突破帶寬和自由頻譜范圍限制的高性能硅光濾波器

【研究成果概述】

近日，浙江大學光電科學與工程學院戴道鋅教授研究團隊提出了一種多模亞波長光柵濾波器，基于亞波長結構的色散調(diào)控機制，對布拉格光柵的耦合系數(shù)、局域模場及等效折射率等參量進行靈活調(diào)控，實現(xiàn)了一種突破自由頻譜范圍限制、帶寬可在超大范圍靈活設計、具有高邊模抑制比的新型高性能片上集成濾波器。

該研究成果以“High-Performance Silicon Photonic Filter Using Subwavelength-Structure Multimode Waveguide Gratings”為題于2023年11月發(fā)表于光學領域權威期刊《Laser & Photonics Reviews》。

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【研究背景】

光濾波器是光通信/光互聯(lián)、光傳感/光測量等各類應用領域的核心器件，其研究受到廣泛關注。近年來，硅光濾波器以其結構緊湊、易于陣列化等突出優(yōu)點而成為研究重點。另一方面，為了滿足更多應用需求，光濾波器研究除了實現(xiàn)低損耗、高消光比、方形濾波譜等高性能之外，還要具備更大的工作波長范圍以及帶寬范圍。因此，亟需發(fā)展具有更高性能的新一代光濾波器技術。

眾所周知，光濾波器通常是基于雙光束干涉或多光束干涉原理，其工作波長范圍往往受限于其自由頻譜范圍FSR。近日，浙江大學光電科學與工程學院/極端光學技術與儀器全國重點實驗室戴道鋅教授課題組對此進行了深入研究，提出了亞波長結構多模波導光柵（MSWG）的創(chuàng)新結構（圖1）。其原理是：利用亞波長結構色散調(diào)控機制從根本上突破其FSR限制，同時利用其靈活的模場調(diào)控實現(xiàn)頻譜靈活調(diào)控，使之具有低損耗、高邊模抑制比及方形譜型等優(yōu)異性能，為突破硅光濾波器性能瓶頸提供了新路徑。

圖1 (a) 基于多模亞波長光柵（MSWG）的硅光濾波器；(b) 振幅切趾MSWG

【研究結果】

在該工作中，所研制MSWG光濾波器巧妙地利用了布拉格光柵折射率工程，使整個光柵各個位置的局域等效折射率幾乎為恒定值，從而有效地抑制了旁瓣并增加了帶寬設計靈活度。更重要的是，這種振幅切趾的亞波長光柵不僅能實現(xiàn)高邊模抑制比，還能避免正反向基模間耦合以及由此導致的FSR受限的問題（如圖2所示）。

此外，研究表明，通過調(diào)整光柵齒深，其帶寬可根據(jù)實際需要在1-200 nm超大范圍內(nèi)進行靈活設計。所研制MSWG光學濾波器測試頻譜如圖3所示，具有低損耗（~1 dB）、高邊模抑制比（>20dB）、大帶寬（~13 nm）的優(yōu)異性能，而通過級聯(lián)結構還可進一步將其邊模抑制比提升至40dB以上。

更重要的是，該光濾波器的在1450nm以上的超大波長范圍都只有一個帶通，表明其突破了FSR限制。同時，通過調(diào)整 MSWG結構參數(shù)，還可實現(xiàn)超大帶寬硅光濾波器（如圖4所示），其帶寬>160 nm，是迄今報道的片上光濾波器最大帶寬?？傮w而言，這種突破帶寬及FSR限制的硅光濾波器展示了其優(yōu)異性能和突出的擴展性，在超寬帶片上光譜儀和多通道波分復用系統(tǒng)等實際應用中都具有巨大潛力。

圖2 具有超大FSR的MSWG光濾波器光譜響應仿真結果

圖3 所研制的MSWG光濾波器光譜響應測量結果

圖4 所研制的具有超大帶寬（>160 nm）的MSWG光濾波器光譜響應測量結果

審核編輯：劉清