CN109799575A - 单片集成的中红外锗基微型谐振腔及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及集成光学技术领域，为提供中红外吸收光谱装置，本发明，单片集成的中红外锗基微型谐振腔及其制作方法，包括：锗基光耦合器、悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔，所述的锗基光耦合器与悬空薄膜锗基波导相连，用于实现外部光源与悬空薄膜锗基波导之间的中红外光的耦合；悬空薄膜锗基波导位于悬空薄膜锗基微型谐振腔的侧面，通过倏逝场实现悬空薄膜锗基波导与悬空薄膜锗基微型谐振腔之间的中红外光的耦合；中红外光在悬空薄膜锗基微型谐振腔中产生共振，实现光场的增强输出。本发明主要应用于红外吸收光谱装置的设计制造场合。

Description

单片集成的中红外锗基微型谐振腔及其制作方法

技术领域

本发明涉及集成光学技术领域，更具体地，涉及一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔。

背景技术

中红外吸收光谱技术是一种探测分子信息的重要方法，被广泛应用于环境监测、工业安全、生物医学、食品卫生等众多领域。在中红外光谱范围内，由于光子能量对应于物质分子的振动能级基频跃迁吸收的能量，因此中红外光子可以被物质分子强烈的吸收。特别是在分子指纹区内(波长8-15μm)，每种分子对应于一种特定的吸收光谱，人们可以根据中红外吸收光谱准确地识别物质分子的种类及含量。经过多年的发展，中红外吸收光谱已经成为技术最成熟、应用最广泛、资料积累最多的光谱技术。然而，传统的中红外吸收光谱仪是基于空间光学设备搭建，具有体积大，设备重、测量结果对环境变化的适应性差(例如，对振动和温度变化敏感)、价格昂贵等缺点，无法满足很多实际应用的需求。集成光学技术的快速发展为解决上述问题提供了极具前景的方案：通过将多个微型功能器件集成于厘米尺寸的光子芯片上，将显著地减小中红外吸收光谱仪的体积和重量，降低成本和功耗，提高系统的环境适应性，极大地拓展其使用范围。

目前，人们已经报道了基于不同材料(例如，硫化物玻璃、氟化物玻璃、三五族半导体、四族半导体等)所开发的片上集成的中红外波导器件。例如，2012年，香港中文大学的程振洲等人报道了中红外悬空硅基波导器件(IEEE Photonics Journal,4,1510-1519,2012)，针对此结构浙江大学的檀亚松等人申请了中国发明专利(201210568966.6)。2013年北京工业大学的王丽等人发明了一种使用锗镓碲硫卤玻璃材料制作的中红外波导传感器，并申请了中国发明专利(201310218339.4)；2016年电子科技大学的陆荣国等人发明了一种使用石墨烯集成的硫化物玻璃制作的中红外波导光栅，并申请了中国发明专利(201611258501.5)；2018年西安电子科技大学的王军利等人发明了一种使用氟化物玻璃制作的中红外Y型波导分束器,并申请了中国发明专利(201810080094.6)。在上述的工作中，硅基波导器件的制作工艺与微电子工业中成熟的CMOS工艺兼容性高，具有工艺成熟、制作成本低、波导光学损耗低等优点，因此，在中红外波导器件的应用中前景广阔。然而，由于材料的局限性，硅基波导并不能够应用于整个中红外波段，特别是在分子指纹区(波长8-15μm)中，硅基波导光学损耗极大，因此，需要选择一种更适合的集成平台替代硅基平台开发片上集成的中红外波导器件。

