CN1886686A - 低损耗微环形谐振器设备 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种低损耗微环形谐振器设备(10；100；10’)，它包括一个具有第一折射率(nr)的闭环谐振波导(2)，谐振波导(2)用波导(2)的一个外弯曲缘(15)限定了一个内区(16)和一个外区(17)。谐振波导设置在一个具有第二折射率(nb)的基片(6；6’)上，第一折射率(nr)与第二折射率(nb)之间的折射率差(Δn1)大于0.3。设备(10)还包括一个覆盖谐振波导(2)的内区(16)的具有第三折射率(nuc)的上覆盖层(20)和一个与外弯曲缘(15)接触、在外区(17)内延伸的侧覆盖层(21)，所述侧覆盖层(21)具有第四折射率(nlc)，所述第四折射率(nlc)小于第三折射率(nuc)。本发明还揭示了一种减小一个谐振器设备(10；100；10′)的传播损耗的方法。

Description

低损耗微环形谐振器设备
技术领域
本发明与对于一个给定的谐振器配置使传播损耗最小的低损耗微环形谐振器设备(microring resonator device)有关。
此外，本发明还与降低谐振器设备内的传播损耗的方法有关。
背景技术
近十年来，微谐振器展示了相当可观的多功能性，可以作为波长滤波、路由选择、交换、调制、色散补偿器、激光器和多路复用/多路分离这些应用中的候选对象。它们的尺寸业已不断减小，由于它们在使所有光信号处理接近可能的集成光学设备中的应用前景，因此具有非常大的吸引力。
谐振器尺寸小在需要选择性高和FSR(自由光谱范围)大的滤光器的稠密波分多路复用(DWDM)系统内也是非常重要的。
一个谐振器包括一个呈现为诸如环形、跑道形或椭圆形的闭环的波导。功率通过渐逝耦合(evanescent coupling)从设置在邻近的波导耦合给谐振器，功率的大小取决于所用的耦合器的耦合系数。这些波导称为“母线波导(bus waveguide)”，通常有一个或两个，在有两个波导的情况下，称为输入和输出波导。谐振器支持对由谐振器的几何情况和折射率分布确定的给定波长的谐振。在这些由 λ R = 2 πR n eff m 给出的特定谐振波长处(其中m为一个整数、neff为波导谐振器的有效折射率而R为环半径(或者广义地说，光径))，从输入波导馈给谐振器的光功率在谐振器内循环，建立起大的强度，即它建立起一些低损耗的驻波模(standing wave mode)。谐振时谐振器内的能量也可以耦合给一个输出波导(如果有的话)，可以证明出现在输入波导内的功率全部都可以传送给输出波导。输入波导内传播的波长与谐振器失谐的光不耦合给谐振器，而继续在输入波导内传播。在这种带有两个波导的配置中，由于输出波导用来提取谐振频率，因此所构成的设备称为光信道下线滤光器(optical channel dropping filter)。在只有一个(输入)波导的情况下，这种配置称为“全通”滤光器，起着一个相位滤光器的作用。
谐振器的最小尺寸受到与最小曲率半径关联的弯曲引起的损耗及其他一些因素的限制。众所周知，弯曲在曲率半径小于某个值时就成为一个很大的损耗源。在弯曲内侧传播的光的行程要比在外侧的短一些。为了维持光波的相位，必须使模的具有较大曲率半径的最外部分的模相速比最内部分的大一些。在波导弯曲小于某个临界半径时，这个最外模部分相速必须增加到等于波导外的材料内的速度(即它成为等于外部辐射模)。这个条件使得波导内的光有些转变成一些高次模耗损掉或辐射到波导外。
弯曲损耗增大了谐振峰的带宽B。由于用于DWDM应用的谐振器具有约为10微米的有限半径，因此就要极为关心弯曲损耗。
为了弥补这个光学限制和降低弯曲损耗，业已提出增大谐振波导的“侧”覆盖层与芯之间的折射率差或者增大谐振器芯。所谓“侧”覆盖层是指与谐振器共面的覆盖层，即与谐振器的辐射光的、基本上与基片垂直的表面接触的覆盖层。芯与侧覆盖层之间的折射率差等于或大于0.3的波导称为高折射率差波导或紧约束波导，可以用几种不同的几何结构形成。
另一方面，不一定希望折射率差任意大。特别是，随着Δn的增大，散射损耗也增大。散射损耗基本上是由于光与不平整的波导侧壁相互作用而引起的。这种不平整为波导宽度的随机扰动，在制造波导例如微环时产生，特别是由于制造工艺在横向有一些随机起伏。在垂直方向上(即在基本上与谐振器所在平面垂直的方向上)的不平整并不需要考虑，因为材料淀积过程通常可以得到非常平滑的表面。
谐振器的另一个特别所渴望的特性，特别是在配置为上线(增添)/下线(卸下)(add/drop)设备内的对波长有选择性的滤光器时，是可以改变所下线的波长的波长可调谐性，以便增大网络的灵活性。因此，使用一个可调滤光器的目的是从一个给定的输入光信号内可变地选择一个(或几个)信道而让所有其他信道通过滤光器。在这种情况下，优选的是将谐振器的谐振频率的位置从一个信道波长调谐到适当频谱(例如铒C波段)内任何其他信道波长，从而可以用一个只有一个滤光器的极为简单的配置使任何单个信道下线(dropping)。也要指出的是，优选的是要求调谐机构是非侵袭性的，即在从一个信道调谐到另一个信道时必须不显著地影响处在这两个信道之间的任何一个信道。
业已开发了几种不同的可调滤光器。一种所提出的解决方案是用一种可调的材料，即折射率可以改变的材料，实现波导谐振器的芯区，因此可以改变neff。这意味着可以改变谐振波长λR。
Nothrop公司的美国专利n.5018811揭示了一种环形谐振器，通过一种波导制造工艺使得环形波导相对波导外的材料的折射率差沿外径比沿内径大来使弯曲损耗最小化。环的折射率横跨波导本身是有不同的，这用离子交换来达到。环形波导之上，覆盖相对环的内区和外区的覆盖层是空气。
在欧洲专利申请n.365724和美国专利n.4988156中揭示了一种具有一个或多个弯曲的波导。为了使弯曲损耗最小化，弯曲周围的覆盖层区用一种具有大于弯曲区外的覆盖层的折射率的材料实现。申请人注意到，这种解决方案只是对于几度和非常集中的弯曲是适宜的，否则损耗就非常大。
