CN203941311U - 一种可调光学谐振装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可调光学谐振装置，包括衬底以及附着于衬底上的第一波导、第二波导、光学谐振器和第三波导；第一波导和第二波导依次设置在光学谐振器的一侧，第三波导设置在光学谐振器的另一侧；第一波导和第二波导与衬底的接触面镂空；第二波导的截面面积大于第一波导的截面面积。通过输入功率大于光功率阈值的控制光，使得第一波导发生形变，改变光学谐振器与第一波导之间的耦合系数，调节谐振装置的消光比和Q值。本实用新型利用波导相互作用的光力效应改变光学谐振器与波导的耦合系数来调节光学谐振装置的消光比和Q值；利用光力效应随控制光功率增加而增加的关系，改变控制光功率大小直接改变镂空的细波导的形变，实现简单，操作灵活。

Description

一种可调光学谐振装置

技术领域

本实用新型属于集成光子学领域，更具体地，涉及一种可调光学谐振装置。

背景技术

随着微电子技术的不断发展，器件尺寸不断变小，已逐步接近微电子器件的物理极限，光互连被认为是最有希望解决电互连瓶颈的方式。微纳光电子集成是将光互连商用化的必不可少的途径。因此，近年来，光通信器件不断向小型化、集成化方向发展。

光学谐振装置是光电集成回路的重要构成部分。在集成光电子领域，光学谐振装置主要包括微环谐振器、跑道型微环谐振器、微盘谐振器和光子晶体微腔等。基于光学谐振结构的光学器件应用层出不穷，主要包括用于密集波分复用系统的滤波器、调制器等。但目前器件的综合性能和对工艺容差的要求都远不能满足未来光通信大规模应用的需求。比如，制备好的光学谐振器由于工艺误差会导致实际性能参数出现偏差。因此，迫切需要找到一种方法对已经制备好的光学谐振装置进行调谐以增加装置的灵活性。

目前对光学谐振装置的调谐主要有等离子体色散调制和热光调制两种，通过改变材料中的载流子浓度或者材料的温度来调制材料的折射率，从而实现光学谐振装置谐振波长的调谐。

消光比(ER)和Q值(Q-factor)是光学谐振装置的两个很重要的参数。然而，目前尚没有方法被提出来调节光学谐振装置的ER和Q值。从基本原理来说，要实现光学谐振装置的ER和Q值的调节，必须改变光学谐振装置两端的直波导与光学谐振器的距离。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于光波导中光力效应来调节消光比和Q值的光学谐振装置。

本实用新型提供了一种可调光学谐振装置，包括衬底以及附着于所述衬底上的第一波导、第二波导、光学谐振器和第三波导；所述第一波导和所述第二波导依次设置在所述光学谐振器的一侧，所述第三波导设置在所述光学谐振器的另一侧；

其中，第一波导与所述衬底的接触面镂空；所述第二波导与所述衬底的接触面镂空。

其中，所述第二波导的截面面积大于所述第一波导的截面面积。

其中，所述第一波导的任意一端固定于所述衬底上，所述光学谐振器设置在靠近所述第一波导的非固定端的尾部或中部或其它位置。

其中，所述第一波导的两端均固定在所述衬底上，所述光学谐振器设置在所述第一波导的中部或其它位置。

其中，所述衬底、第一波导、第二波导、光学谐振器、第三波导基于硅、二氧化硅、氮化硅、磷化铟、铟镓砷磷和其它集成光电子常用材料体系。

其中，所述光学谐振器可以是微环谐振器、跑道型微环谐振器、微盘谐振器、光子晶体微腔等常用光学谐振器。

其中，所述第一波导与光学谐振器之间的间距为100nm到700nm。

其中，所述第一波导和所述第二波导之间的间距为30nm到300nm。

其中，所述光学谐振器为半径值1μm到500μm的微环谐振器。所述微环谐振器的波导截面宽度为100nm到500nm，高度为250nm到1μm。

其中，所述第一波导的截面宽度为100nm到500nm，高度为250nm到1μm，第二波导截面宽度大于第一波导。

其中，光学谐振器为半径为5μm的微环谐振器，所述微环谐振器波导截面宽250nm，高500nm；所述第一波导和所述第三波导截面宽度为250nm，高度为500nm；所述第二波导截面宽度为500nm，高度为500nm；所述第一波导和所述第二波导的间距为60nm。

