具有有效折射率梯度的電磁波諧振器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明特別涉及一種電磁波諧振器(10)，包括主體(29)，其中，所述主體：具有實(shí)質(zhì)上在平面(r，θ)中延伸的結(jié)構(gòu)；包括位于極限半徑ri和ro之間的區(qū)域中的材料，其中0≤ri＜ro，并且ro對(duì)應(yīng)于所述結(jié)構(gòu)的凸殼(Co)的半徑；以及允許電磁波傳播，以及其中，如對(duì)材料在平面(r，θ)中的折射率角平均而獲得的有效折射率ne(r)在所述區(qū)域內(nèi)減小。
【專利說明】具有有效折射率梯度的電磁波諧振器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電磁波諧振器領(lǐng)域，特別涉及用于光通信的諧振器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]諧振器是許多現(xiàn)在和未來集成光子部件的基本構(gòu)件，集成光子部件例如是開關(guān)、激光器、濾波器和傳感器。例如，圖1示出通過在典型的現(xiàn)有技術(shù)環(huán)形諧振器中模擬波傳播而獲得的結(jié)果，其特征是內(nèi)(內(nèi)部)半徑A，夕卜(外部)半徑I.。和平均半徑
[0003]這種諧振器的首要問題來源于它們產(chǎn)生的小倏逝場(chǎng)(evanescent field),這使得不能滿意地電磁I禹合至周圍材料。用于環(huán)的高折射率材料對(duì)于急彎(tight bend)和由此的致密集成(dense integration)是必要的。然而，隨后，光被強(qiáng)有力地限制在環(huán)中。僅小部分光是倏逝的，并允許耦合至覆層/周圍中的材料(例如，電光聚合物、增益材料或傳感器應(yīng)用下的待檢測(cè)材料/顆粒)。此外，峰值強(qiáng)度局限于高折射率材料，并且不適用于耦合至周圍材料。這還使得光學(xué)俘獲納米顆粒、生物實(shí)體(例如，細(xì)胞)十分困難(高功率、低效率)。在圖1中，典型的平面電場(chǎng)|Exy|被疊加到環(huán)形諧振器結(jié)構(gòu)。使用的灰度級(jí)使得未清楚地呈現(xiàn)場(chǎng)的符號(hào)相反的值，這將在隨后進(jìn)一步討論。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)解決方案如下:
[0005]-對(duì)于具有非常高的品質(zhì)因子(Q-factor)(即，十分低的損耗)的環(huán)形諧振器，據(jù)本發(fā)明人所深知，沒有實(shí)際的解決方案是已知的；
[0006]-對(duì)于具有中等品質(zhì)因子(通常Q< 10000)的環(huán)形諧振器，可以使用開槽環(huán)(slotted ring)。然而，開槽環(huán)在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性(即，復(fù)雜和昂貴的制造)，并且不適于許多材料、它們的組合、納米顆粒或與微流體傳感器系統(tǒng)的組合(小于IOOnm的窄槽難以制造和填充)。圖2A-B示出開槽環(huán)形諧振器的示例(圖2A:具有垂直于結(jié)構(gòu)中間平面的豎直狹槽的諧振器，圖2B:具有水平狹槽的諧振器。在兩種情況下，活性材料位于環(huán)材料的中央)。
[0007]另一問題是耦合強(qiáng)度精密地取決于環(huán)和鄰近波導(dǎo)之間的距離(例如，納米級(jí))。也就是，由于加工誤差，即波導(dǎo)和/或間隙的寬度變化，難以可靠地獲得臨界耦合。
[0008]下列文獻(xiàn)提供關(guān)于本領(lǐng)域【背景技術(shù)】的詳細(xì)內(nèi)容:
[0009]-“Subwavelength grating periodic structures in silicon-on-1nsulator:anew type of microphotonic waveguide”，Bock et al.,Optics Expressl8，20251 (2010)；
[0010]-“Interface Device for Performing Mode Transformation in OpticalWaveguides”，Cheben et al.，US2008/0193079A1 ；
