CN104242052B - 环形腔器件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种环形腔器件，包括无源环形波导以及与所述无源环形波导平面耦合的输入输出波导，还包括与所述无源环形波导和/或输入输出波导垂直耦合的有源波导结构，所述有源波导结构对无源环形波导提供损耗补偿。本发明还提供一种环形腔器件的制作方法。本发明可通过垂直耦合或者混合耦合（先垂直耦合然后平面耦合）使环形腔器件获得部分增益，从而补偿该环形腔器件内的损耗，提高其品质因子。

Description

环形腔器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体腔光学器件，尤其涉及一种环形腔器件及其制作方法。
背景技术
环形腔作为一种行波腔，鉴于与驻波腔相比与生俱来的优越性，使得其无论是作为无源线性器件（如滤波器、色散补偿器和传感器）、有源线性器件（如激光器、调制器还是探测器）还是非线性器件（腔量子电动力学）都有着广泛的应用。特别是无源环形腔，鉴于其没有增益竞争导致的互相耦合，可以实现高品质行波，因此可获得高的波长选择性以及慢光行为，在诸多领域有着广泛的用途（包括激光器、光学陀螺等）。因此，诸多材料如玻璃、聚合物、SOI、SiN、SiO2、Si、LiNbO3、III-V等都用来制备无源环形腔，但是无一例外的，环形腔损耗成为其实现高性能无源环形腔的制约因素。
为了减少损耗，采用大直径环、矩形腔、低折射率透明材料来制备环形腔，虽然某种措施的采用会在一定程度上减少损耗，提高器件性能，但一方面该种改变同时也会对器件带来相应的其他问题，折衷成为最终选择；另一方面散射损耗是采用任何途径消除不了的损耗，成为该类器件性能的最终制约因素。
因此，如何设计出一种环形腔，可降低甚至消除腔内损耗、提高环形腔的品质因子，使得环形腔达到功能极致，成为新的研发方向。
发明内容
本发明针对此问题，提供了一种环形腔器件及其制作方法。
本发明公开了一种环形腔器件，包括无源环形波导以及与所述无源环形波导平面耦合的输入输出波导，还包括与所述无源环形波导和/或输入输出波导垂直耦合的有源波导结构。该处的垂直耦合，是指有源波导结构位于无源环形波导和/或输入输出波导的上方或下方。
优选的，在上述的环形腔器件中，所述有源波导结构对无源环形波导提供增益以补偿损耗。该处的损耗补偿，包括对无源环形波导的损耗提供部分或全部的补偿，可以是直接与无源环形波导耦合为其提供补偿，也可以是与输入输出波导耦合通过输入输出波导与环形腔的耦合进一步为无源环形波导提供补偿。
优选的，在上述的环形腔器件中，所述有源波导结构至少覆盖于所述无源环形波导的部分上表面，所述有源波导结构包括依次形成于所述无源环形波导上表面的隔离层、有源增益层、包覆层和接触层。
优选的，在上述的环形腔器件中，所述隔离层的材质为InP，所述有源增益层的材质为In(Ga)As(P)，所述包覆层的材质为InP，所述接触层的材质为InGaAs。
优选的，在上述的环形腔器件中，所述有源波导结构形成于所述输入输出波导的第一位置上，所述输入输出波导与所述无源环形波导在第一位置耦合 。
优选的，在上述的环形腔器件中，所述有源波导结构包括依次形成于所述输入输出波导上表面的隔离层、有源增益层、包覆层和接触层。
优选的，在上述的环形腔器件中，所述隔离层的材质为InP，所述有源增益层的材质为In(Ga)As(P)，所述包覆层的材质为InP，所述接触层的材质为InGaAs。
相应地，本发明还公开了一种环形腔器件的制作方法，包括步骤：
s1、在衬底上依次生长缓冲层、无源波导层、隔离层、有源增益层、包覆层和接触层；
s2、对步骤s1的结构进行刻蚀，形成具有垂直耦合结构的环形波导和输入输出波导。
优选的，在上述的环形腔器件的制作方法中，还包括对所述环形波导进一步刻蚀，以部分暴露出隔离层，形成无源环形波导以及位于该无源环形波导上方的有源波导结构。
优选的，在上述的环形腔器件的制作方法中，还包括对所述输入输出波导进一步刻蚀，以暴露出第一位置以外隔离层，形成无源输入输出波导以及位于第一位置上的有源波导结构，所述无源输入输出波导与所述环形波导在第一位置耦合。
