CN113991275B - 一种全可重构硅基法诺谐振器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，既能够通过热光效应对微盘谐振腔和MZI分别调节，从而改变法诺共振谱线的消光比、斜率、谐振波长、法诺参数，还可以同时调谐MZI与微盘谐振腔的谐振模式，能够在调节谐振波长时保持法诺谐振谱线形状不变，达到对谱线形状的精细调控，增加器件的可调谐性与灵活性，实现全可重构法诺谐振器；因此，该芯片能应用于诸如传感、光开关、光调制器等各类场景，应用场景广阔；同时，与基于微环耦合结构的法诺谐振器相比，该芯片用微盘代替微环，能够以更小尺寸实现更高品质因数，并且降低芯片所需功耗。
Description
技术领域
本发明属于硅基光电子学领域，尤其涉及一种全可重构硅基法诺谐振器芯片。
背景技术
法诺谐振是一种会产生非对称线性的散射共振现象，通常由一个离散量子态和一个连续量子态(准连续量子态)相互耦合干涉产生。不同于典型的洛伦兹对称结构谐振曲线，法诺谐振曲线具有明显的非对称性，且在谐振波长处具有陡峭的谐振峰，传输光信号强度由0突变为1，该机制被广泛应用于高性能光开关、高灵敏度传感、高效率光调制以及非互易性全光信号处理等领域。近年来，在等离子体纳米结构、光子晶体、表面超材料、光波导谐振腔等结构中均报道了法诺谐振现象，引起了广泛的关注。
近年来，基于成熟CMOS工艺的硅基光子技术为新型微纳光学功能器件和片上系统提供了高可靠、高精度的实现手段，硅基光波导物理结构良好的热光和电光调谐特性，为片上集成光电子器件提供了良好的可重构性。因此，采用硅基光子技术构建离散和连续(准连续)的谐振模式，形成法诺谐振效应，成为当前研究热点。
在硅基光子系统中，法诺谐振通常由两个不同品质因数的谐振模式耦合干涉产生，其中高品质因数的谐振模式类比于离散量子态，低品质因数的谐振模式类比于准连续量子态。常用的实现手段主要包括光子晶体腔侧边耦合结构、微环总线波导耦合结构、多微环耦合结构、微环马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer，MZI)耦合结构等。其中，光子晶体腔侧边耦合结构具有品质因数高、能耗低、结构紧凑的优势，但由于光子晶体纳米孔径阵列特征尺寸较小，需采用电子束曝光工艺来进行制造，制作成本高且加工难度大。微环谐振腔作为硅光器件中基本结构之一，其结构紧凑、品质因数高、易于制造，可与其他连续(准连续)模式的硅光波导结构耦合，实现不同构型的法诺谐振。在各类基于微环耦合结构的法诺谐振器中，微环-马赫曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder Interferometer，MZI)互耦结构具备良好的可重构性，可实现包括谐振波长、消光比、谱线斜率、法诺参数q等在内的多参数调谐。然而，在调谐过程中，各个参数之间往往存在相互影响和制约，谐振腔谱线形状难以精细调控，从而限制了其在高精度传感、高速光开关等实际场景中的应用。因此，亟待提出新型的法诺谐振腔结构，实现法诺谐振腔各个参数的灵活可重构。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，能够达到对法诺谐振谱线形状的精细调控，增加器件的可调谐性与灵活性，实现全可重构法诺谐振器。
一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，包括微盘谐振腔2、第一热光调谐波导4、第二热光调谐波导5、2×1MMI耦合器6以及U型微金属热电极，其中，微盘谐振腔2包括三个端口，分别为输入端a、透射端b以及下载端c，两个热光调谐波导与2×1MMI耦合器6形成MZI结构，且第一热光调谐波导4属于MZI下臂，第二热光调谐波导5属于MZI上臂，MZI设计为非对称结构，其上下臂波导长度不相等，存在臂长差；
片外的光信号从输入端a入射至微盘谐振腔2内部进行调谐后被分为第一支路信号和第二支路信号，且第一支路信号通过透射端b输入第二热光调谐波导5，第二支路信号通过下载端c输入第一热光调谐波导4；
所述U型微金属热电极布置于第一热光调谐波导4的上方，用于在自身加载的直流电压的控制下，改变第一热光调谐波导4的温度，进而改变第一热光调谐波导4的折射率，等效于调节MZI上下臂之间的臂长差；第一支路信号和第二支路信号经过臂长不同的MZI上臂与MZI下臂后，在2×1MMI耦合器6发生干涉耦合，形成法诺谐振效应；
