时量；最后通过所述反射结构将信号原路返回。

进一步，所述耦合器为多个y分支功分器串联、多个1×2路mmi功分器串联或1×n路mmi功分器硅基结构。

进一步，所述固定延时结构包括不同长度的n个硅基波导，n路延时量为等差数列分布，即t、2t、3t、……nt。

进一步，所述相位调制结构为电调或热调硅基直波导结构，通过改变电压或温度对每路光信号引入不同的相位。

进一步，所述功率调制结构为电调或热调mzi结构，通过改变电压或温度对每路光信号进行不同程度的衰减。

进一步，所述可调延时结构为电调或热调硅基微环阵列、电调或热调硅基啁啾布拉格光栅，通过改变电压或温度对每路光信号引入不同的延时量，所述硅基啁啾布拉格光栅为反射型或反向耦合型。

进一步，所述反射结构为硅基sagnac反射镜结构或硅基布拉格光栅结构，对信号进行反射。

本发明的有益效果在于：使用硅基波导结构来实现信号滤波，相对于分离器件来说，结构紧凑，易于集成，制作简单，成本较低，并且可以实现多工作频段、可编程滤波，更加灵活，使用范围更广，可用性强。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明微波光子滤波器的结构示意图，图1(a)为实现微波光子滤波器的结构框图，图1(b)为微波光子滤波器的硅波导系统俯视示意图；

图2为微波光子滤波器原理示意图；

图3为可编程滤波结果图，其中图3(a)为中心频率可调滤波，图3(b)为带宽可调滤波，图3(c)-图3(f)为滤波形状可调滤波(分别为三角形、矩形、高斯形和超高斯形滤波)；

图4位多工作频段滤波结果图；

图5为设计1×2mmi的示意图，其中图5(a)为2维示意图，图5(b)为3维示意图；

图6为固定延时结构的示意图，其中图6(a)为2维示意图，图6(b)为3维示意图；

图7为热调方式的调制结构，其中图7(a)为设计的热调相位调制结构2维示意图，图7(b)为设计的热调相位调制结构3维示意图，图7(c)为设计的热调mzi功率调制结构2维示意图，图7(d)为设计的热调mzi功率调制结构3维示意图；

图8为热调方式的可调延时结构和反射结构(该结构可同时实现对信号延时和反射功能)的示意图，其中图8(a)为2维示意图，图8(b)为3维示意图。

附图标记：1-耦合器、11-1×2mmi、2-固定延时结构、3-相位调制结构、31-热电极、4-功率调制结构、41-热电级、5-可调延时结构、51-反射型啁啾布拉格光栅、6-反射结构。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1给出了本发明微波光子滤波器实现的一种结构示意图。基于集成硅波导的微波光子滤波器包括依次相接的耦合器1、固定延时结构2、相位调制结构3、功率调制结构4、可调延时结构5和反射结构6。

将需处理的光信号输入到该微波光子滤波器中，由耦合器1将输入的信号分为均匀的n路(n可取大于4的任意整数)，固定延时结构2对每路信号作等差的延时，相位调制结构3对每一路信号进行相位调制，相位调制结构包括热电极31，功率调制结构4对每一路信号进行功率调制，幅度调制结构包括热电极41，可调延时结构5对每路信号加入不同的延时，最后由反射结构6将信号反射使信号原路返回，这两部分功能均由反射型啁啾布拉格光栅51实现。以上微波光子滤波器的所有功能模块都是在一个硅基芯片上制作完成的，因此结构紧凑，功耗低。另外，该微波光子滤波器与前文提到的方案原理不同，是将微波或毫米波信号滤波转移到光学滤波上，由光学滤波曲线决定微波滤波曲线，通过设计光学滤波曲线来实现微波、毫米波滤波器性能的提升。因此，该滤波器也适用于光信号滤波。基于集成硅波导的多工作频段、可编程微波光子滤波器滤波技术的原理示意图如图2所示，其原理如下：

假设待处理微波/毫米波信号频谱为m(f)，中心频率为fm(如图2中节点b处频谱所示)。光载波采用单波长激光，设光载波频率为fc(如图2中节点a处频谱所示)。待处理信号被调制器调制到光载波上会形成多个边带，如图2中节点c处频谱所示，其中心频率分别为fm+fc和fc-fm。假设光学滤波器滤波频谱为h(f)，中心频率为f0，则经过光学滤波器后信号频谱为m(f)·h(f)。对于大带宽微波/毫米波信号，可以近似认为m(f)·h(f)的带宽与h(f)相同，中心频率为f0。之后，再将光载波信号重新注入到系统中，此时信号频谱如图2中节点e处频谱所示。最后，经过光电探测器后最终输出信号的频谱如图2中节点f处频谱所示，中心频率为f0-fc。也就是说，滤波器的滤波带宽与光学滤波器相同、中心频率等于光载波频率与光学滤波器中心频率之差。这就实现了微波/毫米波滤波向光学滤波的转移，即只需改善光学滤波器性能，就能实现高质量微波/毫米波滤波。

在光学滤波方面，本发明微波光子滤波器利用fir原理，通过对fir各支路中相位调制结构、功率调制结构的精细控制，可以实现可编程特性，即中心频率可调、带宽可调和滤波形状可变三种滤波功能；通过改变fir各支路中可调延时结构的延时量，可以使滤波器适应微波、毫米波和光学滤波不同工作频段的需求，相关推导如下：

