引言

随着半导体技术的飞速发展，其在诸多行业中发挥了重要作用。然而，传统电子技术的局限性促使研究转向以硅基光电子为代表的光电子技术。硅基光电子具备高速、大带宽和高能效的特性，广泛应用于高速通信、光量子技术和传感领域。在这些应用中，光电子滤波器是实现波长选择和提升信噪比的核心器件。

本文介绍基于级联Mach-Zehnder干涉仪(MZI)耦合硅氮化物(Si₃N₄)谐振器的高消光光电子滤波器设计。通过级联设计，可提升消光比和光谱选择性，使其适用于量子和非线性光电子技术[1]。

光电子滤波器基础

光电子滤波器在光学系统中实现波长选择性信号处理。消光比是衡量滤波器性能的重要指标之一，对于光量子技术中需要滤除泵浦光的场景尤为重要。传统的单环谐振器由于设计限制和工艺缺陷，难以实现高消光比。

硅氮化物因其超低损耗和CMOS兼容性，成为光电子滤波器的理想材料平台。通过将MZI结构与环形谐振器结合，可以调节反馈机制，实现超过35 dB的消光比。

级联MZI耦合谐振器的仿真

开发高消光滤波器的第一步是对其光学行为进行全面仿真。利用有限元法(FEM)对Si₃N₄波导模式分布进行分析，确保在特定尺寸的波导中实现单模传输并降低损耗。

图1：(a) Si₃N₄波导的模拟模式分布；(b) 1 µm和3 µm波导宽度下TE模式分布。

为实现高消光比，设置环形谐振器的半径为100 µm，并优化反馈波导长度以实现相位匹配。仿真结果显示，随着MZI耦合谐振器级联数量增加，消光比呈线性增长。

图2：各级联MZI耦合谐振器的传输光谱。

制备工艺

级联MZI耦合谐振器采用兼容CMOS的工艺制备。通过热氧化在硅衬底上生成4 µm厚的二氧化硅(SiO₂)层，然后使用低压化学气相沉积(LPCVD)沉积500 nm厚的Si₃N₄薄膜。I-line光刻工艺定义波导结构，确保尺寸和位置的精确性。

图3：级联MZI耦合谐振器的制备工艺示意图。

为了提高波导均匀性并减少损耗，在谐振器周围加入了虚拟图形。这些图形可以缓解刻蚀时的不均问题，确保波导的高质量。

图4：(a) 单环谐振器的布局设计；(b) 四级联MZI耦合谐振器的布局设计。

器件表征

利用可调谐激光器、光纤偏振控制器和光电探测器对制备的器件进行光学测试。测量结果与仿真结果一致，显示出高消光比和窄带宽。

图5：单环和四级联MZI耦合谐振器的光学显微镜图像。

通过拟合单环谐振器的传输光谱，提取出耦合系数和内在损耗等关键参数。

图6：(a) 单环谐振器的光学显微镜图像；(b) 测量的传输光谱；(c) 放大的光谱及其拟合曲线。

级联谐振器的性能表现

四级联MZI耦合谐振器在实验中实现了35 dB的最大消光比，同时其他谐振点也表现出超过27 dB的高消光比，实验数据与仿真结果高度吻合。

图7：单环和四级联MZI耦合谐振器的传输光谱。

应用与展望

这些光电子滤波器具备高性能和可扩展性，可广泛应用于光通信、光计算以及光量子技术领域。未来可进一步探索外部驱动机制（如热调谐）以增强其适应性。

图8：不同有效折射率下四级联MZI谐振器的模拟传输光谱。

结论

基于硅氮化物平台的级联MZI耦合谐振器提供了实现高消光光电子滤波器的有效途径。该方案在保持低成本的同时，展现出稳定的性能和良好的扩展性，为复杂光电子线路的集成提供了可靠的器件基础。继续优化后，这些滤波器有望满足下一代光电子系统的需求。