优选的，在上述的环形腔器件的制作方法中，所述衬底的材质选自Si衬底、GaAs衬底、InP衬底或GaN衬底；所述缓冲层的材质为InP，所述无源波导层的材质为InGaAsP、InGaAlAs或InGaNAs；所述隔离层的材质为InP；所述有源增益层的材质为In(Ga)As(P)；所述包覆层的材质为InP;所述接触层的材质为InGaAs。
本发明的环形腔器件及其制作方法，通过采用有源垂直耦合结构制备无源环形腔，使得该无源环形腔的部分波导区域可通过垂直耦合或者混合耦合获得部分增益，从而补偿该无源环形腔内损耗，但不影响该无源环形腔的其他结构和性能，进而真正获得低损耗甚至零损耗无源环形腔，增加环形腔的品质因子，提高环形腔性能甚至达到功能极致。
附图说明
图1是本发明中环形腔器件的材料结构的实施例示意图。
图2A到图2G是为本发明中首次光刻的波导图案的实施例示意图。
图3为本发明中一次光刻和刻蚀后形成的基于有源垂直耦合结构的环形波导和输入输出波导立体示意图。
图4A到图4E是所示为本发明中完成二次光刻和刻蚀后的环形波导和输入输出波导的平面示意图。
图5是图4A的立体示意图。
图6为本发明中环形波导及输入输出波导回路经介质膜钝化后的结构立体示意图。
图7为环形腔器件的成品结构立体示意图。
图8为本发明所述方法具体实施方式的步骤示意图。
图9为本发明环形腔的品质因子随有源区提供增益比例的变化关系图。
图10A到图10D为基于该环形腔单元的光子集成回路实施例示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明中环形腔器件的材料结构实施例示意图，包括在衬底1上依次生长的缓冲层2、无源波导层3、隔离层4、有源增益层5、包覆层6和接触层7，构成有源垂直耦合结构。其中，由接触层7到隔离层4形成有源波导部分，由隔离层4到无源波导层3形成无源波导结构。无源波导层3、隔离层4和有源增益层5一起构成有源垂直耦合结构的核心层。该有源垂直耦合结构作为构成波导结构（环形波导和输入输出波导）的核心组成部分，用以提供增益补偿所述环形腔内部损耗，从而获得高品质因子。
其中，衬底1可以选自Si衬底、GaAs衬底、InP衬底或GaN衬底中的一种。以InP衬底为例：
在InP衬底上生长InP缓冲层、无源波导层、InP隔离层和有源增益层、InP包覆层和InGaAs接触层。其中InP衬底根据需要可以是P型衬底、N型衬底或者半绝缘衬底，无源波导层根据需要可以是1.0-1.5微米的InGaAsP材料、InGaAlAs材料或者InGaNAs材料等，该无源波导层3的厚度需根据无源环形腔的要求确定，通常在0.2-20微米之间，掺杂浓度和种类根据衬底种类和环形腔的要求确定；InP隔离层根据无源环形腔的需求和衬底掺杂种类确定，一般厚度在0.1-30微米；有源增益层根据环形腔需求，一般是波长为1.3-1.65微米的In(Ga)As(P)体材料，还可以为In(Ga)As(P)/In(Ga)As(P)多量子阱、或In(Ga)As(P)/InGa(Al)As多量子阱；InP包覆层的掺杂和厚度根据环形腔需求以及InP衬底的种类来确定；InGaAs接触层厚度一般在0.1-1微米之间，掺杂浓度为1*1017-1*1020cm-3。掺杂种类根据衬底掺杂情况和环形腔自身需求确定，以满足有源区可正常高效加电获得增益为准。
请参阅图2A到图2G，所示为本发明中首次光刻的波导图案的实施例示意图。具体而言，是在图1的接触层上光刻出环形波导和输入输出波导图案。其中光刻方式可以是电子束曝光、紫外光刻、干涉光刻和纳米压印、自组装等方式中的一种或组合。
构成环形腔的环形波导与输入输出波导相邻设置，实现平面耦合。环形波导形状包括六边形（如图2A所示）、跑道形（如图2B所示）、矩形（如图2C、图2G所示）、三角形（如图2D所示）、圆环形（如图2E、图2F所示）、菱形或不规则闭合波导形状。输入输出波导包括直波导（如图2A-图2E所示）、弯曲波导（如图2F所示）、楔形波导（如图2G所示）以及MMI波导、M-Z波导以及Y波导等各种可实现满足要求的输入输出且损耗尽量小的波导中的一种或多种的组合。
