CN102621714A - Soi和聚合物混合集成的f-p谐振腔可调谐光滤波器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电子器件领域，涉及一种基于热光效应驱动的SOI和聚合物混合集成的F-P谐振腔可调谐光滤波器及其制备方法。沿着输入光信号方向依次是输入波导、由硅和聚合物交替组成的第一DBR阵列、聚合物F-P谐振腔、由硅和聚合物交替组成的第二DBR阵列、输出波导组成，且在聚合物F-P谐振腔的上表面设置有加热电极；从输入脊型波导出来的光，依次进入第一DBR阵列、F-P谐振腔和第二DBR阵列；光束在聚合物F-P谐振腔中经过多次反射、干涉，形成稳定输出的光场后，满足微腔谐振条件的特定频率值的光将由输出脊型波导输出。本发明器件可以通过使用不同的聚合物材料实现波长调谐范围的可控性，并且能实现大的调谐范围。

Description

SOI和聚合物混合集成的F-P谐振腔可调谐光滤波器及制备方法

技术领域

本发明属于光电子器件领域，具体涉及一种基于热光效应驱动的SOI和聚合物混合集成的F-P谐振腔可调谐光滤波器及其制备方法。

背景技术

F-P谐振腔可调谐滤波器的基本原理是基于F-P谐振腔的滤波特性，是人们所熟悉的多光束干涉原理。要使F-P谐振腔滤波器具有好的波长选择性，必须提高反射镜的反射率以减小输出光谱的3dB带宽，提高波长选择特性。具有分布反馈作用的多层介质膜可以制作成高反射率的分布布拉格反射镜(DBR)。F-P谐振腔的调谐即是改变其谐振频率的过程，可以通过改变谐振腔的腔长或腔体材料的折射率来实现，调谐速度也由腔长或折射率的变化速率来决定。就Si基谐振腔可调谐滤波器而言，可以用微机械的方法来调节F-P谐振腔的腔长，速度可达微秒量级；也可使用Si中的等离子体色散效应或热光效应来调节腔体的折射率。一般认为Si中的等离子体色散效应具有较快的响应速度，但这种效应较弱，实现起来较复杂，特别是利用载流子注入时热功耗使折射率向相反的方向变化，影响调谐效果。Si具有比较大的热光系数和热耗散速度，利用热光效应的Si可调谐滤波器的响应时间也能达到微秒量级，甚至可能实现MHz响应。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于SOI(Silicon on Insulator)和聚合物混合集成的F-P谐振腔热光驱动的可调谐光滤波器及其制备方法。

本发明所述的基于SOI和聚合物混合集成的F-P谐振腔热光驱动的可调谐光滤波器的结构如图1所示，其特征在于：其特征在于：沿着输入光信号方向依次是输入波导、由硅和聚合物交替组成的第一DBR阵列、聚合物F-P谐振腔、由硅和聚合物交替组成的第二DBR阵列、输出波导组成，且在聚合物F-P谐振腔的上表面设置有加热电极；输入波导、第一DBR阵列、聚合物F-P谐振腔、第二DBR阵列、输出波导均为内脊高、外脊高和脊宽相同的脊型结构，且在SOI材料的顶层硅中制作。

宽带光源发出的光耦合到输入波导中传播，从输入波导出来的光，依次进入第一DBR、F-P谐振腔和第二DBR，DBR相当于传统F-P腔中的反射镜作用，可以为F-P腔两侧提供较高的反射率以得到较小的半高全宽；光束在F-P谐振腔中经过多次反射、干涉，形成稳定输出的光场后，满足微腔谐振条件(1)的特定频率值的光将由输出波导输出。

$I_T=\frac{I_0}{1+\frac{4R{\sin }^2(\mathrm{\δ}/2)}{{(1-R)}^2}}---\left(1\right)$

其中，

为相位因子，I_T为透射光的强度，I₀为入射光的强度，R为腔体两端的反射率，n为F-P腔的有效折射率，h为F-P腔的长度，i为光线的入射倾角。

当在F-P谐振腔上面的加热电极上施加直流电压时，由于热光效应，聚合物谐振腔的折射率发生变化，微腔谐振条件也随之发生改变，此时会有另一个满足微腔谐振条件的光波输出。可见，通过施加不同的电压，就实现了对波长输出的可调谐功能。