本实用新型利用波导电磁场相互作用的光机械力改变光学谐振器与波导的耦合系数，从而改变光学谐振器的外部损耗来调节光学谐振器的Q值，改变光学谐振器本征损耗与外部损耗的关系来调节光学谐振器的消光比，为光学谐振装置的参数调节提供了一种新的思路、方法；同时充分利用光机械力随控制光功率增加而增加的关系，利用改变控制光功率大小直接改变镂空的细波导的形变，实现简单，操作灵活。还可基于硅基成熟工艺实现，与成熟的微电子CMOS工艺兼容。

附图说明

图1是本实用新型提供的可调光学谐振装置的结构示意图；

图2是本实用新型提供的可调光学谐振装置在没有控制光注入时的俯视图，图中第一波导2仅一端固定在衬底上；

图3是本实用新型提供的可调光学谐振装置在有控制光注入时的俯视图，图中的第一波导2仅一端固定在衬底上，光学谐振器放在第一波导2未固定的一端的尾部；

图4是本实用新型提供的可调光学谐振装置在有控制光注入时的俯视图，图中的第一波导2仅一端固定在衬底上，光学谐振器放在第一波导2的中部；

图5是本实用新型提供的可调光学谐振装置的结构示意图，图中的第一波导2两端固定在衬底上；

图6是本实用新型提供的可调光学谐振装置在没有控制光注入时的俯视图，图中的第一波导2两端固定在衬底上；

图7是本实用新型提供的可调光学谐振装置在有控制光注入时的俯视图，图中的第一波导2两端固定在衬底上；

图8是本实用新型提供的可调光学谐振装置中光学谐振器4的几种可能的选择。图8(a)是微环谐振器，图8(b)是跑道型微环谐振器，图8(c)是微盘谐振器，图8(d)是光子晶体微腔；

图9是本实用新型提供的可调光学谐振装置在硅基材料平台上应用实例的示意图。光学谐振器采用微环谐振器；图9(a)是第一波导两端固定的情况的示意图，图9(b)是第一波导仅一端固定，微环谐振器放置在第一波导中部的情况的示意图，图9(c)是第一波导仅一端固定，微环谐振器放置在第一波导未固定一端的尾部的情况的示意图；

图10是本实用新型提供的可调光学谐振装置在硅基材料平台上应用实例的仿真计算结果。图10(a)是第一波导两端固定的情况的计算结果，图10(b)是第一波导仅一端固定，微环谐振器放置在第一波导中部的情况的计算结果，图10(c)是第一波导仅一端固定，微环谐振器放置在第一波导未固定一端的尾部的情况的计算结果。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供一种应用光力来进行消光比和Q值调节的光学谐振装置。该装置通过调节控制光功率来改变微环谐振器的消光比和Q值，灵活自由。

本实用新型提供的利用光力来进行消光比和Q值调节的光学谐振装置由一个衬底上的光学谐振器、一根与衬底接触的一面镂空的第一波导、一根与衬底接触的一面镂空的第二波导和一根固定在衬底上的第三波导组成。其中第二波导的截面面积大于第一波导。第一波导和第三波导分别相对放置在光学谐振器的两侧。第二波导放置在第一波导同一侧，使第一波导位于第二波导和光学谐振器之间。

在本实用新型中，所述衬底、第一波导、第二波导、光学谐振器、第三波导可以基于硅、二氧化硅、氮化硅、磷化铟、铟镓砷磷和其它集成光电子常用材料体系。

在本实用新型中，第一波导可以仅一端固定在衬底上，也可以两端固定在衬底上。当镂空的第一波导仅一端固定在衬底上时，光学谐振器可以放在第一波导未固定的一端的尾部或第一波导中部或其它位置。当光学谐振器放在第一波导未固定一端的尾部时，所述的可调光学谐振装置所需的功耗较低，调节范围更大，性能最佳。当镂空的第一波导两端固定在衬底上时，光学谐振器可以放在第一波导中部或其它位置；

