CN111090149B - 基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器以及一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法。该基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器结构如下：包括有第一波导通道、第二波导通道以及谐振微环，由第一波导通道以及第二波导通道形成谐振空间，在谐振空间内设置跑道型谐振环，谐振微环设置在跑道型谐振环内。本发明所提供的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器，可以使品质因子达到3.873×10⁶。且随着跑道型谐振环直线波导区长度的增加，其品质因子能达到更高的量级，这为高灵敏度的生物传感器和需要确定信号的滤波器提供可能。

Description

基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器及方法

技术领域

本发明涉及谐振器设备技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器以及一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法。

背景技术

集成光学是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，其主要研究内容包括光波在薄膜材料中的准直、偏转、滤波、空间辐射、光振荡、传导、放大、调制以及与此相关的薄膜材料的非线性光学效应等。

随着CMOS工艺精度的持续推进，微环谐振器在集成光学领域的研究与应用开始迅速发展起来，现在已成为集成光学中最基础和不可或缺的结构单元之一。微环谐振器具有波长选择性，可用于调控光的传输路径，同时它又是谐振腔，可产生各种非线性光学现象。由于微环谐振器结构简单、尺寸可以做到很小、且易于与其他光子结构组合，微环谐振器已经成为集成光学中的最基本的结构单元之一，被广泛应用于各种集成光子器件中。

高品质因子的微环谐振器在许多领域都具有吸引力，例如，具有超高灵敏度的生物传感器、宽带频率梳等。而目前微环谐振器虽然在SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)、有机聚合物、铌酸锂等不同材料均有所实现，但是其标志性的参数如损耗、调制深度、自由光谱范围、品质因子等仍有较大的改善空间。

发明内容

综上所述，如何谐振器的提高品质因子，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

方案一

一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器，包括有第一波导通道、第二波导通道以及谐振微环，由所述第一波导通道以及所述第二波导通道形成谐振空间，在所述谐振空间内设置跑道型谐振环，所述谐振微环设置在所述跑道型谐振环内；所述跑道型谐振环具有直线耦合段以及半圆耦合段，所述直线耦合段与所述第一波导通道以及所述第二波导通道形成直线波导区，所述谐振微环靠近所述半圆耦合段并与所述半圆耦合段形成曲线波导区。

优先地，在基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器中，所述谐振微环包括有绝缘衬底，所述绝缘衬底包括有1-2μm厚度的硅层、设置于所述硅层上面2-3μm厚度的氧化硅层、设置于所述氧化硅层上面200-260nm的铌酸锂层；所述铌酸锂层上一体成型有圆环状的梯型波导，于所述铌酸锂层上面设置有与所述梯型波导同心的谐振微环电极，所述谐振微环电极分设于所述梯型波导的内外两侧。

优先地，在基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器中，所述谐振微环电极中、电极间的间距在0.8-1.2μm。

优先地，在基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器中，所述梯型波导的高度在100-120nm之间；所述梯型波导的宽度在480至520nm之间。

方案二

一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法，该基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法使用了如上述的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器实现光波谐振。

优选地，在基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法中，对谐振微环施加-150V至150V电压获得1540nm至1560nm波长的谐振波，并获得10⁶量级的品质因子。

优选地，在基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法中，通过延长跑道型谐振环的直线耦合段的长度提高谐振器的品质因子的量级。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器以及一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法。该基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器结构如下：包括有第一波导通道、第二波导通道以及谐振微环，由第一波导通道以及第二波导通道形成谐振空间，在谐振空间内设置跑道型谐振环，谐振微环设置在跑道型谐振环内；跑道型谐振环具有直线耦合段以及半圆耦合段，直线耦合段与第一波导通道以及第二波导通道形成直线波导区，谐振微环靠近半圆耦合段并与半圆耦合段形成曲线波导区。本发明所提供的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器，可以使品质因子达到3.873×10⁶。且随着跑道型谐振环直线波导区长度的增加，其品质因子能达到更高的量级，这为高灵敏度的生物传感器和需要确定信号的滤波器提供可能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为单通道微环谐振器的示意图；

图2为双通道微环谐振器的示意图；

图3为本发明实施例中基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器的示意图；

图4为图3中沿A-A的剖面图；

图5为光波在梯型波导中传播时的基本TE模式图；

图6为本发明中Ethrough端的透射光谱图；

图7为本发明中基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器改变直线波导区长度时品质因子以及FSR的变化关系图；

