CN102147497B - 提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法 - Google Patents
提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102147497B CN102147497B CN 201110073366 CN201110073366A CN102147497B CN 102147497 B CN102147497 B CN 102147497B CN 201110073366 CN201110073366 CN 201110073366 CN 201110073366 A CN201110073366 A CN 201110073366A CN 102147497 B CN102147497 B CN 102147497B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- waveguide
- silicon
- light
- raman scattering
- coupling resonance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 title claims abstract description 25
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 25
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 25
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 24
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 5
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims abstract 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 18
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 7
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 4
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 abstract description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000006854 communication Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法，该方法有四大步骤：一、在普通纯单晶硅表面下利用离子注入方法制作所需SOI基片；二、在上述SOI基片上构建提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环的几何光路结构；三、在上述几何光路结构构建硅基SOI脊形波导；四、在上述的硅基脊形波导左右两侧，分别设置p+和n+掺杂区域以形成pn结，使得受激拉曼过程持续进行，产生光增益。拉曼光增益可以有效地补偿结构中传输光的损耗，增强其作为光波导陀螺的信噪比。因此，本发明可以实现具有高灵敏度的集成化光波导陀螺，它在集成光学陀螺耦合谐振环技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种可提供受激拉曼散射光增益的耦合谐振环结构并对光损耗进行补偿的实现方式，以及这种结构在集成光学陀螺方面的应用，尤其涉及一种提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法，属于集成光学陀螺耦合谐振环技术领域。
(二)背景技术
近年来，硅基光子集成技术领域内的一系列突破性进展诸如硅基拉曼激光器、硅基高速光调制器、硅基光探测器等，极大地推动了硅基光子学逐步走向实用的领域。人们已不再怀疑硅(特别是绝缘层上的硅(SOI，Silicon on insulator))材料可以作为下一代集成光子学材料的可能性，因此，更多的研究集中在这些集成光子材料与器件的应用领域。集成光学陀螺就是其中之一。基于光电子集成和光子集成技术的快速发展，未来光学陀螺的研究呈现出集成化发展趋势，也即将光源、波导环、耦合器、调制器、探测器等集成在同一芯片中，进一步减小器件体积，降低成本，实现规模化生产。集成光波导陀螺代表了陀螺技术发展的方向，必将成为未来市场的主流。硅基耦合谐振环结构作为未来光波导陀螺中的核心器件，其性能优劣直接关系到陀螺性能优劣。很多相互独立的理论研究都显示，使用特定几何结构的耦合谐振环可以构建具有非常高灵敏度的光波导陀螺。然而，在科学实验和工程实施过程中，由于谐振环的材料性质(如光吸收与散射等)和结构特性(如弯曲半径光损耗等)都会不可避免地带来传播光的损耗，而光损耗将严重影响耦合谐振环作为光波导陀螺核心器件的性能，以致光损耗的存在使得在给定损耗以及尺寸情况下，光波导陀螺和传统光纤陀螺相比时将毫无优势可言。这就要求我们能够在耦合谐振环中引入光增益机制，以补偿以上种种原因造成的光损耗。另一方面，SOI基受激拉曼散射效应光放大器已经在实验室中实现，可以有效地对光通讯波段的光进行放大。这就为硅基耦合谐振环光增益的引入提供了一种切实可行的方式。
(三)发明内容
1、目的：本发明的目的在于提供一种提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法。这一结构可以有效地实现1.54μm波段的光增益以补偿结构中的光损耗。
2、发明内容：
本发明提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法，该方法具体步骤如下：
步骤一、利用离子注入等方法制作SOI基片作为基体材料，即在普通单晶硅表面下一定深度0.1～2μm处，制作一层厚度为0.1～1μm的二氧化硅(SiO2)薄膜。
步骤二、在上述SOI基片上设计出本发明一种提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环的几何光路结构。该结构由两部分组成：第一部分为核心部分，由一个大尺寸(等效半径R：300～600μm)的闭合回路波导(圆形、矩形或便于制作的任意闭合结构)和若干个小尺寸(等效半径r：100～200μm)的环形波导谐振腔构成。其中小尺寸的环形波导谐振腔位于大尺寸的闭合回路波导的封闭区域内，前者的波导外沿与后者的波导内沿距离很小，几乎相切，两者最接近的区域构成耦合区域；第二部分为实现信号光输入(输出)耦合功能的波导部分，即通过一条弯曲波导实现与上述大尺寸闭合回路波导之间的弱耦合，以及弯曲波导两端口之间的50∶50耦合，如图1所示。
