本发明属于集成光电子，更具体地，涉及一种基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器及相应的膜厚自适应方法。
背景技术：
1、与光纤中的单波通信不同，波分复用技术使用一组具有不同波长的光进行信息传输，其突破了当前电子器件处理速率的瓶颈，极大了提升了光纤的传输容量。数据中心中光模块是波分复用的常见应用场景之一，其中位于光纤零色散波长附近的波长通道因有助于延长光传输距离而在光模块中被广泛使用。而更靠近零色散波长的通道(意味着更小的通道中心波长间距)则有望实现更长距离的光传输。滤波器是波分复用系统的核心部件之一，当前光模块中的滤波器大都采用分立元件，其具有较大的体积且装配难度高，不利于未来光器件高度集成化的发展趋势。同时，薄膜铌酸锂集成光子平台得益于铌酸锂材料的高电光系数、波导的低损耗及高集成度，为高性能波分复用系统提供了可能的解决方案。当前，在薄膜铌酸锂平台上设计并制造调制器以及包括滤波器在内的各种无源器件，已成为集成光子学的主流趋势之一。
2、在众多基于薄膜铌酸锂平台的滤波器方案中，基于光栅结构的滤波器由于较阵列波导光栅、微环滤波器等其它结构同时具备了低插入损耗、低串扰、体积小等的优点而备受关注[1,2,3]。对于现有的布拉格光栅结构的薄膜铌酸锂滤波器，其通过使用具有不同周期的光栅来实现对不同波长的选择性滤波。但当所需的滤波波长通道间距变窄时，相邻波长通道所对应的光栅周期差异也相应变小，并提高了对加工设备的要求。例如，当前基于光栅结构的薄膜铌酸锂滤波器所实现的最窄波长通道间距约为4.5nm，其所对应的光栅周期差异为1.5nm[3]。而若需要在400nm铌酸锂薄膜上制作相邻波长通道间距约为2.3nm的nwdm波分复用，则所对应的光栅周期差异可能达到0.8nm，这已非常接近常见电子束曝光设备的极限分辨率(约为0.5nm)，由于光栅周期一般需为极限分辨率的整数倍数，这显著地增加了器件的加工难度以及时间成本。此外，薄膜上制备的波导器件往往具有高折射率差的特点，因此非常容易受到膜厚带来的结构尺寸变化影响，造成滤波器设计中心波长与实际波长有较大差异，不利于器件的实际应用。
3、参考文献：
4、[1]j.he,et.al.,high-performance lithium-niobate-on-insulator opticalfilter based on multimode waveguide gratings(基于多模布拉格波导光栅的高性能绝缘体上铌酸锂光学滤波器),optics express,2022,30(19)：34140
5、[2]j.he,et.al.,first realization of a three-channel lithium-niobatephotonic filter for 50g passive optical networks(用于50g无源光网络的三通道铌酸锂光子滤波器的首次实现),acs photonics,2023,10：3740-3747
6、[3]j.he,et.al.,twelve-channel la1 wavelength-division multiplexer onlithium niobate(铌酸锂上12通道lan波分复用器),nanophotonics,2024,13(1)：85-93
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器及相应的膜厚自适应方法，其中通过对滤波器的细节结构进行改进，能够有效解决电子束曝光设备分辨率受限的情况下，光栅中心反射波长难以精细调控以及窄通道间距波分复用器实际制作难度大的技术问题。
2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器，从上至下包括铌酸锂薄膜层和二氧化硅缓冲层，所述铌酸锂薄膜层包括总线连接波导、模式转换器、过渡波导、周期性相移光栅反射器、直通过渡波导、直通连接波导和分支波导，其中，总线连接波导、模式转换器、过渡波导、周期性相移光栅反射器、直通过渡波导、直通连接波导依次连接，分支波导和总线连接波导连接在模式转换器的同一端；
