突破带宽和自由频谱范围限制的高性能硅光滤波器

【研究成果概述】

近日，浙江大学光电科学与工程学院戴道锌教授研究团队提出了一种多模亚波长光栅滤波器，基于亚波长结构的色散调控机制，对布拉格光栅的耦合系数、局域模场及等效折射率等参量进行灵活调控，实现了一种突破自由频谱范围限制、带宽可在超大范围灵活设计、具有高边模抑制比的新型高性能片上集成滤波器。

该研究成果以“High-Performance Silicon Photonic Filter Using Subwavelength-Structure Multimode Waveguide Gratings”为题于2023年11月发表于光学领域权威期刊《Laser & Photonics Reviews》。

   

【研究背景】

光滤波器是光通信/光互联、光传感/光测量等各类应用领域的核心器件，其研究受到广泛关注。近年来，硅光滤波器以其结构紧凑、易于阵列化等突出优点而成为研究重点。另一方面，为了满足更多应用需求，光滤波器研究除了实现低损耗、高消光比、方形滤波谱等高性能之外，还要具备更大的工作波长范围以及带宽范围。因此，亟需发展具有更高性能的新一代光滤波器技术。

众所周知，光滤波器通常是基于双光束干涉或多光束干涉原理，其工作波长范围往往受限于其自由频谱范围FSR。近日，浙江大学光电科学与工程学院/极端光学技术与仪器全国重点实验室戴道锌教授课题组对此进行了深入研究，提出了亚波长结构多模波导光栅（MSWG）的创新结构（图1）。其原理是：利用亚波长结构色散调控机制从根本上突破其FSR限制，同时利用其灵活的模场调控实现频谱灵活调控，使之具有低损耗、高边模抑制比及方形谱型等优异性能，为突破硅光滤波器性能瓶颈提供了新路径。

图1 (a) 基于多模亚波长光栅（MSWG）的硅光滤波器；(b) 振幅切趾MSWG

【研究结果】

在该工作中，所研制MSWG光滤波器巧妙地利用了布拉格光栅折射率工程，使整个光栅各个位置的局域等效折射率几乎为恒定值，从而有效地抑制了旁瓣并增加了带宽设计灵活度。更重要的是，这种振幅切趾的亚波长光栅不仅能实现高边模抑制比，还能避免正反向基模间耦合以及由此导致的FSR受限的问题（如图2所示）。

此外，研究表明，通过调整光栅齿深，其带宽可根据实际需要在1-200 nm超大范围内进行灵活设计。所研制MSWG光学滤波器测试频谱如图3所示，具有低损耗（~1 dB）、高边模抑制比（>20dB）、大带宽（~13 nm）的优异性能，而通过级联结构还可进一步将其边模抑制比提升至40dB以上。

更重要的是，该光滤波器的在1450nm以上的超大波长范围都只有一个带通，表明其突破了FSR限制。同时，通过调整 MSWG结构参数，还可实现超大带宽硅光滤波器（如图4所示），其带宽>160 nm，是迄今报道的片上光滤波器最大带宽。总体而言，这种突破带宽及FSR限制的硅光滤波器展示了其优异性能和突出的扩展性，在超宽带片上光谱仪和多通道波分复用系统等实际应用中都具有巨大潜力。

图2 具有超大FSR的MSWG光滤波器光谱响应仿真结果

图3 所研制的MSWG光滤波器光谱响应测量结果

图4 所研制的具有超大带宽（>160 nm）的MSWG光滤波器光谱响应测量结果

审核编辑：刘清