一种基于变换光学设计的高Q值微环谐振器

一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器
技术领域
1.本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器、带通滤波器及带阻滤波器。


背景技术：

2.微环谐振器由环形波导和相邻的耦合波导构成，在滤波、传感、调制等领域应用广泛因子表示单位时间内谐振腔存储能量和耗散能量的比值，是衡量谐振腔性能的一个关键指标。
3.高q值微环谐振器是制作滤波器、环形振荡器、光缓存、传感器等器件的关键元件。影响微环谐振器q值的因素有：微环谐振腔与输入/输出波导的耦合效率，耦合区波导侧壁粗糙带来的散射损耗，耦合区的模式失配损耗，环形波导的吸收损耗、弯曲损耗以及侧壁粗糙带来的散射损耗。其中，由于曝光和刻蚀工艺的固有限制，难以制作得到理想的光滑平整的侧壁，因此微环和耦合区波导的粗糙侧壁导致的散射损耗是限制q值的关键因素。
4.目前除了通过改善制备工艺降低侧壁粗糙度之外，另一个有效的方法是将波导宽度增加，尽可能将光场限制在波导内部，减少光场与侧壁的相互作用，提高微环的本征q值。将单模波导拓宽，波导将支持多模传输，输入光在耦合波导和微环内会激发高阶模，增大微环谐振腔内的传输损耗，会降低微环的q值。光场在微环波导与耦合波导的耦合区域内传输和演进过程中，由于耦合间隙的改变，会存在光场模式失配，激发波导内的高阶模和辐射模，从而引起微环谐振腔内损耗的增加和q值降低的问题。同时，激发的多个高阶模式在微环内同时谐振，对滤波等需要单模谐振的应用场景极为不利。


技术实现要素：

5.针对相关技术的缺陷，本发明的目的在于一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器，旨在解决耦合区域存在光场模式失配，激发波导内的高阶模和辐射模，从而引起微环谐振腔内损耗的增加和q值降低的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了以下的技术方案。
7.第一方面，本发明提供了一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器，包括：微环谐振腔、耦合波导、输入波导和输出波导；
8.所述微环谐振腔包括依次首尾连接的第一连接波导、第一直波导、第二连接波导、第一圆弧波导、第三连接波导、第二直波导、第四连接波导和第二圆弧波导；
9.所述耦合波导包括依次连接的第一弯曲波导、第三直波导和第二弯曲波导；
10.所述输入波导为第一锥状波导，所述输出波导为第二锥状波导；
11.所述输入波导与所述第一弯曲波导连接，所述第二弯曲波导与所述输出波导连接；所述第三直波导与所述第一直波导对应设置构成耦合区域；
12.入射光由所述第一锥状波导入射，经过所述第一弯曲波导，在所述第三直波导的区域进行耦合，所述入射光中满足谐振频率的光耦合进入所述微环谐振腔，其他入射光依
次经过所述第二弯曲波导，由所述第二锥状波导输出；
13.所述第一连接波导、所述第二连接波导、所述第三连接波导和所述第四连接波导的几何形状采用变换光学根据最佳折射率进行设计，其中，各段波导的宽度采用nw模型计算求解，用于确保所述微环谐振腔中的基模在各连接波导的弯曲处绝热传输。
14.可选的，所述nw模型对后向散射损耗进行综合分析，计算得到所述微环谐振腔的各段波导的最优解宽度，用于降低散射损耗和提高所述微环谐振器的本征q值。
15.可选的，所述耦合区域采用定向耦合方式；
16.所述定向耦合方式满足耦合波导与所述微环谐振腔中特定模式的折射率匹配。
17.可选的，所述第一锥状波导和所述第二锥状波导的截面宽度相同；
18.所述第三直波导的宽度和所述第一直波导的宽度相等。
19.可选的，所述第一连接波导、所述第二连接波导、所述第三连接波导、所述第四连接波导、所述第一直波导、所述第二直波导、所述第一圆弧波导和所述第二圆弧波导均为多模波导；
20.所述第一锥状波导和所述第二锥状波导为由单模到多模的过渡波导；所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导以及第三直波导为多模波导。
