CN111175904A - 一种可调法诺谐振集成器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种可调法诺谐振集成器件，包括衬底，还包括在所述衬底上集成的微环波导和耦合直波导，开设在所述耦合直波导顶面的位于耦合区域两端的光栅反射器以及设置在所述微环波导上方的微型加热器。本发明还提供该器件的制作方法，在耦合波导顶面浅刻蚀光栅形成部分反射器，两个部分反射器之间形成法布里‑珀罗谐振腔，与微环谐振腔作用，即微环谐振模式与法布里‑珀罗谐振模式发生耦合，在输出端形成法诺谐振谱线。通过微型加热器外加电压，对微环的谐振波长进行热调，可以灵活调节法诺谐振谱线的谐振波长和斜率。该器件能够稳定产生高尖锐度法诺谐振谱线，并且可以在通用的半导体微加工平台上大规模流片生产，具有高度的应用前景。

Description

一种可调法诺谐振集成器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域，更具体的，涉及一种可调法诺谐振集成器件及其制备方法。
背景技术
波导集成的微环谐振腔由于其制作工艺简单，结构紧凑，易于集成和高Q值等优点在许多光子集成器件应用中发挥着重要作用，在光学生物传感方面更是具有独特的优势。光波在波导中通过全反射传播形成导模，波导外表面折射率的变化可以通过倏逝光场的感应反映为导模以及输出光场的变化，产生对外部折射率的响应以实现传感，而且无需对检测物进行标记。环形谐振腔的谐振效应能够极大地增强光场与待测物之间的相互作用，当待测物的浓度发生微小的变化时，谐振腔中的模式场有效折射率发生细小变化会引起谐振频率发生可检测的移动，这要求谐振腔的Q值需要达到一定的数量级。微腔的Q值越高，传感器的灵敏度越高。采用低损耗的材料例如氮化硅制备的微环谐振腔可以获得较高的Q值并且具有良好的通光性能。氮化硅薄膜沉积的方法常用的有两种：低压化学气相沉积法(LPCVD)和等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，其中大多数利用PECVD方法沉积的氮化硅薄膜由于氮-氢(N-H)化学键吸收而在1520nm波长附近有较高的材料损耗，而选择无氢气源氘代硅烷(SiD4)代替普通硅烷(SiH4)来可以有效避免N-H键的形成及其带来的吸收问题。由于氘(D)的原子质量比氢(H)的原子质量大，因此氮-氘(N-D)键的吸收峰波长远离电信波长区，能够显著地降低1520nm附近的材料损耗。采用氘代氮化硅制备的波导的传输损耗更低，微环谐振腔的Q值更高。
传统的微环谐振腔产生的是传统的洛伦兹线形谱线，这种对称的洛伦兹形谐振峰的尖锐度和斜率难有较大提升，限制了灵敏度的提高。为了提升微环传感器的灵敏度和检测极限，通常采用非对称的法诺谐振线形来代替传统的洛伦兹线形。法诺谐振线形谱线与洛伦兹线形谱线相比，谐振峰两侧是非对称的，谱线的一侧会比两侧对称的洛伦兹线形具有更大的斜率，并且谐振峰、谷的尖锐度更高，用于传感器的测量，有望获得更高的灵敏度和检测极限。但现有的微环谐振腔产生的法诺谐振谱线的谐振波长和斜率均不可调节，无法保证器件能稳定产生高尖锐度法诺谐振谱线。
发明内容
本发明为克服现有的微环谐振腔产生的法诺谐振谱线的谐振波长和斜率均不可调节，存在无法保证器件能稳定产生高尖锐度法诺谐振谱线的技术缺陷，提供一种可调法诺谐振集成器件及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种可调法诺谐振集成器件，包括衬底，还包括在所述衬底上集成的微环波导和耦合直波导，开设在所述耦合直波导顶面的位于耦合区域两端的光栅反射器以及设置在所述微环波导上方的微型加热器。
上述方案中，通过耦合直波导顶面的两个光栅反射器形成了法布里-珀罗谐振腔，当光波从耦合直波导一端进入时，一部分光耦合进微环谐振腔，振荡形成较窄的洛伦兹谐振线形，另一部分光在法布里-珀罗谐振腔里振荡形成较宽的谐振峰，两部分光发生耦合输出得到法诺谐振峰。开设在微环波导上方的微型加热器，由于氘代氮化硅材料具有热光效应，当对加热器输入不同电压，微环波导的温度随之变化，导致波导折射率发生变化，进而导致微环谐振波长发生偏移。同时，两路光的相位差发生变化，输出的法诺谐谐振谱线波长、斜率发生变化，从而达到调控法诺谐振谱线的目的。因此，该器件能够通过简单的调整应用在微型加热器上的电压来实现微环谐振峰和法诺谐振峰的调节。