请参阅图3，所示为本发明中一次光刻刻蚀后形成的基于有源垂直耦合结构的环形波导和输入输出波导立体示意图。其中图3是以图2A给出的光刻图案为例，在光刻图案掩膜下，经干法蚀刻设备定义出的典型性环形波导和输入输出耦合波导。其中，干法蚀刻包括采用反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀和回旋共振等离子体刻蚀等多种途径，蚀刻波导形状和深度根据环形腔的需求来定，但要保证后期可形成无源波导，通常蚀刻到下面部分中间隔离层4。即，形成包括接触层7、包覆层6、有源增益层5、隔离层4、无源波导层3和缓冲层2共同构成的有源垂直耦合结构波导。
请参阅图4A-图4E，所示为本发明中完成二次光刻和刻蚀后的环形波导和输入输出波导的平面示意图。图4A-图4E是在图3的基础上，二次光刻无源部分的图案，并再次通过干法蚀刻形成无源波导部分。其中无源波导蚀刻深度由有源垂直耦合结构以及环形腔的特定功能确定，但必须将有源增益层5及其以上部分完全去除，以彻底形成无源环形波导和输入输出波导，满足特定功能需求。通常会选择蚀刻到隔离层4某一部分，形成有源垂直耦合结构的一部分是保留接触层7，无源波导部分是保留到隔离层4。
这里，蚀刻设备可以是反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀以及回旋共振等离子体刻蚀等多种方式。
图4A给出环形波导两个耦合区均为有源垂直耦合结构，其他部分为无源波导结构；图4B给出环形波导只有一个耦合区为有源垂直耦合结构，其他部分为无源波导结构；图4C给出环形波导的部分非耦合区域为有源垂直耦合结构，其他地方为无源波导区；图4D给出环形波导为完全的无源型，部分输入输出波导为有源垂直耦合结构；图4E给出环形波导的部分区域为有源垂直耦合结构，输入输出波导部分区域为有源垂直耦合结构的示意图。
环形腔器件可以通过垂直耦合或者混合耦合（先垂直耦合然后平面耦合）使环形腔器件获得部分增益，从而补偿该环形腔器件内的损耗，提高其品质因子。其中，当环形波导为有源垂直耦合结构时，仅需将有源区的增益通过垂直耦合到无源波导区即可直接补偿无源环形波导的损耗；当环形波导为无源波导，输入输出波导为有源垂直耦合结构时，有源区提供的增益须首先通过该有源垂直耦合结构将增益耦合到输入输出波导的无源波导区，然后再通过输入输出波导与环形波导的并行耦合将增益进一步耦合到环形波导中，补偿其环内损耗，形成混合耦合。
请参阅图5所示为图4A的立体示意图。
其中，可以理解若扩展到图4A-图4E的图形时，波导结构至少一部分包括由所述接触层7到所述隔离层2构成的有源垂直耦合结构；波导结构至少一部分包括由所述隔离层4到所述无源波导层2构成的无源波导结构。
请参阅图6，所示为环形波导及输入输出波导回路经介质膜钝化后的结构示意图。其中，介质膜11钝化区域不包括保留接触层7的部分。
这里介质膜11钝化可以是SiN、SiO2、Al2O3等多种，钝化设备可以是等离子体增强型化学气相沉积、感应耦合等离子体化学气相沉积、电子束蒸发、原子层沉积等多种方式。
图7给出环形腔器件的成品结构示意图，包括环形波导和输入输出波导经有源区开窗口、正面蒸镀电极后的结构示意图，这里，蒸镀正面电极膜12是针对所有区域的。有源区开窗口须经普通光刻和干法或者湿法腐蚀去掉窗口区内的介质钝化层；沉积的正面电极根据InGaAs接触层的掺杂特性可以是Au/Ge/Ni或者Ti/Pb/Au等合金，之后，器件经蒸镀相应背面电极、快速热退火、合金、解理、压焊形成完整的器件。
图8所示是本发明所述方法具体实施方式的步骤示意图，包括：
步骤S801，在衬底1上依次生长缓冲层2、无源波导层3、隔离层4、有源增益层5、包覆层6和接触层7，形成如图1所示的生长材料结构。其中所述无源波导层3、隔离层4、有源增益层5形成有源垂直耦合结构。该有源垂直耦合结构，作为构成环形波导和输入输出波导的必要组成部分，用以提供增益补偿所述环形腔内部损耗，从而获得高品质因子。
步骤S802，在接触层7上光刻出环形波导和输入输出波导的图案，如图2A-图2G之一所示。其中，环形波导与输入输出波导相邻设置，实现平面耦合。
步骤S803，利用干法刻蚀办法将光刻的图案转移到材料结构上，获得完全基于完整有源垂直耦合结构的环形波导和输入输出波导，如图3所示。
其中，蚀刻深度取决于环形腔以及耦合波导的参数，蚀刻粗糙度取决于用途需求。
