專利名稱：消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器及制作方法。
背景技術(shù)：
微腔濾波器是一種利用微腔的選頻作用實現(xiàn)信道內(nèi)信號選擇性下載的器件。由于微腔體積小，信道線寬窄，自由譜域大，以及利用級聯(lián)腔結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)多樣濾波特性等特點，是波分復用(WDM)系統(tǒng)中非常有應(yīng)用前景的分波器件(C.Manolatou，etc，Coupling of modes analysis of resonantchannel add-drop filters，IEEE J.Quantum Electron.35，p.1322(1999))。
基于分布反饋的濾波器由于單個腔僅支持駐波模式，因此需要至少兩個諧振腔才能實現(xiàn)完全的信號下載。環(huán)形微腔波導濾波器由于具有高品質(zhì)因子的行波模特點，可以在小尺寸腔結(jié)構(gòu)下獲得窄線寬、大自由譜寬的濾波特性，而且級聯(lián)的多個環(huán)形微腔波導可以有更大的設(shè)計自由度，得到改善特性的高階濾波性能。(B.E.Little，etc，Microring resonator channeldropping filters，J.Lightwave Technol.15，p.998(1997))。在普通的圓環(huán)形微腔波導濾波器中，由于圓環(huán)和輸入輸出直波導部分的耦合長度很短，耦合效率非常低。為了解決這個問題，又提出了環(huán)形微腔波導濾波器(R.Grover，etc，Laterally coupled InP Based single modemicroracetrack notch filter，IEEE Photon.Technol.Lett.15，p.1082(2003))。同時這種微腔和波導耦合結(jié)構(gòu)在波導耦合激光器(S.J.Choi，etc，Eight-channelmicrodisk CW laser arrays vertically coupled to commonoutput bus waveguides，IEEE Photon.Technol.Lett.16，p.356(2004))，調(diào)制器(Q.Xu，etc，Micrometre-scale silicon electro-optic modulator，Nature 435，p.325(2005))，延遲器(J.K.S.Poon，etc，Transmission and group delay of microringcoupled-resonator optical waveguides，Opt.Lett.31，p.456(2006))和邏輯門(T.A.Ibrahim，etc，Alloptical and/nand logic gates using semiconductormicroresonators，IEEE Photon.Technol.Lett.15，p.1422(2003))等應(yīng)用中得到廣泛關(guān)注。在所有這些應(yīng)用中，波導和微腔的耦合是基礎(chǔ)。在濾波器中，它直接決定了濾波效率、消光比和開關(guān)比等性能參數(shù)。耦合色散又是在設(shè)計濾波器工作波長范圍的重要參數(shù)，尤其在強耦合情況下，嚴重的耦合色散使得濾波器非諧振波長處的能量也大幅下載(R.Grover，etc，Laterally coupled InP Based single modemicroracetrack notch filter，IEEE Photon.Technol.Lett.15，p.1082(2003)；P.Dumon，etc，Low loss SOIphotonic wires and ring resonators fabricated with deepUV lithography，IEEE Photon.Technol.Lett.16，p.1328(2004))。本發(fā)明針對環(huán)形微腔波導濾波器中的耦合色散問題，通過分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下濾波特性的變化，優(yōu)化濾波器結(jié)構(gòu)來減弱分布模式耦合現(xiàn)象，提高濾波器的消光比和精細度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器及制作方法，通過考察輸入波導及輸出波導和環(huán)形微腔波導寬度間的差異對環(huán)形微腔波導濾波器消光比和精細度的影響，實現(xiàn)對器件波導結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減弱甚至消除分布模式耦合現(xiàn)象，得到高消光比和高精細度的環(huán)形微腔波導濾波器。
本發(fā)明的目的是通過以下方案實現(xiàn)的
本發(fā)明一種消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在襯底上依次生長下波導包層、波導層和上波導包層；(2)在清洗干凈的上波導包層表面涂上光刻膠；(3)通過普通光刻或電子束曝光和顯影技術(shù)將所需的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；(4)通過化學腐蝕或干法刻蝕，得到整個器件結(jié)構(gòu)。
