CN109541745B - 一种耦合区改进型的微环谐振器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种耦合区改进型的微环谐振器及其制作方法，属于集成光学领域。该器件包括衬底1、键合层2、直波导4、介质层6、跑道型波导7，所述键合层2设置于衬底1上方，所述介质层6设置于键合层2上方，所述直波导4设置于介质层6中，所述跑道型波导7的直道部分在直波导4的正上方，其特征在于，还包括埋槽3，所述埋槽3设置于耦合区中的键合层2内，并位于直波导4的正下方，埋槽3的折射率小于衬底1的折射率。本发明中所采用埋槽结构，既可以减少光场在传输过程中的泄露损耗，又可以促使光场向其他介质转移，进而提高耦合效率，还具有在脊形波导中促进模式从多模向模式减少进行变化的优势。

Description

一种耦合区改进型的微环谐振器及其制作方法
技术领域
本发明属于集成光学领域，具体涉及一种耦合区改进的微环谐振腔器件结构及其相关制作方法。
背景技术
集成光学是当今光学和光电子学领域的发展前沿之一，其主要研究内容包括光波在薄膜材料中的准直、偏转、滤波、空间辐射、光震荡、传导、放大、调制以及与此相关的薄膜材料的非线性光学效应等。近年来，随着离子束注入、直接键合、聚焦离子束刻蚀等微加工技术的发展，光电子学研究的深入，以及具有各种光学性能材料的发现，集成光学正逐步走向成熟。在1969年，Marcatili[1]等人就提出了微环谐振器，并模拟了基于它的带通滤波器，直到近十几年，由于CMOS工艺精度的持续推进，微环谐振器在集成光学领域的研究与应用开始迅速发展起来，现在已成为集成光学中最基础和不可或缺的结构单元之一。微环谐振腔具有波长选择性，可用于调控光的传输路径，同时它又是谐振腔，可产生各种非线性光学现象。由于微环谐振器结构简单、尺寸可以做到很小、且易于与其他光子结构组合，微环谐振器已经成为集成光学中的最基本的结构单元之一，被广泛应用于上述各种集成光子器件中。基于微环谐振器的半导体激光器、光学滤波器、波长转换器、光逻辑门、光延时器、光调制器/光开关、光学传感器等都已被研制出来。
目前，微环谐振器虽然在SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)、有机聚合物、铌酸锂等不同材料均有所实现，但是其标志性的参数如损耗、调制深度、自由光谱范围、品质因子等上仍有较大的改善空间。另外大部分微环谐振器采用的是水平耦合结构，在耦合间距方面，对于采用水平耦合的器件，一般耦合间距在200nm左右，从工艺实现上来说水平耦合的耦合间距较窄，普通光刻技术精度难以满足要求，更先进的光刻技术成本又过高。而采用垂直耦合结构的谐振器，也因为在多层结构上面临着各层表面无法平整，反而会加重器件损耗的问题，抵消了使用垂直耦合结构带来的优势，在应用上也面临困难。
因此提出一种耦合区改进型的微环谐振器结构以优化性能并提出更易实现的制作方法实属必要。
[1]Marcatili E AJ.Bends in optical dielectric guides.Bell SystemTechnical Journal, 1969,48(7):2103-2132.
