CN108693602B - 一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件及其制备方法 - Google Patents

一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件，包括由二氧化硅包覆层包裹位于上层的反馈波导、集合子微环结构及底层的微环谐振腔，上层的反馈波导与底层的微环谐振腔相互作用，将同一光源的光在器件中分为两束并在输出口发生共振输出，得到紧密的滤波效果；其次，在微环谐振腔上方附有金属加热电极，实现加载电信号的振幅调制到光信号的相位调制的转换。本发明同时公开了氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件的制备方法。三维垂直集成设计，使芯片集成更紧凑，同时降低光波导的插入损耗，制作工艺与半导体加工工艺兼容，调制效率高，能耗低，可大批量低成本生产，在光信号处理领域中具有重要的应用前景。

Description

一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及可调谐光滤波器领域，尤其涉及一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件及其制备方法。
背景技术
随着大数据时代的到来，通信网络带宽和容量规模快速增加，基于现有传统光信号处理器件，不仅带宽、速度遇到瓶颈，所消耗的能量也急剧增大，因而急需开发出超高速低能耗的新型集成光电子器件。其中，光调制器作为光信息处理、光谱测量、光存储等多个领域的核心器件，已发展出基于电光、声光、磁光等效应的多种器件，而电光调制器通过外加电场的变化调控输出光的振幅或相位，在功耗、速度、集成性等方面都有一定的优势，研究也最为广泛。
氮化硅被证明是一种很有前景的光波导传感材料。这种材料具有较宽的透明带宽、可忽略的非线性吸收，可以互补金属氧化物半导体(CMOS)，而中等折射率的氮化硅比相对高的折射率平台(如绝缘体上硅)拥有更少的模式约束，与聚合物材料相比，氮化硅不易发生变质，稳定性好且芯、包层折射率差大，具有制备简单、工艺成本低等优点。此外，光在其中传播和耦合损耗也很小。在器件制造方面可以提供大的制造公差，已经逐渐被人们应用在光学集成器件的制造方面。光学微腔有小的模式体积和高的品质因子Q，在低阂值微腔激光器、光学滤波器、传感器、光开关和调制器等领域具有重要的应用价值。基于氮化硅光学微腔可以实现高效的可调滤波性能【先进技术1：J.Feng,R.Akimoto,Q.Hao，et al.IEEEPhoton.Technol.Lett.，29(9),771–774,(2017)】。多微腔的级联技术也可以得到更加密集的滤波通道，用于WDM通道系统。但对于级联形式的微环，如果要得到预期的响应谱线，就要严格控制每一个微环的谐振频率以及自由频谱宽度(free spectrum range，FSR)使得矩阵中每一个微环的谐振频率都严格对准，这就对工艺制作提出了非常高的要求，因此一种波导自耦合结构提出，利用波导的自耦合克服对准问题【先进技术2:H.Tang,L.Zhou,J.Xie，et al.,Journal of Lightwave Technology,36(11),2188–2195(2018)】。但目前为止，还没有针对自耦和的氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件结构设计以及实现途径。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件及其制备方法，基于氮化硅微腔的垂直自耦合结构，利用氮化硅微腔的低传输损耗、高灵敏度与高容忍度的制造工艺，实现密集的波分复用滤波器。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件，利用氮化硅微腔的低传输损耗、高灵敏度与高容忍度的制造工艺，实现高效的可调滤波性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件，包括由二氧化硅包覆层包裹位于上层的反馈波导、集合子微环结构及底层的微环谐振腔，上层的所述反馈波导与所述底层的微环谐振腔相互作用，将同一光源的光在器件中分为两束并在输出口发生共振输出，实现不同谱型的可调谐谐振滤波。
进一步地，所述底层的微环谐振腔为跑道环形结构，位于上层的所述反馈波导上安装有定向的前耦合器和后耦合器，分别位于所述底层的微环谐振腔的直道段两侧，光输入所述前耦合器发生交叉耦合分成第一束光和第二束光；所述第一束光经过所述前耦合器后沿顺时针继续传播，在所述后耦合器交叉耦合进入上层的所述反馈波导，再经过所述前耦合器实现由顺时针光路向逆时针光路的耦合，最后由所述后耦合器输出；所述第二束光在所述前耦合器处沿所述反馈波导继续传播到所述后耦合器输出，所述第一束光和所述第二束光在所述后耦合器发生共振，实现传输光的滤波现象。