利用聚合物材料作为F-P谐振腔，由于制备方法和材料组分不同，聚合物材料的热光系数通常是可控的，并且许多聚合物材料的热光系数要比硅材料(α＝1.86×10^-4/K)大，当在聚合物材料上制作加热电极进行调谐时，可以通过使用不同的聚合物材料实现波长调谐范围的可控性，并且能实现大的调谐范围。和以单晶硅材料为F-P谐振腔的滤波器相比大大增加了调谐范围。该结构的可调谐滤波器具有调谐范围宽、调谐精度高、结构紧凑新颖、便于和其它光学、电学元件集成的优点。

DBR和F-P谐振腔是通过刻蚀硅和旋涂聚合物工艺在输入、输出光波导方向上制作而成，本发明器件的沿入射光方向的剖视图如图2。

波导尺寸的设计：

滤波器中用于导光的波导主要是SOI脊型波导，利用大截面SOI脊型波导的单模条件

0.5＜r_s＜1，其中，t_s＝W/H_e， $r_s=h_e/H_e=(h+{\mathrm{\σ}}_0)/(H+{\mathrm{\σ}}_0)>0.5,{\mathrm{\σ}}_0=\underset{j=\mathrm{2,3}}{\mathrm{\Σ}}{c}_j/\left[k_0\sqrt{(n_1^2-n_j^2)}\right],$ $k_0=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}$ 为真空波矢；对于TE模式和TM模式，c_j可分别表示为c_j＝1和

(j＝2，3)；H和h分别代表脊型波导内脊和外脊的高度，W为脊型波导的宽度，如图3所示。n₁＝3.4736，n₂＝1以及n₃＝1.444分别是指波导芯层、上包层和下包层材料在1550nm附近处的折射率。

根据上述条件，得到了大截面脊型波导的单模临界条件如图4所示，考虑到现有材料的尺寸和实际工艺中的加工误差，当选取顶层硅为5μm厚、SiO₂埋层为2μm厚的SOI时，脊型波导的几何尺寸为H＝5μm，h＝4.1μm，W＝6μm，即图中点(h/H＝0.802，W/H＝1.2)为所设计的波导尺寸，该尺寸满足单模条件。

F-P谐振腔的设计：

F-P谐振腔滤波器的输入输出传递函数可用Airy函数表示如下：

$T_{\mathrm{Airy}}=\frac{1}{1+{\left[\frac{2F}{\mathrm{\π}}\sin \left({\mathrm{\δ}}_c\right)\right]}^2}$

其中：

称为精细因子；R是腔体两侧的反射率；δ_c＝2πn_e(λ)L_c/λ是相位因子，它和腔体的折射率n_e(λ)(或有效折射率)、长度L_c以及工作波长λ有关。

从上式可以看出，要形成着一个窄带滤波器必须具备一个合适长度的谐振腔和腔体两侧较高的反射率以提高F因子。由于聚合物材料具有比硅大的热光系数，所以采用聚合物作为腔体材料，通过对F-P谐振腔体加热，可以实现大范围的波长调谐。同时在滤波器中利用在波导谐振腔两侧上通过刻蚀至SiO₂埋层然后填充形成相同的“硅/聚合物”相互交替的周期性结构，即分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector：DBR)以增大反射率。由于此器件结构的工作机理是基于材料的热光效应并且需要具有较大范围的滤波特性，选取了一种常见的具有较大热光系数的聚合物PUR(聚亚安酯Polyurethane)，其折射率为1.48～1.49、热光系数α＝-3.3×10^-4/K。

图1所示的结构是一种强折射率对比(n_Si∶n_Polymer＝3.5∶1.48)的周期性结构。对于求解这种高折射率对比的周期折射率分布结构，我们采用传输矩阵法来求解其反射透射特性。

