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所提出的硅基光子濾波器采用了三個微環(huán)諧振器的級聯(lián)排列方式，與兩條總線波導和四個光柵耦合器集成在一起。與傳統(tǒng)的單環(huán)設計相比，這種級聯(lián)配置增強了波長選擇性和光譜效率。整個結(jié)構(gòu)由硅材料制成，放置在二氧化硅襯底上，器件上方覆蓋有保護性二氧化硅包層，以提高機械耐久性、環(huán)境穩(wěn)定性和光學性能，同時優(yōu)化有效折射率。

圖1：（a）器件整體布局示意圖，其中硅組件（紅色顯示）被封裝在二氧化硅包層和二氧化硅襯底之間。光通過光柵耦合器從"In"端口進入，經(jīng)過級聯(lián)微環(huán)諧振器傳播，并從"Drop"或"Through"端口輸出。（b）和（c）分別展示了制造完成的光柵耦合器和級聯(lián)微環(huán)諧振器的掃描電子顯微鏡圖像，顯示出優(yōu)異的尺寸精度和高質(zhì)量的制造水平。

濾波器通過級聯(lián)微環(huán)諧振器內(nèi)的諧振相互作用選擇性地路由特定波長。光通過輸入光柵耦合器進入后沿著波導傳播，依次與每個微環(huán)諧振器相互作用。諧振波長耦合進入環(huán)形結(jié)構(gòu)并被引導至下路端口，通過輸出光柵耦合器離開器件。非諧振波長繞過諧振器，通過直通端口離開結(jié)構(gòu)。這種設計確保了精確的波長選擇和高效的運行，適用于光調(diào)制、光子信號處理和光通信系統(tǒng)等應用。

制造工藝在硅基絕緣體平臺上采用了高分辨率電子束光刻技術(shù)。首先制備厚度約為2微米的二氧化硅襯底，以最小化光學損耗并優(yōu)化波導性能。晶圓表面使用丙酮和異丙醇進行徹底清潔，隨后進行氧等離子體清洗以去除殘留的表面污染物。然后通過等離子體增強化學氣相沉積在二氧化硅襯底上沉積220納米厚的硅層。使用旋涂工藝以3000至5000轉(zhuǎn)每分鐘的速度涂覆正性光刻膠層，形成100至300納米厚的均勻光刻膠層。

采用電子束光刻在光刻膠層上定義波導、微環(huán)諧振器和光柵耦合器的圖案。電子槍產(chǎn)生的電子束被精確聚焦到選定區(qū)域，打斷光刻膠中的聚合物鏈。曝光后，將晶圓浸入顯影液中進行顯影。定義的圖案通過反應離子刻蝕轉(zhuǎn)移到硅層，在包含六氟化硫和八氟環(huán)丁烷氣體的等離子體腔中進行。刻蝕后，通過氧等離子體灰化完全去除殘留的光刻膠，得到清潔且精確的最終結(jié)構(gòu)。最后使用等離子體增強化學氣相沉積技術(shù)沉積保護性二氧化硅包層，覆蓋整個光子結(jié)構(gòu)。最終結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最小的表面和側(cè)壁粗糙度以及與原始設計規(guī)格的優(yōu)異尺寸一致性，從而降低了散射引起的損耗。

為了評估硅基環(huán)形諧振器光學濾波器的性能，使用連續(xù)波可調(diào)諧激光源作為輸入，同時采用光譜分析儀以高精度表征輸出響應。激光源提供1495至1640納米的波長調(diào)諧范圍，具有精細的控制分辨率。激光輸出耦合到單模光纖中，然后使用梯度折射率透鏡聚焦到光電子芯片的輸入光柵耦合器上。入射角度經(jīng)過仔細調(diào)整，相對于表面法線為12度，以優(yōu)化耦合效率。

