CN114859465B - 一种可调谐的压电式光环谐振腔 - Google Patents

一种可调谐的压电式光环谐振腔 Download PDF

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Abstract

本发明属于MEMS光电器件技术领域，公开了一种可调谐的压电式光环谐振腔，包括压电悬臂梁组件、光学波导组件，光学波导组件位于压电悬臂梁组件的上方，光学波导组件包括微环谐振腔和耦合器，压电悬臂梁组件在电信号的作用下产生振动，微环谐振腔基于振动产生应变并改变其谐振频率。本发明解决了现有技术中微环谐振腔难以实现多频率工作且无法调谐的问题。本发明利用压电效应，通过电信号作用使压电悬臂梁组件产生振动，进而使微环谐振腔产生应变并改变其谐振频率，本发明具有较大的频响范围与可调谐性，本发明结构集成度较高，灵敏度优良，成本较低。

Description

一种可调谐的压电式光环谐振腔
技术领域
本发明属于MEMS光电器件技术领域，更具体地，涉及一种可调谐的压电式光环谐振腔。
背景技术
光波导谐振腔是集成光学领域重要的光子器件之一，凭其独特的易调控、低成本及制备工艺简单等优势，在高性能光信号处理及光传感领域呈现出巨大的应用前景。环形谐振腔是平面光波导器件中的一个基本结构单元，以它为主体可以构成具有各种不同功能的光波导器件，如色散补偿器、光分插复用器、陷波滤波器、波导传感器等。
近年来经过不断地发展，光波导谐振腔已经有了行波谐振腔与光子晶体谐振腔，其中行波谐振腔较为常见，代表性行波光学微谐振腔有微盘、微环、微球和微环芯结构。微球谐振腔和微环芯谐振腔虽然有较高的品质因数(Q值)和较低的损耗，但是加其难度较大；而微环谐振腔因其平板式结构，与集成电路加工方法相匹配，便于光电集成和大规模生产，但传统的微环谐振腔难以实现多频率工作，且无法调谐。
发明内容
本发明通过提供一种可调谐的压电式光环谐振腔，解决现有技术中的微环谐振腔难以实现多频率工作，且无法调谐的问题。
本发明提供一种可调谐的压电式光环谐振腔，包括：压电悬臂梁组件、光学波导组件；所述光学波导组件位于所述压电悬臂梁组件的上方，所述光学波导组件包括微环谐振腔和耦合器；所述压电悬臂梁组件在电信号的作用下产生振动，所述微环谐振腔基于所述振动产生应变并改变其谐振频率。
优选的，所述压电悬臂梁组件包括基底和位于所述基底上方的压电振膜；所述基底包括从上至下依次布设的连接层、绝缘层和衬底层；所述衬底层具有背腔和设置在所述背腔外围的支撑柱，所述绝缘层形成于所述支撑柱的上方；位于其中一侧所述绝缘层上方的所述连接层划分为第一连接层和第二连接层，所述第一连接层的至少部分底面与所述绝缘层固定连接，所述第二连接层悬置于所述背腔的上方；所述压电振膜划分为第一振膜和第二振膜，所述第一振膜键合在所述第一连接层上，所述第二振膜键合在所述第二连接层上；所述微环谐振腔包括线波导、环波导，所述线波导位于所述第一振膜的上方，所述环波导位于所述第二振膜的上方，所述耦合器位于所述线波导和所述环波导之间。
优选的，所述第一连接层的全部底面与所述绝缘层固定连接，所述第一振膜全部处于固定状态。
优选的，所述第二振膜被间隙划分为多个振膜区域，所述第二连接层被间隙划分为多个连接区域，多个连接区域分别与多个振膜区域对应。
优选的，所述压电振膜为单晶片压电振膜，所述单晶片压电振膜包括自下而上依次设置的底电极层、压电层和顶电极层。
优选的，所述压电振膜为双晶片压电振膜，所述双晶片压电振膜包括自下而上依次设置的下电极层、下压电层、中间电极层、上压电层和上电极层。
优选的，所述线波导包括输入光端口、线波导纤芯层和输出光端口；所述环波导包括环波导纤芯层。
优选的，所述衬底层的横截面为多边形或弧形，所述衬底层由干法或湿法刻蚀得到。
