半導體微型諧振裝置的製作方法

2023-05-25 17:35:51 4

專利名稱：半導體微型諧振裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學半導體微型諧振裝置，更具體地說，涉及一種包括一半導體微腔諧振腔、第一波導和第二波導的裝置。在第一波導中傳播的具有與微腔諧振腔失諧波長的光從第一波導中輸出；而在第一波導中傳播的具有與微腔諧振腔諧振波長的光耦合到微腔諧振腔，並從微腔諧振腔中耦合到第二波導上以從其中輸出。
關於聯合資助的研究或開發報告本工作是在合約F49620-96-1-0262和美國國家科學基金會能力早期事業開發獎(Faculty Early CareerDevelopment Award)ECS-9502475下由美國國防部高級研究項目局支持進行的。
背景技術：
在W.J.Wang等人於1992年10月8日在Elec.Lett.，Vol.28，no.21，第1967-1968頁上發表的文章「新型玻璃中的集成環形諧振腔(New Integrated Ring ResonatorIn Glass)」中描述了一種公知的光學諧振腔，這種光學諧振腔是一種玻璃形成的大環諧振腔，它用作一種針對各光學頻率的可調波長選擇濾光器。該玻璃諧振腔的光程長度(path length)約為12cm，並且具有為5的低精細度(low finesse)。該玻璃環諧振腔不適用於具有半導體器件的片上集成化。
在K.Oda等人於1994年8月在IEEE Photonics Tech.Lett.，Vol.6，no.8，第1031-1034頁上發表的文章「使用高精細度波導形雙環諧振腔的光學FDM分配實驗(AnOptical FDM Distribution Experiment Using A HighFinesse Waveguide-Type Double Ring Resonator)」中描述了另一種公知的諧振腔。該文章的頻分多路傳輸分配方案(distribution scheme)採用了一種摻雜二氧化鍺的二氧化矽雙環諧振腔，其直徑為3500μm，精細度為200。雖然該雙環諧振腔的直徑比玻璃諧振腔的直徑小，但是這種諧振腔第二個環中的較高曲折損耗(bending loss)使其尺寸無法減小。而且，所需用來獲得該裝置較高自由光譜範圍(FSR)的第二個環使製造過程很複雜。
發明概述根據本發明，業已克服了以前光學諧振裝置的缺點。本發明的光學諧振腔是一種半導體微型諧振裝置，該裝置的尺寸比以前的光學諧振腔的尺寸小得多。由於有小尺寸，所以腔的品質因數Q和該裝置的精細度F可能比以前的諧振腔高得多。另外，稱為自由光譜範圍的相鄰諧振腔之間的頻率間隔也更大。還有，由於本發明的諧振裝置由半導體材料製成，所以它適於與其他半導體器件如半導體雷射器集成在晶片內。具體地說，根據本發明，不是使諧振腔尺寸象以前裝置那樣為幾百或幾千微米，而是可能使諧振腔尺寸為幾微米至幾十微米，這能夠實現超高密度光學(photonic)集成電路，該電路的元件密度比目前可能有的已知裝置高十倍至一萬倍。
更具體地說，本發明的微型諧振裝置包括一微腔諧振腔，該諧振腔由半導體材料製成，直徑約為56000λlg/nres或更小，這裡將該裝置設計成具有一光波長的相關工作範圍；λlg是最長的工作波長，單位是μm；nres是微腔諧振腔中光的有效傳播折射率。該裝置還包括第一波導，第一波導由半導體材料製成，第一波導的一部分與微腔諧振腔相鄰設置。半導體材料製成的第二波導的一部分也與微腔諧振腔相鄰設置。在第一波導中傳播的具有與所述微腔諧振腔相諧振波長的光耦合到微腔諧振腔上，並且光從微腔諧振腔中耦合到第二波導上，用以從其中輸出。在第一波導中傳播的具有與所述微腔諧振腔失諧波長的光不耦合到微腔諧振腔上，而是連續在第一波導中傳播，用以從其中輸出。與象由兩個並列鏡或兩組反射柵構成的那些一樣的Fabry-Perot型諧振腔不同，本發明的微型諧振腔中沒有失諧光的反饋。
本發明的半導體微型諧振裝置可以使用一種弱導向裝置或一種強導向裝置。若做成一種弱導向裝置，則微腔諧振腔的直徑範圍為560λlg/nresμm～56000λlg/nresμm。若做成一種強導向裝置，則微腔諧振腔的直徑如560λlg/nresμm內的λlg/nres微米那麼小。
該半導體微型諧振裝置可以用作一個電光調製器、一個開關、一個密度調製器、一個可調濾光器、一個相位調節器、一個波分復用器和波長分割多路分配器以及其他應用。本發明的高F尤其利於用於許多這些應用，因為諧振腔可能僅需要腔長度內的π/F相移而不是π相移，由此減小了F因子所需的開關電壓。另外，本發明微型諧振腔的高精細度和大的自由光譜範圍使得多路分配應用的波長解析度高，還允許由密集的波分多路復用方案，當該裝置要用於一通信網絡或類似應用時，這些方案尤為重要。
根據以下的描述和附圖，本發明的這些和其他優點與新穎的特徵及其圖示實施例的詳細內容會被更完整地理解。
附圖簡述