麻省理工学院的美国专利n.6621972涉及一种包括一个90°弯曲的波导。为了使损耗最小化，在弯曲区使用了空气沟槽覆盖层。
英国电信的欧洲专利申请EP 1058136提出为了降低弯曲损耗可以在弯曲的外侧实现一个空槽和在弯曲的内侧实现一个空槽。两个槽内的折射率基本上等于1，即两个槽都含有空气。
在麻省理工学院的国际专利申请WO 02/25338中，揭示了一种具有一个芯和覆盖层的可调微谐振器，特别是调谐是通过改变覆盖层折射率来实现的。这是用电-光效应、声-光效应，用MEM和用热-光效应得到的。电-光材料淀积在芯的顶上，作为一个折射率可以改变的覆盖层。可以用改变折射率作为调谐机制。
申请人注意到将可调覆盖层只淀积在环形芯上可能是在技术上由于芯尺寸有限的需要，而只是部分降低了弯曲损耗。
在网址http://w3.uniroma1.it/cattedra michelotti/slides.htm上公布的幻灯片“导波光微谐振器：本征模的计算”(“Guided-WaveOptical Microresonators：calculation of Eigenmodes”，InternationalSchool of Quantum Electronics，39th Course，In Erice，Italy，18th-25thOctober 2003)中，揭示了一种环形微谐振器，它包括一个具有折射率nc＝1.5965的聚合物环形芯和覆盖由环的内径和环形芯本身确定的内区的ncl＝1.4468的聚合物上覆盖层。在外环区内，覆盖层为空气。聚合物覆盖层是淀积的，以降低弯曲损耗。环下的缓冲层用与上覆盖层相同的材料实现。
申请人业已指出，芯与缓冲层之间的折射率差非常小，这不适合制造小的环，即DWDM应用感兴趣的半径为几微米左右的环。还值得注意的是，缓冲层和上覆盖层具有相同折射率对于降低弯曲损耗来说不是最佳配置。此外，在所希望的是一个可调微环的情况下，申请人注意到在波导芯区使用聚合物材料(如在该论文的一些例子中那样)使聚合物稳定性成为关键性的问题，可以影响起着一个滤光器的作用的谐振器的长期可靠性。在任何情况下，在该论文中所揭示的聚合物都不适合于调谐。
在“具有空气和聚合物覆盖层的SiON微谐振器的实验和数值研究”(“Experimental and Numerical Study of SiON Microresonatorswfth Air and Polymer Cladding”，Journal of Lightwave Technology，Vol.21，no 4，pages 1099-1110)中，揭示了一种具有一个SiO2缓冲层和一个覆盖整个设备(环的内区和外区)的聚甲基丙烯酸甲酯上覆盖层的Si3N4芯。在该论文中，研究了覆盖层折射率改变的影响，表明对于一些具有大于缓冲层的折射率的覆盖层来说弯曲损耗减到最小值后迅速增大。
申请人注意到，对于覆盖整个谐振器设备的覆盖层的一个有限折射率范围，损耗的降低是非常小的。相反，在覆盖层折射率增大到超出这个有限范围时损耗急剧增大。
发明内容
本发明提出了一种低损耗微环形谐振器设备和一种降低谐振器设备内的传播损耗的方法，优选的是对于DWDM应用，配置成使传播损耗为最小。
在下面所考虑的只是包括至少一个具有一个闭环形状的谐振器和一个母线波导的谐振器设备，所谓“环”在这里用来概括地指任何闭环几何形状。图1a和6给出了一个可能的几何形状的例子，谐振器认为处在一个(X，Y)平面上，具体地说处在一个平的基片上。与谐振器耦合的母线波导可以处在同一个平面上或其他平面上。在谐振器设备的顶视图中，谐振器由称为外曲线和内曲线的两条曲线(在为一个环的情况下，由两条圆周线)限定。
本发明的谐振器设备的主要目的之一是减小总损耗，同时获得比较高的例如为30-40的精细度。
申请人发现，用一层延伸到谐振器的外缘的第一材料覆盖谐振器可以降低谐振器内的传播损耗。这个覆盖谐振器的层在下面称为上覆盖层(upper cladding)，具有比形成以下将称为侧覆盖层(lateralcladding)的“侧向”包围它的与由外缘确定的谐振器表面接触的材料的折射率高的折射率。
具体些说，上覆盖层覆盖谐振器的基本上与由基片限定的(X，Y)平面平行的与基片相对的上表面部分和覆盖基片的由谐振器的内缘确定的部分，因此由内缘确定的内侧表面也与上覆盖层接触。外侧表面基本上沿与(X，Y)平面垂直的Z方向延伸，与侧覆盖层接触，侧覆盖层包围谐振器从而也与上覆盖层接触。侧覆盖层在径向从谐振器的外缘向外延伸一定宽度。
惊人的是，申请人发现，增大上覆盖层的折射率同时保持其他材料折射率固定不变，可以稳定地降低设备的损耗。这种降低可以一直持续到上覆盖层折射率增大到一个取决于给定的谐振器配置的最大值。
为了达到这样好的降低损耗，应该在实现谐振器和基片的材料的折射率之间有大的折射率差，特别是要大于0.3。
本发明的谐振器设备优选的是可调的。申请人发现，用一种可调谐材料，即折射率可以随诸如温度或电场之类的外部参数的改变而改变的材料，作为上覆盖层，可以得到大范围的可调谐性。
申请人认识到，由于上覆盖层折射率的增大引起的损耗降低是由于对模有较好的在(X，Y)平面内的侧向限制。随着侧向限制的改善，在谐振器内传播的模更为显著地沿着Z方向空间交叠入上覆盖层。
申请人发现，传播模式明显地空间交叠入上覆盖层使得上覆盖层的折射率的改变导致波导内的neff的明显改变成为可能。因此，如果上覆盖层具有一个有选择地在一个比较宽的数值范围内可变的折射率，就可以获得高效的可调谐性。
优选的是，环形谐振器的截面的尺寸中至少有一个尺寸应该具有谐振器内模跨距(mode extension)的数量级 其中neff为谐振波导的有效折射率，而λ为传播模的波长。
因此，如果谐振器的截面的所有尺寸都大于
Figure A20038011090900102
就会限制这样的效应，因为模会透入上覆盖层的量可以忽略。