其中通過化學腐蝕或干法刻蝕，刻蝕深度停止在波導層或下波導包層的中間。
其中所需的圖形為環(huán)形微腔波導，在環(huán)形微腔波導的兩側(cè)有兩條直線形狀的輸入波導和輸出波導。
其中該輸入波導和輸出波導的寬度大于或小于環(huán)形微腔波導的寬度。
其中波導層的折射率高于上波導包層和下波導包層的折射率。
其中波導層的材料為III-V族材料或Si基材料。
其中輸入波導的一端為輸入端，另一端為透射端，輸出波導為下載端。
本發(fā)明一種消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器，其特征在于，包括
一襯底；一下波導包層，該下波導包層生長在襯底上，該下波導包層的表面經(jīng)刻蝕形成有環(huán)形微腔波導，在環(huán)形微腔波導的兩側(cè)形成有一直線狀的輸入波導和一輸出波導；一波導層，該波導層生長在下波導包層上形成的環(huán)形微腔波導和輸入波導及輸出波導上；一上波導包層，該上波導包層生長在波導層上。
其中該輸入波導和輸出波導的寬度大于或小于環(huán)形微腔波導的寬度。
其中波導層的折射率高于上波導包層和下波導包層的折射率。
其中波導層的材料為III-V族材料或Si基材料。
其中輸入波導的一端為輸入端，另一端為透射端，輸出波導為下載端。


為了更好的說明本發(fā)明的目的，以下結(jié)合附圖及實施例詳細說明如后，其中圖1為本發(fā)明環(huán)形微腔波導濾波器的縱向剖面圖；圖2為圖1的俯視圖；圖3為對稱光波導結(jié)構(gòu)的環(huán)形微腔波導濾波器中輸入波導222的透射端的歸一化傳輸譜；圖4為非對稱光波導結(jié)構(gòu)的環(huán)形微腔波導濾波器中輸入波導222的透射端的歸一化傳輸譜；圖5為環(huán)形微腔波導濾波器中在輸入波導222寬度不同時輸入波導222的透射端的單程歸一化傳輸譜；圖6為環(huán)形微腔波導濾波器中在輸入波導222寬度不同時輸入波導222的透射端的單程歸一化傳輸譜。
具體實施例方式
請參閱圖1及圖2，本發(fā)明一種消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，包括如下步驟(1)在襯底11上依次生長下波導包層22、波導層33和上波導包層44；其中波導層33的折射率高于上波導包層44和下波導包層22的折射率；其中波導層33的材料為III-V族材料或Si基材料；(2)在清洗干凈的上波導包層44表面涂上光刻膠55；(3)通過普通光刻或電子束曝光和顯影技術(shù)將所需的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠55上，其中所需的圖形為環(huán)形微腔波導333，在環(huán)形微腔波導333的兩側(cè)有兩條直線形狀的輸入波導222和輸出波導444；其中該輸入波導222和輸出波導444的寬度大于或小于環(huán)形微腔波導33的寬度；其中輸入波導222的一端為輸入端，另一端為透射端，輸出波導444為下載端；(4)通過化學腐蝕或干法刻蝕，得到整個器件結(jié)構(gòu)；所述通過化學腐蝕或干法刻蝕，刻蝕深度停止在波導層33或下波導包層22的中間。
結(jié)合參閱圖1及圖2，本發(fā)明一種消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器，包括一襯底11；一下波導包層22，該下波導包層22生長在襯底11上，該下波導包層22的表面經(jīng)刻蝕形成有環(huán)形微腔波導333，在環(huán)形微腔波導333的兩側(cè)形成有一直線狀的輸入波導222和一輸出波導444；一波導層33，該波導層33生長在下波導包層22上形成的環(huán)形微腔波導333和輸入波導222及輸出波導444上；其中該輸入波導222和輸出波導444的寬度大于或小于環(huán)形微腔波導333的寬度；其中輸入波導222的一端為輸入端，另一端為透射端，輸出波導444為下載端；其中波導層33的折射率高于上波導包層44和下波導包層22的折射率；其中波導層33的材料為III-V族材料或Si基材料；一上波導包層44，該上波導包層44生長在波導層33上。
請再參閱圖1和圖2，本發(fā)明一種消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，包括如下步驟(1)在清洗干凈的襯底11上依次生長下波導包層22、波導包層33和上波導包層44；(2)在第(1)步外延生長好的結(jié)構(gòu)片上涂光刻膠55，通過普通光刻或者電子束曝光及顯影技術(shù)將所需平面圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠55上，平面圖形定義見圖2，圖中顯示的是環(huán)形微腔波導333，但不限于環(huán)形微腔波導333，任何環(huán)形微腔波導都適合。輸入波導222和輸出波導444波導寬度相等，且不等于環(huán)形微腔波導333的波導寬度。輸入波導222離開環(huán)形微腔波導333的距離可以和輸出波導444離開環(huán)形微腔波導333的距離相等，也可以不等。