由于聚合物具有负的热光系数，为了实现1530nm～1560nm的滤波，滤波器应以1560nm为中心波长进行设计，DBR反射镜的设计是基于“λ/4波堆”的周期性重复，因此“硅/聚合物”对各自的厚度应满足W_si＝pλ₀/(4n_Si)，W_polymer＝qλ₀/(4n_p)，谐振腔器腔长则应满足L_c＝Nλ₀/(2n_p)，其中n_Si代表硅材料的折射率，n_p代表聚合物的折射率，λ₀入射光的中心波长。p、q及N为奇数。这里我们取p＝5，q＝5，N＝40为优化后的数值，即W_si＝560nm，W_polymer＝1.32μm，L_c＝21μm，一则可满足一般刻蚀工艺加工线宽的限制，二则可实现对窄带滤波器的性能预期。通过数值仿真，得到图5～图8。图5给出的是不同“硅/聚合物”对下DBR的反射率变化，从图中可以看出“硅/聚合物”的对数越多，DBR的反射率越高，图6可看出，此滤波器的自由光谱区(FSR，Free Spectral Range)约为35nm，理论上可实现30nm的滤波特性。图7显示在不同“硅/聚合物”对下，滤波器的3dB带宽变化情况，从以上几幅图中可看到，三对“硅/聚合物”DBR不仅具有更高反射率，更可以达到滤波器3dB带宽为0.1nm的性能。

在波导截面尺寸和滤波器结构尺寸确定后，对F-P谐振腔中聚合物的升温时折射率变化所引起的透射谱变化进行了仿真，如图8所示，从图中可以看出当温度升高95℃时，中心波长就有30nm的连续移动。

本发明所述的器件的特点：

(1)采用3对“硅/聚合物”相互交替的周期性结构，即分布布拉格反射镜以增大F-P谐振腔反射率，可以获得较窄的滤波器带宽。

(2)利用聚合物材料作为F-P谐振腔，由于聚合物材料的热光效应系数是可以调控的，并且多数大于硅材料的热光效应系数，可以通过使用不同的聚合物材料实现波长调谐范围的可控性，并且能实现大的调谐范围。

本发明所述基于SOI光波导、硅/聚合物DBR对、聚合物F-P谐振腔、热光驱动的可调谐光滤波器采用光刻、ICP刻蚀、聚合物旋涂、生长金属膜和金属膜的成形等工艺制作。

本发明所述的基于SOI光波导、F-P谐振腔、热光驱动的可调谐光滤波器的制备步骤如下：

1)选取SOI衬底，其顶层硅为(100)晶向，厚度为3～7微米，电阻率4～8Ω·cm；埋层二氧化硅的厚度为1～3微米；衬底硅的厚度200～500微米；

2)在SOI衬底的顶层硅一侧，按照所设计的器件的结构和尺寸，通过光刻、ICP刻蚀顶层硅至埋层二氧化硅，形成DBR阵列及F-P腔结构；

3)在SOI衬底的顶层硅一侧，光刻、ICP刻蚀形成脊型结构；

4)旋涂聚合物材料，旋涂的聚合物材料填充在步骤2)刻蚀出的DBR阵列及F-P腔间隙中并涂覆在整个器件表层；

5)在聚合物表面ICP刻蚀，刻蚀至顶层硅的上表面为止，形成硅与聚合物交替的DBR阵列和聚合物F-P谐振腔；

6)在聚合物F-P谐振腔的上表面用蒸发的方法制作金属铝电极；

7)用划片机划片，将制作有器件的部分从整个SOI晶片上分离出来，并对波导的端面进行抛光处理，引出电极，从而完成器件的制作。

附图说明

图1：本发明所述的基于SOI和聚合物的混合集成的F-P谐振腔可调谐光滤波器的正面结构示意图；

各部分名称为：顶层硅3、在顶层硅3上制作的脊型波导4、沿脊型波导4方向制作的第一DBR阵列5、由聚合物9构成的F-P谐振腔6、第二DBR阵列7，在F-P谐振腔6的脊型波导4区域上制作的铝电极8；DBR阵列为顶层硅3和聚合物9的交替结构；