[0011]-“Subwavelength waveguide grating for mode conversion and lightcoupling in integrated Optics，，，Cheben et al.，Optics Expressl4，4695 (2006)；
[0012]- “Refractive index engineering with subwavelength gratings forefficient microphotonic couplers and planar waveguide multiplexers，，，Cheben etal.，Optics Letters35,2526(2010)；[0013]- “Gradient-1ndex antireflective subwavelength structures for planarwaveguide facets”，Schmid et al.，Optics Letters32,1794(2007);以及
[0014]-Z.Yu and S.Fan，“Complete optical isolation created by indirectinterband photonic transitions，，.Nature photonics3，91-94，(2009)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]在一方面，本發(fā)明體現(xiàn)為一種電磁波諧振器，包括主體，其中，所述主體:
[0016]-具有實(shí)質(zhì)上在一平面中延伸的結(jié)構(gòu)；
[0017]-包括位于極限半徑&和!. 。之間的區(qū)域中的材料，其中，O彡ri<r。，并且r。對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)凸殼(convex hull)的半徑；以及
[0018]-允許電磁波傳播，
[0019]并且其中，如對(duì)材料在平面中的折射率角平均而獲得的有效折射率\(1.)，在所述區(qū)域內(nèi)減小。
[0020]在實(shí)施例中，諧振器可包括下列特征中的一個(gè)或多個(gè):
[0021]-如對(duì)材料在平面中的密度角平均而獲得的材料的有效密度在所述區(qū)域中減?。?br> [0022]-如對(duì)材料在平面中的填充因子角平均而獲得的材料的有效填充因子在所述區(qū)域中減??；
[0023]-主體構(gòu)造有周界部件(peripheralfeature),配置該周界部件，以獲得所述減小的有效折射率ne(r)的；
[0024]-所述部件實(shí)質(zhì)上垂直于結(jié)構(gòu)的特征閉合曲線沿徑向向外延伸，其中，將所述部件優(yōu)選配置為齒狀物或楔形物；
[0025]-諧振器設(shè)計(jì)用于給定范圍的電磁波,優(yōu)選630nm至860nm或1300nm至1600nm的電磁波，所述部件之間的特征節(jié)距，優(yōu)選弦節(jié)距基本上小于所述給定范圍的典型波長(zhǎng)λπ，優(yōu)選小于λπ/2，以及更優(yōu)選小于λπ/4。
[0026]-所述特征節(jié)距介于30nm至500nm之間，優(yōu)選介于30nm至200nm之間；
[0027]-所述部件的特征深度小于10λ m ;
[0028]-凸殼的半徑r。基本上大于λπ，優(yōu)選大于3λπ/2，以及更優(yōu)選大于2λπ;
[0029]-主體具有優(yōu)選垂直于所述平面的狹槽；
[0030]-諧振器具有盤形或例如環(huán)形的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其中，優(yōu)選地，主體是一體的；
[0031]-主體包括具有比周圍介質(zhì)的折射率高的折射率的材料，其中，所述材料包括從以下選擇的單質(zhì)或化合物:半導(dǎo)體，例如S1、GaAs、GaN、InP或InGaN ;氧化物,例如Si02、Ti02、Ta2O5' Hf02、Al2O3 或 LiNbO3 ;或者氮化物，例如 Si3N4' SiON 或 TiON ；
[0032]-諧振器還包括附加材料，所述附加材料圍繞所述材料，這樣以形成所述周圍介質(zhì)，并優(yōu)選地包括從以下選擇的化合物:氧化物，例如Si02、TiO2, Ta2O5, HfO2, Al2O3或LiNbO3 ;氮化物，例如Si3N4' SiON或TiON ;聚合物；油；或者水；以及
