一种基于Fano谐振的超高精度波长解析器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及波长解析器，特别涉及一种基于Fano谐振的超高精度波长解析器。
【背景技术】
[0002]光的波长是物理检测技术中的一个重要物理量，许多光学检测系统都是利用光波长的变化量实现测量，典型的就是光纤光栅传感系统。波长解析技术就是先通过测量与波长有一定对应关系的其他物理量，进而由函数关系给出波长或者波长变化量的一种解析方法。人们利用各种不同的方法，已经研制成多种波长解析器。主要有光谱仪分析法、干涉法、滤波法、可调谐光源波长匹配法等，这些方法大多数要用到大型的设备，或者采取调谐匹配的方式构成一个比较复杂的波长检测系统，且检测速度通常比较慢，使用起来不方便。随着集成光学的发展特别是片上检测系统的快速发展，波长检测技术的研究方向将是结构紧凑、解析速度快、分辨率高和功耗低。研发集成型波长解析器对于集成型光学传感与检测系统的发展有着重要的意义。
[0003]近年来，基于边缘滤波型光波长检测方法采用各种可调谐的光学滤波器与被测光进行匹配，利用光学滤波器的传输谱特性将光波长信息转化为更容易定量检测的物理量，从而达到波长检测目的。目前采用的微环以及MZI等基本的光学器件，虽然都有典型的滤波谱线，可实现片上集成型的波长解析器。但是受到单个微环或者MZI滤波谱线斜率的限制，基于这类器件的波长解析器的分辨率有限，要获得更高的分辨率，就需要采用更大斜率边缘的谱线。
【发明内容】
[0004]为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于Fano谐振的超高精度波长解析器，可以实现片上集成型超高精度的波长解析。
[0005]Fano谐振(Fano resonance)是由结构谐振点处的光波被干涉结构或者谐振结构相位加速所致。理论上，在相同品质因子(Quality Factor)Q值下，Fano谐振可以提供更大斜率的带边。本发明利用Fano谐振的滤波谱线构造出具有“X”形频谱来实现波长解析，可获得超高精度的分辨率。
[0006]本发明采用的技术方案如下:
[0007]本发明包括波导分束器、多个Fano滤波器、Ge-Si光电探测器和信号处理模块，波导分束器与多个Fano滤波器的输入端连接，Fano滤波器的输出端经各自的Ge-Si光电探测器连接到信号处理模块，待测光由光波导经过波导分束器分成多束光，多束光分别进入到多个Fano滤波器滤波后输出信号到Ge-Si光电探测器;Fano滤波器中设有TiN热电极，通过加热TiN热电极调节Fano滤波器输出的滤波谱线，产生包含有“X”形频谱的Fano滤波谱线。
[0008]波导分束器将输入的光信号分成多束等功率的信号，分别进入到多个Fano滤波器，利用金属热电极调节Fano滤波谱线的形状，使得相邻两个Fano滤波器的滤波谱线形成陡峭的“X”形频谱。在“X”形频谱波长范围内，信号处理模块通过检测多个Fano滤波器输出端光功率比值的改变量便可精确的得到待测光的波长物理量。
[0009]所述的Fano滤波器是基于非对称内嵌环滤波结构或者双光束干涉单环滤波结构。
[0010]所述的基于非对称内嵌环滤波结构包括圆形微环、跑道微环、单模输入波导、第一TiN热电极、第二 TiN热电极和输出波导，单模输入波导输入端连接波导分束器，单模输入波导与跑道微环一侧耦合连接，跑道微环另一侧与输出波导耦合连接，跑道微环内嵌有圆形微环，跑道微环和圆形微环上的两侧均对称设有TiN热电极，并且其两者的对称方向相垂直。
[0011]所述的双光束干涉单环滤波结构包括微环、单模输入波导、双光束TiN热电极、单模波导TiN热电极、输出波导和一分二分束器，波导分束器输出连接到一分二分束器分为两路，两路分别连接单模输入波导和输出波导的一端，单模输入波导和输出波导的另一端分别耦合连接到微环的两侧，单模输入波导上设有单模波导TiN热电极，微环两侧对称设有双光束T iN热电极，两侧双光束T iN热电极的对称方向与微环的耦合方向相垂直。
[0012]所述的波导分束器采用多模干涉功分器或者多个Y分叉功分器的组合。
[0013]所述的波导分束器采用多模干涉波导以及分别连接在多模干涉波导输入端和输出端的输入锥形波导、输出锥形波导，输入锥形波导波导宽度从输入侧到输出侧逐渐递增过渡，输出锥形波导波导宽度从输入侧到输出侧逐渐递减过渡。
[0014]所述的基于非对称内嵌环滤波结构或者双光束干涉单环滤波结构中的微环为任意形状的闭环结构。
[0015]所述的热电极通过二氧化硅保护层覆盖于波导上，确保可以实现对Fano谐振结构部分波导的加热，以此调节Fano谱线的形状，使其形成“X”形频谱。
