CN114899695A - 可调滤波结构、制作方法及波长可调谐光源系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可调滤波结构、制作方法及波长可调谐光源系统，涉及半导体的技术领域。可调滤波结构包括第一谐振腔、加热组件、间隔层以及第二谐振腔。第一谐振腔包括相对的第一表面及第二表面；加热组件设于第一表面，用于改变第一谐振腔的自由光谱范围；间隔层设于第二表面；第二谐振腔通过间隔层与第一谐振腔级联，第一谐振腔的自由光谱范围与第二谐振腔的自由光谱范围不同；间隔层为环状以在第一谐振腔与第二谐振腔之间形成空气腔；第二谐振腔的热光系数小于第一谐振腔的热光系数；加热组件用于改变第一谐振腔的折射率，以调控可调滤波结构的透射波长。故本申请具有调谐范围大、结构简单、集成度高、批量加工方便的优点。

Description

可调滤波结构、制作方法及波长可调谐光源系统

技术领域

本申请涉及半导体的技术领域，具体而言，涉及一种可调滤波结构、制作方法及波长可调谐光源系统。

背景技术

现有技术中，外腔式可调谐激光包括半导体二极管和外部反馈腔，半导体二极管一般作为增益介质，外部反馈腔作为选频或者选波长结构。外部反馈腔对半导体激光器输出的光进行选择，只有特定波长的光才能返回增益区，从而实现压窄线宽，抑制边模，输出特定波长的光。然而这类激光器体积较大、价格较昂贵，在通信和传感领域缺乏竞争力。

针对上述问题，现有降低成本的方法是采用微机电(MEMS)的结构制作外部波长选择结构以降低成本。较为紧凑的集成可调谐激光器往往通过调节其滤波器的波导折射率改变滤波器的谐振波长。调节波导折射率的方法主要为：通过载流子注入实现电调谐(载流子色散效应)，以及通过对波导加热来实现热调谐(热光效应)。由于实际物理特性限制，材料折射率调节范围较小，采用仅仅调谐单个滤波器的方法来进行调谐时，其波长调谐范围往往只有几纳米，而目前通信、传感等一些运用场景中，需要单个激光器实现几十甚至上百纳米的波长宽带调谐。

发明内容

本申请的目的在于提供一种可调滤波结构、制作方法及波长可调谐光源系统，其能够基于游标效应组合调谐，通过改进滤波结构实现更大范围的波长调谐。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请第一方面提供了一种可调滤波结构，包括：第一谐振腔、加热组件、间隔层以及第二谐振腔。其中，第一谐振腔包括相对的第一表面及第二表面；加热组件设于第一表面；间隔层设于第一谐振腔的第二表面；第二谐振腔，通过间隔层与第一谐振腔级联，第一谐振腔的自由光谱范围与第二谐振腔的自由光谱范围不同；间隔层为环状，以在第一谐振腔与第二谐振腔之间形成空气腔；第二谐振腔的热光系数小于第一谐振腔的热光系数；加热组件用于改变第一谐振腔的折射率，以调控可调滤波结构的透射波长。

于一实施例中，可调滤波结构还包括反射层，反射层包括第一反射层，第一反射层设于第一表面的中心。

于一实施例中，加热组件包括加热元件，加热元件设于第一表面上，且环绕第一反射层设置。

于一实施例中，加热元件为非温敏电阻。

于一实施例中，加热组件还包括测温元件，测温元件设于第一表面上，且环绕加热元件设置。

于一实施例中，测温元件为温敏电阻。

本申请第二方面提供了一种可调滤波结构的制造方法，包括：提供第一谐振腔，第一谐振腔具有相对的第一表面及第二表面；在第一表面上形成加热组件，用于改变第一谐振腔的自由光谱范围；在第一谐振腔的第二表面上形成间隔层，间隔层为环状；在间隔层上形成第二谐振腔，以使第二谐振腔通过间隔层与第一谐振腔级联，且在第一谐振腔与第二谐振腔之间形成空气腔。

于一实施例中，在在第一表面上形成加热组件之前，方法还包括：通过磁控溅射或蒸发制作，在第一表面上叠加多层介质膜以形成第一反射层。

于一实施例中，在第一表面上形成加热组件，包括：通过磁控溅射在第一表面上形成加热元件，且加热元件环绕第一反射层；通过磁控溅射在第一表面上形成测温元件，且测温元件环绕加热元件。

本申请第三方面提供了一种波长可调谐光源系统，包括：本申请第一方面任一实施例所提供的可调滤波结构、增益芯片、准直透镜以及反射镜。其中，准直透镜设于增益芯片的一侧，用于准直增益芯片发出的光；可调滤波结构与增益芯片分别设于准直透镜的两侧，可调滤波结构用于调节透射波长以筛选特定波长的光；反射镜设于可调滤波结构的一侧，以使可调滤波结构导出的光经反射重新导入可调滤波结构。

