SOI多环级联光学谐振腔滤波器

王晓倩，马可贞，赵 宇，冯薪霖，薛晨阳，张文栋，闫树斌*

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051;2.山西大学物理电子工程学院，山西太原 030006)

近年来，随着硅光子技术与 MEMS(Microelectro-mechanical systems)技术的进步，基于SOI(Silicon-on-insulator)的光子器件有了很大的发展。基于SOI的光波导谐振腔器件具有高集成、低功耗、高灵敏等特点，广泛应用在光学通信、快速调制、集成电路、精确测量等方面［1-6］。基于硅材料与二氧化硅材料的高折射率差，谐振腔器件可将大部分光局限在硅波导中传输，有效地减少了光泄漏［7-8］。SOI器件可有效减小回音壁模式(Whispering Gallery Mode，WGM)系统中的复杂性［9-10］。高阶滤波器［11］由于其平坦的响应通带、快速的滤波滚降和带外信号的高抑制而引起了广泛的关注和研究［12-13］。运用成熟的低成本MEMS技术，SOI微环滤波器使得WGM信号处理中的芯片集成化成为可能，为电子光子集成器件的发展与制造提供了良好平台。

本文对多环级联微环谐振腔滤波器的光学传输做了理论分析，运用MEMS工艺制备了圆形十环级联谐振腔以及跑道形双环级联谐振腔滤波器。对不同类型微环谐振腔滤波器的谱线响应特性做了分析，利用多环级联谐振腔的平顶陡边特性制作了窄线宽滤波器。

2 多环耦合理论分析

多环级联谐振腔的结构如图1所示，0～N+1分别表示级联的环数，E(in)0、E(out)0分别表示光波导输入光与输出光，E(out)N+1表示通过N环耦合后直波导的输出光。E(±)nexp(iβl)表示 n环与 n+1环之间的光场，其中+、－分别表示耦合区域光的输入输出，β表示传输系数，l表示耦合区域微环长度。多环结构的传输常量B和耦合常量K可分别表示为:

图1 多环级联谐振腔Fig.1 Multiple ring cascaded resonator

其中L表示微环的周长，k表示微环腔之间的耦合系数。多环级联谐振腔耦合区域的光场特性用传输矩阵［14］可表示为:

同样，波导与微环之间的光场可表示为:

根据输入与输出光场，可以得到直通口端(Through)和下载滤波端口(Drop)的传输函数:

根据方程(4)Through端口和Drop端口的传输函数可表示为:

在理论分析的基础上，我们研究并论证了多环谐振腔谐振谱特性与级联环数N的关系，得到滤波顶端平坦，滚降垂直度较高的多环级联微环谐振腔滤波器。

3 实 验

3.1 耦合实验测试系统

微环谐振腔的测试系统如图2(a)所示。光源由New Focus可调谐激光器(TLB-6300-LN，线宽小于300 kHz)产生，其中心波长为1 550 nm，可调谐范围为1 520～1 570 nm。光源通过单模透镜光纤与光栅垂直耦合进入光波导，并与多环级联谐振腔有效耦合输出;测试系统中将两根单模透镜光纤分别固定于对应高精度三维调节架上，调节使得输入与输出光纤与光栅处于最佳耦合状态。连续扫描激光器输出光波长，通过光电探测器(New Focus:Model 1811)实时记录对应的输出光强，即可得到透射谱线。为避免温度变化引起的输出谱线漂移，准确反应多环级联微谐振腔滤波器频谱特性，测试系统中采用温控制系统，得到了稳定性良好的谐振谱。

图2 微环谐振腔滤波器测试系统。(a)系统框图;(b)系统实验图Fig.2 Measurement setup for micro-ring resonator filters.(a)System diagram.(b)Experimental installation.

