一种硅基集成多模波导滤波器及滤波方法

本发明涉及集成光子学，具体地说是一种硅基集成多模波导滤波器及滤波方法。

背景技术：

1、具有高性能的紧凑型无源硅光子器件一直是未来大规模光子集成的理想选择。近年来，由于云服务和数据中心的指数级增长，对通信系统传输能力的需求显著增加。波分复用、模分复用和偏振分复用，以进一步增加传输容量。此外，这些基于独立自由度的复用方法可以同时用于形成混合复用技术。作为最成熟的技术，波分复用或密集波分复用技术在通信系统中得到了广泛的应用。在波分复用系统中，信道的数量不仅受到激光线宽和相邻信道之间串扰的限制，而且随着信道数量的增加，成本和复杂性也会增加，因为每个信道都需要一个独立的激光源。此外，利用光的其他特性进一步提高传输能力，模分复用和偏振分复用的出现为复用技术提供了新的维度。研究人员一直致力于开发具有高性能和紧凑占地面积的先进无源硅光子器件实现在各复用技术中的多项功能。

2、目前亚波长光栅波导作为一类结构新颖的波导，自2006年被pavel cheben教授团队首先演示后，很快受到了许多研究人员的关注。光栅可以表现为衍射损耗或均匀介质，这取决于光栅周期和波长的比率。当光栅的周期远小于光的波长时，衍射效应受到抑制，结构起到均匀各向异性材料的作用。近年来，由于亚波长光栅结构的高灵活性和对折射率和模场分布的精确调制，在许多片上器件中已经提出了亚波长光栅结构。此外，亚波长光栅波导的特定色散特性的巧妙利用可以实现超宽带器件的设计。如功率分配器、交叉器、滤波器、起偏器、耦合器和模式转换器。其中利用多模亚波长光栅波导中模式色散情况实现滤波的器件尚未提出，因此设计出一种结构简单、传输效率高、制造方便、价格相对低廉的可以应用于模式、偏振和波长的硅基滤波器件将非常有意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种硅基集成多模波导滤波器及滤波方法，该滤波器能够自由实现片上高阶模式、偏振和波长滤波，该类滤波器件具有传输效率高、结构紧凑、损耗低、制造难度低、工艺容差大等优点。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

3、滤波器件包括高阶模式滤波、偏振滤波和波长滤波。其中高阶模式滤波模块包括两端条形多模波导、两个亚波长光栅波导模式转换器、两个啁啾亚波长光栅多模波导和中央均匀亚波长光栅多模波导，两端条形多模波导用于光信号的输入和输出，亚波长光栅波导模式转换器由特定数量的锥形波导和固定周期的均匀亚波长光栅波导组合而成，连接在条形多模波导和啁啾亚波长光栅多模波导之间；中央均匀亚波长光栅多模波导与两个亚波长光栅波导模式转换器通过啁啾亚波长光栅多模波导连接；偏振滤波器以及波长滤波器通过在传统2×1多模干涉耦合器中内置高阶模式滤波器来实现。

4、优选的，上述方案中，亚波长光栅波导模式转换器的数量为1～10。

5、优选的，上述方案中，所有波导的整体宽度为1～4μm。

6、优选的，上述方案中，亚波长光栅波导模式转换器中相邻锥形波导的间距为60～120nm。

7、优选的，上述方案中，所有波导的制作材料为绝缘体上硅材料。

8、优选的，上述方案中，啁啾亚波长光栅多模波导的最小周期为160-250nm，啁啾亚波长光栅多模波导的最大周期为中央均匀亚波长光栅多模波导；啁啾亚波长光栅多模波导的最小周期与模式转换器中固定周期的均匀亚波长光栅波导的周期相同。

9、采用上述硅基集成多模波导滤波器可以用来实现高阶模式滤波、偏振滤波或波长滤波，从而形成了一种新的滤波方法。

10、与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

11、1、传输效率高、损耗低。由于在输入条形多模波导和亚波长光栅多模波导之间引入多锥形波导和均匀亚波长光栅多模波导混合结构过渡，相对于现有的亚波长光栅多模波导而言，该结构可使得入射高阶模式在由输入条形多模波导向亚波长光栅多模波导区域过渡的损耗相应的降低，传输效率也将明显提高，此外在过渡区域和中央均匀亚波长光栅多模波导之间加入了相应的啁啾亚波长光栅多模波导结构用于降低过渡损耗，同时可增加器件工作带宽，进一步提高传输和耦合效率。

