基于串聯3環結構的16通道可調諧熱光濾波器

摘 要:本文是對“基于硅基微環諧振腔結構的可調諧光濾波器”設計與實現的討論，著重分析了微環諧振腔的工作原理，調制方法，與性能仿真。器件設計采用了3微環諧振腔串聯的結構，一方面可以有效的擴展FSR，另一方面通過3換的串聯，可以獲得較好的通帶平坦與串擾特性。同時，本文討論了微環結構光濾波器的調制方法，(本設計主要采用熱光調制)，以實現波長范圍從1543.6～1556.4nm的16通道可調諧濾波。最后，本文硅波導的設計方法并給出了在考慮波導以及耦合區色散情況下的頻譜仿真。

關鍵詞:濾波器 頻譜仿真

中圖分類號:TN713文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0110-02

1 基本原理

1.1 硅基波導

本文采用的波導基片為SOI(silicon on insulator)晶片，基片由200nm厚的硅芯層，2μm厚的二氧化硅絕緣層以及700μm厚度的硅襯底三層組成，在器件制作中，會在SOI晶片上長一層500nm左右厚度的二氧化硅上包層，從而將光路充分地限制在折射率較高的硅芯層中。

1.2 微環結構

環形濾波器的基本原理來自于環狀結構中的縱模干涉，當光在波導結構中沿著一個閉合的回路進行傳播時，在任意一點處，繞行n圈到達的光場和繞行n-1圈到達的光場將會發生干涉，而只有兩者的相位差為2π的整數倍的時候才會發生穩定的干涉，因而能在環型濾波器中穩定存在的光場必須滿足條件:

neff為波導的等效折射率，若用傳播常數β來描述，則為:

因而可以發現在一個周長確定的環形波導結構中，只有滿足諧振公式的光波才能穩定地在環形結構中存在，從而環形結構實質上就實現了濾波器的功能。

FSR(Free Spectral Range)是環形濾波器中的一個重要概念，描述光譜中兩個相鄰的諧振峰之間的波長差。從上述的諧振公式中可以推得:

微環諧振器分為濾波器和波分復用器兩種基本結構，最簡單的結構為單環諧振器，其他復雜的結構是由多個單環組合而成。上述方程即為最基本的單環諧振的計算公式。

1.3 游標效應

如果使用多環級聯諧振器中，如果環與環之間諧振的FSR不一致，就會出現游標效應。

對于雙環級聯諧振器而言，如果雙環中一個環的傳輸特性曲線發生平移，將導致雙環結構總體的傳輸特性改變。假設環a的諧振峰位置固定不變，當環b的諧振峰位置產生微小變化時，雙環整體的傳輸特性曲線就會發生一個a環FSR的變化。這種效應與游標卡尺中游標尺與主尺的刻度線發生相對位移后對準刻度改變的情形相似。

2 熱光調制原理

2.1 熱光效應

硅的熱光調制是一種比較成熟的調制技術，硅材料具有較大的熱光系數(1.8×10-4K)，只要在硅波導上鍍上一層金屬電極，就可以對硅波導有效地進行加熱從而改變其折射率，從而實現硅光器件的折射率調制。熱光調制的相應速率可以從毫秒量級至微秒量級不等，目前NTT 已經可以實現10ns的熱光切換速率，可見熱光調制具有非常大的應用價值。

硅的熱光調制理論主要是基于熱流方程以及導熱方程:

其中k是導熱系數(W/(mK))，r是材料密度(kg/m3)，c是材料的熱(J/(kgK))，q’’是單位體積單位時間內產生的熱量(W/m3)。另外，在接觸面上有:

當結構確定時，利用數值方法就可以解得硅波導結構在特定熱源功率下的溫度變化，從而計算出相應的折射率變化，得到等效折射率變化的值。

見表1。

3 設計思路與方案

3.1 單環結構濾波器的設計

單環諧振器由輸入輸出波導，耦合區以及環形濾波器組成。對于環狀濾波器，需要滿足的諧振公式。從而根據設計所需要的l值，FSR值可以計算得到相應的微環半徑R，定下設計的結構。當所有的結構定下后，就可以進行頻譜的仿真計算。

通過實驗可知，隨耦合系數的增加，帶寬加寬，串擾增大。

3.2 串聯多環的推導與分析

A．平行信道串聯多環的結構

含有不同的復信號光從主信道的輸入口輸入并耦合進入一系列微環后，其中只有某一特定的波長的光能滿足諧振條件而在這些微環中引起諧振，耦合進入輸出信道的光以這一諧振波長的輸出光強為最大，從而完成濾波。

B．傳遞函數

對于第i環和i+1環，振幅間的關系為

矩陣形式為:

其中:

得到振幅的推導公式:

3.3 串聯三環結構的設計與仿真

通過MATLAB的仿真計算，我們得到:

系統參數:

環半徑:R=R1=R2=R3=2.8857μm

Gap=0.08um

條形波導長:2L=0.49*2um

理論上滿足R×2π×Neff=Mλ，其中R為微環半徑，Neff為微環介質等效折射率，

關系式:λ=551.7(n-2.8327)+1556.4

單通道，δλ=0.22nm

由圖中我們可以看到，通道的半高全寬為0.22nm，平坦性較好。足夠滿足設計需求(如圖1，圖2）。

通過實驗我們發現，串聯多環結構的諧振器輸出光譜基本沒有旁瓣的產生，性能更加優越;但是如果環間耦合系數沒有準確選取，輸出光譜通帶會出現波紋。通過對串聯雙環結構的諧振器的分析發現:當環半徑相等時，優化環間耦合系數使其沿中心向兩側對稱增加，可以在實現最大平坦濾波響應特性的同時，改善通帶帶寬和過渡帶滾降特性;利用游標效應，將兩個串聯環半徑設計成不等的結構時，自由光譜范圍有很大的提高，一般成倍的增長

繼而通過對串聯不同環形腔的諧振器的分析可見．隨著環個數的增加，輸出通帶帶寬隨之減小，平坦度增強，過渡帶滾降速度加快。另外，串聯環半徑對輸出光譜的影響同并聯結構相似，可以通過調節半徑的大小，實現對通帶帶寬的改變。

參考文獻

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