一种基于逆压电效应的可调制微环光通信滤波器

1.本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种基于逆压电效应的可调制微环光通信滤波器。


背景技术：

2.光通信在现代信息传输中发挥着十分重要的作用，光通信网络中的各节点通过光路进行数据交换与路由。而光通信滤波器是指在光域内实现微波滤波，是光子集成电路、微波光子系统的关键组成部分。它不需要频繁的光电转换，具有良好的可调谐性和高q值特性，且由于此类硅光器件集成度高，并与当前cmos工艺完美兼容，因此微波光通信滤波器已经在光学系统的频谱调制、波分复用以及光谱传感中取得了广泛的应用。
3.在平面集成光波导器件中，基于马赫-曾德尔干涉仪和微环谐振器的光通信滤波器已进行了相当程度的研究。高性能微波光通信滤波器主要体现在两个方面，首先要求中心频率连续可调、带宽可重构、品质因子高，并且要实现高集成度。由于现代集成器件对尺寸小型化的要求，现多采用结构更为紧凑的微环谐振器作为光通信滤波器的基本单元。传统的基于微环的光通信滤波器多通过电光效应或热光效应改变波导的有效折射率，使谐振峰平移，从而达到改变特定波长处光功率的效果，但存在功耗相对较大、相邻波长间串扰较大、调节范围相对受限的问题。


技术实现要素：

4.本发明通过提供一种基于逆压电效应的可调制微环光通信滤波器，解决现有技术中基于微环的光通信滤波器调节方式单一、调节范围受限、调节精度较低、功耗和串扰较大的问题。
5.本发明提供一种基于逆压电效应的可调制微环光通信滤波器，包括：波导、微环谐振器和电极夹层单元，所述电极夹层单元包括一个或多个电极夹层；所述波导布置于所述微环谐振器的侧边区域内，所述微环谐振器与所述波导之间发生侧向倏逝波耦合，使所述微环谐振器内产生光场谐振；所述电极夹层与所述微环谐振器紧密贴合，所述电极夹层基于逆压电效应改变所述微环谐振器的形状尺寸或所述微环谐振器的有效折射率，以调控所述微环谐振器内光场的谐振状态。
6.优选的，所述电极夹层以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器的内侧；所述电极夹层能够通过外扩的方式对所述微环谐振器的谐振光场进行调节。
7.优选的，所述电极夹层以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器的外侧；所述电极夹层能够通过内缩的方式对所述微环谐振器的谐振光场进行调节。
8.优选的，所述电极夹层包括成对设置的第一夹层组件和第二夹层组件，所述第一夹层组件以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器的内侧，所述第二夹层组件以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器的外侧；所述电极夹层能够通过挤压、外扩、内缩三种方式对所述微环谐振器的谐振光场进行调节。
9.优选的，多个所述电极夹层关于所述微环谐振器的圆心对称布置。
10.优选的，所述电极夹层包括顶电极、压电材料层和底电极，所述压电材料层位于所述顶电极和所述底电极之间。
11.优选的，所述压电材料层中的压电材料采用sc
0.2
al
0.8
n，所述顶电极和所述底电极的材料均采用au。
12.优选的，所述波导和所述微环谐振器均采用硅作为芯层材料，均采用二氧化硅作为包层材料。
13.优选的，所述倏逝波耦合为直波导耦合或弯曲波导耦合。
14.优选的，一个所述微环谐振器及其对应的电极夹层单元构成一个微环结构，微环光通信滤波器包括多个所述微环结构，多个所述微环结构构成横向阵列或纵向阵列。
15.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
16.在本发明中，包括波导、微环谐振器和电极夹层单元，电极夹层单元包括一个或多个电极夹层；波导布置于微环谐振器的侧边区域内，微环谐振器与波导之间发生侧向倏逝波耦合，使微环谐振器内产生光场谐振；电极夹层与微环谐振器紧密贴合，电极夹层基于逆压电效应改变微环谐振器的形状尺寸或微环谐振器的有效折射率，以调控微环谐振器内光场的谐振状态。即本发明通过紧贴微环谐振器布置的电极夹层，利用施加电压时电极夹层产生的形变调节微环谐振器的形状尺寸或波导的有效折射率，从而调制特定波长输出的光功率达到滤波器的目的，在增大调制范围的同时降低损耗与串扰，满足低功率需求。本发明结构简明、集成程度高且调节范围宽、调控精度高，降低了传播过程中的损耗与串扰，适用于现代片上全光通信系统和微波光子系统。