测试实验系统如图2(b)所示，实验中分别通过一个红外CCD和一个光学CCD对光路及滤波器进行观测和调整。

3.2 微环谐振腔的制备

通过MEMS工艺采用SOI材料制备了微环谐振腔滤波器，通过SOI基片预处理、涂覆PMMA光刻胶、电子束光刻、显影、ICP深硅刻蚀波导芯区、湿法去胶等工艺得到光波导基本结构。随着微环谐振腔级联个数的增加，整个波导的损耗增加［15-16］，采用 PECVD法生长SiO2包层以减小光散射损耗。光波导滤波器的截面结构如图3所示，波导的宽为450 nm，高为220 nm，覆盖层与埋氧层SiO2的厚度分别为2 μm和3 μm。

图3 波导截面结构示意图Fig.3 Cross section of waveguides.

十环级联环腔滤波器的结构如图4(a)所示，其半径R=5 μm，波导与微环的耦合间距约为150 nm。跑道形双环级联微环腔的结构如图4(b)所示，其弯曲半径Rc=10 μm，直波导长Ls=10 μm。波导耦合区间的侧壁如图4(c)所示。光波导粗糙度较大是导致滤波线宽有所展宽的主要原因，经原子力显微镜测量侧壁的粗糙度约为10 nm。因此，有效提高波导表面光滑度是提高微环谐振腔的品质因数Q，获得窄线宽滤波特性的关键因素。

图4 (a)十环级联微环SEM图;(b)双环级联跑道形微环SEM图;(c)波导侧壁SEM图。Fig.4 (a)SEM of tenth-order microring.(b)SEM of double racetrack microrings.(c)SEM of the sidewall waveguide.

4 结果与讨论

对单环半径R=10 μm的微环谐振腔滤波器进行测试，响应谱线如图5所示。当激光在1 520～1 570 nm之间进行扫描时，可以得到6个谐振谱;1 550 nm附近谐振谱的－3 dB带宽为0.252 nm，自由频谱宽度(FSR)约为8.75 nm。实验中采用垂直光栅耦合，由于光栅结构对不同波段激光的耦合效率不同以及外界干扰等因素的影响，响应谱线强度有所差别。单环、双环、十环级联微环谐振腔滤波器的响应谱线如图6所示，其－3 dB带宽分别为 0.313，0.279，0.239 nm。当级联环数增加时，根据Vernier效应，响应谱线顶端的平坦度以及滚降垂直度增大，并且响应线宽变窄。弯曲半径 Rc=10 μm、直波导的长 Ls=10 μm 的跑道形双环级联微腔滤波器的归一化测试谱线如图7所示，可以获得Through端和Drop端1 534～1 557 nm之间的谐振谱，其 FSR约为6.7 nm，1 550 nm附近谐振谱的－3 dB带宽为0.256 nm。由图5和图6可得出微环级联谐振腔周长由62.8 μm 增大到 82.8 μm 时，跑道形微环谐振腔的FSR减小，弯曲损耗与散射损耗减小，－3 dB带宽变窄，更益于制作窄线宽滤波器。

图5 单环归一化谐振谱线Fig.5 Normalized drop-port transmission spectra for the 1storder ring

图6 单环、双环和十环级联微环谐振谱线。Fig.6 Normalized drop-port transmission spectra for the 1storder，2nd-orer and 10th-order ring.

图7 跑道形双环级联谐振谱线Fig.7 Normalized wavelength based on double racetrack rings

5 结 论

设计了一种基于SOI的多环级联微环谐振腔滤波器，从光学传输理论上分析了多环级联微环谐振腔的传输特性，并从实验上验证了滤波器的窄线宽响应特性。单环、双环和十环级联谐振腔滤波器响应谱线的 －3dB带宽分别为0.313，0.279，0.239 nm，说明随着级联环数的增加，滤波频带变窄，滚降垂直度增大。对跑道形双环级联滤波器进行了测试，1 550 nm附近谐振谱的－3 dB带宽为0.256 nm，较弯曲半径相同的圆环形级联谐振腔滤波器，滤波频带变窄;因此，跑道形级联谐振腔更适于制作窄线宽滤波。硅基微环谐振腔的窄线宽特性，为高速调制光电集成芯片的实现提供了可行方案。

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