一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐MZI平顶滤波器

技术领域

本发明属于聚合物信号光波导滤波器技术领域，具体涉及一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐MZI平顶滤波器。

背景技术

通信容量的爆炸式增长使得人们对于通信带宽的需求越来越大，然而基于传统电互连的互连网络在多方面遇到瓶颈。与电互连相比，信号光互连具有大带宽、低延时和低功耗的优势，也因此片上的信号光网络系统成为可能替代电互连的关键技术方案。

在用来构建信号光互连的信号光波导集成器件中，滤波器是极为重要的一类器件，可以实现不同波长信号光的复用和解复用，以及提取或抑制某个或某些波长。马赫·增德尔干涉器的输出谱线近似为正弦型，其传输效率对信号的波长偏移十分敏感，实际应用一般都采用多个MZI级联来加强输出信号光谱通带的平坦性和边缘的陡峭度，以降低对信号激光器输出波长精确性的要求，但是要想达到理想的输出特性，级联个数必须增加，这会导致器件制作复杂，会降低器件的稳定性。

微环谐振器在很小尺寸上可以实现高密度、多功能信号光子集成，是信号光子集成回路中一个很重要的功能单元。微环谐振器往往具有窄线宽滤波特性，波形呈现高斯型，因此难以实现平坦输出。目前的研究大部分是对微环谐振器的某些特性进行的，比如滤波器温度可调的特性、微环谐振器陷波特性、波长带宽可调特性，但是改善滤波器的输出信号特性的研究却鲜有报道。然而在某些应用中，如宽带信号处理或高速数据传输，平坦的频率响应可以确保信号在所有频率上的幅度和相位都是一致的，如何实现平坦型的波形输出是目前亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种聚合物/二氧化硅基单微环辅助可调谐马赫·增德尔干涉器(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)平顶滤波器。对于普通马赫·增德尔干涉器，干涉器的两个输出端口波长间隔仅与干涉臂的长度差ΔL和干涉臂的有效折射率n

微环谐振器(Microring Resonator，MRR)可以对输出信号的相位进行调整来改善其他器件的滤波或调制性能。本发明在马赫·曾德尔干涉器的一臂上耦合一个全通型微环谐振器，构成单微环辅助可调谐马赫·增德尔干涉器滤波器，结构如图1所示，上半部分为圆周长L

根据《光学学报》文章“传输矩阵法分析微环谐振器阵列传输特性”(文章编号：253-2239(2007)09-1585-8)提出的传输矩阵法，将两个多模干涉器及微环谐振器耦合干涉臂后的传输矩阵级联相乘，可得：

其中，θ

其中θ

根据论文《基于耦合模理论的微环谐振器模型研究》(余小燕.基于耦合模理论的微环谐振器模型研究[D].浙江大学，2008)中的耦合模理论，调制臂与微环之间的耦合系数θ

本发明所述的单微环辅助可调谐马赫·增德尔干涉器滤波器波导截面图如图3所示，从下至上依次由Si衬底(1)、SiO

宽谱信号光源输出的信号光耦合进入第一弯曲波导L1或第二弯曲波导L2，经过第一多模干涉器A1分成50:50的两束信号光，然后分别进入下调制臂直波导L11和第二多模干涉器A2下输入端；进入第二多模干涉器A2下输入端的信号光被分为两部分，其中85％信号光经第二多模干涉器A2上输出端进入微环谐振器(MRR 1)，未进入微环谐振器(MRR 1)的15％信号光直接通过第二多模干涉器A2下输出端输送至第二直波导L10；由于波长满足在微环谐振器(MRR 1)谐振条件(即波长的整数倍等于环一周的信号光程)的信号光可以在微环波导内不断旋转发生谐振，因此可以通过调节微环谐振器(MRR 1)各部分结构和尺寸参数，使来自第三弯曲波导L3中的信号光在微环部分形成谐振，在微环中不断旋转，这部分形成谐振的信号光不会再通过第二多模干涉器A2下输出端输出；而不满足谐振条件的信号光，同样通过第二多模干涉器A2下输出端输送至第二直波导L10。

