可重構(gòu)自耦合微環(huán)輔助的MZI集成光子濾波器

鄭鵬飛，惲斌峰

(東南大學(xué) 先進光子學(xué)中心，江蘇 南京 210096)

1 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，集成電路系統(tǒng)在高頻率、大帶寬的應(yīng)用中遇到了瓶頸。而集成光子鏈路憑借其超高的工作頻率、超大的工作帶寬、低損耗以及強抗電磁干擾能力等突出優(yōu)勢，引起人們巨大的研究興趣。近年來，由于具有極高的集成度且與現(xiàn)有的COMS工藝兼容，基于絕緣體上硅(SOI)的光子集成平臺成為眾多集成光子平臺中最受重視的平臺之一[1-2]。目前，基于SOI的硅基集成光子器件，包括光開關(guān)[3]、多模干涉耦合器[4]、可調(diào)光衰減器[5]、光柵耦合器[6]、光柵濾波器[7]等，得到了廣泛的研究和應(yīng)用。其中，以硅基微環(huán)諧振腔[8-10]為代表的硅基集成光子濾波器在光信號的濾波、延時、波分復(fù)用以及微波光子信號處理等應(yīng)用中扮演著至關(guān)重要的角色。

靈活且高速的可調(diào)諧和可重構(gòu)特性使硅基集成光子濾波器能同時適用于不同的應(yīng)用場景。硅基微環(huán)諧振腔濾波器本身就具有濾波頻率可調(diào)諧和帶寬變的特性。將多個微環(huán)諧振腔串聯(lián)或并聯(lián)，就可以實現(xiàn)更復(fù)雜的高階濾波器的功能。2011年，Guzzon等提出了一種基于磷化銦(InP)平臺的可重構(gòu)光學(xué)帶通濾波器。該結(jié)構(gòu)結(jié)合可調(diào)光耦合器、移相器和光放大器，可重構(gòu)成二階和三階的濾波器，并實現(xiàn)帶寬的可調(diào)諧[11]。同年，該課題組提出了級聯(lián)4個二階微環(huán)諧振腔濾波器，實現(xiàn)了一種可編程的光學(xué)濾波器，并應(yīng)用于微波光子濾波器中[12]。2012年，Hu等將三個基于SOI平臺的微環(huán)濾波器串聯(lián)，實現(xiàn)了箱型的帶通濾波形狀、濾波波長可調(diào)諧、帶外抑制比達到40 dB的集成光子濾波器[13]。2015年，Wu等提出了基于自耦合微環(huán)諧振腔的可調(diào)二階微分方程光學(xué)求解器，該器件基于兩個相互耦合的微環(huán)濾波器，由于環(huán)間耦合，諧振峰發(fā)生分裂，且分裂的光譜可以通過調(diào)節(jié)環(huán)間耦合系數(shù)控制[14]。此外，他們還提出了基于自耦合微環(huán)的微波光子濾波器和微波信號發(fā)生器[15]。2016年，Capmany等提出了一種微環(huán)輔助的馬赫-曾德爾干涉儀(Mach Zehnder Interferometer,MZI)結(jié)構(gòu)，并將它與片上激光器、調(diào)制器、探測器集成，首次實現(xiàn)了單片集成的微波光子濾波器[16]。2018年，Sun等提出了一種可重構(gòu)的高分辨率微波光子濾波器，其光學(xué)濾波器由兩級雙微環(huán)輔助的MZI構(gòu)成。通過對器件上7個可調(diào)耦合器的控制，實現(xiàn)了在4種微環(huán)輔助的MZI之間的切換重構(gòu)，同時，結(jié)合微波光子鏈路，實現(xiàn)了微波光子濾波器從帶通到帶阻的切換，以及濾波頻率、帶寬的調(diào)諧[17]。Cohen等提出了一種雙注入型的硅基微環(huán)濾波器，實現(xiàn)了濾波光譜形狀的靈活可調(diào)以及在兩種不同的濾波器自由光譜范圍之間切換[18]。針對不同的應(yīng)用場景，研究者們提出了多種濾波器設(shè)計，然而，這些濾波器通常只能實現(xiàn)一類濾波器濾波波形的調(diào)諧和重構(gòu)。如果能實現(xiàn)不同類型濾波器之間的可重構(gòu)，則可以大大提高濾波器的靈活性，擴展應(yīng)用場景，實現(xiàn)更多的功能。

