袁玉霞, 杨 瑞

(郑州科技学院 电子与电气工程学院，河南 郑州 450064)

0 引 言

微环谐振滤波器以出色的滤波性能及紧凑的集成结构被国内外众多科学家所研究。在绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)材料上制作的微环滤波器可通过高折射率差缩小微环结构，因此，逐渐成为了集成微波学中必不可少的器件，被广泛应用在各种通信中[1]。谐振腔内的波长可利用腔长和模式折射率进行调谐[2]，将这种可调谐特点应用于集成光网络，通过选择不同的信号对波长通道完成实时调谐，比如波分网络中通过调谐对漂移进行补偿，及可调谐的广角动量器、激光器等[3～6]。

Poon A W教授[7]利用载流子注入完成了对微环滤波器的快速调谐，但引起的光损耗导致应用范围过于局限。Takayesu J教授[8]提出通过集成的电光材料对微环响应进行调谐，但方法工艺复杂，且会出现严重的光干扰，导致最后的调谐效果不是很明显。Yao J教授[9]提出了通过MEMS技术完成对微环滤波器耦合系数的调谐，但过高的驱动电压无法满足实际生活中的需求。通过对比可知，如果将Si材料当作衬底，可通过较高的热光系数获得更大范围的调谐，在调谐的整个过程不会出现光损耗，通过简单工艺制造的微电极也更容易集成，满足将来的发展趋势[10]。

本文在微纳硅波导的工艺平台上结合电子束光刻(electron beam lithography，EBL)和电感耦合等离子体(inductively coupled plasma,ICP)技术完成单环和双环的SOI基微环滤波器的制作，不仅实现了低功率下滤波器带宽的可调谐性，也实现了低功率下滤波器对谐振波长的可调谐性。

1 微环滤波器可调谐性原理分析

单环滤波器是以洛伦兹线型为滤波响应，无法产生理想的形状因子[11]，因此通常情况下将2个以上的微环通过级联的方式可改善滤波谱线和波形带宽。但级联方式不仅对耦合条件要求非常精确，而且需要精度非常高的制作工艺，实际上以现有的条件很难实现[12]，本文主要研究的是结构较简单的串联双环的滤波器，其制作工艺相对简单，更能满足未来发展中对高集成度的需求。

由2个环形谐振腔及其两端的2根直波导组成的串联双环滤波器的结构如图1所示。

图1 串联倏逝波耦合双环滤波器示意

串联双环下端直波导的直通端端口的响应可根据传输函数法和耦合模理论[13]推导求得

St=

(1)

式中tn(n=1,2,3)和kn分别为耦合区的自耦合系数和交叉耦合系数，a1、a2与θ1、θ2分别为2个环内的损耗因子及相位变化。由式(1)可看出，当2个环均发生谐振时，下载端与直通端的输出可互补，主要在带通滤波器上使用。

图1中，滤波器通过Si波导的折射率变化Δn为0.01，耦合系数也随之改变完成调谐。但倏逝波耦合结构存在SiO2介质层，导致调节范围非常局限。因此，本文提出在滤波器耦合区域中将倏逝波耦合结构用马赫—曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)结构代替，如图2所示。

图2 串联MZI耦合双环滤波器示意

MZI耦合器的耦合系数可通过传输矩阵法求得：k=4ki(1-ki)cos2(θ/2)(i=1,2)[14]，可见3 dB耦合器的耦合系数ki=0.5时，相位差θ在0～180°内变化相当于耦合系数k在0～1内变化。但这种设计会导致谐振峰发生漂移。

2 微环滤波器的设计与仿真

2.1 单模波导和耦合器的设计

采用时域有限差分法对单模波导和耦合器的光场分布进行仿真，如图3(a)所示，能量在波导尺寸为220 nm×500 nm时集中于中心，TE模的有效折射率为2.56；本文利用2×2大小的多模干涉仪(multimode interferometer，MMI)耦合器代替3 dB耦合器，图3(b)为光场分布，可看出耦合器上下端的输出光功率分别为0.88和0.87，整个耦合器的传输损耗为0.5 dB。

图3 光场分布

2.2 双环滤波器输出特性仿真分析

通过式(1)可得，如果对耦合系数k1、k2、k3及相移θ进行调节可得到不同的滤波响应和谐振波长。通过MATLAB仿真时的环形周长和直波导的有效折射率分别是：Lr=314 μm，n=2.56，波导损耗为γ=5 dB/cm，a=10[-(γ×Lr)/20]，环波导的损耗因子均为0.96，耦合系数的初始值分别为k1=0.5，k2=0.15，k3=0.5。单环和双环的输出功率响应对比如图4所示，从图中很明显能看出，双环结构获取的形状因子比单环更好且波形更平整。

图4 单环和双环的输出功率响应对比

若保持k2和k3不变，通过改变k1可得如图5(a)所示的滤波器输出端的功率响应，从图中可看出，k1为0.1～0.5时，出现了2个谐振峰，谐振随着k1的增大而变深，而阻带内的纹波随之越小。谐振在k1=0.5时最深且底部的输出波形最平坦，如果继续增大k1，谐振逐渐变浅且只有1个谐振峰。若保持k1和k3不变，改变k2得到的输出功率响应曲线如图5(b)所示，将0.15当作阈值，k2小于阈值时出现了1个谐振峰，谐振随着k2的增大逐渐变深，k2大于阈值时出现了2个谐振峰，谐振峰随着k2的继续增大逐渐分离，而阻带内的纹波随之增大。由仿真结果可得：耦合系数k2对滤波器带宽产生的影响较k1明显，而耦合系数k1对谐振深度产生的影响较明显，可通过对k1、k2的合理调节输出较平坦的波形。因此，滤波器耦合系数的大范围调谐对不同带宽和抑制比非常重要。