步骤S804，利用二次光刻和干法刻蚀将光刻图案中无源波导部分的接触层、包覆层以及有源增益层刻蚀掉，形成所述环形波导和所述输入输出波导的无源波导部分，如图4A-图4E及图5所示。
步骤S804，在该二次光刻掩膜下，采用干法蚀刻设备将二次光刻图形转移到环形结构上，定义出无源环形波导和输入输出波导结构，如图5所示；
步骤S805，沉积介质膜以钝化环形波导和输入输出波导，如图6所示；
步骤S806，在有源垂直耦合结构区域开电极窗口、蒸镀正面电极和背面电极；
步骤S807，将整个样品快速热退火、合金、解理和压焊，获得符合条件的高Q环形腔器件，如图7所示。
图9给出上述制备的环形腔的品质因子随有源区提供增益比例的变化关系，可以看出，对于不同周长和不同腔损的环形腔，通过有源区提供相应增益，获得环形腔的自耦合系数大于1，该环形腔的品质因子直线上升，均可超过106,且周长越短、腔损越小，所需提供的增益越小。
亦即：本发明的环形腔器件及其制作方法，通过采用有源垂直耦合结构制备无源环形腔，使得该无源环形腔的部分波导区域可通过垂直耦合或者混合耦合获得部分增益，从而补偿该无源环形腔内损耗，但不影响该无源环形腔的其他结构和性能，从而真正获得低损耗甚至零损耗无源环形腔，提高环形腔的品质因子，大幅提升环形腔的功能，并有望达到极致。
图10A-图10D给出以此无源环形腔为单元形成的环形腔光子集成回路。例如：串联无源环形腔光子集成回路（如图10A所示）、并联无源环形腔光子集成回路（如图10B所示）以及串并联无源环形腔光子集成回路（如图10C与图10D所示）。这里，每一个环形腔单元都由该类含有有源垂直耦合结构的无源环形腔构成，因此，集成光子回路的每一个环均可获得由有源垂直耦合结构提供的增益以补偿其内部损耗，提高其光学品质因子。从而提高整体光子集成回路性能。其中串联或者并联环形单元的个数以及方式并没有任何限制，只要采用该有源垂直耦合结构提供的增益来补偿环内损耗，从而提高相应器件性能的，都属于该专利保护范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种环形腔器件，包括无源环形波导以及与所述无源环形波导平面耦合的输入输出波导，其特征在于：还包括与所述无源环形波导垂直耦合的至少有源波导结构，所述至少两个有源波导结构彼此分离，所述有源波导结构对无源环形波导提供增益以补偿损耗。
2.根据权利要求1所述的环形腔器件，其特征在于：还包括与所述输入输出波导垂直耦合的有源波导结构。
3.根据权利要求1所述的环形腔器件，其特征在于:任一所述有源波导结构至少覆盖于所述无源环形波导的部分上表面，任一所述有源波导结构包括依次形成于所述无源环形波导上表面的隔离层、有源增益层、包覆层和接触层。
4.根据权利要求3所述的环形腔器件，其特征在于：所述隔离层的材质为InP，所述有源增益层的材质为InAs、InGaAs、InAsP、或InGaAsP，所述包覆层的材质为InP，所述接触层的材质为InGaAs。
5.根据权利要求1所述的环形腔器件，其特征在于：所述有源波导结构形成于所述输入输出波导的第一位置上，所述输入输出波导与所述无源环形波导在第一位置耦合。
6.根据权利要求5所述的环形腔器件，其特征在于：所述有源波导结构包括依次形成于所述输入输出波导上表面的隔离层、有源增益层、包覆层和接触层。
7.根据权利要求6所述的环形腔器件，其特征在于：所述隔离层的材质为InP，所述有源增益层的材质为InAs、InGaAs、InAsP、或InGaAsP，所述包覆层的材质为InP，所述接触层的材质为InGaAs。
8.一种环形腔器件的制作方法，其特征在于，包括步骤：
s1、在衬底上依次生长缓冲层、无源波导层、隔离层、有源增益层、包覆层和接触层；
s2、对步骤s1的结构进行刻蚀，形成具有垂直耦合结构的环形波导和输入输出波导。
9.根据权利8所述的环形腔器件的制作方法，其特征在于：还包括对所述环形波导进一步刻蚀，以部分暴露出隔离层，形成无源环形波导以及位于该无源环形波导上方的有源波导结构。
10.根据权利要求8所示的环形腔器件的制作方法，其特征在于：还包括对所述输入输出波导进一步刻蚀，以暴露出第一位置以外隔离层，形成无源输入输出波导以及位于第一位置上的有源波导结构，所述无源输入输出波导与所述环形波导在第一位置耦合。
