CN104849804B - 一种新型环形谐振腔及其制备方法 - Google Patents

一种新型环形谐振腔及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种新型环形谐振腔，包括衬底材料层和位于衬底材料层上的薄膜层，该薄膜层包括多条波导，所述薄膜层为硫系玻璃材料，所述薄膜层的波导包括一环形的跑道型波导和位于跑道型波导的两端外侧的两条外侧波导，所述跑道型波导包括位于两端的两条相对设置的弧形波导和位于两条弧形波导之间的直线波导，所述外侧波导包括位于跑道型波导的两端的弧形波导外侧与弧形波导同轴并且保持等间隔延伸的弯曲波导，和位于弯曲波导的两端与弯曲波导同向延伸并且与直线波导相垂直的外侧直线波导。该新型环形谐振腔，不但结构简单，便于制备，而且能够提高耦合效率，节省传输空间，并且获得较高的Q值。

Description

一种新型环形谐振腔及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种环形谐振腔及其制备方法。
背景技术
随着信息产业的不断发展，光波导器件的微型化、集成化和规模化成为制约信息产业发展的瓶颈。而硫系基质环形谐振腔由于其强大的光学限制和长腔光子寿命成为集成光学的研究热点之一。硫系基质环形谐振腔与传统的环形谐振腔相比，有很多优点，其中较显著的优点是此种结构的环形谐振腔增加了耦合距离，大大提高了外层波导与环腔之间的耦合效率，而且还能进行直线传输和弯曲传输，节省了空间，制作简单。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高Q值、高耦合效率、节省传输空间并制备简单的新型环形谐振腔的结构，以及该环形谐振腔的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种新型环形谐振腔，包括衬底材料层和位于衬底材料层上的薄膜层，该薄膜层包括多条波导，其特征在于：所述薄膜层为硫系玻璃材料，所述薄膜层的波导包括一环形的跑道型波导和位于跑道型波导的两端外侧的两条外侧波导，所述跑道型波导包括位于两端的两条相对设置的弧形波导和位于两条弧形波导之间的直线波导，所述外侧波导包括位于跑道型波导的两端的弧形波导外侧与弧形波导同轴并且保持等间隔延伸的弯曲波导，和位于弯曲波导的两端与弯曲波导同向延伸并且与直线波导相垂直的外侧直线波导。
优选地，所述跑道型波导的宽度为0.9um-1.1um，所述外侧波导的宽度为0.9um-1.2um。
优选地，所述跑道型波导的两端的弧形波导与外侧的弯曲波导之间的间隔的距离为0.6um～1um。
优选地，所述弧形波导的内侧半径为2.1um-2.3um，外侧半径为3um-3.4um。
优选地，所述直线波导的长度为3um-5um。
优选地，所述外侧直线波导的长度为13um-15um。
优选地，所述弯曲波导的圆心角为30°-150°。
上述的新型环形谐振腔的制备方法，其特征在于：包括在基片上设置衬底材料层，在衬底材料层上涂覆光刻胶，然后经过曝光、空曝、显影，所述衬底材料层上没有光刻胶的位置即为上述环形谐振腔的形貌，再利用磁控溅射涂覆薄膜层，清洗光刻胶以及光刻胶上的薄膜层留下直接位于沉底材料上的薄膜层，即可完成环形谐振腔的制备。
优选地，所述磁控溅射涂覆薄膜层在充满氩气的溅射环境下进行，氩气流量为45sccm-50sccm，选择腔内压强在1.8×10-4pa-2.2×10-4pa，起辉气压为3pa，溅射气压为0.3pa，溅射功率为20w-30w，溅射时间为2h-2.5h，薄膜层厚度在1200nm-1500nm之间。
优选地，清洗光刻胶时将基片浸泡在丙酮溶液中，静置20min-30min，然后在异丙醇溶液中低功率超声清洗1min，超声功率为40w-60w。