优选的，所述线波导和所述环波导的制备材料为铌酸锂、氮化铝、硅中的一种；所述连接层的制备材料为硅，所述绝缘层的制备材料为二氧化硅，所述衬底层的制备材料为硅。
优选的，多个振膜区域的形状相同或不同，所述间隙通过刻蚀形成。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本发明中，利用压电效应，通过电信号作用使压电悬臂梁组件产生振动，进而使微环谐振腔产生应变并改变其谐振频率。本发明通过电信号输入来调制光信号的输出，实现可调谐式的压电光环谐振腔，可以广泛应用于光信号处理器件与传感器等，有着大的频响范围及高灵敏度等特性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可调谐的压电式光环谐振腔的截面图；
图2为本发明实施例提供的一种可调谐的压电式光环谐振腔的俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种可调谐的压电式光环谐振腔中压电振膜的截面图，其中，图3(a)为单晶片压电振膜的截面图，图 3(b)为双晶片压电振膜的截面图；
图4为本发明实施例提供的一种可调谐的压电式光环谐振腔进行频率调制的工作原理示意图；
图5为本发明实施例提供的一种可调谐的压电式光环谐振腔中光学波导组件的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种可调谐的压电式光环谐振腔中光学波导组件的工作原理示意图；
图7为本发明实施例提供的一种可调谐的压电式光环谐振腔的立体结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供一种可调谐的压电式光环谐振腔，包括：压电悬臂梁组件、光学波导组件；所述光学波导组件位于所述压电悬臂梁组件的上方，所述光学波导组件包括微环谐振腔和耦合器；所述压电悬臂梁组件在电信号的作用下产生振动，所述微环谐振腔基于所述振动产生应变并改变其谐振频率。
本实施例利用压电效应，通过电信号作用使压电悬臂梁组件产生振动，进而使微环谐振腔产生应变并改变其谐振频率，具有较大的频响范围与可调谐性。
参见图1，所述压电悬臂梁组件包括基底和位于所述基底上方的压电振膜160(具体可包括顶电极161、压电层162、底电极163)；所述基底包括从上至下依次布设的连接层150、绝缘层140和衬底层110；所述衬底层110具有背腔120和设置在所述背腔120外围的支撑柱130，使得所述压电振膜160有上下振动的空间区域。
所述绝缘层140形成于所述支撑柱130的上方；位于其中一侧所述绝缘层140上方的所述连接层150划分为第一连接层和第二连接层，所述第一连接层的至少部分底面与所述绝缘层140固定连接，所述第二连接层悬置于所述背腔120的上方；所述压电振膜160划分为第一振膜和第二振膜，所述第一振膜键合在所述第一连接层上，所述第二振膜键合在所述第二连接层上。即所述压电振膜160至少部分悬浮于所述背腔 120上，所述压电振膜160的核心振动区域(即所述第二振膜)设置在所述支撑柱130 截面外的区域，因此所述第二振膜会产生较大的应变。
所述微环谐振腔170包括线波导171、环波导172，所述线波导171位于所述第一振膜的上方，所述环波导172位于所述第二振膜的上方，所述耦合器180位于所述线波导171和所述环波导172之间。
其中，所述第一连接层可以部分底面与所述绝缘层140固定连接，部分底面悬置于所述背腔120的上方；或者，所述第一连接层的全部底面与所述绝缘层140固定连接，所述第一振膜全部处于固定状态。
所述衬底层110的横截面可以为多边形或弧形，所述衬底层110由干法或湿法刻蚀得到。所述连接层150的制备材料可以为硅，所述绝缘层140的制备材料可以为二氧化硅，所述衬底层110的制备材料可以为硅。所述线波导171和所述环波导172的制备材料为铌酸锂、氮化铝、硅中的一种。