[0033]-諧振器還包括附加材料，所述附加材料圍繞所述材料，這樣以形成所述周圍介質(zhì)，其中，所述附加材料的熱光系數(shù)和所述材料的熱光系數(shù)具有相反的符號(hào)。
[0034]在另一方面，本發(fā)明體現(xiàn)為包括一個(gè)或多個(gè)諧振器的集成光學(xué)裝置，每一個(gè)諧振器都如本發(fā)明所述。[0035]現(xiàn)在將參見附圖，并且以非限制性示例來描述體現(xiàn)本發(fā)明的諧振器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1示出通過在典型環(huán)形諧振器(現(xiàn)有技術(shù))中模擬波傳播而獲得的結(jié)果；
[0037]圖2A-B示出典型開槽環(huán)形諧振器(現(xiàn)有技術(shù))；
[0038]圖3-8D示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的諧振器；
[0039]圖9示出通過在根據(jù)實(shí)施例的裝置中模擬波傳播而獲得的一些結(jié)果；以及
[0040]圖10是示出位于如在實(shí)施例中獲得的諧振器的部分內(nèi)的有效折射率的典型分布的圖形。
【具體實(shí)施方式】
[0041]作為對(duì)下列說明的介紹，首先涉及本發(fā)明的總體方面，其反映在圖3-9的各個(gè)實(shí)施例中。在各情況下，都示出電磁波諧振器10，其均包括主體15，主體的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上在平面(x，y)中延伸，或者在極坐標(biāo)中等同地在(r，Θ)平面中延伸。主體通常為凸形，例如環(huán)形、橢圓形或盤形，并照常允許波傳播。通常，可認(rèn)為限定了波傳播的兩個(gè)相反方向Dp D2。技術(shù)上，如隨后參見圖3-9所述，主體填充由兩個(gè)極限半徑ri和r0限定的空間區(qū)域，其中，設(shè)置了一些材料(適于波傳播)。極限半徑A和r。遵守O < ri < r。。例如可如下選擇極限半徑^和r0:第一半徑ri是最大內(nèi)部半徑(如果結(jié)構(gòu)中心被填充，類似盤，則可能為零)。第二半徑r。對(duì)應(yīng)于最大外半徑,即，結(jié)構(gòu)凸殼(或外殼)‘_的最大半徑，也就是，在平面(r,Θ)中容納結(jié)構(gòu)的最小凸集(convex set)。
[0042]現(xiàn)在，感興趣的是，獨(dú)立于其精`確的幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)施例的諧振器配置成具有有效折射率梯度。更確切地說，諧振器的有效折射率&16在平面(r，Θ)中沿徑向向外減小，例如見圖3-6?！坝行А闭凵渎手傅氖侨缫詮较虮硎精@得的(即，在平面中，在Θ范圍內(nèi)角平均)平均折射率η。在所述徑向表示中，有效折射率僅為r的函數(shù)，即，ne = ne(r)，其中O ^ r ^ r0, r = O對(duì)應(yīng)于主體的質(zhì)心,而r古O代表距質(zhì)心的平均徑向距離。
[0043]如圖10所示，由例如圖5-9的結(jié)構(gòu)得到的典型ne(r)沿區(qū)段[i^r。]是不均勻的，與普通諧振器不符。代替地，ne(r)取小于Iitl (即接近ri的標(biāo)稱給定值，即對(duì)應(yīng)于體材料(bulk material))的值。Iie(r)的趨勢(shì)產(chǎn)生這里所謂的有效折射率梯度(有效折射率的梯度)。ne(r)的減小例如可以是逐步的(圖10中的虛曲線)或連續(xù)的，具有一定程度的曲率(實(shí)線曲線)或線性的(點(diǎn)劃線)等。其還可減小至零，或者不減小至零。更普遍地，對(duì)于例如圖3或4的非圓(即橢圓)結(jié)構(gòu)，在最小內(nèi)半徑(稱為IV)和最大外半徑r。之間可以不是嚴(yán)格單調(diào)的。然而，當(dāng)A取最大內(nèi)半徑Ov <r, < r0)時(shí)，ne應(yīng)當(dāng)在所關(guān)注區(qū)域(即ri<r<r。，尤其是r。附近)中減小。換言之，平均起來，ne在周界附近減小。下面，通常在所關(guān)注區(qū)域A <r<r0中減小的任何特性可以說是在平面(r，Θ )中沿徑向向外減小。簡(jiǎn)單的示例是圖5的環(huán)形諧振器Ov= ri)，其中，由于角平均化，有效折射率在周界附近取較小值。