[0016]所述的Ge-Si光电探测器与CMOS工艺兼容，将Fano谐振系统输出的光信号直接转换为电信号以便后续的电路信号处理。
[0017]所述的圆形微环与跑道微环的耦合间隙以及微环和输入输出波导的耦合间隙均相同。
[0018]本发明利用Fano谐振器，通过热调节其滤波谱线，使其形成“X”形频谱，在该“X”形频谱波长范围内，通过检测两个Fano谐振系统输出端光功率比值的改变量便可以精确的得到待测光的波长物理量。利用Fano陡峭的滤波曲线，可以实现亚皮米量级的波长检测。由于检测的是两个或者多个Fano谐振系统输出端光功率的比值改变量，与输入光的功率没有关系，所以检测时不受输入光强变化的影响，系统更加稳定可靠。
[0019]本发明具有的有益效果是:
[0020]本发明结合硅基上成熟的PD探测器，形成了一种结构紧凑、解析速度快、分辨率高、低功耗的波长解析器，特别是片上集成型超高精度波长解析器，对于集成光学技术的发展具有重要意义。
[0021]本发明提出利用Fano谐振系统能够产生十分陡峭的滤波谱线，很小的波长变化就会使得输出的光功率发生明显的改变，可实现超高精度波长的检测，经实施测试可达小于I Pm的波长检测。
[0022]本发明器件可以用平面集成光波导工艺制作，成本低，性能高，损耗小，与传统的CMOS工艺完美兼容，结构简单，易于制作，具有大规模生产的潜力。
【附图说明】
[0023]图1是本发明滤波谱线的原理示意图。
[0024]图2是本发明连接结构示意图。
[0025]图3是本发明中基于多模干涉原理的波导分束器结构示意图。
[0026]图4是本发明中非对称内嵌环滤波结构示意图。
[0027]图5是本发明中双光束干涉单环结构的示意图。
[0028]图6是本发明置于SOI上的截面示意图。
[0029]图中:1、第一Fano滤波谱线，2、第二Fano滤波谱线，3、波导分束器，4、Fano滤波器，
5、Ge_Si光电探测器，6、信号处理模块，7、微环，8、二氧化娃层衬底，9、底层娃，10、二氧化娃保护层，11、顶层硅，301、第一锥形波导，302、第二锥形波导，303、多模干涉波导，401、圆形微环，402、跑道微环，403、双光束TiN热电极，404、单模输入波导，405、单模波导TiN热电极，406、第一 TiN热电极，407、第二 TiN热电极，408、输出波导，409、一分二分束器。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0031]如图1所示，本发明包括波导分束器3、多个Fano滤波器4、Ge_Si光电探测器5和信号处理模块6，波导分束器3与多个Fano滤波器4的输入端连接，Fano滤波器4的输出端经各自的Ge-Si光电探测器5连接到信号处理模块6，待测光由光波导经过波导分束器3分成多束光，多束光分别进入到多个Fano滤波器4滤波后输出信号到Ge-Si光电探测器5;Fano滤波器4中设有TiN热电极403，通过加热TiN热电极403调节Fano滤波器输出的滤波谱线，产生包含有“X”形频谱的Fano滤波谱线。
[0032]如图4和图5所示，Fano滤波器4是基于非对称内嵌环滤波结构或者双光束干涉单环滤波结构。
[0033]如图4所示，基于非对称内嵌环滤波结构包括圆形微环401、跑道微环402、单模输入波导404、第一 TiN热电极406、第二 TiN热电极407和输出波导408，单模输入波导404输入端连接波导分束器3，单模输入波导404与跑道微环402—侧耦合连接，跑道微环402另一侧与输出波导408耦合连接，跑道微环402内嵌有圆形微环401，跑道微环402和圆形微环401上的两侧均对称设有TiN热电极406和407，并且其两者的对称方向相垂直。
[0034]如图5所示，双光束干涉单环滤波结构包括微环7、单模输入波导404、双光束TiN热电极403、单模波导TiN热电极405、输出波导408和一分二分束器409，波导分束器3输出连接到一分二分束器409分为两路，两路分别连接单模输入波导404和输出波导408的一端，单模输入波导404和输出波导408的另一端分别耦合连接到微环7的两侧，单模输入波导404上设有单模波导TiN热电极405，微环7两侧对称设有双光束TiN热电极403，两侧双光束TiN热电极403的对称方向与微环7的耦合方向相垂直。
[0035]如图3所示，波导分束器3采用多模干涉功分器或者多个Y分叉功分器的组合，实现将输入信号一分多的功能。具体实施中，波导分束器3可采用多模干涉波导303以及分别连接在多模干涉波导303输入端和输出端的输入锥形波导301、输出锥形波导302构成的分束器，输入锥形波导301波导宽度从输入侧到输出侧逐渐递增过渡，输出锥形波导302波导宽度从输入侧到输出侧逐渐递减过渡。
[0036]热电极通过二氧化硅保护层1