21.可选的，所述第三直波导的长度能够调节，不同的耦合长度对应不同的耦合系数。
22.可选的，所述第一连接波导、所述第二连接波导、所述第三连接波导、所述第四连接波导、所述第一直波导、所述第二直波导、所述第一圆弧波导、所述第二圆弧波导、所述第一锥状波导、所述第二锥状波导、所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导以及所述第三直波导采用条形波导、脊形波导和多层波导中的任一种形状。
23.可选的，所述第一连接波导、所述第二连接波导、所述第三连接波导、所述第四连接波导、所述第一直波导、所述第二直波导、所述第一圆弧波导、所述第二圆弧波导、所述第一锥状波导、所述第二锥状波导、所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导以及所述第三直波导采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟和砷化镓中的任一种材料。
24.第二方面，本发明还提供了一种带通滤波器，所述带通滤波器采用如第一方面中任一项所述的基于变换光学设计的高q值微环谐振器。
25.第三方面，本发明还提供了一种带阻滤波器，所述带阻滤波器采用如第一方面中任一项所述的基于变换光学设计的高q值微环谐振器。
26.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
27.1、本发明提供的一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器，通过采用变换光学在虚空间优化设计器件的边界形状，实现多模直波导与弯曲波导之间基模的绝热传输，进一步抑制多模微环波导中的光场模式损耗和模间串扰。
28.2、本发明提供的一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器，采用nw模型计算出的后向散射损耗关于波导宽度的最优解，可以进一步降低光场与波导侧壁之间散射损耗，有利于进一步提高微环谐振器的本征q值。
29.3、本发明提供一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器，整个微环谐振腔均为多模波导，由于多模波导的宽度大于基模波导的宽度，能够更好地将光场限制在波导中，降低了其对侧壁粗糙度的敏感性，减少与侧壁的相互作用从而降低光场在侧壁的散射损耗。
30.4、本发明提供的一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器，采用定向耦合方式，耦合间隙固定，光场在微环波导与耦合波导的耦合区域内传输和演进过程中模式匹配条件不变且持续满足，因此可以在基模耦合的情况下抑制高阶模的产生，降低模式失配。
31.5、本发明提供一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器，尺寸较小，结构紧凑，在与其他器件集成方面有很大优势，可用在单环或多环的带通或带阻滤波器中。
附图说明
32.图1为本发明提供的一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器的结构示意图；
33.图2为本发明提供的一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器的过渡直波导与弯曲波导示意图；
34.图3为本发明提供的nw模型；
35.图4为本发明提供的一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器的截面波导的示意图。