优选的方案中，如图2所示，所述连接层210位于所述支撑柱的上方，位于其中一侧所述支撑柱上方的所述连接层被划分为第一连接层和第二连接层，所述第一振膜 240键合在所述第一连接层上，所述第二振膜220键合在所述第二连接层上，支撑柱对应区域230与所述第一振膜240的截面至少部分重合。所述第二振膜220被间隙290 划分为多个振膜区域，所述第二连接层也被间隙290划分为多个连接区域，多个连接区域分别与多个振膜区域对应。多个振膜区域的形状、大小均可以相同也可以不同，所述间隙290可以通过刻蚀形成。例如可以采用多个梯形、四边形、三角形或弧形瓣膜作为振膜区域。所述线波导250位于所述第一振膜240的上方，所述环波导260位于所述第二振膜220的上方。所述线波导250还包括输入光端口270和输出光端口280。
本发明采用外围固定方式结合多膜片结构，有助于更好地实现多工作频率与可调谐性。由于所述第二振膜220被所述间隙290划分为多片区域，因此通过不同角度的压电振膜的应变会施加给所述环波导260以不同方向的应力，进而可以实现波导不同位点不同大小的应变，从而影响其谐振频率。
其中，如图3(a)所示，所述压电振膜可以为单晶片压电振膜，所述单晶片压电振膜包括自下而上依次设置的底电极层313、压电层312和顶电极层311。如图3(b) 所示，所述压电振膜也可以为双晶片压电振膜，所述双晶片压电振膜包括自下而上依次设置的下电极层325、下压电层324、中间电极层323、上压电层322和上电极层321。所述双晶片压电振膜可以以更小的尺寸达到与所述单晶片压电振膜一样的振幅，而且其输出电压和灵敏度可以更高。
如图4所示，本发明提供装置的工作原理为：当压电式光环谐振腔接受到外接电信号时，压电振膜发生机械振动，带动其上方的环波导发生应变，此时环波导的周长发生改变，波导的有效折射率发生变化，从而改变其谐振频率。此时输出光端口接收到来自输入光端口的光频率发生变化。上述工作机理既能应用于可调谐滤波器，也能应用于电信号检测与光信号调制。
图5给出了光学波导组件的结构示意图，所述线波导510包括线波导纤芯层511，即高折射率的纤芯层；所述环波导520包括环波导纤芯层521，即高折射率的纤芯层。所述线波导510与所述环波导520之间通过所述耦合器530进行光的耦合。
图6给出了光学波导组件的各项指标的含义，包括入射场Ei1和Ei2，透射场Et1和耦合场Et2，传输系数t和t*，耦合系数k和k*，以及往返损耗L。
为了更清楚的理解本发明，下面对本发明做进一步的说明。
如图7所示，本发明提供的一种可调谐的压电式光环谐振器包括具有背腔720的衬底710和部分悬置于所述背腔720上的压电振膜760，所述背腔720的外周设置有支撑柱730，所述支撑柱730的上方依次设置有绝缘层740、连接层750。所述背腔720 的上方带有所述压电振膜760的悬臂梁形成信号接收区域，悬臂梁上的所述压电振膜 760为多层结构，例如从下至上包括与悬臂梁固定连接的底电极层763、所述底电极层 763上依次沉积的压电层762、顶电极层761，在所述顶电极层761的上方还沉积有光学波导组件。所述光学波导组件包括微环谐振腔770和耦合器780，线波导771与环波导772构成的所述微环谐振腔770，此外，所述线波导771也可以为弧形波导。所述线波导771还包含有接收外部入射光线的接收端口(即输入光端口)和出射调制后光的出射端口(即输出光端口)。