图8为对谐振微环施加不同等级电压时Ethrough端的透射光谱图；

图9为TE极化对施加电压的共振波长偏移影响关系图。

附图标记说明：

第一波导通道1、第二波导通道2、谐振微环3、绝缘衬底31、梯型波导32、谐振微环电极33、跑道型谐振环4、直线耦合段41、半圆耦合段42。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参考图1和图2，其中，图1为单通道微环谐振器的示意图；图2为双通道微环谐振器的示意图。

本发明提供了一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器，该基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器(下面简称为谐振器)基于双通道微环谐振器结构进行了优化设计，从而能够提高其品质因子的量级。

目前，典型的双通道微环谐振器包括有第一波导通道(如图2中Ein-Ethrough波导通道)、第二波导通道(如图2中Eadd-Edrop波导通道)以及谐振微环，第一波导通道以及第二波导通道均为直线波导，第一波导通道以及第二波导通道在同一平面内平行设置，并且，第一波导通道与第二波导通道相平行且间隔设置，这样，由第一波导通道以及第二波导通道形成谐振空间，谐振微环设置在谐振空间内。

如图2所示，双通道微环谐振器的工作原理如下：当光波进入第一波导通道后，经过传输一定的距离，会有部分光波能量会耦合到谐振微环中，在经过谐振微环传输一周后再与第二波导通道中的光波发生干涉，若某一光波围绕谐振微环传输一周所产生的相位差等于2π的整数倍，则光波相干相长，最终的结果是谐振微环中的光波谐振增强，功率增大，导致Edrop端的光波能量也随之逐渐增大，Ethrough端的光波能量逐渐减小，如此往复多次，最终Edrop端能够输出稳定的光波。与此相反，若某一光波围绕谐振微环传输一周所产生的相位差等于π的奇数倍，光波相干相消，最后从Edrop端输出的光波能量很小，大部分光波仍然在Ethrough端输出。

对于单个微环谐振器的谐振条件如下：

LN_eff＝mλ_res

其中：n_eff是有效折射率，L为谐振微环的周长，m是共振级次，λ_res为共振波长。

请参考图3至图5，其中，图3为本发明实施例中基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器的示意图；图4为图3中沿A-A的剖面图；图5为光波在梯型波导中传播时的基本TE模式图。

本发明独创性地在谐振空间内设置了跑道型谐振环4，谐振微环3设置在跑道型谐振环4内，从而能够在第一波导通道1以及第二波导通道2所形成的谐振空间内构成双环谐振结构。

具体地，跑道型谐振环4具有直线耦合段41以及半圆耦合段42，直线耦合段41设置有两条，两条直线耦合段41与第一波导通道1以及第二波导通道2均处于同一个平面内，并且，两条直线耦合段41设置在第一波导通道1以及第二波导通道2之间，其中一条直线耦合段41靠近第一波导通道1并与第一波导通道1平行设置，其中另一条直线耦合段41靠近第二波导通道2并与第二波导通道2平行设置。两条直线耦合段41端部对其，半圆耦合段42的两端分别与两条直线耦合段41同侧的端部对接，形成一个一体式结构的跑道型谐振环4。谐振微环3设置在跑道型谐振环4内并靠近跑道型谐振环4的一个半圆耦合段42设置。

基于上述结构布局，其中一条直线耦合段41与第一波导通道1、其中另一条直线耦合段41与第二波导通道2形成直线波导区(直线波导区具有两个)，谐振微环3靠近半圆耦合段42并与半圆耦合段42形成曲线波导区(曲线波导区具有一个)。

谐振微环3的结构如下：谐振微环3包括有绝缘衬底31，绝缘衬底31包括有1-2μm厚度的硅层、设置于硅层上面2-3μm厚度的氧化硅层、设置于氧化硅层上面200-260nm的铌酸锂层；铌酸锂层上一体成型有圆环状的梯型波导32，于铌酸锂层上面设置有与梯型波导32同心的谐振微环电极33，谐振微环电极33分设于梯型波导32的内外两侧。对谐振微环电极33加载电压，能够改变梯型波导32的谐振波长，从而提高品质因子量级。