假设输入光场为fin(t)，设其傅里叶变换为fin(ω)。假设经反射结构反射后n路输出的电场强度分别为eout1、eout2、eout3……eoutn，则系统最终输出为：

设其傅里叶变换为fout(ω)，则

则系统传递函数h(ω)为：

其中αk是第k条光路上功率调制结构引入的功率调制系数，取值在0～1之间；是第k条光路上相位调制结构引入的相位变化，取值在0～2π之间；t是相临两路之间的固定延时差；△tk是第k路的可调延时量。由最终h(ω)的形式可以看出，光学滤波器的输出为傅里叶级数形式。

由上述推导可知，将待处理光信号由耦合器1分为多路，经过固定延时结构2不同延时，再经过相位调制结构3与功率调制结构4进行功率和相位的调节，就可以实现任意的傅里叶级数之和，从而在频域上实现可编程滤波信号。而改变可调延时结构5中的延时量就可以改变滤波器的周期，从而适应不同工作频段。

光信号通过固定延时结构2后会引入等差延时量，所述固定延时结构2包括不同长度的n个硅基波导，各路延时量为等差数列分布，即第一路1t、第二路2t、第三路3t……第n路nt。相位调制结构3与功率调制结构4都是电调或热调的方式精细控制，所以该滤波器中心频率、带宽、滤波形状均可控，从而实现可编程滤波。对于热调相位/功率调制结构，设定相位功率调制结构3和功率调制结构4的参数，只需改变温度，就可以实现可编程滤波，其输出结果如图3所示，在本实施例中，n＝8，t＝50ps，△tk＝0(k＝1,2,……8)。

可调延时结构5也是由电调或热调的方式来进行精细控制。对于热调延时结构，改变温度就可以改变光路中的延时量，滤波器的周期会相应发生变化，满足不同工作频段要求，其输出结果如图4所示，在本实施例中，n＝8，t＝50ps，△tk＝0(点划曲线)，△tk＝16.7kps(实曲线)，△tk＝50kps(虚曲线)，其中k＝1,2,……8。

在本特定实施例中，硅波导上硅层为220nm，刻蚀220nm形成条波导，条波导宽度为500nm。以8路光路为例，耦合器1可以用串联3级1×2mmi11结构实现，每一个1×2mmi11实现功率平分的效果，经过3级后，输入光信号被均等的分为8份。本发明中的1×2mmi11的2维和3维示意图如图5所示。

在本特定实施例中，固定延时结构2由不同长度地波导实现，其2维和3维示意图如图6所示(不同延时量通过级联多个上述结构实现)，其中弯曲波导曲率半径为10μm。每相邻两光路间延时量之差为50ps。

在本特定实施例中，相位调制结构3和功率调制结构4由热调方式来实现，其原理可以简单解释为温度变化引起硅波导有效折射率变化，从而导致相位变化，这便可以实现相位调制。将该相位调制结构制作在马赫-泽德干涉仪(mzi)结构的一臂上，就可以实现功率调制。在1550nm光信号、室温条件下，硅波导折射率n随温度变化t关系可表示为：

而光信号在波导中传输相位变化与波导折射率的关系可表示为：

其中l为光信号经过的光程，l为波导的实际长度，λ为光信号波长，k为光信号的波矢。

对于固定的波导长度l，由式(4)和式(5)可知光信号在波导中传输相位变化与温度的关系可表示为：

其中n0为未加热时硅波导的折射率，△t为温度的变化。

在本特定实施例中，热调相位调制结构3的2维和3维示意图分别如图7(a)和图7(b)所示，其波导结构不变，其中热调区域长度为200μm。热调mzi功率调制结构4的2维和3维示意图分别如图7(c)和图7(d)所示，其弯曲波导的曲率半径为10μm，两臂长为240μm，其中一臂的热调区域长度为200μm。需要说明的是，热调区域越长，相同温度变化时折射率变化就越大。若是需要缩小尺寸，只需提高加热器温度，就可以达到同样的要求。

在本特定实施例中，可调延时结构5和反射结构6均由热调反射型啁啾布拉格光栅51实现，其2维和3维示意图分别如图8(a)和图8(b)所示。该结构由宽度逐渐变化的波导和周期分布的方形凸起组成，其工作原理与啁啾光纤光栅类似。周期为λ的方形凸起使得波导的有效折射率呈周期变化，这样的波导结构将反射特定波长的光信号。与啁啾光纤光栅通过改变折射率微扰周期来实现啁啾不同，在波导光栅中实现反射波长的变化是依靠波导的宽度变化。这是由于波导光栅中方形凸起的周期λ通常只有几百nm，对周期λ进行精细控制将会大大提高对工艺精度的要求，也会降低芯片的工艺容差。当波导宽度由w1缓慢变化为w2时，波导的有效折射率也随之减小，反射的光信号波长也会缓慢红移。由于不同频率的光信号在波导的不同位置反射，所以不同频率光信号之间会存在延时差。当改变该结构温度时，温度的变化会引起波导折射率变化，从而引起光信号反射位置的变化，实现延时量的调节。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。