附图说明
17.图1是本发明实施例1提供的一种基于逆压电效应的可调制微环光通信滤波器的结构示意图；
18.图2是本发明实施例1中微环谐振器及其内外两侧紧密贴合的电极夹层的截面示意图；
19.图3是本发明实施例1中输入输出波导、上传下载波导与微环谐振器采用直波导耦合的结构示意图；
20.图4是本发明实施例1中输入输出波导、上传下载波导与微环谐振器采用弯曲波导耦合的结构示意图；
21.图5是多个微环结构构成横向阵列的结构示意图；
22.图6是本发明实施例1中调节微环谐振器的有效折射率的原理图；
23.图7是本发明实施例1中调节微环谐振器的形状尺寸(增加周长)的原理图；
24.图8是本发明实施例1中调节微环谐振器的形状尺寸(减小周长)的原理图；
25.图9是本发明实施例2提供的一种基于逆压电效应的可调制微环光通信滤波器的结构示意图；
26.图10是本发明实施例3提供的一种基于逆压电效应的可调制微环光通信滤波器的结构示意图。
具体实施方式
27.本发明提供一种基于逆压电效应的可调制微环光通信滤波器，包括：波导、微环谐振器和电极夹层单元，所述电极夹层单元包括一个或多个电极夹层；所述波导布置于所述微环谐振器的侧边区域内，所述微环谐振器与所述波导之间发生侧向倏逝波耦合，使所述微环谐振器内产生光场谐振；所述电极夹层与所述微环谐振器紧密贴合，所述电极夹层基于逆压电效应改变所述微环谐振器的形状尺寸或所述微环谐振器的有效折射率，以调控所述微环谐振器内光场的谐振状态。
28.其中，所述电极夹层与所述微环谐振器紧密贴合可采用以下三种方式：
29.(1)所述电极夹层以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器的内侧；所述电极夹层能够通过外扩的方式对所述微环谐振器的谐振光场进行调节。
30.(2)所述电极夹层以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器的外侧；所述电极夹层能够通过内缩的方式对所述微环谐振器的谐振光场进行调节。
31.(3)所述电极夹层包括成对设置的第一夹层组件和第二夹层组件，所述第一夹层组件以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器的内侧，所述第二夹层组件以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器的外侧；所述电极夹层能够通过挤压、外扩、内缩三种方式对所述微环谐振器的谐振光场进行调节。
32.其中，所述电极夹层包括顶电极、压电材料层和底电极，所述压电材料层位于所述顶电极和所述底电极之间。
33.所述电极夹层的长度、宽度、高度、数目、位置均可根据需要设置。所述微环谐振器的形状为圆环，圆环的半径可根据需要设置。优选的方案中，所述电极夹层单元包括多个所述电极夹层，所述电极夹层的数量越多，调节范围越大效果越好。多个所述电极夹层关于所述微环谐振器的圆心对称布置，对称布置使得所述微环谐振器形变更均匀，光场更稳定。
34.所述压电材料层中的压电材料可采用sc
0.2
al
0.8
n或其他材料，所述顶电极和所述底电极的材料可均采用au，但不限于此。
35.所述波导和所述微环谐振器采用相同的芯层材料，所述波导和所述微环谐振器采用相同的周围包层材料。例如，所述波导和所述微环谐振器均采用硅作为芯层材料，均采用二氧化硅作为包层材料，由于采用了常规的硅芯波导，没有加设其他的材料层或结构，不会带来额外的损耗与串扰，可以有效抑制相邻波长之间的串扰以及传播过程中的损耗问题。
36.其中，所述倏逝波耦合为直波导耦合或弯曲波导耦合，所述波导与所述微环谐振器之间的间距可根据需要设置。所述波导可以为单波导，该波导位于所述微环谐振器的一侧；所述波导也可以包括输入输出波导和上传下载波导，两根波导布置于所述微环谐振器相对的两侧。