本申请与现有技术相比的有益效果是：本申请基于游标效应将滤波器级联构成的可调滤波结构，克服了现有滤波器折射率变化范围有限的问题，进而实现了更大范围透射波长的输出与调谐。另外，本申请提供的波长可调谐光源系统不需要设置可动部件，仅需改变其中的可调滤波结构的加热温度即可以实现其透射波长的改变，其工作可靠性较高。因此，本申请提供的可调滤波结构及波长可调谐光源系统，结构简单、紧凑、集成度高、成本较低，有利于批量化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请一实施例示出的波长可调谐光源系统的结构示意图；

图2为本申请一实施例示出的可调滤波结构的结构示意图；

图3为本申请一实施例示出的可调滤波结构的俯视示意图；

图4为本申请一实施例示出的多滤波器级联的游标效应示意图；

图5为本申请一实施例示出的可调滤波结构的制造方法流程示意图。

图标：1-波长可调谐光源系统；10-增益芯片；20-准直透镜；30-可调滤波结构；301-第一表面；302-第二表面；303-第三表面；304-第四表面；31-第一谐振腔；32-间隔层；33-第二谐振腔；34-加热组件；341-加热元件；342-测温元件；35-反射层；351-第一反射层；352-第二反射层；353-第三反射层；354-第四反射层；40-反射镜。

具体实施方式

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参照图1，图1为本申请一实施例示出的波长可调谐光源系统1的结构示意图。如图1所示，波长可调谐光源系统1包括：可调滤波结构30、增益芯片10、准直透镜20以及反射镜40。

其中，准直透镜20设于增益芯片10的一侧，用于准直增益芯片10发出的光；可调滤波结构30与增益芯片10分别设于准直透镜20的两侧，用于调节透射波长以筛选特定波长的光；反射镜40设于可调滤波结构30的一侧，以使可调滤波结构30导出的光经反射重新导入可调滤波结构30。

于一实施例中，增益芯片10上还设有减反射膜，也可称为增透膜(AR，Antireflecting Film)，其主要功能是减少或消除光学表面的反射光，从而增加元件的透光量，以进一步减少或消除相关系统的杂散光。

于一应用过程中，波长可调谐光源系统1在使用时，可以按照如图1所示的光束传播方式传播。从增益芯片10发出的光束经过准直透镜20准直后，入射到可调滤波结构30上。其中，一部分光经可调滤波结构30透射到反射镜40上以后，经过反射镜40反射回到可调滤波结构30，经可调滤波结构30折射后返回增益区继续振荡，从而实现压窄线宽，抑制边模，最终输出特定波长的光。另一部分光经可调滤波结构30反射后直接导出。

本申请中的可调滤波结构30也可以称作MEMS可调滤波器，可调滤波结构30为级联的F-P谐振腔，其主要基于游标效应实现更大波长调谐范围。波长可调谐光源系统1在使用时，通过改变可调滤波结构30的其中一个FP腔的透光折射率，即可实现特定的透射波长调节。

请参照图2，图2为本申请一实施例示出的可调滤波结构30的结构示意图。如图2所示，可调滤波结构30包括：第一谐振腔31、加热组件34、间隔层32以及第二谐振腔33。

其中，第一谐振腔31包括相对的第一表面301及第二表面302。第二谐振腔33包括相对的第三表面303与第四表面304，间隔层32设于第一谐振腔31的第二表面302，第二谐振腔33通过间隔层32与第一谐振腔31级联。间隔层32为环状，以在加工完成可调滤波结构30以后，第一谐振腔31与第二谐振腔33之间形成空气腔。

加热组件34设于第一表面301，加热组件34用于改变第一谐振腔31的折射率，以调控可调滤波结构30的透射波长。第一谐振腔31与间隔层32的材料均为硅，第二谐振腔33的材料为玻璃，因为玻璃的热光系数远小于硅的热光系数，温度变化对底部玻璃的影响非常小。因此通过加热组件34对可调滤波结构30进行变温时，第一谐振腔31的折射率随温度变化，第二谐振腔33的折射率基本不变，进而可调滤波结构30的透射波长也同样随温度变化。

对于单个谐振腔，其透射谱为梳状，其自由光谱范围(FSR_m)可以根据下述公式计算：

FSR_m＝λ_m ²/(2nhcosθ)。

其中，λ_m为中心波长，n为折射率，h为腔长，θ为入射角度。

可调滤波结构30还包括反射层35，反射层35包括第一反射层351、第二反射层352、第三反射层353以及第四反射层354。第一反射层351设于第一表面301，第二反射层352设于第二表面302，第二谐振腔33还具有第三表面303以及第四表面304，第三反射层353设于第三表面303，第四反射层354设于第四表面304。各反射层35均设于各个表面的中央，以反射非特定波长的光。