上覆盖层的优选材料为折射率可随温度改变的聚合物和折射率可随电场改变的液晶。
按照本发明的方法，为了降低一个可以按照任何标准技术和用众所周知的材料实现的谐振器设备的损耗，作为制造的最后一个步骤，在谐振器上淀积折射率大于侧覆盖层的折射率的上覆盖层，再形成图案。
在本发明的另一个实施例中，也可以淀积一个侧覆盖层，特别是在上覆盖层用液晶形成的情况下，作为限制层。
从以下说明中可以更为清楚地看到这些目的及其他一些目的由本发明用按照所附权利要求书所得到的低损耗微环形谐振器设备和降低谐振器设备内的传播损耗的方法达到。
附图说明
从以下结合附图给出的详细说明可以更为清楚地看到按照本发明设计的低损耗微环形谐振器设备和降低谐振器设备内的传播损耗的方法的其他特征和优点，在这些附图中：
图1a为按照本发明设计的低损耗微环形谐振器设备的第一实施例的示意性顶视图；
图1b为按照本发明设计的低损耗微环形谐振器设备的第二实施例的示意性顶视图；
图1c为示出图1a的谐振器设备的波长响应与输入波长的函数关系的曲线图；
图2为另一个谐振器设备的示意性剖视图；
图3为示出图2的谐振器设备在上覆盖层为空气的情况下的弯曲损耗与半径的函数关系的曲线图；
图4为示出图2的谐振器设备在上覆盖层为空气的情况下的散射损耗与芯与覆盖层之间的折射率差的函数关系的曲线图；
图5为示出图2的谐振器设备在上覆盖层为空气的情况下的散射损耗和弯曲损耗与半径的函数关系的曲线图；
图6为图1a的谐振器设备的示意性剖视图；
图7a-7d为对于图1a的谐振器设备内的不同的上覆盖层折射率数值计算得出的基模的等值线(contour)图的剖视图；
图8为示出在图6的谐振器设备内一个往返(round-trip)行程的总损耗与图1a的谐振器设备的上覆盖层的折射率在不同的谐振器半径的情况下的函数关系的曲线图；
图9为示出在图1a的谐振器设备内一个往返行程的总损耗与图1a的谐振器设备的上覆盖层的折射率在不同的谐振器芯截面的情况下的函数关系的曲线图；
图10a为图1a的谐振器设备的另一个实现的示意性剖视图；
图10b为图10a的谐振器设备的示意性顶视图；
图11为按照本发明设计的低损耗微环形谐振器设备的第三实施例的示意性顶视图；
图12为示出在图10a的谐振器设备内一个往返行程的总损耗与谐振器设备的上覆盖层的折射率在不同的谐振器半径的情况下的函数关系的曲线图；
图13为与图3的曲线图类似的曲线图，其中还示出了图1a的谐振器设备的弯曲损耗；
图14为与图4的曲线图类似的曲线图，其中还示出了图1a的谐振器设备的散射损耗；
图15为以灰色示出图1a的谐振器设备的优选上覆盖层折射率与芯折射率的函数关系的曲线图；以及
图16示出了包括一些Mach-Zehnder开关和一个或多个由图1a和/或10a-10b和/或11示出的谐振器设备的滤光器体系结构的示意图。
具体实施方式
首先参见图2，分析谐振器设备50的剖视图，谐振器设备50的顶视图示于图1a。
设备50包括一个用富硅的Si3N4(nr＝2.2)形成的具有1200×250nm2的矩形截面、带200nm的过蚀刻5040的环形谐振器502，基片506是SiO2，设备的整个区域上覆盖着一个空气覆盖层5020(折射率nair＝1)。
在图3和4中分别示出了谐振器设备50的弯曲和散射损耗。特别是，图3中的圆圈表示具有7μm的半径的谐振器设备50的弯曲损耗，这个曲线给出了弯曲损耗与半径R2的函数关系。在图4中示出了散射损耗与谐振器波导502的折射率与覆盖层的折射率之间的折射率差的函数关系，申请人对于芯由一个与芯的折射率差为Δn的覆盖层包围的同类配置进行了一些模拟。两个圆圈表示对于芯用富硅的Si3N4或用Si形成、都有SiO2基片和空气覆盖层的情况下的散射损耗。
因此，从图3和4可见，弯曲损耗取决于谐振器半径，但也取决于谐振器波导502的折射率与覆盖层的折射率之间的折射率差：这个差越大，由于将对谐振器波导内传播模限制越大，因此弯曲损耗越小。然而，从图4可清楚地看到，增大折射率差导致散射损耗增大。
图5给出了这些结果的概要，示出了设备50的总损耗与谐振器502的半径的函数关系。谐振器502是一个用富硅的Si3N4(nr＝2.2)的环，具有100nm的过蚀刻、1000×330nm2的矩形截面、空气上覆盖层520和SiO2基片506。这些曲线是对以上描述的设备的数值模拟结果，而两个圆圈为实验结果。
因此，为了获得在集成光学设备内和在DWDM系统内的弯曲半径小的环形谐振器，非常重要的是尽量减小波导内的总损耗，特别是弯曲和散射损耗。这样可以得到高精细的谐振滤光器。
现在参见图1a，图中示出了一个按照本发明所设计的低损耗微环形谐振器设备10。
谐振器设备10包括一个具体为具有折射率nr的谐振波导2的谐振器和至少一个非常接近谐振波导2的具有折射率nw的母线波导3a。优选的是，谐振波导2和母线波导3a都是单模波导。具体地说，在图1a的应用中，设备10还包括一个第二母线波导3b，第一波导3a和第二波导3b分别具有输入端口4a、输出端口4b和上线(增添)端口(add port)5a、下线(卸下)端口(drop port)5b。谐振波导2在一个限定(X，Y)平面的基片6上实现，基片6优选的是一个折射率为nb的平面层。
以下，将例示这个本发明的设备的一个可能的应用，具体地说，以下所说明的这些优选实施例都涉及将低损耗微型环形谐振器设备10用作滤光器的应用。然而本发明的谐振器设备也可以用作诸如高阶环形谐振滤光器之类的其他应用的构件，以获得例如顶部平坦的通带。图1b示意性地示出了这种滤光器的一个实例，滤光器100示为包括三个微型环形谐振器波导2。本发明的设备在所用的谐振器的数量上没有限制，可以根据所希望的应用改变。
用本发明的谐振器设备10可以实现的其他可能应用还包括(但不局限于)：可用于多级色散补偿器；如果与光敏二极管集成在一起可用来稳定以特定波长发射的激光二极管或以FSR信道间隔定界切换；可以集成在高性能的上线/下线滤光器内或Mach Zehnder干涉仪内例如用作一个小型陷波滤光器；以及作为在光分多路复用传输和极化分多路复用系统内使用的候选对象。