作为本实用新型的一个实施例，采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)材料体系，光学谐振器为微环谐振器。微环谐振器半径值为1μm到500μm，取决于不同的应用场景。构成微环谐振器的波导截面宽度为100nm到500nm，高度为250nm到1μm，以满足波导的单模传输条件。类似的，第一波导的截面宽度为100nm到500nm，高度为250nm到1μm。第二波导截面宽度应大于第一波导，高度与第一波导保持一致。

在本实用新型中，第一波导与微环谐振器的间距为100nm到700nm，取决于不同的应用中微环谐振器建立谐振的条件和工艺加工精度条件。当微环谐振器本征损耗较大时，为了与微环谐振器本征损耗相匹配以建立谐振，需要较大的微环谐振器与波导的耦合系数，可以取较小的间距；当微环谐振器本征损耗较小时，需要较大的微环谐振器与波导的耦合系数，可以取较大的间距。

为了使第二波导中的波导模式分布对第一波导产生充分的影响以产生明显的光力效应，第一波导和第二波导的间距为30nm到300nm。

本实用新型利用波导电磁场相互作用的光力效应改变光学谐振器与波导的耦合系数，从而改变光学谐振器的外部损耗来调节光学谐振器的Q值，改变光学谐振器本征损耗与外部损耗的关系来调节光学谐振器的消光比，从而为光学谐振装置的参数调节提供了一种新的思路和方法；同时充分利用光力随控制光功率增加而增加的关系，利用改变控制光功率大小直接改变镂空的细波导的形变，实现简单，操作灵活。还可基于硅基成熟工艺实现，与成熟的微电子CMOS工艺兼容。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本实用新型提供的这种可调光学谐振装置是由制作在衬底1上的一根与衬底接触的一面镂空的第一波导2、一根与衬底接触的一面镂空的第二波导3、一个光学谐振器4、一根固定在衬底上的第三波导5组成。其中第二波导3的截面面积大于第一波导2，第一波导2和第三波导5分别相对放置在光学谐振器的两侧。第二波导3放置在第一波导2同一侧，使第一波导2位于第二波导3和光学谐振器4之间。实际工作中，在第二波导3中注入控制光，在第三波导5中注入信号光。由于第二波导3的模场在第一波导2中也有分布，第二波导3对第一波导2会产生光力的作用，使第一波导2发生形变。第二波导3中的光功率越强，产生的光力越大，对应第一波导2形变量越大。因而可以通过调节第二波导3中的光功率大小来调节第二波导3对第一波导2光力的大小，从而改变第一波导2的形变量，也就改变第一波导2和光学谐振器4之间的间距，相应改变第一波导2和光学谐振器4之间的耦合系数，进而改变光学谐振装置的消光比和Q值。

作为本实用新型的一个实施例，第一波导2、第二波导3、光学谐振器4和第三波导5可以通过刻蚀的方式附着在衬底上。第一波导2、第二波导3与衬底1接触的一面镂空部分可以采用湿法腐蚀的方法得到。

如图2所示，信号光从固定在衬底上的第三波导5一端输入，另一端输出。控制光从第二波导3一端输入，另一端输出。

由于第二波导3截面内部电磁场与第二波导3截面外部的消逝场存在电磁场梯度差，截面内部电磁场与截面外部消逝场存在光学梯度力的作用。而第二波导3的消逝场在第一波导2中有一定分布，因此第二波导3与第一波导2会产生相互吸引的光力作用，从而造成第一波导2的形变。其中产生的光力大小与注入第二波导3中控制光功率有关。当控制光功率小于阈值时，对第一波导2不会产生影响，从而不会影响光学谐振器4的谐振特性，进而对信号光的输出端没有影响，如图2所示。其中光功率阈值与第一波导2的截面面积和波导长度有关。截面越小、波导越长，光功率阈值越低。如图3所示，当控制光功率大于阈值时，第二波导3截面内部与第二波导3截面外部的消逝场存在显著的光梯度力，从而对位于第二波导3消逝场中的第一波导2产生显著的光力的作用，使第一波导2发生显著形变，进而改变光学谐振器4与第一波导2之间的间距，相应改变光学谐振器4与第一波导2之间的耦合系数，影响光学谐振器4的谐振特性，调节谐振装置的消光比和Q值。