[0044]如本發(fā)明人所實(shí)現(xiàn)的，如上所述的有效折射率允許在諧振器主體外使波部分地移位(delocalize),由此,在諸如介紹中所述的許多潛在應(yīng)用的情況下,能夠獲得對(duì)稱合至覆層/周圍中的材料的改進(jìn)。[0045]可以設(shè)想能夠滿足上述要求的許多適合結(jié)構(gòu)/組合，如下所討論的。
[0046]例如，可將有效折射率16取為使得沿結(jié)構(gòu)凸殼(或外殼)的任何局部曲率半徑向外減小。這例如是圖3的實(shí)施例中的情形。在凸殼給定點(diǎn)處的曲率半徑可被認(rèn)為是在該點(diǎn)最匹配外殼的圓的半徑。為了表示，主體結(jié)構(gòu)可被認(rèn)為包括許多彎曲部？”^...，每個(gè)彎曲部限定各自的曲率半徑。在圖3中，折射率η沿由所述各自的曲率半徑涵蓋的各個(gè)方向向外減小，即，折射率η沿任何局部曲率半徑都減小。相應(yīng)地，折射率的徑向投影也沿徑向向外減小。
[0047]在圖3的示例中，主體15實(shí)際上包括適于波傳播的(活性)材料14，材料14的密度P沿任何局部曲率半徑都向外減小。結(jié)果，角平均(或有效)密度Pe= pe(r)也沿徑向軸線減小。對(duì)應(yīng)于活性物質(zhì)(active species)的非均勻分布以及相繼的有效折射率梯度，相應(yīng)地繪出密度圖(自由比例，P歸一化為處于O和I之間)。每體積單位包括更多活性物質(zhì)(高折射率)的區(qū)域較暗。
[0048]例如可通過改變主體內(nèi)材料的活性物質(zhì)的分布來獲得適當(dāng)?shù)拿芏忍荻?。在這方面，人們可使用適于改變這種物質(zhì)分布的任何工藝。結(jié)果，活性物質(zhì)的密度(即，每體積單位的顆粒數(shù)量)在平面(x，y)中是非均勻的，其向外減小，這樣以獲得期望的特性。
[0049]現(xiàn)在，可以以不同水平來改變活性物質(zhì)分布。這可以是例如細(xì)粒度的(fine-grained):利用在主體周界注入的附加(非活性)摻雜劑；通過多步光刻等；通過納米圖案化；通過例如自組裝的自底向上技術(shù)(bottom-up technique)。這樣的技術(shù)本身是已知的。結(jié)果，密度沿任一局部曲率半徑向外減小。
[0050]然而，在優(yōu)選變型中，在實(shí)踐中可能更易于實(shí)施:活性物質(zhì)分布被宏觀地改變，由此，材料15的填充因子被 改變。即，在制造階段，適當(dāng)配置的空間區(qū)域被活性材料填充，使得角平均密度具有期望的特性。應(yīng)當(dāng)討論示例。在所有情況下，總之，密度梯度導(dǎo)致有效折射率梯度、期望的特性。
[0051]例如，主體15中的材料14可構(gòu)造有適當(dāng)配置的周界部件12，以獲得期望的折射率梯度。例如，周界部件可向外延伸，這樣以減小外殼處附近的填充因子，即，主體15周界附近的填充因子。
[0052]圖4-9示例出該情況。在各個(gè)情況下，具有部件的主體結(jié)構(gòu)由外部的外殼(即，凸殼名)定界。當(dāng)凸殼具有非恒定半徑時(shí)，r。取最大值。相反地，當(dāng)主體具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)，即在中央未被填充時(shí)(見圖4、5或7)，空心獲得特征內(nèi)部閉合曲線虜。類似地，當(dāng)凸殼具有非恒定半徑時(shí),!Ti取最大內(nèi)半徑。主體的任何特性的徑向投影限定在IV (最小內(nèi)半徑)和r。(最大外半徑)之間。然而，在區(qū)域A < r < r0中會(huì)觀察到相關(guān)特性的減小。當(dāng)然，如果結(jié)構(gòu)是環(huán)或盤，如圖5-9所示，則曲率中心是簡(jiǎn)并的(degenerate)，并且曲率半徑是恒定的。
[0053]在圖4-9所示實(shí)施例中，在周界附近部分地填充活性材料導(dǎo)致在平面中平均產(chǎn)生的有效(徑向)密度沿徑向向外減小。這繼而導(dǎo)致有效折射率梯度也沿徑向向外減小。