圖1A是示出具有一微腔諧振腔和相鄰波導的本發明半導體微型諧振裝置幾何形狀的圖；圖1B是形成圖1A中微腔諧振腔和波導的半導體材料剖視圖；圖2A是用一紅外線光導攝象管攝象機對來自圖1A第一波導Z口的輸出所取的圖像例圖；圖2B是在輸入給第一波導的光變成與微型諧振盤諧振時，用一紅外線光導攝象管攝象機對來自圖1A第二波導和第一波導各自的Y口和Z口的輸出所取的圖像例圖；圖2C是在把輸入給第一波導的光波長調諧為與微腔諧振盤諧振時，用一紅外線光導攝象管攝象機對來自第二波導和第一波導各自的Y口和Z口的輸出所取的圖像；圖3A-D是示出10μm微腔盤、10μm微腔環、20μm微腔盤和20μm微腔環各自反射率的曲線；圖4A-B分別示出從具有10.5μm微腔盤的第二波導輸出口測出的非標準化傳輸率曲線及傳輸峰值(transmissionpeak)處的半高寬ΔλFWHM曲線；圖5示出本發明半導體微型諧振裝置的第二實施例，其中各波導在一個環或一個盤形成的微腔諧振腔的各個部分周圍有局部彎曲；圖6示出根據本發明在一弱導向裝置中形成微腔諧振腔和波導的半導體晶片層的一個實例；圖7示出根據本發明在一強導向裝置中形成微腔諧振腔和波導的半導體晶片層的另一實例；圖8是示出第一波導與微腔諧振腔之間對於一特定圓弧角的相位失配圖；圖9示出採用本發明微腔諧振腔的波長多路分解方案的一個實施例；圖10示出可用於許多不同應用場合的電可調濾光器的一個實施例；圖11A和B是示出具有任意彎曲周線的盤和環的閉環微腔各自的幾何形狀圖；圖12A-C示出蝕刻晶片的各層以形成一弱導向裝置的微腔諧振腔和波導的方法；圖13A-C示出蝕刻晶片的各層以形成一強導向裝置的微腔諧振腔和波導的方法；圖14示出具有多個輸出波導的本發明的一個實施例。
發明詳述如圖1A所示，一光學半導體微型諧振裝置10包括一微腔諧振腔12和一對波導14和16。該微腔諧振腔具有一光的工作波長範圍，其直徑約為56000λlg/nres或更小，其中λlg是光的最長工作波長，單位為μm，而nres是諧振腔中光的有效傳播折射率。例如，對於λlg＝1.5μm來說，微腔諧振腔的直徑可以為28000μm或更小。將微腔諧振腔製成一種閉環諧振腔如一盤或一環。不過，閉環諧振腔還可以具有任意彎曲的周線，其形式分別為如圖11A和B所示的扭曲盤或環。在扭曲盤或環的情況下，微腔諧振腔的有效直徑是包含諧振腔12全部區域的最小圓直徑。還應指出的是，環腔的寬度不必一致，而可以在環各處改變。
波導14有一標記為X的輸入口18和一標記為Z的輸出口20。波導16有一標記為Y的輸出口24。如圖1所示，波導14的一部分與微腔諧振腔12相鄰且相切，即沿切線方向相切。類似地，波導16的一部分與微型諧振腔12相鄰切。應指出的是，每個波導14和16鄰近微腔諧振腔12的各部分不必為切線形式，而可以是如以下參照圖8所述的那樣環繞微腔諧振腔12的一部分。另外，微腔諧振腔12可以使其側壁各部分與波導的側壁各部分共用。另一方面，微腔諧振腔12和波導可以被一間隙分開。微腔諧振腔12與波導14和16之間的間隙可以充滿空氣或者充滿一種以上折射率比空氣高的材料。在填充「間隙」的材料與形成微腔諧振腔12與波導14和16各壁或一部分壁的材料相同的實施例中，諧振腔12與波導14和16被稱為具有一公共側壁部分，而「間隙」的寬度等於該公共側壁部分的厚度。
在波導14中傳播的具有與微腔諧振腔12失諧波長的光從第一波導14的輸出口20中輸出。在波導14中傳播的具有與微腔諧振腔12諧振波長的光通過諧振波導耦合而耦合到微腔諧振腔上，以用來在諧振腔12中傳播。在微腔諧振腔12中傳播的光類似地耦合到波導16上。從微腔諧振腔12耦合到波導16上的光沿與波導14中傳播光相反的方向在波導16中傳播，這歸因於這些部件各自的方向。所以，通過微腔諧振腔12從波導14中耦合出來的諧振光將以與失諧光從第一波導14的輸出口20中傳播出的方向相同的方向從波導16的口24中輸出，用延長到彎曲部分21而與諧振腔12相鄰的部分19形成波導16，彎曲部分21又延長到具有輸出口24的直線部分22。
微型諧振裝置10由半導體材料製成，如圖1B所示，用於在具有其他半導體器件如一個半導體雷射器的片上集成化。晶片外延生長法(wafer epitaxial growth process)用來在一襯底上形成裝置10的各半導體層。如圖1B的實施例中所示，X等於0.4的AlxGa1-xAs第一鍍層28形成於GaAs襯底26上。GaAs導向層30形成於第一鍍層28上，而X等於0.4的AlxGa1-xAs第二鍍層32形成於GaAs導向層30上。本實施例中的襯底折射率為n4＝3.37。第二鍍層32和第一鍍層28各自的折射率n1和n3等於3.2，而導向層30的折射率n2為3.37。折射率n＝1表示空氣的折射率。該例中，該層的厚度為2.0μm，導向層30的厚度為0.45μm，頂部鍍層的厚度為0.25μm。
應指出的是，晶片可以由與上述材料不同的材料製成。例如，其他適用於導向層30的材料包括0≤x≤1的AlxGa1-xAs和0≤x≤1與0≤y≤1的InxGa1-x-yAsyP。適用於第一鍍層和第二鍍層的材料包括0≤x≤1與0≤y≤1的AlxGa1-xAs和AlxGa1-xN以及0≤x≤1與0≤y≤1的InxGa1-x-yAsyP。另外，第一鍍層和第二鍍層可以是透明導體如InSnO2，或者是具有比導向層折射率低的折射率的電介質材料。類似地，也可以使用襯底的各種材料。例如，InP是另一種合適的襯底材料。
製成半導體晶片之後，將一SiO2薄層澱積於該晶片上，以便提供一耐用掩模(durable mask)，該掩模能夠抗化學輔助離子束蝕刻(CAIBE)，其中該層的厚度約為2000埃。該SiO2層上塗有一PMMA保護層。電子束光刻法用來製作將微腔諧振腔12和波導14與16的外壁限定於PMMA保護層中的圖案。應指出的是，當將微腔諧振腔製成一環時，該方法也可以用來限定微腔環的內壁。電子束光刻法例如可以如下設定300pA探針電流(probe current)，50keV加速度，80μm×80μm區域，11mm工作距離。