36.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一连接波导；2-第一直波导；3-第二连接波导；4-第一圆弧波导；5-第三连接波导；6-第二直波导；7-第四连接波导；8-第二圆弧波导；9-第一锥状波导；10-第一弯曲波导；11-第三直波导；12-第二弯曲波导；13-第二锥状波导。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.下面结合一个优选实施例，对上述实施例中涉及的内容进行说明。
39.如图1所示，本发明提供了一种基于变换光学设计的高q值微环谐振器，包括：微环谐振腔、耦合波导、输入波导和输出波导；
40.所述微环谐振腔包括依次首尾连接的第一连接波导1、第一直波导2、第二连接波导3、第一圆弧波导4、第三连接波导5、第二直波导6、第四连接波导7和第二圆弧波导8；
41.所述耦合波导包括依次连接的第一弯曲波导10、第三直波导11和第二弯曲波导12；
42.所述输入波导为第一锥状波导9，所述输出波导为第二锥状波导；
43.所述输入波导与所述第一弯曲波导10连接，所述第二弯曲波导12与所述输出波导连接；所述第三直波导11与所述第一直波导2对应设置构成耦合区域；
44.入射光由所述第一锥状波导9入射，经过所述第一弯曲波导10，在所述第三直波导11的区域进行耦合，所述入射光中满足谐振频率的光耦合进入所述微环谐振腔，其他入射光依次经过所述第二弯曲波导12，由所述第二锥状波导13输出；
45.所述第一连接波导1、所述第二连接波导3、所述第三连接波导5和所述第四连接波导7的几何形状采用变换光学根据最佳折射率进行设计，其中，各段波导的宽度采用nw模型计算求解，用于确保所述微环谐振腔中的基模在各连接波导的弯曲处绝热传输。
46.可选的，所述nw模型对后向散射损耗进行综合分析，计算得到所述微环谐振腔的各段波导的最优解宽度，用于降低散射损耗和提高所述微环谐振器的本征q值。
47.如图1所示，微环谐振腔由第一连接波导1、第一直波导2、第二连接波导3、第一圆弧波导4、第三连接波导5、第二直波导6、第四连接波导7和第二圆弧波导8依次收尾连接组成；其中，第一连接波导1、第二连接波导3、第三连接波导5和第四连接波导7作为连接直波导和圆弧波导的连接波导，连接波导的宽度和弯曲弧度，影响着光场模式在微环谐振腔中的传输。为了实现光场模式在微环谐振腔中的绝热传输，通过采用变换光学在虚空间中将波导折射率分布进行最佳优化设计后，映射到物理空间中得到的最优弯曲波导几何形状，如图2所示；微环谐振腔的各段波导均为多模波导，大部分基模光场被限制在波导内部，光场与侧壁的相互作用减弱，侧壁粗糙导致的散射损耗降低；再根据nw(n
eff-width，有效折射率-宽度)模型对各段波导的宽度进行仿真计算求解，根据得到的几何形状及宽度等数据设计得到微环谐振腔。采用nw模型对后向散射损耗进行综合分析，计算出后向散射损耗关于波导宽度的最优解，在该最优波导宽度下可以进一步降低光场与波导侧壁之间散射损耗，进一步提高微环谐振器的本征q值。
48.入射光由第一锥状波导入射，经过第一弯曲波导，在第三直波导的区域进行耦合，入射光中满足谐振频率的光耦合进入微环谐振腔；入射光在耦合波导和微环谐振腔的波导内会激发高阶模，从而增大微环谐振腔内的传输损耗，会降低微环的q值，采用本实施例提供的多模波导构成的微环谐振腔，由于多模波导宽度较大，能将绝大部分基模的光场限制在波导内部，从而减少光场与侧壁的相互作用，降低侧壁粗糙导致的散射损耗，从而实现微环谐振腔中的基模在弯曲处绝热传输，提高单模谐振的微环谐振器的本征q值。
49.本发明实施例的技术方案通过采用变换光学对微环谐振腔的连接波导的边界形状进行设计，实现多模直波导与弯曲波导之间基模的绝热传输，抑制多模微环波导中的光场模式损耗和模间串扰，如图3所示，采用nw模型对后向散射损耗进行综合分析，对微环谐振腔的各段波导的宽度进行仿真计算，进一步降低光场与波导侧壁之间散射损耗；解决了耦合区域存在光场模式失配，激发波导内的高阶模和辐射模，从而引起微环谐振腔内损耗的增加和q值降低的问题，实现了确保单模谐振，以及在微环谐振腔中基模的绝热传输，降低了光场在微环谐振腔中传播时的损耗，提高了微环谐振器的本征q值的有益效果。
50.进一步的，在上述实施例的基础上，由于微环谐振腔为对称结构，第二直波导的一侧也可设置另一耦合波导，耦合波导中的直波导与微环谐振腔的第二直波导对应设置构成耦合区域。