[0054]如能夠?qū)崿F(xiàn)的，可以以多種方式獲得周界附近的部分填充因子，例如利用周界空腔(圖SE)、諸如垂直于中間平面的狹槽的同心部件(圖8F)等，或者還利用徑向部件，即，沿徑向向外延伸的徑向部件。最后一種選擇是優(yōu)選的，如圖4-7、8A-8D和9所示。如所見，主體構(gòu)造有向外突出的徑向部件12，這樣以產(chǎn)生減小的有效折射率\(1.)。如圖所示，例如以齒狀物或楔狀物12的形式來獲得適合的周界部件12。[0055]不管許多產(chǎn)生的界面，如果所述部件實(shí)質(zhì)上垂直于波傳播的主方向延伸(S卩，垂直于表征結(jié)構(gòu)的任何閉合曲線^或※)，則低損耗是可能的，如圖4-9所示。
[0056]此外，可以適當(dāng)?shù)剡x擇兩個(gè)最接近部件之間的節(jié)距(即，特征距離)，這樣以使傳播損耗最小。通常，將節(jié)距選擇成基本小于期望的共振波長(zhǎng)。實(shí)際上，首先確定電磁波的目標(biāo)共振波長(zhǎng)λ m，然后能夠推導(dǎo)出周界部件的數(shù)量和尺寸，之后，由于考慮到在所選的共振波長(zhǎng)的，結(jié)構(gòu)中非小數(shù)數(shù)量的光場(chǎng)波節(jié)/波腹，結(jié)構(gòu)的周邊得以最優(yōu)化。因此，與常規(guī)開槽環(huán)相比，在此，側(cè)壁粗糙度不是限制因素。
[0057]下面，假定以徑向齒狀物的形式設(shè)置周界部件，與圖4-9 一致。齒狀物的最外端形成外部的外殼;么。為簡(jiǎn)化起見，考慮圖5的示例，其中，諧振器具有圓形結(jié)構(gòu)。如所見，與齒輪名稱類似，所示諧振器的特征在于:
[0058]-凸殼(半徑r。的外圓)；
[0059]-內(nèi)圓^(半徑r)；
[0060]-齒根圓廩(半徑ig，連接齒狀物的根部；以及
[0061]-節(jié)距圓(具有半徑rp)，連接齒狀物的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)例如作為齒狀物的質(zhì)心；
[0062]注意，為了顯示之故，在此如其它附圖一樣自動(dòng)地?cái)U(kuò)大了尺寸。如所見，所述齒狀物的特征在于:
[0063]-齒狀物的數(shù)量N(通常較大，例如N彡32);
[0064]-深度h，即，從齒狀物頂部到根部的距離；
[0065]-特征厚度tc；
[0066]-兩個(gè)最接近的齒狀物之間的最近(內(nèi))距離δ;以及
[0067]-特征節(jié)距，即，最接近的齒狀物之間的在節(jié)距圓<4位置處的特征距離。
[0068]假設(shè)N足夠大,則特征節(jié)距由弦節(jié)距P。表示,近似等于曲線節(jié)距P,即，pc ^ P =γρΔ θ =2πΓρ/Ν，其中，4是節(jié)距圓半徑。當(dāng)齒狀物是楔形的時(shí)，最接近的齒狀物之間的內(nèi)距離δ通常從δ (O =0變化至δ (r0.).^r0A θ = 2 π r0/No在變型中，δ是恒定的(矩形或正方形齒狀物)。有趣的是，有效折射率在深度區(qū)域(h)中減小，即使當(dāng)使用例如矩形或正方形齒狀物的高度對(duì)稱部件時(shí)也如此。更普遍地，齒狀物的形狀可做成三角形、矩形、半橢圓、指數(shù)錐形(exponential taper)等。
[0069]接著，由于現(xiàn)有諧振器的尺寸簡(jiǎn)單地與共振波長(zhǎng)相稱，所以可以設(shè)想各種電磁波。然而，為了顯示之故，下述說明僅關(guān)注于光學(xué)應(yīng)用。
[0070]現(xiàn)在，即使在光學(xué)應(yīng)用內(nèi)，也可設(shè)想各種范圍的電磁波，通常是400_3000nm的電磁波。將該波長(zhǎng)范圍和所有隨后涉及的波長(zhǎng)λ指定為真空波長(zhǎng)，S卩，λ =c/v，其中，C是光速，而V是光頻率。對(duì)于光數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用，下列范圍是適當(dāng)?shù)?630-860nm或1300-1600nm。400-3000nm內(nèi)的其它范圍通常十分適于傳感應(yīng)用。