用活性離子蝕刻把如此形成的PMMA掩模轉換為底層SiO2層。所得到的SiO2層提供一種耐用掩模，該掩模能夠抗CAIBE處理過程。該例中，可以如下設定CAIBE參數500V射束電壓，0.14mA/cm2射束電流密度，15sccm氯流速，2sccm氬流速，100℃高襯底溫度。在以上實例中，以0.1μm/min的蝕刻速度將微型諧振裝置10蝕刻至2.2μm深度。CAIBE蝕刻產生一溝槽，該溝槽限定了微腔諧振腔12和波導14與16的外壁，其中在λlg＝1.5μm的實例中，諧振腔12的直徑為10.5μm，而與諧振腔12相鄰的波導寬度為0.5μm。應指出的是，波導的寬度不必一致，而是可以在輸入和/或輸出口之一或二者附近較寬，以幫助將光耦合到裝置10上或從其上耦合出來。例如，波導14與16的每個口可以是2μm寬，向微腔諧振腔12附近逐漸變細至0.5μm。限定微腔諧振腔12和波導14與16外壁的溝槽可以約為1μm。可是，如微腔諧振腔12與以下更詳細描述用於充分諧振波導耦合的波導16相鄰部分之間的間隙一樣，本例中波導14與微腔諧振腔12相鄰部分之間的間隙僅僅約為0.1μm。由於蝕刻深度難以精確控制，所以蝕刻深度可以延長到該緩衝層28。第一鍍層28用來隔離導向層30與襯底，並且使漏洩損耗最小。
幾個關鍵的微型諧振腔設計方案參數包括耦合效率、波導散射損失和波導至襯底的漏洩損耗。耦合效率是耦合長度、波導結構和間隙尺寸的函數。對於具有強波導限定(confinement)和直徑小於或等於560λlg/nresμm的波導結構來說，要求象以上實例中所述的波導與微腔諧振腔之間的小間隙一樣有足夠的耦合效率。如以上所指出的那樣，「間隙」區內可以充滿空氣或折射率大於空氣的材料。微腔諧振腔周圍的材料——該對波導和間隙區具有通常比微腔諧振腔導向層的折射率小的折射率，以便于波導與諧振腔中光的限定。對於較好的傳輸特性來說，諧振耦合應當大於諧振腔往返腔的損耗。耦合的理想範圍通常為0.5％～3％，這取決于波導的傳播或散射損失，而波導的傳播或散射損失主要歸因於微型諧振裝置10側壁的粗糙度。對於0.5μm的波導寬度、0.45μm的波導厚度和0.1μm的間隙尺寸來說，在有效耦合長度為1μm的1.5μm工作波長下計算得到的耦合效率為2.5％。通常，最好是令間隙尺寸不大於

，其中ngap是間隙的傳播折射率。
在以上實例中，根據從各個波導的端面上測得的傳輸Fabry-Perot諧振，0.5μm波導的TM波導密度傳播或散射損失α為3.2/cm。根據該值，估計在直徑為10.5μm的微腔環諧振腔12中有1.2％的往返強損耗。應指出，盤形式的微腔諧振腔12的優點在於，波導散射損失小於微腔環諧振腔，因為與微腔環諧振腔的情況下既蝕刻外側壁又蝕刻內側壁相比，微腔盤諧振腔只蝕刻盤的外側壁。微腔盤諧振腔的散射損失可能約為微腔環諧振腔散射損失的一半。
從一光源射出的光通過一個透鏡耦合到波導14裂開的端面中，該透鏡將輸入光聚焦到波導輸入口18上。還用一透鏡再校準從波導14與16各自的輸出口20與24中輸出的光。微型諧振裝置的光源可以例如是一種可調雷射二極體。用於該諧振裝置輸入口和輸出口的透鏡可以具有例如0.55的數值孔徑和4.5mm的焦距。調節給定頻率載波雷射的寬帶高斯脈衝，用來以其基模激發波導14中傳播的光。對於微型盤諧振腔來說，由相鄰波導支持的模式尺寸必需匹配微型盤諧振腔12中傳播的啁啾坑道模式(whisperinggallery mode)(WGM)寬度。適當的模式匹配用來支持微腔盤內的單模工作狀態，並且用來優化波導與微腔盤之間的耦合。保角變換可以用來計算最小級的寬度。對於直徑為10.5μm和20.5μm的微腔盤來說，各個計算得到的WGM寬度為0.5和0.6μm。
圖2A示出用一紅外線光導攝象管攝象機對來自波導14輸出口20的光所取的圖像，其中波導14中傳播的光與微腔諧振腔12失諧。當向諧振方向調諧雷射二極體時，波導14中傳播的光開始耦合到微腔諧振腔12上，並且由此耦合到波導16上，從而如圖2B的光點34所示，使諧振光開始出現在波導16的輸出口24。當波導14中傳播的光與微腔諧振腔12相諧振時，經微腔諧振腔12從輸入波導14耦合到波導16上的諧振光如圖2C所示。具體地說，波導16輸出口24處的諧振光由光點36示出，並且是口18處輸入給波導14的光的40％-50％。
圖3A-D示出在10μm直徑微腔盤、10μm微腔環、20μm微腔盤和20μm微腔環各形式下微腔諧振腔12的波導14輸出口20處所測量的反射率。如10.5μm微腔盤的圖3A所示，諧振波長為1534.4nm、1555.6nm和1577.2nm。示於該曲線中的雜波是由所需用來去除波導14中Fabry-Perot諧振的標準化和雷射二極體輸出的10％-20％、1nm調製引起的。對於10.5μm直徑的微腔盤來說，表示諧振波長之間間距的測定自由光譜範圍(FSR)為21.6nm。對於該實例來說，所計算的反射率由下式給出1-tmax/(1+Fsin2(2πn1/λ0))其中精細度(finesse)F由F＝4RA/(1-RA)2給出，F說明了微腔諧振腔12的腔中的散射與耦合損失；最大傳輸率tmax由tmax＝(1-R)2A/(1-RA)2給出；損失由A＝exp(-α1)說明，其中1＝πD/2；D使微腔諧振腔12的外徑；R等於(1-耦合效率)；α是波導傳播率或散射損失。算出的FSR、Δλ由公式Δλ＝λ2/πDeffng給出，其中Deff是微腔諧振腔12的有效直徑，ng是模系折射率且由ng＝neff+λ(dn/dλ)給出。對於10.5μm微腔盤的情況，算出的FSR為Δλ＝21.8nm，估算的Deff為10μm，該估算值對應於0.5μm寬模(wide mode)的中央所傳播的路徑。
圖4(a)示出從10.5μm直徑微腔盤的波導16輸出口24測出的非標準化傳輸率。如圖4(b)所示，圖4(b)示出在以1555.6nm波長為中心的傳輸峰值兩端所取的精確距離掃描，半峰時全寬度ΔλFWHM為0.18nm，解析度為0.003nm。