在本实用新型中，增加控制光功率时，光学谐振器4与所述第一波导2之间的耦合系数变小，由第一波导2引入的光学谐振器4的外部损耗变小，光学谐振器光子寿命变长，谐振装置的Q值变大。此时，当光学谐振器本征损耗大于外部损耗时，外部损耗变小，谐振装置的消光比变小；当光学谐振器的本征损耗小于外部损耗时，外部损耗变小，谐振装置的消光比变大。Q值和耦合系数之间的关系写为其中n_eff为波导的有效折射率，λ为光学谐振器的谐振波长，L_c为光学谐振器的有效长度，a为光学谐振器的本征损耗系数，κ₁为第三波导与光学谐振器的耦合系数，κ₂为第一波导与光学谐振器的耦合系数。在本实施例中，n_eff、λ、L_c、a、κ₁均为常数。可见，κ₂与Q值成负相关，控制光功率越高，κ₂越小，Q值越大。消光比(ER)和耦合系数之间的关系写为 $\mathrm{ER}=10\mathrm{lo}{g}_{10}{\left[\frac{(\sqrt{1-{\mathrm{\&kappa;}}_1^2}+a\sqrt{1-{\mathrm{\&kappa;}}_2^2})(1-a\sqrt{1-{\mathrm{\&kappa;}}_1^2}\sqrt{1-{\mathrm{\&kappa;}}_2^2})}{(\sqrt{1-{\mathrm{\&kappa;}}_1^2}-a\sqrt{1-{\mathrm{\&kappa;}}_2^2})(1+a\sqrt{1-{\mathrm{\&kappa;}}_1^2}\sqrt{1-{\mathrm{\&kappa;}}_2^2})}\right]}^2$ 可见， $\sqrt{1-{\mathrm{\&kappa;}}_1^2}<a\sqrt{1-{\mathrm{\&kappa;}}_2^2}$ 时，控制光功率越高，κ₂越小，ER越小；时，控制光功率越高，κ₂越小，ER越大。

图2中的光学谐振器4可以放在第一波导2的未固定一端的尾部(图3)或第一波导2的中部(图4)或者其它位置。

图1中第一波导2可以是仅一端固定在衬底上(图2-图4)，当第一波导2仅一端固定在衬底上时，第一波导2两端的任意一端均可作为固定端。图1中第一波导2也可以是两端固定在衬底上(图5-7)。

第一波导2两端固定在衬底上时(图5)，同样的，信号光从固定在衬底上的第三波导5一端输入，另一端输出，控制光从第二波导3一端输入，另一端输出。当控制光功率小于阈值时，第二波导3截面内部电磁场与外部消逝场的电磁场梯度产生的力不足以使第一波导2发生形变，如图6所示。而当控制光功率大于阈值时，第二波导3截面内部电磁场与外部消逝场的电磁场梯度产生的力足够使第一波导2发生形变，进而改变光学谐振器4与第一波导2之间的间距，相应改变光学谐振器4与第一波导2之间的耦合系数，影响光学谐振器4的谐振特性，调节谐振装置的消光比和Q值，如图7所示。

在本实用新型中，光学谐振器可以是微环谐振器、跑道型微环谐振器、微盘谐振器、光子晶体微腔等常用光学谐振器。其中，微环谐振器可工作在单模情况下，结构紧凑，应用最为广泛，如图8(a)所示；跑道型微环谐振器通过增加谐振器与波导耦合部分的长度，可以实现较大的耦合系数，如图8(b)所示；微盘谐振器相对于微环谐振器和跑道型微环谐振器可以实现较大的Q值，如图8(c)所示；光子晶体微腔可以实现超高的Q值和超小的模体积，在非线性光学领域有大量应用，如图8(d)所示。

本实用新型不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本实用新型公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本实用新型，因此，凡是采用本实用新型的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本实用新型保护的范围。

下面以硅基SOI波导为实例介绍这种可调光学谐振器，具体实施例如下：

衬底1是二氧化硅，与衬底接触的一面镂空的第一波导、与衬底接触的一面镂空的第二波导、光学谐振器、固定在衬底上的第三波导是硅。第一波导和第三波导分别相对放置在光学谐振器的两侧。第二波导放置在第一波导同一侧，使第一波导位于第二波导和光学谐振器之间。其中光学谐振器采用常用的微环谐振器。

