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所提出的硅基光子滤波器采用了三个微环谐振器的级联排列方式，与两条总线波导和四个光栅耦合器集成在一起。与传统的单环设计相比，这种级联配置增强了波长选择性和光谱效率。整个结构由硅材料制成，放置在二氧化硅衬底上，器件上方覆盖有保护性二氧化硅包层，以提高机械耐久性、环境稳定性和光学性能，同时优化有效折射率。

图1：（a）器件整体布局示意图，其中硅组件（红色显示）被封装在二氧化硅包层和二氧化硅衬底之间。光通过光栅耦合器从"In"端口进入，经过级联微环谐振器传播，并从"Drop"或"Through"端口输出。（b）和（c）分别展示了制造完成的光栅耦合器和级联微环谐振器的扫描电子显微镜图像，显示出优异的尺寸精度和高质量的制造水平。

滤波器通过级联微环谐振器内的谐振相互作用选择性地路由特定波长。光通过输入光栅耦合器进入后沿着波导传播，依次与每个微环谐振器相互作用。谐振波长耦合进入环形结构并被引导至下路端口，通过输出光栅耦合器离开器件。非谐振波长绕过谐振器，通过直通端口离开结构。这种设计确保了精确的波长选择和高效的运行，适用于光调制、光子信号处理和光通信系统等应用。

制造工艺在硅基绝缘体平台上采用了高分辨率电子束光刻技术。首先制备厚度约为2微米的二氧化硅衬底，以最小化光学损耗并优化波导性能。晶圆表面使用丙酮和异丙醇进行彻底清洁，随后进行氧等离子体清洗以去除残留的表面污染物。然后通过等离子体增强化学气相沉积在二氧化硅衬底上沉积220纳米厚的硅层。使用旋涂工艺以3000至5000转每分钟的速度涂覆正性光刻胶层，形成100至300纳米厚的均匀光刻胶层。

采用电子束光刻在光刻胶层上定义波导、微环谐振器和光栅耦合器的图案。电子枪产生的电子束被精确聚焦到选定区域，打断光刻胶中的聚合物链。曝光后，将晶圆浸入显影液中进行显影。定义的图案通过反应离子刻蚀转移到硅层，在包含六氟化硫和八氟环丁烷气体的等离子体腔中进行。刻蚀后，通过氧等离子体灰化完全去除残留的光刻胶，得到清洁且精确的最终结构。最后使用等离子体增强化学气相沉积技术沉积保护性二氧化硅包层，覆盖整个光子结构。最终结构表现出最小的表面和侧壁粗糙度以及与原始设计规格的优异尺寸一致性，从而降低了散射引起的损耗。

为了评估硅基环形谐振器光学滤波器的性能，使用连续波可调谐激光源作为输入，同时采用光谱分析仪以高精度表征输出响应。激光源提供1495至1640纳米的波长调谐范围，具有精细的控制分辨率。激光输出耦合到单模光纤中，然后使用梯度折射率透镜聚焦到光电子芯片的输入光栅耦合器上。入射角度经过仔细调整，相对于表面法线为12度，以优化耦合效率。

图2：半径分别为2.5、3.0和3.5微米的级联微环谐振器硅基光子滤波器在下路端口的透射光谱，显示了增加半径如何影响谐振波长和峰值分布。

制造了三种不同的器件设计，每种器件都包含半径分别为2.5、3.0和3.5微米的微环谐振器。测量的光谱响应表明，增加环形半径会导致谐振波长的明显偏移以及峰值强度的变化。对于半径为2.5微米的谐振器，仅在1532和1568纳米波长处出现两个谐振峰，主谐振位于1568纳米。在这种情况下谐振峰数量有限是由于相对较大的自由光谱范围为37纳米，减少了测量窗口内的谐振数量。谐振带宽为1.99纳米，该半径的测量品质因数为787，最大透射率达到0.4。

将半径增加到3.0微米会在1505、1536、1568和1598.7纳米波长处产生四个可观察到的谐振峰，最大谐振峰出现在1598.7纳米波长处。由于自由光谱范围减小到31纳米，测量范围内变得可见的谐振峰数量增加。在这种情况下，品质因数略微增加到804，而谐振带宽保持在1.99纳米不变，最大透射率提高到0.5。对于最大的谐振器半径3.5微米，在1514、1539、1567和1593纳米波长处观察到四个谐振峰，主谐振位于1567纳米。此时自由光谱范围进一步减小到27纳米，导致谐振峰之间的光谱间距减小。最大透射率提高到0.56，而谐振带宽和品质因数与之前的情况几乎相同。

