[发明专利]一种高效紧凑矩形环谐振腔波导型光滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及光滤波器器件，特别是涉及一种高效紧凑矩形环谐振腔波导型光滤波器结构，属于集成光学领域。

背景技术

光滤波器是实现波分复用技术的重要器件，被广泛应用于光通信领域和片上光互连系统。例如可以应用在光波分复用网络中的光分插复用节点中，其功能是从传输光路中有选择地上下本地接收和发送某些波长信道。分插复用节点的核心器件是光滤波器件，由滤波器件选择要上/下路的波长，实现波长路由。新型的光滤波器特征是基于光波导结构，利用半导体薄膜制造技术，获得良好的光域性能以及高度集成等特性。目前在Si、GaAs、InP等衬底上通过化学气相沉积或分子束外延等方法，结合刻蚀技术实现集成二维平面光传输系统，使新型光滤波器在片上光互连系统中的应用也成为可能。同时集成光滤波器在光上下路复用、片上光交换以及光计算等领域也都具有广阔的应用前景。

常见的光滤波器有基于干涉原理的滤波器，如熔锥光纤滤波器、法布里波罗滤波器、多层介质膜滤波器、马赫‐曾德尔滤波器等；以及基于光栅原理的滤波器，如体光栅滤波器、阵列波导光栅滤波器(AWG)、光纤光栅滤波器等。上述滤波器的尺寸较大，常以分立器件的形式应用在系统中，难以实现大规模集成。另外当应用于光互连与光计算的片上集成系统中时，这些体滤波器无法满足高度集成的需求。波导型光滤波器便应运而生，基于微环谐振腔的光滤波器，虽然可以在一定程度上解决集成问题，但存在着微环曲率半径受到材料折射率差、波导弯曲损耗的限制、对温度敏感以及带宽较窄等问题。波导型马赫‐曾德尔滤波器由于在结构中采用常规的Y分支、定向耦合器或者多模干涉耦合器等，也存在占据的单片尺寸较大或者一维方向上尺度仍然较长的问题，不利于提高光子集成回路分立元件的集成数量。因此技术上需要实现一种在二维方向上占据面积更小、结构更加紧凑以及功耗更低的波导型光滤波器器件。

发明内容

本发明针对目前集成光滤波器占据单片尺寸较大、无法二维方向集成等缺陷，提出一种新型基于沟槽的矩形环谐振腔波导型光滤波器结构，可以在二维方向高度集成，并且获得较低的插入损耗，提高品质因数。

本发明采用的技术方案是：一种高效紧凑矩形环谐振腔波导型光滤波器，其特征在于：由单模光波导构成封闭的长矩形，两条相互平行的直条单模光波导垂直穿过矩形波导两条长边，分别与矩形波导交叉；矩形波导端部在十字交汇处之间部分为相移臂4；两条直条波导中间被矩形波导分割的部分为参考臂5，矩形长边被两条平行波导分割的部分为连接波导6；任一直条波导端部与十字交汇处之间的部分为输入波导1，与其在同一直条波导的另一端与相邻十字交汇处之间的部分为输出波导Ⅰ8，与输入波导相邻的另一条直波导端部与相邻十字交汇处之间的部分为输出波导Ⅱ9；输出波导Ⅱ9所在的直条波导另一端与相邻十字交汇处之间部分为复用波导10。在矩形波导直角外侧，沿波导传播方向成45°角方向刻蚀切面，构成全反射镜7；矩形波导与直条波导交叉处，分别沿相邻的全反射镜7平行方向刻蚀微纳沟槽2。

沟槽2内填充沟槽介质材料3，所述沟槽介质材料3包括空气、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、SU‐8聚合物、三氧化二铝、二氧化锆；对于同一种衬底材料，填充不同的沟槽介质导致等功分比时微纳沟槽2的开口宽度不同。填充折射率越大的介质材料，沟槽2的开口宽度越宽，从而减缓器件刻蚀工艺的难度；但是所述沟槽与各波导角度应大于波导材料与沟槽填充材料所构成的介质界面的全反射角。

所述波导输入端为输入波导Ⅰ1的耦合端面1a；输出端分别为输出波导Ⅰ8的耦合端面8a和输出波导Ⅱ9的耦合端面9a。输入波导1、输出波导Ⅰ8、输出波导Ⅱ9、复用波导10完全等价，可以分别作为输入输出端口，实现交叉复用。

该器件制作在硅或绝缘体上硅(Silicon on insulator，SOI)或GeSi/Si或GaAs或GaAs/AlGaAs以及InP/InGaAsP半导体衬底材料的一种基底材料上。

本发明的积极进步效果在于：一、本发明采用基于受抑全内反射原理的沟槽型微纳光子耦合器替代传统滤波器结构中的分光/合光器，如常用的Y分支、定向耦合器或者多模干涉耦合器等，打破了传统耦合器对器件结构一维长度的限制，使器件高效紧凑，能满足器件小型化、二维集成化及多级级联占据面积更小的应用需求。二、采用矩形环谐振腔替代传统的微环谐振腔，克服了微环结构的材料折射率差对曲率半径的制约，进一步减小圆环形波导结构的弯曲损耗。

附图说明

图1是本发明所提出的一种高效紧凑矩形环谐振腔波导型光滤波器结构示意图。