一种基于x切薄膜铌酸锂平台的偏振不敏感光学滤波器

1.本发明属于光通信领域的一种光学滤波器，具体涉及一种基于x切薄膜铌酸锂平台的偏振不敏感光学滤波器。


背景技术：

2.在过去的几十年里，对高速大容量的光互连需求日益增长。其中，波分复用(wdm)技术是提高数据通信链路容量最常用的复用技术之一。wdm技术是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，再沿着单根光纤传输；在接收端将各个不同波长的光信号分开的通信技术。一般wdm技术包括通道间隔小(比如：0.8nm)的密集波分复用(dense wdm，dwdm)和通道间隔较大(比如：20nm)的稀疏波分复用(coarse wdm，cwdm)。
3.目前实际应用的波分复用-解复用器多是由分离式元件耦合而成的，具有尺寸大、难封装和成本高等缺点，远不能满足未来光通信器件的发展需求。基于平面光波导的波分复用-解复用器因其集成小型化、低能耗和低成本等特点而备受关注。铌酸锂材料具有良好的电光效应、宽透明窗口，并且近期发展成熟的薄膜铌酸锂平台突破了传统铌酸锂块体材料体积庞大、光场束缚弱的缺点，正受到越来越多的关注，基于薄膜铌酸锂的光波导器件成为未来集成光学的一大发展趋势。
4.而实际的光纤通信系统中光信号往往是随机偏振的，传统的波导滤波器结构对te和tm模式有不同的有效折射率，因此滤波器对不同偏振表现出不同的响应。这种波导结构的偏振选择性会对滤波器的性能产生影响，因此需要开发偏振不敏感光学滤波器以应用于光通信领域。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于x切薄膜铌酸锂平台的偏振不敏感光学滤波器。本发明能减小偏振选择性对光信号滤波下载的影响，具有3db带宽大、附加损耗低的优点。
6.本发明采用的技术方案是：
7.本发明包括制作成脊形的多模组合波导、弯曲渐变波导、多模波导光栅和直通波导；多模组合波导的信号输出端与多模波导光栅的输入端相连，多模波导光栅的输出端和直通波导的信号输入端相连，弯曲渐变波导耦合设置在多模组合波导旁；多模波导光栅内采用布拉格光栅结构。
8.多模组合波导由输入单模波导、演化区宽锥形波导、输出多模波导依次连接而成，输入单模波导的输入端作为多模组合波导的信号输入端，输入单模波导的输出端经演化区宽锥形波导和输出多模波导的输入端连接，输出多模波导的输出端作为多模组合波导的信号输出端；
9.弯曲渐变波导由前s形弯曲波导、演化区窄锥形波导、后s形弯曲波导依次连接而成，前s形弯曲波导一端和演化区窄锥形波导的一端连接，演化区窄锥形波导的另一端和后
s形弯曲波导的另一端连接，前s形弯曲波导另一端作为滤波信号的下载端；
10.直通波导由直通波导渐变区和直通波导输出区依次连接而成，直通波导渐变区的输入端作为直通波导的信号输入端，直通波导渐变区的输出端和直通波导输出区输入端连接，直通波导输出区的输出端作为直通波导的信号输出端；
11.多模波导光栅的输入端和多模组合波导中的输出多模波导的输出端连接，多模波导光栅的输出端和直通波导的直通波导渐变区的输入端连接。
12.多模组合波导中的演化区宽锥形波导与弯曲渐变波导中的演化区窄锥形波导相靠近布置且发生超模演化，使得演化区宽锥形波导和演化区窄锥形波导形成演化区。
13.多模组合波导中的输入单模波导、演化区渐变宽锥形波导、输出多模波导分别与弯曲渐变波导中的前s形弯曲波导、演化区窄锥形波导、后s形弯曲波导的长度一一对应相等。
14.输入单模波导、前s形弯曲波导、直通波导输出区宽度均为单模波导宽度，输出多模波导、多模波导光栅宽度均为多模波导宽度，演化区宽锥形波导宽度由单模波导渐变为多模波导，演化区窄锥形波导宽度始终为单模波导但宽度渐变减小，直通波导渐变区宽度由多模波导渐变为单模波导，单模波导同时支持te0和tm0模式。