應指出的是，當有一強波導限定或導向時，微腔諧振腔12與波導14和16之間的間隙應當非常小以有足夠的耦合效率。可是，對於給定的間隙寬度來說，通過沿微腔諧振腔12使波導彎曲一有限的距離，增強了耦合。圖5和8分別示出這樣一種微型諧振裝置設計方案。如圖5和8所示，與微腔諧振腔52相諧振的波導50中傳播的光在光程ΔS2上受到耦合，該長度ΔS2沿微腔諧振腔52的光程ΔS1彎曲。波導53類似地繞微腔諧振腔52彎曲。對於直徑為5μm而形式為微腔環的微腔諧振腔52來說，假定波導53中的光與微腔環同相，那麼對1μm(λ0＝1.55μm)的耦合長度、波導寬度a＝0.4μm、波導厚度b＝0.2μm和間隙寬度c＝0.3來說，計算出1％的耦合效率。可是，在波導50和微腔諧振腔52中傳播的光可能不同相，這歸因於一定圓弧角Θ之後的光程差ΔS2-ΔS1。將相位失配限定於π/2，給出Θ＜(λ/2n)/(r2-r1)，其中r2和r1分別是波導50和微腔諧振腔52各自的曲率半徑。另外，ΔS2-Δ1＝Θ(r2-r1)。對於本例的參數來說，耦合長度不應超出盤周線的1/10左右，以便將相位失配限制到小於π/2。
應指出的是，在圖5和8示出的實施例中，諧振光從波導53的輸出口Y中沿一方向輸出，該方向與失諧光從波導50的口Z中輸出的方向相反。不過，可以彎曲波導53，從而沿任何所需的方向輸出光。
圖6示出一弱導向微型諧振裝置10的剖視圖，該裝置可以用一微腔環諧振腔或一微腔盤諧振腔製成，這種諧振腔的直徑為560λlg/nresμm-56000λlg/nresμm。該實施例中，3-4μmAlGaAs第一鍍層56形成於一GaAs襯底58上。1.5μmAlGaAs導向層60形成於第一鍍層56上，而1.5μmAlGaAs第二鍍層62形成於導向層60上。由於一弱限制微腔諧振腔中的彎曲損耗高，所以微腔諧振腔12的直徑大約在560λlg/nresμm-56000λlg/nresμm的範圍內。該實施例中，弱導向微腔諧振腔12與波導14和16可以通過蝕刻第二鍍層62來製作，以便使散射損失較小。若導向層未受到蝕刻，則微腔諧振腔12可以由一環而不是盤來製成，從而增大模限制，而不增大散射損耗。對於一弱導向微腔諧振腔來說，將波導與微腔諧振腔分開的間隙可以比具有強導向微腔諧振腔的微型諧振腔10中所採用的間隙大。對于波導寬度a＝1.4μm、厚度b＝1.5μm、間隙c＝5μm(λlg＝1.5μm)來說，在盤直徑為1700μm的整個370μm耦合長度上實現了1％的微腔盤諧振腔到波導的耦合。
圖12A-C示出弱導向結構的其他實施例。如圖12A所示，蝕刻僅延伸到第二鍍層達一定深度，該深度小於第二鍍層的厚度。如圖12B所示，蝕刻延伸到導向層，它可以如近似一半的導向層厚度那麼深。如圖12C所示，沒有第二或頂部鍍層，蝕刻延伸到導向層，它可以如近似一半的導向層厚度那麼深。
圖7示出為強導向的微腔諧振腔的另一實施例。該實施例中，微腔諧振腔的直徑小於或等於約560λlg/nresμm。2μmAlGaAs鍍層64形成於一GaAs襯底66上，1μm AlGaAs導向層68形成於鍍層64的頂部。如上所述，對於強導向微型諧振結構來說，該模式受到非常緊密的限定(confine)，從而使微腔諧振腔12能夠具有極小的直徑。但是，小直徑和緊密的限定導致微腔諧振腔12與相鄰波導14和16之間的耦合效率更低。這樣，小於1μm(λlg＝1.5)的小間隔優選用於充分的耦合。在圖7的強導向情況下，波導側壁蝕刻得比導向層的一半厚度還深，能夠延伸至第一鍍層64。這與圖12A-C中所示的弱導向結構相反，在圖12A-C中，如從頂部測量，蝕刻最多延伸至導向層的大約一半厚度。在圖7所示的實例中，對於具有一強導向微腔盤諧振腔12且波導寬度a＝.94μm、厚度b＝1μm和間隙c＝0.2μm的微型諧振腔來說，λlg＝1.5下11μm耦合長度的耦合為1％。
強導向結構的其他實施例包括圖13A-C。第二鍍層69形成於導向層68上，蝕刻延伸到該導向層達一深度，如圖13A和B所見，該深度大於從頂部測量導向層的一半厚度。圖13C中，蝕刻延長至第一鍍層64，從而使第一鍍層受到全部或局部蝕刻。
半導體微型諧振裝置10可以用作一個電光調製器、一個開關、一個可調濾光器、一個波分復用器和/或波長分割多路分配器以及其他可能的應用。本發明的精細度F尤其利於用於許多這些應用，因為諧振腔可能僅需要π/F相移而不是π相移，由此減小了F因子所需的開關電壓。另外，由於根據本發明的半導體微型諧振腔其精細度高且自由光譜範圍大，所以該裝置可以用作一高波長解析度和寬波長調諧範圍的多路分配器，其波長調諧範圍可達到摻雜鉺光纖放大器的整個帶寬。這些因素還使本發明的諧振腔能夠用於密集的波長分割多路復用方案，當該裝置要用於一光纖通信網絡時，這些方案尤為重要。圖9和10示出幾個這些不同的應用。
圖9示出一種採用本發明半導體微型諧振裝置的多路分配器的一個實施例。從光源70發出的光被透鏡72聚焦到波導76的輸入口74中。沿波導76的長度方向將許多微腔諧振腔82、84和86(為進行說明，圖中僅示出這三個)設置在與波導76相鄰之處。雖然將圖9中的波導76表示為成直線，不過如上所述，可能能夠通過繞各個微腔諧振腔82、84和86彎曲連續長度的波導來提高耦合效率。可以將每個微腔諧振腔82、84和86製成如上所述的微腔盤或微腔環。本實施例中，每個微腔諧振腔82、84和86形成有不同的折射率和/或不同的光路周線，以使每個諧振腔具有不同的諧振。各個微腔諧振腔82、84、86的諧振是光程長度的函數，光程長度是微腔諧振腔的折射率和微腔諧振腔光路周線的函數。與每個微腔諧振腔82、84、86相鄰的是另外的波導88、92、98。如上所述，為了使從波導89、92和98中輸出的光與從波導76的口78中輸出的光方向一致，如圖9所示彎曲每個波導88、92和98。透鏡80、90、96、100可以相對一相關的波導輸出口78、89、94、99設置，以便校準從各個波導輸出的光。應指出的是，雖然透鏡在圖9中示於輸入和輸出口處，不過無需透鏡。
