CN112363272A - 一种可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件，包括底层跑道形微环谐振腔及顶层圆形微环谐振腔和反馈交叉耦合波导。上下两层的谐振结构相互作用，将一束光在器件中分为两束，通过耦合区共振输出，达到滤波效果；其次，在顶层反馈波导上方放置金属加热电极以实现控制光信号的相位调制。本发明同时公开了可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件的制备方法。通过将器件分为上下两层，进一步压缩了器件尺寸，使芯片集成更加紧凑的同时降低了光波导的插入损耗，满足大批量低成本生产要求，在光信号处理领域具有广泛的应用前景。

Description

一种可调谐三维氮化硅双微环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，尤其涉及一种可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件及其制备方法。
背景技术
随着光通信产业的迅速发展，传统非集成的离散光学元件系统已不能适应信息技术的发展。为满足通信网络带宽及容量规模的增加，光学器件向着超高速低能耗的新型集成光电子器件发展。其中，光调制器是最重要的集成光学器件之一，各种不同形式的电光、热光、声光、全光等调制器件应用广泛。
相比较目前的SOI，氮化硅是一种具有适中芯包层折射率差的互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容材料，拥有较少的模式约束，具有器件尺寸小、集成度高、性能稳定性高等优点。在各种氮化硅集成器件中，光学微腔是一种通用元件，并已经用于许多线性和非线性光学应用中，例如光学滤波器、模分复用、频率梳、生物传感器等。基于氮化硅的三维集成器件可以提供较大的制造公差，并具有出色的耦合和低损耗特性，因其成本低且制备工艺简单得到了广泛的研究。通过波导与谐振器的交叉耦合可以用来实现有效的谐振控制。【先进技术1：H.Ren et al.,“Highly sensitive intensity detection by a self-interference micro-ring resonator,”IEEE Photon.Technol.Lett.,vol.28,no.13,pp.1469–1472,Jul.1,2016.】但目前为止，还没有针对可调谐三维氮化硅双微环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可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件及其制备方法，基于氮化硅微腔的三维结构，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，可实现延迟带宽大的新型光子延迟线及可调谐谐振光滤波。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是开发一种可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件，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，本发明提供了一种可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件，包括位于顶层的圆形微环谐振腔和反馈交叉耦合波导及底层的跑道形微环谐振腔，顶层的所述圆形微环谐振腔和所述反馈波导与所述底层的跑道形微环谐振腔相互作用，将同一束光在器件中分为两束并在输出口共振输出，实现可调谐谐振滤波。
进一步地，所述底层的谐振结构为跑道形谐振结构，与所述顶层的圆形谐振结构构成双微环结构。双微环结构上具有前后左右四个定向的耦合器，其中前、后耦合器位于顶层所述反馈波导的直道端，左右耦合器位于所述双微环结构处。光从位于顶层的所述反馈波导输入，经前耦合器分为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进入所述底层跑道形微环谐振腔，在经过所述左右耦合器交叉耦合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顶层的所述反馈波导继续传播到所述后耦合器后输出，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，所述顶层的反馈波导上方放置有加热电极，用于控制光信号的相位调制。
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，分别位于底层所述跑道形谐振结构及顶层圆形谐振结构。
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可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在InP衬底材料表面上利用等离子体化学气相沉积得到二氧化硅缓冲层，然后再通过低温化学气相沉积得到氮化硅层，基于电子束光刻(EBL)、反应离子刻蚀(RIE)等工艺将跑道形氮化硅微腔结构图形化，正性电子束刻蚀剂直接用作刻蚀掩膜；
b)通过等离子体增强化学气相沉积覆盖二氧化硅包覆层；
c)通过结合化学机械抛光和反应离子刻蚀使二氧化硅表面平坦化；
d)通过低温气相沉积在平滑二氧化硅层上再次沉积氮化硅层，并通过EBL和RIE对微环谐振器进行构图，制备圆形微环谐振腔及反馈波导；
e)利用光刻、金属沉积和剥离的技术工艺，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220纳米。
进一步地，步骤d)中再次沉积氮化硅厚度为220纳米。
本发明的有益效果在于：本发明可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件，基于氮化硅微腔的三维集成器件可以提供较大的制造公差，具有出色的耦合和低损耗特性，且成本低，制备工艺简单，有望实现光子延迟线功能。反馈波导上方放置有金属加热电极，可以实现器件相位变化从而得到谐振波长可调的高效光滤波器。本方案基于可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件研制，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是本发明可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件示意图；
图2-图6为本发明可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件输出光谱图；
图7为本发明可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件位于顶层的反馈波导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，本发明给出了可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件示意图，主要由位于顶层的反馈交叉耦合波导1、底层微环谐振腔2、顶层的微环谐振腔3、耦合器4、耦合器5、耦合器6、耦合器7和金属加热电极8组成。微环谐振腔2为跑道环形结构，微环谐振腔3为圆形结构，微环谐振腔2和微环谐振腔3上安装有定向的耦合器5和耦合器6，位于顶层的反馈波导1上安装有耦合器4和耦合器7，分别位于反馈波导的直波导处。光从顶层的反馈波导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沿顺时针进入底层内外双微环谐振腔，在经过耦合器5和耦合器6后由耦合器7输出；第二束光在耦合器4处沿顶层的反馈波导继续传播到耦合器7后输出，两束光在耦合器7发生共振，实现传输光的滤波作用。其中，制作方法为：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220纳米氮化硅刻蚀成内外双微环结构，重新沉积一层新的二氧化硅做包覆层后再沉积220纳米的氮化硅并刻蚀成顶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。
图2、图3是结构的输出光谱图，固定耦合系数k12为0.9，分别取耦合系数k22为0.2-0.9，得到输出光谱。由图可见，随着耦合系数k22的增加，输出光谱消光比增加，当k22增加到0.6后，消光比逐渐减少。
图4、图5是结构的输出光谱图，固定耦合系数k22为0.9，分别取耦合系数k12为0.2-0.9，得到输出光谱。由图可见，随着耦合系数k12的增加，输出光谱形状发生变化，从最开始的类正弦型谱线慢慢向类电磁传导透明现象型谱线改变，可以得到更好的滤波效果。
图6是结构的输出光谱图，固定耦合系数k12为0.9，k22为0.83，得到输出光谱。由图可见，此时会出现较好的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7是结构的输出光谱随相位变化图。通过加热电极改变顶层反馈波导的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)