与现有技术相比，本发明的优点在于该新型环形谐振腔，不但结构简单，便于制备，而且能够提高耦合效率，节省传输空间，并且可以获得较高的Q值。
附图说明
图1为本发明实施例的新型环形谐振腔的结构示意图。
图2为本发明实施例的新型环形谐振腔的制备方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
光束在微纳米量级波导内以全反射形式传输时，波导表面会产生很强的倏逝场。当谐振腔靠近该波导并与之满足模式匹配关系时，波导内光场会以倏逝场形式耦合进谐振腔；当耦合光场在腔内绕行一周满足相移是2π的整数倍时，该光场在腔内发生谐振，此时光能被局限在谐振腔内，波导输出端探测光强会出现一个波谷。形成环形谐振腔必须满足以下三个条件：1)倏逝场，波导尺寸越小，倏逝场越强，并且为了保证耦合进腔内的光只有一种模式，要求波导尺寸都在微米量级；2)耦合，耦合状态的建立不仅要求腔处于波导倏逝场有效范围内，还要波导跟腔的有效折射率差不能太大，不然光只会从一边透射进另一边而无法返回；3)谐振，谐振条件的建立需要耦合进腔内的光场在腔内绕行一周能够回到耦合波导处，若是谐振腔有缺陷或者传输损耗非常大，使得腔内光场大量散射或损耗掉，会导致腔无法产生谐振。
本发明实施例的新型环形谐振腔，如图1所示，包括衬底材料层1和位于衬底材料层1上的薄膜层2，该薄膜层2包括多条波导，其中包括一环形的跑道型波导3和位于跑道型波导3的两端外侧的两条外侧波导4。
如图1所示，该跑道型波导3包括两条相对设置的弧形波导31，以及分别连接两条弧形波导31的各一个端部，位于两条弧形波导31之间的两条直线波导32，该两条直线波导32相互平行相对。该两条弧形波导31和两条直线波导32即构成一跑道形状，该跑道型波导3，即两条弧形波导31和两条直线波导32的宽度a为0.9um-1.1um。该两条弧形波导31的内侧半径Rin为2.1um-2.3um，外侧半径Rout为3um-3.4um。两条直线波导32的长度L为3um-5um。
该外侧波导4包括位于跑道型波导3的两端的弧形波导31外侧的弯曲波导41和位于弯曲波导41两端与弯曲波导41的延伸方向同向向外延伸的外侧直线波导42，该外侧直线波导42与跑道型波导3的直线波导32垂直延伸。该弯曲波导41与跑道型波导3的弧形波导31同心，即两者的圆心在两条直线波导32之间的与两条直线波导32平行的中心轴上，并且与弧形波导31之间的间隔的距离d为0.6um-1um，该弯曲波导41的宽度b为0.9um-1.2um，该外侧直线波导42的宽度b也同样为0.9um-1.2um，外侧直线波导42的长度M为13um-15um。该弯曲波导41的圆心角θ为30°-150°。
因此，在跑道型波导3的两端分别设有一弯曲波导41和两条外侧直线波导42，即一共有两条弯曲波导41和四条外侧直线波导42。该多条波导之中，位于跑道型波导3的一端侧的一弯曲波导41两端的两条外侧直线波导42的外侧端部分别为输入端和输出端，位于跑道型波导3的另一端侧的弯曲波导41两端的两条外侧直线波导42的两个外侧端部分别为下载端。设计成跑道波导加弯曲波导是为了增加弯曲波导与跑道型波导之间的耦合长度，提高耦合效率。
该衬底材料层1为Si和SiO2或者SiO2，该薄膜层2为硫系玻璃材料，优选为Ge20Sb15Se65，并且通过磁控溅射的方式设置于衬底材料层1上，厚度在1200um-1500um。
硫系玻璃是氧元素除外的第VI主族元素(S，Se，Te)同电负性较弱的As、Sb、Ge等形成的非晶化合物，例如As2S3、Ge-As-Se和Ge-Sb-Te等。硫系玻璃具有较宽的中红外透过光谱(0.8um～20um)、较高的材料折射率、超高的非线性折射率和超快的非线性响应时间。以硫系玻璃为基质制备的波导器件已经引起了国外许多著名光电子研究机构的极大的研究兴趣，而薄膜层2由Ge20Sb15Se65玻璃制成，不仅具有1um-16um的较宽的工作波长范围，且透过率高，并具有无毒环保的特性。
本发明的环形谐振腔的具体制备方法，如图2所示，包括以下步骤，在基片5上设置衬底材料层1，在衬底材料层1上涂覆光刻胶(负胶)，然后依次经过曝光、空曝，显影，得到所制备的环形谐振腔的形貌，此时衬底材料层上没有光刻胶的位置即为所制备的环形谐振腔的形貌，然后再衬底材料层上利用磁控溅射涂覆薄膜层，薄膜层覆盖所有衬底材料层，再利用强力去胶剂除去光刻胶以使得衬底材料层上留下的薄膜层即形成需要制备的环形谐振腔，完成环形谐振腔的制备。
上述步骤中，所述光刻胶涂覆过程中匀胶机的工作参数选择为慢转转速为1500Rpm-2000Rpm，慢转时间为4s，快转转速为5500Rpm-6000Rpm，快转时间为30s。所述曝光为利用接触式系统进行曝光，曝光时间为9s-11s，所述空曝为除去掩膜板后直接进行紫外曝光119s-121s，所述显影为在氢氧化钠碱性显影液中显影，显影时间约为60s-80s。
上述步骤中利用磁控溅射涂覆薄膜层，在充满氩气的溅射环境下进行，氩气流量为45sccm-50sccm，涂覆的薄膜层厚度受腔内压强、溅射功率、反射功率、溅射气压、溅射时间、气体流量等因素的影响。一般的选择腔内压强在1.8×10-4pa-2.2×10-4pa，起辉气压为3pa，溅射气压为0.3pa，溅射功率为20w-30w，溅射时间为2h-2.5h，薄膜层厚度在1200nm-1500nm之间。
上述步骤中清洗光刻胶时，浸泡在丙酮溶液中，静置20min-30min，然后在异丙醇溶液中低功率超声清洗1min，超声功率一般选在40w-60w之间。以下为该新型环形谐振腔的制备方法的几个实施例。
实施例一，如图1所示，硫系薄膜制备的新型环形谐振腔，包括基片5以及位于基片5上的衬底材料层1和薄膜层2，基片5由Si制成，衬底材料层1由SiO2制成，薄膜层2由Ge20Sb15Se65玻璃材料制成，折射率n为2.6-2.8，环形谐振腔的形状如上述所述，其中跑道型波导的宽度a为1100nm，内半径为Rin＝2200nm，外半径为Rout＝Rin+a，跑道型波导中的直线波导的长度为L＝4000nm；两端的弧形波导31的圆心角为120°，宽度为1100nm，弧形波导31的外边沿和弯曲波导41的内边沿之间的距离为d＝800nm，与两个弯曲波导相连接的四条外侧直线波导42的宽度为1000nm，长度为14000nm，当选择波长在1.5um-1.6um的激光进行入射时，得到Q值在3000-6200之间；具体制备过程如图2，先在衬底材料层上涂覆光刻胶(负胶)，优先的选择匀胶机的慢转转速为1500Rpm-2000Rpm，慢转时间为5s，快转转速为6000Rpm，快转时间为30s，衬底材料层1上的光刻胶厚度约为1.3um；然后覆盖上有环形谐振腔图案的掩膜板(正板)进行曝光，接触式曝光时间为10s；再在120℃环境下将基片烘干2min，然后将基片5放在光刻机上进行空曝操作，空曝时间约为100s-120s；空曝完成后，再将基片放在120℃的环境下进行烘干，然后进行显影，在碱性显影液中显影时间在40s-60s之间，具体视情况而定，至此在衬底材料层1上得到所制备的环形谐振腔的形貌，即衬底材料层1上没有光刻胶的部分即为环形谐振腔的形貌；然后再利用磁控溅射的方法涂覆薄膜层，因涂覆的薄膜层厚度受腔内压强、溅射功率、反射功率、溅射气压、溅射时间、气体流量等因素的影响，在本实施例中，在充满氩气的溅射环境下，氩气流量为45sccm-50sccm，选择腔内压强为1.8×10-4pa，起辉气压为3pa，溅射气压为0.3pa，溅射功率为20w-30w，溅射时间为2h-2.5h，薄膜厚度在1300nm-1500nm之间；最后利用强力去胶剂(丙酮)除去光刻胶以及光刻胶上的薄膜层材料，只剩下直接位于衬底材料层1上的薄膜层2，完成环形谐振腔的制备。具体方法为：将基片3放在丙酮溶液中静置20min-30min，然后在异丙醇溶液中低功率超声清洗1min，超声功率一般选在40w-60w之间，完成环形谐振腔的制备。
实施例二：硫系薄膜制备的一种新型的环形谐振腔，包括基片5以及位于基片5上的衬底材料层1和薄膜层2，基片3由Si制成，衬底材料层1由SiO2制成，薄膜层2由Ge20Sb15Se65玻璃材料制成，折射率n为2.6-2.8，环形谐振腔的形状如上述所述，其中跑道型波导的宽度a为1000nm，内半径为Rin＝2200nm，外半径为Rout＝Rin+a，跑道型波导中的直线波导的长度为L＝4000nm；两端的弧形波导31的圆心角为120°，宽度为1000nm，弧形波导31的外边沿和弯曲波导41的内边沿之间的距离为d＝800nm，与两个弯曲波导相连接的四条外侧直线波导42的宽度为1000nm，长度为14000nm，当选择波长范围在1.5um-1.6um的光进行入射时，得到Q值在1750-2350之间；具体制备过程如图2，先在衬底材料层上涂覆光刻胶(负胶)，优先的选择匀胶机参数为慢转转速为1500Rpm-2000Rpm，慢转时间为5s，快转转速为6000Rpm，快转时间为30s，基片上光刻胶厚度约为1.3um；然后覆盖上有环形腔图案的掩膜板(正板)进行曝光，接触式曝光时间为10s；再在120℃环境下将基片烘干2min，然后将基片放在光刻机上进行空曝操作，空曝时间约为100s-120s；空曝完成后，再将基片放在120℃的环境下进行烘干，然后进行显影，在碱性显影液中显影时间在40s-60s之间，具体因情况而定，至此即得到所制备的环形谐振腔的形貌；然后再利用磁控溅射的方法涂覆薄膜层，因涂覆的薄膜层厚度受腔内压强、溅射功率、反射功率、溅射气压、溅射时间、气体流量等因素的影响，在本实施例中，在充满氩气的溅射环境下，氩气流量为45sccm-50sccm，选择腔内压强为2×10-4pa，起辉气压为3pa，溅射气压为0.3pa，溅射功率为20w-30w，溅射时间为2h-2.5h，薄膜厚度在1200nm-1400nm之间；最后利用强力去胶剂(丙酮)除去光刻胶及光刻胶上的薄膜层材料，只剩下直接位于沉底材料层1上的薄膜层2部分，具体方法为：将基片放在丙酮溶液中静置20min-30min，然后在异丙醇溶液中低功率超声清洗1min，超声功率一般选在40w-60w之间，完成环形谐振腔的制备。
实施例三：硫系薄膜制备的一种新型的环形谐振腔，包括基片5以及位于基片5上的衬底材料层1和薄膜层2，基片5由Si制成，衬底材料层1由SiO2制成，薄膜层2由Ge20Sb15Se65玻璃材料制成，折射率n为2.6-2.8，环形谐振腔的形状如上述所述，其中跑道型波导的宽度a为1100nm，内半径为Rin＝2200nm，外半径为Rout＝Rin+a，跑道型波导中的直线波导的长度为L＝4000nm；两端的弧形波导31的圆心角为120°，宽度也为1100nm，弧形波导的外边沿和弯曲波导的内边沿之间的距离为d＝600nm，与两个弯曲波导相连接的四条外侧直线波导的宽度为1200nm，长度为14000nm，当选择波长范围为1.5um-1.6um的光进行入射时，得到Q值在1350-1900之间；具体制备过程如图2所示，先在衬底材料层1上涂覆光刻胶(负胶)，优先地，选择匀胶机参数为慢转转速为1500Rpm-2000Rpm，慢转时间为5s，快转转速为6000Rpm，快转时间为30s，基片上光刻胶厚度约为1.3um；然后覆盖上有环形谐振腔图案的掩膜板(正板)进行曝光，接触式曝光时间为10s；再在120℃环境下将基片烘干2min，然后将基片放在光刻机上进行空曝操作，空曝时间约为100s～120s；空曝完成后，再将基片放在120℃的环境下进行烘干，然后进行显影，在碱性显影液中显影时间在40s-60s之间，具体因情况而定，至此即得到所制备的环形谐振腔的形貌；然后再利用磁控溅射的方法涂覆薄膜层，因涂覆的薄膜层厚度受腔内压强、溅射功率、反射功率、溅射气压、溅射时间、气体流量等因素的影响，在本实施例中，在充满氩气的溅射环境下，氩气流量为45sccm-50sccm，选择腔内压强为2.2×10-4pa，起辉气压为3pa，溅射气压为0.3pa，溅射功率为20w-30w，溅射时间为2h-2.5h，薄膜厚度在1200nm-1400nm之间；最后利用强力去胶剂(丙酮)除去光刻胶，具体方法为：将基片放在丙酮溶液中静置20min-30min，然后在异丙醇溶液中低功率超声清洗1min，超声功率一般选在40w-60w之间，完成环形谐振腔的制备。
该新型环形谐振腔，不但结构简单，便于制备，而且能够提高耦合效率，节省传输空间，并且获得较高的Q值。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型环形谐振腔，包括衬底材料层(1)和位于衬底材料层(1)上的薄膜层(2)，该薄膜层(2)包括多条波导，其特征在于：所述薄膜层(2)为硫系玻璃材料，所述薄膜层(2)的波导包括一环形的跑道型波导(3)和位于跑道型波导(3)的两端外侧的两条外侧波导(4)，所述跑道型波导(3)包括位于两端的两条相对设置的弧形波导(31)和位于两条弧形波导(31)之间的直线波导(32)，所述外侧波导(4)包括位于跑道型波导(3)的两端的弧形波导(31)外侧与弧形波导(31)同轴并且保持等间隔延伸的弯曲波导(41)，和位于弯曲波导(41)的两端与弯曲波导(41)同向延伸并且与直线波导(32)相垂直的外侧直线波导(42)；
所述跑道型波导(3)的宽度(a)为0.9um-1.1um，所述外侧波导(4)的宽度(b)为0.9um-1.2um；
所述跑道型波导(3)的两端的弧形波导(31)与外侧的弯曲波导(41)之间的间隔的距离(d)为0.6um-1um。
2.如权利要求1所述的新型环形谐振腔，其特征在于：所述弧形波导(31)的内侧半径(Rin)为2.1um-2.3um，外侧半径(Rout)为3um-3.4um。
3.如权利要求1所述的新型环形谐振腔，其特征在于：所述直线波导(32)的长度(L)为3um-5um。
4.如权利要求1所述的新型环形谐振腔，其特征在于：所述外侧直线波导(42)的长度(M)为13um-15um。
5.如权利要求1所述的新型环形谐振腔，其特征在于：所述弯曲波导(41)的圆心角(θ)为30°-150°。
6.如权利要求1-5中任一项所述的新型环形谐振腔的制备方法，其特征在于：包括在基片(5)上设置衬底材料层(1)，在衬底材料层(1)上涂覆光刻胶，然后经过曝光、空曝、显影，所述衬底材料层(1)上没有光刻胶的位置即为上述环形谐振腔的形貌，再利用磁控溅射涂覆薄膜层(2)，清洗光刻胶以及光刻胶上的薄膜层留下直接位于沉底材料上的薄膜层(2)，即可完成环形谐振腔的制备。
7.如权利要求6所述的新型环形谐振腔的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射涂覆薄膜层(2)在充满氩气的溅射环境下进行，氩气流量为45sccm-50sccm，选择腔内压强在1.8×10-4pa-2.2×10-4pa，起辉气压为3pa，溅射气压为0.3pa，溅射功率为20w-30w，溅射时间为2h-2.5h，薄膜层厚度在1200nm-1500nm之间。
8.如权利要求6所述的新型环形谐振腔的制备方法，其特征在于：清洗光刻胶时将基片(5)浸泡在丙酮溶液中，静置20min-30min，然后在异丙醇溶液中低功率超声清洗1min，超声功率为40w-60w。
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