图5 双环谐振器直通端输出功率与耦合系数的关系

3 微环滤波器的工艺实现

以SOI为材料，通过光刻、ICP刻蚀、靶材溅射等工艺制作了微环滤波器。首先，通过光刻等工艺对金属Ti/Pt进行标记；然后，通过电子束和ICP工艺完成波导和光栅结构的制作，对波导和光栅的刻蚀深度分别为235 nm和85 nm，光栅结构的周期和占空比分别为630 nm和50 %，通过化学气相沉积法在Si上生长一层厚度为1 μm的SiO2可避免由于Si和金属直接接触产生的光损耗；最后，完成电阻氮化钽(TaN)的溅射和对金属Ti/Au的蒸发完成可调谐电极制作。

制作的倏逝波耦合结构的双环滤波器如图6(a)所示，其中，耦合间距均为160 nm，微环周长为338 μm，直波导的大小为223 nm×535 nm，误差主要包括ICP刻蚀时间的长短和电子束邻近效应。制作2×2 MZI耦合结构的双环滤波器如图6(b)所示，环周长为1 314 μm，可看出包括1个多模干涉区和4段锥形的模斑转换器。

图6 双环滤波器

4 微环滤波器测试

为了对器件的光谱响应进行测试，用光功率为10 dBm的放大自发辐射光源提供连续的输入光信号。将通过偏振器调节后的光信号耦合于扇形光栅，随后在微环中谐振后通过另一端的光栅耦合输出，最后利用型号为AQ6370D的光谱仪对输出的光信号进行测试。

4.1 倏逝波耦合结构滤波器的光谱响应

如图7所示为倏逝波耦合结构的单环滤波器在不同电极功率下的输出功率响应，从图中可得，当电极功率从2 nW逐渐增大时，谐振波长出现了大约2.5 nm的红移，相当于一个自由谱范围，然而谐振峰的峰值和带宽基本上没变化，由此可得倏逝波耦合结构的单环滤波器对耦合系数的调谐范围不是很明显，表现了其较弱的调谐能力。

图7 不同电极功率下单环滤波器的输出功率响应

对于直波导—环波导耦合区，保持k2和k3不变，通过改变k1研究不同电极功率下双环滤波器的输出功率响应，如图8(a)所示。当电极功率从0 nW逐渐增大时，滤波器的谐振深度最大超过了21 dB，谐振中心波长也随之出现了移动，从图中得大约移动了0.9 nm。2个谐振峰出现在功率为9 nW处，且纹波较小，随后抑制比随着功率的增大而增加，证明了直波导—环波导的双环滤波器对耦合系数的调谐范围不明显，说明其调谐能力较弱。对于环间波导耦合区，保持k1和k3不变，通过调节k2研究不同电极功率下双环滤波器的输出功率响应，如图8(b)所示。谐振中心波长随着电极功率的逐渐增大出现了移动，移动的距离超过了1.15 nm，这个距离大于一个FSR，谐振分离现象发生在99 mW处。当电极功率为0～55 mW时，谐振波长出现的移动较为明显，这是由调谐时产生的附加相位造成的，体现了其较弱的调谐能力。

图8 不同电极功率下双环滤波器直通端的输出功率响应

4.2 MZI耦合结构滤波器的光谱响应

由于倏逝波耦合结构的滤波器对带宽的调谐能力非常弱，因此提出了MZI的改进耦合结构。不同电极功率下滤波器的输出功率响应如图9所示，当电极功率范围为18～40 mW时，滤波器便实现了欠耦合到临界耦合的调谐，如果电极功率继续增大便可调谐至过耦合状态。从图中可得滤波器的自由谱为0.38 nm，中心波偏移量为0.19 nm，折射率ng为3.99。可通过对电极功率的调节进行补偿。表明提出的MZI耦合结构能实现小功率范围内对耦合系数的大范围调谐。

图9 不同功率下MZI耦合结构单环滤波器的输出功率响应

对使用MZI耦合结构的双环滤波器进行带宽及谐振中心波长的可调谐响应如图10(a),(b)所示。图10(a)中，固定微环间耦合区的MZI电极功率为31 mW时，对直通端耦合区MZI电极功率进行调节，同时适当调节微环波导上电极功率以补偿相移，当电极功率范围为21～33 mW时，滤波器的抑制比从0 dB增大到9 dB，可实现滤波器从欠耦合到临界耦合的调谐，同时滤波器的带宽也随之增加。图10(b)中，固定微环间耦合区的MZI电极功率为29 mW，调节直通端电极功率(从0调节至21 mW)的同时微调另一微环电极功率实现补偿，中心波长在直通端电极功率为21 mW时移动了1 nm，相当于一个FSR调谐。通过与倏逝波耦合结构对比可得，采用MZI耦合结构可完美实现对滤波带宽与谐振波长的调谐。

图10 双环滤波器直通端输出功率响应

5 结 论

本文基于SOI制作了单环及双环滤波器，并且对其滤波特性进行了研究，同时分析了光耦合系数对滤波器输出特性的影响，随后提出了MZI耦合器的改进结构，提出的结构可实现微环滤波器耦合系数的大范围调谐，以及对滤波带宽与谐振波长的大范围调谐。结果表明：Si波导在热光调谐下出现了明显的相移，对于单双环均可实现滤波器从欠耦合到临界耦合的调谐，且双环滤波器的中心波长在直通端电极功率是21 mW时移动了1 nm，相当于一个自由频谱宽度。本文设计的结构可应用于带宽真光延时器件的制作以及各种光通信领域。