3、记所述周期性相移光栅反射器靠近过渡波导的一端为周期性相移光栅反射器的输入端，所述周期性相移光栅反射器靠近直通过渡波导的另一端为周期性相移光栅反射器的输出端，所述周期性相移光栅反射器的输入端指向所述直通过渡波导的方向为周期性相移光栅反射器的输入传输方向，则，所述周期性相移光栅反射器由沿输入传输方向布置的矩形波导以及位于该矩形波导两侧的具有不等宽度的矩形光栅齿突起和矩形光栅齿槽凹陷构成；对于任意一侧，相邻两个光栅齿之间通过一个光栅齿槽间隔，任意一个光栅齿与紧邻的一个光栅齿槽的总宽度等于周期λ0；该矩形波导一侧的光栅齿与另一侧的光栅齿槽呈相对分布，并且光栅齿的宽度小于等于相应光栅齿槽的宽度，任意一个光栅齿顶部与其相对的另一侧的光栅齿槽底部之间距离均为恒定值w0；从周期性相移光栅反射器的输入端开始，在周期性相移光栅反射器的输入传输方向，分布在矩形波导任意一侧的光栅齿每相隔距离l，对应的光栅齿其宽度将发生变化，其它光栅齿的宽度保持不变，由此形成相移；并且，发生宽度变化的光栅齿，其宽度与其他未发生变化的光栅齿的宽度之差为d，其中，d为在之间的任意值。
4、作为本发明的进一步优选，记矩形波导平行于输入传输方向的对称线为矩形波导中线，则，矩形波导两侧光栅齿顶部到矩形波导中线的距离呈切趾函数变化，两侧的光栅齿槽底部到矩形波导中线的距离呈切趾函数变化。
5、作为本发明的进一步优选，所述切趾函数为具有钟型变化的函数，优选为高斯函数、双曲正割函数、凯泽函数中的任意一种。
6、作为本发明的进一步优选，所述周期性相移光栅反射器能够将从输入端进入的te0模式反向耦合为te1模式，或者能够将从输入端进入的te1模式反向耦合为te0模式，且满足以下相位匹配条件：
7、
8、且l＝iλ0+d
9、其中，nte0为te0模式的有效折射率，nte1为te1模式的有效折射率，λ为光栅的中心反射波长；k为有效折射率变化率，对应于宽度为w0的矩形波导在波长λ处的te1模式及te0模式有效折射率对波长导数的平均值；i为正整数。
10、作为本发明的进一步优选，所述直通过渡波导为锥形波导，其输出端和模式转换器的输入端的宽度相同，输入端和周期性相移光栅反射器的输出端的宽度相同；
11、所述过渡波导为锥形波导，其输出端和周期性相移光栅反射器的输入端的宽度相同，输入端和直通过渡波导的输出端的宽度相同；
12、所述模式转换器用于将从周期性相移光栅反射器输出的te0模从总线连接波导输出，或者，用于将从分支波导输入的te0模转换为te1模并从周期性相移光栅反射器的输入端输入。
13、作为本发明的进一步优选，所述铌酸锂薄膜层的上方还覆盖有上包层；
14、优选的，所述上包层为空气或二氧化硅。
15、按照本发明的另一方面，本发明提供了上述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器的膜厚自适应方法，其特征在于，包括以下步骤：
16、s1.基于三维时域有限差分算法，仿真确定铌酸锂薄膜层单位膜厚变化所对应的d＝0时的周期性相移光栅反射器中心反射波长变化量w；
17、s2.制作一个d＝0时的周期性相移光栅反射器作为参考器件，测量出刻蚀前的原始铌酸锂薄膜层的膜厚d0，以及d＝0时的周期性相移光栅反射器的中心反射波长λ0；
18、s3.根据w,d0,λ0估算出任一膜厚d对应的d＝0时的周期性相移光栅反射器中心反射波长估计值λ′0：
19、λ′0＝λ0+(d-d0)w
20、s4.根据d＝0时的周期性相移光栅反射器中心反射波长估计值λ′0，根据以下方程求解出任一膜厚d下，要达到目标反射波长λc所对应的器件结构参数l，l为矩形波导任意一侧上两相邻存在相移的光栅齿之间的距离；
21、
22、且l＝iλ0+d
23、其中，λ0为预先设定的光栅周期；d为预先设定的发生宽度变化的光栅齿的宽度与其他未发生变化的光栅齿的宽度之差；k为有效折射率变化率，对应于宽度为w0的矩形波导在波长λ处的te1模式及te0模式有效折射率对波长导数的平均值；i为正整数。
24、按照本发明的再一方面，本发明提供了利用上述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器构建的波分复用解复用器，其特征在于，包括至少两个依次相连的上述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器，每个基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器均具有不同的中心反射波长。