自由光谱范围是表示连续谐振之间波长间隔的关键性能参数。该参数取决于谐振波长、群折射率和环形谐振器的周长。较大的自由光谱范围导致连续谐振波长之间的间距更宽，从而降低模式密度，这在波长选择性滤波器和密集波分复用系统中特别有利，因为可以增强波长分离并最小化串扰。相反，较小的自由光谱范围导致谐振波长紧密间隔，这对于光学传感、精密滤波和锁模激光器等应用有利，在这些应用中对微小波长偏移的敏感性很重要。

品质因数是评估硅基环形谐振器性能的另一个基本参数。该参数表征了光学谐振的尖锐度和强度，代表谐振器内存储的能量与每个振荡周期耗散的能量之比。品质因数定义为谐振波长与谐振峰半高全宽的比值，决定了滤波器的分辨率。高品质因数表示在波长选择性、减少光学损耗和增强整体系统效率方面具有优异的性能。高品质因数滤波器可以高精度地传输特定波长，同时有效抑制其他波长，使其非常适合光通信、光子传感和光电子集成芯片等应用。

采用时域有限差分方法进行了全面的数值仿真，以验证实验结果并深入了解器件物理特性。仿真设置包括微环谐振器和两条直线总线波导，而省略了光栅耦合器以降低计算复杂度并专注于器件的谐振行为。所有组件均由硅材料制成，放置在二氧化硅衬底上，并包含二氧化硅上包层，以更好地复制制造的器件。

图3：（a）所提出的硅基环形谐振器结构仿真设置的透视图和（b）俯视图，显示了被封装在二氧化硅包层和二氧化硅衬底之间的三个微环谐振器与两条平行直线硅波导的耦合，以及用于场、功率和折射率测量的各种监测器的位置。

硅和二氧化硅的光学特性在电信波段内以波长相关的方式实施，这些数值从实验数据集中提取并以光谱材料文件的形式纳入仿真中。这种方法能够真实地表示波导在实际工作条件下的行为。模式源位于上波导的输入端，用于在1490至1610纳米波长范围内激发基本横向电模式。为了消除仿真边界的不需要的反射，在所有三个空间方向上应用了完美匹配层边界条件。

空间离散化采用自适应非均匀网格策略。在环形谐振器和波导之间的耦合间隙等关键区域应用10纳米的精细网格单元，因为这些区域的光场变化迅速，而在不太敏感的区域使用50纳米的粗网格单元，在不影响精度的情况下减少仿真时间。在整个仿真域中使用了多个监测器来提取有意义的数据，包括在直通和下路端口的频域功率监测器、用于观察时间行为的时域监测器，以及用于记录耦合区域和环内电场和磁场分布的场监测器。

图4：通过时域有限差分仿真获得的半径为2.5、3.0和3.5微米的环形谐振器在下路端口的透射光谱，显示出由于没有光栅耦合器损耗而比实验测量更高的透射峰值。

对三种配置（微环谐振器半径分别为2.5、3.0和3.5微米）的下路端口透射光谱仿真结果清楚地表明，在特定的谐振波长处，输入光有效地从上波导耦合到微环谐振器中，随后传输到下波导。与实验结果相比，仿真和测量中观察到的谐振波长几乎相同，表明模型与实际制造器件之间具有很强的一致性。然而，测量光谱中的谐振峰显得较低，这归因于制造结构中存在两个光栅耦合器，引入了耦合损耗并降低了整体透射率。

这项工作的主要创新在于使用级联解耦微环，与传统的单环滤波器相比，显著增强了下路端口性能。在所提出的结构中，未耦合到第一个微环的光功率继续沿总线波导传播，随后耦合到第二和第三个微环中。每个环提取额外的功率并将其传输到下路端口，导致输出功率的累积增加。微环并排排列，具有足够大的中心间距，以确保完全抑制环间耦合效应。由于这种空间分离，每个环独立运行，下路端口的总光功率可以近似为所有三个下路端口的各个功率贡献之和。