步骤三、根据步骤二设计的几何结构，利用传统微电子加工工艺在SOI基片上制作出具有上述耦合谐振环结构的波导。该波导为硅基SOI脊形波导，其形状结构特征如图2所示(此处不包含图中所示的p+、n+掺杂区域)，自下而上分别是硅基底，氧化物埋层(一般为SiO2)，硅薄膜和突出的脊形硅波导，其中脊形部分宽度范围W：1.2～1.8μm，高度范围H：0.6～0.8μm，整个氧化物埋层以上的硅层厚度h：0.1～2μm。
步骤四、在上述核心部分的硅基脊形波导的左右两侧相隔一定距离(L：7～8μm)分别设置p+和n+掺杂区域，用以形成pn结，掺杂区域上方电极用于施加反向电压，如图2所示。pn结可以抑制由于双光子吸收产生的自由载流子对增益光的吸收效应，使得受激拉曼过程得以持续进行，从而产生光增益。这种存在掺杂区域并加载电极的波导称为有源波导，没有掺杂的成为无源波导。
3、优点及功效：本发明构建一种带有受激拉曼散射光增益机制的耦合谐振环结构的光波导陀螺。利用本发明，可以得到在1.54μm的光增益，其强度取决于泵浦光强度和外置偏压大小。理论上，本发明中由耦合谐振环几何结构引入的色散可以增强以本发明耦合谐振环结构为核心器件的光波导陀螺的灵敏度。拉曼光增益可以有效地补偿结构中传输光的损耗，增强其作为光波导陀螺的信噪比。因此，将本发明的方案实施于光波导陀螺，可以实现具有高灵敏度的集成化光波导陀螺。
(四)附图说明
图1为本发明的提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构理论设计图的俯视图。
图2为本发明的提供受激拉曼散射光增益机制的波导结构截面示意图。
图3为本发明的提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构一个实施例的俯视图。
图4为本发明的流程框图
图中符号说明如下：
R：大环等效半径；r：小环等效半径；p+：p型掺杂区；n+：n型掺杂区；
W：脊形部分宽；H：脊形部分高；h：硅层厚度；L：表示p+、n+两掺杂区之距；
图1、图3中的实线表示有源波导，虚线表示无源波导；
(五)具体实施方式
实施例：下面结合附图对本发明作进一步的描述。见图4，本发明是一种提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法，该方法具体步骤如下：
步骤一、利用离子注入等方法，通过控制离子束能量，将氧离子注入到纯单晶硅表面下，从而在其表面下1.55μm处形成一层厚度为1μm的SiO2埋层，由此制作出SOI基片。
步骤二、由于在实际微电子刻蚀过程中，图1所示的大圆环形波导实现难度过大，所以将其设计成如图3所示的等效光路。即将外围的圆形闭合回路波导替换为矩形闭合回路波导，小尺寸的环形波导谐振腔全部耦合在矩形的一条边上。图3中实线部分即为核心部分，虚线部分为实现输入(输出)信号光耦合功能部分。其尺寸为：矩形回路宽600μm，长1200μm，小尺寸的环形波导谐振腔半径r为100μm。
步骤三、采用微电子刻蚀工艺在SOI基片上制备脊型光波导，所述脊形光波导结构从下至上分别为硅衬底，氧化物埋层(SiO2)，硅薄膜和脊形波导，其各个尺寸参数可以选择为：W：1.6μm，H：0.7μm，h：1.55μm。
步骤四、如图2所示，所述有源波导需在脊型波导两旁相隔L为6.5μm距离处制作p型掺杂区和n型掺杂区，在掺杂区蒸镀电极，p型掺杂区电极接地，n型掺杂区电极施加反偏电压来驱除由于双光子吸收产生的自由载流子。此外，为引入泵浦光，需额外设计一组波导耦合器(如图3所示)，使泵浦光耦合进入环形谐振腔中。
具体工作方式为：光信号从标有“信号光”处(两个端口，呈左右对称)耦合进入环内；泵浦光从“泵浦光”处(两个端口，呈左右对称)耦合进入环内。产生相反方向传播的光信号。由于泵浦光的存在以及带有拉曼光增益的光波导，信号光在传播过程中会产生增益，即产生光放大。信号光与泵浦光经由矩形上端直波导耦合进入耦合环形谐振腔中，进而进入小环。经过干涉后的输出光由互易端口提取出来，由光探测器探测干涉光强度变化，进而得到角速度信息。
Claims (2)
1.一种提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一、利用离子注入法制作SOI基片作为基体材料，在普通纯单晶硅表面下面深度0.1～2μm处，制作一层厚度为0.1～1μm的二氧化硅薄膜；
步骤二、在上述SOI基片上构建提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环的几何光路结构；该结构由两部分组成：第一部分由一个大尺寸的等效半径R为300～600μm的闭合回路波导和复数个小尺寸等效半径r为100～200μm的环形波导谐振腔构成；该小尺寸的环形波导谐振腔位于大尺寸的闭合回路波导的封闭区域内，前者的波导外沿与后者的波导内沿距离很小，两者最接近的区域构成耦合区域；第二部分为实现信号光输入、输出耦合功能的波导部分，第二部分通过一条弯曲波导实现该弯曲波导与上述大尺寸闭合回路波导之间的弱耦合，并实现该弯曲波导两端口之间的50:50耦合；
步骤三、根据步骤二设计的几何结构，利用传统微电子加工工艺在SOI基片上制作出具有上述耦合谐振环结构的波导，该波导为硅基SOI脊形波导，其形状结构特征自下而上分别是硅基底，氧化物埋层，硅薄膜和突出的脊形硅波导；
步骤四、在上述硅基SOI脊形波导的左右两侧相隔距离为7～8μm处，分别设置p+和n+掺杂区域，用以形成pn结，掺杂区域上方电极用于施加反向电压，pn结抑制由于双光子吸收产生的自由载流子对增益光的吸收效应，使得受激拉曼过程持续进行，从而产生光增益。
2.根据权利要求1所述的提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法，其特征在于：步骤三中所述的脊形硅波导,其脊形部分宽度范围W:1.2～1.8μm，高度范围H:0.6～0.8μm，整个氧化物埋层以上的硅层厚度h：0.1～2μm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110073366 CN102147497B (zh) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | 提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201110073366 CN102147497B (zh) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | 提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102147497A CN102147497A (zh) | 2011-08-10 |
| CN102147497B true CN102147497B (zh) | 2013-05-01 |
Family
ID=44421860
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201110073366 Expired - Fee Related CN102147497B (zh) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | 提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102147497B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104270202B (zh) * | 2014-10-21 | 2016-08-17 | 武汉邮电科学研究院 | 基于受激拉曼散射效应的多波长光源 |
