对温度不敏感的光学滤波器及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成光电子技术领域，尤其涉及一种对温度不敏感的光学滤波器及装 置。
【背景技术】
[0002] 光学滤波器（Optical filter)是集成光电子系统中的重要功能器件，可用于构 建波分复用光通信系统中的波分复用器/解复用器。马赫-曾德型光学滤波器是一种常 用的光学滤波器结构，由输入親合分束器、相移器和输出親合合束器构成。由于马赫-曾 德型光学滤波器具有正弦型的频率传输谱，使得波分复用时相邻信道的串扰较大。为此采 用N级相移器通过N+1个耦合器级联形成的多级马赫-曾德干涉结构获取平顶滤波特性 的频率传输谱。该多级马赫-曾德干涉结构已经在IBM发布的25Gbps波分复用光互连系 统中（A 90nm CMOS Integrated Nano-Photonics Technology for 25Gbps WDM Optical Communications Applications)获得应用。
[0003] 由于大多数用于构建光学滤波器的光电子材料（如硅、二氧化硅、磷化铟）都具 有一定的热光效应，即材料的折射率会随着温度的变化而发生变化。这种热光效应会导致 光学滤波器的工作波长随着温度的变化而发生漂移。为此，业界人士提出制备对温度不敏 感的马赫-曾德干涉型光学滤波器，例如，第一种方案是采用负热光系数材料作为波导的 上包层；第二种方案是采用宽窄条形波导组合的方式构建相移器，第三种方案是在相移器 的两波导中引入不同偏振的波导模式。这几种方案都能实现温度不敏感特性，但都无法在 实际生产中应用。原因在于第一种方案中：常用的负热光系数材料与现有的微纳工艺不兼 容；第二方案中：宽窄条形波导组合的方式其中现有工艺加工的窄波导损耗太大；第三方 案中：不同偏振态组合方案需要引入片上的偏振旋转器，但目前的片上偏振旋转器工艺容 差性能都很差。为此，如何提供一种对现有工艺兼容，且能够实现对温度不敏感的光学滤波 器成为当前需要解决的技术问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的其中一个目的在于提供一种对温度不敏感的光学滤波器及装置，以解决 热光效应所引起的光学滤波器的工作波长随着温度的变化而发生漂移的技术问题。
[0005] 为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种对温度不敏感的光学滤波 器，包括：三级耦合器与两级相移器，其中：
[0006] 第一级耦合器的信号输入端作为光学滤波器的信号输入端，信号输出端连接至第 一级相移器的信号输入端；
[0007] 第二级耦合器的信号输入端连接至所述第一级相移器的信号输出端，信号输出端 连接至第二级相移器的信号输入端；
[0008] 第三级耦合器的信号输入端连接至所述第二级相移器的信号输出端，信号输出端 作为光学滤波器的信号输出端；
[0009] 所述第一级相移器与所述第二级相移器均由至少两种波导结构组合而成；
[0010] 所述第一级相移器与所述第二级相移器均包括两条光波导。
[0011] 可选地，第一级親合器包括一个或两个信号输入端口，分别与第一端口和/或第 二端口连接；第三级耦合器包括一个或两个信号输出端口，分别与第三端口和/或第四端 口连接。
[0012] 可选地，所述第二级相移器中两条波导的光程差是所述第一级相移器中两条波导 光程差的2倍；或者，所述第二级相移器中两条波导的光程差增加或者减少不超过一个工 作波长长度后是所述第一级相移器两条波导光程差的2倍；
[0013] 或者，所述第一级相移器中两条波导的光程差是所述第二级相移器中两条波导光 程差的2倍；或者，所述第一级相移器中两条波导的光程差增加或者减少不超过一个工作 波长长度后是所述第二级相移器两条波导光程差的2倍。
[0014] 可选地，所述第一级相移器与所述第二级相移器中所选用的两种或者两种以上的 波导结构为条形波导、沟道波导、脊型波导和条形-沟道混合型波导中的两种或者两种以 上类型；
[0015] 或者，
[0016] 所述第一级相移器与所述第二级相移器中所选用的两种或者两种以上的波导结 构为条形波导、沟道波导、脊型波导和条形-沟道混合型波导中的任意一种，且该两种或者 两种以上的波导结构具有不同的尺寸参数。
[0017] 可选地，第一级相移器与第二级相移器中的波导采用条形波导与条形-沟道混合 型波导组合而成；且条形波导与条形-沟道混合型波导采用波导模式转换器连接。