(3)通過化學腐蝕或者干法刻蝕方法將光刻膠55上的圖形轉(zhuǎn)移到上波導包層44、波導層33和下波導包層22。其中刻蝕可以停止在波導層33或者下波導包層22的中間，重點保證上波導包層44被刻蝕透過。
請再結(jié)合參閱圖1所示，波導層33是高折射率材料的波導層33，可以是Si基中的SiN，也可以是III-V族材料中的GaAs和InGaAsP。波導層33上下分別由上波導包層44和下波導包層22覆蓋，上波導包層44和下波導包層22可以是同種材料也可以是不同材料，主要保證其折射率低于波導層33。上波導包層44還可以是空氣層，即波導層33直接和空氣接觸。襯底11是器件襯底，襯底11應(yīng)該和下波導包層44晶格匹配，也可以和下波導包層44采用相同的材料。再結(jié)合圖2所示，輸入波導222和輸出波導444是濾波器結(jié)構(gòu)中的輸入波導222和輸出波導444，其中輸入波導222兩端分別定義為濾波器的輸入端和透射端，輸出波導444中和輸入波導222中輸入端同側(cè)的端口定義為下載端。圖2中除去環(huán)形微腔波導333，輸入波導222，輸出波導444的陰影區(qū)域，其他部分都代表空氣。
請參閱圖2所示，入射信號由輸入波導222的輸入端進入，與環(huán)形微腔波導333發(fā)生耦合后部分留在輸入波導222中由透射端輸出，部分進入輸出波導444由下載端輸出。
圖3為對稱光波導結(jié)構(gòu)(輸入波導222及輸出波導444的波導寬度等同于環(huán)形微腔波導333的波導寬度)環(huán)形微腔波導濾波器中輸入波導222的透射端的歸一化傳輸譜。此圖是對圖1和圖2所示器件的數(shù)值模擬結(jié)果，只是此時采用了對稱光波導結(jié)構(gòu)。計算中選用的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下環(huán)形微腔波導333的直波導部分長3.5微米，圓環(huán)部分外徑2微米，這兩個參數(shù)選擇對應(yīng)信道間隔5THz。環(huán)形微腔波導333的波導寬，輸入波導222和輸出波導444波導寬同為0.2微米，這樣的波導寬度保證在考慮波長范圍內(nèi)是單模波導。輸入波導222和輸出波導444和環(huán)形微腔波導333間距同為0.2微米。環(huán)形微腔波導333的波導寬，輸入波導222和輸出波導444在二維模形下的等效折射率同為3.2，這對應(yīng)InGaAsP材料縱向多層結(jié)構(gòu)的等效折射率。圖3中實線分別是輸入波導222透射端信號功率流相對入射波的歸一化傳輸譜，虛線是單程歸一化傳輸譜，即對應(yīng)光信號沿環(huán)形微腔波導333中傳播一周前的傳輸譜。虛線值越大對應(yīng)環(huán)形微腔波導333和輸入波導222的耦合越弱。由圖3可以看到明顯的分布模式耦合現(xiàn)象，輸入波導222透射端傳輸譜的包絡(luò)在波長1.55微米附近出現(xiàn)了一個深坑，近80納米的范圍內(nèi)無論是否諧振波長處的輸入波導222透射端的傳輸率都低于10％。例如相鄰兩個諧振模中間的非諧振波長1.5528微米處的傳輸率僅9.3％，也就是近90％的功率流從輸出波導444的下載端輸出，此時消光比(諧振波長處傳輸能流和非諧振波長處傳輸能流之比)只有0.4dB，精細度(自由譜域和諧振波長處的諧振模式線寬的比)僅為1。同時發(fā)現(xiàn)在2.0707微米處的一個諧振波長處信號在輸入波導222透射端傳輸率接近1，也就是信號幾乎零下載。
圖4為非對稱光波導結(jié)構(gòu)(輸入波導222及輸出波導444的波導寬度不等于環(huán)形微腔波導333的波導寬度)環(huán)形微腔波導濾波器中輸入波導222的透射端的歸一化傳輸譜。這里輸入波導222和輸出波導444的波導寬0.24微米，其他參數(shù)和圖3相同?？梢钥吹捷斎氩▽?22透射端的傳輸譜中的坑幾乎消失。比較整個波長范圍內(nèi)相鄰兩個諧振模中間的非諧振波長處輸入波導222透射端的傳輸率，在1.6025微米處最小但仍大于96％，此時消光比達到14.7dB，比對稱光波導結(jié)構(gòu)提高了36倍。而且傳輸譜谷底的諧振峰展寬也被抑制，與圖3的結(jié)果比較精細度提高了8倍，因此我們可以采用這種非對稱光波導結(jié)構(gòu)來抑制甚至消除這種分布耦合現(xiàn)象，提高器件消光比和精細度。
圖5為環(huán)形微腔波導濾波器中在不同輸入波導222的波導寬度時輸入波導222透射端的單程歸一化傳輸譜，其中其他參數(shù)和圖3相同?？梢钥吹捷斎氩▽?22的波導寬度與環(huán)形微腔波導333的波導寬度差別越大，單程歸一化傳輸譜最小值越大，也就是耦合越弱，分布模式耦合現(xiàn)象越不明顯。根據(jù)這個變化趨勢，可以根據(jù)實際應(yīng)用的需要優(yōu)化波導寬度，最大限度消除分布模式耦合現(xiàn)象，提高消光比和精細度。一般在環(huán)形微腔波導333的波導寬度取為0.2微米時，輸入波導222的波導寬度取為0.24微米較好。
