一种基于微环阵列可重构光滤波器的制作方法

本发明属于光纤通信和集成光子学技术领域，更具体地，涉及一种基于微环阵列可重构光滤波器。

背景技术：

光通信是现代信息、传输最重要的方式之一，正朝着超高速、大容量、大宽带、长距离、低成本的方向前进。光学滤波器对于充分利用光网络的波长资源，保护网络系统中通道最大限度的畅通无阻起着重要作用，是全光信号处理和波分复用系统中的重要器件。微环滤波器是光学滤波器中的一种。基于无源微环，如硅、氮化硅微环的滤波器利用微环的幅度响应和相位响应特性来处理光信号，实现滤波功能；利用热光效应、等离子色散效应等，可以实现良好的中心频率调谐性，并且已有多种结构实现了较好的可调谐特性。此外由于微环与生俱来的可集成优势，被广泛应用于制造集成的光学滤波器中。

但目前提出的绝大多数的微环滤波器仅基于如直通型多环级联、上传下载型多环级联、多环串联、双环级联等的某一种拓扑架构，故仅可在某一种或两种特定的滤波功能上实现中心波长和带宽的可调谐。也有将微环与mzi的组合结构级联的可重构方案，但该方案仅调谐了mzi上下臂参与滤波的环的数量以及级联的mzi数量，无法实现包括上传下载型多环级联、多环串联、双环级联等在内的常用的拓扑架构以及他们之间的切换。综上所述，目前还尚未提出能将多种常用的微环阵列拓扑架构整合在一个器件内实现的可重构方案。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微环阵列可重构滤波器，其目的在于在微环阵列的耦合区中引入了开关状态可重构的光耦合器结构，可以独立控制各个耦合区是否发生耦合作用，进而设计组合各个耦合区的开关状态，由此解决基于微环结构的滤波器滤波功能单一的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于微环阵列可重构光滤波器，包括：第一总线波导、第二总线波导以及多个微环；

所述第一总线波导和所述第二总线波导将所述多个微环并联连接；

所述多个微环在所述第一总线波导与所述第二总线波导之间等距排布；

微环与所述第一总线波导之间设有耦合区；微环与所述第二总线波导之间设有耦合区；相邻微环之间设有耦合区；

各耦合区均设有可重构光耦合器，且所述可重构光耦合器的开关状态均可独立调控；

所述可重构光耦合器用于控制对应耦合区的耦合状态的开关以使相邻微环之间、所述微环与所述第一总线波导之间、所述微环与所述第二总线波导之间发生或不发生耦合作用，从而使所述光滤波器具有不同的滤波功能。

优选地，所述可重构光耦合器为具有对称性的2＊2结构；即从任意一个端口输入光信号都能展现相同的耦合特性，以适应滤波器状态切换时经过耦合区的光传输方向可能会改变的情形。引入的可重构光耦合器结构的可重构特性可基于热光效应和电光效应，也可通过引入包括氧化铟锡在内的金属氧化物半导体或石墨烯等折射率可调等离子体材料或包括gts在内的相变材料来实现。

优选地，所述多个微环的尺寸相同。

优选地，所述微环半径r满足：2μm≤r≤300μm。半径过小，弯曲损耗大；半径过大，谐振峰之间波长间隔小，作为光滤波器时，会滤出多个波长，不易区分。

优选地，所述第一总线波导与所述第二总线波导的尺寸相同。

优选地，所述第一总线波导、所述第二总线波导和微环波导均为条型波导结构或脊型波导结构。

优选地，所述第一总线波导、所述第二总线波导和微环波导均为硅器件。

优选地，所述第一总线波导、所述第二总线波导和微环波导的宽度w满足450nm≤w≤600nm；波导宽度过窄时传输损耗大，波导宽度过宽时，在波导内会有多模传输，导致有多个谐振峰，使得所需基模谐振峰透射率降低；