在直波导R2正上方的聚合物上包层之上设置有第一调制电极T1，通过改变加载在第一调制电极T1上的电功率对直波导R2进行加热，利用热信号光效应改变经过直波导R2信号光波的相位，相移量用Δψ表示，实现波长可控调谐；在下调制臂直波导L11正上方的聚合物上包层之上设置有第二调制电极T2，通过改变加载在第二调制电极T2上的电功率对下调制臂直波导L11进行加热，利用热信号光效应改变经过该处信号光波的相位，相移量用Δγ表示，实现稳定的滤波输出。

所述单微环辅助可调谐马赫·增德尔干涉器滤波器的第一输入端口IN1和第二输入端口IN2均可用于输入信号光波，当马赫·增德尔干涉器的两个多模干涉器A1和A3都为3dB多模干涉器时有最佳的滤波特性。因此将输入的信号光波通过50:50的多模干涉器(Multi-mode Inferometer，MMI)分配到MZI的两个干涉臂上；第一输出端口OUT1和第二输出端口OUT2均用于输出通过50:50的多模干涉器输出的信号光波。

所述单微环辅助可调谐马赫·增德尔干涉器滤波器的聚合物芯层(3)材料为具有负热信号光系数的聚合物材料，包括SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore等，聚合物材料能够降低开关功耗；聚合物上包层(4)材料可以选择聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad等；聚合物上包层(4)的折射率低于聚合物芯层(3)的折射率；金属电极(5)的材料为金、银、铝中的一种或者多种组成的合金。

本发明所述的一种聚合物/二氧化硅基单环辅助可调谐MZI平顶滤波器的制备方法，其步骤如下：

1)在Si衬底(1)上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的SiO

2)使用真空匀胶机在SiO

3)通过紫外信号光刻、显影、后烘，将掩膜版Ⅰ上与需要制备的可调谐MZI平顶滤波器聚合物芯层(3)结构相同(聚合物芯层为正性信号光刻胶)或互补(聚合物芯层为负性信号光刻胶)的图形转移到聚合物芯层薄膜上，制备得到聚合物芯层(3)，聚合物芯层(3)的厚度为2～5μm，宽度为2～5μm；

4)使用真空匀胶机在聚合物芯层(3)上旋涂厚度为5～10μm的聚合物上包层(4)，其中聚合物芯层(3)上方的聚合物上包层(4)的厚度为2～7μm，烘烤处理后自然降温固化；聚合物芯层(3)被完全包覆在聚合物上包层(4)中；

5)在聚合物上包层(4)上蒸镀一层厚度为50～400nm的金属薄膜(5’)；

6)使用真空匀胶机在金属薄膜上旋涂一层信号光刻胶层(6’)，前烘处理后自然降温固化；

7)通过紫外信号光刻、显影、后烘，将掩膜版Ⅱ上与需要制备的与金属电极结构相同(信号光刻胶层为正性信号光刻胶)或互补(信号光刻胶层为负性信号光刻胶)的图形转移到信号光刻胶层上，显影后坚膜，自然降温；

8)用与金属对应的腐蚀液腐蚀金属电极结构之外的金属薄膜，得到金属电极(5)，最后除去金属电极上剩余的信号光刻胶层(6)；金属电极(5)位于调制臂波导(T1、T2)的正上方，金属电极中心与聚合物芯层(3)中心对齐，金属电极长度分别和调制臂波导(T1、T2)的长度相等，其宽度大于调制臂波导(T1、T2)的宽度，为20～40μm，从而制备得到本发明所述的可调谐MZI平顶滤波器。

