阅读说明：本技术 一种基于硅基波导光栅可调谐波分复用系统的无中断调控方法 (uninterrupted regulation and control method based on silicon-based waveguide grating tunable wavelength division multiplexing system ) 是由 余辉 王肖飞 江晓清 杨建义 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于硅基波导光栅可调谐波分复用系统的无中断调控方法。该系统基于硅基波导光栅实现,包括多级可调谐滤波器级联,每一级可调谐滤波器由两级相同的布拉格光栅滤波器级联构成,相邻两级可调谐滤波器之间通过单模波导连接,在每级可调谐滤波器中第一级布拉格光栅滤波器、第二级布拉格光栅滤波器及第二弯曲波导上均分别覆盖有金属电极；通过调控金属电极的电压既可以调控每级可调谐滤波器的下载通道的通断。本发明的调控方法当调节任意一级滤波器的工作波长时对其他级滤波器不产生影响,可以实现无中断调控。且本发明采用平面集成光波导工艺制作,一次刻蚀完成,易制作,成本低,损耗小,性能好。(The invention discloses a uninterrupted regulation and control method based on a silicon-based waveguide grating tunable wavelength division multiplexing system, which is realized based on a silicon-based waveguide grating and comprises a multistage tunable filter cascade, wherein each -stage tunable filter is formed by cascading two identical Bragg grating filters, the adjacent two stages of tunable filters are connected through a single-mode waveguide, the -stage Bragg grating filter, the second-stage Bragg grating filter and the second curved waveguide in each stage of tunable filter are respectively covered with a metal electrode, and the on-off of a download channel of each stage of tunable filter can be regulated and controlled by regulating and controlling the voltage of the metal electrode.)

一种基于硅基波导光栅可调谐波分复用系统的无中断调控 方法

技术领域

本发明涉及一种针对可调谐波分复用系统的无中断调控方法，主要涉及硅基波导光栅滤波器，特别涉及一种基于硅基波导光栅可调谐波分复用系统的无中断调控方法。

背景技术

近年来，随着集成光子学的飞速发展，硅基集成光子器件成为了一个重要的研究方向。在硅基集成光子器件领域中，硅基波导光栅器件受到了越来越多人的关注，针对硅基波导光栅的理论、形成机理、制作方法以及应用等方面的研究取得了大量的成果，结合其结构简单、易于集成、制作工艺与现有成熟的CMOS工艺兼容等特点，具有广阔的应用领域。硅基波导光栅器件是可调谐波分复用系统中的核心器件。随着通信技术的发展，可调谐波分复用系统需要稳定的各个通道，因此如何在调节各个通道的中心波长的过程中保证其他通道无间断工作成为了一个急需解决的问题。

基于硅材料本身大折射率差、低损耗、成本低、制作工艺与CMOS工艺兼容等优点，目前对于无中断可调谐波分复用系统的探索也取得了一定的成果，比如基于微环结构的可调谐波分复用系统，通过微环的热光效应来保证相邻通道的稳定，虽然也能实现各个通道的无中断，但是微环滤波器有FSR的限制，导致带宽调谐范围受限，并且微环在调节的过程中会引起相位的变化，所以在实际应用中有很多的局限性。

发明内容

如何实现结构简单、无间断工作的滤波器是无间断可调谐波分复用系统研究的重要问题。本发明的目的在于提供一种基于硅基波导光栅可调谐波分复用系统的无间断调控方法，本方法调控方式简单，可操作性强，并且使得波分复用系统具有结构简单、工艺简单、插损小以及各个通道信号无间断的优点。而且本发明基于硅基波导光栅的波分复用系统，没有FSR的限制，调谐范围大，箱型的滤波谱线会提到频谱的利用率，通过环状结构能对信号的相位变化进行调节，在调节每一级滤波器时对信号的相位不产生影响，所以针对硅基波导光栅可调谐波分复用系统提出无中断的调控方法具有很大的研究意义。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于硅基波导光栅可调谐波分复用系统的无中断调控方法，所述的可调谐波分复用系统基于硅基波导光栅实现，包括多级可调谐滤波器级联，每一级可调谐滤波器由两级相同的布拉格光栅滤波器级联构成，第一级布拉格光栅滤波器的下载端通过第一弯曲波导连接第二级布拉格光栅滤波器的输入端，第一级布拉格光栅滤波器的add端通过第二弯曲波导连接第二级布拉格光栅滤波器的直通端，第二级布拉格光栅滤波器的下载端作为可调谐滤波器的下载通道，前一级可调谐滤波器中第一级布拉格光栅滤波器的直通端通过单模波导连接后一级可调谐滤波器中第一级布拉格光栅滤波器的输入端；在第一级布拉格光栅滤波器、第二级布拉格光栅滤波器及第二弯曲波导上均分别覆盖有金属电极；

