本發(fā)明屬于光電子集成芯片領(lǐng)域，具體涉及一種基于光子芯片上微環(huán)腔可實現(xiàn)多種共振線型的緊湊光子結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

微環(huán)腔是一種典型的光學(xué)諧振腔。具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸、較高的品質(zhì)因子和消光比，是構(gòu)成光電子集成芯片的重要光子器件之一。通過與其它主動或被動器件的集成，微環(huán)腔已被廣泛應(yīng)用于片上光互連、光傳感芯片等領(lǐng)域。

在光子芯片上，微環(huán)腔的功能實現(xiàn)一般需與一根通道波導(dǎo)側(cè)耦合，即構(gòu)成波導(dǎo)-微環(huán)腔耦合結(jié)構(gòu)，以使微環(huán)腔中共振光場信號可測量。光在耦合進(jìn)入直波導(dǎo)后，在波導(dǎo)與微環(huán)腔靠近的部位通過空氣間隙直接耦合進(jìn)入微環(huán)腔，在波導(dǎo)-微環(huán)腔耦合結(jié)構(gòu)的傳輸譜線上，表現(xiàn)出在共振波長處的凹陷線型。在數(shù)學(xué)上可以用洛倫茲線型來描述這段凹陷。對于波導(dǎo)-微環(huán)腔耦合結(jié)構(gòu)來說，通過探測凹陷中心位置的移動或是由于中心位置移動引起的功率變化，就可以實現(xiàn)諸如傳感、濾波、調(diào)制以及開關(guān)等功能。因此，這些功能的實現(xiàn)很大程度上取決于這些凹陷的線寬以及陡峭程度。提高微環(huán)腔的品質(zhì)因子，可以減小這些凹陷的線寬，從而實現(xiàn)諸如提高傳感靈敏度的作用。但品質(zhì)因子的提高總是有限的。另一種提高微環(huán)腔功能的手段是改變傳輸譜的凹陷線型，例如：采用具有非對稱的法諾型凹陷線型。相對對稱的洛倫茲線型而言，非對稱的法諾線型可以實現(xiàn)更小的線寬以及更高的陡峭度。因此，改變波導(dǎo)-微環(huán)腔的傳輸譜線型對于提高微環(huán)腔功能尤為重要。

目前，已報道的，基于微環(huán)腔的傳輸譜線具有法諾線型的光子結(jié)構(gòu)包括：馬赫-曾德干涉型結(jié)構(gòu)以及布拉格光柵反射型結(jié)構(gòu)等。馬赫-曾德干涉型結(jié)構(gòu)是在波導(dǎo)-微環(huán)腔耦合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又增加了一根直波導(dǎo)，且和原波導(dǎo)之間需要保持一定距離，因此不夠緊湊。布拉格光柵反射型結(jié)構(gòu)是在直波導(dǎo)或微環(huán)腔上刻制光柵結(jié)構(gòu)，雖然滿足了緊湊性要求，但對加工工藝有著較高的要求，而且僅針對單一波長。

此外，通過對多個微環(huán)腔進(jìn)行級聯(lián)，能夠在波導(dǎo)-微環(huán)腔耦合結(jié)構(gòu)的傳輸譜上產(chǎn)生類似電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的透明窗口，即傳輸譜表現(xiàn)出在共振波長處為尖峰而不是凹陷，可以用于光學(xué)延遲線等方面的特殊用途，但同樣存在不夠緊湊的問題，且對多個微環(huán)腔同時實現(xiàn)共振波長的準(zhǔn)確控制存在巨大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出了一種基于微環(huán)腔實現(xiàn)多種共振線型的緊湊光子結(jié)構(gòu)。其采用非常緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅可以在波導(dǎo)-微環(huán)腔耦合結(jié)構(gòu)的傳輸譜特定共振波長處實現(xiàn)多種共振線型，而且在較寬波段范圍內(nèi)的多個共振波長處也能夠具備這一特征，可滿足利用單個微環(huán)腔實現(xiàn)多種應(yīng)用的需求。

技術(shù)方案

一種基于微環(huán)腔實現(xiàn)多種共振線型的緊湊光子結(jié)構(gòu)，其特征在于包括直波導(dǎo)1、微環(huán)腔2和襯底4；直波導(dǎo)1和微環(huán)腔2位于襯底4之上，且兩者之間設(shè)有間隙3；所述直波導(dǎo)1上設(shè)有兩個空氣孔；所述直波導(dǎo)1和微環(huán)腔2的厚度d相等，且寬度w相等，相互采用側(cè)向耦合。

所述微環(huán)腔2的形狀為圓環(huán)或橢圓環(huán)。

所述直波導(dǎo)1和微環(huán)腔2采用相對其襯底和包層具有高折射率的材料。

所述高折射率的材料為iv族材料的硅或硅的化合物。

所述硅的化合物為氮化硅或氮氧化硅。

所述高折射率的材料為iii-v族半導(dǎo)體材料。

所述iii-v族半導(dǎo)體材料為磷化鎵等或鈮酸鋰。

所述高折射率的材料為聚甲基丙烯酸甲脂。

有益效果

本發(fā)明提出了一種基于微環(huán)腔實現(xiàn)多種共振線型的緊湊光子結(jié)構(gòu)，僅在傳統(tǒng)的微環(huán)腔側(cè)耦合直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上額外設(shè)計兩個空氣孔，空氣孔位于與微環(huán)腔側(cè)耦合的直波導(dǎo)上。通過調(diào)節(jié)空氣孔的間距及與微環(huán)腔的相對位置，就能夠在微環(huán)腔的基礎(chǔ)上實現(xiàn)多種共振線型。