本发明中相对固定或完全固定的振膜上沉积有所述线波导771，所述环波导772位于在所述背腔720上方的相对自由的振膜上，此相对自由部分的振膜的底部无所述支撑柱730，使得所述压电振膜760振动时所述环波导772相比于所述线波导771会产生较大的应变。即当电信号作用至所述顶电极层761与所述底电极层763上时，通过正压电效应引起处于悬浮状态的部分压电振膜振动，处于固定状态的部分压电振膜所受应力更大，因此所述环波导772应变更大。在电场作用导致的应变下，光波谐振频率发生变化，输出的光信号通过输出光端口输出到后续光处理模块。
本发明实施例提供的一种可调谐的压电式光环谐振腔至少包括如下技术效果：
(1)本发明通过在压电悬臂梁组件上设置光学波导组件，通过电信号输入来调制光信号的输出，实现可调谐式的压电光环谐振腔，可以广泛应用于光信号处理器件与传感器等，有着大的频响范围及高灵敏度等特性。即本发明将光环谐振腔与压电MEMS 技术相结合，实现可调谐的功能，有着更大的频响范围与更高的灵敏度。
(2)本发明采用外围固定方式结合多膜片结构，有助于更好地实现多工作频率与可调谐性。不同方位的振膜可以产生作用于环波导不同位点的应力，进而可以改变环波导与线波导的距离以及环波导的周长，实现对微环谐振腔谐振频率的调节。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种可调谐的压电式光环谐振腔，其特征在于，包括：压电悬臂梁组件、光学波导组件；所述光学波导组件位于所述压电悬臂梁组件的上方，所述光学波导组件包括微环谐振腔和耦合器；所述压电悬臂梁组件在电信号的作用下产生振动，所述微环谐振腔基于所述振动产生应变并改变其谐振频率；
所述压电悬臂梁组件包括基底和位于所述基底上方的压电振膜；所述基底包括从上至下依次布设的连接层、绝缘层和衬底层；所述衬底层具有背腔和设置在所述背腔外围的支撑柱，所述绝缘层形成于所述支撑柱的上方；位于其中一侧所述绝缘层上方的所述连接层划分为第一连接层和第二连接层，所述第一连接层的至少部分底面与所述绝缘层固定连接，所述第二连接层悬置于所述背腔的上方；所述压电振膜划分为第一振膜和第二振膜，所述第一振膜键合在所述第一连接层上，所述第二振膜键合在所述第二连接层上；所述微环谐振腔包括线波导、环波导，所述线波导位于所述第一振膜的上方，所述环波导位于所述第二振膜的上方，所述耦合器位于所述线波导和所述环波导之间。
2.根据权利要求1所述的可调谐的压电式光环谐振腔，其特征在于，所述第一连接层的全部底面与所述绝缘层固定连接，所述第一振膜全部处于固定状态。
3.根据权利要求1所述的可调谐的压电式光环谐振腔，其特征在于，所述第二振膜被间隙划分为多个振膜区域，所述第二连接层被间隙划分为多个连接区域，多个连接区域分别与多个振膜区域对应。
4.根据权利要求1所述的可调谐的压电式光环谐振腔，其特征在于，所述压电振膜为单晶片压电振膜，所述单晶片压电振膜包括自下而上依次设置的底电极层、压电层和顶电极层。
5.根据权利要求1所述的可调谐的压电式光环谐振腔，其特征在于，所述压电振膜为双晶片压电振膜，所述双晶片压电振膜包括自下而上依次设置的下电极层、下压电层、中间电极层、上压电层和上电极层。
6.根据权利要求1所述的可调谐的压电式光环谐振腔，其特征在于，所述线波导包括输入光端口、线波导纤芯层和输出光端口；所述环波导包括环波导纤芯层。
7.根据权利要求1所述的可调谐的压电式光环谐振腔，其特征在于，所述衬底层的横截面为多边形或弧形，所述衬底层由干法或湿法刻蚀得到。
8.根据权利要求1所述的可调谐的压电式光环谐振腔，其特征在于，所述线波导和所述环波导的制备材料为铌酸锂、氮化铝、硅中的一种；所述连接层的制备材料为硅，所述绝缘层的制备材料为二氧化硅，所述衬底层的制备材料为硅。
9.根据权利要求3所述的可调谐的压电式光环谐振腔，其特征在于，多个振膜区域的形状相同或不同，所述间隙通过刻蚀形成。
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