本文提出了一種基于自耦合微環(huán)的MZI濾波器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了3類較為復(fù)雜的可重構(gòu)集成光子濾波器之間的相互轉(zhuǎn)換。通過控制器件上的電極，可以將該器件重構(gòu)成光開關(guān)、雙抽頭有限脈沖響應(yīng)濾波器、雙微環(huán)輔助的MZI濾波器、雙注入型微環(huán)諧振腔濾波器以及自耦合微環(huán)輔助的MZI濾波器等5種不同狀態(tài)。而上述3種基于微環(huán)諧振腔的濾波器結(jié)構(gòu)具有廣泛的應(yīng)用潛力，在每一種濾波器的狀態(tài)下均可以實現(xiàn)濾波光譜調(diào)諧和譜形重構(gòu)。

2 器件結(jié)構(gòu)及建模

2.1 器件結(jié)構(gòu)介紹

圖1 濾波器及光開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

器件由兩個2×2多模干涉(Multi-mode Interference,MMI)耦合器、3個MZI型熱光開關(guān)以及3個移相器構(gòu)成。其中，開關(guān)1和開關(guān)2的端口相互連接，開關(guān)2和開關(guān)3的端口相互連接，構(gòu)成兩個微環(huán)諧振腔，環(huán)長為LMRR,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示。光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，由兩個MMI和兩條光波導(dǎo)構(gòu)成的MZI結(jié)構(gòu)。光開關(guān)上也有一個加熱電極，用于控制光信號在兩輸出端口的強度。

通過控制此器件上的6個加熱電極(包括3個光開關(guān)上的電極和3個移相器上的電極)，可以實現(xiàn)五種不同的集成光子器件的功能，具有靈活的可重構(gòu)、可調(diào)諧特性。3個開關(guān)用于控制直波導(dǎo)與微環(huán)諧振腔、微環(huán)諧振腔之間的耦合。耦合系數(shù)分別用t1，t2和t3表示。t=1表示光開關(guān)處于直通狀態(tài)，t=0表示光開關(guān)處于交叉狀態(tài)。3個加熱電極的功能是實現(xiàn)對器件相位的調(diào)控，即它們是3個移相器，實現(xiàn)的相移量分別用φ1，φ2和φ3來表示。器件的兩個輸入端口和兩個輸出端口分別標記額為In0，In1和Out0，Out1。

2.2 器件傳輸矩陣

為了對此器件進行傳輸矩陣的建模仿真，將器件劃分為四個部分：輸入端MMI、移相區(qū)、自耦合微環(huán)區(qū)和輸出MMI區(qū)，分別可以用傳輸矩陣來描述它們的傳輸特性，則器件的傳輸矩陣為：

(1)

上式各矩陣從右往左分別為輸入端MMI、移相區(qū)、自耦合微環(huán)區(qū)和輸出MMI的傳輸矩陣。Ein0和Ein1分別為兩個輸入端的光電場，Eout0和Eout1分別為輸出端的光電場。

圖2 自耦合微環(huán)諧振腔示意圖

由于自耦合微環(huán)的傳輸矩陣較為復(fù)雜，因此用ABCD矩陣表示。圖2為一個自耦合微環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中ai和bi(i=1,2,3…)分別為器件相應(yīng)處的電場，根據(jù)文獻[19]，以上各點有如下關(guān)系：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

其中α和φ0分別為光信號環(huán)繞微環(huán)傳播一周的損耗因子和相位變化量。與環(huán)長L和波導(dǎo)有效折射率的關(guān)系如下：

(7)