图5：级联环形谐振器中不同环形半径和激发波长的电场幅度分布（前三行）和磁场幅度分布（后三行），显示了在谐振条件下微环谐振器内的强场限制。

为了进一步研究所提出的级联微环谐振器滤波器的电磁行为，进行了仿真以可视化电场和磁场的空间分布。分析了半径为2.5、3.0和3.5微米的环形在各自谐振波长处激发时的稳态电场幅度（单位为伏特每米）和相应的磁场幅度（单位为安培每米）。在主要谐振波长处，微环谐振器内部和周围的强场限制特别明显，表明光从输入波导有效耦合到环中，随后到达下路端口。颜色条代表场的归一化强度，最大值以红色显示，最小值以蓝色显示。

图6：不同环形半径和工作波长下级联环形谐振器中的功率通量分布（单位为瓦特每平方米），显示了在谐振条件下通过下路端口的有效功率传输，每种配置的主要谐振波长处观察到最高的功率集中。

还分析了功率通量分布以评估光学性能。半径为2.5、3.0和3.5微米的结构内的仿真功率通量显示，通过下路端口的最显著功率传输发生在每种配置的主要谐振波长处，此时输入光被强烈限制并通过谐振器定向传输。功率通量分布清楚地支持了电场和磁场仿真以及光谱分析的结果，确认了所提出的光子结构在不同微环半径和波长下的高效且可调谐的滤波能力。

进行了广泛的参数研究以评估结构变化对关键性能指标的影响。系统地研究了环形半径、波导宽度、耦合间隙和耦合长度的影响，以提供优化滤波器性能的设计指南。

图7：下路端口的透射光谱，显示了（a）环形半径变化、（b）波导宽度变化、（c）耦合间隙变化和（d）耦合长度变化对滤波器性能的影响，证明了每个几何参数如何影响谐振波长、峰值幅度、带宽和自由光谱范围。

在保持波导宽度、耦合间隙和耦合长度固定的情况下增加环形半径会产生两个主要效应：透射峰幅度降低和自由光谱范围减小。这些效应的产生是因为增加半径会增大环内的光程长度，由于往返时间增加而导致更高的衰减和更低的自由光谱范围。此外，较大的半径可以减少总线波导和环中光模式之间的空间重叠，从而削弱耦合效率并降低峰值透射率。

在保持其他参数不变的情况下改变波导宽度会导致谐振峰随着宽度增加而向更长波长偏移，透射幅度降低。这种偏移是由于波导有效折射率增加，从而延长了光程长度。然而，自由光谱范围几乎保持不变，表明影响自由光谱范围的主导因素仍然是环形半径。

改变耦合间隙（即总线波导和环形谐振器之间的物理间隔）会显著影响耦合强度。随着间隙减小，光耦合变得更强，导致透射峰幅度增加和谐振带宽变宽。这种展宽的发生是因为更强的耦合允许更宽范围的波长耦合到谐振器中。对于需要窄带滤波的应用，这种展宽是不希望出现的。相反，增加间隙会降低耦合强度，缩窄带宽，并降低透射峰的幅度。

对于跑道形谐振器，耦合长度是指环形波导和相邻总线波导在近距离平行运行的物理长度，使两个波导之间能够进行光功率的倏逝耦合。随着耦合长度增加，从总线波导传输到环中的光功率增加，导致峰值幅度更高和带宽更宽，类似于减小间隙的效果。自由光谱范围不会受到耦合长度变化的显著影响，因为该参数主要取决于由环形半径确定的往返长度。

基于这些参数分析，设计人员可以微调包括环形半径、波导宽度、耦合间隙和耦合长度在内的关键参数，以满足谐振波长、透射幅度、自由光谱范围、带宽和品质因数的所需规格。在多环配置中，保持相邻环之间足够的中心间距很重要。本研究中使用了8.2微米的间距。如果间距减小到7.8微米以下，不需要的环间耦合会显著降低透射峰，增加带宽并降低品质因数。

所提出的级联微环滤波器展示了出色的光谱分辨率、低插入损耗和优异的效率，适用于先进光通信、高精度光子信号处理和新兴纳米光子系统。时域有限差分仿真结果与实验测量之间的强一致性验证了滤波器设计并确认了制造工艺的可靠性。这项工作为开发与互补金属氧化物半导体技术兼容的紧凑型高分辨率光子滤波器奠定了坚实基础，在密集波分复用、片上路由和高分辨率光信号处理等光电子集成芯片应用中具有良好的集成潜力。