1.一种可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件，其特征在于，包括位于顶层的圆形微环谐振腔和反馈交叉耦合波导及底层的跑道形微环谐振腔，顶层的所述圆形微环谐振腔和所述反馈波导与所述底层的跑道形微环谐振腔相互作用，将同一束光在器件中分为两束并在输出口共振输出，实现可调谐谐振滤波。
2.如权利要求1所述的可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件，其特征在于，所述底层的谐振结构为跑道形谐振结构，与所述顶层的圆形谐振结构构成双微环结构。双微环结构上具有前后左右四个定向的耦合器，其中前、后耦合器位于顶层所述反馈波导的直道端，左右耦合器位于所述双微环结构处。光从位于顶层的所述反馈波导输入，经前耦合器分为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进入所述底层跑道形微环谐振腔，在经过所述左右耦合器交叉耦合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顶层的所述反馈波导继续传播到所述后耦合器后输出，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所述的可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件，其特征在于，所述顶层的反馈波导上方放置有加热电极，用于控制光信号的相位调制。
4.如权利要求3所述的可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件，其特征在于，所述加热电极为金属加热器。
5.如权利要求3所述的可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件，其特征在于，所述集合子微环结构为2个，分别位于底层所述跑道形谐振结构及顶层所述圆形谐振结构。
6.如权利要求1所述的可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件，其特征在于，所述反馈波导的损耗为1.6dB/cm。
7.一种制备可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)在InP衬底材料表面上利用等离子体化学气相沉积得到二氧化硅缓冲层，然后再通过低温化学气相沉积得到氮化硅层，基于电子束光刻(EBL)、反应离子刻蚀(RIE)等工艺将跑道形氮化硅微腔结构图形化，正性电子束刻蚀剂直接用作刻蚀掩膜；
b)通过等离子体增强化学气相沉积覆盖二氧化硅包覆层；
c)通过结合化学机械抛光和反应离子刻蚀使二氧化硅表面平坦化；
d)通过低温气相沉积在平滑二氧化硅层上再次沉积氮化硅层，并通过EBL和RIE对微环谐振器进行构图，制备圆形微环谐振腔及反馈波导；
e)利用光刻、金属沉积和剥离的技术工艺，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所述的制备可调谐三维氮化硅双微环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所述的制备可调谐三维氮化硅双微环谐振滤波器件的方法，其中步骤a)中沉积氮化硅厚度为220纳米。
10.如权利要求7所述的制备可调谐三维氮化硅双微环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220纳米。
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