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种微环谐振器，增加了埋槽结构，使得该微环谐振器的泄露损耗和耦合效率等性能参数较为优异。
针对上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种耦合区改进型的微环谐振器，包括衬底1、键合层2、直波导4、介质层6、跑道型波导7，所述键合层2设置于衬底1上方，所述介质层6设置于键合层2上方，所述直波导4设置于介质层6中，所述跑道型波导7的直道部分在直波导4的正上方，其特征在于，还包括埋槽3，所述埋槽3设置于耦合区中的键合层2内，并位于直波导4 的正下方，埋槽3的折射率小于衬底1的折射率。
进一步地，所述埋槽3为折射率低于1.5的介质材料或者空腔。
进一步地，所述埋槽3还可以设置于整条直波导4下方，或直波导4和跑道型波导 7的环形部分下方。
进一步地，所述埋槽3的宽度最佳为略大于光泄漏模场的宽度，埋槽3的深度最佳为略大于光泄漏模场的深度。
进一步地，所述埋槽3为空腔且宽度大于直波导4宽度时，应在埋槽3上方制作一层支撑层结构以避免波导芯层出现塌陷，所述支撑层结构材料为SiO2或Si3N4，支撑层厚度不超过1μm。
进一步地，所述介质层6上方设置有包层8，所述跑道型波导7设置于包层8内。
进一步地，所述直波导4在耦合区的断面收窄形成收窄形状，收窄形状与直波导4连续等高，所述收窄形状为梯形5或哑铃形。
进一步地，所述直波导4在跑道型波导7的直道部分的正上方。
进一步地，所述跑道型波导7跑道长度可按需选择，当不需要跑道即成为环形波导。
进一步地，所述直波导4和跑道型波导7为条形波导、脊形波导或者圆形波导。
进一步地，所述直波导4的上下都沉积一层金属层和跑道型波导7的上下都沉积一层金属层来制作电极，通过施加电场改变波导材料折射率以实现微环调制器的功能。
进一步地，衬底1可任意选用如Si、SiO2等常用光学器件衬底，键合层2可采用 SiO2或BCB(苯并环丁稀)、PMMA(聚甲酯丙烯酸甲酯)等聚合物材料，波导4和7 可采用α-Si、LiNbO3、GaN、Ta2O5等折射率高于2的材料或PMMA、PI(含氟聚酰亚胺)等低损耗聚合物材料，介质层6可选用BCB、SiO2、Si3N4等低折射率介质材料，包层8可采用BCB等低折射率介质材料。
本发明还提供了一种上述耦合区改进型微环谐振器的制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.对波导层的薄膜材料进行离子注入，使其表面形成离子注入层；
步骤2.采用牺牲层工艺制备埋槽图形，具体做法为：采用光刻胶为掩模，在波导层的薄膜材料含有离子注入层的一侧采用化学气相沉积法，在对应埋槽3位置上沉积一层牺牲层9，然后清洗掉光刻胶露出牺牲层9；
步骤3.在牺牲层9上通过旋涂或者等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制作键合层2；
步骤4.将衬底材料和步骤3制备完成的键合层2键合到一起，在退火后进行离子注入剥离得到第一波导层薄膜；
步骤5.以光刻胶或金属作为掩膜，对第一波导层薄膜通过刻蚀得到直波导4；
步骤6.在直波导4上方，通过旋涂或者等离子体增强化学的气相沉积(PECVD) 制作得到介质层6；
步骤7.将进行离子注入处理后的第二波导层材料和步骤6制备完成的介质层6键合到一起，再退火后进行离子注入剥离得到第二波导层薄膜；
步骤8.以光刻胶或金属作为掩膜，对第二波导层薄膜通过刻蚀得到跑道型波导7；
步骤9.在跑道型波导7上方，通过旋涂或者等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)制作得到包层8；
步骤10.从器件顶层打孔至牺牲层9，通过腐蚀液腐蚀牺牲层9，得到空腔3。
进一步地，步骤2还可以采用光刻胶为掩模，在衬底上采用化学气相沉积法，在对应空腔3位置上沉积一层牺牲层9，然后清洗掉光刻胶露出牺牲层9。
在本发明的制作方法中，刻蚀方法可采用湿法刻蚀、干法刻蚀或电子束曝光，牺牲层9材料可采用α-Si、SiO2、金属等。