其中，微盘谐振腔2、MZI下臂以及MZI上臂之间不同谐振模式的耦合通过微盘谐振腔2与第一热光调谐波导4上产生的热光效应来实现，且参与耦合的谐振模式不同，2×1MMI耦合器6处得到的法诺共振谱线的消光比、斜率、谐振波长、法诺参数不同。
进一步地，所述微盘谐振腔2由两根直通脊型耦合波导、位于两根直通脊型耦合波导间的脊型波导微盘、位于脊型波导微盘顶部的微金属热电极构成；同时，脊型波导微盘与两侧直通脊型耦合波导的间距相等，微金属热电极上还设有正电极和负电极；
所述微金属热电极通过正电极和负电极接入直流控制电压后，通过自身发热改变脊型波导微盘的温度，并使得脊型波导微盘的折射率随之变化，实现微盘谐振腔2谐振模式的调节。
进一步地，所述直通脊型耦合波导与脊型波导微盘通过对厚度为220nm的slab波导进行刻蚀得到，且刻蚀深度为70nm，则直通脊型耦合波导与脊型波导微盘的高度为70nm，其余作为基底的slab波导的高度为150nm。
进一步地，一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，还包括输入光栅耦合器1与输出光栅耦合器7；
片外的光信号通过输入光栅耦合器1入射至输入端a，干涉耦合后的光信号由输出光栅耦合器7输出至片外，最终得到法诺谐振谱。
进一步地，微盘谐振腔2的输入端a通过Taper波导与输入光栅耦合器1连接，透射端b通过Taper波导与第二热光调谐波导5连接，下载端c通过Taper波导与第一热光调谐波导4连接。
进一步地，微盘谐振腔2还包括上传端d，且上传端d连接有光耗散波导。
进一步地，所述第一热光调谐波导4与第二热光调谐波导5均为螺旋结构的线波导。
有益效果：
1、本发明提供一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，既能够通过热光效应对微盘谐振腔和MZI分别调节，从而改变法诺共振谱线的消光比、斜率、谐振波长、法诺参数，还可以同时调谐MZI与微盘谐振腔的谐振模式，能够在调节谐振波长时保持法诺谐振谱线形状不变，达到对谱线形状的精细调控，增加器件的可调谐性与灵活性，实现全可重构法诺谐振器；因此，该芯片能应用于诸如传感、光开关、光调制器等各类场景，应用场景广阔；同时，与基于微环耦合结构的法诺谐振器相比，该芯片用微盘代替微环，能够以更小尺寸实现更高品质因数，并且降低芯片所需功耗。
2、本发明提供一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，根据硅光工艺，采用厚度为220nm的slab波导进行刻蚀得到高度为70nm直通脊型耦合波导与脊型波导微盘以及150nm的slab波导，能够减小微盘侧壁粗糙度带来的光散射损耗，增加微盘谐振腔的品质因数，并降低芯片所需功耗。
3、本发明提供一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，微盘谐振腔输入端、透射端、下载端连接有Taper波导，能够实现直通脊型波导与线波导间的模式匹配，减小光传输损耗。
4、本发明提供一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，在微盘谐振腔的上传端连接有光耗散波导，其波导宽度逐渐减小，能够使干扰光从波导中耗散，避免光信号在微盘谐振腔上传端的端面出现反射干扰。
5、本发明提供一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，热光调谐波导均为螺旋结构的线波导，可减小器件长度，增加结构紧凑性。
附图说明
图1为本发明提供的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片结构示意图；
图2为本发明提供的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片中微盘谐振腔的顶视图；
图3为本发明提供的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片中微盘谐振腔的纵向剖面图；
图4为本发明提供的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片中MZI下臂螺旋型线波导顶视图；
图5为本发明提供的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片在热光调制下改变下臂有效折射率，等效于MZI臂长差改变时的谐振谱线变化；