圖6為圓環(huán)形微腔波導濾波器中在不同輸入波導222的波導寬度時輸入波導222的透射端的單程歸一化傳輸譜。圓環(huán)外半徑分別為4，6，10微米，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)同圖3。在輸入波導222的波導寬度為0.2微米的對稱波導結(jié)構(gòu)中，同樣存在明顯的分布模式耦合現(xiàn)象，這是一種環(huán)形微腔波導濾波器中的普遍現(xiàn)象。在輸入波導222的波導寬度為0.26微米的非對稱波導結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)分布模式耦合同樣受到很大的抑制。
最后去掉最上層的光刻膠55。
前面以InGaAsP材料系為例對本發(fā)明進行了說明，但不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
本發(fā)明所揭示的，乃較佳實施例的一種，凡是局部的變更或修飾而源于本實用新形的技術(shù)思想而為熟習該項技術(shù)的人所易于推知的，俱不脫離本發(fā)明的專利權(quán)范圍。
權(quán)利要求
1.一種消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在襯底上依次生長下波導包層、波導層和上波導包層；(2)在清洗干凈的上波導包層表面涂上光刻膠；(3)通過普通光刻或電子束曝光和顯影技術(shù)將所需的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；(4)通過化學腐蝕或干法刻蝕，得到整個器件結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，其特征在于，其中通過化學腐蝕或干法刻蝕，刻蝕深度停止在波導層或下波導包層的中間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，其特征在于，其中所需的圖形為環(huán)形微腔波導，在環(huán)形微腔波導的兩側(cè)有兩條直線形狀的輸入波導和輸出波導。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，其特征在于，其中該輸入波導和輸出波導的寬度大于或小于環(huán)形微腔波導的寬度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，其特征在于，其中波導層的折射率高于上波導包層和下波導包層的折射率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或5所述的消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，其特征在于，其中波導層的材料為III-V族材料或Si基材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，其特征在于，其中輸入波導的一端為輸入端，另一端為透射端，輸出波導為下載端。
8.一種消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器，其特征在于，包括一襯底；一下波導包層，該下波導包層生長在襯底上，該下波導包層的表面經(jīng)刻蝕形成有環(huán)形微腔波導，在環(huán)形微腔波導的兩側(cè)形成有一直線狀的輸入波導和一輸出波導；一波導層，該波導層生長在下波導包層上形成的環(huán)形微腔波導和輸入波導及輸出波導上；一上波導包層，該上波導包層生長在波導層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器，其特征在于，其中該輸入波導和輸出波導的寬度大于或小于環(huán)形微腔波導的寬度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器，其特征在于，其中波導層的折射率高于上波導包層和下波導包層的折射率。
11.根據(jù)權(quán)利要求8或10所述的消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器，其特征在于，其中波導層的材料為III-V族材料或Si基材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器，其特征在于，其中輸入波導的一端為輸入端，另一端為透射端，輸出波導為下載端。
全文摘要
本發(fā)明一種消除分布模式耦合的環(huán)形微腔波導濾波器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟(1)在襯底上依次生長下波導包層、波導層和上波導包層；(2)在清洗干凈的上波導包層表面涂上光刻膠；(3)通過普通光刻或電子束曝光和顯影技術(shù)將所需的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上；(4)通過化學腐蝕或干法刻蝕，得到整個器件結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01P1/20GK101079512SQ20061001198
公開日2007年11月28日 申請日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者陳沁 , 楊躍德, 黃永箴 申請人:中國科學院半導體研究所