DOI: https://doi.org/10.1364/PRJ.7.000110
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作为微波光子学中信号处理的关键分支之一，微波光子滤波器（MPF）自出现以来一直被深入研究，许多具有不同功能的MPF已经被提出并完整演示。具有单一通带或阻带的MPF可以有效地提取或抑制所需信号。当这种MPF具有可调整的带宽时，在系统中可以实现更多的灵活性。受激布里渊散射（SBS）是实现高抑制比MPF的有效方法。通过改变SBS的光泵的带宽，可以调整所获得的MPF的带宽。带宽的调节范围取决于光泵的带宽，但光泵的带宽越大，意味着系统的功率消耗越大。
但是目前集成带通微波光子滤波器仍然存在着许多问题需要解决，包括集成带通微波光子滤波器的阻带抑制比往往低于30dB，不能有效抑制阻带信号，无法满足需要高抑制比的应用的需求；大部分微波光子滤波器的带宽仍高于500MHz，和传统微波滤波器仍有较大差距，在处理窄带信号方面有明显不足，无法满足微波信号处理的需求；大多数微波光子滤波器不具备带宽重构的能力，并且中心频率的调谐范围也非常有限，可调谐性与可重构性亟待进一步提升以适应不同环境不同场景下的需求。
基于此，2019年华中科技大学张新亮团队展示了一种基于10阶级联微环的超大带宽可调谐的硅基微波光子滤波器（MPF），具有平顶通带和确定的中心频率。
所提出的MPF是通过使用集成的10阶微环谐振器（MRR）和光电探测器实现的，两者都集成在光子芯片上。在10阶MRR的丢点端口上实现的光学滤光片的半最大半最大值（FWHM）全宽为21.6 GHz。通带的纹波小于0.3 dB，抑制比为32 dB。通过调整光载波波长与光带通滤光片中心波长的偏差，可以大大改变MPF的带宽。在实验中，所提出的MPF的FWHM带宽在5.3至19.5 GHz之间调谐，抑制比高于30 dB。该工作所提到的MPF的原理如下图所示，角频率为w0的光载波由角频率为w1的RF信号进行相位调制。对于小信号调制条件，只有考虑正负一阶边带，调制后的光场可以表示为：![]()
图1 平顶带通滤波器和相位调制信号的光谱图。(a)对称滤波；(b)失谐滤波当光学载波的频率被调谐与光学滤波器的中心对准和光学载波的频率远离光学滤波器的中央时，相位调制信号和平顶光学滤波器的光谱分别为图为（a）和（b）。
可以看出当调谐光载波的频率与滤光片的中心对齐时或者wm<w1时，两个边带将被对称滤波，而当时wm>w1，图 4-1(b)中用蓝色虚线标记的不对称滤波的区域 将会在通过光电探测器之后有高电平输出，从而在光电探测器探测的整个微波频带内形成微波光子带通滤波器。通过在光学滤波器通带内调节w0的频率，不对称的区 域范围也会相应改变，形成的微波光子滤波器的通带带宽也随之改变。
该工作设计的器件结构主要是通过光栅耦合器将光耦合到10阶MRR中，并在DROP端口的输出并在集成PD中探测获取RF信号，以实现完整的微波光子滤波功能。平顶滤波器是基于高阶微环实现的。器件设计的时候为了减少波导的光学损耗，器件中采用了肋波导。全硅层厚度为220nm。肋部被蚀刻到130nm的深度，肋部的宽度为500nm。图2 a)10阶MRR的下载端和 b)带宽可调的MPF的仿真结果GC2 和 GC3 旨在测量和监测 10 阶 MRR 传输频谱的调整。在测量10阶MRR的透射光谱时，宽带光通过GC2耦合到芯片中，透射光通过GC3耦合出芯片。通过比较输入和输出光谱，可以实现10阶MRR的透射光谱，并实现谐振波长的调整。