一種新型環(huán)形諧振腔及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種環(huán)形諧振腔及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，光波導(dǎo)器件的微型化、集成化和規(guī)?；蔀橹萍s信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。而硫系基質(zhì)環(huán)形諧振腔由于其強(qiáng)大的光學(xué)限制和長腔光子壽命成為集成光學(xué)的研宄熱點(diǎn)之一。硫系基質(zhì)環(huán)形諧振腔與傳統(tǒng)的環(huán)形諧振腔相比，有很多優(yōu)點(diǎn)，其中較顯著的優(yōu)點(diǎn)是此種結(jié)構(gòu)的環(huán)形諧振腔增加了耦合距離，大大提高了外層波導(dǎo)與環(huán)腔之間的耦合效率，而且還能進(jìn)行直線傳輸和彎曲傳輸，節(jié)省了空間，制作簡單。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高Q值、高耦合效率、節(jié)省傳輸空間并制備簡單的新型環(huán)形諧振腔的結(jié)構(gòu)，以及該環(huán)形諧振腔的制備方法。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:一種新型環(huán)形諧振腔，包括襯底材料層和位于襯底材料層上的薄膜層，該薄膜層包括多條波導(dǎo)，其特征在于:所述薄膜層為硫系玻璃材料，所述薄膜層的波導(dǎo)包括一環(huán)形的跑道型波導(dǎo)和位于跑道型波導(dǎo)的兩端外側(cè)的兩條外側(cè)波導(dǎo)，所述跑道型波導(dǎo)包括位于兩端的兩條相對(duì)設(shè)置的弧形波導(dǎo)和位于兩條弧形波導(dǎo)之間的直線波導(dǎo)，所述外側(cè)波導(dǎo)包括位于跑道型波導(dǎo)的兩端的弧形波導(dǎo)外側(cè)與弧形波導(dǎo)同軸并且保持等間隔延伸的彎曲波導(dǎo)，和位于彎曲波導(dǎo)的兩端與彎曲波導(dǎo)同向延伸并且與直線波導(dǎo)相垂直的外側(cè)直線波導(dǎo)。
[0005]優(yōu)選地，所述跑道型波導(dǎo)的寬度為0.9um-l.1um,所述外側(cè)波導(dǎo)的寬度為0.9um_L 2um0
[0006]優(yōu)選地，所述跑道型波導(dǎo)的兩端的弧形波導(dǎo)與外側(cè)的彎曲波導(dǎo)之間的間隔的距離為 0.6um ?Ium0
[0007]優(yōu)選地，所述弧形波導(dǎo)的內(nèi)側(cè)半徑為2.lum-2.3um，外側(cè)半徑為3um_3.4um。
[0008]優(yōu)選地，所述直線波導(dǎo)的長度為3um-5um。
[0009]優(yōu)選地，所述外側(cè)直線波導(dǎo)的長度為13um-15um。
[0010]優(yōu)選地，所述彎曲波導(dǎo)的圓心角為30° -150°。
[0011]上述的新型環(huán)形諧振腔的制備方法，其特征在于:包括在基片上設(shè)置襯底材料層，在襯底材料層上涂覆光刻膠，然后經(jīng)過曝光、空曝、顯影，所述襯底材料層上沒有光刻膠的位置即為上述環(huán)形諧振腔的形貌，再利用磁控濺射涂覆薄膜層，清洗光刻膠以及光刻膠上的薄膜層留下直接位于沉底材料上的薄膜層，即可完成環(huán)形諧振腔的制備。
[0012]優(yōu)選地，所述磁控濺射涂覆薄膜層在充滿氬氣的濺射環(huán)境下進(jìn)行，氬氣流量為45sccm-50sccm,選擇腔內(nèi)壓強(qiáng)在1.8 X lCT4pa_2.2 X lCT4pa，起輝氣壓為3pa，派射氣壓為
0.3pa，濺射功率為20w-30w，濺射時(shí)間為2h_2.5h，薄膜層厚度在1200nm-1500nm之間。
[0013]優(yōu)選地，清洗光刻膠時(shí)將基片浸泡在丙酮溶液中，靜置20min-30min，然后在異丙醇溶液中低功率超聲清洗lmin，超聲功率為40w-60w。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于該新型環(huán)形諧振腔，不但結(jié)構(gòu)簡單，便于制備，而且能夠提高耦合效率，節(jié)省傳輸空間，并且可以獲得較高的Q值。