在本发明的一个具体实施方式中，硅层的厚度为1μm，氧化硅层的厚度为1.5μm，铌酸锂层的厚度为230nm，梯型波导32的设置高度为110nm，梯型波导32的设置宽度为500nm，谐振微环电极33中、电极间的间距在0.8-1.2μm，梯型波导32的高度在100-120nm之间，梯型波导32的宽度在480至520nm之间。

沿谐振微环3的直径、取谐振微环3的剖面，梯型波导32设置于铌酸锂层上侧面的中部。谐振微环电极33分设在梯型波导32的两侧，并且与梯型波导32的间距相同。谐振微环电极33的两个电极之间的距离为1μm。

在本发明中，谐振微环电极33设置在梯型波导32的内外两侧，其中：在梯型波导32内侧设置的谐振微环电极为整圆结构；在梯型波导32外侧设置的谐振微环电极为圆曲线结构，相比于整圆结构而言，其在电极处是断开的，其断开的开口朝向曲线波导区。上述对于谐振微环电极33的断开式结构设计的原因在于不断开会产生施加电压，影响曲线波导区的耦合系数；而采用断开式结构设计，在对谐振微环3施加电压时，施加的电压不改变曲线波导区的耦合系数。

在本发明中，跑道型谐振环4包括半径为10μm的两个直线耦合段41(直线形波导)和两个半圆耦合段42(半圆形波导)，因此，在设置跑道型谐振环4后，本发明存在两个环形—直波导耦合区域和一个环形—环形耦合区域。

对于三个耦合区域的矩阵方程如下：

在无耦合损耗的理想状态下，三个耦合区域的耦合系数分别表示为ki(i＝1，2，3)和ki²+ti²＝1，其中ti(i＝1，2，3)是三个耦合区域中每个耦合区域的透射系数。

光波通过波导会有损耗，其场衰减系数小于1，在理想状态下，光波通过波导没有损耗，那么其场衰减系数等于1。因此，在理想状态下，环形腔波导的损耗因子α为0；A＝exp(-αL)，A为环波导的场衰减系数，即A＝1为无衰减状态；L为光波所走的路程；d5为Eadd端的输入光波，默认无输入光波，设置为0。

这样，可以将跑道型谐振环以及谐振微环的传输方程写为：

其中：B₁＝kN_eff1L₁,B₂＝kN_eff2L₂,B₃＝kN_eff3L₃,L₃＝2L₂，L₁是两个半圆耦合段的长度，L₂是谐振微环的长度，N_eff1和N_eff2分别是半圆耦合段弯曲半径为10μm、谐振微环弯曲半径为5μm的有效折射率，k是波矢。

考虑到环波导的场衰减系数，利用上述耦合区域的矩阵方程和传输方程联立导出，Ethrough端的归一化传输方程可以表示为：

仅对于未设置跑道型谐振环的谐振微环(R＝5μm)的Ethrough端的归一化传输方程可以表示为：

其中A1，A2和A分别是跑道双圈外圈(跑道型谐振环)，跑道双圈内圈(谐振微环)和单圈谐振微环一次往返的场衰减系数。

请参考图6，图6为本发明中Ethrough端的透射光谱图。

由图6可以看出，在λ＝1549.1568nm处，谐振微环的谐振峰非常窄，由此可见，对于本发明所提供的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器而言，其在大约1550nm的内环谐振波长处的半高宽(FWHM)为0.4pm。而对于普通的单环谐振器而言，其半高宽(FWHM)为136pm。

在内环共振波长为1549.1568nm处的品质因子为3.873×10⁶，而单环共振器(R＝5μm)的品质因子为1.14×10⁴，本发明提出的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器的品质因子可以达到10⁶量级，为许多应用提供了可能性。

请参考图7，图7为本发明中基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器改变直线波导区长度时品质因子以及FSR的变化关系图。

根据图7可知，品质因子随直线波导区长度的增加而增加，FSR则随着直线波导区长度的增加而减小。因为增加直线波导区的长度，能够增加跑道型谐振环的周长，从而增加谐振微环的虚拟长度，同时改变了光学相位延迟，因此，具有较长直线波导区的跑道型谐振环能够显示出较高的品质因子值，通过延长直线波导区的长度，就能够达到提高谐振器品质因子量级的目的。

