CN114914783A - 基于模间布里渊散射的布里渊激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于模间布里渊散射的布里渊激光器及其制备方法，所述布里渊激光器包括衬底；腐蚀牺牲层；波导层，波导层设置在腐蚀牺牲层的远离衬底的表面；直条形光波导，直条形光波导设置在波导层的远离衬底的表面；环形波导层，环形波导层设置在波导层的远离衬底的表面，环形波导层的正下方设置有空气包层，空气包层与环形波导层正下方的波导层直接接触；环形波导层以及环形波导层正下方的波导层共同形成环形谐振腔，环形波导层设置在直条形光波导中的泵浦光能耦合进环形谐振腔的范围内，环形波导层的几何中心与环形波导层最边缘的距离小于1000μm。本发明解决了小半径环形谐振腔中实现高功率布里渊激光的问题。
Description
技术领域
本发明属于非线性光学技术领域，具体涉及一种基于模间布里渊散射的布里渊激光器及其制备方法。
背景技术
受激布里渊散射(SBS)是激光物理和非线性光学领域中的一种相干光-声耦合过程，其产生源于三阶光学非线性，其强度通常超过克尔相互作用和拉曼相互作用几个数量级。声子通过光弹性改变波导的介电常数以及通过改变材料的物理边界带来对材料局部性质的扰动。这种微扰将入射的泵浦光散射到斯托克斯光，其频率较泵浦光发生降低。由于产生的斯托克斯光具有非常窄的线宽，所以利用布里渊散射制作的激光器将具有窄线宽、低噪声、高稳定性等优良性能。
目前，受激布里渊散射常见于直条形介质波导中。为了获得较高的布里渊增益，直条波导的长度较长，可达几厘米至十厘米，不利于实现片上集成，并且布里渊激光的强度较低。谐振腔的引入在一定程度上解决了器件尺寸大，布里渊激光强度低的问题。目前基于谐振腔产生布里渊激光的基本方法是：使泵浦光和斯托克斯光位于微腔中频率差为一个或数个自由谱区(FSR)的谐振频率处，利用微腔的谐振得到增强的布里渊激光。需要说明的是，微腔的FSR与微腔的半径成反比，而布里渊频移一般比较小，在MHz～GHz范围。这就导致微腔的半径需要达到毫米甚至厘米量级。另一方面，在微腔中产生布里渊散射时，很容易产生级联斯托克斯光，这样就造成了对一级斯托克斯光功率的消耗，不利于高功率布里渊激光器的实现。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种基于模间布里渊散射的布里渊激光器及其制备方法。本发明解决了小半径环形谐振腔中实现高功率布里渊激光的问题。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种基于模间布里渊散射的布里渊激光器。根据本发明的实施例，所述布里渊激光器包括：
衬底；
腐蚀牺牲层，所述腐蚀牺牲层设置在所述衬底的其中一个表面；
波导层，所述波导层设置在所述腐蚀牺牲层的远离所述衬底的表面；
直条形光波导，所述直条形光波导设置在所述波导层的远离所述衬底的表面；
环形波导层，所述环形波导层设置在所述波导层的远离所述衬底的表面，所述环形波导层的正下方设置有空气包层，所述空气包层与所述环形波导层正下方的所述波导层直接接触；所述环形波导层以及所述环形波导层正下方的所述波导层共同形成环形谐振腔，所述环形波导层设置在所述直条形光波导中的泵浦光能耦合进所述环形谐振腔的范围内，所述环形波导层的几何中心与所述环形波导层最边缘的距离小于1000μm。
根据本发明实施例的基于模间布里渊散射的布里渊激光器具有以下优点：第一，在小半径谐振腔(具有大的FSR)中利用同一模式族之间的小的频率差实现模间布里渊激光，不仅能使布里渊激光通过谐振得到增强，而且与现有布里渊器件相比尺寸明显减小，利于集成。第二，由于布里渊频移较小(MHz～GHz)，在大FSR(几百GHz～THz)谐振腔中，可以有效抑制级联斯托克斯光和反斯托克斯光，布里渊模式转换效率高。第三，通过模间布里渊散射产生的布里渊模与泵浦波同向，由此产生的布里渊激光(或布里渊-克尔光频梳)耦合出谐振腔进入光波导后，仍与泵浦波同向，测试简单，方便应用。
另外，根据本发明上述实施例的基于模间布里渊散射的布里渊激光器还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述环形波导层与所述波导层一体成型，所述直条形光波导与所述波导层一体成型。