12、2、制造难度低、可靠性高。本发明中所采用到的波导结构，如多模波导、模式转换器、亚波长光栅区域等的特征尺寸都比较大(都在微米或亚微米量级)，这将放宽对实际光子器件制造设备特征尺寸的要求，降低制造难度，相应的器件可靠性也可以得到保证。

13、3、设计灵活、使用方便、可扩展性高。输入波导模式和输出波导模式完全一致，且可以自由根据滤波功能需求而调整波导宽度以及中央均匀亚波长光栅多模波导周期参数，同时调整模式转换器中锥形波导的数量来提高滤波效率，可扩展性明显优于现有的滤波方法。

14、4、结构紧凑、制作方便、成本低廉。本发明由于采用了高折射率差的绝缘体上硅材料，使得器件整体结构具有较高的紧凑性。硅基亚波长光栅多模波导结构材料便宜，并且与成熟的cmos加工工艺兼容，制作方便，能够实现硅基单片集成，在集成光子学领域有着巨大的发展潜力。

15、5、功能多元。不仅可应用于高阶模式滤波，同一结构同时还可以实现对偏振态的滤波功能；同时，通过将高阶模式滤波器嵌入常规2×1多模干涉耦合器中还可以实现对偏振态的分束功能以及波长滤波。

技术特征：

1.一种硅基集成多模波导滤波器，其特征是，包括依次连接的输入波导、模式转换器、啁啾亚波长光栅多模波导、中央均匀亚波长光栅多模波导、啁啾亚波长光栅多模波导、模式转换器、输出波导；所述模式转换器由若干锥形波导和固定周期的均匀亚波长光栅波导组合而成。

2.根据权利要求1所述的硅基集成多模波导滤波器，其特征是，所述输入波导和所述输出波导均为条形多模波导。

3.根据权利要求1所述的硅基集成多模波导滤波器，其特征是，所述模式转换器中锥形波导的数量为1～10。

4.根据权利要求1所述的硅基集成多模波导滤波器，其特征是，所述模式转换器中相邻锥形波导的间距为60～120nm。

5.根据权利要求1所述的硅基集成多模波导滤波器，其特征是，所有波导的整体宽度为1～4μm。

6.根据权利要求1所述的硅基集成多模波导滤波器，其特征是，所有波导的制作材料为绝缘体上硅材料。

7.根据权利要求1所述的硅基集成多模波导滤波器，其特征是，啁啾亚波长光栅多模波导的最小周期为160-250nm，啁啾亚波长光栅多模波导的最大周期为中央均匀亚波长光栅多模波导；啁啾亚波长光栅多模波导的最小周期与模式转换器中固定周期的均匀亚波长光栅波导的周期相同。

8.根据权利要求1所述的硅基集成多模波导滤波器，其特征是，还包括多模干涉耦合器，权利要求1中依次连接的各器件以内嵌的形式嵌入在所述多模干涉耦合器上。

9.根据权利要求8所述的硅基集成多模波导滤波器，其特征是，所述多模干涉耦合器为矩形多模波导。

10.一种硅基集成多模波导滤波方法，其特征是，采用权利要求1～9任一项所述的硅基集成多模波导滤波器来实现高阶模式滤波、偏振滤波或波长滤波。

技术总结本发明提供了一种硅基集成多模波导滤波器及滤波方法。该滤波器包括高阶模式滤波、偏振滤波和波长滤波。其中高阶模式滤波包括两端的条形多模波导、两个模式转换器、两个啁啾亚波长光栅多模波导以及中央均匀亚波长光栅多模波导，两端的条形多模波导用于光信号的输入和输出，模式转换器由特定数量的锥形波导和固定周期的均匀亚波长光栅波导组合而成，连接在条形多模波导和啁啾亚波长光栅多模波导之间；中央均匀亚波长光栅多模波导与两个模式转换器之间通过啁啾亚波长光栅多模波导连接；偏振滤波以及波长滤波通过在多模干涉耦合器中内置高阶模式滤波器来实现。该类滤波器件具有传输效率高、结构紧凑、损耗低、制造难度低、价格相对低廉等优点。技术研发人员：吴胜保,张磊,顾晓菲受保护的技术使用者：河北大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5