由式(2)～式(6)可得：

(8)

將式(8)改寫為Ein0′為輸入、Eout′為輸出的形式，即可得到式(1)中的ABCD矩陣，各矩陣元如下：

(9)

根據(jù)式(1)可以得到整個器件的傳輸矩陣，可調(diào)諧的變量為t1，t2，t3，φ1，φ2和φ3這6個加熱電極所控制的參數(shù)。通過MATLAB對器件進行仿真，可以得到器件在不同參數(shù)下的傳輸特性。

3 器件可重構(gòu)特性

通過傳輸矩陣法對器件進行建模仿真，分析此器件可重構(gòu)成的光開關(guān)、非平衡MZI濾波器、雙微環(huán)并聯(lián)濾波器、雙注入型微環(huán)諧振腔濾波器以及自耦合微環(huán)輔助的MZI濾波器等5種不同狀態(tài)以及它們的光譜和調(diào)諧特性。波導(dǎo)采用截面尺寸為450 nm×220 nm的SOI矩形波導(dǎo)，波導(dǎo)損耗為3 dB/cm，微環(huán)環(huán)長為1 950 μm，因此環(huán)內(nèi)損耗系數(shù)α=0.962 8。MMI耦合器視為理想器件，即分光比為1∶1且插損為0，光信號均從In0端口輸入。實際器件的插損包括兩個部分：一為波導(dǎo)的傳輸損耗，根據(jù)本文的設(shè)計，非諧振的光信號在器件中傳播的最大距離應(yīng)小于3 mm，即理論上的波導(dǎo)傳輸損耗應(yīng)小于1 dB；二為MMI損耗；根據(jù)設(shè)計值，2×2 MMI損耗小于0.2 dB，此器件中，非諧振的光信號傳播路徑上會通過4個多模干涉耦合器，其損耗約為0.8 dB。因此，理論上該結(jié)構(gòu)的片上插損應(yīng)小于1.8 dB。

由于此結(jié)構(gòu)中有6個可調(diào)諧參數(shù)，參數(shù)的變化組合繁多，然而有應(yīng)用價值的光譜并不多，因此，以下各小節(jié)僅列出器件重構(gòu)成的各種狀態(tài)下的典型光譜及其可能的應(yīng)用場景。

3.1 光開關(guān)和非平衡MZI濾波器

首先，控制開關(guān)1和開關(guān)3處于直通狀態(tài)(t1=1，t3=1)，則此器件可重構(gòu)為一個普通的熱光開關(guān)，此時器件狀態(tài)如圖3所示。

圖3 器件重構(gòu)成MZI光開關(guān)

此時，通過控制移相器1，調(diào)諧φ1，可以實現(xiàn)此器件作為開關(guān)的功能。此時，移相器2、移相器3和開關(guān)2的調(diào)諧對器件無影響。

若t1=0，t2=1，t3=1，此時相當于上述的MZI光開關(guān)的上臂長度增加了LMRR，因此兩臂長度不相等，器件重構(gòu)成具有兩個抽頭的有限脈沖響應(yīng)濾波器，如圖4(a)所示。設(shè)其自由光譜范圍(Free Spectral Range,FSR)為△λ。若t1=0，t2=0，t3=1，此時相當于MZI的上臂長度增加了2LMRR，器件重構(gòu)成FSR為△λ/2的有限脈沖濾波器(如圖4(b))。通過調(diào)諧移相器1，可以實現(xiàn)濾波波長的調(diào)諧。圖5為上述兩種有限脈沖響應(yīng)濾波器Out1端口的光譜仿真結(jié)果(彩圖見期刊電子版)。

圖4 器件重構(gòu)成具有兩種不同F(xiàn)SR的有限脈沖響應(yīng)濾波器

圖5 器件重構(gòu)成的有限脈沖響應(yīng)濾波器的光譜

自由光譜范圍可以由公式計算得到：

(10)