在本发明的一些实施例中，所述环形波导层的宽度为1-2μm，所述环形波导层的高度为130-140nm。
在本发明的一些实施例中，所述波导层的高度为200-230nm。
在本发明的一些实施例中，所述直条形光波导的宽度为0.5-1.0μm，所述直条形光波导的高度为130-140nm。
在本发明的一些实施例中，所述环形波导层为圆环形波导层，所述圆环形波导层的圆心与所述圆环形波导层最边缘的距离为10-500μm。
在本发明的一些实施例中，所述空气包层的宽度为7-30μm，所述空气包层的高度为0.5～4μm。
在本发明的一些实施例中，所述直条形光波导的材料为硅、硫化砷、砷化镓或氮化硅。
在本发明的一些实施例中，所述环形谐振腔的材料为硅、硫化砷、砷化镓或氮化硅。
在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备以上实施例所述的基于模间布里渊散射的布里渊激光器。根据本发明的实施例，所述方法包括：
(1)提供衬底，在所述衬底的其中一个表面生长腐蚀牺牲层；
(2)在所述腐蚀牺牲层的远离所述衬底的表面生长波导层；
(3)采用电子束光刻在所述波导层上形成掩膜，刻蚀，以便在波导层上形成直条形光波导和环形波导层；
(4)在所述环形波导层两端的所述波导层上开孔，穿过所述孔腐蚀所述腐蚀牺牲层，以便形成空气包层。
根据本发明实施例的方法，该方法制备得到的基于模间布里渊散射的布里渊激光器具有以下优点：第一，在小半径谐振腔(具有大的FSR)中利用同一模式族之间的小的频率差实现模间布里渊激光，不仅能使布里渊激光通过谐振得到增强，而且与现有布里渊器件相比尺寸明显减小，利于集成。第二，由于布里渊频移较小(MHz～GHz)，在大FSR(几百GHz～THz)谐振腔中，可以有效抑制级联斯托克斯光和反斯托克斯光，布里渊模式转换效率高。第三，通过模间布里渊散射产生的布里渊模与泵浦波同向，由此产生的布里渊激光(或布里渊-克尔光频梳)耦合出谐振腔进入光波导后，仍与泵浦波同向，测试简单，方便应用。
另外，根据本发明上述实施例的方法还可以具有如下技术方案：
在本发明的一些实施例中，在步骤(4)中，两端的开孔沿宽度方向的距离为2.5-8μm。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的基于模间布里渊散射的布里渊激光器的俯视图；
图2为本发明实施例的布里渊激光器在环形谐振腔处的截面图；
图3为实施例1的悬浮硅波导布里渊激光器的结构示意图；
图4为实施例1的环形谐振腔的传输曲线示意图；
图5为实施例1的TE00模、TE10模以及声子的场分布图；
图6为实施例1的TE00模、TE10模以及声子的模间布里渊作用相位匹配示意图；
图7为实施例2的环形谐振腔的TE10模色散曲线图；
图8为实施例2的布里渊-克尔频梳示意图。
附图标记：
1-衬底，2-腐蚀牺牲层，3-波导层，4-环形波导层，5-空气包层，6-孔，7-直条形光波导。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
为了解决小半径微腔(几十～几百微米)中难以实现高功率布里渊激光的问题，本发明提出了一种基于模间布里渊散射的布里渊激光器及其制备方法，利用环形谐振腔中不同光场模式的相邻谐振峰而非同一光场模式的不同谐振峰，在小半径微腔中通过布里渊作用产生斯托克斯光，并利用微腔谐振将其极大增强。这里的模间指的是泵浦光和布里渊激光在谐振腔中分属不同的光场模式。由于该斯托克斯光线宽比泵浦光更窄，通过这种方法产生的布里渊激光具有窄线宽和低噪声的特性。进一步地，如果设计的微谐振腔在斯托克斯波长处具有反常色散，当斯托克斯光的强度超过光频梳阈值时，将在微腔内激发产生布里渊-克尔光频梳。