11.根据权利要求8所述的环形腔器件的制作方法，其特征在于：所述衬底的材质选自Si衬底、GaAs衬底、InP衬底或GaN衬底；所述缓冲层的材质为InP，所述无源波导层的材质为InGaAsP、InGaAlAs或InGaNAs；所述隔离层的材质为InP；所述有源增益层的材质为InAs、InGaAs、InAsP、或InGaAsP；所述包覆层的材质为InP；所述接触层的材质为InGaAs。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108075354A (zh) * 2016-11-14 2018-05-25 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 窄线宽激光器
CN108225297B (zh) * 2016-12-09 2021-05-14 黑龙江工业学院 一种二氧化硅波导与铌酸锂薄膜垂直耦合的谐振式集成光学陀螺
EP3881029B1 (en) * 2018-11-16 2024-01-03 Oscps Motion Sensing Inc. Optical gyroscopes and methods of manufacturing of optical gyroscopes
CN114234952A (zh) * 2021-12-21 2022-03-25 江西省纳米技术研究院 高分辨角速度传感器、其制作方法及应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1675807A (zh) * 2002-08-08 2005-09-28 布里斯托尔大学 具有外部光栅的单模工作的可调谐环形激光器
WO2013035182A1 (ja) * 2011-09-08 2013-03-14 富士通株式会社 光半導体素子

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4340929B2 (ja) * 1998-10-02 2009-10-07 ソニー株式会社 メモリｉｃタグ装置
WO2000050938A1 (en) * 1999-02-22 2000-08-31 Massachusetts Institute Of Technology Vertically coupled optical resonator devices over a cross-grid waveguide architecture
WO2001038905A2 (en) * 1999-11-23 2001-05-31 Nanovation Technologies, Inc. Localized thermal tuning of ring resonators
US6859603B2 (en) * 2000-08-01 2005-02-22 University Of Maryland, College Park Method for fabrication of vertically coupled integrated optical structures
US6483863B2 (en) * 2001-01-19 2002-11-19 The Trustees Of Princeton University Asymmetric waveguide electroabsorption-modulated laser
US6856641B2 (en) * 2001-01-26 2005-02-15 California Institute Of Technology Ring resonator based narrow-linewidth semiconductor lasers
US20030058908A1 (en) * 2001-07-11 2003-03-27 Giora Griffel Vertically coupled ring resonators and laser structures