锗是另一种制作工艺与CMOS相兼容的半导体材料。相比于硅，锗具有更宽的光谱透明窗口、更高的折射率、更大的三阶非线性效应、以及更强的热光效应，因此使用锗材料代替硅材料能够在分子指纹区(波长8-15μm)中开发硅基器件无法实现的应用。近年来，中红外锗基集成光学器件得到了广泛的研究。首个锗基中红外集成光学器件报道于2012年，洛桑联邦理工学院的Y.Chang等人在硅基衬底上制作了低光学损耗的单晶锗波导(OpticsLetters,37,2883-2885,2012)。2014年，根特大学的A.Malik等人制作了低光学功耗的锗基波导热光移相器(Optics Express,22,28479-28488,2014)。2015年，南安普顿大学的L.Shen等人使用锗基波导制作了基于非线性吸收效应的全光调制器(Optics Letters,40,268-271,2015)。2016年，南洋理工大学的W.Li等人使用化学机械抛光的方法制作了锗-氮化硅波导，实现了低光学损耗的中红外波导(Applied Physics Letters,109,241101,2016)。同年，新加坡国立大学的U.Younis等人研制出低位错缺陷密度的锗-硅-绝缘体波导，并利用快速热退火技术降低了波导的光学损耗(Optics Express,24,11987-11993,2016)。除波导外，科研工作者还开发了多种高级的中红外锗基集成光学器件。例如，2016年，东京大学的J.Kang等人研制出包括锗基波导、锗基光栅耦合器、锗基多模干涉耦合器、锗基微环谐振腔在内的多种无源器件(Optics Express,24,11855-11864,2016)。同年，东京都市大学的X.Xu等人研制出了高品质因数的锗-二氧化硅微盘谐振腔(Proc.SPIE,Silicon Photonics and Photonic Integrated the Circuits V,9891,98910V)。然而，所有上述工作仍无法解决器件基底材料(例如，硅、氮化硅、氧化硅)对锗基波导里中红外光的吸收损耗，极大地限制了中红外锗基集成光学器件的光谱带宽。

在专利申请方面，锗基中红外集成光学器件已公开的专利有2017年中国地质大学(武汉)的陈秉蔚等人利用金属银覆盖锗狭缝制成非线性光波导结构，申请了中国发明专利(201710276176.3)等。但上述专利的制作工艺无法与CMOS工艺相兼容，并无法实现多种器件的片上集成应用。

综上所述，虽然中红外集成光学器件近年来得到了快速的发展，然而，锗基器件的光谱范围仍无法覆盖分子指纹区(波长8-15μm)。开发一种适用于可覆盖分子指纹区(波长8-15μm)的、片上集成的、低光学损耗的波导器件仍是一项重要的任务。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔。为此，本发明采取的技术方案是，单片集成的中红外锗基微型谐振腔，包括：锗基光耦合器、悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔，所述的锗基光耦合器与悬空薄膜锗基波导相连，用于实现外部光源与悬空薄膜锗基波导之间的中红外光的耦合；悬空薄膜锗基波导邻近悬空薄膜锗基微型谐振腔，通过倏逝场实现悬空薄膜锗基波导与悬空薄膜锗基微型谐振腔之间的中红外光的耦合；中红外光在悬空薄膜锗基微型谐振腔中产生共振，实现光场的增强输出。

所述的光耦合器可以是锗基光栅耦合器，也可以是锗基倒锥耦合器；所述的悬空薄膜锗基波导的底部悬空，悬空薄膜锗基波导是矩形锗基波导，或者是脊型锗基波导，或者是亚波长介质包层的锗基波导。

所述的悬空薄膜锗基微型谐振腔的底部悬空，悬空薄膜锗基微型谐振腔是基于全反射原理的锗基波导微环谐振腔，或者是基于回音壁原理的锗基微盘谐振腔，悬空薄膜锗基微型谐振腔仅包括一个锗基微型谐振腔，也可以由多个锗基微型谐振腔组合实现。

所述的锗基光耦合器、悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔设计制作在锗-绝缘体晶圆上，锗-绝缘体晶圆由顶部锗层、中部绝缘体层、和底部衬底层三层结构组成。

所述的顶部锗层是锗材料，或者是硅锗材料，或者是锗锡材料；所述的中部绝缘体层材料的折射率低于锗，可以是氧化物玻璃，或者是氮化物玻璃，或者是硫化物玻璃，还可以由氧化物玻璃、氮化物玻璃、硫化物玻璃组合而成；所述的底部衬底层可以是硅材料，或者是锗材料。

本发明的特点及有益效果是：

(1)通过采用锗基材料将波导的透明窗口扩展到15μm，完全覆盖分子指纹区(8-15μm)。

(2)利用锗材料与空气的高折射率差，实现中红外器件的小型化。

(3)通过采用悬空薄膜结构，消除了中部绝缘体层对锗基器件里中红外光的吸收损耗，降低了波导的光学损耗，提高了微型谐振腔的品质因子。

(4)实现了多个无源锗基光子器件(例如，锗基光耦合器、悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔)的单片集成。

