一種內外雙微環諧振器結構的製作方法

2023-06-20 14:40:42

本發明屬於光電子器件技術領域，具體涉及一種內外雙微環諧振器結構。

背景技術：

微環諧振器是一種光波在微環波導和直波導中來回偶合，從而提供光能反饋的器件，可用以實現通信與信號處理中的濾波、調製、開關及延時等功能，是一種非常重要的諧振器。

隨著光通信技術和信息產業化的迅速發展，不僅對光通信系統提出了更高的要求，對光通信器件也提出了微型化、集成化的要求。微環諧振器具有q值高、速度高、損耗低、結構簡單及尺寸小等優點，並且與集成電路製作工藝相兼容，因此微環諧振器逐漸成為了矽基光電子器件的核心元件。

微環諧振器通過在光波導上刻蝕，形成半徑為幾十微米到幾百微米的環形波導，以及與環形波導相偶合的直波導，它既可以是只有一個環的簡單結構，也可以由多個環通過串聯、並聯等方式構成陣列。當耦合進微環的光滿足環形諧振條件時，光在微環裡因為相位相同而形成正反饋，發生諧振，從另一條光波導耦合出去。反之，不滿足諧振條件的光則從原波導直接輸出，從而實現了一個上下路濾波的作用。

單微環諧振器由於其光譜響應不平坦，呈上凸形的洛倫茲分布，當器件因工藝誤差或因溫度變化而引起光譜漂移時，器件不能正常工作。為了克服單微環諧振器這個缺點，可把多個微環並聯或串聯起來形成微環諧振器陣列，適當選擇結構參量，可獲得十分平坦的「箱形」光譜響應。這種串聯或並聯方式的多環微環諧振器固然能克服單微環諧振器的缺點，但隨著環數的增加，器件整體尺寸也會逐漸增加，如何在不增加器件尺寸的情況下克服單微環諧振器的缺點，是值得研究的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種內外雙微環諧振器結構，該結構是在常規單微環諧振器的基礎上，在單個微環的內部增加一個微環，形成內外雙環的微環諧振器結構，具有諧振峰平坦和自由光譜範圍大的優點。

本發明所採用的技術方案是，一種內外雙微環諧振器結構，包括有n-sub型襯底，n-sub型襯底的頂部設置有sio2埋層，sio2埋層頂部的兩側分別設置有上側直波導和下側直波導，sio2埋層頂部的中間分別設置有外環形波導和內環形波導。

本發明的特點還在於：

n-sub型襯底的摻雜濃度為1×1014cm-3～1×1015cm-3，摻雜劑為p離子；n-sub型襯底的高度為100μm～300μm，寬度為2.1μm～2.6μm。

sio2埋層的高度為1μm～2μm，寬度為2.1μm～2.6μm。

上側直波導的摻雜濃度為1×1014cm-3～1×1015cm-3，摻雜劑為p離子；上側直波導的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm。

下側直波導的摻雜濃度為1×1014cm-3～1×1015cm-3，摻雜劑為p離子；下側直波導的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm。

外環形波導的摻雜濃度為1×1014cm-3～1×1015cm-3，摻雜劑為p離子；外環形波導的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm，半徑為3μm～10μm。

內環形波導的摻雜濃度為1×1014cm-3～1×1015cm-3，摻雜劑為p離子；內環形波導的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm，半徑為2.8μm～9.5μm。

本發明的有益效果在於：

(1)本發明的內外雙微環諧振器結構是一種新型微環諧振器結構，是在常規單微環諧振器的基礎上，在單個微環的內部增加一個微環，形成內外雙環的微環諧振器結構，改善了諧振特性，具有平坦的諧振峰。

