CN114153023B - 一种光波导滤波器 - Google Patents
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Abstract
本申请属于光集成技术领域，公开了一种光波导滤波器，包括衬底和两个条形光波导，两个所述条形光波导形状尺寸相同，两个所述条形光波导相互平行且对称地设置在所述衬底上表面；还包括设置在所述衬底上表面的矩形的平板光波导；所述平板光波导设置在两个所述条形光波导之间，所述平板光波导的两个第一边沿与所述条形光波导平行，两个所述第一边沿为所述平板光波导的其中两个相互平行的边沿；所述条形光波导和所述平板光波导的厚度相同，每个所述第一边沿与相邻的所述条形光波导之间具有相同的间隙，所述条形光波导中传输的光波可耦合到所述平板光波导中；该光波导滤波器的结构简单，制造难度较小，有利于降低制造成本。
Description
技术领域
本申请涉及光集成技术领域，具体而言，涉及一种光波导滤波器。
背景技术
高比特率信息通过低损耗光波导在有源器件之间传输的光集成电路和光电集成电路是新一代光通信系统的解决方案之一。为满足光通信的基本要求，光集成电路中一般会设置光波导滤波器来实现光波滤波功能，一般的光波导滤波器的结构如图5所示，包括衬底90、两个条形光波导91和光波导微环92，其中，为保证光波导滤波器的滤波效果，光波导微环92的尺寸精度要求较高，导致该光波导滤波器的制造难度较大、制造容错率较小，导致制造成本高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种光波导滤波器，其制造难度较小，有利于降低制造成本。
本申请提供了一种光波导滤波器，包括衬底和两个条形光波导，两个所述条形光波导形状尺寸相同，两个所述条形光波导相互平行且对称地设置在所述衬底上表面；还包括设置在所述衬底上表面的矩形的平板光波导；所述平板光波导设置在两个所述条形光波导之间，所述平板光波导的两个第一边沿与所述条形光波导平行，两个所述第一边沿为所述平板光波导的其中两个相互平行的边沿；
所述条形光波导和所述平板光波导的厚度相同，每个所述第一边沿与相邻的所述条形光波导之间具有相同的间隙，所述条形光波导中传输的光波可耦合到所述平板光波导中。
该光波导滤波器在使用时从其中一个条形光波导的一端输入光波，其中包含的特定波长的光波会在输入光波的条形光波导和平板光波导之间耦合并在平板光波导中形成多模场，最终会从另一个条形光波导的一端输出，完成光波滤波的功能，与现有技术相比，结构更加简单，制造难度更小，有利于降低制造成本。
优选地，所述间隙大于0且不大于240nm。从而保证条形光波导与平板光波导之间能够实现有效的耦合。
优选地，所述间隙为20nm。
优选地，所述条形光波导的长度大于所述第一边沿的长度，两个所述条形光波导的中心点和所述平板光波导的中心点在同一直线上。
优选地，所述条形光波导的尺寸满足以下的单模光波传输条件：
max（w，2h）<λ/n<2w；
其中，w为所述条形光波导的宽度，h为所述条形光波导的厚度，λ为工作光波在真空中的波长，n为所述条形光波导的折射率。
优选地，所述条形光波导的宽度不大于300nm。以进一步保证条形光波导与平板光波导之间的有效耦合。
优选地，所述条形光波导的宽度为240nm，厚度为220nm。
优选地，所述条形光波导和所述平板光波导的上表面设置有包层。
优选地，所述衬底由二氧化硅、二氧化铪或氮化硅制成，所述条形光波导和所述平板光波导均由硅、氮化硅、磷化铟或铌酸锂制成。
优选地，所述包层由二氧化硅、二氧化铪、氮化硅、SU8聚合物、PMMA聚合物或PTFE聚合物制成。
有益效果：
本申请提供的光波导滤波器，使用时从其中一个条形光波导的一端输入光波，其中包含的特定波长的光波会在输入光波的条形光波导和平板光波导之间耦合并在平板光波导中形成多模场，最终会从另一个条形光波导的一端输出，完成光波滤波的功能，与现有技术相比，结构更加简单，制造难度更小，有利于降低制造成本。
本申请的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请了解。
附图说明
图1为本申请实施例提供的光波导滤波器的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的光波导滤波器的俯视图。
图3为示例性的光波导滤波器的波长选择效果计算结果图。
图4为示例性的光波导滤波器的光场剖面图。
图5为现有的光波导滤波器的结构示意图。