51.可选的，所述耦合区域采用定向耦合方式；
52.所述定向耦合方式满足耦合波导与所述微环谐振腔中特定模式的折射率匹配。
53.如图1所示，可选的，所述第一锥状波导9和所述第二锥状波导的截面宽度相同；
54.所述第三直波导11的宽度和所述第一直波导2的宽度相等。
55.耦合区域的耦合方式采用定向耦合方式，在耦合区，第三直波导11与微环谐振腔的直波导的耦合间隙是固定的，满足特定波长的基模的模式匹配条件，特定波长的光耦合进入微环谐振腔，光场能量主要局域在微环内，不满足谐振频率的光不经微环直接输出。
56.本实施例中，微环谐振腔的第一直波导宽度和耦合波导中多模直波导宽度相等，则在耦合区满足所述特定模式的折射率匹配，即可实现模式匹配。如图4所示，w1表示微环
谐振腔的第一直波导宽度和耦合波导中多模直波导的宽度，w2表示两波导的耦合间隙。示例性的，以soi为例，可以选取w1为3微米，可以选取w2为0.25微米。光场在微环谐振腔的波导与耦合波导的耦合区域内传输和演进过程中模式匹配条件不变且持续满足，因此可以在基模耦合的情况下抑制高阶模的产生，降低模式失配。
57.进一步的，第一弯曲波导10和第二弯曲波导12的长度在满足绝热传输的条件下可任意设置，但是第一弯曲波导10和第二弯曲波导12与微环谐振腔之间的间隙应足够大，避免与微环谐振腔发生耦合，同时保证第三直波导11与微环谐振器的第一直波导在耦合区可以充足耦合。
58.如图1所示，可选的，所述第一连接波导1、所述第二连接波导3、所述第三连接波导5、所述第四连接波导7、所述第一直波导2、所述第二直波导6、所述第一圆弧波导4和所述第二圆弧波导8均为多模波导；
59.所述第一锥状波导9和所述第二锥状波导为由单模到多模的过渡波导；所述第一弯曲波导10、所述第二弯曲波导12以及第三直波导11为多模波导。
60.微环谐振腔的各段波导和耦合波导均为多模波导；输入波导和输出波导为锥状波导，为由单模到多模的过渡波导。整个微环谐振腔均为多模波导，由于多模波导的宽度大于基模波导的宽度，能够更好地将光场限制在波导中，降低了其对侧壁粗糙度的敏感性，减少与侧壁的相互作用从而降低光场在侧壁的散射损耗。
61.如图1所示，可选的，所述第三直波导11的长度能够调节，不同的耦合长度对应不同的耦合系数。
62.第三直波导11的长度是可变的，因此能够通过控制耦合长度来控制耦合系数；第一弯曲波导10、第二弯曲波导12、第三直波导11和微环谐振腔的宽度以及耦合区的间隙宽度都经过严格设计，以达到对于基模的模式匹配条件。
63.可选的，所述第一连接波导、所述第二连接波导、所述第三连接波导、所述第四连接波导、所述第一直波导、所述第二直波导、所述第一圆弧波导、所述第二圆弧波导、所述第一锥状波导、所述第二锥状波导、所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导以及所述第三直波导采用条形波导、脊形波导和多层波导中的任一种形状。
64.可选的，所述第一连接波导、所述第二连接波导、所述第三连接波导、所述第四连接波导、所述第一直波导、所述第二直波导、所述第一圆弧波导、所述第二圆弧波导、所述第一锥状波导、所述第二锥状波导、所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导以及所述第三直波导采用绝缘体上硅、铌酸锂、氮化硅、磷化铟和砷化镓中的任一种材料。
65.实施例二
66.在上述实施例的基础上，本发明提供了一种带通滤波器，所述带通滤波器采用如上述实施例中任意一项所述的基于变换光学设计的高q值微环谐振器。
67.在上述实施例的基础上，本发明提供了一种带阻滤波器，所述带阻滤波器采用如上述实施例中任意一项所述的基于变换光学设计的高q值微环谐振器。
68.本发明提供的基于变换光学设计的高q值微环谐振器，尺寸较小，结构紧凑，在与其他器件集成方面有很大优势，可用在单环或多环的带通或带阻滤波器中。
69.本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。