具有超高峰值抑制比和低功耗的全光可调谐微波滤波器

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文献阅读：级联MRR-ODSB-MPF

研究背景

微波光子滤波器具有大带宽、高可调性和可重构性等优势，在雷达和无线通信系统中具有重要应用。

传统基于光纤或非线性效应（如SBS）的MPF存在器件尺寸大、功耗高、集成度低等问题。

硅基光子器件因其高集成度、CMOS兼容性和低功耗等优势，成为实现片上微波处理系统的理想平台。

光机械微环谐振器结合了热光效应和光机械效应，可在低泵浦功率下实现谐振波长调谐，为全光微波处理提供了新途径。

研究目标

设计并实验验证一种全光控制、低功耗、可同时调谐中心频率与带宽的微波光子滤波器。

利用级联光机械微环谐振器，通过 Vernier 效应和双泵浦控制，实现对微波频率响应的灵活调控。

研究创新点

首次提出并实验验证了基于级联光机械微环的全光可调微波滤波器。

同时实现中心频率（5–36 GHz）与带宽（6.7–10.3 GHz）的调谐。

采用强度调制（IM）+ 光学双边带调制（ODSB），无需外部光学滤波器，简化系统结构。

功耗极低：最高泵浦功率仅为1.65 mW（中心频率调谐）和0.96 mW（带宽调谐）。

器件基于标准SOI工艺制备，具备小尺寸、高集成度、CMOS兼容等优势。

核心原理

光机械MRR，其一半MRR下的氧化物衬底被移除。光机械MRR的调谐机制是基于非线性效应，主要包括光机械效应和热光效应。由于半个MRR波导在空气中自由悬挂，器件的散热量和耗散会显著降低。因此，MRR中的热光效应被强烈地增强，从而导致更高的温升和更大的共振红移。

MRR自由悬空波导与基底之间的光-物质相互作用→产生足够强的光力→波导偏转→有效波导长度变大→共振红移→低功率。
四种MRR的半径均在20 μm左右。自由悬挂MRR和直波导的波导宽度均为450 nm。

其中λ0为MRR谐振波长，ng为波导群折射率，Rth为器件热阻，kth为热光系数，Γth为热光效应的有效限制因子，Pt和Pm分别为热光效应和光机械效应的光泵浦功率，gom为光机械调谐效率，k为光束刚度。

系统光谱:由于四个微环的Vernier效应，光谱呈现多个谐振峰。定义了工作区和泵浦区，使用两个泵浦波长（λ2b, λ4b）来控制四个微环。

R1和R2在泵浦区的谐振峰非常接近;R3和R4在泵浦区的谐振峰非常接近。由于谐振峰很接近，当注入泵浦光λ2b时，它主要会被R1和R2这两个微环共振增强并吸收，从而有效地激发它们的非线性效应。

同理，泵浦光 λ4b主要控制 R3和R4。两个泵浦波长就自然地将四个微环分成了两个控制组。

滤波器响应：滤波器的形状由两个边带在微环传输谱 H(ω) 中的衰减决定。当谐振峰对齐时，边带在相同频率处获得最大衰减 → 高抑制比、窄带宽。

带宽调谐原理：通过泵浦微调四个谐振峰的位置，使它们不再对齐，而是对称地分布在载波两侧。两个边带在不同频率处被衰减，阻带被展宽，从而实现带宽调谐，同时保持中心频率不变。

其中Pin是光载波的功率，Jn是第一类n阶贝塞尔函数，m是强度调制指数，ω0和ωRF是光载波和射频信号的角频率，H(ω)是级联MRR的幅度传输响应。

研究方法

器件设计与制备：

使用两个半径略有差异的微环（R₁=20 μm，R₂=20.17 μm），形成Vernier效应，产生双峰传输谱。

通过两次EBL+ICP刻蚀和HF湿法释放，制备半悬空微环结构，增强光机械效应。

调谐机制：

利用热光效应和光机械效应共同引起谐振波长红移。

通过两个独立泵浦光（λ₃、λ₄）控制两个微环的谐振波长，实现对中心频率和带宽的独立调谐。

实验系统：

使用VNA、MZM、LD、VOA、PD等构建光-电测试系统。

通过调节泵浦功率组合，实现不同中心频率和带宽的微波滤波响应。

实验结果

谐振波长红移与泵浦功率呈良好的线性关系，验证了原理，便于精确控制。1.5 mW功率可实现 >35 GHz的红移，调谐效率高。

成功将滤波器的中心频率从 7.12 GHz 调谐到 39.16 GHz，范围超过 32 GHz，在整个调谐范围内，抑制比始终 > 60 dB。

带宽调谐，抑制比仍保持在 30 dB以上。

研究结论

成功实现了中心频率5–36 GHz、带宽6.7–10.3 GHz的可调微波陷波滤波器。

最高泵浦功率仅为1.65 mW，远低于基于SBS等非线性效应的方案。

该器件具备全光控制、低功耗、宽调谐范围、结构紧凑等优势，适用于片上微波光子系统。

研究局限性

调谐范围受限：中心频率和带宽的调谐范围受限于微环的Q因子和消光比。

性能依赖结构参数：如波导间距、耦合条件等对泵浦效率和调谐灵敏度有显著影响。

工艺复杂度高：需多次光刻和湿法刻蚀，制备难度较大。

系统稳定性：光机械结构对外界振动和温度变化较为敏感，可能影响长期稳定性。