CN106980155A - 一种基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，包括直波导(1)、微环腔(2)和衬底(4)；直波导(1)和微环腔(2)位于衬底(4)之上，且两者之间设有间隙(3)；所述直波导(1)上设有两个空气孔；所述直波导(1)和微环腔(2)的厚度d相等，且宽度w相等，相互采用侧向耦合。有益效果包括：光子结构紧凑，不仅可以在波导‑微环腔耦合结构的传输谱特定共振波长处实现多种共振线型，而且在较宽波段范围内的多个共振波长处也能够具备这一特征，可满足利用单个微环腔实现多种应用的需求。

Description

一种基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构

技术领域

本发明属于光电子集成芯片领域，具体涉及一种基于光子芯片上微环腔可实现多种共振线型的紧凑光子结构。

背景技术

微环腔是一种典型的光学谐振腔。具有非常紧凑的结构尺寸、较高的品质因子和消光比，是构成光电子集成芯片的重要光子器件之一。通过与其它主动或被动器件的 集成，微环腔已被广泛应用于片上光互连、光传感芯片等领域。

在光子芯片上，微环腔的功能实现一般需与一根通道波导侧耦合，即构成波导-微环腔耦合结构，以使微环腔中共振光场信号可测量。光在耦合进入直波导后，在波 导与微环腔靠近的部位通过空气间隙直接耦合进入微环腔，在波导-微环腔耦合结构的 传输谱线上，表现出在共振波长处的凹陷线型。在数学上可以用洛伦兹线型来描述这 段凹陷。对于波导-微环腔耦合结构来说，通过探测凹陷中心位置的移动或是由于中心 位置移动引起的功率变化，就可以实现诸如传感、滤波、调制以及开关等功能。因此， 这些功能的实现很大程度上取决于这些凹陷的线宽以及陡峭程度。提高微环腔的品质 因子，可以减小这些凹陷的线宽，从而实现诸如提高传感灵敏度的作用。但品质因子 的提高总是有限的。另一种提高微环腔功能的手段是改变传输谱的凹陷线型，例如： 采用具有非对称的法诺型凹陷线型。相对对称的洛伦兹线型而言，非对称的法诺线型 可以实现更小的线宽以及更高的陡峭度。因此，改变波导-微环腔的传输谱线型对于提 高微环腔功能尤为重要。

目前，已报道的，基于微环腔的传输谱线具有法诺线型的光子结构包括：马赫- 曾德干涉型结构以及布拉格光栅反射型结构等。马赫-曾德干涉型结构是在波导-微环 腔耦合结构的基础上又增加了一根直波导，且和原波导之间需要保持一定距离，因此 不够紧凑。布拉格光栅反射型结构是在直波导或微环腔上刻制光栅结构，虽然满足了 紧凑性要求，但对加工工艺有着较高的要求，而且仅针对单一波长。

此外，通过对多个微环腔进行级联，能够在波导-微环腔耦合结构的传输谱上产生类似电磁诱导透明现象的透明窗口，即传输谱表现出在共振波长处为尖峰而不是凹陷， 可以用于光学延迟线等方面的特殊用途，但同样存在不够紧凑的问题，且对多个微环 腔同时实现共振波长的准确控制存在巨大挑战。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出了一种基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构。其采用非常紧凑的结构设计，不仅可以在波导-微环腔耦合结构的传 输谱特定共振波长处实现多种共振线型，而且在较宽波段范围内的多个共振波长处也 能够具备这一特征，可满足利用单个微环腔实现多种应用的需求。

技术方案

一种基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，其特征在于包括直波导1、微环腔2和衬底4；直波导1和微环腔2位于衬底4之上，且两者之间设有间隙3；所 述直波导1上设有两个空气孔；所述直波导1和微环腔2的厚度d相等，且宽度w相 等，相互采用侧向耦合。

所述微环腔2的形状为圆环或椭圆环。

所述直波导1和微环腔2采用相对其衬底和包层具有高折射率的材料。

所述高折射率的材料为IV族材料的硅或硅的化合物。

所述硅的化合物为氮化硅或氮氧化硅。

所述高折射率的材料为III-V族半导体材料。

所述III-V族半导体材料为磷化镓等或铌酸锂。

所述高折射率的材料为聚甲基丙烯酸甲脂。

有益效果

本发明提出了一种基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，仅在传统的微环腔侧耦合直波导结构的基础上额外设计两个空气孔，空气孔位于与微环腔侧耦合的 直波导上。通过调节空气孔的间距及与微环腔的相对位置，就能够在微环腔的基础上 实现多种共振线型。