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的新型環(huán)形諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的新型環(huán)形諧振腔的制備方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0018]光束在微納米量級(jí)波導(dǎo)內(nèi)以全反射形式傳輸時(shí)，波導(dǎo)表面會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的倏逝場。當(dāng)諧振腔靠近該波導(dǎo)并與之滿足模式匹配關(guān)系時(shí)，波導(dǎo)內(nèi)光場會(huì)以倏逝場形式耦合進(jìn)諧振腔；當(dāng)耦合光場在腔內(nèi)繞行一周滿足相移是2 π的整數(shù)倍時(shí)，該光場在腔內(nèi)發(fā)生諧振，此時(shí)光能被局限在諧振腔內(nèi)，波導(dǎo)輸出端探測光強(qiáng)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波谷。形成環(huán)形諧振腔必須滿足以下三個(gè)條件:1)倏逝場，波導(dǎo)尺寸越小，倏逝場越強(qiáng)，并且為了保證耦合進(jìn)腔內(nèi)的光只有一種模式，要求波導(dǎo)尺寸都在微米量級(jí)；2)耦合，耦合狀態(tài)的建立不僅要求腔處于波導(dǎo)倏逝場有效范圍內(nèi)，還要波導(dǎo)跟腔的有效折射率差不能太大，不然光只會(huì)從一邊透射進(jìn)另一邊而無法返回；3)諧振，諧振條件的建立需要耦合進(jìn)腔內(nèi)的光場在腔內(nèi)繞行一周能夠回到耦合波導(dǎo)處，若是諧振腔有缺陷或者傳輸損耗非常大，使得腔內(nèi)光場大量散射或損耗掉，會(huì)導(dǎo)致腔無法產(chǎn)生諧振。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例的新型環(huán)形諧振腔，如圖1所示，包括襯底材料層I和位于襯底材料層I上的薄膜層2，該薄膜層2包括多條波導(dǎo)，其中包括一環(huán)形的跑道型波導(dǎo)3和位于跑道型波導(dǎo)3的兩端外側(cè)的兩條外側(cè)波導(dǎo)4。
[0020]如圖1所示，該跑道型波導(dǎo)3包括兩條相對(duì)設(shè)置的弧形波導(dǎo)31，以及分別連接兩條弧形波導(dǎo)31的各一個(gè)端部，位于兩條弧形波導(dǎo)31之間的兩條直線波導(dǎo)32，該兩條直線波導(dǎo)32相互平行相對(duì)。該兩條弧形波導(dǎo)31和兩條直線波導(dǎo)32即構(gòu)成一跑道形狀，該跑道型波導(dǎo)3，即兩條弧形波導(dǎo)31和兩條直線波導(dǎo)32的寬度a為0.9um_l.lum。該兩條弧形波導(dǎo)31的內(nèi)側(cè)半徑Rin為2.lum-2.3um，外側(cè)半徑R out為3um_3.4um。兩條直線波導(dǎo)32的長度L為 3um-5um。
[0021]該外側(cè)波導(dǎo)4包括位于跑道型波導(dǎo)3的兩端的弧形波導(dǎo)31外側(cè)的彎曲波導(dǎo)41和位于彎曲波導(dǎo)41兩端與彎曲波導(dǎo)41的延伸方向同向向外延伸的外側(cè)直線波導(dǎo)42，該外側(cè)直線波導(dǎo)42與跑道型波導(dǎo)3的直線波導(dǎo)32垂直延伸。該彎曲波導(dǎo)41與跑道型波導(dǎo)3的弧形波導(dǎo)31同心，即兩者的圓心在兩條直線波導(dǎo)32之間的與兩條直線波導(dǎo)32平行的中心軸上，并且與弧形波導(dǎo)31之間的間隔的距離d為0.6um-lum,該彎曲波導(dǎo)41的寬度b為
0.9um-l.2um，該外側(cè)直線波導(dǎo)42的寬度b也同樣為0.9um_l.2um，外側(cè)直線波導(dǎo)42的長度M為13um-15um。該彎曲波導(dǎo)41的圓心角Θ為30。-150°。
[0022]因此，在跑道型波導(dǎo)3的兩端分別設(shè)有一彎曲波導(dǎo)41和兩條外側(cè)直線波導(dǎo)42，即一共有兩條彎曲波導(dǎo)41和四條外側(cè)直線波導(dǎo)42。該多條波導(dǎo)之中，位于跑道型波導(dǎo)3的一端側(cè)的一彎曲波導(dǎo)41兩端的兩條外側(cè)直線波導(dǎo)42的外側(cè)端部分別為輸入端和輸出端，位于跑道型波導(dǎo)3的另一端側(cè)的彎曲波導(dǎo)41兩端的兩條外側(cè)直線波導(dǎo)42的兩個(gè)外側(cè)端部分別為下載端。設(shè)計(jì)成跑道波導(dǎo)加彎曲波導(dǎo)是為了增加彎曲波導(dǎo)與跑道型波導(dǎo)之間的耦合長度，提高耦合效率。