圖2：半徑分別為2.5、3.0和3.5微米的級聯(lián)微環(huán)諧振器硅基光子濾波器在下路端口的透射光譜，顯示了增加半徑如何影響諧振波長和峰值分布。

制造了三種不同的器件設計，每種器件都包含半徑分別為2.5、3.0和3.5微米的微環(huán)諧振器。測量的光譜響應表明，增加環(huán)形半徑會導致諧振波長的明顯偏移以及峰值強度的變化。對于半徑為2.5微米的諧振器，僅在1532和1568納米波長處出現(xiàn)兩個諧振峰，主諧振位于1568納米。在這種情況下諧振峰數(shù)量有限是由于相對較大的自由光譜范圍為37納米，減少了測量窗口內(nèi)的諧振數(shù)量。諧振帶寬為1.99納米，該半徑的測量品質(zhì)因數(shù)為787，最大透射率達到0.4。

將半徑增加到3.0微米會在1505、1536、1568和1598.7納米波長處產(chǎn)生四個可觀察到的諧振峰，最大諧振峰出現(xiàn)在1598.7納米波長處。由于自由光譜范圍減小到31納米，測量范圍內(nèi)變得可見的諧振峰數(shù)量增加。在這種情況下，品質(zhì)因數(shù)略微增加到804，而諧振帶寬保持在1.99納米不變，最大透射率提高到0.5。對于最大的諧振器半徑3.5微米，在1514、1539、1567和1593納米波長處觀察到四個諧振峰，主諧振位于1567納米。此時自由光譜范圍進一步減小到27納米，導致諧振峰之間的光譜間距減小。最大透射率提高到0.56，而諧振帶寬和品質(zhì)因數(shù)與之前的情況幾乎相同。

自由光譜范圍是表示連續(xù)諧振之間波長間隔的關(guān)鍵性能參數(shù)。該參數(shù)取決于諧振波長、群折射率和環(huán)形諧振器的周長。較大的自由光譜范圍導致連續(xù)諧振波長之間的間距更寬，從而降低模式密度，這在波長選擇性濾波器和密集波分復用系統(tǒng)中特別有利，因為可以增強波長分離并最小化串擾。相反，較小的自由光譜范圍導致諧振波長緊密間隔，這對于光學傳感、精密濾波和鎖模激光器等應用有利，在這些應用中對微小波長偏移的敏感性很重要。

品質(zhì)因數(shù)是評估硅基環(huán)形諧振器性能的另一個基本參數(shù)。該參數(shù)表征了光學諧振的尖銳度和強度，代表諧振器內(nèi)存儲的能量與每個振蕩周期耗散的能量之比。品質(zhì)因數(shù)定義為諧振波長與諧振峰半高全寬的比值，決定了濾波器的分辨率。高品質(zhì)因數(shù)表示在波長選擇性、減少光學損耗和增強整體系統(tǒng)效率方面具有優(yōu)異的性能。高品質(zhì)因數(shù)濾波器可以高精度地傳輸特定波長，同時有效抑制其他波長，使其非常適合光通信、光子傳感和光電子集成芯片等應用。

采用時域有限差分方法進行了全面的數(shù)值仿真，以驗證實驗結(jié)果并深入了解器件物理特性。仿真設置包括微環(huán)諧振器和兩條直線總線波導，而省略了光柵耦合器以降低計算復雜度并專注于器件的諧振行為。所有組件均由硅材料制成，放置在二氧化硅襯底上，并包含二氧化硅上包層，以更好地復制制造的器件。

圖3：（a）所提出的硅基環(huán)形諧振器結(jié)構(gòu)仿真設置的透視圖和（b）俯視圖，顯示了被封裝在二氧化硅包層和二氧化硅襯底之間的三個微環(huán)諧振器與兩條平行直線硅波導的耦合，以及用于場、功率和折射率測量的各種監(jiān)測器的位置。

硅和二氧化硅的光學特性在電信波段內(nèi)以波長相關(guān)的方式實施，這些數(shù)值從實驗數(shù)據(jù)集中提取并以光譜材料文件的形式納入仿真中。這種方法能夠真實地表示波導在實際工作條件下的行為。模式源位于上波導的輸入端，用于在1490至1610納米波長范圍內(nèi)激發(fā)基本橫向電模式。為了消除仿真邊界的不需要的反射，在所有三個空間方向上應用了完美匹配層邊界條件。