谐振波导2是一个闭环波导。在顶视图中，它可以具有例如如图1a所示的圆环的形状、椭圆环或跑道形的形状。因此，在下面所谓“环形”将概括地用来指任何闭环的几何形状。
图1c示意性地示出了图1a的设备的典型光谱响应，在谐振器2的谐振波长处可观察到一些峰。谐振峰之间的间隔称为谐振器2的自由光谱区(FSR)，它取决于谐振器的尺寸(在圆环谐振器的情况下，即取决于它的半径)及其他一些因素。优选的是，为了过滤波长包括在宽度超过40nm的C波段内的信道，本发明的谐振器设备10的FSR应该大于20nm。因此，谐振器2的半径优选的是在5到10μm之间，可取的是在5到8μm之间，最好为6μm。在谐振波导2是非圆形的闭路的情况下，所谓“半径”是指在谐振波导的(X，Y)平面内最大跨距的二分之一。
固定了其他谐振器特性后，如果损耗可以忽略的话，谐振峰的带宽B只取决于谐振器2和母线波导3a、3b之间的耦合k，否则损耗就会使带宽B增大。在高选择性非常重要的DWDM应用中优选的是小的带宽，以便不改变没有受到滤波的信道。因此，将谐振器2的精细度F定义为 F = FSR B , 谐振器设备10优选的是具有如在下面所说明的那样得到的高的精细度。
图6示意性地例示了按照本发明的一个实施例设计的剖视图。这个谐振器设备的与图1a所示的谐振器设备中相应的部分标以相同的标注数字，不再详细说明。
限定谐振波导2的边界的表面的第一部分12与基片6接触，而剩下的第二部分13与在下面将较好说明的覆盖层接触。
由于环形谐振波导2的闭环形状，两个不同区域分别标为内区16和外区17。将确定环的内边界的弯曲缘称为内弯曲缘14而将确定环的外边界的弯曲缘称为外弯曲缘15，内区16为覆盖基片在环内的内部和谐振波导2的直到外弯曲缘15的上部的区域，而外区17为覆盖基片的从外弯曲缘15向内区16外部延伸的区域。在图1a这个例子中谐振器2为一个具有内径R1和外径R2的环(见图6)，内区16包括环内的圆形表面和直到外径R2的相邻圆环表面，而外区17为从R2起的谐振波导2外的区域。
在本说明内，所谓谐振器的半径是指外径R2，除非另有说明。
优选的是，谐振器2和母线波导3a、3b为基于硅合成物的波导。它们例如可以用标准的光刻和离子蚀刻或者任何其他适当技术在一个硅片上形成的缓冲层上实现。
硅合成物指的是基本上包括石英玻璃即SiO2、诸如SiOxNy之类的三元合成物或Si3N4及其非理想配比的合成物。可以将诸如Ge、B、P或Al之类的掺杂物包含在硅合成物的基体内，以便例如修改材料的折射率。
优选的是，谐振波导2和母线波导3a、3b各具有一个过蚀刻40。图1a和6所示的设备10可以用作一个上线/下线波长滤光器。设备10在第一波导3a的输入端口4a接收一个包括至少一个信号波长λ1的输入光信号11。优选的是，光信号11承载一系列光信道λ1、λ2、…、λN，最好包含在近似与C波段相应的1530nm到1565nm左右之间。例如，输入信号11可以是一个信道间隔为100或50GHz的DWDM信号。谐振器2设计成能从那些波长中选择一个波长，例如λ1，传送给第二波导3b，而所有其余信道λ2、…、λN传播到输出端口4b，不受影响。谐振器2所选择的特定的波长信道λ1取决于谐振器的环半径和在谐振波导内传播的模的有效折射率，有：
λ 1 = 2 π L R n eff m - - - ( I )
其中，m为一个整数，neff为波导谐振器的有效折射率，而neffLR为谐振器相位光程长。在母线波导3a内传播的光信号11与谐振器2内的信号之间(或者说，谐振器内的信号与第二波导3b内的信号之间)相互作用强度取决于这两个波导的材料和尺寸和它们的相对耦合距离及其他一些因素。
一个具有波长λ1的新信道也可以通过将它加到第二波导3b的上线端口5A上增添给光信号11。
在图6所示的实施例中，谐振器和母线波导处在同一个平面和同一个基片6上，基片6优选的是用基于硅合成物的材料实现。可以理解，也可以使用如熟悉该技术的人员所知的其他材料。按照本发明，谐振器2的内区16全部被一个上覆盖层20的薄膜覆盖，上覆盖层20的折射率nuc高于处在外区17的侧覆盖层21的折射率nlc。此外，为了受导模沿着谐振波导2，谐振波导2的折射率nr应该大于侧覆盖层21的折射率nlc、上覆盖层20的折射率nuc和基片6的折射率nb。可以理解，层6可以是一个基片或一个在基片(未示出)上生长的缓冲层。以下，层6将称为基片或缓冲层。
侧覆盖层21围绕谐振器2，与谐振器2的外弯曲缘接触，在外区内径向延伸一个有限的宽度。
因此，谐振波导2在一个与(X，Y)平面平行的平面内外缘抵达侧覆盖层、内缘抵达上覆盖层，而在Z方向上一侧抵达基片、对侧抵达上覆盖层。
从上可知，可以定义三个折射率差：第一折射率差Δn1＝nr-nb为谐振波导2与基片6之间的折射率差，第二折射率差Δn2＝nr-nuc为谐振波导2与上覆盖层20之间的折射率差，而第三折射率差Δn3＝nr-nlc为谐振波导2与侧覆盖层21之间的折射率差。
为了很好地限制在谐振波导2内传播的模，第一折射率差Δn1应该大于0.3，优选的是大于0.35，即谐振波导2应该是一个相对基片6为高折射率差的波导。
例如，如果基片6为折射率为1.45的SiO2，形成谐振波导2的材料应该具有至少高于1.75的折射率。
优选的是，第三折射率差Δn3小于1.3，否则散射损耗会比较大。
侧覆盖层21可以用任何材料，只要nuc＞nlc。在图6这个例子中，上覆盖层20为聚合物，而侧覆盖层21为空气。在图10a、10b所示的实施例中和图11所示的实施例中，侧覆盖层21可以是任何其他材料淀积的层，优选的是诸如市场上称为TeflonTM的聚四氟乙烯之类的聚合物淀积的层。优选的是，上、侧覆盖层形成一个厚度一致的层，在这层上有空气或用第三种材料形成的另一个保护层42，见图10a和11。在上覆盖层20为液晶的情况下，优选的是有保护层42，例如保护层为一个玻璃层。
