SOI基可調(diào)諧微環(huán)光濾波器設(shè)計(jì)與性能測(cè)試*

袁玉霞, 楊 瑞

(鄭州科技學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

0 引 言

微環(huán)諧振濾波器以出色的濾波性能及緊湊的集成結(jié)構(gòu)被國(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)家所研究。在絕緣體上硅(silicon on insulator，SOI)材料上制作的微環(huán)濾波器可通過(guò)高折射率差縮小微環(huán)結(jié)構(gòu)，因此，逐漸成為了集成微波學(xué)中必不可少的器件，被廣泛應(yīng)用在各種通信中[1]。諧振腔內(nèi)的波長(zhǎng)可利用腔長(zhǎng)和模式折射率進(jìn)行調(diào)諧[2]，將這種可調(diào)諧特點(diǎn)應(yīng)用于集成光網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)選擇不同的信號(hào)對(duì)波長(zhǎng)通道完成實(shí)時(shí)調(diào)諧，比如波分網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)調(diào)諧對(duì)漂移進(jìn)行補(bǔ)償，及可調(diào)諧的廣角動(dòng)量器、激光器等[3～6]。

Poon A W教授[7]利用載流子注入完成了對(duì)微環(huán)濾波器的快速調(diào)諧，但引起的光損耗導(dǎo)致應(yīng)用范圍過(guò)于局限。Takayesu J教授[8]提出通過(guò)集成的電光材料對(duì)微環(huán)響應(yīng)進(jìn)行調(diào)諧，但方法工藝復(fù)雜，且會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的光干擾，導(dǎo)致最后的調(diào)諧效果不是很明顯。Yao J教授[9]提出了通過(guò)MEMS技術(shù)完成對(duì)微環(huán)濾波器耦合系數(shù)的調(diào)諧，但過(guò)高的驅(qū)動(dòng)電壓無(wú)法滿足實(shí)際生活中的需求。通過(guò)對(duì)比可知，如果將Si材料當(dāng)作襯底，可通過(guò)較高的熱光系數(shù)獲得更大范圍的調(diào)諧，在調(diào)諧的整個(gè)過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)光損耗，通過(guò)簡(jiǎn)單工藝制造的微電極也更容易集成，滿足將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[10]。

本文在微納硅波導(dǎo)的工藝平臺(tái)上結(jié)合電子束光刻(electron beam lithography，EBL)和電感耦合等離子體(inductively coupled plasma,ICP)技術(shù)完成單環(huán)和雙環(huán)的SOI基微環(huán)濾波器的制作，不僅實(shí)現(xiàn)了低功率下濾波器帶寬的可調(diào)諧性，也實(shí)現(xiàn)了低功率下濾波器對(duì)諧振波長(zhǎng)的可調(diào)諧性。

1 微環(huán)濾波器可調(diào)諧性原理分析

單環(huán)濾波器是以洛倫茲線型為濾波響應(yīng)，無(wú)法產(chǎn)生理想的形狀因子[11]，因此通常情況下將2個(gè)以上的微環(huán)通過(guò)級(jí)聯(lián)的方式可改善濾波譜線和波形帶寬。但級(jí)聯(lián)方式不僅對(duì)耦合條件要求非常精確，而且需要精度非常高的制作工藝，實(shí)際上以現(xiàn)有的條件很難實(shí)現(xiàn)[12]，本文主要研究的是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的串聯(lián)雙環(huán)的濾波器，其制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，更能滿足未來(lái)發(fā)展中對(duì)高集成度的需求。

由2個(gè)環(huán)形諧振腔及其兩端的2根直波導(dǎo)組成的串聯(lián)雙環(huán)濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 串聯(lián)倏逝波耦合雙環(huán)濾波器示意

串聯(lián)雙環(huán)下端直波導(dǎo)的直通端端口的響應(yīng)可根據(jù)傳輸函數(shù)法和耦合模理論[13]推導(dǎo)求得

St=

(1)

式中tn(n=1,2,3)和kn分別為耦合區(qū)的自耦合系數(shù)和交叉耦合系數(shù)，a1、a2與θ1、θ2分別為2個(gè)環(huán)內(nèi)的損耗因子及相位變化。由式(1)可看出，當(dāng)2個(gè)環(huán)均發(fā)生諧振時(shí)，下載端與直通端的輸出可互補(bǔ)，主要在帶通濾波器上使用。