本发明具有以下有益效果：通过在马赫增德尔干涉器一侧设置微环谐振器，能够对输入的信号光波进行相位调控，可实现平顶的透射形态输出，当微环的周长发生微小变化时，可通过调节电极使信号光的相位发生改变，实现稳定的滤波输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的微环辅助MZI平顶滤波器的基本结构图；

图2为本发明提供的微环辅助MZI平顶滤波器的整体器件示意图；

图3为本发明提供的微环辅助MZI平顶滤波器的截面示意图；

图4为本发明提供的微环辅助MZI平顶滤波器的制备工艺流程图；

图5为本发明提供的由多模干涉器构成的微环谐振器部分的结构示意图；

图6为本发明提供的多模干涉器A1、A2、A3基本结构示意图；

图7为本发明提供的微环辅助MZI平顶滤波器的信号光谱图；

图8为本发明提供的普通MZI滤波器的信号光谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明以及简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

普通马赫·增德尔干涉器(MZI)透射谱形状为“余弦形”，如图8所示，通带宽度和峰值特性并不能满足实际需求。虽然采用多级MZI级联可以提高其通带平坦性，但级联造成器件的总长度增加，将会影响器件结构的简洁性和稳定性，不利于在集成信号光学中的应用和推广。

微环谐振器由于尺寸小、性能优良，已成为集成信号光学领域的重要器件单元。为了获得特定滤波，同时降低能量传递过程中的损耗，本发明将一个基于多模干涉器(MMI)的跑道型微环谐振器与MZI的上调制臂耦合，利用微环的反馈回路引入相位调节机制，从而改善了MZI的输出波形，构成了微环辅助可调谐马赫·增德尔干涉器滤波器，其简化结构图如图1所示，整体器件结构图如图2所示；本发明所述的MZI平顶滤波器和微环谐振器等，都是以二氧化硅为衬底，以SU-8 2002为芯层，以PMMA为包层，以铝作为电极，利用其结构特点和材料的折射率差，能够有效降低信号光在传递过程中的能量损耗，同时获得需要的平坦的滤波谱线，具有3dB带宽窄、消信号光比大的优点。

实施例1：

如图3所示，本发明所述的单微环辅助可调谐马赫·增德尔干涉器滤波器，从下至上，由Si衬底(1)、SiO

本发明所述马赫·增德尔干涉器滤波器的制备如图4所示，具体步骤如下：

步骤1：通过热氧化法，在硅晶圆衬底(1)上生长一层SiO

步骤2：使用真空匀胶机在SiO2下包层(2)上旋涂SU-8 2002光刻胶，通过控制转速为720rpm，匀胶60s，形成一层3μm厚的SU-8光刻胶薄膜(3’)；然后使用热板直接在100℃下烘烤3min；

步骤3：将步骤2处理后的器件放置在365nm紫外光光刻机下进行对版光刻，设置光功率为17.8mW/cm

步骤4：使用真空匀胶机在芯片上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯与环戊酮配比为1:9的PMMA作为上包层，旋涂转速为2500rpm，旋涂时间20s,得到PMMA上包层(4)；使用热板对旋涂了PMMA的芯片进行热固化，温度和时间为120℃烘烤30min；

步骤5：使用蒸铝台在芯片上蒸镀一层厚度为100nm的铝膜(5’)；使用真空匀胶机在芯片上旋涂1.5μm厚的正性光刻胶BP212(6’)，转速为2500rpm，匀胶60s；使用热板对芯片进行加热烘烤，温度和时间为95℃，烘烤2min；

步骤6：将步骤5处理后的器件放置在365nm紫外光光刻机下，将其与掩膜版II紧密接触进行对版光刻，所用掩模版II的结构、形状与需要制备的调制电极的结构、形状相同，掩膜版II的宽度大于聚合物芯层波导，光刻时光功率17.8mW/cm

