【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于聚合物信号光波导滤波器，具体涉及一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐mzi平顶滤波器。
技术介绍
1、通信容量的爆炸式增长使得人们对于通信带宽的需求越来越大，然而基于传统电互连的互连网络在多方面遇到瓶颈。与电互连相比，信号光互连具有大带宽、低延时和低功耗的优势，也因此片上的信号光网络系统成为可能替代电互连的关键技术方案。
2、在用来构建信号光互连的信号光波导集成器件中，滤波器是极为重要的一类器件，可以实现不同波长信号光的复用和解复用，以及提取或抑制某个或某些波长。马赫·增德尔干涉器的输出谱线近似为正弦型，其传输效率对信号的波长偏移十分敏感，实际应用一般都采用多个mzi级联来加强输出信号光谱通带的平坦性和边缘的陡峭度，以降低对信号激光器输出波长精确性的要求，但是要想达到理想的输出特性，级联个数必须增加，这会导致器件制作复杂，会降低器件的稳定性。
3、微环谐振器在很小尺寸上可以实现高密度、多功能信号光子集成，是信号光子集成回路中一个很重要的功能单元。微环谐振器往往具有窄线宽滤波特性，波形呈现高斯型，因此难以实现平坦输出。目前的研究大部分是对微环谐振器的某些特性进行的，比如滤波器温度可调的特性、微环谐振器陷波特性、波长带宽可调特性，但是改善滤波器的输出信号特性的研究却鲜有报道。然而在某些应用中，如宽带信号处理或高速数据传输，平坦的频率响应可以确保信号在所有频率上的幅度和相位都是一致的，如何实现平坦型的波形输出是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
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2、微环谐振器(microring resonator，mrr)可以对输出信号的相位进行调整来改善其他器件的滤波或调制性能。本专利技术在马赫·曾德尔干涉器的一臂上耦合一个全通型微环谐振器，构成单微环辅助可调谐马赫·增德尔干涉器滤波器，结构如图1所示，上半部分为圆周长lr的微环谐振器(图2中mrr 1)，下半部分为包含两个多模干涉器和两个调制臂的四端口mzi(图2中mzi 1)结构，上调制臂同样为多模干涉器结构，其上输入端-输出端接入微环谐振器；mzi左侧两端可分别输入光，输入光场为e1、e2；mzi右侧两端可分别输出光，输出光场为e3、e4。由于上调制臂与微环谐振器互相耦合，mzi右侧输出端信号光的相位差不仅由两干涉臂长度差引入，还附加了微环谐振器带来的相位延时，因此在普通马赫·曾德尔干涉臂长度差形成的信号光谱中出现了周期性的谐振效应。
3、根据《光学学报》文章“传输矩阵法分析微环谐振器阵列传输特性”(文章编号：253-2239(2007)09-1585-8)提出的传输矩阵法，将两个多模干涉器及微环谐振器耦合干涉臂后的传输矩阵级联相乘，可得：
4、
5、其中，θ1和θ2分别为两个多模干涉器的耦合系数，为两干涉臂的相位差，t为全通型微环谐振器的传输函数，表达式为：
6、
7、其中θr为干涉臂与微环谐振器间的耦合系数，τ为归一化损耗，φr＝2πnefflr/λ为信号光在微环谐振器传输一周的相位偏移，neff为有效折射率，lr为微环的周长，λ为信号光的波长。由上述两个公式可见，决定微环辅助马赫·曾德尔干涉器滤波特性的主要因素为微环的周长lr、马赫·曾德尔两干涉臂臂长差δl、微环谐振器和马赫·曾德尔干涉器的耦合系数θr，以及归一化损耗τ。
8、根据论文《基于耦合模理论的微环谐振器模型研究》(余小燕.基于耦合模理论的微环谐振器模型研究[d].浙江大学，2008)中的耦合模理论，调制臂与微环之间的耦合系数θr是影响微环谐振器的幅度和相位时延特性的重要因素，因此优化耦合系数并且将微环谐振器引入相位时延，便可以实现对滤波器输出信号光谱响应的优化，从而实现平坦型滤波。
9、本专利技术所述的单微环辅助可调谐马赫·增德尔干涉器滤波器波导截面图如图3所示，从下至上依次由si衬底(1)、sio2下包层(2)、聚合物芯层(3)和聚合物上包层(4)；聚合物芯层(3)被包覆在聚合物上包层(4)之中，信号光在聚合物芯层(3)中传输。