为达到上述目的，在本发明的一个方面，本发明提出了一种基于模间布里渊散射的布里渊激光器。根据本发明的实施例，参考附图1和2，所述布里渊激光器包括：衬底1；腐蚀牺牲层2，所述腐蚀牺牲层2设置在所述衬底1的其中一个表面；波导层3，所述波导层3设置在所述腐蚀牺牲层2的远离所述衬底1的表面；直条形光波导7，所述直条形光波导7设置在所述波导层3的远离所述衬底1的表面；环形波导层4，所述环形波导层4设置在所述波导层3的远离所述衬底1的表面，所述环形波导层4的正下方设置有空气包层5，所述空气包层5与所述环形波导层4正下方的所述波导层3直接接触；所述环形波导层4以及所述环形波导层4正下方的所述波导层3共同形成环形谐振腔，所述环形波导层4设置在所述直条形光波导7中的泵浦光能耦合进所述环形谐振腔的范围内，所述环形波导层4的几何中心与所述环形波导层4最边缘的距离小于1000μm。由此，上述基于模间布里渊散射的布里渊激光器具有以下优点：第一，在小半径谐振腔(具有大的FSR)中利用同一模式族之间的小的频率差实现模间布里渊激光，不仅能使布里渊激光通过谐振得到增强，而且与现有布里渊器件相比尺寸明显减小，利于集成。第二，由于布里渊频移较小(MHz～GHz)，在大FSR(几百GHz～THz)谐振腔中，可以有效抑制级联斯托克斯光和反斯托克斯光，布里渊模式转换效率高。第三，通过模间布里渊散射产生的布里渊模与泵浦波同向，由此产生的布里渊激光(或布里渊-克尔光频梳)耦合出谐振腔进入光波导后，仍与泵浦波同向，测试简单，方便应用。可以理解的是，环形谐振腔的半径和环形波导层的半径相差不大，环形谐振腔的半径基本等同于环形波导层的半径。
为了方便理解，下面对本发明的基于模间布里渊散射的布里渊激光器能够实现上述效果的原理进行简单说明：
在本发明的实施例中，可以采用光泵浦产生泵浦光，将该泵浦光通过光纤耦合入直条形光波导中，随后直条形光波导中的泵浦光通过倏逝场耦合进环形谐振腔中，环形谐振腔用于模间布里渊作用的发生以及布里渊激光的增强。当波长处于环形谐振腔的谐振频率时，耦合进环形谐振腔中的光发生谐振，得到极大的增强。根据偏振方向的不同，环形谐振腔内的光可以分为TE模族与TM模族。通过对直条形光波导的横截面的设计(即对直条形光波导的宽度和高度的设计)，可以做到只有TE基模(即TE00模)耦合进环形谐振腔；通过对环形谐振腔的环形波导层的横截面的设计(即对环形波导层的宽度和高度的设计)，环形谐振腔中的TE模族主要为基模TE00模和一阶模TE10模，并且在某些波长附近相邻谐振峰的频率差在GHz量级。这样就构建了一个在小半径微腔中产生布里渊激光的条件。耦合进环形谐振腔的TE00模式通过谐振，不断增强；同时在TE00模式电场的作用下，通过电致伸缩效应，环形谐振腔波导发生周期性密度和介电常数的变化，感生声波场，从而导致入射光与声波场间发生相干散射过程。布里渊有源声子模的共振非线性耦合将能量从对称模(TE00模)散射到反对称模(TE10模)，产生有源模转换和单边带信号放大。这种受激散射过程是由环形谐振腔波导中的光力驱动的。泵浦波(TE00模)与布里渊模(TE10模)干涉，产生一个时间调制的光力，激发一个行波声子，而行波声子又将能量从泵浦模散射到布里渊模。这个过程是一种模间布里渊散射，通过受激斯托克斯过程产生放大和模式转换。为了产生布里渊-克尔频率梳，布里渊模(TE10模)应表现出反常群速度色散，而泵浦模(TE00模)则不需要满足这一要求。当布里渊模通过谐振增强达到光梳阈值后，环形谐振腔中产生布里渊-克尔频率梳，随后通过光波导耦合出环形谐振腔，进而实现各种应用。
根据本发明的一些具体实施例，所述环形波导层与所述波导层一体成型，所述直条形光波导与所述波导层一体成型。
根据本发明的再一些具体实施例，所述直条形光波导的宽度为0.5-1.0μm(例如可以为0.5/0.6/0.7/0.8/0.9/1.0μm)，所述直条形光波导的高度为130-140nm(例如可以为130/132/134/136/138/140nm)，由此，通过将所述直条形光波导的宽度和高度限定在上述范围内，进一步确保只有TE基模(即TE00模)耦合进环形谐振腔内。在本发明的实施例中，所述直条形光波导的长度并不受特别限制，本领域人员可根据实际需要随意设置。
根据本发明的又一些具体实施例，所述环形波导层的宽度为1-2μm(例如可以为1/1.2/1.4/1.6/1.8/2μm)，所述环形波导层的高度为130-140nm(例如可以为130/132/134/136/138/140nm)，由此，进一步确保环形谐振腔中的TE模族主要为基模TE00模和一阶模TE10模。
根据本发明的又一些具体实施例，所述波导层的高度为200-230nm(例如可以为200/205/210/215/220/230nm)，由此，进一步确保环形谐振腔中的TE模族主要为基模TE00模和一阶模TE10模。