上覆盖层20的厚度h的值(即基片和与上覆盖层的顶部之间的距离)在本发明中不是非常关切的，优选的是它应该厚到足以将谐振波导2内传播模的衰减拖尾埋入，因此最佳厚度取决于模的波长和谐振波导2的有效折射率。超过一定厚度，再厚一些没有多大关系。
申请人惊人地发现，对于谐振波导2和基片6的给定折射率nr和nb，将上覆盖层的折射率nuc增大到由各个谐振器设备特性给定的某个最大值(只要还比谐振波导2的nr小)可以降低谐振器设备10的传播损耗。
图9例示了这个效果，其中示出了谐振器设备10的往返行程总损耗与上覆盖层折射率的函数关系。所研究的设备10为图6所示的设备，其中在SiO2的基片上形成的谐振器2为一个用富硅的Si3N4形成的环，具有矩形截面，而侧覆盖层21为空气。实线表示对谐振波导截面为1000×300nm2、带有100nm过蚀刻的设备10的测量结果，而虚线表示对谐振波导截面为1200×250nm2、带有200nm的过蚀刻的设备10的测量结果。从图9的曲线可以清楚地看到，损耗随覆盖层折射率的增大而减小。下面这些例子将示出弯曲损耗和散射损耗具体受这上覆盖层淀积的影响的情况。
图7a-7d示出了一些对于不同的上覆盖层折射率nuc的谐振波导2内基传播模的等值线图。第一个图7a示出了侧覆盖层21和上覆盖层20都是空气的设备50的等值线图。图7b至7d示出了本发明的侧覆盖层21为空气而上覆盖层的折射率nuc分别为1.4、1.6和1.8的设备10的同样的等值线图。从这些图中可以得出，模随着上覆盖层折射率的值的增大而朝上覆盖层20“偏移”，即它越来越多地进入上覆盖层，导致较好的对模的侧向限制。最终，由于这个可能的原因，减小了弯曲损耗。
对于谐振波导2的尺寸特别是它的截面的尺寸来说，优选的是至少一个尺寸应该为模跨距(mode extension)的数量级 其中neff为谐振波导2的有效折射率而λ为传播模的波长。因此，为了使模也在上覆盖层20内传播，谐振波导2的截面的一个与上覆盖层20邻接的尺寸优选的是应该具有这个数量级，否则模不会显著地与上覆盖层交叠。
实际上，将谐振波导截面的垂直尺寸(在Z方向从基片到上覆盖层)和在平面上的尺寸(在(X，Y)平面内，从环的内缘到外缘)考虑为有关系的尺寸，在内区被上覆盖层填充时，在谐振波导2内传播的模可以越过垂直尺寸或平面尺寸，以便也在上覆盖层内传播，因此这两个尺寸都可以具有以上所列举的比的数量级。如果所有尺寸都大于比 图7a-7d所示的效果，因此也就是损耗的降低，就会关系不大。
此外，小的截面尺寸允许谐振波导到母线波导的距离较大一些，因此降低了否则所需的装配精度和改善了谐振器与波导的耦合。
图1a所示的谐振波导2与母线波导3a之间的耦合是所谓的“侧向耦合”，因为谐振波导2是侧面与母线波导耦合的。通常，在这种耦合中，谐振波导和母线波导用同样的材料制造，因为它们处在同一个平面层内。然而，本发明的原理也适用于“垂直耦合”的配置，图11示出了其中的一个例子。在这种情况下，谐振波导2和母线波导3a、3b处在不同的层：由缓冲层6′将波导3a、3b与谐振器2隔开，谐振器淀积在缓冲层6′上，即波导埋在层6′内。然而，也可以设想一种倒置的配置，谐振器埋在缓冲层内而波导处在其上方。此外，埋有母线波导(或谐振波导)的层可以用与谐振器淀积在其上的另一个顶层不同的材料形成(即可以制造一个由不同的层组成的垂直层叠)。在所有“垂直耦合”的情况下，实现谐振器和母线波导的材料可以是不同的。
虽然在这些例子中母线波导3a、3b和谐振波导2示为具有矩形截面，但也可以使用截面是其他形状波导。
实例1
研究图6的谐振器设备10。谐振器2和母线波导3a、3b处在同一个(X，Y)平面上，第一波导3a或第二波导3b与谐振器2之间的间隙为100到15nm。基片6是具有折射率nr＝1.45的SiO2，而谐振波导2和母线波导3a、3b用具有nb＝2.2的富硅的Si3N4实现。侧覆盖层21是空气(nlc＝1)，而上覆盖层20是一个厚度h为3μm的SylgardTM184(在室温下nuc＝1.4005)薄膜。折射率取波长为1550nm时的折射率。母线波导和谐振波导的截面为1000×300nm2的矩形，带有100nm的过蚀刻。谐振波导2是一个半径为7μm的环。
申请人发现，设备10的往返行程总损耗α等于0.07dB/往返。如果Sylgard覆盖整个设备，即上、侧覆盖层都用Sylgard形成，损耗成为α＝0.55dB/往返。如果上、侧覆盖层都用空气形成，α＝0.3dB/往返。这清楚地表明通过在谐振波导2上设置一个材料与侧覆盖层不同(nlc＜nuc)的上覆盖层，可以显著地降低微型环的传播损耗。
实例2
设备10与实例1的设备相同，但截面为一个1200×250nm2的矩形，具有200nm的过蚀刻。损耗等于α＝0.1dB/往返，或者相当于α＝22.7dB/cm。在图13和14中，再现了图3和4的曲线图，在每个曲线图内添加了一个圆圈，分别示出这实例中所研究的设备10的弯曲损耗和散射损耗。从这些图中可以清楚地看到，本发明的设备10与上、侧覆盖层是空气而所有其他结构特性相同的设备50相比具有低得多的弯曲损耗，而散射损耗几乎不受影响。
实例3
设备10，它的母线波导和谐振波导都处在同一个平面上，具有下列特征：
基片6：SiO2；nr＝1.45，
谐振波导2、母线波导3a、3b：富硅的Si3N4；nb＝2.2，
侧覆盖层21：空气；nlc＝1，
所有波导的截面：1000×300nm2的矩形，带有100nm的过蚀刻。
对于不同的谐振波导半径和不同的上覆盖层20的折射率计算了这个设备的传播损耗。结果如图5所示：对于环半径为5μm(FSR＝36nm)、6μm(FSR＝30nm)、7μm(FSR＝26nm)和8μm(FSR＝23nm)示出了往返损耗与nuc的函数关系。