空間離散化采用自適應非均勻網(wǎng)格策略。在環(huán)形諧振器和波導之間的耦合間隙等關(guān)鍵區(qū)域應用10納米的精細網(wǎng)格單元，因為這些區(qū)域的光場變化迅速，而在不太敏感的區(qū)域使用50納米的粗網(wǎng)格單元，在不影響精度的情況下減少仿真時間。在整個仿真域中使用了多個監(jiān)測器來提取有意義的數(shù)據(jù)，包括在直通和下路端口的頻域功率監(jiān)測器、用于觀察時間行為的時域監(jiān)測器，以及用于記錄耦合區(qū)域和環(huán)內(nèi)電場和磁場分布的場監(jiān)測器。

圖4：通過時域有限差分仿真獲得的半徑為2.5、3.0和3.5微米的環(huán)形諧振器在下路端口的透射光譜，顯示出由于沒有光柵耦合器損耗而比實驗測量更高的透射峰值。

對三種配置（微環(huán)諧振器半徑分別為2.5、3.0和3.5微米）的下路端口透射光譜仿真結(jié)果清楚地表明，在特定的諧振波長處，輸入光有效地從上波導耦合到微環(huán)諧振器中，隨后傳輸?shù)较虏▽АＥc實驗結(jié)果相比，仿真和測量中觀察到的諧振波長幾乎相同，表明模型與實際制造器件之間具有很強的一致性。然而，測量光譜中的諧振峰顯得較低，這歸因于制造結(jié)構(gòu)中存在兩個光柵耦合器，引入了耦合損耗并降低了整體透射率。

這項工作的主要創(chuàng)新在于使用級聯(lián)解耦微環(huán)，與傳統(tǒng)的單環(huán)濾波器相比，顯著增強了下路端口性能。在所提出的結(jié)構(gòu)中，未耦合到第一個微環(huán)的光功率繼續(xù)沿總線波導傳播，隨后耦合到第二和第三個微環(huán)中。每個環(huán)提取額外的功率并將其傳輸?shù)较侣范丝冢瑢е螺敵龉β实睦鄯e增加。微環(huán)并排排列，具有足夠大的中心間距，以確保完全抑制環(huán)間耦合效應。由于這種空間分離，每個環(huán)獨立運行，下路端口的總光功率可以近似為所有三個下路端口的各個功率貢獻之和。

圖5：級聯(lián)環(huán)形諧振器中不同環(huán)形半徑和激發(fā)波長的電場幅度分布（前三行）和磁場幅度分布（后三行），顯示了在諧振條件下微環(huán)諧振器內(nèi)的強場限制。

為了進一步研究所提出的級聯(lián)微環(huán)諧振器濾波器的電磁行為，進行了仿真以可視化電場和磁場的空間分布。分析了半徑為2.5、3.0和3.5微米的環(huán)形在各自諧振波長處激發(fā)時的穩(wěn)態(tài)電場幅度（單位為伏特每米）和相應的磁場幅度（單位為安培每米）。在主要諧振波長處，微環(huán)諧振器內(nèi)部和周圍的強場限制特別明顯，表明光從輸入波導有效耦合到環(huán)中，隨后到達下路端口。顏色條代表場的歸一化強度，最大值以紅色顯示，最小值以藍色顯示。

圖6：不同環(huán)形半徑和工作波長下級聯(lián)環(huán)形諧振器中的功率通量分布（單位為瓦特每平方米），顯示了在諧振條件下通過下路端口的有效功率傳輸，每種配置的主要諧振波長處觀察到最高的功率集中。