图2：本发明所述的基于SOI光波导、聚合物F-P谐振腔的可调谐光滤波器的沿入射光方向的剖视图；

各部分名称为：衬底硅1、埋层二氧化硅2、顶层硅3、铝电极8、聚合物9；

图3：本发明所述的脊型波导的截面图；

图4：大截面脊型波导单模临界条件示意图；

图5：本发明所述的滤波器中不同“硅/聚合物”对下，DBR的反射率变化；

图6：本发明所述的滤波器三对“硅/聚合物”DBR滤波器的静态滤波特性；

图7：本发明所述的滤波器的不同“硅/聚合物”对时滤波器的透射谱及3dB带宽；

图8：本发明所述的滤波器的温度变化所引起滤波器透射谱线中心波长的移动曲线。

具体实施方式

实施例1：

由于聚合物材料的热光效应系数为负值，为了实现1530nm～1560nm的滤波，滤波器应以1560nm为中心波长进行设计，脊型波导的宽度为6微米，内脊高5微米，外脊高4.1微米。聚合物材料选用PUR，其折射率为1.48～1.49，热光效应系数为α＝-3.3×10^-4/K。DBR和F-P谐振腔的高度一致，均为顶层硅的厚度。DBR采用采用硅/聚合物3对结构，DBR的尺寸：硅的长度为560nm，聚合物的长度为1.32μm；F-P谐振腔的长度L_c＝21μm，一方面可满足一般刻蚀工艺加工线宽的限制，另一方面可实现对窄带滤波器的性能预期。谐振腔上的加热电极的形状为矩形，热电极的尺寸与F-P谐振腔的尺寸一致(21微米×6微米)，选用铝材料为加热电极，铝电极的厚度为200nm。从图6和图7中可以看出，此滤波器的FSR约为35nm，理论上可实现30nm的滤波特性，滤波器3dB带宽为0.1nm的性能。

当器件的结构尺寸设计完成后，可以采用下面的方法制作器件。

A：选取SOI衬底，参数见表1。

表1：SOI晶片材料的参数

B：在SOI衬底的顶层硅一侧，按照所设计的器件的结构和尺寸，通过光刻、ICP刻蚀顶层硅至埋层二氧化硅；

1)在SOI衬底的顶层硅一侧光刻，将要刻蚀的图形(DBR阵列与F-P腔)从掩模版上转移到SOI衬底上。光刻工艺包括涂胶、前烘、曝光、坚膜、显影。光刻胶用安智光刻胶AZ MIR-701。

2)以光刻胶为掩模层，通过ICP刻蚀顶层硅至埋层二氧化硅，刻蚀的工艺参数如表2所示，刻蚀深度为顶层硅的厚度。

表2：ICP刻蚀硅的工艺参数

通过理论计算并考虑到实际加工中对于线宽的限制，对于满足“λ/4波堆”条件，分别取p＝5，q＝5，N＝40为优化后的数值，即DBR阵列中沿入射光方向硅的长度为560nm，硅的间隙(聚合物的长度)为1.32μm，F-P腔的腔长为21μm。

C：在SOI衬底的顶层硅一侧，继续光刻、ICP刻蚀形成脊型波导结构；

1)在SOI衬底的顶层硅一侧光刻，将脊型光波导的图形从掩模版上转移到SOI衬底的顶层硅一侧，脊型光波导的轴线与DBR垂直。

2)以光刻胶为掩模层，ICP刻蚀顶层硅，刻蚀参数见表2，外脊的刻蚀深度为0.9微米，波导的宽度为6微米，内脊高5微米，外脊高4.1微米。

D：旋涂聚合物材料，转速3000rpm，时间20s，然后放入真空烘箱中120℃固化2小时。旋涂的聚合物材料会填充在步骤B中刻蚀出的硅与硅的间隙中以及整个器件的表层；

E：在器件旋涂聚合物的一侧ICP刻蚀去掉表层的聚合物，刻蚀至顶层硅的上表面为止；反应参数为：O₂流量40sccm，RF功率40～50W，对PUR材料的刻蚀速度约为0.1μm/min。