[0071]目前，人們可設(shè)想，特定諧振器用于給定(窄)范圍的電磁波(即，由典型波長(zhǎng)λπ表征)。所述典型波長(zhǎng)λ m由諧振器中包含的各種尺寸確定。那么，由于先前所述原因，最接近的周界部件12之間的特征節(jié)距p。應(yīng)當(dāng)通?；拘∮讦甩?。優(yōu)選地，對(duì)于Pc;< λπ/2，這已確保降低的損耗。當(dāng)Pc;< λ m/4時(shí)，仍可獲得更好結(jié)果。通常，對(duì)于光學(xué)應(yīng)用中所關(guān)注的波長(zhǎng)，P。介于30-500nm之間，并且通常介于30_200nm之間。[0072]此外，齒狀物的特征深度h可顯著變化，正如差數(shù)或rr-A，如圖8A-8D所示。然而優(yōu)選地，實(shí)際上對(duì)于ι.^< 10Am*h< 10λπ，可獲得更好結(jié)果。在那方面，所述部件可以不重疊，如圖8C所示。換言之，在δ (rr = Ti)關(guān)O的情況下，&可等于A。
[0073]當(dāng)外殼‘的(最大)半徑r?；敬笥讦?m，優(yōu)選大于3 λ m/2時(shí)，通?？色@得滿意的結(jié)果。在r。大于2入?1時(shí)，會(huì)獲得改進(jìn)的結(jié)果。由于p。優(yōu)選小于λπ/2，更優(yōu)選小于λπ/4，所以通過將P。設(shè)置為小于匕/3、r0/4, r0/6和匕/8，可逐漸改進(jìn)結(jié)果。
[0074]對(duì)于完備性，合適的橫向厚度(z軸)通常為50_400nm,正如已知的諧振器那樣。通常，主體和部件由硅制成，形成在I微米的SiO2基板層的頂部上。制造這樣的裝置例如可使用已知的絕緣體上硅(或SOI)技術(shù)?？墒褂帽旧硪阎墓に噥碇圃鞆较虿考＠缈赏ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)光刻方法(例如，電子束光刻或光學(xué)光刻)來實(shí)現(xiàn)所述部件的精確輪廓(definition)，隨后通過反應(yīng)離子刻蝕將該精確輪廓轉(zhuǎn)印至SOI基板中。
[0075]更普遍地，用于主體的材料的折射率比周圍介質(zhì)的高，從而允許波傳播。用于主體的適合材料包括從以下中選擇的單質(zhì)或化合物:
[0076]-半導(dǎo)體，例如S1、GaAs、GaN、InP 或 InGaN ；
[0077]-氧化物，例如Si02、TiO2, Ta2O5, HfO2^Al2O3 或 LiNbO3 ;或
[0078]-氮化物，例如Si3N4、SiON 或 TiON。
[0079]在應(yīng)用中可以設(shè)想混合物。
[0080]此外，圍繞所述材料的附加材料可被設(shè)置為裝置的一部分，這樣以形成具有較低折射率的周圍介質(zhì)。附加材料通常包括從以下選擇的化合物:
[0081]-氧化物，例如 Si02、Ti02、Ta205、Hf02、Al2O3 或 LiNbO3 ；
[0082]-氮化物，例如Si3N4、SiON 或 TiON ；
[0083]-聚合物；
[0084]-油；或
[0085]-水。
[0086]附帶地，所述附加材料的熱光系數(shù)可具有與主體的主要材料的熱光系數(shù)相反的符號(hào)。相應(yīng)地，可消除共振波長(zhǎng)的熱漂移，這對(duì)許多應(yīng)用是有利的。
[0087]此外，如圖3-9所示，諧振器主體通常具有盤形或環(huán)形。盡管一般而言圓形是優(yōu)選的，但是主體可具有橢圓形或凸形。由于對(duì)電極布置的限制，盤形對(duì)一些應(yīng)用(激光器、調(diào)制器等)是有利的。優(yōu)選地，由于加工工藝，主體和周界部件是一體的。
[0088]理想地，結(jié)構(gòu)具有高品質(zhì)因子(或Q)。根據(jù)上述說明，在環(huán)具有小于5微米的半徑時(shí)，可獲得品質(zhì)因子Q > 100000。而且，根據(jù)應(yīng)用，為了最聞Q、最聞光場(chǎng)或最聞光梯度，可在數(shù)字上最優(yōu)化齒狀物的節(jié)距和其它尺寸(使用例如時(shí)域有限差分或FDTD模擬)。
[0089]此外，在實(shí)施例中，上述裝置可補(bǔ)充有狹槽40 (圖7)，如已知裝置(圖2A-2B)。所述狹槽優(yōu)選地垂直于平面(X，y)設(shè)置。如此，對(duì)于一些應(yīng)用，可有利地增強(qiáng)電場(chǎng)(然而，以增加的損耗為代價(jià))。
[0090]接著，為了評(píng)估上述裝置，已在時(shí)域中利用從頭開始解麥克斯韋方程組的內(nèi)部數(shù)值工具(in-house numerical tool)來執(zhí)行時(shí)域有限差分(FDTD)模擬。該模擬結(jié)果可相應(yīng)地被認(rèn)為是實(shí)際的波傳播。