附图说明：

图1为本发明一实施例提供的一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔的结构示意图。

图2为图1中一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔的侧视图。

图3为图1中一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔的俯视图。

具体实施方式

为解决现有技术中存在的问题，本发明采取了如下技术方案：

一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔，工作波长可以覆盖2-15微米波段，包括：锗基光耦合器、悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔。

所述的锗基光耦合器与悬空薄膜锗基波导相连，用于实现外部光源与悬空薄膜锗基波导之间的中红外光的耦合；悬空薄膜锗基波导位于悬空薄膜锗基微型谐振腔的侧面，通过倏逝场实现悬空薄膜锗基波导与悬空薄膜锗基微型谐振腔之间的中红外光的耦合；中红外光在悬空薄膜锗基微型谐振腔中产生共振，实现光场的增强。

所述的一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔，所述的光耦合器可以是锗基光栅耦合器，也可以是锗基倒锥耦合器。

所述的一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔，所述的悬空薄膜锗基波导的底部悬空，悬空薄膜锗基波导可以是矩形锗基波导，可以是脊型锗基波导，也可以是亚波长介质包层的锗基波导。

所述的一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔，所述的悬空薄膜锗基微型谐振腔的底部悬空，悬空薄膜锗基微型谐振腔可以是基于全反射原理的锗基波导微环谐振腔，也可以是基于回音壁原理的锗基微盘谐振腔。悬空薄膜锗基微型谐振腔可以由一个锗基微型谐振腔实现，也可以由多个锗基微型谐振腔组合实现。

所述的一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔，所述的锗基光耦合器、悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔设计制作在锗-绝缘体晶圆上，锗-绝缘体晶圆由顶部锗层、中部绝缘体层、和底部衬底层三层结构组成。

所述的锗-绝缘体晶圆，所述的顶部锗层可以是锗材料，可以是硅锗材料，也可以是锗锡材料。

所述的锗-绝缘体晶圆，所述的中部绝缘体层材料的折射率低于锗，可以是氧化物玻璃，可以是氮化物玻璃，可以是硫化物玻璃，也可以由氧化物玻璃、氮化物玻璃、硫化物玻璃组合而成。

所述的锗-绝缘体晶圆，所述的底部衬底层可以是硅材料，可以是锗材料。

如图1，图2和图3所示，一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔，锗基集成器件制作在锗-绝缘体晶圆的顶部锗层1上，锗基集成器件下面的中部绝缘体层2被氢氟酸去除，从而可以极大地减少绝缘体层对锗基器件里中红外光的吸收损耗，底部衬底层3不溶于氢氟酸，可以为器件提供支撑，因此，芯片具有良好的机械稳定性。锗基集成器件采用典型的微纳米加工工艺制作而成，即：电子束曝光结合干法刻蚀完成。中红外光通过锗基光耦合器4耦合进悬空薄膜锗基波导5，悬空薄膜锗基波导5位于悬空薄膜锗基微型谐振腔6的侧面，通过倏逝场实现悬空薄膜锗基波导5与悬空薄膜锗基微型谐振腔6之间的中红外光的耦合，中红外光在悬空薄膜锗基微型谐振腔6中产生共振，实现光场的增强。波导和微型谐振腔两侧均具有微米孔结构7使氢氟酸能够进入中部绝缘体层2进行刻蚀，最后，悬空薄膜锗基波导5中传播的中红外光通过锗基光耦合器8耦合出去。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种单片集成的中红外锗基微环谐振腔：在锗-绝缘体晶圆中，顶部锗层的厚度为300nm，中部绝缘层厚度为2μm，底部硅层厚度为625μm。锗基集成器件采用典型的微纳米加工工艺制作而成，即：电子束曝光结合干法刻蚀完成。悬空薄膜锗基波导和悬空薄膜锗基微环谐振腔的波导宽度均为900nm，刻蚀深度均为150nm，以抑制波导中高阶模的产生。悬空薄膜锗基微环谐振腔的半径为35μm，悬空薄膜锗基波导与悬空薄膜锗基微环谐振腔之间的最小间隙为140nm，以保证悬空薄膜锗基微环谐振腔接近恰耦合条件。悬空薄膜锗基波导类似一个中空的管子，悬空薄膜锗基微型谐振腔类似中空的圆环，两者之间是倏逝场。锗基波导与锗基微环谐振腔波导的两侧分布微米孔结构使氢氟酸进入中部绝缘层体进行刻蚀，形成悬空薄膜结构。采用横电模聚焦亚波长光栅耦合器实现外部光源与芯片的光学耦合。

