基于硅基微环的大范围带宽可调微波光子滤波器的制作方法

本发明属于光通信和集成器件领域，具体涉及一种基于硅基微环的大范围带宽可调微波光子滤波器。

背景技术：

微波光子滤波器是指在光域内实现微波滤波，是微波光子系统的关键组成部分，它具有良好的可调谐性、重构性，以及高q特性，而这些性能用传统的电子技术很难实现。此外，由于微波信号的处理都是在光域中直接实现的，不需要频繁的光-电-光转换，并且借助于光子器件的大带宽也可以很方便地处理高频微波信号。因此，微波光子学滤波器已广泛应用于军事和通信领域中。

目前，如何在硅基纳米芯片上实现大范围频率连续可调和带宽良好重构性的微波光子滤波器成为了当今微波光子技术的研究热点。利用硅基微环和微盘来构建高性能的微波光子滤波器，主要考虑两个方面的性能：第一，实现中心频率连续可调、带宽可重构的高品质因子微波光子滤波器；第二，实现高度集成的微波光子滤波器。2013年清华大学张正科提出基于微环和马赫曾德干涉仪的带阻微波光子滤波器，实现了带宽1.85-4.55ghz的可调谐。同年，南京航空航天大学的张雅梅提出了一种的新型复系数微波光子滤波器。该滤波器可实现11-43ghz的带宽调节，但结构较为复杂且集成度不高。2015年澳大利亚悉尼大学的marpaungd.利用布里渊散射实现了带宽0.03-0.44ghz的可调谐微波光子滤波器。

这些方法虽然能够实现硅基片上带宽的可调，但是它们存在可调范围不够大和集成度不够高的缺点。

技术实现要素：

本发明针对以上光学滤波器可调谐带宽较小等难题，利用微环的热光效应，设计新型硅基微环的结构，实现了大范围带宽可调的微波光子滤波器。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种基于硅基微环的大范围带宽可调微波光子滤波器，包括硅基平台、微环、第一波导、第二波导、第一电极和第二电极，所述微环、第一波导、第二波导、第一电极和第二电极放置在硅基平台之上，所述第一波导和第二波导紧邻微环的两侧对称放置，所述第一波导和第二波导为弯曲波导，第一波导、第二波导的弯曲部分与微环之间会发生耦合；所述第一波导和第二波导上分别设有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极分别用于加热第一波导和第二波导；所述第一波导上有输入端和输出端，所述输入端和输出端分别用于输入和输出光信号。

进一步地，所述硅基平台的材料是二氧化硅。

进一步地，所述微环的材料是硅。

进一步地，所述微环为上下载型微环。

进一步地，所述微环与第一波导、第二波导最近处的距离均为50nm。

进一步地，所述微环的半径为10μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用了微环热光效应，装置的消光比在保持较大的同时，可实现带宽较大范围调谐。所述热光效应是指：微环与波导之间存在光耦合系数，当使用两个电极分别加热两个弯曲波导时，微环的内部分子发生改变，微环的传输系数发生改变，从而使微环的传输谱发生变化。即通过在微环电极上加载不同的功率来改变微环与弯曲波导的耦合系数，就能够实现对微环的谱线调谐。

附图说明

图1是本发明实施例中基于硅基微环的大范围带宽可调微波光子滤波器的器件结构示意图；

图2是本发明实施例中不同电极功率下的传输谱线图；

图3是本发明实施例中热光效应原理图；

图4是本发明实施例中不同电极功率下，改变光载波波长的传输谱线图；

图5是本发明实施例中3db带宽变化结果图。

附图标记：1-硅基平台；2-微环；3-第一波导；4-第二波导；5-第一电极；6-第二电极；7-输入端；8-输出端。

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，并不用于限制本发明。

参考图1，本发明的实施例提供了一种基于硅基微环的大范围带宽可调微波光子滤波器，包括放置在硅基平台1上的微环2、第一波导3、第二波导4、第一电极5和第二电极6。第一波导3和第二波导4为弯曲波导且第一波导3和第二波导4紧邻微环2的两侧对称放置，第一波导3和第二波导4上分别设有第一电极5和第二电极6。硅基平台1是由二氧化硅制成的，二氧化硅价格低廉、制备简单，是一种重要的光学器件原材料，由二氧化硅制成的硅基平台1可以尽可能地减少基片损耗和基片吸收造成的损耗。微环2是由硅制成，其半径是10μm。第一波导3和第二波导4为弯曲波导且放置在微环2相对称的两侧，第一波导3和第二波导4离微环2最近处的距离为50nm。

