[论文解读] High Performance Optical Filters Using Three Waveguide Coupled Sagnac Loop Reflectors

Hamed Arianfard, Jiayang Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 168被引用 135

一句话总结

本文提出三种波导耦合萨尼亚克环反射器（3WC-SLRs）作为集成光子滤波器的高度通用平台，利用相干模式干涉实现超高消光比、陡峭的滚降速率以及多样化的滤波响应。该设计可实现高性能光学法诺共振、低自由光谱范围的模式分裂，以及经典巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔和椭圆滤波器，通过详细的参数分析和容差分析验证了其在实际部署中的可行性。

ABSTRACT

We theoretically investigate advanced multi-functional integrated photonic filters formed by three waveguide coupled Sagnac loop reflectors (3WC-SLRs). By tailoring the coherent mode interference, the spectral response of the 3WC-SLR resonators is engineered to achieve diverse filtering functions with high performance. These include optical analogues of Fano resonances that yield ultrahigh spectral extinction ratios (ERs) and slope rates, resonance mode splitting with high ERs and low free spectral ranges, and classical Butterworth, Bessel, Chebyshev, and elliptic filters. A detailed analysis of the impact of the structural parameters and fabrication tolerances is provided to facilitate device design and optimization. The requirements for practical applications are also considered. These results theoretically verify the effectiveness of using 3WC-SLR resonators as multi-functional integrated photonic filters for flexible spectral engineering in diverse applications.

研究动机与目标

• 开发一种多功能集成光子滤波器平台，能够实现多种高性能光谱响应。
• 通过引入三波导耦合萨尼亚克环架构，解决现有谐振器基滤波器的局限性，提升光谱工程的灵活性。
• 通过分析结构参数敏感性和制造容差，实现实际部署。
• 在单一集成平台上同时实现经典光学滤波器（巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔、椭圆）和奇异响应（法诺共振、模式分裂）。
• 通过在CMOS兼容的SOI平台上使用散射矩阵法进行理论建模，验证设计。

提出的方法

• 3WC-SLR谐振器架构采用三个通过直波导耦合的萨尼亚克环反射器（SLRs），形成锯齿形或并联结构，以实现复杂的相干模式干涉。
• 通过独立调控SLRs的反射率（ts）和波导耦合器的耦合强度（tb），实现对相干模式干涉的精确调控。
• 采用散射矩阵法建模光谱响应，可精确模拟所有配置下的干涉效应。
• 设计基于CMOS兼容的绝缘体上硅（SOI）波导，其TE模的群折射率为4.3350，传播损耗为2.4 dB/cm。
• 通过调节波导长度（LSLR, Li）和耦合参数，设计滤波响应以实现目标光谱函数。
• 理论分析包括基于标准滤波器设计原理的法诺共振、模式分裂及经典滤波器响应的性能评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 三波导耦合萨尼亚克环反射器（3WC-SLRs）是否能相比2WC-SLRs实现更高性能的光学滤波并具备增强的灵活性？
• RQ2 3WC-SLRs中的相干模式干涉在多大程度上可调谐以实现多样化的光谱响应，包括法诺共振和经典滤波器形状？
• RQ3 结构参数（如耦合强度、波导长度）和制造容差对滤波器性能和鲁棒性有何影响？
• RQ4 3WC-SLRs是否能在单一紧凑平台上同时支持多种滤波功能，如法诺共振、模式分裂以及经典巴特沃斯/切比雪夫/贝塞尔/椭圆滤波器？
• RQ5 在光学通信和传感等实际应用中，部署3WC-SLRs的实际设计需求是什么？

主要发现

• 3WC-SLR平台实现了具有超高消光比（ER）和陡峭滚降速率的光学法诺共振，适用于高灵敏度应用。
• 实现了高消光比和低自由光谱范围（FSR）的共振模式分裂，适用于紧凑型高Q器件，适用于密集波分复用（DWDM）系统。
• 成功在光学域内合成经典滤波响应，包括巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔和椭圆滤波器。
• 理论分析表明，3WC-SLR设计在制造容差下具有鲁棒性，性能在真实参数波动下仍能保持稳定。
• 并联和锯齿形结构各具优势：前者可实现混合FIR/IIR滤波，后者则提供更强的干涉控制能力，适用于复杂光谱整形。
• 该平台与CMOS制造工艺兼容，具备可扩展性、低损耗和大规模生产潜力，适用于实际光子集成电路。