所述第一总线波导、所述第二总线波导和微环波导的高度h满足150nm≤h≤300nm，以保证在波导内只有基模传输。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于在微环阵列的耦合区中引入了开关状态可重构的光耦合器结构，可以独立控制各个耦合区是否发生耦合作用，再通过设计组合各个耦合区的开关状态，可在一维微环阵列中实现包括直通型多环级联、上传下载型多环级联、多环串联、双环级联等在内的多种拓扑架构，实现了在一种滤波器结构中可任意切换多种常用多环拓扑架构，实现了滤波功能的多样性。同时，也可以在耦合区外的环腔波导或总线波导上设置相位调制结构，在可重构的基础上进一步实现各个状态的中心波长及带宽的可调谐性能，提升器件的动态灵活性。

附图说明

图1是本发明提供的基于微环阵列可重构光滤波器的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例中四环可重构光滤波器的结构示意图；

图3是本发明的一个实施例中拓扑结构为直通型多环级联的等效结构图以及各耦合区开关状态示意图；

图4是本发明的一个实施例中拓扑结构为上传下载型多环级联的等效结构图以及各耦合区开关状态示意图；

图5是本发明的一个实施例中拓扑结构为多环串联的等效结构图以及各耦合区开关状态示意图；

图6是本发明的一个实施例中拓扑结构为双环级联的等效结构图以及各耦合区开关状态示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为第一总线波导；2为第二总线波导。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-6所示，本发明提出了一种基于微环阵列可重构光滤波器，包括：第一总线波导、第二总线波导以及多个微环；所述第一总线波导和所述第二总线波导将所述多个微环并联连接；所述多个微环在所述第一总线波导与所述第二总线波导之间等距排布；微环与所述第一总线波导之间设有耦合区；微环与所述第二总线波导之间设有耦合区；相邻微环之间设有耦合区；各耦合区均设有可重构光耦合器，且所述可重构光耦合器的开关状态均可独立调控；所述可重构光耦合器用于控制对应耦合区的耦合状态的开关以使相邻微环之间、所述微环与所述第一总线波导之间、所述微环与所述第二总线波导之间发生或不发生耦合作用，从而使所述光滤波器具有不同的滤波功能。

具体的，所述可重构光耦合器为具有对称性的2＊2结构；即从任意一个端口输入光信号都能展现相同的耦合特性，以适应滤波器状态切换时经过耦合区的光传输方向可能会改变的情形。引入的可重构光耦合器结构的可重构特性可基于热光效应和电光效应，也可通过引入包括氧化铟锡在内的金属氧化物半导体或石墨烯等折射率可调等离子体材料或包括gts在内的相变材料来实现。

具体的，所述多个微环的尺寸相同。

具体的，所述微环半径r满足：2μm≤r≤300μm。半径过小，弯曲损耗大；半径过大，谐振峰之间波长间隔小，作为光滤波器时，会滤出多个波长，不易区分。

具体的，所述第一总线波导与所述第二总线波导的尺寸相同。

可选地，所述第一总线波导、所述第二总线波导和微环波导均为条型波导结构或脊型波导结构。

具体的，所述第一总线波导、所述第二总线波导和微环波导均为硅器件。

具体的，所述第一总线波导、所述第二总线波导和微环波导的宽度w满足450nm≤w≤600nm；波导宽度过窄时传输损耗大，波导宽度过宽时，在波导内会有多模传输，导致有多个谐振峰，使得所需基模谐振峰透射率降低；

所述第一总线波导、所述第二总线波导和微环波导的高度h满足150nm≤h≤300nm，以保证在波导内只有基模传输。

针对现有技术的缺陷，本发明具体提供了一种基于微环阵列可重构光滤波器，其目的在于通过解决基于微环结构的滤波器滤波功能单一的问题，获得能够实现包括直通型多环级联、上传下载型多环级联、多环串联、双环级联等在内的常用的拓扑架构的可重构滤波器，从而可在一个器件中实现多种滤波功能，满足日益发展的通信系统的灵活可重构需求。

图1是本发明提供的基于微环阵列的可重构光滤波器的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种基于微环阵列可重构光滤波器，包括在所述第一总线波导1和第二总线波导2之间设置的n个(n≥2)尺寸相同的微环，所述第一总线波导1和所述第二总线波导2将n个微环并联连接。