15.多模波导光栅采用矩形锯齿结构的布拉格光栅，锯齿分布为反对称分布，反对称分布的锯齿周期满足以下公式的相位匹配条件：
16.(n
eff0
n
eff1
)/2＝λ/λ
17.其中，n
eff0
为te0/tm0模式的有效折射率，n
eff1
为te1/tm1模式的有效折射率，λ为滤波波长，λ为光栅锯齿周期。
18.多模组合波导、弯曲渐变波导、多模波导光栅和直通波导均包括掩埋氧化层衬底、薄膜铌酸锂结构层，其中薄膜铌酸锂结构层键合于掩埋氧化层衬底的上表面，薄膜铌酸锂结构层是由两个薄膜铌酸锂层层叠成脊形构成。
19.下层的薄膜铌酸锂层的宽度和掩埋氧化层衬底的宽度相一致，上层的薄膜铌酸锂层的宽度小于下层的薄膜铌酸锂层的宽度而形成脊形；通过调整上层的薄膜铌酸锂层的厚度、薄膜铌酸锂结构层的总厚度以及上层的薄膜铌酸锂层的顶面宽度，使得te模式和tm模式下有效折射率相同，进而在多模组合波导和弯曲渐变波导相邻靠近布置情况下，同时实现te1/tm1模式向te0/tm0模式转换。
20.本发明滤波器由具有矩形锯齿的双偏振多模波导光栅、双核绝热渐变锥形结构的双偏振模式(解)复用器和输出波导组成。双偏振模式(解)复用器由相邻放置的多模组合波导和弯曲渐变波导组成，双偏振模式(解)复用器的多模波导部分与双偏振多模波导光栅输入端相连，双偏振多模波导光栅的输出端和直通波导相连。
21.本发明的有益效果是：
22.本发明通过引入多模波导光栅和由多模组合波导、弯曲渐变波导构成的模式耦合器，利用模式转换的方法实现了紧凑的波导滤波结构。
23.本发明采用布拉格反射式结构，避免了铌酸锂波导上的偏振旋转，且具有灵活的波长选择性、3db带宽大、低附加损耗和超宽的自由光谱范围等优点，易于满足光通信应用需求。
24.本发明通过调节光栅周期、锯齿深度、波导厚度和波导宽度，利用铌酸锂材料各向
异性抵偿结构的偏振选择性，获得te模式和tm模式接近的有效折射率，实现了偏振不敏感的光学滤波器。
25.本发明通过优化光栅周期、锯齿深度，获得一个具有大的3db带宽、低损耗的基于薄膜铌酸锂平台的光学滤波器。
26.本发明可以用平面集成光波导工艺制作，工艺简便，成本低，性能高，损耗小，具有很大的生产化潜力。
27.综合来说，本发明获得了一个宽3db带宽、低损耗且对te模式和tm模式均有接近响应谱的偏振不敏感光学滤波器，具工艺容差大，结构简单、偏振不敏感、低损耗和大带宽等优点。
附图说明
28.图1是本发明的偏振不敏感光学滤波器的俯视图。
29.图2是本发明的偏振不敏感光学滤波器的横截面结构示意图。
30.图3是本发明的偏振不敏感光学滤波器的横截面色散计算曲线图。
31.图4是本发明的工作原理图。
32.图5是偏振不敏感光学滤波器的te模式与tm模式反射谱仿真结果图。
33.上述的附图中，附图标记含义如下：1、输入单模波导；2、演化区宽锥形波导；3、输出多模波导；4、前s形弯曲波导；5、演化区窄锥形波导；6、后s形弯曲波导；7、多模波导光栅；8、直通波导渐变区；9、直通波导输出区；a为多模组合波导；b为弯曲渐变波导；c为直通波导。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
35.如图1所示，具体实施的结构包括制作成脊形的多模组合波导a、弯曲渐变波导b、多模波导光栅7和直通波导c；多模组合波导a的信号输出端与多模波导光栅7的输入端相连，多模波导光栅7的输出端和直通波导c的信号输入端相连，多模组合波导a位于弯曲渐变波导b旁，弯曲渐变波导b耦合设置在多模组合波导a旁；多模波导光栅7内采用布拉格光栅结构。
36.滤波器具有3个可用端口：多模组合波导a的输入单模波导1为输入端，弯曲渐变波导b的前s形弯曲波导4为下载端，直通波导c的直通波导输出区9为输出端。单模波导1能同时支持te0和tm0模式。
37.本发明通过设置布拉格光栅和脊形波导同时实现了两种偏振反射，进而同时实现两种偏振模式的滤波。