[0091]例如，可以模擬環(huán)形諧振器，其由通過波導(dǎo)的處于或接近環(huán)的共振頻率的光脈沖激發(fā)，如圖9所示。對(duì)于圖1的環(huán)形諧振器(現(xiàn)有技術(shù))，也實(shí)施波傳播模擬。
[0092]使用的激發(fā)波長(zhǎng)AmSl550nm。保留用于圖9裝置的節(jié)距圓半徑rpSrp= 1.7Am，該半徑對(duì)應(yīng)于圖1裝置的平均半徑。圖1和圖9中模擬的諧振器具有大約相同的有效半徑，并使用相同的高折射率材料。此外，圖9的裝置中的齒狀物的總深度h(在該情況下，對(duì)應(yīng)于r。-^，雖然在圖9中視覺渲染了楔形主體)為約0.5 λ m，裝置設(shè)計(jì)有80個(gè)向外突出的徑向齒狀物。最后，在圖9的模擬中，光從位于波導(dǎo)31的底部左輸入口的光源傳播到上部波導(dǎo)32的頂部左輸出口(drop port)。波傳輸行進(jìn)通過楔形環(huán),然后到達(dá)頂部左輸出口。波導(dǎo)之一和諧振器中心之間的距離為1800nm。其它參數(shù)是相同的。
[0093]圖1和9中的每一個(gè)均示出相應(yīng)平面電場(chǎng)I Exy I的圖，由于用于附圖的灰度級(jí)，未清楚地呈現(xiàn)場(chǎng)的相反值。對(duì)于圖1(現(xiàn)有技術(shù)裝置)的模擬結(jié)果，獲得了小倏逝場(chǎng)，其不能提供到周圍覆層材料足夠滿意的耦合。相反，在圖9的模擬中，獲得了較大倏逝場(chǎng)。較大倏逝場(chǎng)使得可有效地耦合至周圍材料，具有例如介紹中概述的有利應(yīng)用。例如，圖9清楚地示出光從輸入口傳播至輸出口的事件。
[0094]此外，模擬的結(jié)構(gòu)使得可接近用于周圍材料的場(chǎng)的強(qiáng)度最大值，得到源于光場(chǎng)的較強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用和光致力(light-1nduced force) ?其還減少了用于將稱合調(diào)整為臨界耦合，并用于兩種偏振(TE+TM)的納米精度。
[0095]附帶地，如先前所述，本文中所述諧振器結(jié)構(gòu)使得無(wú)熱環(huán)形諧振器具有適合的覆層(覆層具有與主體材料的熱光系數(shù)符號(hào)相反的熱光系數(shù))，即使對(duì)于兩種偏振也如此。沒有觀察到共振波長(zhǎng)關(guān)于溫度的漂移。
[0096]最后，如上所述的諧振器可被認(rèn)為是總體上用于集成光學(xué)，特別是用于硅光子的基本構(gòu)件。本發(fā)明相應(yīng)地包含由若干如這里所述的諧振器構(gòu)成的集成光學(xué)裝置或設(shè)備。因此，本發(fā)明有利地應(yīng)用于例如芯片至芯片光互連的應(yīng)用，其中需要高物理集成密度。
.[0097]盡管參考特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以進(jìn)行許多改變，并且可以替代等同物。此外，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以進(jìn)行許多修改，以使特定狀況適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，本發(fā)明不限于所公開的特定實(shí)施例，但是本發(fā)明可包括所有位于所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的實(shí)施例。例如，可以使用除了上面那些能想到的材料之外的其它材料。此外，包含在實(shí)施例中的齒狀物或楔形物不必嚴(yán)格垂直于波傳播方向。替代地，楔形物可以傾斜，盡管有較大的損耗，但是產(chǎn)生基本類似的結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.一種電磁波諧振器(10)，包括主體(15)，其中所述主體: -具有實(shí)質(zhì)上在平面(r，Θ )中延伸的結(jié)構(gòu)； -包括位于極限半徑A和r0之間的區(qū)域中的材料，其中O彡ri < r0,并且r0對(duì)應(yīng)于所述結(jié)構(gòu)的凸殼(句的半徑；以及 -允許電磁波傳播， 以及其中， 如對(duì)所述材料在所述平面(r，Θ)中的折射率角平均而獲得的有效折射率ne(r)在所述區(qū)域內(nèi)減小。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其中，如對(duì)所述材料在所述平面(r，Θ)中的密度(P)角平均而獲得的所述材料的有效密度在所述區(qū)域中減小。