工作時，波導76中傳播的與微腔諧振腔82相諧振的光將通過諧振波導耦合而耦合到該諧振腔82上，並且從微腔諧振腔82經輸出口89耦合到用於輸出的波導88上。類似地，波導76中傳播的與微腔諧振腔84相諧振的光將耦合到該諧振腔84上，並且光從微腔諧振腔84經波導92耦合到輸出口94上。波導76中傳播的與微腔諧振腔86相諧振的光將耦合到該諧振腔86上，並且從微腔諧振腔86經輸出口99耦合到用於輸出的波導98上。因此，通過製作具有不同諧振波長的微腔諧振腔82、84和86，這些裝置中的每個都用來選擇在波導76中傳播的特定波長光，用以經其相關的輸出波導88、92或98輸出。在波導76中傳播的與每個微腔諧振腔失諧的光將通過波導76的輸出口78輸出。
輸出波導的數目可以大於一個。例如如圖14所示，兩個輸出波導114和116具有各自的輸出口118和120。輸入波導122、微腔諧振腔124和輸出波導118和120可以具有如上所述的結構。耦合到每個輸出波導118和120上的量可以不同，並且受到各個波導118和120與微腔諧振腔124之間不同間隙大小的調整。
圖10示出一電控可調濾光器。該裝置採用了圖1所示的微型諧振結構，該結構具有透鏡104、透鏡106和透鏡108，透鏡104用來將光聚焦到波導14的輸入口18上，透鏡106用來校準來自波導14輸出口20的光，透鏡108用來校準從波導16的輸出口24輸出的光。如以上所指出的那樣，尤其當雷射從與裝置10同在一個晶片上的另一個半導體裝置上直接耦合到裝置10上時，無需透鏡。諧振控制器110輸出一可變電壓，該電壓產生施加到微腔諧振腔12上的可變電場。所施加電場的變化引起微腔諧振腔12的折射率變化。這樣，通過藉助諧振控制器110的輸出電壓改變電場，微腔諧振腔12就可以調諧到各種諧振波長，使波導14中傳播的選擇波長光耦合到微腔諧振腔12上，這取決於其受控制器110控制的諧振波長，隨後耦合到波導16上，用以經口24輸出。微腔諧振腔12折射率的這些變化可以通過使半導體導向層中有量子井來增強。導向層內pn結的另外設置還可以通過一些載體來增強折射率的變化，這些載體由來自外加電壓在pn結處的注入電流引入。
本發明的半導體微型諧振裝置有許多應用，以上僅列出幾個應用。應指出的是，關於所述實施例列出的具體參數只是一些例子。在不脫離本發明的教導和範圍的情況下，可以改變這些參數。另外，與此處所述材料不同的半導體材料可以用來製作本發明的微型諧振裝置10。例如，可益於用氮N替代砷As。這樣，應理解的是，在所附權利要求書的範圍之內，本發明可以以不同於此處和以上所述的方案實現。
權利要求
1.一種半導體微型諧振裝置，該裝置具有含最長光波長λlg的光工作波長範圍，該裝置包括一微腔諧振腔，能夠傳播光，由半導體材料製成，直徑約為56000λlg/nres或更小，其中nres是光在該微腔諧振腔中的傳播折射率；一輸入波導，其中用來傳播光，由半導體材料製成，具有一輸入口和一輸出口，所述輸入波導的一部分與所述微腔諧振腔相鄰設置；一輸出波導，其中用來傳播光，由半導體材料製成，具有一輸出口，所述輸出波導的一部分與所述微腔諧振腔相鄰設置，其中在所述輸入波導中傳播的具有與所述微腔諧振腔失諧波長的光從所述輸入波導的所述輸出口輸出，而在所述輸入波導中傳播的具有與所述微腔諧振腔諧振波長的光耦合到所述微腔諧振腔上，並且從所述微腔諧振腔中耦合到所述輸出波導上，用以從所述輸出波導的輸出口中輸出。
2.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔是一個半導體微腔環，其外徑範圍為560λlg/nres～56000λlg/nres。
3.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔是一個半導體微腔盤，其外徑範圍為560λlg/nres～56000λlg/nres。
4.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔是一個半導體微腔環，其外徑小於或近似等於560λlg/nres。
5.如權利要求4所述的半導體微型諧振裝置，其中每個所述輸入波導和輸出波導通過一間隙與諧振腔分開，該間隙有一其中傳播光的傳播折射率ngap，其中這些波導與微腔諧振腔之間的間隙每個都小於
6.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔是一個半導體微腔盤，其直徑小於或近似等於560λlg/nres。
7.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔是一個具有任意彎曲周線的半導體閉環諧振腔，該周線限定於560λlg/nres範圍的直徑之內。
8.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔的直徑範圍為560λlg/nres～56000λlg/nres，所述微腔諧振腔和所述波導由多層半導體製成，這些多層半導體包括一襯底、設置於所述襯底之上的第一鍍層、設置於所述第一鍍層之上的導向層和設置於所述導向層之上的第二鍍層，其中導向層的折射率nres高於第一與第二鍍層每一個各自的折射率。
9.如權利要求8所述的半導體微型諧振裝置，其中通過以一圖案全部或局部蝕刻所述第二鍍層來製成所述微腔諧振腔和波導，該圖案限定所述微腔諧振腔和波導的外壁。
10.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔的直徑範圍為560λlg/nres～56000λlg/nres，所述微腔諧振腔和所述波導由多層半導體製成，這些多層半導體包括一襯底、設置於所述襯底之上的鍍層和設置於所述鍍層之上的導向層，其中所述導向層的折射率高於鍍層的折射率。
11.如權利要求10所述的半導體微型諧振裝置，其中通過以一圖案全部或局部蝕刻所述導向層來製成所述微腔諧振腔和波導，該圖案限定微腔諧振腔和波導的外壁。