步骤7：使用紫外信号光刻机将芯片整体进行二次曝光，除去剩余的BP212，再用乙醇溶液清洗芯片，直到铝电极层(5)完全露出。铝调制电极尺寸宽21μm，位于微环谐振器部分直波导(R2)和MZI第二调制臂(L11)的正上方，从而制备得到本发明所述的微环辅助马赫·增德尔干涉器滤波器。

本发明所述的单微环辅助可调谐MZI平顶滤波器的聚合物芯层结构如图2所示，由马赫·增德尔干涉器(MZI 1)和微环谐振器(MRR 1)组成。

马赫·增德尔干涉器(MZI 1)为由第一多模干涉器A1、第三多模干涉器A3、上调制臂和下调制臂直波导L11构成的四端口结构(输入端IN 1及IN 2，输出端OUT 1及OUT2)，上调制臂由第二多模干涉器A2组成；多模干涉器A1、A2、A3均为3dB多模干涉器(结构如图6所示)，干涉区为矩形结构，带有两个输入端(Input 1及Input 2)和两个输出端(Output 1及Output 2)；多模干涉器A1和A3上、下输出端的分光比为50：50，干涉区宽度W

如图5所示，微环谐振器(MRR 1)由第二多模干涉器A2上输出端、第二弯曲波导R3、直波导R2、第一弯曲波导R1、第二多模干涉器A2上输入端组成跑道型结构。

所述微环辅助马赫·增德尔干涉滤波器中，第一～第八弯曲波导L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8均为欧拉弯曲波导，弯曲半径为1500μm；第一直波导L9和第二直波导L10长度一样，均为3.45mm；下调制臂直波导L11长度为16.1mm；微环谐振器(MRR 1)中第一弯曲波导R1和第二弯曲波导R3的波导半径为800μm，弧长分别是半径800μm圆弧的一半，直波导R2的长度L为515μm。

在直波导R2的正上方设置有第一调制电极T1，通过改变加载在第一调制电极T1上的电功率对直波导R2进行加热，利用热信号光效应改变经过该处信号光波的相位，相移量用Δψ表示，用于实现滤波带宽和中心波长的调谐，确保从L7或L8输出的信号光的光谱平顶范围在限定的中心波长1310nm的范围内，第一调制电极T1的长度700μm，宽度为21μm。

在下调制臂直波导L11的正上方设置第二调制电极T2，通过改变加载在第二调制电极T2上的电功率对下调制臂直波导L11进行加热，利用热信号光效应改变经过该处信号光波的相位，相移量用Δγ表示；由于微环谐振器的传输特性对环的周长变化很敏感(如当由于周围环境温度发生变化导致周长微变时，滤波器的中心波长将会发生偏移，输出曲线的形状也会发生畸变，中心波长发生偏移)，可通过调节第二调制电极T2，使得输出光谱形状恢复到平顶状态，即从L7或L8输出的信号光拥有稳定的滤波输出，第二调制电极T2的长度为5000μm，宽度为21μm。

通过T1和T2两个电极的共同作用能够确保从L7或L8输出的信号光在如图7所示的1310nm的中心波长上拥有稳定滤波输出的平顶光谱。

所述微环辅助马赫·增德尔干涉滤波器的微环波导与MZI波导的有效折射率n＝1.5812，微环半径R＝800μm，第一多模干涉器A1和第三多模干涉器A3的耦合系数θ1＝θ2＝0.5，微环与MZ1上调制臂之间的耦合系数θ3＝0.922，干涉臂长度分别为：L9的长度为3.45mm，L10的长度为3.45mm，L11的长度为16.1mm，为获得良好的输出谱形，不考虑多模干涉器的插入损耗和波导的本征损耗，图7为所述微环辅助马赫·增德尔干涉滤波器的传输谱。从图中可以看出，传输谱顶部平坦，边沿陡峭，形状类似于矩形，消信号光比达到13dB，FSR为0.206nm，3dB带宽为103.6pm，品质因子Q为1.265×10

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。