(2)本發明的內外雙微環諧振器結構，在製作過程中只需要改變環形波導區的光刻版圖形狀，不需要增加額外的工藝，易於實現，是一種理想的微環諧振器結構。

(3)本發明的內外雙微環諧振器結構能改善諧振特性，有效增大微環諧振器的自由光譜範圍。

附圖說明

圖1是本發明一種內外雙微環諧振器結構的俯視圖；

圖2是本發明一種內外雙微環諧振器結構的截面示意圖；

圖3是常規單微環諧振器結構的俯視圖；

圖4是常規單微環諧振器結構的截面示意圖；

圖5是常規單微環諧振器結構與本發明內外雙微環諧振器結構的諧振光譜輸出對比圖。

圖中，1.n-sub型襯底，2.sio2埋層，3.上側直波導，4.下側直波導，5.外環形波導，6.內環形波導，7.環形波導。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明一種內外雙微環諧振器結構，如圖1和圖2所示，包括n-sub型襯底1，n-sub型襯底1的頂部設置有sio2埋層2，在sio2埋層頂部的兩側分別設置有上側直波導3和下側直波導4，在sio2埋層頂部的中間分別設置有外環形波導5和內環形波導6。

本發明一種內外雙微環諧振器結構主要由矽材料構成：

n-sub型襯底1的摻雜濃度為1×1014cm-3～1×1015cm-3，摻雜劑為p離子；n-sub型襯底1的高度為100μm～300μm，寬度為2.1μm～2.6μm。

sio2埋層2的高度為1μm～2μm，寬度為2.1μm～2.6μm。

上側直波導3的摻雜濃度為1×1014cm-3～1×1015cm-3，摻雜劑為p離子；上側直波導3的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm。

下側直波導4的摻雜濃度為1×1014cm-3～1×1015cm-3，摻雜劑為p離子；下側直波導4的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm。

外環形波導5的摻雜濃度為1×1014cm-3～1×1015cm-3，摻雜劑為p離子；外環形波導5的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm，半徑為3μm～10μm。

內環形波導6的摻雜濃度為1×1014cm-3～1×1015cm-3，摻雜劑為p離子；內環形波導6的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm，半徑為2.8μm～9.5μm。

常規單微環諧振器結構主要由矽材料構成，如圖3和4所示，包括n-sub型襯底1，n-sub型襯底1的頂部設置有sio2埋層2，sio2埋層頂部的兩側分別設置有上側直波導3和下側直波導4，sio2埋層頂部的中間設置有環形波導7。

本發明一種內外雙微環諧振器結構與常規單微環諧振器結構相比，其區別在於：本發明一種內外雙微環諧振器結構在單個微環的內部增加一個微環，形成內外雙微環的諧振器結構；與常規單微環諧振器結構相比，本發明一種內外雙微環諧振器結構具有諧振峰平坦和自由光譜範圍大的優點。

本發明一種內外雙微環諧振器結構的工作原理具體如下：

本發明一種內外雙微環諧振器結構是通過上側直波導3、外環形波導5、內環形波導6和下側直波導4之間的相互耦合而產生諧振，其具體工作過程如下：

當一束光波從上側直波導3進入器件後，隨著光波的傳輸，在上側直波導3與外環形波導5，以及上側直波導3與內環形波導6較近的點處會發生耦合效應，使部分光波能量從上側直波導3耦合到外環形波導5和內環形波導6中，而剩餘的光波能量仍沿著上側直波導3傳輸。當耦合到外環形波導5和內環形波導6中的光波沿著微環順時針方向進行傳輸，傳輸半周后，又有部分光波能量從外環形波導5和內環形波導6耦合到下側直波導4中，外環形波導5和內環形波導6中剩餘的光波能量繼續沿著微環順時針傳輸。當光波再傳輸半周后，與上側直波導3中的光波發生幹涉效應，使上側直波導3中的光波相干相消，而外環形波導5和內環形波導6中的光波相干相長，光波將從上側直波導3中完全耦合到外環形波導5和內環形波導6中，而上側直波導3中幾乎沒有光波傳輸，這時稱光波在微環中發生諧振，此時的外環形波導5和內環形波導6半徑與輸入光的波長之間的關係稱為諧振條件。在光波傳輸的過程中，除了上側直波導3與外環形波導5和內環形波導6，以及下側直波導4與外環形波導5和內環形波導6發生耦合效應，外環形波導5和內環形波導6之間也會發生耦合效應。