进一步地，所述底层的微环谐振腔上方附着有加热电极，用于调制输出谐振峰。
进一步地，所述加热电极为金属加热器。
进一步地，所述集合子微环结构为2个，分别位于所述跑道环形结构两侧弯道段部分。
进一步地，所述反馈波导的损耗为1.6dB/cm。
同时，本发明还提供了一种制备氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在InP衬底材料表面上沉积二氧化硅，然后再沉积氮化硅，基于电子束光刻、等离子体刻蚀等工艺，制备平面氮化硅微腔结构；
b)通过化学气相沉积覆盖二氧化硅包覆层；
c)对得到表面不平整的二氧化硅层，选择基于偏振技术的化学机械抛光(CMP)和反应离子图案化刻蚀(RIE)平坦二氧化硅表面；
d)在平滑二氧化硅层上再次沉积氮化硅层，并基于电子阻挡层(EBL)和RIE技术刻蚀氮化硅波导和微环结构；
e)利用光刻、剥离的技术工艺，在所述微腔结构上方制备电极加热器；
f)对所述电极加热器进行电调控操作，对芯片进行切割、抛光等制样处理。
进一步地，步骤a)中沉积二氧化硅厚度为4微米。
进一步地，步骤a)中沉积氮化硅厚度为200纳米。
进一步地，步骤d)中再次沉积氮化硅厚度为200纳米。
本发明的有益效果在于：本发明氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件，基于氮化硅微腔的垂直自耦合结构，可充分利用氮化硅微腔的低传输损耗、高灵敏度与高容忍度的制造工艺，有望实现密集的波分复用滤波器。微腔谐振器上方附有加热电极，通过电光调制实现器件相位变化进而得到谐振波长可调的高效光滤波器。本方案基于氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件研制，设计出高效可调的光滤波结构，拓展了垂直耦合结构的应用方向，为基于氮化硅微腔的非线性光学相关研究提供坚实的实验支撑。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例弯曲波导集合单个子微环结构的示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例弯曲波导集合两个子微环结构的示意图；
图3是本发明氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件位于上层的反馈波导，集合单个子微环结构的输出光谱图；
图4为本发明氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件位于上层的反馈波导，集合两个子微环结构输出光谱图；
图5为本发明氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件位于上层的反馈波导，集合单个子微环结构的输出光谱随相位变化图；
图6为本发明氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件位于上层的反馈波导，集合两个子微环结构的输出光谱随相位变化图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，本发明给出了弯曲波导集合单个子微环结构的具体实施例，主要由二氧化硅包覆层包裹位于上层的反馈波导1、集合单个子微环结构2、底层的微环谐振腔3、耦合器4、耦合器5和加热电极6组成，微环谐振腔3为跑道环形结构，位于上层的反馈波导1下方安装有定向的耦合器4和耦合器5，分别位于微环谐振腔的直道段两侧。光由上层的反馈波导1输入耦合器4发生交叉耦合分成两束光，第一束光经过耦合器4后沿顺时针继续传播，在耦合器5交叉耦合进入上层波导再经过耦合器4实现由顺时针光路向逆时针光路的耦合，最后由耦合器5输出；另一束光在耦合器4处沿上层的反馈波导继续传播到耦合器5后输出，两束光在耦合器5发生共振，实现传输光的滤波作用。其中，制作该弯曲波导集合单个子微环结构的方法为：在InP衬底上沉积一层4微米二氧化硅，并在二氧化硅表面沉积200纳米氮化硅刻蚀成跑道环型微腔结构，重新沉积一层新的二氧化硅做包覆层后再沉积200纳米的氮化硅并刻蚀成上层的波导和微环形状，最后沉积一层二氧化硅包覆层，得到垂直结构的氮化硅器件。在底层氮化硅上方附着一个加热电极6，如金属加热器，用以调制输出谐振峰。
图2是弯曲波导集合两个子微环结构的示意图，与图1不同之处在于，在底层的微环谐振腔3的两侧圆弧段上方分别有集合子微环结构2和集合子微环结构7，在微环谐振腔3左侧圆弧段上方增加了集合子微环结构7，用以得到更密集的滤波效果。集合子微环结构7制作方法与图1中其它部件制作方法相同。