本发明的工作原理是：本发明的基于硅基微环的大范围带宽可调谐微波光子滤波器，是一个改造后的上下载型微环结构。微环2与第一波导3的弯曲处进行耦合，光信号从第一波导3上的输入端7进入，一部分耦合进微环2，一部分从输出端8输出。利用微环2的热光效应，第一电极5通过施加电压加热第一波导3，同样第二电极6通过施加电压加热第二波导4，改变了微环2的光耦合系数，导致光耦合进微环2的效率发生改变，从而使其传输谱线发生改变。若改变第一电极5和第二电极6的电压，则可以观察到带宽可调的范围。

上述上下载型微环的传输响应公式为：

其中：

令

上述式中eout为输出端光场输出强度，ein为输入端输入光场强度，k1、k2、r1、r2为传输系数，k0为图中微环2与第一波导3之间的耦合系数，tb和tr为耦合系数，为环程相移，α为传输系数，λ为波长，lb、lr为两根弧形臂的长度。本实施例中，取tb＝0.998、tr＝0.999、k0＝0.25、k2＝0.28、α＝0.25。当第一电极5和第二电极6加热微环2，微环2由于自身的光热效应改变neff1和neff2(有效折射率)，进而改变其传输特性。

参考图2，当第一电极5的输入功率为5.6mw，第二电极6的输入功率为1.3mw时，微环2的传输曲线下降沿最为陡峭，3db带宽最小；当第一电极5的输入功率为14.4mw，第二电极6的输入功率为12.0mw时，微环2的传输曲线下降沿最为平坦，3db带宽最大，且抑制比都较大。

参考图3，图中f为光载波，短箭头代表微波信号，当微波信号在平坦区域时，微波信号的强度被削弱的最小，即输出的微波信号功率最大；逐步扫描微波信号，当信号波长处于波谷时，微波信号的强度被削弱的最大，即输出的微波信号功率最小。通过改变第一电极5和第二电极6上的功率来改变微环2与第一波导3的耦合系数，微环2的谱线发生相应的变化，最后进行拍频得到变化后的微波信号谱线。

参考图4和图5，在本实施例中，为了更好观察3db带宽的变化情况，将光信号从1552.33nm开始，每间隔0.08nm逐步增加，输入光信号后观察装置输出的谱线图，图4为中心频率为10ghz到60ghz的信号输出谱线。

3db带宽最小时，phi1＝0.5，phi2＝0.388时，3db带宽为5.2625ghz，

在中心频率为10ghz时，phi1＝0.8，phi2＝0.816时，3db带宽为15.01ghz，此时3db带宽可调节范围为9.7475ghz，如图4中(a)所示；

在中心频率为20ghz时，phi1＝0.9，phi2＝0.935时，3db带宽为23.25ghz，此时3db带宽可调节范围为17.9875ghz，如图4中(b)所示；

在中心频率为30ghz时，phi1＝1，phi2＝1.056时，3db带宽为33.4625ghz，此时3db带宽可调节范围为28.2ghz，如图4中(c)所示；

在中心频率为40ghz时，phi1＝1.2，phi2＝1.268时，3db带宽为42.125ghz，此时3db带宽可调节范围为36.8625ghz，如图4中(d)所示；

在中心频率为50ghz时，phi1＝1.4，phi2＝1.26时，3db带宽为45.712ghz，此时3db带宽可调节范围为40.4495ghz，如图4中(e)所示；

在中心频率为60ghz时，phi1＝2，phi2＝1.81时，3db带宽为58.4125ghz，此时3db带宽可调节范围为53.15ghz，如图4中(f)所示。

上述实施例利用单边带调制将射频信号加载至光载波上，并将光载波固定在微环2谐振峰的左侧边缘平坦处，由于微环2带宽可调谐，最终可以实现带宽大范围可调谐的微波光子滤波器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步说明。应理解的是，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围内。