标号说明：1、衬底；2、条形光波导；3、平板光波导；301、第一边沿；4、间隙。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1-2，本申请一些实施例中的一种光波导滤波器，包括衬底1和两个条形光波导2，两个条形光波导2形状尺寸相同，两个条形光波导2相互平行且对称地设置在衬底1上表面；还包括设置在衬底1上表面的矩形的平板光波导3；平板光波导3设置在两个条形光波导2之间，平板光波导3的两个第一边沿301与条形光波导2平行（具体与条形光波导2的中轴线平行），两个第一边沿301为平板光波导3的其中两个相互平行的边沿（为了方便描述，后文中把平板光波导3的另外两个边沿称为第二边沿）；
条形光波导2和平板光波导3的厚度相同，每个第一边沿301与相邻的条形光波导2之间具有相同的间隙4（见图2），条形光波导2中传输的光波可耦合到平板光波导3中。
该光波导滤波器在使用时，从其中一个条形光波导2的一端输入光波（该光波一般包含一定波长范围内的多种波长的光），其中包含的特定波长的光波会在输入光波的条形光波导2和平板光波导3之间耦合并在平板光波导3中形成多模场，最终会从另一个条形光波导2的一端输出（平板光波导3中的光波会再次耦合到该另一个条形光波导中），完成光波滤波的功能，与现有技术相比，结构更加简单，制造难度更小，有利于降低制造成本，具有较高的实际应用价值。
实际上，光波在条形光波导2的输入端和在另一个条形光波导2的输出端是同向的，例如图2所示的光波导滤波器中，若从左侧的条形光波导2的下端输入光波（即输入端是下端），则最后会从右侧的条形光波导2的下端输出光波（即输出端也为下端）。
优选地，间隙4 nm大于0且不大于240nm（指间隙4的宽度大于0且不大于240nm，即第一边沿301与相邻的条形光波导2之间的距离大于0且不大于240nm）。间隙4在该范围内，可保证条形光波导2与平板光波导3之间能够实现有效的耦合。优选地，该间隙4为20nm，对于光通信中常用的波段具有较好的耦合效果。
其中，条形光波导2的长度可根据实际需要设置。优选地，条形光波导2的长度大于第一边沿301的长度，两个条形光波导2的中心点和平板光波导3的中心点在同一直线上；其耦合效果较优，有利于减小耦合造成的能量损耗。但条形光波导2和平板光波导3之间的相对位置关系不限于此。
在一些优选实施方式中，条形光波导2的尺寸满足以下的单模光波传输条件：
max（w，2h）<λ/n<2w；
其中，w为条形光波导2的宽度，h为条形光波导2的厚度，λ为工作光波在真空中的波长，n为条形光波导2的折射率。其中，条形光波导2的横截面为矩形，其横截面中与衬底1上表面平行的边沿的长度即为宽度w，该横截面中与衬底1上表面垂直的边沿的长度即为厚度h，折射率n的大小取决于条形光波导2的材料，工作光波为过滤后需要保留的光波，可根据工作光波的波长和条形光波导2的材料类型设置其宽度和厚度。在实际应用中，输入的光波和输出的光波一般是通过单模光纤进行传输的，因此，若要保证该光波导滤波器能够与单模光纤配合使用，则需要条形光波导2的尺寸满足上述单模光波传输条件。
在满足该单模光波传输条件的情况下，优选地，条形光波导2的宽度不大于300nm。实际上，当条形光波导2的宽度大于300nm时，条形光波导2与平板光波导3之间的耦合效果较差，耦合导致的能量损耗较大，此处把条形光波导2的宽度设置在300nm以内，可进一步保证条形光波导2与平板光波导3之间的有效耦合。
其中，条形光波导2和平板光波导3的厚度可根据实际需要设置。例如，在一些实施方式中，条形光波导2的宽度为240nm，厚度为220nm。
其中，第一边沿301和第二边沿的长度可根据实现需要设置，第一边沿301和第二边沿的长度可相等或不相等；例如，在一些实施方式中，第一边沿301和第二边沿的长度均为2000nm。
在实际应用中，由于条形光波导2和平板光波导3的折射率一般比空气的折射率大，因此，即使不在条形光波导2和平板光波导3的上表面设置包层，也能保证光波在条形光波导2和平板光波导3的上表面处发生全反射，从而避免光波从上表面透出。但更优选地，条形光波导2和平板光波导3的上表面设置有包层，能够更加可靠地避免光波从上表面透出导致能量损耗。
一般地，衬底1可由氧化物绝缘材料（例如二氧化硅、二氧化铪或氮化硅）制成，条形光波导2和平板光波导3均由硅、氮化硅、磷化铟、铌酸锂或其它半导体材料制成。例如，在本实施例中，衬底1由二氧化硅制成，条形光波导2和平板光波导3均由硅制成。
一般地，包层由氧化物绝缘材料（例如二氧化硅、二氧化铪或氮化硅）或聚合物制成，其中聚合物例如为SU8聚合物、PMMA（polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯）聚合物或PTFE（Poly tetra fluoroethylene，聚四氟乙烯）聚合物。