37.此外，一个所述微环谐振器及其对应的电极夹层单元构成一个微环结构，微环光通信滤波器包括多个所述微环结构，多个所述微环结构构成横向阵列或纵向阵列。阵列结构能起到对单个微环结构选择作用的增强效果。
38.本发明在微环谐振器的内外两侧中的至少一侧设有搭载相变材料的电极夹层，通过对电极夹层中的压电材料施加电压，利用其逆压电特性，压电材料的体积会发生变化，从而对微环谐振器产生挤压或平移的作用，改变微环谐振器的有效折射率或者形状尺寸，改变微环内光场的谐振状态，从而调控信号的输出端口。本发明利用了逆压电效应，装置在增
大调节范围、调节精度的同时可以降低传播损耗与通信串扰。
39.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
40.实施例1：
41.参见图1，实施例1提供一种基于逆压电效应的可调制微波光通信滤波器，包括输入输出波导1、上传下载波导2、微环谐振器3和电极夹层4。所述输入输出波导1和所述上传下载波导2为平行的直线型波导，对称分布在所述微环谐振器3的两侧。所述微环谐振器3的半径为4.8um，所述输入输出波导1、所述上传下载波导2与所述微环谐振器3的最近处距离均为240nm。四对所述电极夹层4以90
°
的角间距对称分布在所述微环谐振器3上，并以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器3的内外两侧，所对圆心角为12
°
。
42.参见图2，所述输入输出波导1、所述上传下载波导2和所述微环谐振器3均选用基于硅绝缘体材料的硅纳米线，其中所述芯层材料5为硅，沉积厚度为220nm，折射率为3.474。所述输入输出波导1、所述上传下载波导2和所述微环谐振器3的周围包层材料6均选用二氧化硅。所述电极夹层4具体为三明治夹层构型，包括顶电极7、底电极8和压电材料层9。所述压电材料层9的材料选用sc
0.2
al
0.8
n，并布设在所述顶电极7和所述底电极8中间，所述顶电极7和所述底电极8的材料均选用为au，沉积厚度为40nm。所述顶电极7、所述底电极8和所述压电材料层9的宽度均为200nm。
43.实施例1提供的微环光通信滤波器共有四个端口，其中所述输入输出光波导1的两端为第一端口和第二端口，主要用于总线光信号的输入和输出；所述上传下载光波导2的两端为第三端口和第四端口，用于本地光信号的上传和下载。通过所述微环谐振器3的作用，所述输入输出波导1中满足微环谐振条件的特定信号成分经过倏逝波耦合，可以从所述上传下载波导2的同侧下载输出；所述上传下载波导2中满足谐振条件的部分本地信号经倏逝波耦合后，上传至所述输入输出波导1中输出。
44.所述电极夹层4以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器3的内外两侧，当给所述电极夹层4通电，两侧的压电材料会发生形变，对中间的所述微环谐振器3产生挤压或平移的作用。所述电极夹层4布置的位置可变，不同位置的所述电极夹层4对应着所述微环谐振器3在不同位置发生形变。所述电极夹层4布置的数目、弧形的所述电极夹层4的长度可变，所述电极夹层4的数目越多弧形长度越长，调制所述微环谐振器3发生形变的效果越显著。
45.所述微环谐振器3与所述输入输出波导1、所述上传下载波导2可采用不同的耦合结构。如图3所示，所述输入输出波导1、所述上传下载波导2与所述微环谐振器3采用直波导结构耦合10。如图4所示，所述输入输出波导1、所述上传下载波导2与所述微环谐振器3采用弯曲波导结构耦合11。
46.参见图5，微环光通信滤波器可包含多个微环结构，多个所述微环结构沿平行于波导的方向依次布置于所述输入输出波导1与所述上传下载波导2之间，构成横向阵列12。作为滤波器结构应用，横向阵列12相当于纵向阵列对于波长选择的增强效果会更优。
47.实施例1的工作过程和原理如下：
48.输出光信号中特定波长成分的光功率调控主要由所述电极夹层4实现，通过对所述电极夹层4施加不同电压改变其中的所述压电材料层9的截面形状，来改变所述微环谐振
器3的形状尺寸或波导的有效折射率。所述微环谐振器3的谐振条件为：
49.n
eff
l＝mλ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
50.式中，l为微环谐振器的实际周长，n
eff