本发明具有以下有益效果：

1、通过在原微环腔侧耦合直波导结构上额外设计两个空气孔，实现了更为紧凑的光子结构。引入的空气孔为圆形，对于器件加工工艺要求低，引入的加工误差较小。

2、通过微调空气孔的位置以及间距等参数，该结构支持在微环腔传输谱的特定共振波长处产生洛伦兹线型、法诺线型以及类电磁诱导透明三种线型。

3、通过微调空气孔的位置以及间距等参数，该结构还支持在较宽的波段范围内实现所有微环腔共振波长处上述三种线型的周期性变化。

4、本发明提供的这种结构，在选用材料、制备工艺方面均与现有制备光子器件的材料和工艺相兼容。

附图说明

图1为本发明的结构三维立体示意图；

图2：(a)图和(b)图分别为空气孔相对微环腔处于不同位置的二维截面图。

图3为改变空气孔间距情况下某固定波长处传输谱线出现三种线型变化的数值模拟结果。

图4为较宽波段范围内各共振波长处三种线型的数值模拟传输谱。

图中：1.直波导；2.微环腔；3.直波导与微环腔之间的间隙g；4.衬底；5.空 气孔；6.空气孔；a:空气孔间距，r:空气孔半径，R:微环腔内径，d:平板厚度。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施例提出一种基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，如图1所示，该结构在传统微环腔侧耦合直波导结构的基础上，在直波导上挖出两个空气孔。 两个空气孔可以关于微环腔对称分布图2(a)，也可以偏离中心位置图2(b)。

所述直波导1、微环腔2所用的材料一般为高折射率或相对其衬底和包层具有高折射率，有IV族材料如硅、硅的化合物氮化硅、氮氧化硅等、III-V族半导体材料如 磷化镓等、铌酸锂以及某些聚合物如聚甲基丙烯酸甲脂等。

所述直波导1和微环腔2厚度为d，宽度为w，间隙3大小为g，采用侧向耦合。

所述微环腔2的形状，可选择为圆环、椭圆环，若为圆环，内径为R。

所述直波导1上的空气孔5和空气孔6具有半径为r，且间距为a。

本发明实施例包括直波导1、微环腔2、两者间的间隙3、衬底4、空气孔5和空 气孔6。直波导和微环腔采用硅材料，衬底为二氧化硅。波导宽度w＝500nm，厚度为 d＝220nm，波导与微环腔耦合间隙为100nm。微环腔内径为R，空气孔半径150nm， 间距为a。

图3为本发明提出的基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构在改变两空气孔间距情况下，某固定波长1589nm处传输谱线出现三种线型变化的数值模拟结果。 微环腔内径R为15μm。从图中可以看出，随着两个空气孔间距的逐渐增大从8.92μm 增大至9.35μm，波长1589nm处的共振线型在洛伦兹线型向下的凹陷，如图3(b)、图 3(f)所示、法诺线型不对称线型，如图3(a)、图3(c)、图3(e)所示、类电磁诱导透明 现象向上的尖峰，如图3(d)所示三种线型之间周期性地变化。

图4为本发明提出的基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构在较宽波段范围1480nm-1620nm内传输谱线的数值模拟结果。图4(b)、图4(c)分别为波长1545nm 以及波长1575nm附近的传输谱线放大图。此时两个空气孔相距5μm，微环腔半径R 为15μm。从图4(a)中可以看出，在不同的共振波长处，该光子结构的传输谱线呈现 出三种线型的周期性改变。在传输谱的最大值处，如波长1545nm图4(b)处，线型表 现为向下的洛伦兹线型；在传输谱的最小值处，如波长1575nm图4(c)处，线型表现 为向上的尖峰，即类电磁诱导透明现象；在传输谱的上坡或下坡处，线型表现为非对 称的法诺线型。

Claims (8)

1.一种基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，其特征在于包括直波导(1)、微环腔(2)和衬底(4)；直波导(1)和微环腔(2)位于衬底(4)之上，且两者之间设有间隙(3)；所述直波导(1)上设有两个空气孔；所述直波导(1)和微环腔(2)的厚度d相等，且宽度w相等，相互采用侧向耦合。

2.根据权利要求1基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，其特征在于：所述微环腔(2)的形状为圆环或椭圆环。

3.根据权利要求1基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，其特征在于：所述直波导(1)和微环腔(2)采用相对其衬底和包层具有高折射率的材料。

4.根据权利要求1基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，其特征在于：所述高折射率的材料为IV族材料的硅或硅的化合物。

5.根据权利要求4基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，其特征在于：所述硅的化合物为氮化硅或氮氧化硅。

6.根据权利要求1基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，其特征在于：所述高折射率的材料为III-V族半导体材料。

7.根据权利要求6基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，其特征在于：所述III-V族半导体材料为磷化镓等或铌酸锂。

8.根据权利要求6基于微环腔实现多种共振线型的紧凑光子结构，其特征在于：所述高折射率的材料为聚甲基丙烯酸甲脂。