38.多模组合波导a由输入单模波导1、演化区宽锥形波导2、输出多模波导3依次连接而成，输入单模波导1的输入端作为多模组合波导a的信号输入端，输入单模波导1的输出端经演化区宽锥形波导2和输出多模波导3的输入端连接，输出多模波导3的输出端作为多模组合波导a的信号输出端，进而与多模波导光栅7的输入端相连；
39.弯曲渐变波导b由前s形弯曲波导4、演化区窄锥形波导5、后s形弯曲波导6依次连接而成，前s形弯曲波导4一端和演化区窄锥形波导5的一端连接，演化区窄锥形波导5的另
一端和后s形弯曲波导6的另一端连接，前s形弯曲波导4另一端作为滤波信号的下载端；
40.直通波导c由直通波导渐变区8和直通波导输出区9依次连接而成，直通波导渐变区8的输入端作为直通波导c的信号输入端，直通波导渐变区8的输出端和直通波导输出区9输入端连接，直通波导输出区9的输出端作为直通波导c的信号输出端；多模波导光栅7的输入端和多模组合波导a中的输出多模波导3的输出端连接，多模波导光栅7的输出端和直通波导c的直通波导渐变区8的输入端连接。
41.多模组合波导a中的演化区宽锥形波导2与弯曲渐变波导b中的演化区窄锥形波导5相靠近布置且发生超模演化，使得演化区宽锥形波导2和演化区窄锥形波导5形成演化区。
42.多模组合波导a中的输入单模波导1、演化区渐变宽锥形波导2、输出多模波导3分别与弯曲渐变波导b中的前s形弯曲波导4、演化区窄锥形波导5、后s形弯曲波导6的长度一一对应相等。
43.输入单模波导1、前s形弯曲波导4、直通波导输出区9宽度均为单模波导宽度，输出多模波导3、多模波导光栅7宽度均为多模波导宽度，演化区宽锥形波导2宽度由单模波导渐变为多模波导，演化区窄锥形波导5宽度始终为单模波导但宽度渐变减小，直通波导渐变区8宽度由多模波导渐变为单模波导，单模波导同时支持te0和tm0模式。
44.多模波导光栅7采用矩形锯齿结构的布拉格光栅，锯齿分布为反对称分布，反对称分布的锯齿周期满足以下公式的相位匹配条件：
45.(n
eff0
n
eff1
)/2＝λ/λ
46.其中，n
eff0
为te0/tm0模式的有效折射率，n
eff1
为te1/tm1模式的有效折射率，λ为滤波波长，λ为光栅锯齿周期。
47.如图3所示，当单模光场从输入端输入多模组合波导a时，在演化区宽锥形波导处模斑被展宽，但由于演化区为绝热渐变，其他高阶模式不被激发；光信号进入多模波导光栅7后，符合相位匹配条件的波长被非对称光栅结构反射并且转换为一阶模，剩余波长信号低损耗通过多模波导光栅7并从直通波导c输出；被反射的一阶模信号重新进入多模组合波导a，此时由于多模组合波导a中的演化区宽锥形波导2的宽度由多模波导减小为单模波导，而与之相邻的弯曲渐变波导b中的演化区窄锥形波导5宽度渐变增加，模场发生超模演化，最终在演化区大部分反射信号被耦合进入弯曲渐变波导b；由于弯曲渐变波导b的前s形弯曲波导4仍为单模宽度，故耦合进入弯曲渐变波导b的反射信号以基模形式从下载端口输出。
48.如图2所示，多模组合波导a、弯曲渐变波导b、多模波导光栅7和直通波导c均采用相一致的铌酸锂波导结构，包括掩埋氧化层衬底10、薄膜铌酸锂结构层11，其中薄膜铌酸锂结构层11键合于掩埋氧化层衬底10的上表面，薄膜铌酸锂结构层11是由两个薄膜铌酸锂层层叠成脊形构成。
49.下层的薄膜铌酸锂层的宽度和掩埋氧化层衬底10的宽度相一致，上层的薄膜铌酸锂层的宽度小于下层的薄膜铌酸锂层的宽度而形成脊形；通过调整上层的薄膜铌酸锂层的厚度、薄膜铌酸锂结构层11的总厚度以及上层的薄膜铌酸锂层的顶面宽度，使得te模式和tm模式下有效折射率相同，如图4所示，进而在多模组合波导a和弯曲渐变波导b相邻靠近布置情况下，同时实现te1/tm1模式向te0/tm0模式转换。
50.具体实施中，两个薄膜铌酸锂结构层的厚度不同，底层的薄膜铌酸锂层的厚度为280nm，顶层的薄膜铌酸锂层的厚度为420nm。