请参考图8，图8为对谐振微环施加不同等级电压时Ethrough端的透射光谱图。

在图8中所述的不同等级电压为-150V，-50V，50V，150V。

为了获得最大的电光系数，本发明选择了X切割LiNbO₃作为绝缘衬底，电极的俯视图和截面结构请参考图3和图4。

当向谐振微环施加电压时，可以通过电光效应改变谐振微环的波导指数，谐振微环中波导的调制有效折射率由下式给出：

其中N_eff2是谐振微环的波导有效折射率，r₃₃是电光系数，V是沿z轴的外加电压,G是两个电极的间隙，Γ是光场和外加电场之间的重叠积分。

在图8中，其展示出了对应于不同施加电压时谐振微环的谐振波长的移动。将电压施加到谐振微环上，仅谐振微环的共振波长发生改变。当施加的电压增加时，有效折射率的降低导致谐振微环的谐振波长发生蓝移，并且跑道型谐振环的FSR几乎不变。经过实验结果表明：施加电压分别为-150V，-50V，50V和150V时，谐振波长分别为1557.0425nm，1551.7280nm，1546.6054nm和1541.2726nm。

请参考图9，图9为TE极化对施加电压的共振波长偏移影响关系图。

图9示出了共振波长偏移对TE极化施加的电压的依赖性。当在±150V的范围内施加电压时，谐振波长可实现的偏移约为16nm。通过拟合线性关系计算得到公式：

λ_res＝-0.0526V+1549.1610

对于本发明所提供的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器，对于100V的施加电压可以得到5.26nm的可调性，其电光调谐率为0.0526nm/V。综上，本发明具有较宽的可调范围以及较小的电光调谐率。

本发明还提供了一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法，具体是使用如上述的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器实现光波谐振。

该基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法的具体操作如下：

对谐振微环施加-150V至150V电压获得1540nm至1560nm波长的谐振波，并获得10⁶量级的品质因子。

如果需要进一步提高品质因子量级，那么可以通过延长跑道型谐振环的直线耦合段的长度达到提高谐振器的品质因子量级的目的。

本发明的优点分析如下：

1、本发明所提供的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器，可以使品质因子达到3.873×10⁶。且随着跑道型谐振环直线波导区长度的增加，其品质因子能达到更高的量级，这为高灵敏度的生物传感器和需要确定信号的滤波器提供可能。

2、由于铌酸锂的横向电光效应，其谐振微环的调谐速率可达到0.0526nm/V，使快速调制光谱成为可能，也可应用其电光可调性为可调滤波器和更宽的宽带频率梳提供了可能。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，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 (6)

1.一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器，包括有第一波导通道(1)、第二波导通道(2)以及谐振微环(3)，其特征在于，

由所述第一波导通道以及所述第二波导通道形成谐振空间，在所述谐振空间内设置跑道型谐振环(4)，所述谐振微环设置在所述跑道型谐振环内；

所述跑道型谐振环具有直线耦合段(41)以及半圆耦合段(42)，所述直线耦合段与所述第一波导通道以及所述第二波导通道形成直线波导区，所述谐振微环靠近所述半圆耦合段并与所述半圆耦合段形成曲线波导区；

所述谐振器的品质因子的量级，通过延长所述跑道型谐振环的所述直线耦合段的长度提高。

2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器，其特征在于，

所述谐振微环包括有绝缘衬底(31)，所述绝缘衬底包括有1-2μm厚度的硅层、设置于所述硅层上面2-3μm厚度的氧化硅层、设置于所述氧化硅层上面200-260nm的铌酸锂层；

所述铌酸锂层上一体成型有圆环状的梯型波导(32)，于所述铌酸锂层上面设置有与所述梯型波导同心的谐振微环电极(33)，所述谐振微环电极分设于所述梯型波导的内外两侧。

3.根据权利要求2所述的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器，其特征在于，

所述谐振微环电极中、电极间的间距在0.8-1.2μm。

4.根据权利要求2或3所述的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器，其特征在于，

所述梯型波导的高度在100-120nm之间；

所述梯型波导的宽度在480至520nm之间。

5.一种基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法，其特征在于，

使用如权利要求1至4任一项所述的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振器实现光波谐振；

通过延长跑道型谐振环的直线耦合段的长度提高谐振器的品质因子的量级。

6.根据权利要求5所述的基于铌酸锂绝缘体的高品质因子微环谐振方法，其特征在于，

对谐振微环施加-150V至150V电压获得1540nm至1560nm波长的谐振波，并获得10⁶量级的品质因子。

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