对于一些所希望的应用，最大允许总损耗等于0.1dB/往返(等于22.7dB/cm)。因此，从图8可以得出适当上覆盖层20的折射率的有用范围。例如，对于一个具有R2＝7μm的环来说，有用的nuc范围为1.3＜nuc＜1.8。如果nuc≥1.8，在谐振波导2内传播的模离开原位，而对于nuc≤1.3的情况，损耗要大于可容忍的最大值。
如所预期的那样，有用的ncu范围取决于环半径，因为弯曲损耗取决于半径(半径越小，损耗越大)，因此对于一个较小的半径，一个较小的折射率范围将有效地将损耗降低到在所希望的0.1dB/往返的极限以下。
实例4
图10a和10b分别示出了一个与实例1的设备类似的设备10′，但侧覆盖层21是一个TeflonTM(nlc＝1.3)层而不是空气覆盖层，而且上覆盖层20用T＝20℃时nuc＝1.6的向列相LC形成。这个设备的所有其他参数与实例1的相同。所引起的损耗为α＝0.7dB/cm。
由于在这种情况下在外区置有n＞1的材料，申请人发现不仅降低了弯曲损耗，而且也降低了散射损耗(与n＝1的情况相比)，因为降低了在谐振波导2的外侧壁处的折射率差Δn3。
在图12中计算了对于不同谐振波导半径R2的有用nuc范围，其中将侧覆盖层折射率固定在nlc＝1.3。最大可容忍的损耗等于0.1dB/往返。例如，对于半径R＝7μm，有用nuc范围为1.53＜nuc＜1.8。上限也是由于模的移位。如可以看到的那样，这个范围小于在侧覆盖层21是空气(nlc＝1)的实例3中的范围。这是由于即使一个较小的折射率差Δn3＝nr-nlc给出较小的散射损耗，但对于较小的折射率差对模的限制就较差，因此弯曲损耗比nlc＝1的情况大。
实例5
下面，对于具有不同的谐振波导折射率nr的谐振器设备10计算有用nuc范围。所有的波导2、3a、3b都处在相同的在所有的例子中为具有nb＝1.45的SiO2的基片6上侧覆盖层21是空气(nlc＝1)，而谐振波导半径为R＝7μm。最大可容忍损耗等于0.1dB/往返。
●nr＝1.98(例如理想配比的Si3N4)
截面＝400×1200nm2
有用nuc范围＝1.6-1.75
●nr＝1.98(SiON)
截面＝500×1300nm2
有用nuc范围＝1.65-1.68
●nr＝2.7
截面＝500×1300nm2
有用nuc范围＝1.1-2.1
从以上可知，第一折射率差Δn1＝nr-nb和/或第三折射率差Δn3＝nr-nlc越大，可得到的有用nuc范围就越宽。
实例6
图15总结了在以上例子中所得到的数据。具体地说，它示出了“可用的”上覆盖层折射率nuc与谐振器折射率nr的函数关系，即nuc的范围与使谐振器设备10的损耗小于0.1dB/往返的nr的函数关系。在图15中所示的计算中，基片总是为具有nb＝1.45的SiO2，侧覆盖层21为空气(nlc＝1)，而谐振器半径为R2＝7μm。此外，其他模拟参数设置成使谐振波导为单模的，使上覆盖层使它的可调谐性尽可能接近一个用Si3N4(nuc＝2.2)形成的谐振波导的可调谐性，即对于Δn＝0.0435为λ＝8.5nm的数量级。可调谐性条件将在下面进一步说明。
在两条实虚线之间的打有阴影的区域为使谐振器设备10的损耗小于0.1dB/往返的nuc的区域。
从以上这些例子可见，添加一个材料与侧覆盖层的不同的覆盖所有内区的上覆盖层可以降低谐振器设备的总损耗。
具体地说，添加一个上覆盖层可以减小弯曲损耗，而添加一个上覆盖层和一个侧覆盖层可以减小弯曲损耗和散射损耗。也可清楚地看到，谐振波导的折射率越大，上覆盖层的使总传播损耗低于一个给定值(在所给出的这些例子中为0.1dB/往返)的有用折射率的范围越宽，直到谐振波导与侧覆盖层之间的一个给定的折射率差，超过这个给定的折射率差散射损耗就太高了。
按照本发明的另一个方面，谐振器设备10优选的是可调的，即在谐振器设备10用作一个滤光器的应用的情况下可以改变在第二波导3b内所卸下(dropped)的波长，因此可以将谐振器设备从一个信道调谐到有关频谱内任何其他信道上。这就允许用一个非常简单的配置来使任何单个信道下线。这可能甚至只包括一个滤光器。重要的是要注意到调谐机制优选的是也需要是无侵袭的，即在从一个信道调谐到另一个信道时无论如何也不影响处在这两个信道之间的任何一个信道。
申请人发现，为了得到好的可调谐性，谐振器设备10的上覆盖层20优选的是用可调谐材料形成，最好是用能使单个设备10覆盖整个C波段(30nm)的这样一种可调谐材料形成。
所谓“可调谐材料”指的是其折射率可以通过改变一个诸如温度或电场之类的外部参数改变的材料。优选的是，本发明的上覆盖层20的材料取自具有随温度T改变的折射率的聚合物类材料。特别是，它们的优选热-光系数 不小于1×10-4/℃，这意味着它们的折射率在比较小的温度范围内就可以有显著改变。这相应于对于ΔT为100-200℃折射率改变Δnuc小于0.01左右。
的确，令 C = | dn dT | , 如果给定最大温度变化为ΔT，调谐范围就为
Δλ λ = Δ n uc n uc = C ΔT n uc 0 - - - ( II )
其中nuc0为材料在初始温度T0时的折射率。
优选的聚合物为DSM生产的DeSoliteTM 3471-1-129或DowCorning生产的SylgardTM 184。可能的其他聚合物以及申请人所测得的它们的实际C和折射率值列于表I。然而，任何满足以上所给出的要求的透明聚合物都可用来实现上覆盖层20。
应注意的是，应该为上覆盖层20选择适当的聚合物，使得它的折射率nuc(T)在满足谐振器设备10的工作和可调谐性的整个所关心的温度范围内保持小于谐振波导2和母线波导3a、3b的折射率。
申请人注意到，虽然二氧化硅也有随温度改变的折射率，但它的热-光系数明显地小于聚合物的热光系数，即最少是10倍，二氧化硅的热-光系数约为10-5/℃。考虑折射率为1.45(对于不掺杂的二氧化硅)的情况，如果改变200℃，
Figure A20038011090900231