在一个具体实施例中，光波导滤波器的条形光波导2和平板光波导3均由硅制成，且厚度为220nm，其中，条形光波导2的宽度为240nm，平板光波导3的第一边沿301和第二边沿的长度均为2000nm，第一边沿301和相邻的条形光波导2之间的间隙4为20nm，两个条形光波导2的中心点和平板光波导3的中心点在同一直线上；衬底1由二氧化硅制成，条形光波导2的长度方向上的两个端面分别与衬底1的两个边沿对齐；包层由二氧化硅制成。利用基于时域有限差分法Rsoft仿真软件计算该光波导滤波器的波长选择性能（依次把不同波长的光波输入该光波导滤波器并计算输出的光波的光波能量），计算结果如图3所示，图中的横坐标为波长，其单位为微米，纵坐标为输出端处的归一化的光波能量（其值等于输出的光波的能量除以输入的光波的能量）；当输入光波是波长为1627.47nm的横电场高斯光波时，利用基于时域有限差分法Rsoft仿真软件进行仿真计算得到的光场剖面如图4所示（图中的X、Z分别为光场剖面的平面坐标系的两个坐标）。
在实际应用中，为满足光通信的基本要求，光集成电路中光波的波长通常在O频带（1260nm-1360nm）、E频带（1360nm-1460nm）、S频带（1460nm-1530nm）、C频带（1530nm-1565nm）、 L频带（1565nm-1625nm）或U频带（1625nm-1675nm），从图3中可以看到，该光波导滤波器对E、S、C、L、U通信波段的波长频带内具有较好的波长选择效果，具有良好的滤波作用。根据图4可以看到，当把波长为1627.47nm的横电场高斯光波作为输入光波时，从光场分布图的角度看，光波从一个条形光波导2输入后，耦合经过平板光波导3后最终从另一条形光波导2输出，符合设计的预期效果，可实现过滤功能。
综上所述，该光波导滤波器通过条形光波导2和平板光波导3的参数的合理设计，使特定波长的光波可以在两种波导间耦合并在平板光波导3中形成多模场，最终使特定波长的光波从输出端口输出，实现光波滤波的功能；本发明通过引入平板光波导3，替代了传统光波滤波器中的光波导微环结构，在获得良好波长选择效果的同时大大减小了光滤波器的制造难度；该光波导滤波器易于制造、紧凑且新颖的结构实现了较好的光波导滤波器器件功能，将其集成运用于光集成芯片，可以提升芯片的生产效率，具有很高的实际应用价值。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种光波导滤波器，用于从输入的横电场高斯光波中滤出1627.47nm的光波，包括衬底（1）和两个条形光波导（2），两个所述条形光波导（2）形状尺寸相同，两个所述条形光波导（2）相互平行且对称地设置在所述衬底（1）上表面；其特征在于，还包括设置在所述衬底（1）上表面的矩形的平板光波导（3）；所述平板光波导（3）设置在两个所述条形光波导（2）之间，所述平板光波导（3）的两个第一边沿（301）与所述条形光波导（2）平行，两个所述第一边沿（301）为所述平板光波导（3）的其中两个相互平行的边沿；
所述条形光波导（2）和所述平板光波导（3）的厚度相同，每个所述第一边沿（301）与相邻的所述条形光波导（2）之间具有相同的间隙（4），所述条形光波导（2）中传输的光波可耦合到所述平板光波导（3）中；
所述条形光波导（2）和所述平板光波导（3）均由硅制成；所述衬底（1）由二氧化硅制成；
所述条形光波导（2）的厚度为220nm，宽度为240nm；所述平板光波导（3）的厚度为220nm，第一边沿（301）和第二边沿的长度均为2000nm，所述第二边沿为所述平板光波导（3）的除第一边沿（301）以外的边沿；
所述间隙（4）为20nm；
所述条形光波导（2）的长度大于所述第一边沿（301）的长度，两个所述条形光波导（2）的中心点和所述平板光波导（3）的中心点在同一直线上；
所述条形光波导（2）的长度方向上的两个端面分别与衬底（1）的两个边沿对齐；
所述条形光波导（2）和所述平板光波导（3）的上表面设置有包层，所述包层由二氧化硅制成。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于微环的集成波导微波光子滤波器研究;邹品;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 信息科技辑》;20130716;第I135-216页 * |
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| Publication number | Publication date |
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| CN114153023A (zh) | 2022-03-08 |
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