图3是位于上层的反馈波导，集合单个子微环结构的输出光谱图。其中选择波导的损耗为1.6dB/cm，分别取耦合系数k为0.2、0.4、0.6和0.8，得到输出光谱。由图3可见，随着耦合系数k的增加，输出光谱消光比增加，在k增加到一定的值时，会出现类电磁传导透明现象。因此，控制耦合系数直至出现电磁传导透明，可以实现更高阶的光滤波效果。
图4是位于上层的反馈波导，集合两个子微环结构的输出光谱图。调整图4耦合系数与图3出现相同效果，不同之处在于，图4自由光谱范围是0.79纳米，图3自由光谱范围为0.98纳米。可见，通过增加集合子微环结构可以实现更窄的自由光谱范围。
图5是位于上层的反馈波导，集合单个子微环结构的输出光谱随相位变化图。底层的微环谐振腔3在一个π相位下有0.15纳米的波峰偏移。
图6是位于上层的反馈波导，集合两个子微环结构的输出光谱随相位变化图。底层的微环谐振腔3在一个π相位变化下有0.125纳米的波峰偏移。
可见，通过增加集合子微环结构可以实现更窄的波峰偏移，通过加热电极改变底层的微环谐振腔相位可以实现波峰偏移，从而得到可调谐光滤波效果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件，其特征在于，包括由二氧化硅包覆层包裹位于上层的反馈波导、集合子微环结构及底层的微环谐振腔，底层的所述微环谐振腔为跑道环形结构，上层的所述反馈波导与所述底层的微环谐振腔相互作用，将同一光源的光在器件中分为两束并在输出口发生共振输出，实现不同谱型的可调谐谐振滤波。
2.如权利要求1所述的氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件，其特征在于，位于上层的所述反馈波导上安装有定向的前耦合器和后耦合器，分别位于所述底层的微环谐振腔的直道段两侧，光输入所述前耦合器发生交叉耦合分成第一束光和第二束光；所述第一束光经过所述前耦合器后沿顺时针继续传播，在所述后耦合器交叉耦合进入上层的所述反馈波导，再经过所述前耦合器实现由顺时针光路向逆时针光路的耦合，最后由所述后耦合器输出；所述第二束光在所述前耦合器处沿上层的所述反馈波导继续传播到所述后耦合器输出，所述第一束光和所述第二束光在所述后耦合器发生共振，实现传输光的滤波现象。
3.如权利要求1所述的氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件，其特征在于，底层的所述跑道环形结构的所述微环谐振腔上方附着有加热电极，用于调制输出谐振峰。
4.如权利要求3所述的氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件，其特征在于，所述加热电极为金属加热器。
5.如权利要求3所述的氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件，其特征在于，所述集合子微环结构为2个，分别位于所述跑道环形结构两侧弯道段部分。
6.如权利要求1所述的氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件，其特征在于，所述反馈波导的损耗为1.6dB/cm。
7.一种制备氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在InP衬底材料表面上沉积二氧化硅，然后再沉积氮化硅，基于电子束光刻、等离子体刻蚀等工艺，制备平面氮化硅微腔结构；
b)通过化学气相沉积覆盖二氧化硅包覆层；
c)对得到表面不平整的二氧化硅层，选择基于偏振技术的化学机械抛光(CMP)和反应离子图案化刻蚀(RIE)平坦二氧化硅表面；
d)在平滑二氧化硅层上再次沉积氮化硅层，并基于电子阻挡层(EBL)和RIE技术刻蚀氮化硅波导和微环结构；
e)利用光刻、剥离的技术工艺，在所述微腔结构上方制备电极加热器；
f)对所述电极加热器进行电调控操作，对芯片进行切割、抛光等制样处理。
8.如权利要求7所述的制备氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件的方法，其中步骤a)中沉积二氧化硅厚度为4微米。
9.如权利要求7所述的制备氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件的方法，其中步骤a)中沉积氮化硅厚度为200纳米。
10.如权利要求7所述的制备氮化硅三维集成多微腔谐振滤波器件的方法，其中步骤d)中再次沉积氮化硅厚度为200纳米。
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