由公式可以算出微环的FSR是150 GHz，为了在下载端实现平顶通带，高阶级联微环的自耦合系数被对称地设计为 0.741, 0.954, 0.9747, 0.9747, 0.9747, 0.98, 0.9747, 0.9747, 0.9747, 0.954, 0.741[2]，这里的耦合系数设计是参考于先前工作的经验。10阶MRR的下载端口输出的仿真结果如图2a所示。FWHM带宽为18.1 GHz，平顶的功率纹波小于0.3 dB。基于10阶MRR的模拟结果和MPF的理论分析，同样可以得到MPF的仿真结果，如图3b所示。可以看出，所获得的MPF是一个平顶带通滤波器，当FWHM带宽从5.0 GHz调谐到18.7 GHz时，通带的平坦度几乎可以保持不变。在仿真中，MPF的抑制比超过50 dB。假设光学滤波器的带宽为wOBF， 可以计算得到图 1(b)中蓝色区域所形成的微波光子滤波器的中心频率为 0.5wOBF， 与中心波长对应的角频率w0 无关，也就表明当改变光载波的波长时，微波光子滤波 器的中心频率始终保持不变。![]()
所制备器件的光学显微照片如图3所示。10 个 MRR 是根据设计参数制造的，每个环的顶部都有一个单独的加热器。每个加热器都与一个单独的金属电极连接，而每个加热器的另一端与接地电极连接。波导耦合的Ge PD（锗掺杂）用于将光转换为电信号。锗生长在浅蚀刻硅区域的顶部，用于吸收光。Ge区域的宽度、长度和高度分别设计为5 μm、10 μm和0.5 μm。
在图3中可以看到10阶微环、相位调制器和光电探测器的具体分布，PM 最初设计为与级联 MRR 和 PD 单片集成。但在进行测试时，当相位调制器和光电探测器上的电极同时接触高频探针时，两个高频探针之间存在强烈的信号干扰，导致待测信号被淹没于干扰信号之中，因此该工作最终采用片外的相位调制器替代了片上的调制器。
该工作为了克服制造偏差引起的不对称，在每个MRR上都沉积了微加热器(电压控制)，用于调节MRR的谐振波长。通过调节施加在加热器上的电压，可以对准MRR的谐振波长，从而实现平顶的光学带通滤波器。
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图4 10阶MRR的下载端测试结果
图5为10阶MRR测试的实验设置。由于10阶MRR的平顶由10个单独的MRR叠加，平顶的形状将受到10个环中的每个环的影响。此外，由于热串扰，施加在一个微加热器上的偏置电压的变化也会影响相邻的MRR，从而增加了MRR的调整难度。因此在该工作实验过程中，一旦将各个MRR的电压调整到最优状态，10阶MRR的状态就固定以保证宽带平顶滤波器的稳定性。所以该工作不是通过对微环进行热调而是利用改变光载波与级联微环的 通带中心波长之间的相对波长间隔来改变微波光子滤波器的带宽。如果需要减少微环之间的热串扰，可以通过在环之间增加热隔离槽来实现，该方法还能提高加热电极的热调效率。
测试级联微环传输特性的实验设置如图5所示，从图4中可以看出10阶MRR实现了平顶光学带通滤光片，该滤波器的抑制比为32 dB，FWHM带宽为21.6 GHz，而平顶的纹波小于0.3 dB。与仿真结果相比，被测滤光片的FWHM带宽稍宽，抑制比更小。这是因为10个MRR 的制造偏差也会导致自耦合系数的偏差。![]()
图5 测试级联微环传输特性的实验装置图。BOS，宽带光源;PBS，偏振分束器;PC，偏振控制器;OSA，光谱分析仪，输出光谱由光学光谱分析仪测量。图6 基于10阶MRR实现微波光子滤波器的实验装置图。LD，激光二极管；PC，偏振控制器；PM，相位调制器；EA，电子放大器；VNA，矢量网络分析器基于10阶MRR实现MPF的实验装置图如图6所示。从激光二极管发射的连续波（CW）光在PC1之后发射到PM中。PM由矢量网络分析仪发出的RF信号驱动。然后，在通过PC2调整偏振之后，相位调制的光信号经由GC1（经过射频端口不加任何调制的片上PM）耦合到10阶MRR中，相位调制信号由基于MRR的光学带通滤波器不对称衰减，并转换为强度信号，并基于集成PD检测。输出RF信号由电放大器放大，然后由VNA接收。
