摘 要

微环滤波器是光学领域一类重要的器件，它易于微型化、集成化和规模化，且具有成本低、结构紧凑、插入损耗小、品质因素高等优点，一直被广泛研究和应用。本文首先对硅基MZI（马赫曾德尔干涉仪）辅助型微环滤波器的结构进行了设计和研究。硅基MZI辅助型微环滤波器的基本结构主要由两部分组成，即将微环滤波器嵌入一个马赫曾德尔干涉仪，两者结合形成MZI辅助型微环滤波器。根据该MZI辅助型滤波器的结构特点及传输矩阵法建立数学分析模型，计算单个微环滤波器的通路传输函数以及MZI辅助型微环滤波器的通路传输函数，并讨论分析了该滤波器的传输频谱特性。MATLAB的工作平台及编译环境很友好，编译语言简单易用，对数据的处理、计算、及图形处理能力十分强大。利用MATLAB对该课题进行研究分析，通过编写程序改变各参数值（包括MZI两干涉臂差、微环周长、损耗系数等），很直观的观察到传输谱的变化及其规律。这对研究MZI辅助型微环滤波器在光纤通信中的作用有着重要意义。

关键字：微环滤波器；马赫曾德尔干涉仪；传输矩阵法

Abstract

Micro-ring filter is an important class of devices in optical field , it is easy to miniaturization, integration and scale, and has a low cost, compact, low insertion loss, quality factor advantages, has been widely studied and applied. Firstly, the silicon MZI (Mach-Zehnder Interferometer) structural aid micro-ring filter was designed and studied. The basic structure of the silicon MZI-assisted micro-ring filter consists of two parts, the micro-ring filter embedded in a Mach-Zehnder interferometer, the two combine to form MZI assisted micro-ring filter. According to the characteristics of the MZI auxiliary filter and matrix method and the discussion and analysis of the transmission spectrum characteristics of the filter transfer functions calculated and analyzed via a single channel transfer function and the micro-ring filter MZI assisted micro-ring filter. MATLAB working platform and compiler environment is very friendly and simple to use compiled languages, data processing, computing, and graphics processing power is very strong. This study was performed using MATLAB analysis, by changing the parameters programming (including Phase shift difference between the two arms, micro-ring circumference, loss coefficient, etc.), it is intuitive to observe changes in the transmission spectrum and its laws. This plays great important role in the research on the action of MZI-assisted micro-ring filter in the optical fiber communication

Key words：micro-ring；MZI；Transfer matrix method

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题背景及选题意义 1

1.2微环滤波器的发展概况 1

1.2.1国外研究发展概况 2

1.2.2国内研究发展概况 2

1.3论文研究内容 3

第2章 硅基MZI辅助型微环滤波器的理论基础 4

2.1 硅基MZI辅助型微环的制造工艺 4

2.2分析方法 5

2.3 MZI辅助型微环的结构与理论分析 6

2.3.1单微环滤波器基本结构及原理 6

2.3.2 MZI基本结构与原理 7

2.3.3 MZI辅助型微环滤波器基本结构与原理 8

第3章 传输谱特性仿真与分析 12

3.1微环的基本性质 12

3.2 微环传输损耗系数对传输谱的影响 13

3.3 微环周长对传输谱的影响 14

3.4 MZI两臂相移差对传输谱的影响 16

3.5 波导折射率对传输谱的影响 17

第4章 硅基MZI辅助型微环的优点及应用前景 19

4.1硅基MZI辅助型微环与单微环对比 19

4.2硅基MZI辅助型微环应用前景 19

第5章 总结 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1课题背景及选题意义

21世纪以来，信息技术发展的核心之一就是光电信息技术的发展，人们对信息的需求量急剧膨胀。伴随着信息技术的极速发展，仅仅依靠微电子学和传统的电子学，是不能满足当今信息发展需求的。光子有很多有优点，它的传输速率很快，能够携载大量的信息，远远胜过电子传输信息技术。因此，光电结合的器件逐渐发展，光电子技术在世界各地得到了高度重视，具有很强的应用前景^[1]。

光电通信系统需要不断地在降低生产和制作成本的基础上来改善它的工作效果，其中一个突破口就是将光波导器件体积尽可能的变小，使它容易集成，并能与其他器件一起进行规模化处理；同时现阶段和未来全光网络迫切需要能够实现多种功能的新型光波导器件。微环滤波器既能满足微型化、集成化、规模化处理的要求，又能实现多种功能，它具有微纳米量级的尺寸，且成本低、结构紧凑，插入损耗小，品质因素高等特别适合用于大规模单片紧密集成^[2]。微环滤波器在近几十年间已经成为科技工作者研究的对象，且一直是光学滤波器研究的最大热点之一。制作材料越来越多，器件的制作水平也在不断提高。因此，在光通信领域微环滤波器有了很大进展和成果^[22]。马赫曾德尔干涉仪(MZI)广泛用于光电信息系统及传感系统。MZI也能与光纤很好的兼容。而且它的插入损耗小、对相位敏感，还具有平顶滤波特性。根据它的传输特性，可将其作为热光开关、滤波器以及波长交错滤波器等。由于它的两臂相移可以受环境控制，可将马赫曾德尔干涉仪作为相位滤波器，能检测多个传感信号^[5]。由于微环滤波器具有许多优点，马赫曾德尔干涉仪也有这些良好的性质，有不少人研究了两者结合起来使用的效果。但是其中大多数是把微环滤波器加在MZI的干涉臂中，来提升MZI输出谱的品质因素、精细度，增加自由频谱宽。以得到平顶梳状滤波的效果。还有将微环滤波器和MZI串联起来使用，得到产生双光子纠缠态或者可调谐的梳状滤波器^[19]。还有一些学者将MZI作为微环的相位调制器，改善微环滤波器的输出谱特性，虽然这些研究者们对此结构及它的传输函数进行了一定的研究科推导，但是没有特传输特性深入研究。本文首先详细研究了MZI辅助型微环滤波器这一复合结构。再在数学理论的基础上，对该结构的传输函数进行了推算，并使用MATLAB平台绘制它的传输谱，再改变各个参数，讨论它们对MZI和微环对传输谱的影响。

