CN103018827A - 一种高q值微型圆形谐振腔器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高Q值微型圆形谐振腔器件，采用SOI晶片作为载体，所述SOI晶体从上到下依次为顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层；所述顶层硅器件层刻蚀有一个C型谐振腔、2个光波导、2列入射光栅和一个光子晶体阵列，其中，一个光波导的一端与C型谐振腔的开口连接，另一个光波导的一端与C型谐振腔的外周连接；光子晶体阵列由数个圆孔型空气介质柱周期性光子晶体组成，围绕C型谐振腔和光波导规则排列；每列入射光栅均由数个线性光栅纵向平行排列而成，两列入射光栅的一端分别连接两个光波导的另一端。此种器件可实现对入射光的二次选频，提高器件的Q值。本发明还公开一种高Q值微型圆形谐振腔器件的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于信息材料与器件领域，特别涉及一种基于SOI材料的高Q值微型圆形谐振腔器件及其制备方法。
背景技术
绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator，简称SOI）是一种新型的硅基功能光电子材料。从光学性能来看，悬空的SOI微纳光子器件对光场有很强的限制作用，可以实现高密度集成的光子器件。通过结合悬空光子晶体等光子器件对光场的限制，使谐振腔的Q值（品质因子）得到质的提升，为开发纳米级激光器、微型传感器等微型器件奠定了基础。
另外，SOI光子器件制备工艺与硅微电子标准COMS工艺有良好的兼容性，可以大幅降低制造成本，并实现与硅基微电子器件的单片集成。通过对光子器件的开发和集成，可以研发出速度更快、容量更高、体积更小、用途更广的光学计算机和微型传感器等仪器设备。
基于以上分析，本发明人对采用SOI材料制作谐振腔的技术进行深入研究，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种高Q值微型圆形谐振腔器件及其制备方法，其可实现对入射光的二次选频，提高器件的Q值。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种高Q值微型圆形谐振腔器件，采用SOI晶片作为载体，所述SOI晶片从上到下依次为顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层；所述顶层硅器件层刻蚀有一个带开口的谐振腔、2个光波导、2列入射光栅和一个光子晶体阵列，其中，谐振腔由中间的氧化埋层作为支撑，一个光波导的一端与谐振腔的开口连接，且该光波导的轴线与谐振腔的开口切线垂直，而另一个光波导的一端与谐振腔的外周连接，且两个光波导呈垂直设置；光子晶体阵列呈正方形，由数个圆孔型空气介质柱周期性光子晶体组成，且围绕谐振腔和光波导规则排列，并使谐振腔位于该光子晶体阵列的中心，且光波导与所述光子晶体阵列的边缘垂直；每列入射光栅均由数个线性光栅纵向平行排列而成，两列入射光栅的一端分别连接两个光波导的另一端。
上述谐振腔呈带有一开口的圆形形状。
上述氧化埋层为二氧化硅层，该层具有多个空腔，所述空腔的上表面与硅衬底层的上表面平行。
上述光波导为直线型光波导结构。
一种高Q值微型圆形谐振腔器件的制备方法，采用SOI晶片作为载体，所述SOI晶片从上到下依次为顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层；所述制备方法包括如下步骤：
（1）在顶层硅器件层表面旋涂一层电子束光刻胶层；
（2）采用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义高Q值微型圆形谐振腔器件结构，该结构包括一个带开口的谐振腔、2个光波导、2列入射光栅和一个光子晶体阵列，其中，一个光波导的一端与谐振腔的开口连接，且该光波导的轴线与谐振腔的开口切线垂直，而另一个光波导的一端与谐振腔的外周连接，且两个光波导呈垂直设置；光子晶体阵列呈正方形，由数个圆孔型空气介质柱周期性光子晶体组成，且围绕谐振腔和光波导规则排列，并使谐振腔位于该光子晶体阵列的中心，且光波导与所述光子晶体阵列的边缘垂直；每列入射光栅均由数个线性光栅纵向平行排列而成，两列入射光栅的一端分别连接两个光波导的另一端；