12.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔的直徑小於560λlg/nres，所述微腔諧振腔和所述波導由多層半導體製成，這些多層半導體包括一襯底、設置於所述襯底之上的鍍層和設置於所述鍍層之上的導向層，其中導向層的折射率高於鍍層的折射率。
13.如權利要求12所述的半導體微型諧振裝置，其中通過用化學輔助離子束蝕刻製成所述微腔諧振腔和波導。
14.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔的直徑小於560λlg/nres，所述微腔諧振腔和所述波導由多層半導體製成，這些多層半導體包括一襯底、設置於所述襯底之上的第一鍍層、設置於所述第一鍍層之上的導向層和設置於所述導向層之上的第二鍍層，其中導向層的折射率高於所述第一和第二鍍層每一個各自的折射率。
15.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔和波導由所述多層半導體的一個晶片製成，通過以一理想的幾何形狀蝕刻所述晶片的所述第二鍍層和所述導向層來形成所述微腔諧振腔和波導的外側壁。
16.如權利要求15所述的半導體微型諧振裝置，其中所述蝕刻延伸至所述第一鍍層。
17.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述襯底由GaAs製成。
18.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述襯底由InP製成。
19.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一鍍層由AlxGa1-xAs製成，這裡0≤x≤1。
20.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一鍍層由InxGa1-x-yAsyP製成，這裡0≤x≤1且0≤y≤1。
21.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述導向層由AlxGa1-xAs製成，這裡0≤x≤1。
22.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述導向層由InxGa1-x-yAsyP製成，這裡0≤x≤1且0≤y≤1。
23.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第二鍍層由AlxGa1-xAs製成，這裡0≤x≤1。
24.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第二鍍層由InxGa1-x-yAsyP製成，這裡0≤x≤1且0≤y≤1。
25.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一和/或第二鍍層是一透明導體。
26.如權利要求25所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一和/或第二鍍層是InSnO2。
27.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一和/或第二鍍層是一種電介質材料。
28.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中導向層的折射率可由一外加電壓改變。
29.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中導向層的折射率可由一注入電流改變，以調諧所述微型諧振裝置的諧振。
30.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中導向層由具有量子阱的半導體材料製成。
31.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中導向層由具有pn結的半導體材料製成。
32.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中與所述微腔諧振腔相鄰的輸入和/或輸出波導的所述部分通常為直線形，並且與所述微腔諧振腔相切。
33.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，其中與所述微腔諧振腔相鄰的輸入和/或輸出波導的所述部分繞所述微腔諧振腔有部分彎曲。
34.如權利要求33所述的半導體微型諧振裝置，其中波導的所述彎曲部分僅彎曲一有限的圓弧角，以便將波導和微腔諧振腔中的光之間的相位失配限制到小於π/2。
35.如權利要求1所述的半導體微型諧振裝置，包括與所述微腔諧振腔相鄰設置的多個輸出波導。
36.一種半導體微型諧振裝置，該裝置具有含最長光波長λlg的光工作波長範圍，該裝置包括一微腔諧振腔，能夠傳播光，由半導體材料製成，直徑約為560λlg/nres或更小，其中nres是光在該微腔諧振腔中的傳播折射率；一輸入波導，其中用來傳播光，由半導體材料製成，具有一輸入口和一輸出口，所述輸入波導的一部分與所述微腔諧振腔相鄰設置，但被一間隙與其分開，該間隙由一小於
的相關折射率形成，這裡ngap是該間隙的傳播折射率；一輸出波導，其中用來傳播光，由半導體材料製成，具有一輸出口，所述輸出波導的一部分與所述微腔諧振腔相鄰設置，但被一小於
的間隙與其分開，這裡ngap是該間隙的傳播折射率，其中在所述輸入波導中傳播的具有與所述微腔諧振腔失諧波長的光從所述輸入波導的所述輸出口輸出，而在所述輸入波導中傳播的具有與所述微腔諧振腔諧振波長的光耦合到所述微腔諧振腔上，並且從所述微腔諧振腔中耦合到所述輸出波導上，用以從所述輸出波導的輸出口中輸出。