其中，所述衬底为热氧化硅片，衬底的覆盖层为二氧化硅；所述微环波导和耦合直波导均为氘代氮化硅材料制成，折射率为1.94。
其中，所述微环波导和耦合直波导设置高度为0.56微米，微环波导的环宽为1.6微米，耦合直波导宽度为1.2微米。
其中，所述微环波导的半径为30微米，与所述耦合直波导结构的耦合间距为200纳米。
其中，所述光栅反射器的光栅为直线型光栅；所述光栅设置在耦合直波导顶面，其中心位置位于所述耦合直波导的中线上。
其中，所述光栅反射器的光栅周期为480纳米，光栅数目为20个；所述光栅反射器的光栅刻蚀深度为150纳米，宽度为1.2微米。
其中，所述的开设在所述耦合直波导顶面的位于耦合区域两端的光栅反射器之间的耦合直波导长度为20微米。
其中，所述微型加热器为金属微型加热器，长度为150微米，宽度为2.5微米，位于微环波导正上方。
一种可调法诺谐振集成器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：在衬底上通过化学气相方法沉积氘代氮化硅层，并旋涂正性光刻胶；
S2：旋涂正性光刻胶后进行电子束曝光，显影后得到微环波导和耦合直波导掩模图形；
S3：经过反应离子刻蚀工艺刻蚀出微环波导和耦合直波导，将光刻胶去除；
S4：旋涂正性光刻胶，进行电子束曝光，显影后得到光栅结构掩模图形，经过反应离子刻蚀工艺浅刻蚀出光栅结构，得到光栅反射器并将光刻胶去除；
S5：在得到的结构上生长二氧化硅，通过化学机械研磨的方式将二氧化硅磨平并减薄，再次旋涂正性光刻胶，进行电子束曝光，显影后得到蒸镀电极结构的窗口；
S6：通过电子束蒸镀工艺蒸镀金属微型加热器，蒸镀后，经过lift-off工艺剥离残余的金属，完成器件的制作。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供的一种可调法诺谐振集成器件及其制备方法，在耦合波导顶面浅刻蚀光栅形成部分反射器，两个部分反射器之间形成法布里-珀罗谐振腔，与微环谐振腔作用，即微环谐振模式与法布里-珀罗谐振模式发生耦合，在输出端形成法诺谐振谱线。通过微型加热器外加电压，对微环的谐振波长进行热调，可以灵活调节法诺谐振谱线的谐振波长和斜率。该器件能够稳定产生高尖锐度法诺谐振谱线，并且可以在通用的半导体微加工平台上大规模流片生产，具有高度的应用前景。
附图说明
图1为可调法诺谐振集成器件的正面示意图；
图2为器件制备方法流程示意图；
图3为器件在显微镜下的示意图；
图4为器件在不同外加电压下法诺谐振调谐透射谱示意图；
其中：1、衬底；2、微环波导；3、耦合直波导；4、光栅反射器；5、微型加热器。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种可调法诺谐振集成器件，包括衬底1，还包括在所述衬底1上集成的微环波导2和耦合直波导3，开设在所述耦合直波导3顶面的位于耦合区域两端的光栅反射器4以及设置在所述微环波导2上方的微型加热器5。
在具体实施过程中，通过耦合直波导3顶面的两个光栅反射器4形成了法布里-珀罗谐振腔，当光波从耦合直波导3一端进入时，一部分光耦合进微环谐振腔，振荡形成较窄的洛伦兹谐振线形，另一部分光在法布里-珀罗谐振腔里振荡形成较宽的谐振峰，两部分光发生耦合输出得到法诺谐振峰。开设在微环波导2上方的微型加热器5，由于氘代氮化硅材料具有热光效应，当对加热器输入不同电压，微环波导2的温度随之变化，导致波导折射率发生变化，进而导致微环谐振波长发生偏移。同时，两路光的相位差发生变化，输出的法诺谐谐振谱线波长、斜率发生变化，从而达到调控法诺谐振谱线的目的。因此，该器件能够通过简单的调整应用在微型加热器5上的电压来实现微环谐振峰和法诺谐振峰的调节。
更具体的，所述衬底1为热氧化硅片，衬底1的覆盖层为二氧化硅；所述微环波导2和耦合直波导3均为氘代氮化硅材料制成，折射率为1.94。
更具体的，所述微环波导2和耦合直波导3设置高度为0.56微米，微环波导2的环宽为1.6微米，耦合直波导3宽度为1.2微米。
更具体的，所述微环波导2的半径为30微米，与所述耦合直波导3结构的耦合间距为200纳米。
更具体的，所述光栅反射器4的光栅为直线型光栅；所述光栅设置在耦合直波导3顶面，其中心位置位于所述耦合直波导3的中线上。
更具体的，所述光栅反射器4的光栅周期为480纳米，光栅数目为20个；所述光栅反射器4的光栅刻蚀深度为150纳米，宽度为1.2微米。