反射膜的反射率用于控制纵模的半波宽，其计算公式为：

其中，R为反射率，λ_m为中心波长，n为折射率。通常情况下反射率越高，半波宽越窄，其透射波长的相干性越好，由此光通信中相干光模块光的波长半峰宽越窄越好。反射层35可以采用多层介质膜增高反射率以降低半波宽，通常反射层35可由磁控溅射或蒸发制作。

请参照图3，图3为本申请一实施例示出的可调滤波结构30的俯视示意图。如图3所示，加热组件34包括加热元件341与测温元件342，加热元件341设于第一表面301上，且环绕第一反射层351设置。优选的，加热电极采用Al，Au，Ti等非温敏电阻。测温元件342设于第一表面301上，且环绕加热元件341设置。优选的，测温电极采用Pt等温敏电阻。

请参照图4，图4为本申请一实施例示出的多滤波器级联的游标效应示意图。如图4所示，本申请利用游标效应(Vernier Effect)，设计多谐振腔级联的可调滤波结构30结构，通过组合调谐的方式，克服折射率变化有限的问题，实现波长大范围调谐。其具体原理说明如下：

游标效应如图4，通常可以由两个自由光谱范围(Free spectral range，FSR)略有不同(FSR1≠FSR2)的梳状滤波器(F-P谐振腔)进行级联后，可以得到如图4底部所示的光谱。当两个自由光谱范围的某一峰值波长刚好对准、其相邻波长错开时，级联构成的可调滤波结构30在多个滤波器自由光谱范围的最高峰值对准处为相应的最高峰值，在其他未对准处其对应峰值会相应的降低。另外，为保证激光器的单模输出，需满足可调滤波结构30的波长调谐范围为两个最高峰值之间，即波长调谐范围为FSRbeat；另外，需满足可调滤波结构30的边模抑制比(SMSR)足够大。同时，采用级联方式构成的可调滤波结构30成本相较于单个较大波长调谐范围的滤波器成本较低，便于批量化生产。

请参照图5，图5为本申请一实施例示出的可调滤波结构30的制造方法流程示意图。请结合图3-图5所示，可调滤波结构30的制造方法包括：

S410：提供第一谐振腔31，第一谐振腔31具有相对的第一表面301及第二表面302；

S420：在第一表面301上形成加热组件34。

该步骤在硅片表面制作加热电极和测温电极，加热电极用于加热第一谐振腔31(也称为硅F-P腔)以产生热光效应,从而改变硅的折射率，进而改变第一谐振腔31的自由光谱范围(Free spectral range，FSR)，使其串联后的输出波长随温度改变。加热电极制作在硅膜上，由于硅膜作为薄膜结构有较小的热质量，因此响应速度较快。在硅片表面制作加热电极和测温电极，该步骤包括：

首先在第一表面301上通过磁控溅射加工形成加热元件341，且加热元件341环绕第一表面301的中心设置。然后，在第一表面301上再次通过磁控溅射形成测温元件342，且测温元件342环绕加热元件341设置。

S430：在第一谐振腔31的第二表面302上形成间隔层32，间隔层32为环状。

可调滤波结构30的顶层采用硅制作第一谐振腔31与间隔层32，间隔层32初始状态为一个封闭的硅整体，需要通过体硅工艺中的深硅刻蚀或湿法腐蚀的加工工艺加工，在间隔层32的中央形成间隔空隙，进而形成环状的间隔层32，以在后续第一谐振腔31与第二谐振腔33级联后，在两个谐振腔之间形成空气腔。

S440：在间隔层32上形成第二谐振腔33，以使第二谐振腔33通过间隔层32与第一谐振腔31级联。

在该步骤中，第二谐振腔33采用玻璃制作，通常型号为BF33，由于玻璃的热光系数远小于硅(通常热光系数硅为1.84e-4 1/K,玻璃为0.1e-4 1/K)，因此温度变化对底部玻璃F-P腔的影响较小。

第二谐振腔33具有相对的第三表面303与第四表面304，间隔层32和第二谐振腔33采用阳极键合技术键合而成，间隔层32键合于第三表面303上。且间隔层32的间隔高度应尽量大，以最小化两个谐振腔之间的影响。于一实施例中，间隔层32的高度需要几百微米，以形成足够高度的间隔空隙，进而尽量减小第一谐振腔31与第二谐振腔33输出波形的波宽随着反射率的增加而变窄的程度。