37.如權利要求36所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔是一個半導體微腔環。
38.如權利要求36所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔是一個半導體微腔盤。
39.如權利要求36所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔是有任意彎曲周線的半導體閉環諧振腔。
40.如權利要求36所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔和所述波導由多層半導體製成，這些多層半導體包括一襯底、設置於所述襯底之上的第一鍍層、設置於所述第一鍍層之上的導向層和設置於所述導向層之上的第二鍍層，其中所述導向層的折射率高於第一與第二鍍層每一個各自的折射率。
41.如權利要求40所述半導體微型諧振裝置，其中通過以一圖案全部或局部蝕刻所述頂部鍍層製成所述微腔諧振腔和波導，該圖案限定所述微腔諧振腔和波導的外壁。
42.如權利要求40所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔和波導由所述多層半導體的一個晶片製成，通過以一理想的幾何形狀蝕刻所述晶片的所述鍍層和所述導向層來形成所述微腔諧振腔和波導的外側壁。
43.如權利要求42所述的半導體微型諧振裝置，其中所述蝕刻延伸至所述第一鍍層。
44.如權利要求36所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔和所述波導由多層半導體製成，這些多層半導體包括一襯底、設置於所述襯底之上的鍍層和設置於所述鍍層之上的導向層，其中導向層的折射率高於鍍層的折射率。
45.如權利要求44所述的半導體微型諧振裝置，其中通過以一圖案全部或局部蝕刻導向層來製成所述微腔諧振腔和波導，該圖案限定微腔諧振腔和波導的外壁。
46.如權利要求40所述的半導體微型諧振裝置，其中所述襯底由GaAs製成。
47.如權利要求40所述的半導體微型諧振裝置，其中所述襯底由InP製成。
48.如權利要求40所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一鍍層由AlxGa1-xAs製成，這裡0≤x≤1。
49.如權利要求40所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一鍍層由InxGa1-x-yAsyP製成，這裡0≤x≤1且0≤y≤1。
50.如權利要求40所述的半導體微型諧振裝置，其中所述導向層由AlxGa1-xAs製成，這裡0≤x≤1。
51.如權利要求40所述的半導體微型諧振裝置，其中所述導向層由InxGa1-x-yAsyP製成，這裡0≤x≤1且0≤y≤1。
52.如權利要求40所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第二鍍層由AlxGa1-xAs製成，這裡0≤x≤1。
53.如權利要求40所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第二鍍層由InxGa1-x-yAsyP製成，這裡0≤x≤1且0≤y≤1。
54.如權利要求36所述的半導體微型諧振裝置，其中與所述微腔諧振腔相鄰的輸入和/或輸出波導的所述部分通常為直線形，並且與所述微腔諧振腔相切。
55.如權利要求36所述的半導體微型諧振裝置，其中與所述微腔諧振腔相鄰的輸入和/或輸出波導的所述部分繞所述微腔諧振腔有部分彎曲。
56.如權利要求55所述的半導體微型諧振裝置，其中波導的所述彎曲部分僅彎曲一有限的圓弧角，以便將波導和微腔諧振腔中的光之間的相位失配限制到小於π/2。
57.一種半導體微型諧振裝置，包括一微腔諧振腔，能夠傳播光，由半導體材料製成，所述微腔諧振腔可受到電調諧以改變其諧振；一輸入波導，其中用來傳播光，由半導體材料製成，具有一輸入口和一輸出口，所述輸入波導的一部分與所述微腔諧振腔相鄰設置；一輸出波導，其中用來傳播光，由半導體材料製成，具有一輸出口，所述輸出波導的一部分與所述微腔諧振腔相鄰設置，其中在所述輸入波導中傳播的具有與所述微腔諧振腔失諧波長的光從所述輸入波導的所述輸出口輸出，而在所述輸入波導中傳播的具有與所述微腔諧振腔諧振波長的光耦合到所述微腔諧振腔上，並且從所述微腔諧振腔中耦合到所述輸出波導上，用以從所述輸出波導的輸出口中輸出。
58.如權利要求57所述的半導體微型諧振裝置，包括一控制器，該控制器用來將一電場施加給所述微腔諧振腔以改變其諧振。
59.如權利要求57所述的半導體微型諧振裝置，具有含最長光波長λlg的光工作波長範圍，其中所述微腔諧振腔是一半導體微腔環，該半導體微腔環的外徑範圍為560λlg/nres～56000λlg/nres，這裡nres是該微腔諧振腔中光的傳播折射率。
60.如權利要求57所述的半導體微型諧振裝置，具有含最長光波長λlg的光工作波長範圍，其中所述微腔諧振腔是一半導體微腔盤，該半導體微腔盤的直徑範圍為560λlg/nres～56000λlg/nres，這裡nres是該微腔諧振腔中光的傳播折射率。
61.如權利要求57所述的半導體微型諧振裝置，具有含最長光波長λlg的光工作波長範圍，其中所述微腔諧振腔是一半導體微腔環，該半導體微腔環的外徑小於或近似等於560λlg/nres，這裡nres是該微腔諧振腔中光的傳播折射率。
62.如權利要求61所述的半導體微型諧振裝置，其中每個所述輸入波導和輸出波導通過一間隙與諧振腔分開，該間隙有一折射率ngap，其中這些波導與微腔諧振腔之間的間隙每個都小於