如图2所示，聚合物芯层(3)由马赫·增德尔干涉器(mzi 1)和微环谐振器(mrr 1)两部分组成；马赫·增德尔干涉器(mzi 1)为由第一多模干涉器a1、第三多模干涉器a3、上调制臂和下调制臂直波导l11构成的四端口结构(输入端in 1及in 2，输出端out 1及out2)，上调制臂由第二多模干涉器a2组成；第一多模干涉器a1、第二多模干涉器a2和第三多模干涉器a3均为3db多模干涉器(如图6所示)，分别带有两个输入端(input 1及input 2)和两个输出端(output 1及output 2)；第一多模干涉器a1和第三多模干涉器a3的分光比为50：50，第二多模干涉器a2的分光比为85：15；下调制臂直波导l11具有一个输入端和一个输出端；信号光从第一弯曲波导l1或第二弯曲波导l2的输入端输入，第一弯曲波导l1和第二弯曲波导l2的输出端分别连接第一多模干涉器a1的两个输入端；第一多模干涉器a1的一个输出端通过第三弯曲波导l3、第一直波导l9连接第二多模干涉器a2下输入端，第二多模干涉器a2下输出端通过第二直波导l10、第五弯曲波导l5连接第三多模干涉器a3的一个输入端；第一多模干涉器a1的另一个输出端通过第四弯曲波导l4、下调制臂直波导l11、第六弯曲波导l6连接第三多模干涉器a3的另一个输入端；第三多模干涉器a3的两个输出端分别连接第七弯曲波导l7和第八弯曲波导l8；如图5所示，微环谐振器(mrr 1)为跑道型结构，由第二多模干涉器a2的上输出端、第二弯曲波导r3、直波导r2、第一弯曲波导r1、第二多模干涉器a2的上输入端组成。
10、宽谱信号光源输出的信号光耦合进入第一弯曲波导l1或第二弯曲波导l2，经过第一多模干涉器a1分成50:50的两束信号光，然后分别进入下调制臂直波导l11和第二多模干涉器a2下输入端；进入第二多模干涉器a2下输入端的信号光被分为两部分，其中85％信号光经第二多模干涉器a2上输出端进入微环谐振器(mrr 1)，未进入微环谐振器(mrr 1)的15％信号光直接通过第二多模干涉器a2下输出端输送至第二直波导l10；由于波长满足在微环谐振器(mrr 1)谐振条件(即波长的整数倍等于环一周的信号光程)的信号光可以在微环波导内不断旋转发生谐振，因此可以通过调节微环谐振器(mrr 1)各部分结构和尺寸参数，使来自第三弯曲波导l3中的信号光在微环部分形成谐振，在微环中不断旋转，这部分形成谐振的信号光不会再通过第二多模干涉器a2下输出端输出；而不满足谐振条件的信号光，同样本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐MZI平顶滤波器，从下至上依次由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)和聚合物上包层(4)组成；聚合物芯层(3)被包覆在聚合物上包层(4)之中，信号光在聚合物芯层(3)中传输；其特征于：聚合物芯层(3)由马赫·增德尔干涉器(MZI 1)和微环谐振器(MRR 1)两部分组成；马赫·增德尔干涉器(MZI 1)为由第一多模干涉器(A1)、第三多模干涉器(A3)、上调制臂和下调制臂直波导(L11)构成的四端口结构，上调制臂由第二多模干涉器(A2)组成；第一多模干涉器(A1)、第二多模干涉器(A2)和第三多模干涉器(A3)均为3dB多模干涉器，分别带有两个输入端和两个输出端；第一多模干涉器(A1)和第三多模干涉器(A3)的分光比为50：50，第二多模干涉器(A2)的分光比为85：15；信号光从第一弯曲波导(L1)或第二弯曲波导(L2)的输入端输入，第一弯曲波导(L1)和第二弯曲波导(L2)的输出端分别连接第一多模干涉器(A1)的两个输入端；第一多模干涉器(A1)的一个输出端通过第三弯曲波导(L3)、第一直波导(L9)连接第二多模干涉
2.如权利要求1所述的一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐MZI平顶滤波器，其特征在于：聚合物芯层(3)材料为SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore中的一种；聚合物上包层(4)材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯、EpoClad中的一种，聚合物上包层(4)的折射率低于聚合物芯层(3)的折射率；金属电极(5)的材料为金、银、铝中的一种或者多种组成的合金。
3.如权利要求1所述的一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐MZI平顶滤波器，其特征在于：SiO2下包层(2)的厚度为15μm，SiO2下包层(2)之上的聚合物上包层(4)的厚度为7μm；除第一多模干涉器(A1)、第二多模干涉器(A2)、第三多模干涉器(A3)以外，沿信号光的传输方向聚合物芯层(3)为截面3μm×3μm的条形结构波导。
