超宽自由光谱范围可调谐窄带单通道上传下载集成光学滤波器

      无限自由光谱范围（FSR-free）光学滤波器一直是光子集成回路的一个关键挑战。无限自由光谱范围光学滤波器有着非常广泛的应用前景，比如光通信、光谱学和多参量光传感。近期，西湖大学李兰研究员团队与吉林大学张大明教授团队合作在PhotoniX 期刊发表论文“Tunable narrow‑band single‑channel add‑drop integrated optical filter with ultrawide FSR”。文中，作者提出了一种精确且高鲁棒性的上传下载滤波器设计方法，该滤波器具有无限自由光谱范围操作能力、亚纳米光带宽和高带外抑制比。实验制备的硅基光子滤波器在220nm的波段内具有小于0.5 nm的3dB带宽和21.5 dB的带外抑制比，并在整个调谐过程中保持无限自由光谱范围特性。这是目前在集成光子平台上演示的最大自由光谱范围上传下载滤波器。

      无限自由光谱范围滤波器可以显著增加光通信的信息通道数量。或者通过在单个传感器链路上级联多个独立的功能单元，实现多位置、多参数的传感。在整个波长范围内获得无限自由光谱范围响应的一种简单方法是利用布拉格光栅的光子带隙特性。布拉格光栅波导/光纤在学术界和工业界都进行了广泛的研究。布拉格光栅辅助反向耦合器可以用作上传下载滤波器，以避免使用环行器将反射光从布拉格光栅波导中分离回来。然而，由于布拉格光栅的盒状宽带响应，直接利用其阻带实际上限制了其应用。尽管削弱光栅强度可以降低带宽，但光栅可能相当长。另一种显著增大滤波器自由光谱范围的方法是在多个半径略有不同的级联微环谐振器中应用游标效应。但是，基于微环的滤波器通常会出现严重的边带。到目前为止，通过优化器件设计或仔细校准和调谐光学滤波器，然后采用各种混合复合策略来实现无限自由光谱范围响应。因此，很难连续快速地扫描谐振波长，且功耗代价大。尽管已经做出了很多努力，但对于光子集成回路来说，无限自由光谱光学滤波器仍然是一个关键的挑战。

      与传统布拉格光栅波导提供盒状光学响应不同，本文提出的结构在布拉格光栅中引入了一个点缺陷，以形成法布里-珀罗（F-P）滤波器，在较宽的波长范围内表现出超尖锐的光学响应。通过采用适当光栅强度和腔长以确保布拉格光栅的禁带宽度小于F-P腔的自由光谱范围时，在数百纳米波段只有一个谐振模式，在非共振波长下实现了平顶响应，无需任何校准操作。图1a为通过三维时域有限差分方法（3D FDTD）获得的滤波器在下载端口（D1和D2）和直通端口（T1）处的透射谱。可以观察到，在1400至1630 nm范围内，下载端口仅激发一个谐振模式。图2b显示了整个结构不同波长下的电场分布。在谐振波长下，光几乎平均分为四部分。在非共振波长下，滤波器被视为三波导定向耦合器。图1c为器件的热学仿真图，可以观察到波导中明显的升温。图1d显示了不同驱动电压时的透射光谱。在所有调谐配置中都观察到了谐振波长随着偏置电压的增加而红移，以及无限自由光谱范围工作特性。图2a显示了制作的光学滤波器在不同光栅周期的光谱响应，可以观察到，谐振波长随着光栅周期变大而发生红移。图2b显示了所制备光学滤波器不同驱动电源下的光谱响应，这表明了可调谐性，并为精确的波长路由提供了指导。

      本文实现了一种无限自由光谱范围上传下载滤波器的快速精确设计方法，无需任何校准。在数百纳米波段，实验上只观察到一个亚纳米带宽的单峰，并允许在所有调谐配置中保持无限自由光谱范围功能。这些结果有助于为大容量光通信、光计算、光谱传感和高级可调谐激光的新应用打开大门。将额外的可调谐性与无限自由光谱范围特性相结合，可以在未来智能光网络中实现可重构光分插复用器。特别是，波长可调谐性可以有效地减少滤波器的数量，并促进高分辨率微型光谱仪的进一步发展。