更进一步的说明，所述第一总线波导和所述第二总线波导与所有微环间均存在耦合区，相邻微环之间也均存在耦合区。

更进一步的说明，在上述所有的耦合区中分别设置可重构光耦合器结构，各可重构光耦合器结构的开关状态均可独立调控，通过控制可重构光耦合器结构工作状态的开关决定对应耦合区是否发生耦合作用。

具体的，可重构光耦合器结构的工作状态为开时对应耦合区发生耦合作用，可重构光耦合器结构工作状态为关时对应耦合区不发生耦合作用，进而本发明可通过设计组合各耦合区的耦合状态分别实现包括直通型多环级联、上传下载型多环级联、多环串联、双环级联等在内的多种拓扑架构。

本发明的具体实施例以一种四环可重构光滤波器为例进一步地阐述通过组合各耦合区的耦合状态来分别实现多种拓扑架构。

图2是本发明提供的四环可重构光滤波器的结构示意图。如图2所示，图中四个微环尺寸相等且在所述第一总线波导和所述第二总线波导间等间距排布。图2中在相邻微环之间、微环与总线波导之间的方框表征所引入的可重构光耦合器结构，所述可重构光耦合器结构为2*2的四端口对称结构。

如图3-6所示分别为本发明实施例提出的拓扑架构的等效结构图以及对应的四环可重构光滤波器中各耦合区开关状态示意图。需要说明的是，图3-6中标有“on”的白色方框表示耦合区状态为开，标有“off”的灰色方框表示耦合区状态为关。

实施例一

图3是本发明提出的拓扑结构为直通型多环级联的等效结构图以及各耦合区开关状态示意图。如图3所示，直通型多环级联拓扑结构的特征为所有微环仅和同一根总线波导耦合，且各微环之间不耦合，其基本架构如图3中的上图所示。对应的四环可重构光滤波器中各耦合区的开关状态如图3的下图所示。可以看出，当将四个微环与第一总线波导间的耦合区以及微环之间的耦合区的工作状态设置为关时，即可对应直通型多环级联拓扑，在输出端获得相应的陷波滤波特性。

实施例二

图4是本发明提出的拓扑结构为上传下载型多环级联的等效结构图以及各耦合区开关状态示意图。如图4所示，上传下载型多环级联拓扑的特征为所有微环均和所述第一总线波导与所述第二总线波导耦合，但各微环之间不耦合，其基本架构如图4中的上图所示。对应的四环可重构光滤波器中各耦合区的开关状态如图4的下图所示，可以看出，当仅将四个微环之间的耦合区的工作状态设置为关时，即可对应上传下载型多环级联拓扑，在直通端获得相应的陷波滤波特性，在下载端获得相应的带通滤波特性。

实施例三

图5是本发明提出的拓扑结构为多环串联的等效结构图以及各耦合区开关状态示意图。如图5所示，多环串联拓扑的特征为相邻微环之间发生耦合，且仅第一个微环与最后一个微环分别与第一总线波导和第二总线波导耦合，其余微环均不与总线波导耦合。其基本架构如图5中的上图所示，对应的四环可重构光滤波器中各耦合区的开关状态如图5中的下图所示，可以看出，当将前三个微环与第一总线波导之间、后三个微环与第二总线波导之间的耦合区的工作状态设置为关，其余的耦合区设置为开时，即可对应多环串联拓扑，在下载端获得相应的带通滤波特性。

实施例四

图6是本发明提供的拓扑结构为双环级联的等效结构图以及各耦合区开关状态示意图。如图6所示，双环级联拓扑的特征为每两个微环为一组，组内串联，组外级联，其基本架构如图6中的上图所示，对应的四环可重构光滤波器中各耦合区的开关状态如图6中的下图所示，可以看出，当将中间两个微环之间的耦合区的工作状态设置为关，其余微环之间的耦合区设置为开，双数号微环与第一总线波导之间以及单数号微环与第二总线波导之间的耦合区设置为开时，即可对应双环级联拓扑，在直通端获得相应的陷波滤波特性，在下载端获得相应的带通滤波特性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。