1.2微环滤波器的发展概况

作为光学器件的一种核心元件，微环滤波器是研究者们研究的重要对象。1969年微环这个东西第一次出现在了Marcatili的文章中，然而当时工艺生产水平很低，微环发展受到了很大的限制，没有很大进展^[3][21]。到了20世界末，科学家制造了一个直径为3.5mm的环形谐振腔，但是尺寸过大，还不能达到通信系统的要求^[6]。随着加工工艺水平的发展，微电子工艺也获得了较大进步，并且还发现了大折射率材料。微环的理论研究以及制作水平都有了很大的提高，它的形状大小降低了很多，只有微米级别了。1997年，首次报道了以GaAs材料制造的直径为10微米的环形波导腔，其自由光谱宽度达到50nm^[4]。在绝缘体中，硅与空气的折射率差较大，对光场的约束能力强，可以用来制作成尺寸较小、损耗较低的弯曲波导，此微环滤波器的生产中能兼容CMOS工艺。所以硅基微环滤波器在近些年出现在各种研究与生产过程中。

在微环的发展过程中，可以选择多种多样的材料，设计结构不同功能也各异，它的工艺制作过程也灵活巧妙，研究者们已经在硅基等多种半导体材料体系上实现了多种结构的微环。例如多个微环的串并联、微环多级级联以及用其他器件辅助微环滤波器等。不但可以得到通带平坦和过渡带陡峭的输出频谱，而且其较宽的自由光谱范围（FSR)，使得最大信道数量也增多，从而可以很好地应用于波分复用系统。当前已经用Si/SiO₂ 、GaAs/AlGaAs等材料制作出了单环、串联双环、串联多环、并联双环、并联多环等多种结构的微环滤波器^[18]。

1.2.1国外研究发展概况

国际上从20世纪末开始对集成环形光波导滤波器进行系统研究，近几年芯片级硅基激光光源取得了跨越式进展，提供可靠性强的光源给集成度高的光电器件就有了很大的希望。一些大学和国际研究机构对高性能纳米光波导微腔的制造过程进行了深入的研究，并成功制作出了纳米光波导器件，在实际的器件中开展了大量有意义的额实验。2006年，剑桥大学学者对多环级微环滤波器的特性做了详细的分析^[7]。一年后，根据“慢光效应”，有科学家采用了一百个硅基微环谐振腔进行级联，制作出了二种新颖的光学器件。分别是的垂直结构的全通滤波器和和平行结构的光波导耦合器件，这种器件可将光延迟500皮秒^[8]。2009年，人们又提出了半径为1.5微米的超小微环滤波器，他的带宽为210 GHz，FSR可达52纳米^[9]。2011年，Fengfei Liu等人对影响多级微环滤波器的高品质因素做了详细的研究^[7]。2012年，有研究员设计了一种新型的滤波器，基于双级的干涉式微环梯形滤波器，这种滤波器可以获得100 GHz的滤波带宽，实现了高阶滤波特性^[4]。最近两年，为解决刻蚀工艺引起的光波导粗糙问题，提出了热氧化工艺制造波导谐振腔。并且已经尝试用CMOS技术对芯片光电集成系统进行探索，取得了显著性的突破^[6]。

1.2.2国内研究发展概况

我国也高度重视对微环滤波器进行研究与突破。经过这么多年的努力，我国自主开发了SOI材料制备成套技术，使国内SOI材料从无到有^[12]。2008年，中电13所与天津大学协作，研究了基于环形谐振腔的激光器^[15]。2010年，中科院大学与上海宏利半导体制造有限公司合作第一次运用CMOS工艺，研制了速率为超高的芯片级硅光调制器，满足芯片内高速数据传输等^[13]。2011年，北航在传统的硅基SiO₂波导谐振腔的基础上对该结构进行了改善，降低了传输损耗，使之仅有0.504dB，谐振深度也相应提高到0.9173^[5]。现阶段，我国对SOI纳米级分的光波导器件的制造工艺有了一定的突破，在相关领域积累了一定的基础^[8]。

1.3论文研究内容

本论文主要围绕硅基MZI辅助型微环滤波器的基本理论，对它的原理，分析方法以及传输特性进行了研究。本论文的主要内容包括：