（3）采用离子束刻蚀或深硅刻蚀技术，将步骤（2）中的高Q值微型圆形谐振腔器件结构转移至顶层硅器件层，并刻蚀至氧化埋层；
（4）采用氧气等离子灰化方法去除顶层硅器件层的残余电子束光刻胶；
（5）采用BOE或Vapor HF刻蚀技术，去除步骤（3）中顶层硅器件层上的入射光栅、光波导和光子晶体阵列下方的氧化埋层；将谐振腔下方的二氧化硅部分刻蚀，剩余的二氧化硅形成谐振腔的支撑柱。
上述谐振腔呈带有一开口的圆形形状。
采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明利用光子晶体及微型圆形谐振腔的选频特性，将入射光波进行二次选频谐振，达到提高Q值（品质因子）的目的；
（2）本发明所提供的谐振腔器件可以用作微型激光器谐振腔、微型传感器等，其制备技术成熟，便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件。
附图说明
图1是本发明中顶层硅器件层的结构示意图；
图2是本发明的结构层次图；
图3是本发明的制备流程示意图；
图4是本发明在光学显微镜下的实物图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图2所示，本发明提供一种高Q值微型圆形谐振腔器件，采用SOI晶片作为载体，所述SOI晶片包括从上而下的三层结构，依次是顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层，以下将分别介绍。
所述氧化埋层为二氧化硅层，该层具有多个空腔，所述空腔的上表面与硅衬底层的上表面平行。
如图1所示，所述顶层硅器件层刻蚀有一个带有开口的谐振腔、2个光波导、2列入射光栅和一个光子晶体阵列，其中，入射光栅、光波导和光子晶体阵列为悬空结构，而谐振腔由中间的氧化埋层作为支撑，该谐振腔的整体形状可为不规则形态，但以带有一开口的圆形形状为最佳，下文均以此种C型谐振腔为例进行说明；光波导为直线型光波导结构，一个光波导的一端与C型谐振腔的开口连接，且该光波导的中轴线与该开口的切线相垂直，而另一个光波导的一端与C型谐振腔的外周连接，且两个光波导呈垂直设置；光子晶体阵列由数个圆孔型空气介质柱周期性光子晶体组成，且围绕C型谐振腔和光波导规则有序排列，所述光子晶体阵列外型呈正方形，C型谐振腔位于所述正方形的中心位置，且两个光波导的中轴线分别与该正方形的边垂直；每列入射光栅均由数个线性光栅纵向平行排列而成，两列入射光栅的一端分别连接两个光波导的另一端。
图4所示是本发明一种高Q值微型圆形谐振腔器件的实物图。
在本实施例中，入射光栅将外界倾斜或垂直入射的光线引入光波导中；因光子器件材料与空气介质的折射率相差较大，悬空的光波导将光波锁入并引入圆孔型空气介质柱周期性光子晶体中，通过光子晶体的选频特性，将特定频率的光选送入C型谐振腔中，C型谐振腔将光波导耦合进入的特定光波进行二次选频谐振，从而达到提高Q值的目的。
结合图3所示，本发明还提供一种前述高Q值微型圆形谐振腔器件的制备方法，包括如下步骤：
（1）在所述顶层硅器件层表面旋涂一层电子束光刻胶层；
（2）采用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义高Q值微型圆形谐振腔器件结构，其结构可参照前文以及图1所示，在此不再赘述；
（3）采用IBE（离子束刻蚀）或ICP（深硅刻蚀）技术，将步骤（2）中的高Q值微型圆形谐振腔器件结构转移至顶层硅器件层，并刻蚀至氧化埋层；
（4）采用氧气等离子灰化方法去除顶层硅器件层的残余电子束光刻胶；