更具体的，所述的开设在所述耦合直波导3顶面的位于耦合区域两端的光栅反射器4之间的耦合直波导3长度为20微米。
更具体的，所述微型加热器5为金属微型加热器，长度为150微米，宽度为2.5微米，位于微环波导2正上方。
实施例2
更具体的，在实施例1的基础上，如图2(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示，一种可调法诺谐振集成器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：在衬底03上通过化学气相方法沉积560纳米厚的氘代氮化硅层02，并旋涂正性光刻胶01；
S2：旋涂正性光刻胶后进行电子束曝光，显影后得到微环波导和耦合直波导掩模图形；
S3：经过反应离子刻蚀工艺刻蚀出微环波导2和耦合直波导3，将光刻胶去除；
S4：旋涂正性光刻胶，进行电子束曝光，显影后得到光栅结构掩模图形，经过反应离子刻蚀工艺浅刻蚀出光栅结构，得到光栅反射器4并将光刻胶去除；
S5：在得到的结构上生长二氧化硅04，通过化学机械研磨的方式将二氧化硅磨平并减薄，再次旋涂正性光刻胶，进行电子束曝光，显影后得到蒸镀电极结构的窗口；
S6：通过电子束蒸镀工艺蒸镀金属微型加热器5，蒸镀后，经过lift-off工艺剥离残余的金属，完成器件的制作。
在具体实施过程中，如图3所示为器件制备完成后的显微镜照片；如图4所示，器件在不同外加电压下法诺谐振调谐透射谱。随着外加电压的增加，谐振峰的尖锐度、斜率逐渐增加，同时谐振波长也随着外加电压的增加发生红移，从1542.2754nm移动到1542.3426nm，证明了器件对法诺谐振波长和斜率具有可调性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调法诺谐振集成器件，包括衬底(1)，其特征在于，还包括在所述衬底(1)上集成的微环波导(2)和耦合直波导(3)，开设在所述耦合直波导(3)顶面的位于耦合区域两端的光栅反射器(4)以及设置在所述微环波导(2)上方的微型加热器(5)。
2.根据权利要求1所述的一种可调法诺谐振集成器件，其特征在于，所述衬底(1)为热氧化硅片，衬底(1)的覆盖层为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种可调法诺谐振集成器件，其特征在于，所述微环波导(2)和耦合直波导(3)均为氘代氮化硅材料制成，折射率为1.94。
4.根据权利要求3所述的一种可调法诺谐振集成器件，其特征在于，所述微环波导(2)和耦合直波导(3)设置高度为0.56微米，微环波导(2)的环宽为1.6微米，耦合直波导(3)宽度为1.2微米。
5.根据权利要求4所述的一种可调法诺谐振集成器件，其特征在于，所述微环波导(2)的半径为30微米，与所述耦合直波导(3)结构的耦合间距为200纳米。
6.根据权利要求5所述的一种可调法诺谐振集成器件，其特征在于，所述光栅反射器(4)的光栅为直线型光栅；所述光栅设置在耦合直波导(3)顶面，其中心位置位于所述耦合直波导(3)的中线上。
7.根据权利要求6所述的一种可调法诺谐振集成器件，其特征在于，所述光栅反射器(4)的光栅周期为480纳米，光栅数目为20个；所述光栅反射器(4)的光栅刻蚀深度为150纳米，宽度为1.2微米。
8.根据权利要求1所述的一种可调法诺谐振集成器件，其特征在于，所述的开设在所述耦合直波导(3)顶面的位于耦合区域两端的光栅反射器(4)之间的耦合直波导(3)长度为20微米。
9.根据权利要求1所述的一种可调法诺谐振集成器件，其特征在于，所述微型加热器(5)为金属微型加热器，长度为150微米，宽度为2.5微米，位于微环波导正上方。
10.一种如权利要求1～9任一项所述的一种可调法诺谐振集成器件的制备方法，包括以下步骤：
S1：在衬底(1)上通过化学气相方法沉积氘代氮化硅层，并旋涂正性光刻胶；
S2：旋涂正性光刻胶后进行电子束曝光，显影后得到微环波导(2)和耦合直波导(3)掩模图形；
S3：经过反应离子刻蚀工艺刻蚀出微环波导(2)和耦合直波导(3)，将光刻胶去除；
S4：旋涂正性光刻胶，进行电子束曝光，显影后得到光栅结构掩模图形，经过反应离子刻蚀工艺浅刻蚀出光栅结构，得到光栅反射器(4)并将光刻胶去除；
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