圖1中，濾波器通過(guò)Si波導(dǎo)的折射率變化Δn為0.01，耦合系數(shù)也隨之改變完成調(diào)諧。但倏逝波耦合結(jié)構(gòu)存在SiO2介質(zhì)層，導(dǎo)致調(diào)節(jié)范圍非常局限。因此，本文提出在濾波器耦合區(qū)域中將倏逝波耦合結(jié)構(gòu)用馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x(Mach-Zehnder interferometer，MZI)結(jié)構(gòu)代替，如圖2所示。

圖2 串聯(lián)MZI耦合雙環(huán)濾波器示意

MZI耦合器的耦合系數(shù)可通過(guò)傳輸矩陣法求得：k=4ki(1-ki)cos2(θ/2)(i=1,2)[14]，可見(jiàn)3 dB耦合器的耦合系數(shù)ki=0.5時(shí)，相位差θ在0～180°內(nèi)變化相當(dāng)于耦合系數(shù)k在0～1內(nèi)變化。但這種設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致諧振峰發(fā)生漂移。

2 微環(huán)濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

2.1 單模波導(dǎo)和耦合器的設(shè)計(jì)

采用時(shí)域有限差分法對(duì)單模波導(dǎo)和耦合器的光場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，如圖3(a)所示，能量在波導(dǎo)尺寸為220 nm×500 nm時(shí)集中于中心，TE模的有效折射率為2.56；本文利用2×2大小的多模干涉儀(multimode interferometer，MMI)耦合器代替3 dB耦合器，圖3(b)為光場(chǎng)分布，可看出耦合器上下端的輸出光功率分別為0.88和0.87，整個(gè)耦合器的傳輸損耗為0.5 dB。

圖3 光場(chǎng)分布

2.2 雙環(huán)濾波器輸出特性仿真分析

通過(guò)式(1)可得，如果對(duì)耦合系數(shù)k1、k2、k3及相移θ進(jìn)行調(diào)節(jié)可得到不同的濾波響應(yīng)和諧振波長(zhǎng)。通過(guò)MATLAB仿真時(shí)的環(huán)形周長(zhǎng)和直波導(dǎo)的有效折射率分別是：Lr=314 μm，n=2.56，波導(dǎo)損耗為γ=5 dB/cm，a=10[-(γ×Lr)/20]，環(huán)波導(dǎo)的損耗因子均為0.96，耦合系數(shù)的初始值分別為k1=0.5，k2=0.15，k3=0.5。單環(huán)和雙環(huán)的輸出功率響應(yīng)對(duì)比如圖4所示，從圖中很明顯能看出，雙環(huán)結(jié)構(gòu)獲取的形狀因子比單環(huán)更好且波形更平整。

圖4 單環(huán)和雙環(huán)的輸出功率響應(yīng)對(duì)比

若保持k2和k3不變，通過(guò)改變k1可得如圖5(a)所示的濾波器輸出端的功率響應(yīng)，從圖中可看出，k1為0.1～0.5時(shí)，出現(xiàn)了2個(gè)諧振峰，諧振隨著k1的增大而變深，而阻帶內(nèi)的紋波隨之越小。諧振在k1=0.5時(shí)最深且底部的輸出波形最平坦，如果繼續(xù)增大k1，諧振逐漸變淺且只有1個(gè)諧振峰。若保持k1和k3不變，改變k2得到的輸出功率響應(yīng)曲線如圖5(b)所示，將0.15當(dāng)作閾值，k2小于閾值時(shí)出現(xiàn)了1個(gè)諧振峰，諧振隨著k2的增大逐漸變深，k2大于閾值時(shí)出現(xiàn)了2個(gè)諧振峰，諧振峰隨著k2的繼續(xù)增大逐漸分離，而阻帶內(nèi)的紋波隨之增大。由仿真結(jié)果可得：耦合系數(shù)k2對(duì)濾波器帶寬產(chǎn)生的影響較k1明顯，而耦合系數(shù)k1對(duì)諧振深度產(chǎn)生的影響較明顯，可通過(guò)對(duì)k1、k2的合理調(diào)節(jié)輸出較平坦的波形。因此，濾波器耦合系數(shù)的大范圍調(diào)諧對(duì)不同帶寬和抑制比非常重要。