本发明所设计的一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔，通过悬空薄膜结构，增大了锗基波导与外部空气包层的折射率差，实现了集成的小型化。通过去除中部绝缘体层，减少顶部锗层器件里中红外光的吸收损耗，从而实现光谱范围覆盖分子指纹区分子指纹区(8-15μm)的集成器件。

最后，本实施例的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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)

1.一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔，其特征是，包括：锗基光耦合器、悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔，所述的锗基光耦合器与悬空薄膜锗基波导相连，用于实现外部光源与悬空薄膜锗基波导之间的中红外光的耦合；悬空薄膜锗基波导邻近悬空薄膜锗基微型谐振腔，通过倏逝场实现悬空薄膜锗基波导与悬空薄膜锗基微型谐振腔之间的中红外光的耦合；中红外光在悬空薄膜锗基微型谐振腔中产生共振，实现光场的增强输出。

2.如权利要求1所述的单片集成的中红外锗基微型谐振腔，其特征是，所述的光耦合器可以是锗基光栅耦合器，也可以是锗基倒锥耦合器；所述的悬空薄膜锗基波导的底部悬空，悬空薄膜锗基波导是矩形锗基波导，或者是脊型锗基波导，或者是亚波长介质包层的锗基波导。

3.如权利要求1所述的单片集成的中红外锗基微型谐振腔，其特征是，所述的悬空薄膜锗基微型谐振腔的底部悬空，悬空薄膜锗基微型谐振腔是基于全反射原理的锗基波导微环谐振腔，或者是基于回音壁原理的锗基微盘谐振腔，悬空薄膜锗基微型谐振腔仅包括一个锗基微型谐振腔，也可以由多个锗基微型谐振腔组合实现。

4.如权利要求1所述的单片集成的中红外锗基微型谐振腔，其特征是，所述的锗基光耦合器、悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔设计制作在锗-绝缘体晶圆上，锗-绝缘体晶圆由顶部锗层、中部绝缘体层、和底部衬底层三层结构组成。

5.如权利要求1所述的单片集成的中红外锗基微型谐振腔，其特征是，所述的顶部锗层是锗材料，或者是硅锗材料，或者是锗锡材料；所述的中部绝缘体层材料的折射率低于锗，可以是氧化物玻璃，或者是氮化物玻璃，或者是硫化物玻璃，还可以由氧化物玻璃、氮化物玻璃、硫化物玻璃组合而成；所述的底部衬底层可以是硅材料，或者是锗材料。

6.一种单片集成的中红外锗基微型谐振腔制作方法，其特征是，将锗基集成器件主体制作在锗-绝缘体晶圆的顶部锗层上；锗基集成器件下面的中部绝缘体层被氢氟酸去除，底部衬底层不溶于氢氟酸，为器件提供支撑，锗基集成器件主体包括悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔，在悬空薄膜锗基波导、悬空薄膜锗基微型谐振腔之间制作倏逝场，中红外光通过锗基光耦合器耦合进悬空薄膜锗基波导，悬空薄膜锗基波导制作于邻近悬空薄膜锗基微型谐振腔，通过倏逝场实现悬空薄膜锗基波导与悬空薄膜锗基微型谐振腔之间的中红外光的耦合，中红外光在悬空薄膜锗基微型谐振腔中产生共振，实现光场的增强，最后，悬空薄膜锗基波导中传播的中红外光通过锗基光耦合器耦合出去。

7.如权利要求6所述的单片集成的中红外锗基微型谐振腔制作方法，其特征是，所述的锗基集成器件可以是采用电子束曝光结合刻蚀完成，或者是采用光刻结合刻蚀完成，或者是采用聚焦离子束制作完成。

8.如权利要求6所述的单片集成的中红外锗基微型谐振腔制作方法，其特征是，通过悬空薄膜锗基波导和微型谐振腔两侧均具有微米孔结构使氢氟酸能够进入中部绝缘体层进行刻蚀。