63.如權利要求57所述半導體微型諧振裝置，具有含最長光波長λlg的光工作波長範圍，其中所述微腔諧振腔是一半導體微腔盤，該半導體微腔盤的直徑小於或近似等於560λlg/nres，這裡nres是該微腔諧振腔中光的傳播折射率。
64.如權利要求57所述的半導體微型諧振裝置，包括多個所述輸出波導，每個輸出波導都與所述微腔諧振腔相鄰設置。
65.如權利要求57所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔和所述波導由多層半導體製成，這些多層半導體包括一襯底、設置於所述襯底之上的第一鍍層、設置於所述第一鍍層之上的導向層和設置於所述導向層之上的第二鍍層，其中所述導向層的折射率高於第一與第二鍍層每一個各自的折射率。
66.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中通過以一圖案全部或局部蝕刻所述頂部鍍層來製成所述微腔諧振腔和波導，該圖案限定所述微腔諧振腔和波導的外壁。
67.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔和波導由所述多層半導體的一個晶片製成，所述微腔諧振腔和波導的外側壁由所述多層半導體的一個晶片製成，通過以一理想的幾何形狀蝕刻所述晶片的所述鍍層和所述導向層來形成所述微腔諧振腔和波導的外側壁。
68.如權利要求67所述的半導體微型諧振裝置，其中所述蝕刻延伸至所述第一鍍層。
69.如權利要求57所述的半導體微型諧振裝置，其中所述微腔諧振腔和所述波導由多層半導體製成，這些多層半導體包括一襯底、設置於所述襯底之上的鍍層和設置於所述鍍層之上的導向層，其中導向層的折射率高於鍍層的折射率。
70.如權利要求69所述的半導體微型諧振裝置，其中通過以一圖案全部或局部蝕刻導向層來製成所述微腔諧振腔和波導，該圖案限定微腔諧振腔和波導的外壁。
71.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述襯底由GaAs製成。
72.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述襯底由InP製成。
73.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一鍍層由AlxGa1-xAs製成，這裡0≤x≤1。
74.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一鍍層由InxGa1-x-yAsyP製成，這裡0≤x≤1且0≤y≤1。
75.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述導向層由AlxGa1-xAs製成，這裡0≤x≤1。
76.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述導向層由InxGa1-x-yAsyP製成，這裡0≤x≤1且0≤y≤1。
77.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第二鍍層由AlxGa1-xAs製成，這裡0≤x≤1。
78.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第二鍍層由InxGa1-x-yAsyP製成，這裡0≤x≤1且0≤y≤1。
79.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一和/或第二鍍層是一透明導體。
80.如權利要求79所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一和/或第二鍍層是InSnO2。
81.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述第一和/或第二鍍層是一種透明電介質材料。
82.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中導向層的折射率可由一外加電壓改變。
83.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中導向層的折射率可由一注入電流改變，以調諧所述微型諧振裝置的諧振。
84.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中導向層由具有量子阱的半導體材料製成。
85.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中導向層由具有pn結的半導體材料製成。
86.如權利要求57所述的半導體微型諧振裝置，其中與所述微腔諧振腔相鄰的輸入和/或輸出波導的所述部分通常為直線形，並且與所述微腔諧振腔相切。
87.如權利要求57所述的半導體微型諧振裝置，其中與所述微腔諧振腔相鄰的輸入和/或輸出波導的所述部分繞所述微腔諧振腔有部分彎曲。
88.如權利要求87所述的半導體微型諧振裝置，其中波導的所述彎曲部分僅彎曲一有限的圓弧角，以便將波導和微腔諧振腔中的光之間的相位失配限制到小於π/2。
89.如權利要求65所述的半導體微型諧振裝置，其中所述導向層由AlxGa1-xN製成，這裡0≤x≤1。
90.如權利要求14所述的半導體微型諧振裝置，其中所述導向層由AlxGa1-xN製成，這裡0≤x≤1。
全文摘要
一種光學半導體微型諧振裝置,包括一微腔諧振腔(12)和一對相鄰的波導(14,16)。該微腔諧振腔具有一彎曲的直徑,該直徑約為56000λ
文檔編號H01S5/343GK1257614SQ98805310
公開日2000年6月21日 申請日期1998年4月27日 優先權日1997年5月20日
發明者何盛中, 德亞納·拉菲扎德 申請人:西北大學