硅基集成光子器件由于具有尺寸小、功耗低、抗干扰能力强等优点，近些年受到了广泛的关注，被认为是光通信技术未来发展的重要趋势之一。微环谐振腔是集成光子学设计中基础的单元器件之一，可利用其移相特性设计相位调控器件。然而由于波导损耗的存在，微环在移相的同时也会引起幅度的变化。为解决该问题，已经报道了通过对微环传输光进行干涉等操作实现一阶光学全通滤波器，在不引入幅度变化的前提下实现对信号相位的操控。然而一阶全通滤波器的相频响应和最大延时范围均受限，并不能满足实际需求。此外，虽然级联多个一阶全通滤波器可实现高阶全通滤波，然而器件的结构复杂，功耗较大。

为解决上述问题，近日华中科技大学武汉光电国家研究中心的张新亮教授和于源副教授团队在 Nanophotonics 发表了最新的研究成果，实现了一种二阶可重构的光学全通滤波器，设计的结构如图1所示。其原理可以理解为将微环直通端的带阻响应与波导传输的光干涉后转换为带通响应，然后与另一微环串联，当带通响应与第二个微环产生的带阻响应互补时，即可以实现全通响应。此外，还需要保证两个微环的FSR相等和谐振峰相互对齐，以确保系统的幅频响应是恒定的。在实现的二阶全通滤波器中，一个FSR范围内引入的相位变化是单个微环的两倍。

图1.可重构二阶全通滤波器结构示意图

基于硅光子加工平台，研究人员设计制造了可重构的二阶光学全通滤波器。通过对微环耦合系数、谐振波长和干涉臂相位进行调谐，最终实现了二阶全通滤波器。测试结果如图2中蓝线所示，在5~40GHz的频率范围内，幅频响应的抖动小于1.4dB，相位变化为3.89π，最大延时为553ps，在1550nm波长处的插入损耗为7.2dB。通过调谐微环的耦合系数，该结构还实现了二阶全通滤波器延时响应的调节，分别如图2中黑色、红色、绿色实线所示，实现的延时峰值分别为643、805和948ps。此二阶全通滤波器的相频响应也是可调谐的。如图3所示，通过调谐微环的谐振波长，可以实现二阶全通滤波器的相移区域中心从5.76GHz到38.58GHz的调谐，整个过程中幅频响应的最大抖动为1.9dB。

图2.二阶全通滤波器的测试结果

图3.二阶全通滤波器调谐性测试结果

二阶全通滤波器是实现宽带可调谐微波光子移相器的理想器件。基于该器件所实现微波光子移相器的幅频和相频响应如图4所示。该微波光子移相器的工作带宽覆盖5~40GHz，移相范围0~3.27π，最大射频功率的变化为2.4dB。

图4.基于二阶全通滤波器的微波光子移相器的测试结果

研究团队提出的该实现二阶光学全通滤波器的方法，具有向高阶光学全通滤波器拓展的潜力，有望制备出结构简单、集成度高以及功耗低的高阶光学全通滤波器，在相控阵雷达、光信号处理等方面具有潜在的重要应用。

该研究成果以 Reconfigurable second-order optical all-pass filter 为题在线发表在 Nanophotonics。其中陈宇为文章的第一作者，于源副教授为通讯作者。论文的合作作者还包括华中科技大学的徐路博士、蒋维军硕士、王琳博士、崔帅博士，以及余宇教授和张新亮教授。

论文全文链接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2022-0140

[1] Yu Chen, Lu Xu, Wei Jun Jiang, Lin Wang, Shuai Cui, Yu Yu, Yuan Yu ORCID logo and Xinliang Zhang,“Reconfigurable second-order opticalall-pass filter,” Nanophotonics, 11(13), pp. 3115-3125, 2022.