CN116232269A - 一种谐振装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信技术领域，公开了一种谐振装置及其制备方法。本发明提供的谐振装置包括光波导微环谐振器和薄膜体声波谐振器，薄膜体声波谐振器包括上电极层、压电材料层和下电极层，压电材料层位于上电极层和下电极层之间，光波导微环谐振器嵌入于压电材料层中，光波导微环谐振器与薄膜体声波谐振器耦合，本发明利用薄膜体声波谐振器的逆压电效应能够实现对光波导微环谐振器的调频，并能够使二者的耦合效果达到最佳，此外，薄膜体声波谐振器中的压电材料层还能直接作为光波导微环谐振器的反射介质，进而有效简化结构。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种谐振装置及其制备方法。
背景技术
光学滤波器是在微波及更高频段使用光学原理进行滤波的器件，与现有的传统滤波器相比，光学滤波器采用光进行信号处理，在高频段有着巨大的优势。光波导微环谐振器是光学滤波器的一种重要构成器件，利用谐振器微环对光信号产生的选择性衍射，实现滤波功能。
光波导微环谐振器对光信号的选择性由材料属性和谐振器几何结构决定，在制作完成后，光波导微环谐振器能够选择的光信号波长是确定的。因此，需要一个外加器件来实现光波导微环谐振器的调谐。
薄膜体声波谐振器是现有工艺发展成熟的射频滤波器的关键器件，与光波导滤波器同是能够在硅片上集成生产的器件。通过薄膜体声波谐振器和光波导微环谐振器二者的耦合，可以实现电信号对光信号的控制，然而，现有技术中两者耦合的效果较差。
发明内容
本发明通过提供一种谐振装置及其制备方法，解决现有技术中利用薄膜体声波谐振器对光波导微环谐振器进行调频时，两者耦合效果较差的问题。
本发明提供一种谐振装置，包括：光波导微环谐振器和薄膜体声波谐振器；所述薄膜体声波谐振器包括上电极层、压电材料层和下电极层，所述压电材料层位于所述上电极层和所述下电极层之间；所述光波导微环谐振器嵌入于所述压电材料层中，所述光波导微环谐振器与所述薄膜体声波谐振器耦合。
优选的，所述光波导微环谐振器包括一个线形波导和一个圆形谐振微环；光信号从所述线形波导的一端进入，经所述圆形谐振微环产生谐振信号后从所述线形波导的另一端传出。
优选的，所述薄膜体声波谐振器还包括衬底，所述衬底与所述下电极层之间设有空腔；所述上电极层核心工作区域的形状和所述下电极层核心工作区域的形状为相同的多边形，且所述上电极层核心工作区域和所述下电极层核心工作区域在垂直于电极平面的方向上均覆盖所述圆形谐振微环。
优选的，所述压电材料层采用氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅中的任意一种制成；所述光波导微环谐振器采用硅或二氧化硅制成。
优选的，所述光波导微环谐振器与所述压电材料层具有相同的高度，且无缝相邻。
优选的，所述压电材料层中刻蚀有空槽，所述光波导微环谐振器沉积在所述空槽中。
本发明提供一种谐振装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在薄膜体声波谐振器的衬底上刻蚀出空腔；
步骤2、沉积牺牲层，使所述牺牲层填满所述空腔；
步骤3、沉积下电极层；
步骤4、在所述下电极层的上方沉积压电材料层；
步骤5、在所述压电材料层中刻蚀出用于嵌入光波导微环谐振器的空槽；
步骤6、沉积用于形成所述光波导微环谐振器的第一材料；
步骤7、去除位于所述压电材料层上方的所述第一材料，形成所述光波导微环谐振器的目标结构；
步骤8、沉积上电极层；
步骤9、释放所述牺牲层，制备得到谐振装置。
优选的，所述第一材料采用硅或二氧化硅；形成的所述光波导微环谐振器的目标结构包括一个线形波导和一个圆形谐振微环。
优选的，所述压电材料层的材料采用氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅中的任意一种。
优选的，所述步骤3中，在沉积所述下电极层之前还包括沉积种子层，在沉积所述下电极层之后还包括将所述下电极层刻蚀成所需形状；所述步骤8中，在沉积所述上电极层之后还包括将所述上电极层刻蚀成所需形状，所述上电极层核心工作区域的形状和所述下电极层核心工作区域的形状为相同的多边形，且所述上电极层核心工作区域和所述下电极层核心工作区域在垂直于电极平面的方向上均覆盖所述圆形谐振微环；所述步骤9中，通过通入腐蚀性气体释放所述牺牲层。
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：