[0018] 可选地，第一级相移器与第二级相移器中所包含的两种类型波导的长度差 为：AL1、AL11;与两种类型波导分别对应的有效热光系数满足
[0019] 可选地，所述波导模式转换器为多模干涉型波导模式转换器；该多模干涉型波导 模式转换器包括：多模波导区域、宽度渐变的条形-沟道混合型波导区域；
[0020] 其中，所述多模波导区域的一端用于连接条形波导，另一端连接所述宽度渐变的 条形-沟道混合型波导区域的一个波导端面；所述宽度渐变的条形-沟道混合型波导区域 的另一波导端面用于连接条形-沟道混合型波导，所述宽度渐变的条形-沟道混合型波导 区域中的沟道与所述条形-沟道混合型波导的沟道一一对应。
[0021] 可选地，所述对温度不敏感的光学滤波器采用非良导体材料波导或者非良导体材 料表面覆盖一层金属的表面等离子体波导制成。
[0022] 可选地，所述非良导体材料为二氧化硅、二氧化钛、氧化镓、硅、锗、氮化硅、磷化铟 或者氮化镓。
[0023] 第二方面，本发明实施例还提供了一种对温度不敏感的光学滤波装置，由多个上 文所述的对温度不敏感的光学滤波器级联制成，其中：
[0024] 上一级光学滤波器的输出端口与下一级光学滤波器的输入端口连接。
[0025] 本发明实施例提供的一种对温度不敏感的光学滤波器及装置，利用条形波导与条 形-沟道混合波导组成多个相移器，通过设置两种类型的波导长度，使得第二级相移器与 第一级相移器的相位差成预设关系，进而使得本发明提供的对温度不敏感的光学滤波器可 以在保持平顶滤波特性的同时大幅降低温度变化引起的光学滤波器工作信道漂移。另外， 本发明实施例提供的对温度不敏感的光学滤波器结构中，需加工的最小线宽可以多200nm， 可以采用目前已经普及商用的中低端〇. 18 μπι微纳加工工艺完成批量加工生产，具有低成 本的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
【附图说明】
[0026] 通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理 解为对本发明进行任何限制，在附图中：
[0027] 图1是本发明一实施例提供的一种对温度不敏感的光学滤波器结构示意图；
[0028] 图2是本发明一实施例提供的条形波导与条形-沟道混合型波导的截面示意图；
[0029] 图3是图2所示条形波导与条形-沟道混合型波导的光场能流密度分布对比示意 图；
[0030] 图4是本发明一实施例提供的波导模式转换器结构示意图；
[0031] 图5是本发明一实施例提供的对温度不敏感的光学滤波器与传统多级马赫-曾德 型光学滤波器的信道工作波长随温度漂移量对比分析示意图；
[0032] 图6是对图1所示的对温度不敏感的光学滤波器的设计方法框图；
[0033] 图7是本发明另一实施例提供的一种温度不敏感光学滤波装置结构示意图；
[0034] 图8是图7所提供温度不敏感光学滤波装置的信道带宽分布示意图。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0036] 实施例一
[0037] 本发明实施例提供了一种对温度不敏感的光学滤波器，如图1所示，包括：三级耦 合器与两级相移器，其中：
[0038] 第一级耦合器3的第一信号输入端连接至第一端口 1，第二信号输入端连接至第 二端口 2,信号输出端连接至第一级相移器4的信号输入端；
[0039] 第二级親合器5的信号输入端连接至第一级相移器4的信号输出端，信号输出端 连接至第二级相移器6的信号输入端；
[0040] 第三级耦合器7的信号输入端连接至第二级相移器6的信号输出端，第一信号输 出端连接至第三端口 8,第二信号输出端连接至第四端口 9 ;
[0041] 第一级相移器4与第二级相移器6由图2左侧所示的条形波导和右侧所示的条 形-沟道混合波导构成，条形波导与条形-沟道混合波导之间采用波导模式转换器连接。
[0042] 本发明实施例提供的一种对温度不敏感的光学滤波器，利用条形波导与条形-沟 道混合波导组成多个相移器，通过设置两种类型的波导长度，使得第二级相移器与第一级 相移器的相位差成预设关系，进而使得本发明提供的对温度不敏感的光学滤波器，可以在 保持平顶滤波特性的同时大幅降低温度变化引起的光学滤波器信道工作波长漂移。
[0043] 本发明实施例中，第一级相移器与第二级相移器中第一级相移器与第二级相移器 中所选用的两种或者两种以上的波导结构为条形波导、沟道波导、脊型波导和条形-沟道 混合型波导中的两种或者两种