具有平頂輸出響應的窄帶Fabry－Perot濾波器的製作方法

2023-05-30 22:42:51

專利名稱：具有平頂輸出響應的窄帶Fabry－Perot濾波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及光通信技術，特別地涉及具有平頂輸出響應的窄帶法布裡-伯羅(Fabry-Perot)濾波器。
背景技術：
窄帶光學濾波器是光網絡中不可缺少的重要器件之一，而集成化的發展則是實用化追求的目標。在光通信網絡中，Fabry-Perot濾波器可用于波分多路復用系統的解復用器。濾波器在光網絡中的應用包括對信道光的區別檢測，對濾波器除了要求窄帶和陡峭帶邊以增加信道緊束密度外，還希望它具有平頂輸出響應。因為信道光是尖峰波，在實際傳輸中其波長是可能有漂移的，由於Fabry-Perot濾波器是尖峰響應的，當信道光發生波長漂移時，要想很快調諧並對準信道不是很容易。如果Fabry-Perot濾波器具有平頂輸出響應，則上述問題可以解決，因為只要信道光的尖峰落入平頂範圍內都是有效的。因此，具有平頂輸出響應的Fabry-Perot濾波器將提高對信道光檢測的快速性和準確性。
2002年5月15日提交的名稱為「Narrow-band tunable filter withmulti-cavity structure of flat-top and steep-edge frequency response」的歐洲專利申請CN1349318號中提出了一種具有平頂和陡峭帶邊響應的窄帶濾波器，該濾波器的輸入和輸出端由兩個自聚焦透鏡形成，三個平行腔結構在輸入和輸出端之間，腔的兩個壁是合適的反射膜，三個平行腔結構中兩側是介質腔，中間是空氣腔，並且空氣腔的間距是可調節的，並藉此來實現平頂輸出響應。該發明的濾波器可以克服傳統濾波器中帶寬不夠窄的缺點。但是，由於這種濾波器包含作為輸入和輸出端的兩個自聚焦透鏡和平行多腔結構，並且平行多腔中至少一個是空氣腔，因此濾波器的結構和調諧機制相對複雜，不能滿足實用化系統應用的小型化可兼容集成的需求。
2001年12月19日提交的名稱為「OPTICAL FILTER」的歐洲專利申請CA2344003號中提出了一種具有透鏡的光學濾波器，其中透鏡具有兩個輸入埠以及與兩個輸入埠光通信的兩個輸出埠，一個部分反射面與透鏡的端面光學耦合，另一個反射面與部分反射面相隔距離「d」以在兩個反射面之間形成光腔。轉換器用於改變兩個反射面之間的距離「d」。兩個輸入埠放置在離透鏡光軸不同的徑向距離，使得當分開的光束進入兩個輸入埠時，通過反射面之間的具有不同光程長度的光路。該發明的濾波器提供基本上平頂的窄帶輸出響應。顯然，該濾波器需要具有兩個輸入埠和輸出埠的特殊透鏡，並且要求分開的光束分別進入離透鏡光軸不同徑向距離的兩個輸入埠，因此這種濾波器的結構相對複雜，不能滿足實用化系統應用的小型化可兼容集成的需求。此外，兩個輸入埠離透鏡光軸的徑向距離的控制以及使用轉換器改變反射面之間的距離不是特別容易，從而只能獲得基本上平頂的輸出響應。
在文獻Electronics Letters，Volume26，Issue14，Pages1073-1074，1990中描述了一種具有平頂和陡峭帶邊響應的三反射鏡、全光纖Fabry-Perot濾波器。該器件是III型結構的，具有對稱的三個反射鏡，其中兩個外側反射鏡以及兩個半腔的長度是相同的。中間反射鏡具有反射率R0＝99.0％±0.1％，每個端鏡具有反射率R1≈89％，接近於臨界關係R0c＝4R1/(1+R1)2。兩個半腔通過同步斜坡電壓以壓電方式驅動。對於WDM應用，這種濾波器優於兩反射鏡Fabry-Perot濾波器，具有更加平頂和陡峭的帶邊，允許通道密度大於3倍的增加。但是，這種濾波器結構是複雜的，要求分別形成對稱的三個反射鏡，其中兩個外側反射鏡的反射率相同並與中間反射鏡的反射率滿足臨界關係。此外，這種濾波器的平頂響應中間處的下降比較大，大約是最大透射率的20％，因此只是基本上實現平頂。而且，這種器件不易與其他光子器件集成以實現各種複雜功能，從而不能滿足實用化系統應用的小型化可兼容集成的需求。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，該濾波器的平頂響應中間處的下降小，基本上實現平頂。而且，這種器件可與其他光子器件集成以實現各種複雜功能，從而滿足實用化系統應用的小型化可兼容集成的需求。