F：在聚合物F-P谐振腔上制作铝加热电极，电极的厚度为200nm；

G：用划片机划片，将制作有器件的部分从整个SOI晶片上分离出来，并对波导的端面进行抛光处理，引出电极，从而完成本发明器件的制作。

Claims (6)

1.一种基于SOI和聚合物混合集成的F-P谐振腔热光驱动的可调谐光滤波器，其特征在于：其特征在于：沿着输入光信号方向依次是输入波导、由硅和聚合物交替组成的第一DBR阵列、聚合物F-P谐振腔、由硅和聚合物交替组成的第二DBR阵列、输出波导组成，且在聚合物F-P谐振腔的上表面设置有加热电极；输入波导、第一DBR阵列、聚合物F-P谐振腔、第二DBR阵列、输出波导均为内脊高、外脊高和脊宽相同的脊型结构，且在SOI材料的顶层硅中制作；宽带光源发出的光耦合到输入波导中传播，从输入波导出来的光，依次进入第一DBR阵列、聚合物F-P谐振腔和第二DBR阵列；光束在聚合物F-P谐振腔中经过多次反射、干涉，形成稳定输出的光场后，满足微腔谐振条件(1)的特定频率值的光将由输出波导输出；

$I_T=\frac{I_0}{1+\frac{4R{\sin }^2(\mathrm{\δ}/2)}{{(1-R)}^2}}---\left(1\right)$

其中，

为相位因子，I_T为透射光的强度，I₀为入射光的强度，R为腔体两端的反射率，n为F-P腔的有效折射率，h为F-P腔的长度，i为光线的入射倾角。

2.如权利要求1所述的一种基于SOI和聚合物混合集成的F-P谐振腔热光驱动的可调谐光滤波器，其特征在于：输入波导内脊、第一DBR阵列、聚合物F-P谐振腔、第二DBR阵列和输出波导内脊的高度为顶层硅的高度。

3.如权利要求2所述的一种基于SOI和聚合物混合集成的F-P谐振腔热光驱动的可调谐光滤波器，其特征在于：输入和输出波导内脊的高度为5μm，外脊的高度为4.1μm，宽度为6μm；DBR阵列中硅的长度为560nm，聚合物的长度为1.32μm，聚合物F-P谐振腔的腔长为21μm。

4.如权利要求1所述的一种基于SOI和聚合物混合集成的F-P谐振腔热光驱动的可调谐光滤波器，其特征在于：聚合物为聚亚安酯Polyurethane，其折射率为1.48～1.49、热光系数α＝-3.3×10^-4/K。

5.如权利要求1所述的一种基于SOI和聚合物混合集成的F-P谐振腔热光驱动的可调谐光滤波器，其特征在于：第一DBR阵列和第二DBR阵列均为3对硅/聚合物相互交替的周期性结构。

6.权利要求1所述的一种基于SOI和聚合物混合集成的F-P谐振腔热光驱动的可调谐光滤波器的制备方法，其步骤如下：

1)选取SOI衬底，其顶层硅为(100)晶向，厚度为3～7微米，电阻率4～8Ω·cm；埋层二氧化硅的厚度为1～3微米；衬底硅的厚度200～500微米；

2)在SOI衬底的顶层硅一侧，按照所设计的器件的结构和尺寸，通过光刻、ICP刻蚀顶层硅至埋层二氧化硅，形成DBR阵列及F-P腔结构；

3)在SOI衬底的顶层硅一侧，光刻、ICP刻蚀形成脊型结构；

4)旋涂聚合物材料，旋涂的聚合物材料填充在步骤2)刻蚀出的DBR阵列及F-P腔间隙中并涂覆在整个器件表层；

5)在聚合物表面ICP刻蚀，刻蚀至顶层硅的上表面为止，形成硅与聚合物交替的DBR阵列和聚合物F-P谐振腔；

6)在聚合物F-P谐振腔的上表面用蒸发的方法制作金属铝电极；

7)用划片机划片，将制作有器件的部分从整个SOI晶片上分离出来，并对波导的端面进行抛光处理，引出电极，从而完成器件的制作。

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