于一实施例中，可调滤波结构30的制造方法还包括：通过磁控溅射或蒸发制作，在第一谐振腔31的第一表面301与第二表面302、第二谐振腔33的第三表面303与第四表面304的中心位置上，分别逐层叠加介质膜以最终形成各个反射层35，介质膜通常采用Si3N4/SiO2或TiO2/SiO2或Ta2O5/SiO2等不同材料组合。在形成反射层35后，再执行：通过磁控溅射在第一表面301上形成加热组件34、形成间隔层32、第一谐振腔31与第二谐振腔33级联等制作步骤。其中，通过磁控溅射在第一表面301上形成加热组件34包括：通过磁控溅射在第一表面301上形成加热元件341，且加热元件341环绕第一反射层351；通过磁控溅射在第一表面301上形成测温元件342，且测温元件342环绕加热元件341。

于本申请其他实施例中，加热组件34与第一反射层351的制作没有严格的先后顺序要求，第二反射层352与第三反射层353需要在第一谐振腔31与第二谐振腔33级联之前形成，第一反射层351与第四反射层354可以根据现场加工需要调整至其他的加工顺序。

上述结构和工艺均采用微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)加工方式，其加工成品的一致性较高，适合批量生产。

本申请基于游标效应将滤波器级联构成的可调滤波结构30，克服了现有滤波器折射率变化范围有限的问题，进而实现了更大范围透射波长的输出与调谐。另外，本申请提供的波长可调谐光源系统1不需要设置可动部件，仅需改变其中的可调滤波结构30的加热温度即可以实现其透射波长的改变，其工作可靠性较高。因此，本申请提供的可调滤波结构30及波长可调谐光源系统1，结构简单、紧凑、集成度高、成本较低，有利于批量化生产。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调滤波结构，其特征在于，包括：

第一谐振腔，包括相对的第一表面及第二表面；

加热组件，所述加热组件设于所述第一表面；

间隔层，所述间隔层设于所述第一谐振腔的第二表面；

第二谐振腔，通过所述间隔层与所述第一谐振腔级联，所述第一谐振腔的自由光谱范围与所述第二谐振腔的自由光谱范围不同；

所述间隔层为环状，以在所述第一谐振腔与所述第二谐振腔之间形成空气腔；所述第二谐振腔的热光系数小于所述第一谐振腔的热光系数；所述加热组件用于改变所述第一谐振腔的折射率，以调控所述可调滤波结构的透射波长。

2.根据权利要求1所述的可调滤波结构，其特征在于，所述可调滤波结构还包括反射层，所述反射层包括第一反射层，所述第一反射层设于所述第一表面的中心。

3.根据权利要求2所述的可调滤波结构，其特征在于，所述加热组件包括：

加热元件，所述加热元件设于所述第一表面上，且环绕所述第一反射层设置。

4.根据权利要求3所述的可调滤波结构，其特征在于，所述加热元件为非温敏电阻。

5.根据权利要求3所述的可调滤波结构，其特征在于，所述加热组件还包括：

测温元件，所述测温元件设于所述第一表面上，且环绕所述加热元件设置。

6.根据权利要求5所述的可调滤波结构，其特征在于，所述测温元件为温敏电阻。

7.一种可调滤波结构的制造方法，其特征在于，包括：

提供第一谐振腔，所述第一谐振腔具有相对的第一表面及第二表面；

在所述第一表面上形成加热组件；

在所述第一谐振腔的所述第二表面上形成间隔层，所述间隔层为环状；

在所述间隔层上形成第二谐振腔，以使所述第二谐振腔通过所述间隔层与所述第一谐振腔级联，且在所述第一谐振腔与所述第二谐振腔之间形成空气腔。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述在所述第一表面上形成加热组件之前，所述方法还包括：

通过磁控溅射或蒸发制作，在所述第一表面上叠加多层介质膜以形成第一反射层。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述在所述第一表面上形成加热组件，包括：

通过磁控溅射在第一表面上形成加热元件，且所述加热元件环绕所述第一反射层设置；

通过磁控溅射在所述第一表面上形成测温元件，且所述测温元件环绕所述加热元件设置。

10.一种波长可调谐光源系统，其特征在于，包括：

增益芯片；

准直透镜，所述准直透镜设于所述增益芯片的一侧，用于准直所述增益芯片发出的光；

权利要求1至6任一项所述的可调滤波结构，所述可调滤波结构与所述增益芯片分别设于所述准直透镜的两侧，所述可调滤波结构用于调节透射波长以筛选特定波长的光；

反射镜，所述反射镜设于所述可调滤波结构的一侧，以使所述可调滤波结构导出的光经反射重新导入所述可调滤波结构。

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