還分析了功率通量分布以評估光學性能。半徑為2.5、3.0和3.5微米的結(jié)構(gòu)內(nèi)的仿真功率通量顯示，通過下路端口的最顯著功率傳輸發(fā)生在每種配置的主要諧振波長處，此時輸入光被強烈限制并通過諧振器定向傳輸。功率通量分布清楚地支持了電場和磁場仿真以及光譜分析的結(jié)果，確認了所提出的光子結(jié)構(gòu)在不同微環(huán)半徑和波長下的高效且可調(diào)諧的濾波能力。

進行了廣泛的參數(shù)研究以評估結(jié)構(gòu)變化對關(guān)鍵性能指標的影響。系統(tǒng)地研究了環(huán)形半徑、波導寬度、耦合間隙和耦合長度的影響，以提供優(yōu)化濾波器性能的設計指南。

圖7：下路端口的透射光譜，顯示了（a）環(huán)形半徑變化、（b）波導寬度變化、（c）耦合間隙變化和（d）耦合長度變化對濾波器性能的影響，證明了每個幾何參數(shù)如何影響諧振波長、峰值幅度、帶寬和自由光譜范圍。

在保持波導寬度、耦合間隙和耦合長度固定的情況下增加環(huán)形半徑會產(chǎn)生兩個主要效應：透射峰幅度降低和自由光譜范圍減小。這些效應的產(chǎn)生是因為增加半徑會增大環(huán)內(nèi)的光程長度，由于往返時間增加而導致更高的衰減和更低的自由光譜范圍。此外，較大的半徑可以減少總線波導和環(huán)中光模式之間的空間重疊，從而削弱耦合效率并降低峰值透射率。

在保持其他參數(shù)不變的情況下改變波導寬度會導致諧振峰隨著寬度增加而向更長波長偏移，透射幅度降低。這種偏移是由于波導有效折射率增加，從而延長了光程長度。然而，自由光譜范圍幾乎保持不變，表明影響自由光譜范圍的主導因素仍然是環(huán)形半徑。

改變耦合間隙（即總線波導和環(huán)形諧振器之間的物理間隔）會顯著影響耦合強度。隨著間隙減小，光耦合變得更強，導致透射峰幅度增加和諧振帶寬變寬。這種展寬的發(fā)生是因為更強的耦合允許更寬范圍的波長耦合到諧振器中。對于需要窄帶濾波的應用，這種展寬是不希望出現(xiàn)的。相反，增加間隙會降低耦合強度，縮窄帶寬，并降低透射峰的幅度。

對于跑道形諧振器，耦合長度是指環(huán)形波導和相鄰總線波導在近距離平行運行的物理長度，使兩個波導之間能夠進行光功率的倏逝耦合。隨著耦合長度增加，從總線波導傳輸?shù)江h(huán)中的光功率增加，導致峰值幅度更高和帶寬更寬，類似于減小間隙的效果。自由光譜范圍不會受到耦合長度變化的顯著影響，因為該參數(shù)主要取決于由環(huán)形半徑確定的往返長度。

基于這些參數(shù)分析，設計人員可以微調(diào)包括環(huán)形半徑、波導寬度、耦合間隙和耦合長度在內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)，以滿足諧振波長、透射幅度、自由光譜范圍、帶寬和品質(zhì)因數(shù)的所需規(guī)格。在多環(huán)配置中，保持相鄰環(huán)之間足夠的中心間距很重要。本研究中使用了8.2微米的間距。如果間距減小到7.8微米以下，不需要的環(huán)間耦合會顯著降低透射峰，增加帶寬并降低品質(zhì)因數(shù)。

所提出的級聯(lián)微環(huán)濾波器展示了出色的光譜分辨率、低插入損耗和優(yōu)異的效率，適用于先進光通信、高精度光子信號處理和新興納米光子系統(tǒng)。時域有限差分仿真結(jié)果與實驗測量之間的強一致性驗證了濾波器設計并確認了制造工藝的可靠性。這項工作為開發(fā)與互補金屬氧化物半導體技術(shù)兼容的緊湊型高分辨率光子濾波器奠定了堅實基礎(chǔ)，在密集波分復用、片上路由和高分辨率光信號處理等光電子集成芯片應用中具有良好的集成潛力。