本发明将光波导微环谐振器嵌入于薄膜体声波谐振器的压电材料层中，利用薄膜体声波谐振器的逆压电效应，通过施加电信号改变薄膜体声波谐振器的振动状态，影响光波导的折射状态，进而能够实现对光波导微环谐振器的调频。光波导微环谐振器与薄膜体声波谐振器的耦合由将微环置于压电谐振器的声波作用范围内实现，一般来说薄膜体声波谐振器的主要工作模态是垂直方向的纵波，声波作用范围主要是薄膜体声波谐振器工作区域的上方、下方和内部。由于声波会在固体-空气界面产生反射，传递到空气中的声波远弱于器件内部，因此，要实现光学谐振器与声学谐振器的高效耦合，应尽量避免二者之间的空气间隙。而与薄膜体声波谐振器内部相比，传递到薄膜体声波谐振器上方和下方的声波需要穿过压电薄膜和金属电极的固体-固体界面，产生一定削弱。另外，若将光学微环置于声波谐振器的上下表面，微环本身和相应光反射介质的重量会对声波谐振器的工作频率产生较大影响。基于上述考虑，本发明利用微环谐振器本身有效工作结构简单的特点，将光波导微环谐振器嵌入薄膜体声波谐振器的压电材料层中，不仅使二者耦合的效果达到最佳，薄膜体声波谐振器中的压电材料层还能直接作为光波导微环谐振器的反射介质，进而有效简化结构。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种谐振装置的结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的一种谐振装置的制备方法的制备流程图。
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。
实施例1：
实施例1提供一种谐振装置，参见图1，包括：光波导微环谐振器和薄膜体声波谐振器；所述薄膜体声波谐振器包括上电极层2-1、压电材料层2-2和下电极层2-3，所述压电材料层2-2位于所述上电极层2-1和所述下电极层2-3之间；所述光波导微环谐振器嵌入于所述压电材料层2-2中，所述光波导微环谐振器与所述薄膜体声波谐振器耦合。
其中，所述光波导微环谐振器包括一个线形波导1-1和一个圆形谐振微环1-2；光信号从所述线形波导1-1的一端进入，经所述圆形谐振微环1-2产生谐振信号后从所述线形波导1-1的另一端传出。
此外，所述薄膜体声波谐振器还包括衬底2-4，所述衬底2-4与所述下电极层2-3之间设有空腔。即所述薄膜体声波谐振器的基本结构为三明治结构，可以理解为所述薄膜体声波谐振器的结构从上到下依次为所述上电极层2-1、所述压电材料层2-2(即压电薄膜)、所述下电极层2-3、所述空腔和所述衬底2-4，所述薄膜体声波谐振器的核心工作区域(即主要工作区域或有效工作区域)为不规则五边形或其它有效形状，由上下电极输入特定频率的电信号，利用压电薄膜产生振动声波。
具体的，所述上电极层2-1核心工作区域的形状和所述下电极层2-3核心工作区域的形状为相同的多边形，且所述上电极层2-1核心工作区域和所述下电极层2-3核心工作区域在垂直于电极平面的方向上均覆盖所述圆形谐振微环1-2。
所述压电材料层2-2采用氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅中的任意一种制成；所述光波导微环谐振器采用硅或二氧化硅制成。
具体的，所述光波导微环谐振器与所述压电材料层2-2具有相同的高度，且无缝相邻。例如，所述压电材料层2-2中刻蚀有空槽，所述光波导微环谐振器沉积在所述空槽中。
实施例1提供了一种谐振装置，将光波导微环谐振器置于薄膜体声波谐振器的内部，并与之相耦合。实施例1能够基于薄膜体声波谐振器对光波导微环谐振器进行调频，当某种特定载波频率的驱动源施加到薄膜体声波谐振器上时，薄膜体声波谐振器会在压电薄膜内产生同一频率的超声波，传递到嵌入到压电薄膜内的光介质中，光介质的折射率会发生周期性的改变，光束通过光介质的时候因为折射率的变化会发生衍射，从而实现光波导微环谐振器光信号频率的调节。实施例1将光波导微环谐振器嵌入薄膜体声波谐振器的压电材料层中，还能使二者耦合的效果达到最佳。
下面对如何制备得到如实施例1所述的谐振装置进行说明。
实施例2：
实施例2提供一种谐振装置的制备方法，参见图2，包括以下步骤：
步骤1：如图2中的(a)所示，在薄膜体声波谐振器的衬底2-4上刻蚀出空腔。
步骤2：如图2中的(b)所示，沉积牺牲层，使所述牺牲层填满所述空腔，并去除多余的牺牲层。
步骤3：如图2中的(c)所示，沉积下电极层2-3。
其中，在沉积所述下电极层2-3之前还可包括沉积种子层，在沉积所述下电极层2-3之后还可包括将所述下电极层2-3刻蚀成所需形状。
步骤4：如图2中的(d)所示，在所述下电极层2-3的上方沉积压电材料层2-2。
其中，所述压电材料层2-2的材料采用氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅等具有压电特性的薄膜材料。例如，薄膜体声波谐振器常采用氮化铝薄膜作为压电材料层，而氮化铝薄膜是一种透明度较高的材料，可以很好地与光微环谐振器耦合在一起。
步骤5：如图2中的(e)所示，在所述压电材料层2-2中刻蚀出用于嵌入光波导微环谐振器的空槽。
步骤6：如图中的2(f)所示，沉积用于形成所述光波导微环谐振器的第一材料。
