CN103779769A - 一种单模半微盘谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单模半微盘谐振腔，包括分别闭合的内、外轮廓线，内、外轮廓线之间为波导（3），所述内轮廓线由用于电学连接或机械连接的扇形连接区域（2），以及实现波导宽度从窄到宽的渐变过渡曲线（1）组成，所述扇形连接区域（2）的角度小于或等于270度且大于0度。连接区域（2）最大允许270度范围的连接结构，从而连接电阻小，可实现高速响应。过渡曲线（1）可以使谐振腔波导逐渐变宽的同时保证不激发高阶模式和泄漏模式，降低腔损耗。本发明提出的半微盘谐振腔为单模工作，不会导致自由光谱范围的减小，可以满足滤波、调制等应用对光场模式的严格要求，在集成领域有众多潜在的用途，包括低能耗高速电光调制器、光学逻辑运算器件、有源滤波器、加热/调谐装置、热光开关、电/机械/光换能器等需要电学或机械连接的谐振腔结构。

Description

一种单模半微盘谐振腔

技术领域

本发明涉及集成光电子技术领域，尤其涉及一种谐振腔。

背景技术

有源微环谐振腔是集成光电子学中的重要元件，具有非常广泛的用途，涵盖滤波、调制、逻辑运算、传感、热光开关、调谐等，在集成光电子学走向商用化的过程中占据至关重要的地位。然而有源微环谐振腔的电学连接不易实现，因为重掺杂的连接结构会造成可观的光场损失，大幅降低器件性能，这是阻碍有源微环谐振腔进一步向小型化和高性能发展的主要困难之一。另一方面，部分谐振腔需要机械连接结构，以实现光波与机械波的相互作用，这迫切需要能实现低损耗机械连接的新谐振腔器件。

近年国外有部分工作致力于解决这一问题。麻省理工学院提出“绝热微环谐振腔”，它使用椭圆形内腔，在波导变宽处可以允许小范围的环内电学连接，而不造成较大的光场泄漏。但这种结构连接范围太小，导致连接电阻偏大，而速度受RC常数制约，也即电阻、电容乘积,因此电阻较大的话，就难以实现高速响应。该缺陷是受谐振腔结构的制约，难以显著改善。要实质性地解决有源微环谐振腔电学连接的困难，需要发明新的谐振腔型。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是如何增大现有谐振腔结构连接范围，减小连接电阻，从而实现高速响应。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单模半微盘谐振腔，包括分别闭合的内、外轮廓线，内、外轮廓线之间为非良导体材料的波导，或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导，其特征在于，所述内轮廓线由用于电学连接或机械连接的扇形连接区域，以及实现波导宽度从窄到宽的渐变过渡曲线组成，所述扇形连接区域的角度小于或等于270度大于0度。

电学连接和机械连接制作在扇形连接区域内，最大允许270度范围的连接结构。当连接结构和连接区域同样大时，则连接结构为充满连接区域，形成实心状，否则为空心状。

所述过渡曲线的作用是实现波导宽度从窄到宽的渐变，以保证不激发高阶模式和泄漏模式，实现单模运行。所述过渡曲线是平滑连接的曲线，包括样条曲线、插值曲线、最小变化曲线、欧拉螺线等。本发明在过渡曲线部分也可制作电学连接，但只能允许两种，也即“平板波导连接”和“侧壁光栅连接”，但是这种连接会造成损耗，而在连接区域2制作连接不会增大损耗。

所述非良导体材料包括介质、有机物等。

单模半微盘谐振腔采用倏逝场耦合方式输入光。

所述外轮廓使用圆形或者过渡曲线形。

优选地，所述的单模半微盘谐振腔的外轮廓线为圆形，外轮廓使用圆形的性能优于过渡曲线形。

优选地，所述连接区域为半圆形。

（三）有益效果

本发明的单模半微盘谐振腔由于封闭的内轮廓线由扇形连接区域以及过渡曲线组成，从而可以允许更大范围的电学或机械连接，实现更高速率，或同样大小的连接结构情况下实现更低损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为单模半微盘谐振腔的结构示意图；