3.如權(quán)利要求2所述的諧振器，其中，如對(duì)所述材料在所述平面(r，Θ)中的填充因子角平均而獲得的所述材料的有效填充因子在所述區(qū)域中減小。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中，所述主體構(gòu)造有周界部件(12)，配置所述周界部件，以獲得所述減小的有效折射率ne(r)。
5.如權(quán)利要求4所述的諧振器，其中，所述部件(12)實(shí)質(zhì)上垂直于所述結(jié)構(gòu)的特征閉合曲線^)，沿徑向向外延伸，以及其中，所述部件優(yōu)選被配置成齒狀物或楔狀物 (12)。
6.如權(quán)利要求4或5所述的諧振器，其中: -所述諧振器設(shè)計(jì)用于給定范圍的電磁波，優(yōu)選為630nm至860nm或1300nm至1600nm的電磁波；以及 -所述部件之間的特征節(jié)距(P。)，優(yōu)選為弦節(jié)距實(shí)質(zhì)上小于所述給定范圍的典型波長(zhǎng)入m，優(yōu)選小于λπ/2，更優(yōu)選小于λπ/4。
7.如權(quán)利要求6所述的諧振器,其中，所述特征節(jié)距(P。)位于30nm至500nm之間,優(yōu)選位于30nm至200nm之間。
8.如權(quán)利要求6或7所述的諧振器，其中，所述部件的特征深度(h)小于10λπ。
9.如權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中，所述凸殼(句的半徑r。實(shí)質(zhì)上大于入?1，優(yōu)選大于3入1]1/2，更優(yōu)選大于2入?1。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中，所述主體具有優(yōu)選垂直于所述平面的狹槽。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的諧振器，具有盤形或諸如環(huán)形的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，并且其中優(yōu)選地，所述主體是一體的。
12.如權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的諧振器，其中，所述主體包括折射率高于周圍介質(zhì)的材料，其中所述材料包括從以下選擇的單質(zhì)或化合物: -半導(dǎo)體，例如 S1、GaAs、GaN, InP 或 InGaN ；
-氧化物，例如 SiO2' Ti02、Ta2O5' HfO2' Al2O3 或 LiNbO3 ;或者 -氮化物，例如Si3N4' SiON或TiON0
13.權(quán)利要求12所述的諧振器，還包括附加材料，所述附加材料圍繞所述材料，從而形成所述周圍介質(zhì)，并且所述附加材料優(yōu)選地包括從以下選擇的化合物:-氧化物，例如 SiO2, TiO2, Ta2O5' HfO2' Al2O3 或 LiNbO3 ； -氮化物，例如Si3N4' SiON或TiON ； -聚合物； -油；或者 _水。
14.權(quán)利要求12所述的諧振器，還包括附加材料，所述附加材料圍繞所述材料，從而形成所述周圍介質(zhì)，其中，所述附加材料的熱光系數(shù)和所述材料的熱光系數(shù)具有相反的符號(hào)。
15.一種集成光學(xué)裝置， 包括一個(gè)或多個(gè)諧振器，每個(gè)諧振器如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述。
【文檔編號(hào)】H01P1/203GK103430380SQ201280013411
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2012年2月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月16日
【發(fā)明者】T.H.斯托弗爾 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司