根据本发明的又一些具体实施例，所述空气包层的高度为0.5-4μm(例如可以为0.5/1/2/3/4μm)，由此，进一步确保环形谐振腔的上下均为空气包层。由于环形谐振腔的上下均为空气包层，而硅的折射率远远大于空气，所以该环形谐振腔的波导对光场有很强的限制作用；同时硅的声速远远高于空气，巨大的声速失配使得声模能够以准导模的形式在硅波导中传播，这样在悬浮硅波导平台中就实现了对光和声的同时限制，为布里渊激光的产生营造了良好的前提条件。
根据本发明的又一些具体实施例，所述环形波导层为圆环形波导层，所述圆环形波导层的圆心与所述圆环形波导层最边缘的距离(即半径)为10-500μm(例如可以为10/100/200/300/400/500μm)，由此，进一步确保在小半径环形谐振腔中实现高功率布里渊激光。
在本发明的实施例中，所述环形波导层与所述直条形光波导之间的距离并不受特别限制，只要确保所述直条形光波导中的泵浦光能耦合进所述环形谐振腔内即可。
在本发明的实施例中，所述直条形光波导的材料并不受特别限制，本领域人员可根据实际需要随意选择，作为一种优选的方案，所述直条形光波导的材料为硅、硫化砷、砷化镓或氮化硅。
在本发明的实施例中，所述环形谐振腔的材料并不受特别限制，本领域人员可根据实际需要随意选择，作为一种优选的方案，所述环形谐振腔的材料为硅、硫化砷、砷化镓或氮化硅。
在本发明的实施例中，所述腐蚀牺牲层的材料并不受特别限制，本领域人员可根据实际需要随意选择，只要该材料和波导层之间具有选择腐蚀性即可，作为一个具体示例，所述腐蚀牺牲层的材料为二氧化硅。
在本发明的实施例中，所述衬底的材料并不受特别限制，本领域人员可根据实际需要随意选择，只要满足晶格匹配，可以在上面生长腐蚀牺牲层和波导层即可，作为一个具体示例，所述衬底的材料为硅。
在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备以上实施例所述基于模间布里渊散射的布里渊激光器的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：
S100：提供衬底，在所述衬底的其中一个表面生长腐蚀牺牲层。
S200：在所述腐蚀牺牲层的远离所述衬底的表面生长波导层。
S300：采用电子束光刻在所述波导层上形成掩膜，刻蚀，以便在波导层上形成直条形光波导和环形波导层。具体地，可以采用氯气反应离子刻蚀来蚀刻脊波导结构，以便形成直条形光波导和环形波导层。
S400：在所述环形波导层两端的所述波导层上开孔，穿过所述孔6腐蚀所述腐蚀牺牲层，以便形成空气包层。具体地，为了在环形波导层两端开孔以暴露二氧化硅腐蚀牺牲层，再次使用电子束光刻ZEP520A光刻胶和进行氯气反应离子刻蚀，最后将器件放入49％HF溶液中腐蚀，使得环形谐振腔上下均为空气包层。作为一种优选的方案，两端的开孔沿宽度方向的距离为2.5-8μm(例如可以为2.5/3/4/5/6/7/8μm)。
根据本发明实施例的方法，该方法制备得到的基于模间布里渊散射的布里渊激光器具有以下优点：第一，在小半径谐振腔(具有大的FSR)中利用同一模式族之间的小的频率差实现模间布里渊激光，不仅能使布里渊激光通过谐振得到增强，而且与现有布里渊器件相比尺寸明显减小，利于集成。第二，由于布里渊频移较小(MHz～GHz)，在大FSR(几百GHz～THz)谐振腔中，可以有效抑制级联斯托克斯光和反斯托克斯光，布里渊模式转换效率高。第三，通过模间布里渊散射产生的布里渊模与泵浦波同向，由此产生的布里渊激光(或布里渊-克尔光频梳)耦合出谐振腔进入光波导后，仍与泵浦波同向，测试简单，方便应用。
下面详细描述本发明的实施例，需要说明的是下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。另外，如果没有明确说明，在下面的实施例中所采用的所有试剂均为市场上可以购得的，或者可以按照本文或已知的方法合成的，对于没有列出的反应条件，也均为本领域技术人员容易获得的。
实施例1
本实施例以悬浮硅波导平台为例，详细描述布里渊激光器的具体设计及制作过程。