450 nm×220 nm的SOI矩形波導(dǎo)的群折射率為4.125 6。對于圖4(a)中的結(jié)構(gòu)，ΔL=1 950 μm，則可計算得自由光譜范圍為0.298 6 nm(約為37 GHz)，也可從圖5中的藍線得到。對于圖4(b)中的結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的ΔL=3 900 μm，則自由光譜范圍減小為0.149 3 nm(約為18.5 GHz)，可從圖5中的紅線得到。

兩抽頭的有限脈沖響應(yīng)濾波器的輸出光譜隨波長呈正弦變化，其有效折射率隨溫度、壓強等物理量的變化而變化，常應(yīng)用于制備集成傳感器[20]。

3.2 微環(huán)輔助的MZI濾波器

當t2=1，t3=1，控制t1連續(xù)地從0調(diào)節(jié)到1(即0

圖6 單微環(huán)輔助的MZI濾波器

t1=0.8時,兩個端口的輸出光譜如圖7所示。

圖7 單微環(huán)輔助的MZI濾波器典型光譜

然而，由于輸出光譜是MZI兩臂干涉的結(jié)果，以上兩種情況下的濾波器光譜消光比有限，且?guī)捿^大，因此在實際系統(tǒng)中也很少采用這種濾波器。

若t2=1，0

圖8 器件重構(gòu)成雙微環(huán)輔助的MZI濾波器

該結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)相當于將兩個微環(huán)諧振腔的光譜做矢量和，矢量和的相角可由移相器1控制。移相器2和移相器3分別控制兩個微環(huán)諧振腔的諧振波長，實現(xiàn)濾波頻率和帶寬的調(diào)諧和控制。設(shè)置各光開關(guān)的參數(shù)為t1=0.9,t2=1,t3=0.9，此時上下兩個微環(huán)均處于過耦合狀態(tài)，消光比約為6.5 dB。改變移相器2上的相位φ2，將改變上臂微環(huán)的諧振峰，兩微環(huán)諧振峰疊加，使它在Out0端口輸出為一消光比約為35 dB的帶阻濾波器。而在Out1端口的輸出光譜為一個帶外抑制比大于45 dB的帶通濾波器，光譜隨φ2的變化如圖8所示。

如圖9所示，當φ2=0.06π時，其帶通和帶阻濾波器響應(yīng)可以實現(xiàn)最大的消光比或帶外抑制比。此時，若改變移相器1的相位，可以改變MZI兩臂的矢量疊加的相角，從而重構(gòu)濾波光譜形狀。圖10為φ1=0,π時Out0端口的光譜，可以看到濾波器從帶阻濾波器變化為帶通濾波器。這一特性有廣泛的應(yīng)用，例如將它與微波光子鏈路結(jié)合實現(xiàn)了從帶通到帶阻可切換的微波光子濾波器，大大提高了微波光子濾波器的靈活性。