4.如权利要求1所述的一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐MZI平顶滤波器，其特征在于：第一多模干涉器(A1)和(A3)干涉区宽度WMMI＝24μm，干涉区长度LMMI＝489.83μm，作为输入和输出端的锥形耦合波导长度LTaper＝131μm，其宽度从WTaper＝5μm线性变化到WWaveguide＝3μm，锥形波导中心间距Gap＝10μm；第二多模干涉器(A2)干涉区宽度WMMI＝20μm，干涉区长度LMMI＝515μm，锥形耦合波导长度LTaper＝100μm，其宽度从WTaper＝5μm线性变化到WWaveguide＝3μm，锥形波导间距Gap＝10μm。
5.如权利要求1所述的一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐MZI平顶滤波器，其特征在于：弯曲波导(L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8)为欧拉弯曲波导，弯曲半径为1500μm；第一直波导(L9)和第二直波导(L10)长度一样，均为3.45mm；下调制臂直波导(L11)长度为16.1mm；第一弯曲波导(R1)和第二弯曲波导(R3)的波导半径为800μm，弧长分别是半径800μm圆弧的一半，直波导(R2)的长度L为515μm。
6.如权利要求1所述的一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐MZI平顶滤波器，其特征在于：第一调制电极(T1)的长度700μm，宽度为21μm；第二调制电极(T2)的长度为5000μm，宽度为21μm。
7.如权利要求1所述的一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐MZI平顶滤波器，其特征在于：第一多模干涉器(A1)和第三多模干涉器(A3)的耦合系数k1＝k2＝0.5，微环与上调制臂之间的耦合系数k3＝0.922。
...【技术特征摘要】
1.一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐mzi平顶滤波器，从下至上依次由si衬底(1)、sio2下包层(2)、聚合物芯层(3)和聚合物上包层(4)组成；聚合物芯层(3)被包覆在聚合物上包层(4)之中，信号光在聚合物芯层(3)中传输；其特征于：聚合物芯层(3)由马赫·增德尔干涉器(mzi 1)和微环谐振器(mrr 1)两部分组成；马赫·增德尔干涉器(mzi 1)为由第一多模干涉器(a1)、第三多模干涉器(a3)、上调制臂和下调制臂直波导(l11)构成的四端口结构，上调制臂由第二多模干涉器(a2)组成；第一多模干涉器(a1)、第二多模干涉器(a2)和第三多模干涉器(a3)均为3db多模干涉器，分别带有两个输入端和两个输出端；第一多模干涉器(a1)和第三多模干涉器(a3)的分光比为50：50，第二多模干涉器(a2)的分光比为85：15；信号光从第一弯曲波导(l1)或第二弯曲波导(l2)的输入端输入，第一弯曲波导(l1)和第二弯曲波导(l2)的输出端分别连接第一多模干涉器(a1)的两个输入端；第一多模干涉器(a1)的一个输出端通过第三弯曲波导(l3)、第一直波导(l9)连接第二多模干涉器(a2)下输入端，第二多模干涉器(a2)下输出端通过第二直波导(l10)、第五弯曲波导(l5)连接第三多模干涉器(a3)的一个输入端；第一多模干涉器(a1)的另一个输出端通过第四弯曲波导(l4)、下调制臂直波导(l11)、第六弯曲波导(l6)连接第三多模干涉器(a3)的另一个输入端；第三多模干涉器(a3)的两个输出端分别连接第七弯曲波导(l7)和第八弯曲波导(l8)；微环谐振器(mrr 1)为跑道型结构，由顺次连接的第二多模干涉器(a2)上输出端、第二弯曲波导(r3)、直波导(r2)、第一弯曲波导(r1)、第二多模干涉器(a2)上输入端组成；在直波导(r2)正上方的聚合物上包层之上设置有第一调制电极(t1)，在下调制臂直波导(l11)正上方的聚合物上包层之上设置有第二调制电极(t2)。
2.如权利要求1所述的一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐mzi平顶滤波器，其特征在于：聚合物芯层(3)材料为su-8 2002、su-8 2005、epocore中的一种；聚合物上包层(4)材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯、epoclad...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐智渊，尹悦鑫，管斌礼，程派，曾国宴，王子豪，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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