本發明的器件具有由p1層介質膜構成的上反射鏡、由p3層介質膜構成的下反射鏡以及由p2層介質膜構成的中間反射鏡。兩個Fabry-Perot腔分別在上反射鏡和中間反射鏡之間以及在中間反射鏡和下反射鏡之間形成。通過適當選擇三個反射鏡所包含的多層介質膜的層數，也就是確定三個反射鏡的反射率之間的特殊關係，使得兩個Fabry-Perot稍微地「過耦合」，從而輸出響應的中間出現小的下降而具有平頂特性。
眾所周知，通過提高反射鏡的反射率可以壓窄Fabry-Perot腔的帶寬以獲得好的波長選擇性，具有分布反饋作用的多層介質膜可以製作高反射率的反射鏡，並且反射鏡中包含的介質膜的層數越多，其反射率越高。本發明的器件隨著反射鏡所包含的介質膜層數的增加，帶寬依次減小。並且這些器件的三個反射鏡所包含的介質膜層數p1、p2和p3滿足一定的關係，從而增加反射鏡的介質層數目不會影響器件的平頂輸出特性。
本發明提出了三個反射鏡所包含的介質膜層數的一種特殊關係，根據本發明的濾波器器件的兩個Fabry-Perot腔都稍微「過耦合」，從而具有好的平頂輸出響應，增加各個反射鏡的介質膜層數可以獲得不同的帶寬。本發明提出的方案工藝簡單，實現容易，可靠性高，性能良好，並且器件容易與其他有源或無源光子器件集成以實現各種複雜功能。
本發明一種具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，包括一基片；一下分布式布拉格反射鏡，該下分布式布拉格反射鏡製作在基片的上面，一下Fabry-Perot腔，該下Fabry-Perot腔製作在下分布式布拉格反射鏡的上面；一中間分布式布拉格反射鏡，該中間分布式布拉格反射鏡製作在下Fabry-Perot腔的上面；一上Fabry-Perot腔，該上Fabry-Perot腔製作在中間分布式布拉格反射鏡的上面；一上分布式布拉格反射鏡，該上分布式布拉格反射鏡製作在上Fabry-Perot腔的上面；以及一減反膜，該減反膜製作在上分布式布拉格反射鏡的上面。
其中所述的基片由單晶矽材料製成。
其中所述的下分布式布拉格反射鏡包括在基片上形成多層二氧化矽層和比二氧化矽層少一層的矽層，其中首先在基片上形成一層二氧化矽層，然後其餘的矽層和二氧化矽層依次交替形成。
其中所述的下Fabry-Perot腔由矽材料製成，在下分布式布拉格反射鏡上形成。
其中所述的中間分布式布拉格反射鏡包括多層二氧化矽層和比二氧化矽層少一層的矽層，其中首先在下Fabry-Perot腔上形成一層二氧化矽層，然後其餘的矽層和二氧化矽層依次交替形成。
其中所述的上Fabry-Perot腔由矽材料製成，在中間分布式布拉格反射鏡上形成。
其中所述的上分布式布拉格反射鏡包括多層二氧化矽層和與二氧化矽層相同的矽層，其中首先在上Fabry-Perot腔上形成一層二氧化矽層，然後其餘的矽層和二氧化矽層依次交替形成。
其中所述的減反膜由氮化矽材料製成，在基片的底面上形成。
其中所述的基片的折射率為3.5，厚度為600μm。
其中所述的二氧化矽層的光學厚度是中心波長的四分之一，折射率為1.46。
其中所述的矽層的光學厚度是中心波長的四分之一，折射率為3.5。
其中所述的下Fabry-Perot腔的光學厚度是中心波長的二分之一，折射率為3.5。
其中所述的上Fabry-Perot腔的光學厚度是中心波長的二分之一，折射率為3.5。
其中所述的減反膜的光學厚度為中心波長的四分之一，折射率為1.87。
其中濾波器的輸出響應的3dB帶寬為120nm、19nm、3.3nm以及0.6nm。
其中濾波器的輸出響應是平頂響應，相對透射率的極大值為0.79，極小值為0.69，起伏度為0.1。


為進一步說明本發明濾波器的結構，下面結合實施例及附圖對本發明作詳細描述，其中圖1是本發明器件的剖視圖；圖2是本發明上反射鏡的反射率對波長的關係曲線；圖3是本發明的中間反射鏡的反射率對波長的關係曲線；圖4是本發明的下反射鏡的反射率對波長的關係曲線；圖5是本發明的簡化原理圖；
圖6是本發明的器件的輸出響應曲線。
具體實施例方式下面結合圖1說明本發明實施例的結構。