| CN111142270B (zh) * | 2018-11-05 | 2022-10-11 | 青岛海信激光显示股份有限公司 | 一种激光散斑消除装置及其激光显示设备 |
| CN110186447B (zh) * | 2019-05-30 | 2021-04-09 | 中国科学院半导体研究所 | 谐振式陀螺仪光波导芯片及其制备方法 |
| CN111740204B (zh) * | 2020-08-17 | 2020-11-24 | 浙江臻镭科技股份有限公司 | 一种腔体谐振抑制结构及应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4952059A (en) * | 1986-06-06 | 1990-08-28 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Reentrant fiber raman gyroscope |
| CN101048689A (zh) * | 2004-10-29 | 2007-10-03 | 康宁股份有限公司 | 光学传感器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6603593B2 (en) * | 2001-03-13 | 2003-08-05 | Jds Uniphase Corporation | Optical transmission link including raman amplifier |
-
2011
- 2011-03-25 CN CN 201110073366 patent/CN102147497B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4952059A (en) * | 1986-06-06 | 1990-08-28 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Reentrant fiber raman gyroscope |
| CN101048689A (zh) * | 2004-10-29 | 2007-10-03 | 康宁股份有限公司 | 光学传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102147497A (zh) | 2011-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10731988B1 (en) | System architecture for integrated photonics optical gyroscopes | |
| US8160404B2 (en) | High speed and low loss GeSi/Si electro-absorption light modulator and method of fabrication using selective growth | |
| Roelkens et al. | Silicon-based heterogeneous photonic integrated circuits for the mid-infrared | |
| US8824837B2 (en) | Integration of optoelectronics with waveguides using interposer layer | |
| Desiatov et al. | Silicon photodetector for integrated lithium niobate photonics | |
| CN103576413A (zh) | 一种高非线性的微环波导光器件 | |
| US9978890B1 (en) | Germanium multi-directional detector | |
| CN102147497B (zh) | 提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法 | |
| CN105180917A (zh) | 一种硅基混合集成单轴光纤陀螺光学芯片及其制备方法 | |
| US8532443B2 (en) | Integrated optical fiber gyroscope chip based on surface plasmon polariton waveguide | |
| CN104931036A (zh) | 一种铌酸锂基混合集成光纤陀螺光学芯片 | |
| US20220350090A1 (en) | Photodetector with resonant waveguide structure | |
| CN111129168B (zh) | 一种光电探测器 | |
| WO2022041550A1 (zh) | 一种雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| JP2023503645A (ja) | 性能向上のための利得調節を有するリング導波路ベースの統合フォトニクス光ジャイロスコープ | |
| CN102200613A (zh) | 一种利用弯曲波导实现偏振分束器和慢光器件集成的实现方法 | |
| CN102323646A (zh) | 光栅耦合器及其制作方法 | |
| CN105428998B (zh) | 外腔窄线宽激光器 | |
| US11506496B2 (en) | System architecture for integrated photonics optical gyroscopes | |
| CN111129201A (zh) | 一种光电探测器 | |
| CN109186598A (zh) | 一种用于新能源汽车无人驾驶的导航芯片 | |
| US9035409B2 (en) | Germanium photodetector having absorption enhanced under slow-light mode | |
| CN111308612B (zh) | 一种反mmi型波导马赫-曾德干涉器的制备方法 | |
| US9618709B2 (en) | Hybrid integration of edge-coupled chips | |
| CN206594323U (zh) | 一种基于半导体增益和石墨烯的spp装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130501 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |