CN105051580A - 波导谐振器构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明与电子技术/电子器件的领域相关，并且涉及一种波导谐振器构件，其例如可以使用在集成电路中。本发明的任务在于简单且廉价地制造出波导谐振器构件。该任务通过如下波导谐振器构件来解决，在该波导谐振器构件中存在有具有两个波导(3)的基底(1)和作为谐振器的微管(2)，其中，谐振器在波导的区域中分别具有留空部(4)以形成波导与谐振器之间的间隙。此外，该任务还通过如下方法来解决，在该方法中，在具有两个波导的基底上施加牺牲层，并且在牺牲层上施加至少一个第二层，在此之后，至少部分地去除牺牲层，并且通过卷起至少第二层制造出微管形式的谐振器。

Description

波导谐振器构件及其制造方法
技术领域
本发明与电子技术/电子器件和通信技术的领域相关，并且涉及一种波导谐振器构件，其例如可以用在集成电路中以及用在数据处理和传递中或作为传感器使用，本发明还涉及一种用于制造这种波导谐振器构件的方法。
背景技术
在光学电路中，信号可以以不同频率的光的形式经由光导，即所谓的波导进行传输。在此，波导例如与谐振器耦合，以便从波导中滤出例如特定的离散的信号、频率或频率范围。滤波器通常具有如下任务：限制和/或转换施加在滤波器的输入端上的宽的频谱，并且在滤波器的输出端上提供这些频率。通过将第二波导耦合到谐振器上，可以将从第一波导中滤出的频率转送至第二波导上。因此，借助谐振器有针对性地将信号从第一波导中去除并且传递至第二波导中(下话路滤波器，Drop-Filter)。通过将第二波导与谐振器耦合也能够实现的是，向第一波导中已经存在的信号添加来自第二波导的其他信号(上下话路滤波器，Add-Drop-Filter)。波导的作用在此是可交换的。
滤波器的重要的质量标准是如何可以高效地仅传递期望的频率范围(谐振的宽度)。同样重要的是要存在如下滤波器，该滤波器尽可能精确地仅截住位于期望的范围之外的那些频率，并且该滤波器几乎不阻止，也就是无损失地让期望的频带之内的频率经过。
经常采用的用来实现滤波器的物理原理基于对谐振频率的充分利用；这种滤波器因此叫做谐振滤波器。这些滤波器例如使用环形谐振器或微球谐振器，它们也可以用作传感器。
针对批量生产的要求，使用了所谓的环形谐振滤波器或环形谐振器。这种环形谐振滤波器的结构在此例如通过从硅晶圆(SIO-silicononinsulator，绝缘体上硅)蚀刻来制成。蚀刻可以按湿化学方式或通过干式蚀刻法(reactiveionetching，反应离子蚀刻)来实现。通过适当的蚀刻过程，波导和环形谐振器也可以位于不同的平面中，或者通过蚀刻多个单个的晶圆，这些晶圆重叠地放置并且在谐振器和波导方面彼此精确地定位并且彼此永久连接。
由DE10025307A1公知了一种格栅辅助型上下话路滤波器(Add/Drop-Filter)，其具有定向耦合器-滤波器的结构，其带有至少两个紧密相邻地延伸的且具有不同折射率的波导。在此，两个波导的材料由两个不同的且具有不同光学参数的材料种类形成，其中，两种材料的不同特性以如下方式来区分，即，在以相同的技术措施作用时出现不同的效果，并且设置有用于改变光学参数的措施。
由US2003118270A1公知了一种光波导耦合器，其中，波导在谐振条件下或者在非谐振条件下都与微球谐振器直接耦合。
由US2006239614A1也公知了一种与波导耦合的光微谐振器，该光微谐振器由多个彼此耦合的微柱体构成，并且每个微柱体包含都谐振波导。
由US2005013529A1公知了一种微环谐振器和用于制造这种谐振器的方法。在此，通过如下方式制造出多个微环谐振器，即，将前体谐振器结构引到相对波导的特定位置中，并且使其转变成谐振器。
此外，根据M.等人所著：OpticsExpress(光学快讯)，第18卷，(2010)17764公知了一种瓶式微谐振器，其利用了克尔效应，其中，两个锥形的波导与瓶式微谐振器耦合。
此外，根据S.等人所著：OpticsLetters(光学快报)，第37卷，(2012)5136公知了一种用于将芯片上两个层堆叠频率选择性地耦合的卷制的微结构。
根据现有技术不利的是，微谐振器、尤其是对于竖直地取向的微谐振器来说制造昂贵且耗时，以及其与波导的还不能充分控制的耦合。
发明内容
本发明的任务在于提供一种波导谐振器构件，其中，谐振器与波导的耦合能很好地得到控制，本发明的任务还在于说明一种方法，利用该方法可以简单且廉价地制造出该波导谐振器构件。
上述任务通过权利要求中所说明的发明来解决。本发明的有利设计方案是从属权利要求的主题。
在根据本发明的波导谐振器构件中，至少一个基底具有至少两个波导，或者至少两个基底分别具有至少一个波导，并且至少一个微管作为谐振器存在，该微管具有直接或经由一个或多个层与一个或多个基底部分材料锁合(stoffschlüssig)的接触，其中，在谐振器中以及在谐振器周围的介质和/或材料和/或尺寸在激励下实现谐振频率，并且其中，谐振器至少在波导的区域内分别具有留空部以在波导与谐振器之间形成间隙，经由该间隙实现了光在波导与谐振器之间的耦合。
有利的是，微管由氧化物，例如SiO2、SiO、TiO2、Al2O3、HfO2、Y2O3、ZrO2构成；由半导体，例如Si构成；或者由III-V族和II-Vl族化合物半导体，例如GaAs、InGaAs、AlInGaAs、AlGaAs构成；或者由它们的组合物构成。
同样有利的是，波导是具有在IR范围、在可见光范围、在UV范围内的波长的光波导。
此外有利的是，一个或多个基底由硅(Si)、玻璃、氮化硅、绝缘体上硅(SOI)、塑料或半导体，例如GaAs构成。
并且也有利的是，波导也由硅(Si)、玻璃、氮化硅、绝缘体上硅(SOI)、塑料或半导体，例如GaAs构成。
也有利的是，谐振器是卷起的微管。
同样有利的是，微管在其端部上分别具有如下区域，这些区域与小管在一个或多个波导的区域中的区域相比具有更大的总直径，并且具有更大的总直径的区域实现了与一个或多个基底材料锁合的接触。
此外有利的是，微管中在一个或多个波导的区域中的留空部与波导相比具有更小的尺寸并且/或者部分地具有凹的、弯曲的、锯齿形的或波浪形的形状。
并且也有利的是，波导与谐振器之间的间隙在其尺寸方面小于微管的直径的一半。
也有利的是，波导与谐振器之间的间隙和/或微管的内腔以空气和/或液体填充。
在根据本发明的用于制造波导谐振器构件的方法中，在至少一个基底上定位有至少两个波导，或者在至少两个基底上分别定位有至少一个波导；随后，将作为牺牲层的至少一个第一层和位于该第一层上的至少一个第二层施加到具有一个或多个波导的基底上；在此之后，至少部分地去除牺牲层，并且通过卷起至少第二层，使制成的微管形式的谐振器在多个基底的情况下与至少第二基底形成材料锁合的接触。
有利的是，将光刻胶或由锗构成的层作为牺牲层来施加。
此外有利的是，将由SiO2、SiO、TiO2、Al2O3、HfO2、Y2O3、ZrO2构成的、由半导体(例如Si)构成的或者由III-V族和II-Vl族化合物半导体(例如GaAs、InGaAs、AlInGaAs、AlGaAs构成)的或者由它们的组合物构成的层作为至少第二层来施加。
同样有利的是，将牺牲层进行结构化。
并且也有利的是，借助蚀刻部分地去除牺牲层。
也有利的是，将第二和/或所有其他层进行结构化。
并且也有利的是，在波导的区域中，将第二和所有其他层以结构化的方式进行施加，用于产生留空部以形成波导与卷起的层之间的间隙。
通过本发明首次能够实现提供一种允许在竖直的谐振器几何结构中进行集成式制造的波导谐振器构件，其中，谐振器与波导的耦合能很好地得到控制，以及还能够说明一种方法，利用该方法可以简单且廉价地制造出波导谐振器构件。
这通过具有带至少两个波导的基底的或具有至少两个分别带至少一个波导的基底的波导谐振器构件来实现。为此布置有根据本发明具有微管形式的谐振器。在此，小管直接或经由一个或多个层仅部分材料锁合地与一个或多个基底连接。如果存在至少两个基底的话，那么小管位于这两个基底之间。
通过在谐振器中以及在谐振器周围的介质和/或材料和/或尺寸确定谐振器在激励下的谐振频率。因此，依赖于期望的信号变化(滤出频率或添加频率)，在构件制成之前确定在谐振器中以及在谐振器周围的介质和/或材料和/或尺寸，并且因此制造出微管。事后通过改变在谐振器中以及在谐振器周围的介质可以改变谐振频率。例如当有液体或气体流过小管时，谐振频率发生改变。
在根据本发明的波导谐振器构件中的微管的这种功能可以作为传感器来使用，以便探测微管中的介质中的材料。
根据本发明，小管在波导的区域中分别具有留空部，留空部导致形成了波导与谐振器之间的间隙。该间隙可以在其几何形状方面自由选择，其中，空间的大小一方面通过微管的尺寸来确定，另一方面通过如下方式来确定，即，经由该间隙实现了波导与谐振器的谐振耦合。必须注意的是，波导与谐振器之间空间上的间距不能大到不再进行谐振耦合。
这可以有利地通过留空部的形状来实现，该形状例如可以是凹的、弯曲的、锯齿形的或波浪形的。
同样有利的是，微管是卷起的微管。
根据本发明，以如下方式来制造波导谐振器构件，即，在至少一个基底上定位有至少两个波导，或者在至少两个基底上分别定位有至少一个波导。
随后，将作为牺牲层的第一层施加到具有至少两个波导的基底上，或施加到至少两个具有至少一个波导的基底中的一个上。有利的是，将牺牲层进行结构化。在波导区域中的结构化的形状已经可以确定留空部的形状。
将至少一个第二层施加到牺牲层上并且有利地也部分施加到基底上。在此有利的是，第一和至少第二层仅施加在层被卷起的区域中。但它们也可以施布在整个基底上或者基底的较大的区域上，但在卷起之前，至少在至少第二层被卷起的区域周围必须去除第一和至少第二层。
至少第二层或每个其他层也可以在施加或部分去除时进行结构化。
用于制造留空部的至少第二层的尺寸以及牺牲层的厚度在此确定了小管在一个或多个波导上方的留空部的尺寸。
随后或者已经在施加至少第二层之前，将牺牲层、例如光刻胶的未被曝光的部分至少部分地去除。
如果牺牲层在施加至少第二层之前被部分去除了，那么必须至少在卷起的区域中保留牺牲层。
在任何情况下，牺牲层必须至少部分保留在一个或多个波导上以及附近的区域中，直到施加至少第二层。
单个或多个层也可以作为牺牲层重叠或并排地施加，这些层也可以由不同的材料来构成。
即使是至少第二层也可以包括一个或多个层，并且也可以重叠或并排布置地由不同的材料构成。
在施加至少第二层之后，部分或完全去除牺牲层。在进行部分去除时，保留的牺牲层实现了卷起的微管与基底之间的粘附。在完全去除牺牲层的情况下，至少第二层在施加时必须具有与基底的直接材料锁合的接触，由此在完全去除牺牲层之后，卷起的微管经由至少第二层位置固定地粘附在基底上的期望的部位处。
通过该步骤同样可以去除至少第二层的不需要的区域(没有卷起的)。
通过去除牺牲层，至少第二层自动卷起，并且于是直接或经由牺牲层的保留下来的部分，在波导上方或有利地在其旁边与基底材料锁合地连接。如果应该存在多个基底的话，那么在至少第二层卷起之后，例如将第二基底相对第一基底地与卷起的层形成材料锁合的接触。
根据本发明的解决方案的特别的优点在于谐振器的竖直的几何结构，从而光波可以在不同的平面之间传输。
同样特别有利的是，根据本发明实现了集成式的制造、竖直的谐振器和可控制的耦合的结合。
附图说明
下面用多个实施例对本发明进行详细阐述。其中：
图1以侧视图示出根据本发明的在两个波导基底之间卷起的波导谐振器构件；
图2以侧视图(根据示例2)示出根据本发明的、在具有四个波导的波导的两个基底之间卷起的波导谐振器构件。
具体实施方式
示例1
两个尺寸为5mm×5mm的波导基底作为基底来使用。这些基底分别由与二氧化硅层分离的两个硅层(绝缘体上硅，silicononinsulator(SOI))构成。在硅层中，通过蚀刻步骤，由硅制造出1μm宽、5mm长和250nm高的波导。每个波导在基底上位于中间，并且在基底的整个长度上延伸。
在这两个基底其中一个上，将由光刻胶(AZ701MiR)构成的具有0.8μm厚度的牺牲层施加在整个基底面上。该光刻胶层被结构化成产生具有200μm×200μm的外部尺寸的U形的光刻胶结构，光刻胶结构沿结构对称轴线居中地布置在波导上。借助电子束蒸发施布具有90nm厚度的TiO2作为第二层，从而完全覆盖U形的光刻胶结构，并且在U的两个上端部上，TiO2层还向外超过光刻胶1μm地施加到基底上。随后，通过完全分解(蚀刻)牺牲层来平行于波导地卷起TiO2层。因此，小管于是仅还在两个端部上具有与基底的材料锁合的接触。
小管现在具有200μm×20μm的尺寸，并且在中间具有尺寸为20μm×90nm的留空部。
随后，将该布置与第二基底连接，其中，第二基底的波导向下指向，平行于第一基底的波导地延伸并且同样居中地相对小管取向。
示例2
在根据示例1的基底上，由硅制造出并排两个以间距25μm布置的波导。
光刻胶层和TiO2层根据示例1来施加，其中，现在用E形的结构来代替U形的结构。E形的结构的中间的梁构造得较短，并且布置在两个波导上方。因此，卷起的小管于是与波导和基底不形成材料锁合的接触。根据示例1来进行对层的结构化、去除和卷起。
在卷起后得到的微管具有200μm×20μm的尺寸，并且示出了在波导之外的具有10μm×180nm的尺寸的两个留空部并且示出了(由于E形结构的较短的中间梁而形成的)在波导上方的具有30μm×90nm的尺寸的一个留空部。
附图标记列表
1基底
2卷起的微管
3波导
4留空部

Claims (17)

1.一种波导谐振器构件，其中，至少一个基底具有至少两个波导，或者至少两个基底分别具有至少一个波导，并且至少一个微管作为谐振器存在，所述至少一个微管具有直接或经由一个或多个层与一个或多个基底部分材料锁合的接触，其中，在所述谐振器中以及在所述谐振器周围的介质和/或材料和/或尺寸在激励下实现了谐振频率，并且其中，所述谐振器至少在所述波导的区域内分别具有留空部以形成波导与谐振器之间的间隙，经由所述间隙实现了所述波导与所述谐振器之间的光耦合。
2.根据权利要求1所述的波导谐振器构件，其中，所述微管由氧化物，例如SiO2、SiO、TiO2、Al2O3、HfO2、Y2O3、ZrO2构成；由半导体，例如Si构成；或者由III-V族和II-Vl族化合物半导体，例如GaAs、InGaAs、AlInGaAs、AlGaAs构成；或者由它们的组合物构成。
3.根据权利要求1所述的波导谐振器构件，其中，所述波导是具有IR范围、可见光范围、UV范围内的波长的光波导。
4.根据权利要求1所述的波导谐振器构件，其中，所述一个或多个基底由硅(Si)、玻璃、氮化硅、绝缘体上硅(SOI)、塑料或半导体，例如GaAs构成。
5.根据权利要求1所述的波导谐振器构件，其中，所述波导由硅(Si)、玻璃、氮化硅、绝缘体上硅(SOI)、塑料或半导体，例如GaAs构成。
6.根据权利要求1所述的波导谐振器构件，其中，所述谐振器是卷起的微管。
7.根据权利要求1所述的波导谐振器构件，其中，所述微管在其端部上分别具有如下区域，所述区域与小管在一个或多个波导的区域中的区域相比具有更大的总直径，并且具有更大的总直径的区域实现了与所述一个或多个基底的材料锁合的接触。
8.根据权利要求1所述的波导谐振器构件，其中，所述微管中在一个或多个波导的区域中的留空部与所述波导相比具有更小的尺寸和/或部分地具有凹的、弯曲的、锯齿形的或波浪形的形状。
9.根据权利要求1所述的波导谐振器构件，其中，所述波导与所述谐振器之间的间隙在其尺寸方面小于所述微管的直径的一半。
10.根据权利要求1所述的波导谐振器构件，其中，所述波导与谐振器之间的间隙和/或所述微管的内腔以空气和/或液体填充。
11.一种用于制造波导谐振器构件的方法，其中，在至少一个基底上定位至少两个波导，或者在至少两个基底上分别定位至少一个波导；随后，将作为牺牲层的至少一个第一层和位于所述至少一个第一层上的至少一个第二层施加到具有一个或多个波导的基底上；在此之后，至少部分地去除所述牺牲层，并且通过卷起所述至少第二层，使制成的微管形式的谐振器在多个基底的情况下与至少第二基底形成材料锁合的接触。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将光刻胶或由锗构成的层作为牺牲层来施加。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，将由SiO2、SiO、TiO2、Al2O3、HfO2、Y2O3、ZrO2构成的、由半导体，例如Si构成的、或者由III-V族和II-Vl族化合物半导体，例如GaAs、InGaAs、AlInGaAs、AlGaAs构成的、或者由它们的组合物构成的层作为至少第二层来施加。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述牺牲层进行结构化。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，借助蚀刻部分地去除所述牺牲层。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述第二层和/或所有其他层进行结构化。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述第二层和所有其他层在所述波导的区域中以结构化的方式施加，用于产生留空部以形成波导与卷起的层之间的间隙。
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