本實施例的器件包括基片10；下分布式布拉格反射鏡(DBR)20；下Fabry-Perot腔30；中間DBR40；上Fabry-Perot腔50；上DBR60以及減反膜70。下面是本實施例的濾波器的具體結構本發明一種具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其中包括一基片10，基片10由單晶矽材料製成；該基片10的折射率為3.5，厚度為600μm；一下分布式布拉格反射鏡20，該下分布式布拉格反射鏡20製作在基片10的上面；該下分布式布拉格反射鏡20包括在基片10上形成多層二氧化矽層21和比二氧化矽層21少一層的矽層22，其中首先在基片10上形成一層二氧化矽層21，然後其餘的矽層22和二氧化矽層21依次交替形成；一下Fabry-Perot腔30，該下Fabry-Perot腔30製作在下分布式布拉格反射鏡20的上面；該下Fabry-Perot腔30由矽材料製成，在下分布式布拉格反射鏡20上形成；該下Fabry-Perot腔30的光學厚度是中心波長的二分之一，折射率為3.5；一中間分布式布拉格反射鏡40，該中間分布式布拉格反射鏡40製作在下Fabry-Perot腔30的上面；該中間分布式布拉格反射鏡40包括多層二氧化矽層41和比二氧化矽層41少一層的矽層42，其中首先在下Fabry-Perot腔30上形成一層二氧化矽層41，然後其餘的矽層42和二氧化矽層41依次交替形成；一上Fabry-Perot腔50，該上Fabry-Perot腔50製作在中間分布式布拉格反射鏡40的上面；該上Fabry-Perot腔50由矽材料製成，在中間分布式布拉格反射鏡40上形成；該上Fabry-Perot腔50的光學厚度是中心波長的二分之一，折射率為3.5；一上分布式布拉格反射鏡60，該上分布式布拉格反射鏡60製作在上Fabry-Perot腔50的上面；該上分布式布拉格反射鏡60包括多層二氧化矽層61和與二氧化矽層61相同的矽層62，其中首先在上Fabry-Perot腔50上形成一層二氧化矽層61，然後其餘的矽層62和二氧化矽層61依次交替形成；以及一減反膜70，該減反膜70製作在上分布式布拉格反射鏡60的上面；該減反膜70由氮化矽材料製成，在基片10的底面上形成；該減反膜70的光學厚度為中心波長的四分之一，折射率為1.87。
其中該二氧化矽層21、41、61的光學厚度是中心波長的四分之一，折射率為1.46。
該矽層22、42、62的光學厚度是中心波長的四分之一，折射率為3.5。
該濾波器的輸出響應的3dB帶寬為120nm、19nm、3.3nm以及0.6nm。
該濾波器的輸出響應是平頂響應，相對透射率的極大值為0.79，極小值為0.69，起伏度為0.1。
圖2是本發明濾波器(m＝3，m為整數)的上反射鏡的反射率對波長的關係曲線。分層媒質的傳輸矩陣方法在本領域是眾所周知的。利用電腦程式實現傳輸矩陣方法發現在本發明中使用的由多層介質膜構成的上反射鏡的反射率雖然與波長有關，但是在很寬的波長範圍內變化緩慢。本發明濾波器具有在中心波長(1300納米)附近的輸出響應，上反射鏡的反射率在帶寬範圍內沒有太大改變。如圖2給出該器件的上反射鏡在1100nm到1600nm波長範圍內的反射率。因此，上反射鏡的反射率基本可以看作常數，在下文表示為R1。本發明的其他器件的上反射鏡的反射率在圖6的表格中列出。
圖3是本發明的濾波器(m＝3，m為整數)的中間反射鏡在1100nm到1600nm波長範圍內的反射率曲線。同樣地，利用電腦程式實現的傳輸矩陣方法發現本發明的中間反射鏡的反射率在輸出響應的帶寬範圍內也沒有很大的改變。因此，中間反射鏡的反射率基本上可以看作常數，在下文表示為R2。本發明其他器件的中間反射鏡的反射率在圖6的表格中列出。
圖4給出本發明的濾波器(m＝3，m為整數)的下反射鏡在1100nm到1600nm波長範圍內的反射率曲線。從圖4中可以看到，下反射鏡的反射率也基本上可以看作常數，在下文中表示為R3。本發明其他器件的下反射鏡的反射率在圖6的表格中給出。
圖5是本發明器件的簡化原理圖。由於本發明器件的反射鏡的反射率基本上可以看作常數，因此圖1中所示本發明器件的結構可以用圖5中所示的簡化原理圖來表示。其中兩個Fabry-Perot腔的折射率為n，厚度為h，上反射鏡的反射率為R1，中間反射鏡的反射率為R2，下反射鏡的反射率為R3。如果忽略吸收損耗，利用眾所周知的多光束幹涉方法計算得到I(t)I(i)=(1-R1)(1-R2)(1-R3)|1-R1R2e-i-R2R3e-i+R1R3e-i2|2---(1)]]>其中I(t)是透射光強度，I(i)是入射光強度，I(t)/I(i)表示相對透射率，相位因子為δ＝4πnhcosθ (2)其中θ為入射角，λ為波長，n為腔的折射率。