值只有10-3的数量级。因此，在这种情况下，二氧化硅认为是“非可调的”材料。所谓“可调谐材料”在这里指的是对于外部参数的合理改变 &Delta;n n &GreaterEqual; 10 - 2 的材料。应注意的是，在这里，非可调谐材料(即 &Delta;n n < 10 - 2 的材料)也包括具有比较大的热-光或电-光系数但小的 (即对于100℃的温度改变或对于1V/μm的电场改变， 小于10-2)的材料。具有比较高的热-光系数的非可调谐材料的一个例子是GaAs，它的 而n＝3.4(在室温下)。100℃的温度改变给出折射率的改变Δn为0.025，但 约为7×10-3。
  n(@1550nm)   dn/dT(/℃)
  Sylgard 184(Dow Corning)   1.4   -2.9E-4
  Tego Rad 2500(TEGO)   1.419   -2.95E-4
  Tego Rad 2100(TEGO)   1.4419   -2.4E-4
  OE-4100(Dow Corning)   1.46   -3.3E-4
  DesoliteTM 3471-1-129   1.45   -2.5E-4
表I
形成上覆盖层20的聚合物，可以通过作为谐振器设备结构的最后一个制造步骤的旋涂，淀积在谐振器2上，再蚀刻成适当形状，以便只覆盖内区。
然而，本发明不局限于热-光材料，而是也包括具有电-光特性的材料，如液晶，只要它们的折射率对于所加的电场的合理改变可以在一个比较大的范围内改变。优选的是，液晶对于1至5V/μm的电场的改变具有Δn＝0.1。在用液晶作为谐振波导的上覆盖层20的情况下，优选的是侧覆盖层21不是空气，以便侧向限制LC材料。液晶材料是真正的液体，因此没有例如TeflonTM那样的侧覆盖层材料它不会保留在谐振波导2上。如果不是将液晶(或任何同类的上覆盖层材料)只保留在内区上，调谐范围将只大一些，但损耗将大许多。
在本发明的另一个实施例(未示出)中，用两种不同的可调谐材料作为上覆盖层20和侧覆盖层21，以便增强设备10的总体可调谐性。
此外，基片6也可以用可调谐材料实现。
为了调谐上覆盖层，可以在上覆盖层20的顶上设置一个电极41(见图11)。在这种情况下，覆盖层20的厚度h优选的是大于由于存在电极41而干扰谐振器设备10适当工作的某个值。
参见图10a，在实现液晶上覆盖层时，设置两个电极(未示出)，优选的是设置在保护层42的顶上。
在可调谐振器设备10的情况下，谐振波导截面的至少一个尺寸小于比
Figure A20038011090900241
是重要的，因为如果谐振波导2内的模由于一部分也在上覆盖层20内而不传播，那么就会得到一个非常小的可调谐性，因为改变上覆盖层的折射率不会造成在模传播中的显著差别。
实例7
测试了图6所示的实例1的设备10的可调谐性。如前面所述，上覆盖层20用可调聚合物SylgardTM 184形成。这种聚合物具有等于-2.9×10-4/℃的热-光系数，而所施加的温度变化为70℃。使用式(II)和通过数值模拟，申请人发现通过将温度改变所述量，改变了谐振波导2的有效折射率，使滤光器的所下线的波长偏移了Δλ＝5.5nm。
如果SylgardTM 184同样覆盖整个内区和外区，偏移就为Δλ＝6.2nm，改变了11％，但如实例1所示，在往返行程损耗上也得到更加明显的改变。
在如图10a所示的侧覆盖层21为TeflonTM而不是空气的情况下，调谐范围基本上保持不变。
实例8
这个例子中所研究的设备与实例1的设备10之间的差别只是在本情况下谐振波导2具有1200×250nm2的截面和200nm的过蚀刻。申请人发现对于ΔT＝150℃的温度改变所引起的Δnuc＝0.0435，这意味着Δλ＝8.5nm。损耗为α＝0.1dB/往返。
实例9
在这个例子中，对图10a和10b所示的设备10′进行调谐。具体地说，侧覆盖层21为TeflonTM，而上覆盖层20为向列型液晶。对于为ΔE＝1.5V/μm的电压变化，所引起的Δnuc＝0.1，由此Δλ＝8.5nm。所引起的损耗为α＝0.07dB/往返。
从以上这些实例可清楚地看到，本发明的谐振器设备10、10′具有宽的调谐范围，同时制造颇为容易而且成本也低：用对所希望的谐振器特性优化的所希望的材料进行制造，可调谐层只是在最后阶段敷上，再予以蚀刻，使得只有谐振器设备10的内区受到覆盖。这样，可调谐材料与标准的经完全测试的诸如硅合成物之类的材料集成在一起，而不会在其他制造步骤中强加任何限制，同时具有由这种聚合物/液晶的上覆盖层20保证的大的可调范围。此外，还可以在不影响处在芯区的传播模的谐振波导2的情况下得到大的调谐。这样，谐振器2可以用任何材料制成。
图16给出了谐振器设备2的一个可能应用，Mach-Zehnder开关200包括四个如图1b所示的三阶谐振器设备100。具体地说，设备100的每个单共振器2由一层作为上覆盖层的液晶覆盖，而侧覆盖层为Teflon(每个单谐振器等于实例1的一个谐振器)。
每个环具有为7μm的半径，总覆盖带宽等于26nm。

Claims (25)

1.一种低损耗微环形谐振器设备(10；100；10′)，所述谐振器设备包括：
一个具有第一折射率(nr)的闭环谐振器波导(2)，所述谐振器波导(2)由其外弯曲缘(15)限定一个内区(16)和一个外区(17)，所述谐振器波导设置在一个具有第二折射率(nb)的基片(6；6′)上，所述第一折射率(nr)与所述第二折射率(nb)之间的折射率差(Δn1)大于0.3；
一个覆盖所述谐振器波导(2)的所述内区(16)的具有第三折射率(nuc)的上覆盖层(20)；以及
一个与所述外弯曲缘(15)接触、在所述外区(17)内延伸的侧覆盖层(21)，所述侧覆盖层(21)具有第四折射率(nlc)，所述第四折射率(nlc)小于所述第三折射率(nuc)。
2.一种按照以上任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述上覆盖层(20)包括一种可调谐材料。