（5）采用BOE或Vapor HF刻蚀技术，去除步骤（3）中顶层硅器件层上的入射光栅、光波导及光子晶体阵列下方的氧化埋层；将C型谐振腔下方的二氧化硅部分刻蚀，剩余的二氧化硅形成C型谐振腔的支撑柱。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高Q值微型圆形谐振腔器件，采用SOI晶片作为载体，所述SOI晶片从上到下依次为顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层；其特征在于：所述顶层硅器件层刻蚀有一个带开口的谐振腔、2个光波导、2列入射光栅和一个光子晶体阵列，其中，谐振腔由中间的氧化埋层作为支撑，一个光波导的一端与谐振腔的开口连接，且该光波导的轴线与谐振腔的开口切线垂直，而另一个光波导的一端与谐振腔的外周连接，且两个光波导呈垂直设置；光子晶体阵列呈正方形，由数个圆孔型空气介质柱周期性光子晶体组成，且围绕谐振腔和光波导规则排列，并使谐振腔位于该光子晶体阵列的中心，且光波导与所述光子晶体阵列的边缘垂直；每列入射光栅均由数个线性光栅纵向平行排列而成，两列入射光栅的一端分别连接两个光波导的另一端。
2.如权利要求1所述的一种高Q值微型圆形谐振腔器件，其特征在于：所述谐振腔呈带有一开口的圆形形状。
3.如权利要求1所述的一种高Q值微型圆形谐振腔器件，其特征在于：所述氧化埋层为二氧化硅层，该层具有多个空腔，所述空腔的上表面与硅衬底层的上表面平行。
4.如权利要求1所述的一种高Q值微型圆形谐振腔器件，其特征在于：所述光波导为直线型光波导结构。
5.如权利要求1所述的一种高Q值微型圆形谐振腔器件的制备方法，其特征在于：采用SOI晶片作为载体，所述SOI晶片从上到下依次为顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层；所述制备方法包括如下步骤：
（1）在顶层硅器件层表面旋涂一层电子束光刻胶层；
（2）采用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义高Q值微型圆形谐振腔器件结构，该结构包括一个带开口的谐振腔、2个光波导、2列入射光栅和一个光子晶体阵列，其中，一个光波导的一端与谐振腔的开口连接，且该光波导的轴线与谐振腔的开口切线垂直，而另一个光波导的一端与谐振腔的外周连接，且两个光波导呈垂直设置；光子晶体阵列呈正方形，由数个圆孔型空气介质柱周期性光子晶体组成，且围绕谐振腔和光波导规则排列，并使谐振腔位于该光子晶体阵列的中心，且光波导与所述光子晶体阵列的边缘垂直；每列入射光栅均由数个线性光栅纵向平行排列而成，两列入射光栅的一端分别连接两个光波导的另一端；
（3）采用离子束刻蚀或深硅刻蚀技术，将步骤（2）中的高Q值微型圆形谐振腔器件结构转移至顶层硅器件层，并刻蚀至氧化埋层；
（4）采用氧气等离子灰化方法去除顶层硅器件层的残余电子束光刻胶；
（5）采用BOE或Vapor HF刻蚀技术，去除步骤（3）中顶层硅器件层上的入射光栅、光波导和光子晶体阵列下方的氧化埋层；将谐振腔下方的二氧化硅部分刻蚀，剩余的二氧化硅形成谐振腔的支撑柱。
6.如权利要求5所述的一种高Q值微型圆形谐振腔器件的制备方法，其特征在于：所述谐振腔呈带有一开口的圆形形状。
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Application publication date: 20130403 Assignee: Jiangsu Nanyou IOT Technology Park Ltd. Assignor: Nanjing Post & Telecommunication Univ. Contract record no.: 2016320000211 Denomination of invention: High-Q-value miniature circular resonant cavity device and preparation method thereof Granted publication date: 20140806 License type: Common License Record date: 20161114 |
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