在本发明的制作方法中，支撑层作为可选结构若需要制作，可在步骤2牺牲层9制作前通过气相沉积制作完成；金属电极作为可选结构若需要制作，可在步骤一离子注入完成之后，气相沉积金属下电极，而后在波导层薄膜刻蚀完成后再通过气相沉积制作金属上电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明中所采用埋槽结构，既可以减少光场在传输过程中的泄露损耗，又可以促使光场向其他介质转移，进而提高耦合效率，还具有在脊形波导中促进模式从多模向模式减少进行变化的优势。
2.本发明中所采用垂直耦合结构，由于波导单位长度耦合面积更大，耦合间距相对水平耦合结构得到同样耦合效率时耦合间距容差更大、相对更宽，在工艺上更容易实现，且间距精度更高。
3.本发明中所采用的直波导在耦合区的断面收窄形成收窄形状，可以促使光场向另一波导转移，提高耦合效率。
4.键合层的自平整特性使得制作埋槽结构对键合影响极大减少，且厚度更可控精度更高，剥离工艺得到的单晶薄膜一致性更好，制造的器件稳定性、一致性等方面更加出色；牺牲层工艺使得在制作各种器件内复杂结构成为可能。
附图说明
图1是本发明的微环谐振器结构的俯视图。
图2是本发明的微环谐振器结构剖面图。
图3是本发明的微环谐振器结构中直波导断面收窄形成梯形结构的俯视图。
图4是本发明的微环谐振器耦合区三维结构。
图5是本发明有无埋槽结构的微环谐振器在COMSOL中的仿真结果图。
图6(a)-(i)是本发明提供的微环谐振器制作方法步骤1到10的流程图；
附图标记说明：
衬底1，键合层2，空腔3，直波导4，梯形结构5，介质层6，跑道型波导7，包层 8，牺牲层9；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明提供的耦合区改进型的微环谐振器及其制作方法进行详细地说明进一步详细说明。
图1是本发明的微环谐振器结构的俯视图。如图1所示，本发明是一种采用垂直耦合结构的微环谐振器，其基本对称结构包括直波导4、跑道型波导7、埋槽3、梯形结构 5，光从直波导4的输入端耦合进入器件，沿直波导4传输，在耦合区梯形结构5内一部分光场耦合进入跑道型波导7，一部分沿直波导4的直通端输出。进入跑道型波导7 的光环绕其内部传输，然后在另一个耦合区耦合进入另一直波导4，耦合进入另一直波导4的光可与上载端输入的光叠加从下载端输出。
图2是本发明的微环谐振器结构剖面图。如图2所示，本发明的器件结构剖面图中，包括衬底1、键合层2、埋槽3、直波导4、梯形结构5、介质层6、跑道型波导7、包层 8，器件结构中双折线表示器件中还有较长的距离未画出。其中，埋槽3在键合层2中，条形波导4埋在介质层6中，梯形结构5与直波导4连续等高，跑道型波导7在直波导 4正上方。
图3是本发明的微环谐振器结构中直波导断面收窄形成梯形结构的俯视图。图4是本发明的微环谐振器耦合区三维结构。如图3和图4所示，本发明耦合区结构中，耦合区直波导4宽度逐渐减小至一定程度后不再减小，形成梯形结构5，正下方埋槽3宽度小于耦合区梯形结构5最小宽度。
图5是本实施例有无埋槽结构的微环谐振器在COMSOL中的仿真结果图。该实施例的结构参数为脊宽1.5um，平板高度800nm，脊高200nm，包层为空气，波导层材料为铌酸锂，键合层和介质层为BCB的材料。如图5所示，本实施例器件结构在COMSOL 中仿真，由仿真结果可以看到，TE20模在含有空腔的结构中明显向两侧偏移，且向下层的泄露损耗明显减小，故空腔结构具有降低损耗且促进高阶模消失使波导保留基模的优势。
本实施例器件的的制作方法如图6(a)-(i)所示，以埋槽为空腔为例具体阐述：
步骤1：对作为波导层的LiNbO3厚膜进行He+离子注入，使其表面形成离子注入层；
步骤2：采用光刻胶为掩模，在作为波导层的LiNbO3厚膜含有He+离子注入层的一侧上采用化学气相沉积法，在对应空腔3位置上沉积一层SiO2牺牲层9，然后在超声波清洗仪内用丙酮清洗掉光刻胶露出牺牲层9；
步骤3：在SiO2牺牲层9上通过旋涂BCB制作键合层2；
步骤4：将用于键合的Si衬底同含键合层2的材料放置在一起后放入键合设备内，施加压力使两部分键合到一起，在退火后进行离子注入剥离得到波导层LiNbO3薄膜；
步骤5：以Cr金属作为掩模，在波导层LiNbO3薄膜上通过Ar+刻蚀得到直波导4 和梯形结构5；
步骤6：在直波导4和梯形结构5上方，通过旋涂BCB制作得到介质层6；
步骤7：将离子注入的LiNbO3厚膜放置在介质层6之上后放入键合设备内，施加压力使两部分键合到一起，在退火后进行离子注入剥离得到波导层LiNbO3薄膜，