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、通過在原微環(huán)腔側(cè)耦合直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上額外設(shè)計兩個空氣孔，實現(xiàn)了更為緊湊的光子結(jié)構(gòu)。引入的空氣孔為圓形，對于器件加工工藝要求低，引入的加工誤差較小。

2、通過微調(diào)空氣孔的位置以及間距等參數(shù)，該結(jié)構(gòu)支持在微環(huán)腔傳輸譜的特定共振波長處產(chǎn)生洛倫茲線型、法諾線型以及類電磁誘導(dǎo)透明三種線型。

3、通過微調(diào)空氣孔的位置以及間距等參數(shù)，該結(jié)構(gòu)還支持在較寬的波段范圍內(nèi)實現(xiàn)所有微環(huán)腔共振波長處上述三種線型的周期性變化。

4、本發(fā)明提供的這種結(jié)構(gòu)，在選用材料、制備工藝方面均與現(xiàn)有制備光子器件的材料和工藝相兼容。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)三維立體示意圖；

圖2：(a)圖和(b)圖分別為空氣孔相對微環(huán)腔處于不同位置的二維截面圖。

圖3為改變空氣孔間距情況下某固定波長處傳輸譜線出現(xiàn)三種線型變化的數(shù)值模擬結(jié)果。

圖4為較寬波段范圍內(nèi)各共振波長處三種線型的數(shù)值模擬傳輸譜。

圖中：1.直波導(dǎo)；2.微環(huán)腔；3.直波導(dǎo)與微環(huán)腔之間的間隙g；4.襯底；5.空氣孔；6.空氣孔；a:空氣孔間距，r:空氣孔半徑，r:微環(huán)腔內(nèi)徑，d:平板厚度。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

本發(fā)明實施例提出一種基于微環(huán)腔實現(xiàn)多種共振線型的緊湊光子結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)微環(huán)腔側(cè)耦合直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在直波導(dǎo)上挖出兩個空氣孔。兩個空氣孔可以關(guān)于微環(huán)腔對稱分布圖2(a)，也可以偏離中心位置圖2(b)。

所述直波導(dǎo)1、微環(huán)腔2所用的材料一般為高折射率或相對其襯底和包層具有高折射率，有iv族材料如硅、硅的化合物氮化硅、氮氧化硅等、iii-v族半導(dǎo)體材料如磷化鎵等、鈮酸鋰以及某些聚合物如聚甲基丙烯酸甲脂等。

所述直波導(dǎo)1和微環(huán)腔2厚度為d，寬度為w，間隙3大小為g，采用側(cè)向耦合。

所述微環(huán)腔2的形狀，可選擇為圓環(huán)、橢圓環(huán)，若為圓環(huán)，內(nèi)徑為r。

所述直波導(dǎo)1上的空氣孔5和空氣孔6具有半徑為r，且間距為a。

本發(fā)明實施例包括直波導(dǎo)1、微環(huán)腔2、兩者間的間隙3、襯底4、空氣孔5和空氣孔6。直波導(dǎo)和微環(huán)腔采用硅材料，襯底為二氧化硅。波導(dǎo)寬度w＝500nm，厚度為d＝220nm，波導(dǎo)與微環(huán)腔耦合間隙為100nm。微環(huán)腔內(nèi)徑為r，空氣孔半徑150nm，間距為a。

圖3為本發(fā)明提出的基于微環(huán)腔實現(xiàn)多種共振線型的緊湊光子結(jié)構(gòu)在改變兩空氣孔間距情況下，某固定波長1589nm處傳輸譜線出現(xiàn)三種線型變化的數(shù)值模擬結(jié)果。微環(huán)腔內(nèi)徑r為15μm。從圖中可以看出，隨著兩個空氣孔間距的逐漸增大從8.92μm增大至9.35μm，波長1589nm處的共振線型在洛倫茲線型向下的凹陷，如圖3(b)、圖3(f)所示、法諾線型不對稱線型，如圖3(a)、圖3(c)、圖3(e)所示、類電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象向上的尖峰，如圖3(d)所示三種線型之間周期性地變化。

圖4為本發(fā)明提出的基于微環(huán)腔實現(xiàn)多種共振線型的緊湊光子結(jié)構(gòu)在較寬波段范圍1480nm-1620nm內(nèi)傳輸譜線的數(shù)值模擬結(jié)果。圖4(b)、圖4(c)分別為波長1545nm以及波長1575nm附近的傳輸譜線放大圖。此時兩個空氣孔相距5μm，微環(huán)腔半徑r為15μm。從圖4(a)中可以看出，在不同的共振波長處，該光子結(jié)構(gòu)的傳輸譜線呈現(xiàn)出三種線型的周期性改變。在傳輸譜的最大值處，如波長1545nm圖4(b)處，線型表現(xiàn)為向下的洛倫茲線型；在傳輸譜的最小值處，如波長1575nm圖4(c)處，線型表現(xiàn)為向上的尖峰，即類電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象；在傳輸譜的上坡或下坡處，線型表現(xiàn)為非對稱的法諾線型。