US6680962B2 (en) * 2002-04-29 2004-01-20 Bin Liu Narrow linewidth, low frequency chirping and broad wavelength tunable ring resonator coupled lasers
US6940878B2 (en) * 2002-05-14 2005-09-06 Lambda Crossing Ltd. Tunable laser using microring resonator
US6885794B2 (en) * 2002-07-11 2005-04-26 Lambda Crossing, Ltd. Micro-ring resonator
US7738527B2 (en) * 2005-12-30 2010-06-15 Jian-Jun He Wavelength switchable semiconductor laser using half-wave coupled active double-ring resonator
US8208502B2 (en) * 2006-10-03 2012-06-26 California Institute Of Technology Fiber-coupled solid state microcavity light emitters
US7469085B1 (en) * 2007-07-12 2008-12-23 International Business Machines Corporation Method and apparatus for minimizing propagation losses in wavelength selective filters
WO2009054467A1 (ja) * 2007-10-25 2009-04-30 Advanced Telecommunications Research Institute International 半導体レーザジャイロ
CN102280814B (zh) * 2011-07-07 2013-06-12 电子科技大学 基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构
CN202217910U (zh) * 2011-07-07 2012-05-09 电子科技大学 一种基于环形激光器的宽带光混沌信号源芯片结构
CN102570310B (zh) * 2012-01-05 2014-04-23 中国电子科技集团公司第十三研究所 基于环形谐振腔的多波长半导体激光器
CN202395304U (zh) * 2012-01-05 2012-08-22 中国电子科技集团公司第十三研究所 基于环形谐振腔的多波长半导体激光器
CN103117510A (zh) * 2013-01-25 2013-05-22 中国科学院半导体研究所 一种混合硅基回音壁模式微腔激光器
US9766402B2 (en) * 2013-06-12 2017-09-19 Washington University Tunable add-drop filter with an active resonator

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1675807A (zh) * 2002-08-08 2005-09-28 布里斯托尔大学 具有外部光栅的单模工作的可调谐环形激光器
WO2013035182A1 (ja) * 2011-09-08 2013-03-14 富士通株式会社 光半導体素子

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于微环振腔的双波长单纵模半导体激光器的研究;汪舟;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》;20120715(第7期);论文正文第40-47页 *

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