圖9 雙微環(huán)輔助的MZI濾波器光譜隨φ2的變化

圖10 改變φ1可以實現(xiàn)濾波器光譜在帶通濾波器和帶阻濾波器之間轉(zhuǎn)換

值得一提的是，由于此器件結(jié)構(gòu)的對稱性，φ1從0變化到π的Out0端光譜與φ1從π變化到0的Out1端光譜是關(guān)于諧振波長對稱的。

3.3 ADD-DROP型微環(huán)輔助的MZI濾波器

若t2=0，0

圖11 器件重構(gòu)為雙注入型微環(huán)諧振腔濾波器

如圖11所示，光信號從In0端輸入，通過MMI耦合器分光，兩路光信號分別注入ADD-DROP型微環(huán)諧振腔的Input端和Add端，構(gòu)成雙注入型微環(huán)諧振腔。通過控制移相器1可以實現(xiàn)微環(huán)諧振腔Through端和Drop端光譜的疊加，而移相器2和移相器3可以實現(xiàn)微環(huán)諧振腔濾波頻率的調(diào)諧。雙注入微環(huán)諧振腔的光譜在文獻[17]中已有詳細的研究。其光譜響應(yīng)具有非常靈活的可重構(gòu)性，其中最為重要的特性是可以實現(xiàn)諧振腔FSR的切換。圖11為雙注入微環(huán)諧振器濾波器的典型光譜，t1=0.95，t2=0，t3=0.95。通過改變φ1可以實現(xiàn)兩種FSR的相互切換。圖12(a)為帶通濾波器光譜，其中藍線和紅線的相移量分別為φ1=0和φ1=0.244π，濾波器帶外抑制比分別為21 dB和5 dB；圖12(b)為帶阻濾波器光譜，其中藍線和紅線的相移量分別為φ1=0和φ1=0.5π，消光比分別為7.4 dB和16.8 dB(彩圖見期刊電子版)。這種FSR可切換的濾波器在微波光子濾波器以及光傳感器等方面有巨大的應(yīng)用前景。

圖12 雙注入微環(huán)濾波器光譜響應(yīng)

3.4 自耦合微環(huán)諧振腔濾波器

若開關(guān)1、開關(guān)2和開關(guān)3均設(shè)置為可調(diào)，則兩個微環(huán)諧振腔之間也發(fā)生耦合，器件為一個自耦合微環(huán)輔助的MZI濾波器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，開關(guān)2控制兩個微環(huán)諧振腔之間的耦合效率。當微環(huán)間耦合系數(shù)t2=0，則自耦合微環(huán)等效為兩個獨立的且環(huán)長均為LMRR的微環(huán)，若t2=1，則兩個微環(huán)等效為一個環(huán)長為2LMRR的微環(huán)，以上兩種情況在3.2節(jié)和3.3節(jié)中已經(jīng)討論。

有別于上述其他狀態(tài)，此狀態(tài)最重要的調(diào)諧參數(shù)為t2。當t1=t3=0.9，各相移器的相移量為0。器件的典型光譜隨t2的變化如圖13所示。由于微環(huán)諧振腔之間的相互耦合，諧振峰光譜發(fā)生分裂，形成兩個濾波峰，且分裂的兩個峰之間的間距，以單環(huán)諧振腔的諧振波長為中心，隨微環(huán)間耦合系數(shù)t2的減小而增大，調(diào)諧范圍為半個自由光譜范圍，約為18.5 GHz。自耦合微環(huán)諧振腔的帶阻濾波輸出可以被應(yīng)用于微波光子濾波器中，將微波光子鏈路的光載波設(shè)置于兩諧振峰的中心處，可以將兩個一階邊帶同時濾去，實現(xiàn)大抑制比的微波光子濾波器，且通過改變環(huán)間耦合系數(shù)t2，可以實現(xiàn)濾波頻率的調(diào)諧。其帶通濾波輸出可以應(yīng)用于產(chǎn)生射頻信號，實現(xiàn)頻率可調(diào)的微波到太赫茲波段的信號輸出[14]。

圖13 自耦合微環(huán)輔助的MZI濾波器光譜響應(yīng)

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于自耦合微環(huán)輔助的MZI集成光子濾波器，將3個MZI型光開關(guān)連接構(gòu)成可調(diào)諧的自耦合微環(huán)諧振腔。通過器件上的控制電極，可以將該器件重構(gòu)成光開關(guān)、非平衡MZI濾波器。雙微環(huán)輔助的MZI濾波器可以實現(xiàn)在消光比為35 dB的帶阻濾波器和帶外抑制比為45 dB的帶通濾波器之間的切換。雙注入型微環(huán)諧振腔濾波器可以實現(xiàn)在兩種不同自由光譜范圍之間的切換。自耦合微環(huán)輔助的MZI濾波器則可以實現(xiàn)具有一對諧振波長間距可調(diào)的雙濾波峰濾波器，波長間距可調(diào)范圍為18.5 GHz。綜上，該器件結(jié)構(gòu)簡單，且可調(diào)諧、可重構(gòu)，具有廣泛的應(yīng)用前景。