光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法

1.本发明涉及的是一种微波功率分配领域的技术，具体涉及一种基于一维拓扑结构的光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法。


背景技术：

2.在现有远程通信光网络及数据中心中，硅基无源光学滤波器得到了广泛的应用，其中1550nm左右的光学滤波器受到了重点研究与关注，提高光学滤波器的q值、减小传输损耗成为了当前研究的重要方向。拓扑微腔结构的光子晶体技术利用了其超小的模式体积与强烈的光-物质相互作用等特性，可以大幅提高器件滤波效率，是构建未来光传输通信网络的关键技术之一。


技术实现要素：

3.本发明针对现有基于微腔耦合的滤波器尺寸较大无法实现高度集成，而带有反射腔的光子晶体滤波器制造工艺的鲁棒性较弱的问题，提出了一种光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法，将光学拓扑结构应用到无源滤波器中，不仅实现了滤波器的高q值、高消光比(高透射率)、低模式体积等特性，还大大减小了器件尺寸，增强了器件的鲁棒性。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法，通过在soi晶圆上采用电子束光刻(ebl)和电感耦合等离子体(icp)蚀刻制备出一个直波导耦合器和一个与之平行的基于拓扑结构的一维光子晶体纳米束微腔，再通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)，在该结构的暴露顶面上沉积一层二氧化硅，然后通过向直波导耦合器的一端注入光信号，在另一端得到透射光，直波导耦合器与一维光子晶体纳米束微腔之间构成侧耦合，且在两个拓扑不同的光子晶体之间的界面上形成了纳米腔的拓扑缺陷，保证了其光子带隙内只存在一种模式，实现光学滤波。技术效果
6.本发明通过构建结构紧凑的一维拓扑结构的纳米束微腔达到较高的品质因数和消光比，与传统f-p型纳米束微腔结构相比具有很强的鲁棒性，显著降低了因工艺误差而造成的nanobeam尺寸的变化对滤波性能的影响，且使得在光子带隙中只存在te0模式。
附图说明
7.图1为本发明的三维结构示意图；
8.图2为本发明的xy视角的二维示意图；
9.图3为本发明的纳米束波导缺陷区域的xy视角的二维示意图；
10.图4为本发明的输出透射率图；
11.图5为本发明结构参数等比例改变对应的中心波长图；
12.图6为本发明结构参数等比例改变对应的模式体积图；
13.图7为本发明结构参数等比例改变对应的品质因数图；
14.图中：一维拓扑光子晶体微腔纳米束1、直波导耦合器2。
具体实施方式
15.如图1所示，本实施例涉及一种光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法，通过在soi晶圆上采用电子束光刻(ebl)和电感耦合等离子体(icp)蚀刻制备出一个直波导耦合器和一个与之平行的基于拓扑结构的一维光子晶体纳米束微腔，再通过等离子体增强化学气相沉积(pecvd)，在该结构的暴露顶面上沉积一层厚1μm的二氧化硅，然后通过向直波导耦合器的一端注入光信号，在另一端得到透射光，实现光学滤波。
16.如图2所示，所述的直波导耦合器为直波导结构，其宽度为w＝0.875a，a为拓扑结构周期。
17.如图3所示，所述的一维光子晶体纳米束微腔由若干个直线排列的微腔单元组成。
18.所述的直线排列是指：对称交错设置于中心缺陷区域两侧的大椭圆形微腔单元和小椭圆形微腔单元，该大椭圆形微腔单元和小椭圆形微腔单元的短轴长度分别为d1＝0.3a，d2＝0.2a，a为拓扑结构周期。
19.所述的两种拓扑结构的周期数均为60，纳米束波导的长度为48.4μm。
20.所述的直波导耦合器与一维光子晶体纳米束微腔之间构成侧耦合，且在两个拓扑不同的光子晶体之间的界面上形成了纳米腔的拓扑缺陷，保证了其光子带隙内只存在一种模式。
21.所述的soi晶圆包括：220纳米厚的硅和3μm厚的二氧化硅。
22.本实施例中拓扑结构的周期a＝0.4μm，对应构建的大椭圆的短轴长度为0.12μm，小椭圆的短轴长度为0.08μm；两种椭圆结构的长轴长度均为0.304μm；一维光子晶体纳米束波导的宽度为0.484μm。
23.由于拓扑结构的保护，如果拓扑结构中的椭圆的长短轴的长度、硅波导宽度与直波导宽度等参数发生微小变化，滤波器的中心频率会发生少量红移或者蓝移，模式体积会产生线性偏移，品质因数与改变比例呈三次相关偏移，器件中心仍会存在模式，器件仍能形成拓扑保护。因此，该器件容差较大，具有良好的工艺鲁棒性。
24.由于两种反对称结构的拓扑结构的zak相可以归一化为0和pi，这样在光子带隙中可以在两种拓扑结构的交界面引入“零点缺陷”以达到滤波的效果。使用一根直波导与纳米束波导耦合滤波，经过3d-fdtd仿真得到消光比～25db，q值～26000，模式体积～1.10μm3的模拟结果。
25.本实施例采用3d时域有限差分法(3d-fdtd)对所述结构的滤波过程进行仿真，结构为单个基于拓扑结构的一维光子晶体纳米束微腔的滤波器。仿真过程中光源为te0模式，在直波导的输出端口放置监测器监测输出的滤波信号，记录对应结构的传输谱。
26.直波导和纳米束波导均为硅波导，椭圆刻蚀为silica刻蚀。在进行3d-fdtd仿真时，整个器件区域的背景为silica。先使用3d-fdtd中的optimization对纳米束微腔结构进行优化，然后再加入直波导，同样使用optimization方法对直波导的宽度和两根波导的间隙进行优化，最后取最优解。
27.本实施例对于拓扑结构中椭圆长短轴、硅波导宽度与直波导宽度等参数的微小变
化不敏感，工艺鲁棒性强、容差大。在以上参数等比例微小改变的情况下，器件中心仍然存在模式，中心波长呈线性偏移。
28.如图5所示；器件模式体积呈线性偏移，如图6所示；器件品质因数随结构参数比例变化如图7所示。图5、图6、图7中的横坐标比例(ratio)的定义为：比例变化如图7所示。图5、图6、图7中的横坐标比例(ratio)的定义为：比例
29.本实施例中单个滤波器的尺寸在50
×
3μm2以下。
30.本实施例中滤波器的消光比～25db，q值～26000，模式体积～1.10μm3。
31.与现有技术相比，本方法通过引入拓扑结构的微腔，保证了光子带隙中只存在te0模式，在保证小体积、较高消光比和较高q值的情况下，工艺鲁棒性强、容差大。
32.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。