如图9所示，信号光从固定在衬底上的第三波导一端输入，另一端输出。控制光从第二波导一端输入，另一端输出。图9(a)对应于第一波导两端固定的情况，图9(b)对应于第一波导仅一端固定，微环谐振器放置在第一波导中部的情况，图9(c)对应于第一波导仅一端固定，微环谐振器放置在第一波导未固定一端的尾部的情况。

微环谐振器半径值为1μm到500μm，取决于不同的应用。构成谐振器的波导截面宽度为100nm到500nm，高度为250nm到1μm，以满足波导的单模传输条件。第一波导的截面宽度为100nm到500nm，高度为250nm到1μm。第二波导截面宽度应大于第一波导，高度与第一波导保持一致。第一波导与光学谐振器的间距为100nm到700nm，取决于不同的应用中微环谐振器建立谐振的条件。为了使第二波导中的波导模式分布对第一波导产生充分的影响以产生明显的光力作用，第一波导和第二波导的间距应为30nm到300nm。

对这个结构的数值模拟结果如图10所示。仿真中，微环谐振器半径为5μm，微环谐振器波导截面宽250nm，高500nm。第一波导和固定在衬底上的第三波导截面宽度为250nm，高度为500nm。第二波导截面宽度为500nm，高度为500nm。第一波导和第二波导的间距为60nm。第一波导和第二波导镂空部分的长度均为60μm。图10中的(a)-(c)分别对应于图9中的(a)-(c)三种情况。仿真结果显示，此光学谐振装置的Q值在300到670范围内可调，消光比(ER)在5dB到40dB范围内可调。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可调光学谐振装置，其特征在于，包括衬底(1)以及附着于所述衬底(1)上的第一波导(2)、第二波导(3)、光学谐振器(4)和第三波导(5)； 

所述第一波导(2)和所述第二波导(3)依次设置在所述光学谐振器(4)的一侧，所述第三波导(5)设置在所述光学谐振器(4)的另一侧； 

所述第一波导(2)和所述第二波导(3)与所述衬底(1)的接触面镂空；所述第二波导(3)的截面面积大于所述第一波导(2)的截面面积。 

2.如权利要求1所述的可调光学谐振装置，其特征在于，所述第一波导(2)的任意一端固定于所述衬底(1)上，所述光学谐振器(4)设置在靠近所述第一波导(2)的非固定端的尾部或中部。 

3.如权利要求1所述的可调光学谐振装置，其特征在于，所述第一波导(2)的两端均固定在所述衬底(1)上，所述光学谐振器(4)设置在所述第一波导(2)的中部。 

4.如权利要求1所述的可调光学谐振装置，其特征在于，所述衬底(1)、第一波导(2)、第二波导(3)、光学谐振器(4)和第三波导(5)的材料是基于硅、二氧化硅、氮化硅、磷化铟、铟镓砷磷和其它集成光电子常用材料体系。 

5.如权利要求1-4任一项所述的可调光学谐振装置，光学谐振器(4)为微环谐振器、跑道型微环谐振器、微盘谐振器或光子晶体微腔。 

6.如权利要求1-4任一项所述的可调光学谐振装置，其特征在于，所述第一波导(2)与光学谐振器(4)之间的间距为100nm到700nm。 

7.如权利要求1-4任一项所述的可调光学谐振装置，其特征在于，所述第一波导(2)和所述第二波导(3)之间的间距为30nm到300nm。 

8.如权利要求1-4任一项所述的可调光学谐振装置，其特征在于，光 学谐振器(4)为半径值1μm到500μm的微环谐振器；所述微环谐振器的波导截面宽度为100nm到500nm，高度为250nm到1μm。 

9.如权利要求1-4任一项所述的可调光学谐振装置，其特征在于，第一波导的截面宽度为100nm到500nm，高度为250nm到1μm，第二波导截面宽度大于第一波导截面宽度。 

10.如权利要求8所述的可调光学谐振装置，其特征在于，光学谐振器(4)为半径为5μm的微环谐振器，所述微环谐振器波导截面宽250nm，高500nm；所述第一波导(2)和所述第三波导(5)截面宽度为250nm，高度为500nm；所述第二波导(3)截面宽度为500nm，高度为500nm；所述第一波导(2)和所述第二波导(3)的间距为60nm。