3.一种按照权利要求1或2所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述闭环谐振器波导(2)的截面的尺寸中至少有一个尺寸具有为的数量级，其中neff为谐振器波导(2)的有效折射率，而λ为在谐振器波导(2)内的一个传播模的波长。
4.一种按照以上任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，包括一个在一个预定区域充分接近所述谐振器波导(2)的第一波导(3a)，以提供在两者之间的耦合。
5.一种按照以上任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述谐振器波导(2)为一个单模波导。
6.一种按照以上任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述谐振器波导(2)包括硅合成物材料。
7.一种按照以上任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述基片(6，6′)包括硅合成物材料。
8.一种按照权利要求4至7中任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，包括一个第二波导(3b)，所述第一波导(3a)适于承载一个具有至少一个具有一个给定波长(λ1)的信道的输入信号，而所述谐振器波导(2)可操作成使所述给定波长(λ1)传送到所述第二波导(3b)。
9.一种按照权利要求8所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述输入信号(11)包括给定数量的具有包括在1530nm左右到1565nm左右之间的波长(λ1，......，λn)的光信道。
10.一种按照以上任何一个权利要求8所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述闭环谐振器波导(2)的半径在5到10μm之间。
11.一种按照权利要求10所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述闭环谐振器波导(2)的半径不大于8μm。
12.一种按照以上任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述闭环谐振器波导(2)是一个环。
13.一种按照权利要求8至12中任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述谐振器波导(2)和所述波导(3a，3b)安排成侧向耦合的配置。
14.一种按照权利要求8至12中任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述谐振器波导(2)和所述波导(3a，3b)安排成垂直耦合的配置。
15.一种按照权利要求2至14中任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述可调谐材料的第三折射率(nuc)可以根据一个外部参数的改变而改变。
16.一种按照权利要求2至15中任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述可调谐材料可随温度(T)改变，对于不大于100℃的温度改变，所述可调谐材料的第三折射率(nuc)的改变Δn与所述可调谐材料的折射率(nuc)之比 不小于10-2。
17.一种按照权利要求2至16中任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述可调谐材料随电场(E)可变，对于不大于5v/μm的电场改变，所述可调谐材料的折射率(nuc)的改变Δn与折射率(nuc)之比 不小于10-2。
18.一种按照权利要求2至16中任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述可调谐材料的折射率(nuc)随温度(T)可变，所述可调谐材料具有一个大于或等于10-4/℃的热-光系数
19.一种按照权利要求2至16和18中任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述随温度(T)可变的可调谐材料为一种聚合物。
20.一种按照权利要求2至15和17中任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述可调谐材料为一种液晶。
21.一种按照以上任何一个权利要求所述的谐振器设备(10；100；10′)，其中所述侧覆盖层(21)包括一种可调谐材料。
22.一种增添/卸下光学设备，所述光学设备包括按照权利要求1-21中一个或多个权利要求所述的一个或多个谐振器设备(10；100；10′)。
23.一种减小谐振器设备(10；100；10′)的传播损耗的方法，所述方法包括下列步骤：
在一个具有第二折射率(nb)的基片(6；6′)上实现一个具有第一折射率(nr)的闭环谐振器波导(2)，所述第一折射率(nr)与所述第二折射率(nb)之间的折射率差(Δn1)大于0.3，所述谐振器波导(2)用所述波导(2)的外弯曲缘(15)限定了一个内区(16)和一个外区(17)；
在所述内区(16)添加一个具有第三折射率(nuc)的上覆盖层，所述第三折射率(nuc)大于一个与所述谐振器波导(2)的外弯曲缘(15)接触、在所述外区(17)内延伸的侧覆盖层(21)的第四折射率(nlc)。
24.一种按照权利要求23所述的方法，所述方法还包括通过在所述外区(17)上淀积一层材料实现所述侧覆盖层(21)的步骤。
25.一种按照权利要求23或24所述的方法，其中所述上覆盖层(20)用一种可调谐材料实现。
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