當入射角為0°時δ＝4πnh/λ (3)根據(1)式，如果中間反射鏡的反射率R2被選擇具有臨界值RcRc=(R1+R31+R1R3)2---(4)]]>當δ＝2kπ(k是整數)時I(t)/I(i)＝1。本發明濾波器器件的R1、R2、R3和Rc在圖6的表格中給出，可以看到R1、R2和R3接近滿足(4)式的臨界關係，但中間反射鏡的反射率R2稍微低於其臨界值Rc，從而使兩個Fabry-Perot腔稍微「過耦合」，導致在輸出響應的中間出現小的下降，使得輸出響應出現平頂。假設u＝(1-R1)(1-R2)(1-R3)a＝1+R1R2+R2R3+R1R3+2(R1R22R3)1/2b＝-((R1R2)1/2+(R2R3)1/2+(R12R2R3)1/2+(R1R2R32)1/2)c＝(R1R3)1/2那麼(1)式可以改寫為
I(t)I(i)=ua+2bcos+2ccos2---(5)]]>將(5)式對δ微分並令其為零，2sinδ(b+4c·cosδ)＝0(6)當sinδ＝0時，獲得輸出響應的極小值TdipTdip=ua+2b+2c---(7)]]>當cosδ＝-b/4c時，獲得輸出響應的極大值TpeakTpeak=ua-b2/4c-2c---(8)]]>根據(7)和(δ)式，本發明濾波器器件的輸出響應的極大值和極小值在表1的表格中給出。
表1

顯然這些器件的極大值大約為0.79，極小值大約為0.69，因此器件的平頂響應的起伏度幾乎是不變的，大約為0.1。因此隨著器件反射鏡中包含的介質膜層數增加(m增大)，器件的平頂響應特性不變，而僅僅是帶寬變窄，因此根據本發明可以製作具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器。
表1是說明根據本發明的各個器件的設計參數以及輸出響應特性的表格。在表格中列出了與不同m對應的器件的R1、R2、R3以及根據(4)式計算的臨界值Rc。表1中還列出各個器件的輸出響應的極大值、極小值以及3dB帶寬。
圖6給出了使用傳輸矩陣方法而獲得的本發明器件(m＝3時)的典型輸出響應的模擬結果。從圖6可以看到器件輸出響應的起伏度大約為0.1，該值與圖6的表格中給出的值相同。m為其他值時的輸出響應曲線與圖6相似，僅僅是帶寬不同。
至此，已經詳細地說明了本發明器件的結構和原理。與現有的濾波器相比，本發明的濾波器具有兩個Fabry-Perot腔和三個由多層介質膜構成的反射鏡。在本發明中，三個反射鏡所包含的介質層數彼此相關地設置，從而三個反射鏡的反射率接近於一個臨界關係並且中間反射鏡的反射率比臨界值稍低，使得兩個Fabry-Perot腔稍微地「過耦合」，濾波器具有平頂的輸出響應。可以通過根據本發明原理增加反射鏡中所包含的介質膜數來減小濾波器的帶寬並且保持輸出響應的平頂特性。與兩個反射鏡的Fabry-Perot濾波器相比，本發明的濾波器器件更適合於WDM應用，因為它具有更加平頂和陡峭的帶邊(文獻Electronics Letters，Volume26，Issue14，Pages1073-1074，1990中描述的平頂濾波器的輸出響應的起伏度比本發明器件的大)。本發明提出的方案工藝簡單，實現容易，可靠性高，性能優越，器件容易與其他有源或無源光子器件集成以實現各種複雜功能，從而能夠滿足實用化系統應用的小型化可兼容集成的需求。
權利要求
1.一種具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，包括一基片；一下分布式布拉格反射鏡，該下分布式布拉格反射鏡製作在基片的上面，一下Fabry-Perot腔，該下Fabry-Perot腔製作在下分布式布拉格反射鏡的上面；一中間分布式布拉格反射鏡，該中間分布式布拉格反射鏡製作在下Fabry-Perot腔的上面；一上Fabry-Perot腔，該上Fabry-Perot腔製作在中間分布式布拉格反射鏡的上面；一上分布式布拉格反射鏡，該上分布式布拉格反射鏡製作在上Fabry-Perot腔的上面；以及一減反膜，該減反膜製作在上分布式布拉格反射鏡的上面。
2.根據權利要求1所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的基片由單晶矽材料製成。