51.在滤波器整体的材料折射率各向同性的情况下，波导结构的不对称导致te模式和tm模式在波导中的有效折射率不同，但由于铌酸锂晶体的折射率具有各向异性，本发明利用各向异性的特点通过优化调整脊形波导的截面形貌，实现te模式和tm模式具有相同有效折射率，进而实现了te模式和tm模式均能够在同一滤波器中工作滤波。
52.多模波导光栅7的波导延伸方向为铌酸锂晶体y轴方向，铌酸锂晶体的z轴方向与波导延伸方向垂直，铌酸锂晶体的折射率各向异性用于抵偿波导结构造成的双折射现象，使得两种偏振有效折射率相近，本发明巧妙利用各向异性的特点能够调整实现te模式和tm模式下有效折射率相同，进而实现偏振不敏感的光学滤波器。
53.下面说明本发明作为偏振不敏感光学滤波器的工作过程：
54.本发明的工作原理如图3所示，携带信息的各个波长(λ1…
λn)光信号从输入端输入。光波te0(tm0)模式信号经过多模组合波导和弯曲渐变波导的演化区后模斑被展宽，但不激发高阶模式，进入多模波导光栅后，满足相位匹配条件的波长被反射并转换为te1(tm1)模式，不满足相位匹配条件的波长在直通波导端输出。被反射的信号再经过多模组合波导和弯曲渐变波导的演化区被转换为te0(tm0)模式并耦合到弯曲渐变波导的前s形弯曲波导部分，在下载端输出。通过选择参数使得多模波导光栅对于te和tm的有效折射率接近，故两种偏振态的反射谱基本重叠，实现了偏振不敏感光学滤波器。通过优化光栅周期、锯齿深度、波导宽度和波导厚度，从而获得一个大带宽、低损耗的偏振不敏感滤波器。
55.本发明的具体实施例如下：
56.选用基于绝缘体上铌酸锂(lnoi)材料的薄膜铌酸锂纳米线光波导：其芯层是铌酸锂材料，ln的厚度为700nm，波导结构刻蚀深度为420nm、折射率为no＝2.21，ne＝2.14，由刻蚀制备工艺导致的波导侧壁倾角为72
°
；其下包层材料为二氧化硅(sio2)，厚度为2μm、折射率为1.44；上包层为空气。
57.模式解复用器选取演化区宽锥形波导两侧宽度分别为1μm、2μm，演化区窄锥形波导两侧宽度分别为0.6μm、0.2μm，三段的长度分别为50μm、100μm和50μm，宽窄两锥形光波导之间的间隔保持0.25μm不变，前s型波导与光波导之间的最大间隔为2μm，后s型波导与光波导之间的最大间隔为2μm。
58.对于多模组合波导，其输入单模波导、输出多模波导的宽度分别为1μm、2μm，演化区宽锥形波导宽度由输入单模波导宽度过渡到输出多模波导宽度。对于弯曲渐变波导，其前s形弯曲波导、后s形弯曲波导的宽度分别为0.6μm、0.2μm，演化区窄锥形波导的宽度由前s形弯曲波导宽度过渡到后s形波导弯曲宽度，多模组合波导和弯曲渐变波导的三部分长度一致。
59.经有限差分本征模(fde)方法对如图2所示的波导横截面进行本征模分析，其中，薄膜铌酸锂厚度为700nm，刻蚀深度为420nm，波长为1550nm，计算出的色散曲线如图4所示。
60.通过图4的计算结果，我们选择多模波导光栅的光栅总宽度为1350nm，光栅锯齿深度190nm，光栅周期410nm，周期数为300，光栅占空比为0.5。
61.对于直通波导，其直通波导输出区宽度为1μm、长度为＝50μm，直通波导渐变区宽度由多模波导光栅宽度(1350nm)过渡到直通波导输出区宽度(1μm)、长度为100μm。
62.经三维时域有限差分算法对器件的te、tm模式反射谱进行了仿真验证。图5展示了te、tm模式的反射谱仿真结果，由图可知本发明的器件对于te、tm模式均能在1550nm中心波
长获得～10nm的3db带宽和～0.05db的附加损耗，且具有平顶响应。
63.由此可见，本发明的器件可以获得一个具有一个大带宽、低损耗的偏振不敏感滤波器。
64.上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。