所述的无中断调控方法是通过调控一级可调谐滤波器中第一、二级布拉格光栅滤波器上金属电极的电压从而调控两级布拉格光栅滤波器的中心波长，使两级布拉格光栅滤波器的中心波长之差大于布拉格光栅滤波器的带宽，实现对该级可调谐滤波器的下载信道的关闭而不影响其他级联的可调谐滤波器，之后再调控第一、二级布拉格光栅滤波器上金属电极的电压使得两级布拉格光栅滤波器的中心波长相同，对应下载信道恢复正常工作，实现无中断调控。

所述的布拉格光栅滤波器采用光栅辅助型滤波器或采用多模波导光栅滤波器。

上述技术方案中，在弯曲波导上覆盖的金属电极，用以达到调节信号相位的目的。针对每一级可调谐滤波器，通过固定该级滤波器中的一级布拉格光栅滤波器上金属电极的电压，增加另一级布拉格光栅滤波器上金属电极的电压，由于硅材料的热效应可使得该布拉格光栅滤波器的中心波长发生移动，当两级布拉格光栅滤波器所对应的中心波长差大于单级布拉格光栅滤波器的带宽时，即可实现在整个波分复用系统中对该级滤波器相应信道的关闭，进而通过分别调节两级布拉格光栅滤波器的电压使其中心波长移动到相同位置，即调节任意一级可调谐滤波器的工作波长对其他级可调谐滤波器不会产生影响，可以实现无中断的调节。

本发明具有的有益效果是：

1)本发明光栅反射信号的分离采用布拉格光栅滤波器，容差大，插损小；

2)本发明基于硅基波导光栅滤波器，容差大，且带宽调节范围不受FSR限制，可以实现满足不同带宽需求的滤波器；

3)本发明采用两级布拉格光栅滤波器的级联方式，并在其上覆盖金属电极，可以通过对金属电极加不同的电压从而调节每个通道中心波长的位置；

4)本发明的两级布拉格光栅滤波器之间的级联方式通过弯曲波导实现，并在其中一段弯曲波导上覆盖金属电极，用于实现信号的相位调节；

5)本发明可以实现多通道波分复用系统中无中断的调控，在该信道的调控过程不影响其他信道的正常使用，大大提高了波分复用系统的灵活性。

6)本发明的制作工艺与传统的CMOS工艺兼容，一次刻蚀完成，成本低，性能好，损耗小，结构简单，制作容易，具有大规模生产的潜力。

附图说明

图1是本发明基于硅基波导光栅可调谐波分复用系统的整体结构示意图。

图2是每一级可调谐滤波器的结构示意图。

图3是采用多模波导光栅滤波器的本发明系统结构示意图；

图4是布拉格光栅滤波器的结构示意图(光栅辅助型)。

图5是本发明无中断调控过程的示意图。

图中：1、输入单模波导，2、布拉格光栅滤波器，3、金属电极，4、单模连接波导，5、输出单模波导，6、第一弯曲波导，7、第三弯曲波导，8、单模输出波导，9、第二弯曲波导，10、金属电极，11、输入端，12、第一级单模波导光栅，13、直通端，14、下载端，15、第二级单模波导光栅，16、add端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1、图2所示，本发明的波分复用器基于硅基波导光栅实现，包括多级可调谐滤波器级联，每一级可调谐滤波器由两级相同的布拉格光栅滤波器级联构成，所述的布拉格光栅滤波器可以采用光栅辅助型滤波器，也可以采用多模波导光栅滤波器；如图1、2实例中采用的为光栅辅助型滤波器，图3实例中采用的为多模波导光栅滤波器。下面以光栅辅助型滤波器为例进行详细说明。

每一级可调谐滤波器中包括两级结构完全相同的布拉格光栅滤波器(光栅辅助型滤波器)、第一弯曲波导6、第二弯曲波导9、第三弯曲波导7；每一级光栅辅助型滤波器包括输入端11、第一单模波导光栅12、直通端13、下载端14、第二单模波导光栅15、add端16，在每一级光栅辅助型滤波器中输入信号经输入端和第一单模波导光栅12，会被耦合到第二单模波导光栅15中，并从下载14输出；第一级可调谐滤波器中第一级光栅辅助型滤波器的输入端连接输入单模波导1用于输入信号，最后一级可调谐滤波器中第一级光栅辅助型滤波器的直通端连接输出单模波导5；每级可调谐滤波器中第一级布拉格光栅滤波器的下载端通过第一弯曲波导连接第二级布拉格光栅滤波器的输入端，第一级布拉格光栅滤波器的add端通过第二弯曲波导连接第二级布拉格光栅滤波器的直通端，第二级布拉格光栅滤波器的下载端通过第三弯曲波导连接单模输出波导8作为可调谐滤波器的下载通道，实现信号的下载输出，前一级可调谐滤波器中第一级布拉格光栅滤波器的直通端通过单模波导连接后一级可调谐滤波器中第一级布拉格光栅滤波器的输入端；在第一级布拉格光栅滤波器、第二级布拉格光栅滤波器及第二弯曲波导上均分别覆盖有金属电极；