3.根據權利要求1所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的下分布式布拉格反射鏡包括在基片上形成多層二氧化矽層和比二氧化矽層少一層的矽層，其中首先在基片上形成一層二氧化矽層，然後其餘的矽層和二氧化矽層依次交替形成。
4.根據權利要求1所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的下Fabry-Perot腔由矽材料製成，在下分布式布拉格反射鏡上形成。
5.根據權利要求1所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的中間分布式布拉格反射鏡包括多層二氧化矽層和比二氧化矽層少一層的矽層，其中首先在下Fabry-Perot腔上形成一層二氧化矽層，然後其餘的矽層和二氧化矽層依次交替形成。
6.根據權利要求1所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的上Fabry-Perot腔由矽材料製成，在中間分布式布拉格反射鏡上形成。
7.根據權利要求1所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的上分布式布拉格反射鏡包括多層二氧化矽層和與二氧化矽層相同的矽層，其中首先在上Fabry-Perot腔上形成一層二氧化矽層，然後其餘的矽層和二氧化矽層依次交替形成。
8.根據權利要求1所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的減反膜由氮化矽材料製成，在基片的底面上形成。
9.根據權利要求2所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的基片的折射率為3.5，厚度為600μm。
10.根據權利要求3、5和7所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的二氧化矽層的光學厚度是中心波長的四分之一，折射率為1.46。
11.根據權利要求3、5和7所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的矽層的光學厚度是中心波長的四分之一，折射率為3.5。
12.根據權利要求4所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器器件，其特徵在於，其中所述的下Fabry-Perot腔的光學厚度是中心波長的二分之一，折射率為3.5。
13.根據權利要求6所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的上Fabry-Perot腔的光學厚度是中心波長的二分之一，折射率為3.5。
14.根據權利要求8所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中所述的減反膜的光學厚度為中心波長的四分之一，折射率為1.87。
15.根據權利要求1～14所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中濾波器的輸出響應的3dB帶寬為120nm、19nm、3.3nm以及0.6nm。
16.根據權利要求1～14所述的具有平頂輸出響應的窄帶Fabry-Perot濾波器，其特徵在於，其中濾波器的輸出響應是平頂響應，相對透射率的極大值為0.79，極小值為0.69，起伏度為0.1。
全文摘要
一種具有平頂輸出響應的窄帶Fabry－Perot濾波器，包括一基片；一下分布式布拉格反射鏡，該下分布式布拉格反射鏡製作在基片的上面，一下Fabry－Perot腔，該下Fabry－Perot腔製作在下分布式布拉格反射鏡的上面；一中間分布式布拉格反射鏡，該中間分布式布拉格反射鏡製作在下Fabry－Perot腔的上面；一上Fabry－Perot腔，該上Fabry－Perot腔製作在中間分布式布拉格反射鏡的上面；一上分布式布拉格反射鏡，該上分布式布拉格反射鏡製作在上Fabry－Perot腔的上面；以及一減反膜，該減反膜製作在上分布式布拉格反射鏡的上面。
文檔編號G02B6/24GK1655478SQ20041000495
公開日2005年8月17日 申請日期2004年2月13日 優先權日2004年2月13日
發明者蔡曉, 左玉華, 王啟明 申請人:中國科學院半導體研究所