基于SOI光波导和F-P腔的可调谐光滤波器的研究

可调谐光滤波器是光通信系统、光计算机系统及光子/光电子集成回路的基础元件，可以实现波分复用解复用、光上下路、光信号无中断监控等功能。本项目研制基于SOI光波导和F-P腔的可调谐光滤波器，由输入、输出光波导、两个对称DBR、硅波导F-P谐振腔、静电梳状电极组成。器件在具有（110）晶向的SOI衬底上制作。本项目的特色在于：采用SOI光波导、F-P腔、静电梳状电极一体化的结构，利用梳状电极带动两个对称的DBR移动，通过调整F-P腔的等效腔长实现可调谐滤波功能，调谐范围宽，调谐精度高。充分利用（110）硅片的结晶学特点，通过ICP刻蚀和各向异性湿法腐蚀相结合的方法制作DBR和F-P腔。本项目研制的滤波器具备以下性能：波长调谐范围1530nm-1610nm，半高宽小于0.8nm，隔离度大于30dB。这种基于光波导的集成光子滤波器是硅基片上光互连的基本构成单元，是光子集成中的关键功能器件。

可调谐光滤波器是目前广泛应用于波分复用系统中的核心光学器件之一，它可以从一束宽带光信号中有选择性的过滤出期望频率的光信号。我们研制基于SOI衬底的集成器件，它的制作工艺与成熟的半导体工艺完全兼容，可以获得很好的集成度；采用了法布里-帕罗谐振微腔的模型进行设计和分析，这种平面光波导型的微腔结构可以为器件提供理想的FSR、FWHM、精细因子、响应时间等，既能保证出色的选频特性、较快的响应速度，又能实现一定频率范围内可调谐的效果。采取改变F-P腔腔长的方式，通过设计静电梳齿和微弹簧结构，利用静电力驱动可移动的梳齿电极，带动可动的DBR来调节F-P腔的长度，可以实现较大的波长移动范围。. 研究了基于“硅/空气隙”DBR与硅F-P腔的静电驱动的可调谐光滤波器，用大截面脊型波导的单模条件确定了脊型波导的尺寸为内脊高7um、外脊高4um、波导宽度6um，并利用光学仿真确认光被完全的限制在波导内部，而且保证光信号的单模传输；采用“λ/4”模型确定了DBR和F-P腔的尺寸，利用传输矩阵计算了器件的静态滤波特性，得到FSR=197nm，FWHM=0.016nm，要实现80nm的调谐范围要求两组DBR同时向两端移动355nm，并从不同对数的DBR的透射曲线确定了DBR的对数，可以实现99.5%以上的反射率；通过ANSYS仿真，确定了静电驱动部分模型和梳齿的尺寸，并将MEMS微弹簧应用到了固定端，增加了DBR的移动量，为实现滤波器大的调谐范围提供了良好的保证。. 选用顶层硅为<110>晶向的SOI为基体材料，采用ICP刻蚀然后再KOH水溶液腐蚀的方法得到垂直度高且表面光滑的DBR镜面。采用局部掺杂、氧化、电子束光刻、ICP刻蚀、KOH湿法腐蚀和溅射工艺完成了器件的制作，并利用透镜光纤实现了耦合。最终完成了基于SOI衬底、脊型光波导、MEMS静电驱动、F-P腔的集成化的可调谐光滤波器。器件性能如下：波长调谐范围1528.8nm-1612.3nm；半高宽小于0.78nm；隔离度大于31.2dB。. 在本基金的资助下，已发表论文10篇，其中SCI检索5篇，EI检索2篇，申请发明专利7项，其中已授权发明专利4项，培养博士研究生2名，硕士研究生4名，全面完成了项目计划书中的各项指标。