其中，所述第一材料采用硅、二氧化硅等与所在介质折射率差较大的导光材料。
步骤7：参见图2中的(g)和图2中的(h)，去除位于所述压电材料层2-2上方的所述第一材料，形成所述光波导微环谐振器的目标结构。
其中，形成的所述光波导微环谐振器的目标结构包括线形波导1-1和圆形谐振微环1-2。图2中的(g)为步骤7完成后得到结构对对应的侧视图，图2中的(h)为步骤7完成后得到结构所对应的俯视图。
步骤8：如图2中的(i)所示，沉积上电极层2-1。
此外，参见图2中的(j)和图2中的(k)，在沉积所述上电极层2-1之后还可包括将所述上电极层2-1刻蚀成所需形状。所述上电极层2-1核心工作区域的形状和所述下电极层2-3核心工作区域的形状为相同的多边形，且所述上电极层2-1核心工作区域和所述下电极层2-3核心工作区域在垂直于电极平面的方向上均覆盖所述圆形谐振微环1-2，图2中的(j)为所得结构所对应的侧视图，图2中的(k)为所得结构所对应的俯视图。
步骤9：参见2中的(m)，释放所述牺牲层，制备得到谐振装置。
例如，可通过通入腐蚀性气体释放掉所述牺牲层。
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 (10)
1.一种谐振装置，其特征在于，包括：光波导微环谐振器和薄膜体声波谐振器；所述薄膜体声波谐振器包括上电极层、压电材料层和下电极层，所述压电材料层位于所述上电极层和所述下电极层之间；所述光波导微环谐振器嵌入于所述压电材料层中，所述光波导微环谐振器与所述薄膜体声波谐振器耦合。
2.根据权利要求1所述的谐振装置，其特征在于，所述光波导微环谐振器包括一个线形波导和一个圆形谐振微环；光信号从所述线形波导的一端进入，经所述圆形谐振微环产生谐振信号后从所述线形波导的另一端传出。
3.根据权利要求2所述的谐振装置，其特征在于，所述薄膜体声波谐振器还包括衬底，所述衬底与所述下电极层之间设有空腔；所述上电极层核心工作区域的形状和所述下电极层核心工作区域的形状为相同的多边形，且所述上电极层核心工作区域和所述下电极层核心工作区域在垂直于电极平面的方向上均覆盖所述圆形谐振微环。
4.根据权利要求1所述的谐振装置，其特征在于，所述压电材料层采用氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅中的任意一种制成；所述光波导微环谐振器采用硅或二氧化硅制成。
5.根据权利要求1所述的谐振装置，其特征在于，所述光波导微环谐振器与所述压电材料层具有相同的高度，且无缝相邻。
6.根据权利要求5所述的谐振装置，其特征在于，所述压电材料层中刻蚀有空槽，所述光波导微环谐振器沉积在所述空槽中。
7.一种谐振装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在薄膜体声波谐振器的衬底上刻蚀出空腔；
步骤2、沉积牺牲层，使所述牺牲层填满所述空腔；
步骤3、沉积下电极层；
步骤4、在所述下电极层的上方沉积压电材料层；
步骤5、在所述压电材料层中刻蚀出用于嵌入光波导微环谐振器的空槽；
步骤6、沉积用于形成所述光波导微环谐振器的第一材料；
步骤7、去除位于所述压电材料层上方的所述第一材料，形成所述光波导微环谐振器的目标结构；
步骤8、沉积上电极层；
步骤9、释放所述牺牲层，制备得到谐振装置。
8.根据权利要求7所述的谐振装置的制备方法，其特征在于，所述第一材料采用硅或二氧化硅；形成的所述光波导微环谐振器的目标结构包括一个线形波导和一个圆形谐振微环。
9.根据权利要求7所述的谐振装置的制备方法，其特征在于，所述压电材料层的材料采用氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、铌酸锂、钽酸锂、锆钛酸铅中的任意一种。
10.根据权利要求8所述的谐振装置的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，在沉积所述下电极层之前还包括沉积种子层，在沉积所述下电极层之后还包括将所述下电极层刻蚀成所需形状；所述步骤8中，在沉积所述上电极层之后还包括将所述上电极层刻蚀成所需形状，所述上电极层核心工作区域的形状和所述下电极层核心工作区域的形状为相同的多边形，且所述上电极层核心工作区域和所述下电极层核心工作区域在垂直于电极平面的方向上均覆盖所述圆形谐振微环；所述步骤9中，通过通入腐蚀性气体释放所述牺牲层。
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2023
- 2023-02-16 CN CN202310131718.3A patent/CN116232269A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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