图2为单模半微盘谐振腔的光场分布示意图；

图3为单模半微盘谐振腔的内轮廓线设计实例的示意图；

图4为在单模半微盘谐振腔基础上实现高速调制器的结构示意图；

图中：1、过渡曲线；2、连接区域；3、波导；4、N型硅；5、P型硅；6、N+型硅；7、P+型硅；8、本征硅；9、金属电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的单模半微盘谐振腔包括分别闭合的内、外轮廓线，内、外轮廓线之间为非良导体材料的波导3，或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导3，其特征在于，所述内轮廓线由用于电学连接或机械连接的扇形连接区域2，以及实现波导宽度从窄到宽的渐变过渡曲线1组成，所述扇形连接区域2的角度小于或等于270度且大于0度。过渡曲线1的作用是使谐振腔波导逐渐变宽的同时保证不激发高阶模式和泄漏模式，降低腔损耗，过渡曲线1是半微盘谐振腔的关键组件，决定器件整体性能；连接区域2为扇形，可使用与波导3相同的材料或填充其他材料，电学连接或机械连接可以制作在这一区域。本实施例中耦合区在下部，连接区域2在上部，如图1中所示。除此之外还可将连接区域2制作在谐振腔的左侧或者右侧，其余部分用过渡曲线1连接，使用单波导或两根波导从上（下）部输入/输出，输入方法为倏逝场耦合输入，可以通过直波导实现。

图1中所标参数，R₂为外圆半径，R₁₁为圆心到过渡曲线末端间的距离，R₁₀为圆心到过渡曲线1起点间的距离，α为左/右侧过渡曲线1对圆心所张的圆心角。本发明以半径R₂=2μm，R₁₁=1.3μm，α=90°为例，介绍具体实施方式：

本实施例中利用非线性方程组求解过渡曲线1，数学上可以证明满足方程组条件的曲线的曲率变化最小。

考虑以(R₁₀,0)为起点，以(R₁₁cosα,R₁₁sinα)为终点的过渡曲线1（可经平移、旋转满足不同起点的要求），求解以下方程组：

$\begin{array}{c}\mathrm{\κ}\left(s\right)=\frac{1}{R_{10}}+a_{1}s+a_2{s}^2+a_3{s}^3\\ \mathrm{\θ}\left(s\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\frac{1}{R_{10}}s+\frac{a_1}{2}{s}^2+\frac{a_2}{3}{s}^3+\frac{a_3}{4}{s}^4\end{array}---\left(1\right)$

$\begin{array}{c}\mathrm{\θ}\left(s_1\right)=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\α}\\ \frac{\mathrm{d\κ}}{\mathrm{ds}}\left(s_1\right)=0\end{array}---\left(2\right)$

x_n=R₁₁cosα

y_n=R₁₁sinα

其中坐标x,y采用离散迭代算法获得：

x_i=x_i-1+cos[θ((i-1)ds]ds

y_i=y_i-1+sin[θ((i-1)ds)]ds              (3)

求解未知数为a₁,a₂,a₃,s₁，按本例所给的参数R₂=2μm，R₁₁=1.3μm，R₁₀=1.5μm，α=90°，过渡曲线1如图3所示。该结构的光场分布图如图2所示，光场在整个谐振腔内均保持单模传输，且不会泄露到谐振腔中心，因此可实现大范围低损耗电学或机械连接，本征Q值高达1×10⁵。

由图2可以清晰地观察到谐振腔的中心没有光场分布，因此在这里制作电学连接不会增大损耗。模式的转换从强限制波导的基模（图中下部）的椭圆形光斑，到回音壁模式（图中上部）的瓜子型光斑，过渡平缓，损耗很小，且保持单模。