圖5 雙環(huán)諧振器直通端輸出功率與耦合系數(shù)的關(guān)系

3 微環(huán)濾波器的工藝實(shí)現(xiàn)

以SOI為材料，通過(guò)光刻、ICP刻蝕、靶材濺射等工藝制作了微環(huán)濾波器。首先，通過(guò)光刻等工藝對(duì)金屬Ti/Pt進(jìn)行標(biāo)記；然后，通過(guò)電子束和ICP工藝完成波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)的制作，對(duì)波導(dǎo)和光柵的刻蝕深度分別為235 nm和85 nm，光柵結(jié)構(gòu)的周期和占空比分別為630 nm和50 %，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在Si上生長(zhǎng)一層厚度為1 μm的SiO2可避免由于Si和金屬直接接觸產(chǎn)生的光損耗；最后，完成電阻氮化鉭(TaN)的濺射和對(duì)金屬Ti/Au的蒸發(fā)完成可調(diào)諧電極制作。

制作的倏逝波耦合結(jié)構(gòu)的雙環(huán)濾波器如圖6(a)所示，其中，耦合間距均為160 nm，微環(huán)周長(zhǎng)為338 μm，直波導(dǎo)的大小為223 nm×535 nm，誤差主要包括ICP刻蝕時(shí)間的長(zhǎng)短和電子束鄰近效應(yīng)。制作2×2 MZI耦合結(jié)構(gòu)的雙環(huán)濾波器如圖6(b)所示，環(huán)周長(zhǎng)為1 314 μm，可看出包括1個(gè)多模干涉區(qū)和4段錐形的模斑轉(zhuǎn)換器。

圖6 雙環(huán)濾波器

4 微環(huán)濾波器測(cè)試

為了對(duì)器件的光譜響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，用光功率為10 dBm的放大自發(fā)輻射光源提供連續(xù)的輸入光信號(hào)。將通過(guò)偏振器調(diào)節(jié)后的光信號(hào)耦合于扇形光柵，隨后在微環(huán)中諧振后通過(guò)另一端的光柵耦合輸出，最后利用型號(hào)為AQ6370D的光譜儀對(duì)輸出的光信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

4.1 倏逝波耦合結(jié)構(gòu)濾波器的光譜響應(yīng)

如圖7所示為倏逝波耦合結(jié)構(gòu)的單環(huán)濾波器在不同電極功率下的輸出功率響應(yīng)，從圖中可得，當(dāng)電極功率從2 nW逐漸增大時(shí)，諧振波長(zhǎng)出現(xiàn)了大約2.5 nm的紅移，相當(dāng)于一個(gè)自由譜范圍，然而諧振峰的峰值和帶寬基本上沒(méi)變化，由此可得倏逝波耦合結(jié)構(gòu)的單環(huán)濾波器對(duì)耦合系數(shù)的調(diào)諧范圍不是很明顯，表現(xiàn)了其較弱的調(diào)諧能力。

圖7 不同電極功率下單環(huán)濾波器的輸出功率響應(yīng)

對(duì)于直波導(dǎo)—環(huán)波導(dǎo)耦合區(qū)，保持k2和k3不變，通過(guò)改變k1研究不同電極功率下雙環(huán)濾波器的輸出功率響應(yīng)，如圖8(a)所示。當(dāng)電極功率從0 nW逐漸增大時(shí)，濾波器的諧振深度最大超過(guò)了21 dB，諧振中心波長(zhǎng)也隨之出現(xiàn)了移動(dòng)，從圖中得大約移動(dòng)了0.9 nm。2個(gè)諧振峰出現(xiàn)在功率為9 nW處，且紋波較小，隨后抑制比隨著功率的增大而增加，證明了直波導(dǎo)—環(huán)波導(dǎo)的雙環(huán)濾波器對(duì)耦合系數(shù)的調(diào)諧范圍不明顯，說(shuō)明其調(diào)諧能力較弱。對(duì)于環(huán)間波導(dǎo)耦合區(qū)，保持k1和k3不變，通過(guò)調(diào)節(jié)k2研究不同電極功率下雙環(huán)濾波器的輸出功率響應(yīng)，如圖8(b)所示。諧振中心波長(zhǎng)隨著電極功率的逐漸增大出現(xiàn)了移動(dòng)，移動(dòng)的距離超過(guò)了1.15 nm，這個(gè)距離大于一個(gè)FSR，諧振分離現(xiàn)象發(fā)生在99 mW處。當(dāng)電極功率為0～55 mW時(shí)，諧振波長(zhǎng)出現(xiàn)的移動(dòng)較為明顯，這是由調(diào)諧時(shí)產(chǎn)生的附加相位造成的，體現(xiàn)了其較弱的調(diào)諧能力。

