基于边缘滤波技术的硅基片上集成型波长解析器

The integrated wavelength interrogator is the indispensible component of on-chip optical analysis systems. The interrogator based on the edge filter is one of the most valuable schemes. After considering the characteristics of the optical waveguides and related functional structures on silicon, high-Q microring resonators and Fano-resonant structures will be employed to achieve "X"-shape edge spectrum, and then the edge filter with a large slope will be designed. The scheme with two-level interrogating configuration will be adopted to realize the system with a large wavelength interrogating range. In this scheme, arrayed microrings are used to complete the fine interrogation around the whole range. The thermal tuning scheme based on the eye-like microring fano resonant structure can be also expected to do the fine interrogation. Based on CMOS compatible fabrication technology, the edge filter based wavelength interrogator will be fabricated, in which the photodetectors will also be integrated. The fabricated interrogator is expected to have the resolution smaller than 1 pm. This work will be the foundation to develop on-chip integrated optical analysis systems.

集成型波长解析器件是片上光检测系统不可或缺的组成部分。基于边缘滤波器的波长解析技术是实现高性能集成型波长解析的重要方案之一。本项目基于硅基光子技术，结合硅基集成光波导结构的特性，提出利用高Q微环谐振腔和Fano谐振结构所具有的滤波特性来构建"X"形边缘谱形，设计具有高斜率的边缘滤波器；采用两级解析结构设计具有宽波长范围的解析系统，提出利用多环方案和眼形微环嵌套Fano热调谐方案完成精解析。基于硅基CMOS兼容工艺技术，集成光电探测器，设计并研制出基于边缘滤波器的集成型波长解析器。所研制的波长解析器分辨率达到亚皮米量级。这些工作将为片上集成光子分析系统的建立打下基础。

集成型波长解析器件是片上光检测系统不可或缺的组成部分。基于边缘滤波器的波长解析技术是实现高性能集成型波长解析的重要方案。项目根据基于边缘滤波的波长解析技术原理，结合硅基集成光波导技术，研究基于高Q谐振腔的边缘滤波器结构，设计了适用于硅基片上集成的具有高解析分辨率和大波长解析范围的波长解析器方案。基于硅基CMOS 兼容工艺，研制了基于边缘滤波的波长解析器集成芯片。.为了实现高精度比率制波长解析，项目采用Fano结构设计，设计了具有斜率可调的Fano结构，并采用双Fano结构获得”X”型。项目基于硅基光子平台成功研制了高精度波长解析器，所研制的器件波长解析器分辨率达到0.8pm。由于来自模数转换器（analog-to-digital convertor，ADC）的本征噪声和PD探测器的噪声将影响器件的分辨率，本项目器件的极限分辨率为0.12pm。.为了实现大波长范围解析，项目采用两级结构。第一级是粗解析，器件的可监测波长范围由这一级粗解析决定，它在纳米数量级上粗略估算出输入光的波长，并初步估计在第二级波长解析中相应的FSR范围；第二级波长解析器可以更加精确的得到输入光的波长值。这可以使得器件同时获得高分辨和宽的波长监测。在实际器件研制中，器件采用了两个非等臂长的MZI组成，其输出谱线构成“X”型。第二级由两个微环组成，对输入光波长实现高分辨的监测。通过同时热调两个微环并结合第一级粗解析，可以在整个宽的解析范围内实现高分辨率的波长监测。实验研究表明，项目所研制的器件可以在55nm宽的波长范围内获得分辨率高达1.6pm的波长解析。.这些工作为构建片上集成光子分析系统的建立打下了基础。