图6为本发明提供的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片在热光调制下改变微盘谐振腔有效折射率，等效于其半径变化时的谐振谱线变化；
图7为本发明提供的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片在热光调制下同时改变MZI下臂与微环谐振腔有效折射率，等效于同时改变MZI臂长差与微盘半径时的谐振谱线变化；
1-输入光栅耦合器，2-微盘谐振腔，3-光耗散波导，4-第一热光调谐波导，5-第二热光调谐波导，6-2×1MMI耦合器，7-输出光栅耦合器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，包含下列结构：输入光栅耦合器1、微盘谐振腔2、第一热光调谐波导4、第二热光调谐波导5、2×1MMI耦合器6以及输出光栅耦合器7，且各器件通过波导连接。其中，微盘谐振腔2是法诺谐振器的核心关键部件，其透射端b和下载端c由两个热光调谐波导和多模干涉(Multimode Interference，MMI)耦合器连接，形成MZI结构。高品质因数的微盘谐振器(对应离散态)与低品质因数(对应连续态)的MZI谐振模式间相互耦合，形成法诺谐振效应。
上述方案中，片外激光器发出的光信号由输入光栅耦合器1入射至法诺谐振器芯片中，经线波导传输至上传下载型的微盘谐振腔2。由于微盘谐振器具有波长选择性，在微盘谐振腔2中，入射光信号被分成两路，分别从其透射端b与下载端c输出。输出的两路光信号分别通过两个热光调谐波导，到达2×1MMI耦合器6处，发生干涉耦合，形成法诺谐振效应。其中，连接微盘谐振腔2透射端b与下载端c的热光调谐波导构成MZI上下臂光路。干涉耦合后的光信号由输出光栅耦合器7输出至片外，即可得到法诺谐振谱。
进一步地，微盘谐振腔2由两根直通脊型耦合波导、置于两直通脊型耦合波导间的脊型波导微盘以及脊型波导微盘顶部的圆片微金属热电极构成，其顶视图与纵向剖面图分别如图2和图3所示。根据硅光工艺设计标准，直通脊型耦合波导与脊型波导微盘在总高度为220nm的slab波导上刻蚀而成，具体的，采用70nm刻蚀工艺在slab波导上得到直通脊型耦合波导和脊型波导微盘，底部剩余高为150nm的slab波导作为基底，从而减小微盘侧壁粗糙度带来的光散射损耗，增加微盘谐振腔的品质因数。脊型波导微盘与两侧直通脊型耦合波导间距相等。
通过合理设置脊型微盘波导半径、脊型微盘波导与直通脊型耦合波导间的间距以及通过相位匹配条件计算出耦合脊型直通波导的宽度，能够有效的激发微盘谐振腔中的第一阶回音壁模式，并使微盘谐振腔2工作在单模状态。通过调节微盘谐振腔2的谐振模式，能够实现对法诺谐振的调谐。为了调节微盘谐振腔2，对脊型微盘波导顶部微金属热电级上方的正负电极施加直流控制电压，金属发热导致脊型微盘波导温度变化，通过热光调制改变硅材料的折射率，等效于改变脊型微盘波导半径。此外，为了实现直通脊型波导与线波导间的模式匹配，减小光传输损耗，微盘谐振腔输入端a、透射端b、下载端c连接有Taper波导。其中，Taper波导由宽度渐变的脊型波导构成，根据硅光工艺设计标准，Taper波导高度为220nm。为了避免光信号在微盘谐振腔上传端的端面反射干扰，在其上传端d连接有光耗散波导3，其波导宽度逐渐减小，能够使干扰光从波导中耗散。
上述方案中，所述MZI上下臂光路由热光调谐波导构成，热光调谐波导为线波导。根据硅光工艺设计标准，线波导高度为220nm。所述线波导为螺旋结构，可以减小整个器件的长度，提升器件结构的紧凑性。为了实现MZI与上传下载型微盘谐振腔2之间谐振模式的耦合，所述MZI设计为非对称结构，其上下臂波导长度不相等，存在臂长差。通过改变MZI的臂长差调节MZI的谐振模式，能够实现对法诺谐振的调谐。为了实现MZI臂长差的调节，在MZI下臂的螺旋结构线波导顶部还设置有一个U型微金属热电极，如图4所示。在U型微金属热电极上方的正负电极上施加直流电压，可改变MZI下臂的螺线型波导结构温度，实现对螺旋结构波导部分的热光调制，并通过热光调制改变螺旋结构波导部分的折射率，等效于调节MZI上下臂的臂长差。
上述方案中，通过热光效应对微盘谐振腔和MZI下臂分别调节，可改变微盘谐振腔2和MZI的谐振模式间的耦合，从而调谐法诺谐振谱线的消光比、斜率、谐振波长、法诺参数q，通过设置合适的调谐参数对微盘谐振腔2和MZI下臂同时调节，能够在改变谐振波长的同时保持法诺谐振谱线形状不变，增加器件的可调谐性和灵活性，实现全可重构法诺谐振器。