圖8 不同電極功率下雙環(huán)濾波器直通端的輸出功率響應(yīng)

4.2 MZI耦合結(jié)構(gòu)濾波器的光譜響應(yīng)

由于倏逝波耦合結(jié)構(gòu)的濾波器對(duì)帶寬的調(diào)諧能力非常弱，因此提出了MZI的改進(jìn)耦合結(jié)構(gòu)。不同電極功率下濾波器的輸出功率響應(yīng)如圖9所示，當(dāng)電極功率范圍為18～40 mW時(shí)，濾波器便實(shí)現(xiàn)了欠耦合到臨界耦合的調(diào)諧，如果電極功率繼續(xù)增大便可調(diào)諧至過(guò)耦合狀態(tài)。從圖中可得濾波器的自由譜為0.38 nm，中心波偏移量為0.19 nm，折射率ng為3.99?？赏ㄟ^(guò)對(duì)電極功率的調(diào)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償。表明提出的MZI耦合結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)小功率范圍內(nèi)對(duì)耦合系數(shù)的大范圍調(diào)諧。

圖9 不同功率下MZI耦合結(jié)構(gòu)單環(huán)濾波器的輸出功率響應(yīng)

對(duì)使用MZI耦合結(jié)構(gòu)的雙環(huán)濾波器進(jìn)行帶寬及諧振中心波長(zhǎng)的可調(diào)諧響應(yīng)如圖10(a),(b)所示。圖10(a)中，固定微環(huán)間耦合區(qū)的MZI電極功率為31 mW時(shí)，對(duì)直通端耦合區(qū)MZI電極功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)微環(huán)波導(dǎo)上電極功率以補(bǔ)償相移，當(dāng)電極功率范圍為21～33 mW時(shí)，濾波器的抑制比從0 dB增大到9 dB，可實(shí)現(xiàn)濾波器從欠耦合到臨界耦合的調(diào)諧，同時(shí)濾波器的帶寬也隨之增加。圖10(b)中，固定微環(huán)間耦合區(qū)的MZI電極功率為29 mW，調(diào)節(jié)直通端電極功率(從0調(diào)節(jié)至21 mW)的同時(shí)微調(diào)另一微環(huán)電極功率實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，中心波長(zhǎng)在直通端電極功率為21 mW時(shí)移動(dòng)了1 nm，相當(dāng)于一個(gè)FSR調(diào)諧。通過(guò)與倏逝波耦合結(jié)構(gòu)對(duì)比可得，采用MZI耦合結(jié)構(gòu)可完美實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波帶寬與諧振波長(zhǎng)的調(diào)諧。

圖10 雙環(huán)濾波器直通端輸出功率響應(yīng)

5 結(jié) 論

本文基于SOI制作了單環(huán)及雙環(huán)濾波器，并且對(duì)其濾波特性進(jìn)行了研究，同時(shí)分析了光耦合系數(shù)對(duì)濾波器輸出特性的影響，隨后提出了MZI耦合器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，提出的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)微環(huán)濾波器耦合系數(shù)的大范圍調(diào)諧，以及對(duì)濾波帶寬與諧振波長(zhǎng)的大范圍調(diào)諧。結(jié)果表明：Si波導(dǎo)在熱光調(diào)諧下出現(xiàn)了明顯的相移，對(duì)于單雙環(huán)均可實(shí)現(xiàn)濾波器從欠耦合到臨界耦合的調(diào)諧，且雙環(huán)濾波器的中心波長(zhǎng)在直通端電極功率是21 mW時(shí)移動(dòng)了1 nm，相當(dāng)于一個(gè)自由頻譜寬度。本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于帶寬真光延時(shí)器件的制作以及各種光通信領(lǐng)域。