是微环谐振器的有效折射率，m为谐振级次，λ为谐振波长。
51.通过调控所述微环谐振器3的形状尺寸即实际周长l或所述微环谐振器3的有效折射率n
eff
，进而调控所述微环谐振器3内光场的谐振状态。以使得所述微环谐振器3中满足谐振条件的光信号得以加强，而后从所述输入输出波导1的输出端或者从所述上传下载波导2的下载端输出；而不满足所述微环谐振器3谐振条件的波长成分的光功率则相对减弱，由此即可达到滤波的效果。
52.由于逆压电效应，当在所述压电材料层9两端施加电压时，压电材料会发生相应的形变，在本发明中具体表现为横向宽度的拉伸和压缩。
53.参见图1、图2、图6，当所述微环谐振器3内外两侧的所述电极夹层4都加以与所述压电材料层9内部极化方向相反的电压时，所述微环谐振器3两侧的压电材料层9同时扩张，从而使所述微环谐振器3受到压缩，所述微环谐振器3的有效折射率发生改变。
54.参见图1、图2、如图7，图2左边区域部分表示所述微环谐振器3的外侧，图2右边区域部分表示所述微环谐振器3的内侧，当所述微环谐振器3内侧的所述电极夹层4加以与所述压电材料层9内部极化方向相反的电压，所述微环谐振器3外侧的所述电极夹层4加以与所述压电材料层9内部极化方向相同的电压时，位于所述微环谐振器3内侧压电材料发生扩张，位于所述微环谐振器3外侧压电材料发生压缩，从而使所述微环谐振器3向外平移，相当于所述微环谐振器3的半径变大，所述微环谐振器3的长度(即微环谐振器的周长)增长，谐振波长成分变长。
55.参见图1、图2、图8，当所述微环谐振器3内侧的所述电极夹层4加以与材料内部极化方向相同的电压，所述微环谐振器3外侧的所述电极夹层4加以与材料内部极化方向相反的电压时，位于所述微环谐振器3内侧压电材料发生压缩，位于所述微环谐振器3外侧压电材料发生扩张，从而使微环谐振器3向内平移，相当于所述微环谐振器3的半径变小，所述微环谐振器3的周长减少，谐振波长成分变短。
56.实施例1通过调节位于微环谐振器两侧的电极夹层处于不同的形变状态，能够实现对微环波导挤压、外扩、内缩三种不同方式的调节，从而实现滤波器更大范围、更加精确的调节精度。
57.实施例2：
58.参见图9，实施例2提供一种基于逆压电效应的可调制微波光通信滤波器，与实施例1不同的是，仅在微环谐振器3的外侧设置电极夹层4。
59.实施例2中的所述电极夹层4以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器3的外侧；所述电极夹层4能够通过内缩的方式对所述微环谐振器3的谐振光场进行调节。虽然实施例2只能对微环波导实现内缩这一种方式的调节，但通过所述电极夹层4电压的大小、数量的调节也可以实现对输出波长的调整。
60.实施例3：
61.参见图10，实施例3提供一种基于逆压电效应的可调制微波光通信滤波器，与实施例1不同的是，仅在微环谐振器3的内侧设置电极夹层4。
62.实施例2中的所述电极夹层4以同心弧形段的形式紧密贴合在所述微环谐振器3的内侧；所述电极夹层4能够通过外扩的方式对所述微环谐振器3的谐振光场进行调节。虽然实施例2只能对微环波导实现外扩这一种方式的调节，但通过所述电极夹层4电压的大小、数量的调节也可以实现对输出波长的调整。
63.本发明实施例提供的一种基于逆压电效应的可调制微环光通信滤波器至少包括如下技术效果：
64.(1)本发明通过对紧密贴合微环谐振器内外两侧中至少一侧的电极夹层进行调控，可以改变微环谐振器内光场的谐振状态，在输出端口实现滤波的功能。
65.(2)采用紧贴微环谐振器内外两侧布设若干对电极夹层的结构，可以实现对微环波导挤压、外扩、内缩三种可控的调节方式，既可以实现对微环有效折射率的改变，又可以增大或减小微环的周长，进而增大了对输出波长的调控范围，也增加了调节的灵敏度。
66.(3)由于本发明的主体采用了常规的硅芯波导，没有加设其他的材料层或结构，不会带来额外的损耗与串扰，可以有效抑制相邻波长之间的串扰以及传播过程中的损耗问题。
67.(4)本发明采用微环谐振器作为光通信滤波器的基本结构单元，结构简洁、稳定性能好，且制造过程完全兼容当今cmos工艺，具有很高的集成度和拓展性。
68.最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。