悬浮硅波导布里渊激光器如图3所示，其中，图3中的左图为布里渊激光器的俯视图，图3中的右图为布里渊激光器在环形谐振腔处的截面图，本实施例采用的外延片结构以硅作为衬底1，在上面生长2μm厚的二氧化硅作为腐蚀牺牲层2，在二氧化硅层上面生长350nm的原始波导层。首先使用电子束光刻在硅波导层上制作图形，然后使用氯气反应离子刻蚀来蚀刻脊波导结构，以便在原始波导层上形成直条形光波导7和环形波导层4，其具体尺寸如附图3所示。为了在环形波导层两端的所述波导层上开孔以暴露二氧化硅腐蚀牺牲层，再次使用电子束光刻ZEP520A光刻胶和进行氯气反应离子刻蚀。最后将器件放入49％HF溶液中腐蚀，使得环形谐振腔上下均为空气包层5。
由于环形谐振腔的上下均为空气包层，而硅的折射率远远大于空气，所以该环形谐振腔的波导对光场有很强的限制作用；同时硅的声速远远高于空气，巨大的声速失配使得声模能够以准导模的形式在硅波导中传播，这样在悬浮硅波导平台中就实现了对光和声的同时限制，为布里渊激光的产生营造了良好的前提条件。
对于环形谐振腔来讲，环形波导层4的外径为20μm，环形波导层4的宽度为1.5μm，两孔6之间的宽度为2.8μm，刻蚀深度135nm(即环形波导层4的高度)，未刻蚀深度215nm(即最终形成的波导层3的高度)。在这种条件下，可以保证环形谐振腔中存在TE00和TE10两个模族，它们之间的频率差等于布里渊频移，其传输曲线见图4。同时在这种截面条件下，可以由泵浦波TE00模激发产生声子模U0，这个过程同时满足动量匹配和能量匹配，通过模间布里渊散射产生布里渊激光TE10模。TE00模、TE10模以及声子的场分布图见图5，三者的相位匹配图见图6。对于直条形光波导来讲，其波导宽度为1.0μm，其高度为135nm，以保证泵浦波只包含基模TE00模。
由模间布里渊作用产生的TE10模在微环腔中通过谐振不断增强，并再一次通过倏逝场耦合出微环，在直波导另一端可以检测到高功率的布里渊激光。
实施例2
通过对实施例1中的环形谐振腔结构进行色散计算，可以得到TE10模的色散曲线，如图7所示。
由于在布里渊激光波长处表现为反常色散，当布里渊激光的强度达到光频梳阈值后，该布里渊激光器通过简并和非简并四波混频产生布里渊-克尔光频梳，最后通过倏逝场经光波导耦合出微环腔，具体过程见图8。
由上述实施例可以看出，通过模间布里渊散射可以在小半径微环腔中产生克尔光频梳。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于模间布里渊散射的布里渊激光器，其特征在于，包括：
衬底；
腐蚀牺牲层，所述腐蚀牺牲层设置在所述衬底的其中一个表面；
波导层，所述波导层设置在所述腐蚀牺牲层的远离所述衬底的表面；
直条形光波导，所述直条形光波导设置在所述波导层的远离所述衬底的表面；
环形波导层，所述环形波导层设置在所述波导层的远离所述衬底的表面，所述环形波导层的正下方设置有空气包层，所述空气包层与所述环形波导层正下方的所述波导层直接接触；所述环形波导层以及所述环形波导层正下方的所述波导层共同形成环形谐振腔，所述环形波导层设置在所述直条形光波导中的泵浦光能耦合进所述环形谐振腔的范围内，所述环形波导层的几何中心与所述环形波导层最边缘的距离小于1000μm。
2.根据权利要求1所述的基于模间布里渊散射的布里渊激光器，其特征在于，所述环形波导层与所述波导层一体成型，所述直条形光波导与所述波导层一体成型。
3.根据权利要求1所述的基于模间布里渊散射的布里渊激光器，其特征在于，所述环形波导层的宽度为1-2μm，所述环形波导层的高度为130-140nm。
4.根据权利要求3所述的基于模间布里渊散射的布里渊激光器，其特征在于，所述波导层的高度为200-230nm。
5.根据权利要求1所述的基于模间布里渊散射的布里渊激光器，其特征在于，所述直条形光波导的宽度为0.5-1.0μm，所述直条形光波导的高度为130-140nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于模间布里渊散射的布里渊激光器，其特征在于，所述环形波导层为圆环形波导层，所述圆环形波导层的圆心与所述圆环形波导层最边缘的距离为10-500μm。
7.根据权利要求1-5任一项所述的基于模间布里渊散射的布里渊激光器，其特征在于，所述空气包层的宽度为7-30μm，所述空气包层的高度为0.5-4μm。
8.根据权利要求1-5任一项所述的基于模间布里渊散射的布里渊激光器，其特征在于，所述直条形光波导的材料为硅、硫化砷、砷化镓或氮化硅；