[0023]該襯底材料層I為Si和S12或者S1 2，該薄膜層2為硫系玻璃材料，優(yōu)選為Ge2tlSb15Se65，并且通過磁控派射的方式設(shè)置于襯底材料層I上，厚度在1200um-1500um。
[0024]硫系玻璃是氧元素除外的第VI主族元素(S，Se，Te)同電負(fù)性較弱的As、Sb、Ge等形成的非晶化合物，例如As2S3、Ge-As-Se和Ge-Sb-Te等。硫系玻璃具有較寬的中紅外透過光譜(0.8um?20um)、較高的材料折射率、超高的非線性折射率和超快的非線性響應(yīng)時(shí)間。以硫系玻璃為基質(zhì)制備的波導(dǎo)器件已經(jīng)引起了國外許多著名光電子研宄機(jī)構(gòu)的極大的研宄興趣，而薄膜層2由662(^13153665玻璃制成，不僅具有l(wèi)um-16um的較寬的工作波長范圍，且透過率高，并具有無毒環(huán)保的特性。
[0025]本發(fā)明的環(huán)形諧振腔的具體制備方法，如圖2所示，包括以下步驟，在基片5上設(shè)置襯底材料層I，在襯底材料層I上涂覆光刻膠(負(fù)膠)，然后依次經(jīng)過曝光、空曝，顯影，得到所制備的環(huán)形諧振腔的形貌，此時(shí)襯底材料層上沒有光刻膠的位置即為所制備的環(huán)形諧振腔的形貌，然后再襯底材料層上利用磁控濺射涂覆薄膜層，薄膜層覆蓋所有襯底材料層，再利用強(qiáng)力去膠劑除去光刻膠以使得襯底材料層上留下的薄膜層即形成需要制備的環(huán)形諧振腔，完成環(huán)形諧振腔的制備。
[0026]上述步驟中，所述光刻膠涂覆過程中勻膠機(jī)的工作參數(shù)選擇為慢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1500Rpm-2000Rpm,慢轉(zhuǎn)時(shí)間為4s，快轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為5500Rpm-6000Rpm，快轉(zhuǎn)時(shí)間為30s。所述曝光為利用接觸式系統(tǒng)進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間為9s-lls，所述空曝為除去掩膜板后直接進(jìn)行紫外曝光119s_121s，所述顯影為在氫氧化鈉堿性顯影液中顯影，顯影時(shí)間約為60s_80s。
[0027]上述步驟中利用磁控濺射涂覆薄膜層，在充滿氬氣的濺射環(huán)境下進(jìn)行，氬氣流量為45SCCm-50SCCm，涂覆的薄膜層厚度受腔內(nèi)壓強(qiáng)、濺射功率、反射功率、濺射氣壓、濺射時(shí)間、氣體流量等因素的影響。一般的選擇腔內(nèi)壓強(qiáng)在1.8 X 10_4pa-2.2 X 10_4pa，起輝氣壓為3pa，濺射氣壓為0.3pa，濺射功率為20w-30w，濺射時(shí)間為2h_2.5h，薄膜層厚度在1200nm_1500nm 之間。
[0028]上述步驟中清洗光刻膠時(shí)，浸泡在丙酮溶液中，靜置20min-30min，然后在異丙醇溶液中低功率超聲清洗lmin，超聲功率一般選在40w-60w之間。以下為該新型環(huán)形諧振腔的制備方法的幾個(gè)實(shí)施例。
[0029]實(shí)施例一，如圖1所示，硫系薄膜制備的新型環(huán)形諧振腔，包括基片5以及位于基片5上的襯底材料層I和薄膜層2，基片5由Si制成，襯底材料層I由S12制成，薄膜層2由Ge2tlSb15Se6^璃材料制成，折射率η為2.6-2.8，環(huán)形諧振腔的形狀如上述所述，其中跑道型波導(dǎo)的寬度a為llOOnm，內(nèi)半徑為Rin= 2200nm，外半徑為R wt= R in+a，跑道型波導(dǎo)中的直線波導(dǎo)的長度為L = 4000nm ;兩端的弧形波導(dǎo)31的圓心角為120°，寬度為llOOnm，弧形波導(dǎo)31的外邊沿和彎曲波導(dǎo)41的內(nèi)邊沿之間的距離為d = 800nm，與兩個(gè)彎曲波導(dǎo)相連接的四條外側(cè)直線波導(dǎo)42的寬度為lOOOnm，長度為14000nm，當(dāng)選擇波長在1.5um_l.6um的激光進(jìn)行入射時(shí)，得到Q值在3000-6200之間；具體制備過程如圖2，先在襯底材料層上涂覆光刻膠(負(fù)膠)，優(yōu)先的選擇勻膠機(jī)的慢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1500Rpm-2000Rpm，慢轉(zhuǎn)時(shí)間為5s，快轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為6000Rpm，快轉(zhuǎn)時(shí)間為30s，襯底材料層I上的光刻膠厚度約為1.