技术特征：
1.一种光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法，其特征在于，通过在soi晶圆上采用电子束光刻和电感耦合等离子体蚀刻制备出一个直波导耦合器和一个与之平行的基于拓扑结构的一维光子晶体纳米束微腔，再通过等离子体增强化学气相沉积，在该结构的暴露顶面上沉积一层二氧化硅，然后通过向直波导耦合器的一端注入光信号，在另一端得到透射光，直波导耦合器与一维光子晶体纳米束微腔之间构成侧耦合，且在两个拓扑不同的光子晶体之间的界面上形成了纳米腔的拓扑缺陷，保证了其光子带隙内只存在一种模式，实现光学滤波。2.根据权利要求1所述的光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法，其特征是，所述的直波导耦合器为直波导结构，其宽度为w＝0.875a，a为拓扑结构周期。3.根据权利要求1所述的光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法，其特征是，所述的一维光子晶体纳米束微腔由若干个直线排列的微腔单元组成；所述的直线排列是指：对称交错设置于中心缺陷区域两侧的大椭圆形微腔单元和小椭圆形微腔单元。4.根据权利要求3所述的光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法，其特征是，所述的大椭圆形微腔单元和小椭圆形微腔单元的短轴长度分别为d1＝0.3a，d2＝0.2a，a为拓扑结构周期。5.根据权利要求2或3所述的光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法，其特征是，所述的拓扑结构的周期为60，纳米束波导的长度为48.4μm。6.根据权利要求2或3所述的光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法，其特征是，所述的soi晶圆包括：220纳米厚的硅和3μm厚的二氧化硅；所述的沉积一层二氧化硅，其厚度为1μm。

技术总结
一种光子晶体纳米束微腔的硅基无源光学滤波方法，通过在SOI晶圆上采用电子束光刻和电感耦合等离子体蚀刻制备出一个直波导耦合器和一个与之平行的基于拓扑结构的一维光子晶体纳米束微腔，再通过等离子体增强化学气相沉积，在该结构的暴露顶面上沉积一层二氧化硅，然后通过向直波导耦合器的一端注入光信号，在另一端得到透射光，实现光学滤波。本发明将光学拓扑结构应用到无源滤波器中，不仅实现了滤波器的高Q值、高消光比(高透射率)、低模式体积等特性，还大大减小了器件尺寸，增强了器件的鲁棒性。件的鲁棒性。件的鲁棒性。


技术研发人员：桑锐 孙启尧 孙璐
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.08.11
技术公布日：2022/12/19