本发明的工作原理如下：

本发明通过多级滤波器的级联来实现无中断的可调谐波分复用系统。每一级滤波器的中心波长都在一个范围内，通过金属电极电压的调节可以实现对中心波长在一个范围内的调节。

所述的光栅辅助型滤波器包括两个单模波导光栅，输入TE₀信号进入第一单模波导光栅，满足相位匹配条件(n₀₁+n₀₂)/2＝λ/Λ的波长会被反向耦合为TE₀信号，并从第二单模波导光栅输出。式中n₀₁为第一单模波导光栅TE₀模式有效折射率，n₀₂为第二单模波导光栅TE₀模式有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。

所述每一级滤波器包括两级光栅辅助型滤波器，当两级光栅辅助型滤波器上的金属电极电压相同时，两级光栅辅助型滤波器即工作在相同的谐振波长处；当两级光栅辅助型滤波器上的金属电极电压不同时，两级光栅辅助型滤波器工作在不同的谐振波长位置，当两级光栅辅助型滤波器的中心波长之差大于带宽时则两级光栅辅助型滤波器的传输谱线将不发生重叠，从第一级光栅辅助型滤波器下载的信号经过第二级光栅辅助型滤波器时不发生耦合，直接经第二级光栅辅助型滤波器的直通端输入至第一级光栅辅助型滤波器的add端，经过第一级光栅辅助型滤波器的耦合作用，信号会从第一级光栅辅助型滤波器的直通端输出。当对弯曲波导上的电极加电压，可以调节返回到第一级光栅辅助型滤波器的信号的相位，从而可以忽略信号相位的变化。

本发明所述的不同级滤波器工作在不同的中心波长处，如图5state1、2、3所示，图5中两级可调谐滤波器的下载通道的中心波长分别位于波长λ₁、λ₂。当需要调节其中第一级可调谐滤波器的中心波长位置时，首先固定该级可调谐滤波器中第一级光栅辅助型滤波器17的电压，然后增加(或减小)另一级光栅辅助性滤波器18的所加电压，根据焦耳定律金属电极加电压后会产生热能，进而会引起温度升高，通过硅的热光效应：硅的材料折射率与温度相关，在300-600k的温度区间内有：

室温下(300K)测得的硅材料热光系数为1.8×10^-4。

硅的热光效应使得硅的折射率发生改变从而使其中心波长(根据(n₀₁+n₀₂)/2＝λ/Λ，即n₀₁、n₀₂发生变化，而Λ仅与结构相关保持不变，则波长变化)发生移动，当第一级可调谐滤波器中两级光栅辅助性滤波器的中心波长的差值大于单级光栅辅助性滤波器的带宽时，该级可调谐滤波器的下载端处于关闭状态，该级滤波器实现关闭，如图5 state 2所示。滤波器的带宽由光栅的结构所决定：

其中，L为布拉格光栅总长度，k为光栅耦合系数，Λ为光栅齿周期，λ为中心波长。(需要注意的是，一般波长的变化相对于波长的量级而言是很小的，比如波长变化十个纳米或者二十个纳米已经很大了，但是波长的值是1550纳米左右，所以这个波长的变化相比于波长本身的值来说很小，其变化对带宽的影响基本可以忽略，即滤波器的带宽仅由结构决定)

为了实现该级可调谐滤波器的中心波长的调节,此时相应的增大(或减小)第一级光栅辅助性滤波器17上所加的电压，使其与第二级光栅辅助性耦合器18上所加电压相同，从而两级光栅辅助性耦合器的谱线完全重合，如图5 state 3所示。整个调节过程中需保证λ₁和λ₂以及λ₂和λ₃的波长差大于单级光栅辅助性滤波器的带宽，这样就实现了该信道无中断的调节。

本发明中的波分复用系统基于硅基波导光栅实现，其工艺制作流程均可采用标准的绝缘层上硅(SOI)材料，其中SOI材料是指由衬底Si、衬底SiO₂和顶层硅组成，顶层硅厚度可以为220nm，衬底SiO₂可以为2μm。在完成SOI片表面的清洗后，其中光刻部分的工艺采用等离子增强化学气相沉积法PECVD沉积氧化硅作为掩膜，利用深紫外曝光形成所需要的220nm波导图形。顶层硅的刻蚀采用离子束辅助自由基刻蚀ICP干法刻蚀。然后在波导层上沉积2μm左右的二氧化硅保护层。光栅辅助型滤波器的单模波导宽度分别为600nm、400nm，光栅齿的大小决定中心波长位置，例如可以采用光栅齿大小为40nm、20nm，光栅周期为312nm，占空比为0.5。