25、与现有技术相比，本发明能够取得以下有益效果：
26、本发明通过引入周期性相移光栅反射器，在保持光栅周期固定的情况下，通过调整具有相移的光栅齿之间的距离l，就可实现光栅反射器中心波长的调控。本发明突破了传统光栅滤波器设计制造中需要为不同滤波中心波长设定相应的光栅周期，且光栅周期需为电子束曝光设备分辨率整数倍的限制。基于本发明，可进一步将具有不同中心波长的滤波器级联，则可以在不提高设备精度的要求下，设计制作出较传统光栅滤波器具有更窄通道间距的波分复用器，且缩短加工时间。
27、本发明可优选在周期性相移光栅反射器中引入切趾函数，结合模式转换器，可获得具有高的工艺容差，大边带抑制比，平坦波长响应，低插入损耗的特性的滤波器。
28、进一步的，本发明可针对实际器件制造中膜厚变化所带来的光栅反射器中心波长偏移问题，通过参考片制作器件来对实际中心波长进行估算，从而确定某一膜厚下达到目标中心波长所需的光栅反射器结构参数，补偿膜厚所带来的波长变化，实现器件的膜厚自适应补偿。
1.一种基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器，其特征在于，从上至下包括铌酸锂薄膜层(202)和二氧化硅缓冲层(203)，所述铌酸锂薄膜层(202)包括总线连接波导(101)、模式转换器(102)、过渡波导(103)、周期性相移光栅反射器(104)、直通过渡波导(105)、直通连接波导(106)和分支波导(107)，其中，总线连接波导(101)、模式转换器(102)、过渡波导(103)、周期性相移光栅反射器(104)、直通过渡波导(105)、直通连接波导(106)依次连接，分支波导(107)和总线连接波导(101)连接在模式转换器(102)的同一端；
2.如权利要求1所述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器，其特征在于，记矩形波导平行于输入传输方向的对称线为矩形波导中线，则，矩形波导两侧光栅齿顶部到矩形波导中线的距离呈切趾函数变化，两侧的光栅齿槽底部到矩形波导中线的距离呈切趾函数变化。
3.如权利要求2所述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器，其特征在于，所述切趾函数为具有钟型变化的函数，优选为高斯函数、双曲正割函数、凯泽函数中的任意一种。
4.如权利要求1所述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器，其特征在于，所述周期性相移光栅反射器(104)能够将从输入端进入的te0模式反向耦合为te1模式，或者能够将从输入端进入的te1模式反向耦合为te0模式，且满足以下相位匹配条件：
5.如权利要求1所述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器，其特征在于，所述直通过渡波导(105)为锥形波导，其输出端和模式转换器(102)的输入端的宽度相同，输入端和周期性相移光栅反射器(104)的输出端的宽度相同；
6.如权利要求1所述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜层(202)的上方还覆盖有上包层(201)；
7.如权利要求1－6任意一项所述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器的膜厚自适应方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.利用如权利要求1－6任意一项所述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器构建的波分复用解复用器，其特征在于，包括至少两个依次相连的如权利要求1－6任意一项所述基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器，每个基于周期性相移光栅的薄膜铌酸锂滤波器均具有不同的中心反射波长。