任选地，所述环形谐振腔的材料为硅、硫化砷、砷化镓或氮化硅。
9.一种制备权利要求1-8任一项所述的基于模间布里渊散射的布里渊激光器的方法，其特征在于，包括：
(1)提供衬底，在所述衬底的其中一个表面生长腐蚀牺牲层；
(2)在所述腐蚀牺牲层的远离所述衬底的表面生长波导层；
(3)采用电子束光刻在所述波导层上形成掩膜，刻蚀，以便在波导层上形成直条形光波导和环形波导层；
(4)在所述环形波导层两端的所述波导层上开孔，穿过所述孔腐蚀所述腐蚀牺牲层，以便形成空气包层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，两端的开孔沿宽度方向的距离为2.5-8μm。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030123780A1 (en) * | 2002-01-03 | 2003-07-03 | Fischer Sylvain G. | Method of implementing the Kerr effect in an integrated ring resonator (the Kerr Integrated Optical Ring Filter) to achieve All-Optical wavelength switching, as well as all-optical tunable filtering, add-and -drop multiplexing space switching and optical intensity modulation. |
| JP2012242371A (ja) * | 2011-05-24 | 2012-12-10 | Denso Corp | 光ジャイロ |
| CN105629387A (zh) * | 2016-03-14 | 2016-06-01 | 华中科技大学 | 一种微环波导器件 |
| CN109031521A (zh) * | 2018-08-27 | 2018-12-18 | 华中科技大学 | 一种混合微环波导器件 |
| CN112269223A (zh) * | 2020-12-22 | 2021-01-26 | 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七一七研究所） | 一种硅基楔形波导微环腔及其制备方法 |
-
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030123780A1 (en) * | 2002-01-03 | 2003-07-03 | Fischer Sylvain G. | Method of implementing the Kerr effect in an integrated ring resonator (the Kerr Integrated Optical Ring Filter) to achieve All-Optical wavelength switching, as well as all-optical tunable filtering, add-and -drop multiplexing space switching and optical intensity modulation. |
| JP2012242371A (ja) * | 2011-05-24 | 2012-12-10 | Denso Corp | 光ジャイロ |
| CN105629387A (zh) * | 2016-03-14 | 2016-06-01 | 华中科技大学 | 一种微环波导器件 |
| CN109031521A (zh) * | 2018-08-27 | 2018-12-18 | 华中科技大学 | 一种混合微环波导器件 |
| CN112269223A (zh) * | 2020-12-22 | 2021-01-26 | 华中光电技术研究所（中国船舶重工集团公司第七一七研究所） | 一种硅基楔形波导微环腔及其制备方法 |
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