當輸入光的波長與外環形波導5和內環形波導6半徑滿足諧振條件時，該波長的光波在外環形波導5和內環形波導6中發生諧振；當輸入光的波長與外環形波導5和內環形波導6半徑不滿足諧振條件時，光波在外環形波導5和內環形波導6中傳輸一周後同樣也會與上側直波導3中的光波發生幹涉效應，使上側直波導3中的光波相干相長，而外環形波導5和內環形波導6中的光波相干相消，光波將沿著上側直波導3傳輸，外環形波導5和內環形波導6中幾乎沒有光波傳輸，此時稱光波在外環形波導5和內環形波導6中處於非諧振狀態。

常規單微環諧振器結構是通過上側直波導3、環形波導7和下側直波導4之間的相互耦合而產生諧振，其具體工作過程如下：

當一束光波從上側直波導3進入器件後，隨著光波的傳輸，在上側直波導3與環形波導7較近的點處會發生耦合效應，使得部分光波能量從上側直波導3耦合到環形波導7中，而剩餘的光波能量仍沿著上側直波導3傳輸。當耦合到環形波導7中的光波沿著微環順時針方向進行傳輸，傳輸半周后，又有部分光波能量從環形波導7耦合到下側直波導4中，環形波導7中剩餘的光波能量繼續沿著微環順時針傳輸。當光波再傳輸半周后，與上側直波導3中的光波發生幹涉效應，使得上側直波導3中的光波相干相消，而環形波導7中的光波相干相長，光波將從上側直波導3中完全耦合到環形波導7中，而上側直波導3中幾乎沒有光波傳輸，此時稱光波在微環中發生諧振，此時的環形波導7半徑與輸入光的波長之間的關係稱為諧振條件。

當輸入光的波長與環形波導7半徑滿足諧振條件時，該波長的光波在環形波導7中發生諧振；當輸入光的波長與環形波導7半徑不滿足諧振條件時，光波在環形波導7中傳輸一周後同樣也會與上側直波導3中的光波發生幹涉效應，使得上側直波導3中的光波相干相長，而環形波導7中的光波相干相消，光波將沿著上側直波導3傳輸，環形波導7中幾乎沒有光波傳輸，此時稱光波在環形波導7中處於非諧振狀態。

本發明一種內外雙微環諧振器結構在研究中發現：

通過在常規單微環諧振器的內部加入一個微環，形成內外雙微環諧振器結構，可以有效增加諧振鋒的平坦度和自由光譜範圍。這種內外雙微環諧振器結構特性與內環寬度，環間距等參數有很大的關係。通過調整內環寬度，可以控制諧振點的偏移，將兩個諧振峰間的距離拉近，形成近矩形的諧振峰光譜；通過調整環間距，可以控制環間的耦合係數，選取合適的環間距，可以形成平坦的諧振峰光譜。

本發明一種內外雙微環諧振器結構在仿真中主要針對其輸出光譜進行仿真，在仿真中發現：一種內外雙微環諧振器結構的諧振峰更平坦，自由光譜範圍更大，一種內外雙微環諧振器結構與常規單微環諧振器結構輸出光譜的對比仿真結果分別如圖5所示。

從圖5中可以看出：本發明一種內外雙微環諧振器結構的諧振峰更加平坦，諧振時光強的下降斜率更大，自由光譜範圍比常規單微環諧振器結構大了22％。

從圖5中可以看出：本發明一種內外雙微環諧振器結構的諧振波長發生了明顯的紅移，其原因是諧振條件中微環半徑與諧振波長成正比，新加入的內部微環使得光波傳輸時會在內外雙環波導中來回進行耦合，增大了光波傳輸的距離，相當於微環半徑增加，因此諧振波長增加，形成諧振峰紅移現象。

本發明一種內外雙微環諧振器結構結合理論會得出：新的結構不僅可採用內外雙環結構，也可採用多環結構，隨著環數的增加，可控制諧振點的偏移，增大消光比。本發明一種內外雙微環諧振器結構是在常規單微環諧振器的基礎上，在單個微環的內部增加一個微環，形成內外雙環的微環諧振器結構，具有諧振峰平坦和自由光譜範圍大的優點。