滤波器是集成光子技术的主要功能器件之一，它在光谱分析、非线性光波长转换、光互连等各种光学领域中都有重要应用。以集成量子光学芯片为例，光量子计算和通信使用单光子作为基本量子，而单个光子的光场强度是非常低的，这就要求滤波器件能够有效地从噪声中将微弱的单光子信号提取出来。各种单光子源基本都要通过强泵浦光来产生单光子，为了避免使灵敏的单光子探测器受到泵浦光的影响，高消光比滤波器更为必不可少。同时，为了减少对单光子的损耗，集成光量子芯片中使用的滤波器在实现高消光比的同时插入损耗也需要更低。

马赫-泽德干涉仪（MZI）器件有一定的滤波能力，但是MZI单元器件本身的通带带宽较宽，多单元级联后尺寸过大，在实际应用中存在很多限制。集成光子的谐振型器件，如微环等，具有天然的窄带滤波功能，然而单个谐振器件的消光比一般也不够高，需要将多个器件进行级联组合来提升。而且为了应对工艺带来的误差，使各谐振器满足对齐条件，这些滤波器的每一个谐振器单元都需要增加有源调谐，这除了进一步增大了尺寸外，还带来了额外的能耗、调控难度和热串扰等问题。

近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心的董建绩教授和丹麦科学技术大学的丁运鸿副教授开展研究，首次提出并实验证明了一种基于高阶耦合纳米梁腔的光学滤波器。纳米梁本质是一种一维光子晶体谐振腔，一般是一种跟波导尺寸类似的狭窄条状梁，沿着梁的方向刻蚀了周期性的孔，并在中部引入缺陷。光场被约束在缺陷处，从而形成谐振模式。高阶纳米梁谐振腔滤波器的基本组成单元是高Q值的纳米梁谐振腔。因为纳米梁的宽度形如普通波导，在横向紧密排列时在整体保持非常小的尺寸的条件下有效提升纳米梁阶数(如图1所示)。同时，梁与梁之间的工艺误差降至最小，因此不再需要像高阶微环结构一样对每个谐振器进行单独调谐校准，大大降低了结构复杂度。

该研究提出的高消光比和低损耗的集成光子滤波器，有着优越的性能和极小的尺寸。器件尺寸仅为20 μm×10 μm，消光比高达70 dB，插入损耗低于1 dB，并且有着非常宽的阻带，不受FSR限制，展现了非常好的性能和特性(如图2)。基于半对称Fano耦合结构对纳米梁谐振腔传输效率的增强效应，纳米梁谐振腔单元拥有了能够实现更多功能的扩展能力。该工作在各种片上高消光比滤波应用中都能发挥重要作用，也特别有潜力用于集成光量子平台中的单光子源滤波应用。

图1.(a)高阶纳米梁谐振腔滤波器示意图(b)器件局部图和主要参数(c)参数渐变区的光子晶体能带

图2.(a)高阶纳米梁谐振腔滤波器SEM图(b)器件局部SEM图(c)实验装置(d)传输谱线TLS：可调谐激光器；PC：偏振控制器；DUT：测试器件；OSA：光谱分析仪。

相关研究成果近期发表在《Optics Letters》期刊上，并入选期刊亮点Editors' Pick被报道，该工作得到了国家自然科学基金项目（62075075, 61805090）的支持。

文献链接：https://doi.org/10.1364/OL.433850

[1] Z. Cheng, J. Zhang, J. Dong, and Y. Ding, "Compact high-contrast silicon optical filter using all-passive and CROW Fano nanobeam resonators," Opt. Lett. 46, 3873-3876 (2021).