片上集成PD的测量结果如图7所示。当反向偏置电压为3 V时，暗电流约为0.50 μA。根据测得的光电流，在3V的反向偏置电压下，1550 nm处的固有响应度约为1 A/W。根据PD的频率响应可以得到3 V反向偏置电压下的3dB带宽约为25 GHz。当平顶滤波器为双侧对称时，光载波和-1阶边带之间的差拍信号将被光载波和+1阶边带间的差拍完全抵消，如图8中绿色虚线所示。当光载波偏离光学带通滤波器的中心时，相位调制信号的对称性被破坏，当光载波进一步从光学带通滤波器的中心失谐时，MPF的带宽将增加，这也正是MPF带宽可调的原理。图8 光学平顶带通滤波器以及经过光学滤波后相位调制信号的光谱图当光载波的波 长处于 1550.228 nm 时，光载波偏离滤波器通带中心，经过光学滤波后的相位调制信 号不再对称，如图8中红色点线所示。VNA中就能观察到一个平顶的微波光子滤波器， 如图9中最内侧的红色线所示。此时MPF的抑制比为35 dB，半高全宽为 5.3 GHz。需要说明的是由于所实现的光学滤波器的透射边缘不如所示的理想矩形滤波器那样尖锐，因此可用于实现MPF的所实现的滤波器的有效带宽小于测量的FWHM带宽。这是因为如果光载波波长位于10阶MRR光学滤波器的通带边缘处，则MPF的插入损耗将大大增加。因此，载波的波长将不会被调谐到光学滤波器的边缘。此外，OSA的分辨率为0.01nm，这导致大约1.25GHz的测量误差。
图9 所提出的 MPF 在不同带宽下的实测频率响应当光载波以 0.01nm 的步长调整时，对应的频率响应如 图 4-10 所示。在这个过程中，微波光子滤波器的形状保持平顶通带的状态，且半高 全宽以约 2.4 GHz 的间隔递增，如图9所示，MPF带宽调谐范围为5.3~19.5 GHz，测量得到的光学滤波器和微波光 子滤波器的抑制比分别是 32 和 30 dB，二者吻合得比较好。总的来说，该工作的主要亮点和创新之处在于成功设计并展示了一种基于硅衬底绝缘体(SOI)技术的微波光子滤波器(MPF)，它具备了平坦的通带和可广泛调节的带宽。研究团队通过在光子芯片上集成10阶微环谐振器(MRR)和光电探测器(PD)，实现了对MPF带宽从5.3至19.5 GHz的动态调整，同时保持了超过30 dB的高抑制比。该工作也通过基于微加热器精确调整MRRs的共振波长，克服了制造过程中的偏差问题，提高了滤波器性能的稳定性和可靠性。这项工作不仅展示了SOI基光子集成技术的先进性，而且为微波光子信号处理领域提供了一种具有高度灵活性和可调谐性的新型解决方案。
[1]Lu Xu, Jie Hou, Haitao Tang, Yuan Yu, Yu Yu, Xuewen Shu, and Xinliang Zhang, "Silicon-on-insulator-based microwave photonic filter with widely adjustable bandwidth," Photon. Res. 7, 110-115 (2019)
[2]Fengnian Xia, Mike Rooks, Lidija Sekaric, and Yurii Vlasov, "Ultra-compact high order ring resonator filters using submicron silicon photonic wires for on-chip optical interconnects," Opt. Express 15, 11934-11941 (2007)