图5给出了仿真仅在热光调制下改变下臂有效折射率，等效于MZI臂长差改变时的谐振谱线变化。当微盘半径固定不变，其值为3.01um，MZI等效臂长差由32.44um增加至32.73um时，法诺谐振谱线的谐振波长不变，斜率先减小后增大，其法诺参数品质因数由负数变为正数。
图6给出了仿真仅在热光调制下改变微盘谐振腔有效折射率，等效于其半径变化时的谐振谱线变化。当MZI臂长差恒定为32.44um，微盘等效半径从变化范围为3.008um至3.035um时，法诺谐振谱线的谐振波长红移，斜率先减小后增大，法诺参数品质因数由正数变为负数。
图7给出了仿真在热光调制下同时改变MZI下臂与微环谐振腔有效折射率，等效于同时改变MZI臂长差与微盘半径时的谐振谱线变化。通过合适的参数设置，能够在调节谱线谐振波长时保持谱线形状不变，其波长变化范围8nm，最大消光比为-32dB,斜率为39.8dB/nm。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，其特征在于，包括微盘谐振腔(2)、第一热光调谐波导(4)、第二热光调谐波导(5)、2×1MMI耦合器(6)以及U型微金属热电极，其中，微盘谐振腔(2)包括三个端口，分别为输入端a、透射端b以及下载端c，两个热光调谐波导与2×1MMI耦合器(6)形成MZI结构，且第一热光调谐波导(4)属于MZI下臂，第二热光调谐波导(5)属于MZI上臂；
片外的光信号从输入端a入射至微盘谐振腔(2)内部进行调谐后被分为第一支路信号和第二支路信号，且第一支路信号通过透射端b输入第二热光调谐波导(5)，第二支路信号通过下载端c输入第一热光调谐波导(4)；
所述U型微金属热电极布置于第一热光调谐波导(4)的上方，用于在自身加载的直流电压的控制下，改变第一热光调谐波导(4)的温度，进而改变第一热光调谐波导(4)的折射率，等效于改变MZI上下臂臂长差，从而实现MZI下臂与MZI上臂之间臂长差的调节；第一支路信号和第二支路信号经过臂长不同的MZI上臂与MZI下臂的调谐后，在2×1MMI耦合器(6)发生干涉耦合，形成法诺谐振效应；
其中，微盘谐振腔(2)、MZI下臂以及MZI上臂之间不同谐振模式的耦合通过微盘谐振腔(2)与第一热光调谐波导(4)上产生的热光效应来实现，且参与耦合的谐振模式不同，2×1MMI耦合器(6)处得到的法诺共振谱线的消光比、斜率、谐振波长、法诺参数不同；
所述微盘谐振腔(2)由两根直通脊型耦合波导、位于两根直通脊型耦合波导间的脊型波导微盘、位于脊型波导微盘顶部的微金属热电极构成；同时，脊型波导微盘与两侧直通脊型耦合波导的间距相等，微金属热电极上还设有正电极和负电极；
所述微金属热电极通过正电极和负电极接入直流控制电压后，通过自身发热改变脊型波导微盘的温度，并使得脊型波导微盘的折射率随之变化，实现微盘谐振腔(2)谐振模式的调节。
2.如权利要求1所述的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，其特征在于，所述直通脊型耦合波导与脊型波导微盘通过对厚度为220nm的slab波导进行刻蚀得到，且刻蚀深度为70nm，则直通脊型耦合波导与脊型波导微盘的高度为70nm，其余作为基底的slab波导的高度为150nm。
3.如权利要求1所述的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，其特征在于，还包括输入光栅耦合器(1)与输出光栅耦合器(7)；
片外的光信号通过输入光栅耦合器(1)入射至输入端a，干涉耦合后的光信号由输出光栅耦合器(7)输出至片外，最终得到法诺谐振谱。
4.如权利要求3所述的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，其特征在于，微盘谐振腔(2)的输入端a通过Taper波导与输入光栅耦合器(1)连接，透射端b通过Taper波导与第二热光调谐波导(5)连接，下载端c通过Taper波导与第一热光调谐波导(4)连接。
5.如权利要求1所述的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，其特征在于，微盘谐振腔(2)还包括上传端d，且上传端d连接有光耗散波导。
6.如权利要求1所述的一种全可重构硅基法诺谐振器芯片，其特征在于，所述第一热光调谐波导(4)与第二热光调谐波导(5)均为螺旋结构的线波导。
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