步骤8：以光刻胶或金属作为掩模，在波导层薄膜上刻蚀得到跑道型波导7；
步骤9：从器件顶层打孔至牺牲层9，通过HF酸腐蚀牺牲层9，得到空腔3。
本发明提供的耦合区改进型的微环谐振器及其制作方法，主要利用低温键合剥离和牺牲层工艺，将垂直耦合结构、图形耦合区结构和埋槽结构集合与一起，其中垂直耦合结构使耦合间距容差更大、相对更宽，在工艺上更容易实现；梯形结构可以提高耦合效率；埋槽结构既可以减少光场在传输过程中的泄露损耗，又可以促使光场向其他介质转移，进而提高耦合效率。工艺方面，键合层的自平整特性使得制作空腔结构对键合影响极大减少，且厚度更可控精度更高，剥离工艺得到的单晶薄膜一致性更好，制造的器件稳定性、一致性等方面更加出色；牺牲层工艺使得在制作各种器件内复杂结构成为可能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，对本发明的目的、内容和有益效果进行了进一步的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种耦合区改进型的微环谐振器，包括衬底(1)、键合层(2)、直波导(4)、介质层(6)、跑道型波导(7)，所述键合层(2)设置于衬底(1)上方，所述介质层(6)设置于键合层(2)上方，所述直波导(4)设置于介质层(6)中，所述跑道型波导(7)的直道部分在直波导(4)的正上方，其特征在于，还包括埋槽(3)，所述埋槽(3)设置于耦合区中的键合层(2)内，并位于直波导(4)的正下方，埋槽(3)的折射率小于衬底(1)的折射率。
2.如权利要求1所述的耦合区改进型的微环谐振器，其特征在于，所述埋槽(3)为折射率低于1.5的介质材料或者空腔。
3.如权利要求1所述的耦合区改进型的微环谐振器，其特征在于，所述埋槽(3)设置于整条直波导(4)下方，或直波导(4)和跑道型波导(7)的环形部分下方。
4.如权利要求1所述的耦合区改进型的微环谐振器，其特征在于，所述埋槽(3)的宽度不小于光泄漏模场的宽度，所述埋槽(3)的深度不小于光泄漏模场的深度。
5.如权利要求2所述的耦合区改进型的微环谐振器，其特征在于，所述埋槽(3)为空腔且宽度大于直波导(4)宽度时，在埋槽(3)上方制作一层支撑层结构以避免波导芯层出现塌陷，所述支撑层结构材料为SiO2或Si3N4，支撑层厚度不超过1μm。
6.如权利要求1所述的耦合区改进型的微环谐振器，其特征在于，所述直波导(4)在耦合区的断面收窄形成收窄形状，收窄形状与直波导(4)等高，所述收窄形状为梯形(5)或哑铃形。
7.如权利要求1所述的耦合区改进型的微环谐振器，其特征在于，所述介质层(6)上方设置有包层(8)，所述跑道型波导(7)设置于包层(8)内。
8.一种微环调制器，其特征在于，在权利要求1所述耦合区改进型的微环谐振器的直波导(4)上下和跑道型波导(7)的上下都沉积一层金属层来制作电极，通过施加电场改变波导材料折射率以实现微环调制器的功能。
9.一种如权利要求7所述的耦合区改进型微环谐振器的制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.对波导层薄膜材料进行离子注入，使其表面形成离子注入层；
步骤2.采用牺牲层工艺制备埋槽图形，具体做法为：采用光刻胶为掩模，在作为波导的薄膜材料含有离子注入层的一侧采用化学气相沉积法，在对应埋槽(3)位置上沉积一层牺牲层(9)，然后清洗掉光刻胶露出牺牲层(9)；
步骤3.在牺牲层(9)上通过旋涂或者等离子体增强化学气相沉积制作键合层(2)；
步骤4.将衬底材料和步骤3制备完成的键合层(2)键合到一起，退火，然后进行离子注入剥离得到第一波导层薄膜；
步骤5.以光刻胶或金属作为掩膜，对第一波导层薄膜通过刻蚀得到直波导(4)；
步骤6.在直波导(4)上方，通过旋涂或者等离子体增强化学的气相沉积制作得到介质层(6)；
步骤7.将经离子注入处理后的波导层材料和步骤6制备完成的介质层(6)键合到一起，退火，然后进行离子注入剥离得到第二波导层薄膜；
步骤8.以光刻胶或金属作为掩膜，对第二波导层薄膜通过刻蚀得到跑道型波导(7)；
步骤9.在跑道型波导(7)上方，通过旋涂或者等离子体增强化学的气相沉积制作得到包层(8)；
步骤10.从器件顶层打孔至牺牲层(9)，通过腐蚀液腐蚀牺牲层(9)，得到空腔。
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