图3为本实施例公开的一种内轮廓线设计实例示意图。

在已设计好的单模半微盘谐振腔的基础上，这里以高速调制器为例，展示如何大幅提升其响应速度，如图4所示一种高速调制器，包含本发明所述的单模半微盘谐振腔，所述单模半微盘谐振腔的波导上制作有PN结，上层为P型硅5，下层为N型硅4，在单模半微盘谐振腔的连接区域2连接有电学连接机构，所述的电学连接机构上层为P+型硅7，中层为本征硅8，下层为N+型硅6，在N+型硅6上表面以及P+型硅7上表面连接有金属电极9。根据电阻与连接面积成反比的规律，大范围与波导PN结相连的电学连接可以降低接触电阻，提升RC常数限制的电学频率响应。模拟结果显示，本发明提出的结构可以使器件电阻（图中正负电极金属间电阻）下降到绝热微环谐振腔连接的近十分之一，约50Ω，因此本发明对调制速率的提升是非常显著的。下半环在图中未画出连接结构，可以采用掺杂侧壁光栅(Sidewall grating)实现连接。本例使用的参数为：N型硅4掺杂磷，浓度1×10¹⁸/cm³，P型硅5掺杂硼，浓度1×10¹⁸/cm³，N+型硅6掺杂砷，浓度1×10²⁰/cm³，P+型硅7掺杂硼，浓度1×10²⁰/cm³。

本实施例中波导上的PN结，也可以是下层为P型硅5，上层为N型硅4，在单模半微盘谐振腔的连接区域2连接有电学连接机构，所述的电学连接机构下层为P+型硅7，中层为本征硅8，上层为N+型硅6，在N+型硅6上表面以及P+型硅7上表面连接有金属电极9。

本发明在过渡曲线1部分也可制作电学连接，但只能允许两种，也即“平板波导连接”和“侧壁光栅连接”，但是这种连接会造成损耗，而在连接区域2制作连接不会增大损耗。

本发明与现有技术相比发明所带来的积极效果是使有源微环谐振腔器件允许更大范围的电学或机械连接，大幅提高调制器的频率响应，实现更高速率，或同样大小的连接结构情况下实现更低损耗。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种单模半微盘谐振腔，包括分别闭合的内、外轮廓线，内、外轮廓线之间为非良导体材料的波导（3），或非良导体材料与金属结合的表面等离子体波导（3），其特征在于，所述内轮廓线由用于电学连接或机械连接的扇形连接区域（2），以及实现波导宽度从窄到宽的渐变过渡曲线（1）组成，所述扇形连接区域（2）的角度小于或等于270度且大于0度。

2.根据权利要求1所述的单模半微盘谐振腔，其特征在于，所述扇形连接区域（2）为半圆形。

3.根据权利要求1所述的单模半微盘谐振腔，其特征在于，所述外轮廓线为圆形或过渡曲线形。

4.根据权利要求1所述的单模半微盘谐振腔，其特征在于，所述的过渡曲线（1）设有平板波导连接或者侧壁光栅连接。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的单模半微盘谐振腔，其特征在于所述过渡曲线（1）是用于平滑连接的曲线，包括样条曲线、插值曲线、最小变化曲线、欧拉螺线。

6.一种高速调制器，其特征在于，包含权利要求1至5中任意一项所述的单模半微盘谐振腔，所述单模半微盘谐振腔的波导（3）上制作有PN结，上层为P型硅（5），下层为N型硅（4），在单模半微盘谐振腔的连接区域（2）连接有电学连接结构，所述的电学连接结构上层为P+型硅（7），中层为本征硅（8），下层为N+型硅（6），在N+型硅（6）上表面以及P+型硅（7）上表面连接有金属电极（9）。

7.一种高速调制器，其特征在于，包含权利要求1至5中任意一项所述的单模半微盘谐振腔，所述单模半微盘谐振腔的波导（3）上制作有PN结，下层为P型硅（5），上层为N型硅（4），在单模半微盘谐振腔的连接区域（2）连接有电学连接结构，所述的电学连接结构下层为P+型硅（7），中层为本征硅（8），上层为N+型硅（6），在N+型硅（6）上表面以及P+型硅（7）上表面连接有金属电极（9）。

Images