基于三维微环谐振腔的电控可调谐滤波器及制备方法与流程

本发明涉及一种滤波器，特别涉及一种基于三维微环谐振腔的电控可调谐滤波器及制备方法。

背景技术：

微环谐振器是一种制作在波导结构上的微型环，它是由直波导和环形波导耦合而成，具有尺寸小、结构简单和集成度高等优点。由于微环腔体不需要腔面，使其具有可集成的优势，其维纳尺寸可以用来大规模单片光电集成，在选频滤波、波分复用、频率变换等领域有着广泛应用，使其成为新一代光通信系统中重要的光学器件。传统的微环谐振器件多基于传统的二维平面结构，直波导与微环处于同一物理平面，在制备加工过程中会发生波导畸变，尤其是在波导与微环的耦合区域，较小的波导间隙受半导体光刻、刻蚀的影响更为明显。这也限制了谐振腔品质因子的提高。

氮化硅这一硅基材料在集成光电子器件方面有着广泛应用，具有从可见到红外的宽透射谱，其制作工艺与商用半导体加工工艺兼容等特性。基于氮化硅材料的光波导结构，与包覆层的折射率差值适中，器件尺寸在微米量级，制造容差较大，易于大规模商业化生产，且有关器件与外部光纤的耦合效率较高，传输损耗也比较低。在氮化硅集成光电子器件中，光学微环谐振腔用途较为广泛，已经被应用于众多线性和非线性光学相关器件中，三维器件也有相关报道，如利用三维微盘结构，实现偏振选择滤波等【在先技术2：J. Feng and R. Akimoto, IEEE Photon. Technol. Lett. 26(23), 2391–2394 (2014)】。但在实际应用中，谐振波长与消光比可主动调节的器件具有更加广泛的应用。相关谐振器件的设计可根据传输矩阵方法来进行计算【在先技术3：D. Dai and S. He, J. Opt. Soc. Amer. B 26(3), 511–516 (2009)】。但据我们所知，目前为止，还没有人提过三维可调谐的电控可调谐滤波结构，特别是针对1550纳米光通信波段的相关设计。

技术实现要素：

本发明是针对二维结构微环谐振器件存在的问题及对三维结构应用的问题，提出了一种基于三维微环谐振腔的电控可调谐滤波器及制备方法，其中微环谐振腔位于底层，可与位于上层的用于信号传输的反馈式波导进行交叉耦合，对谐振波长进行滤波。通过位于反馈波导上方的顶层金属加热电极，可对诸如消光比和滤波波长进行电控调谐。相关器件与现有的商用半导体加工工艺兼容，结构紧凑，易于进行电控调谐，在选频滤波和波分复用等领域中具有重要的实用价值。

本发明的技术方案为：一种基于三维微环谐振腔的电控可调谐滤波器，包括底层的氮化硅微环谐振腔，位于其上层的反馈式氮化硅波导和顶层的金属加热器，氮化硅微环谐振腔直线部分与位于其上层反馈式氮化硅波导交叉耦合，对通过反馈式氮化硅波导的信号谐振波长进行滤波，金属加热器放置在反馈式氮化硅波导非耦合段上，进行电控调谐。

所述反馈式氮化硅波导为S型波导，与氮化硅微环谐振腔交叉耦合，有两段耦合区。

所述金属加热器为钛、铂或金中任意一种金属材质加热器。

所述基于三维微环谐振腔的电控可调谐滤波器，对于光通信1550纳米波段的底层氮化硅微环谐振腔，氮化硅微环谐振腔波导厚度为250纳米，宽度为1.5微米，微环半径50微米，其与上层的反馈式氮化硅波导耦合长度L为30微米，层间距750纳米，对应上层反馈式氮化硅波导厚度240纳米，宽度1.7微米。

所述基于三维微环谐振腔的电控可调谐滤波器的制备方法，具体包括如下步骤：

首先利于等离子体化学气相沉积得到一个4微米厚的二氧化硅缓冲层，然后通过低温化学气相沉积得到250纳米厚的氮化硅层，基于光刻、金属沉积和剥离技术制备方法，在材料表面制作用于后续结构制备的全局标记；

通过电子束光刻和反应离子束蚀刻将微环谐振腔结构图形化，成环形，正性电子束抗蚀剂直接用作刻蚀掩模；

基片经过干法和湿法化学清洁后，在上面利用等离子体化学气相沉积生长出一个1.5微米厚的二氧化硅层；

再用化学机械抛光和反应离子束蚀刻技术使得基片表面平坦化后，得到一个厚度为750纳米的平坦化的二氧化硅层；

然后基于全局标记，利用低温化学气相沉积在750纳米二氧化硅层上得到240纳米厚的氮化硅层，用于制作反馈波导；

再次利用光刻和反应离子束蚀刻将反馈波导表面图形化，成S形，化学清洁后，在其上再次利用等离子体化学气相沉积生长出3微米厚的二氧化硅作为包覆层；

再利用全局标记，基于光刻、金属沉积和剥离技术制备一个位于顶层的金属加热器，加热器的宽度为5微米；

最后利于用于硅材料切割的切割锯，对基片进行切割，并进行端面抛光，以进行最终的器件测试。

所述金属加热器材料为钛、铂或金时，对应的厚度分别为40、10和10纳米。

本发明的有益效果在于：本发明基于三维微环谐振腔的电控可调谐滤波器及制备方法，相关三维集成器件结构紧凑，制作工艺与半导体加工工艺兼容，可大批量低成本生产，其具有重要的实用前景。

附图说明

图1为本发明基于三维氮化硅微环谐振腔的电控可调谐滤波器结构示意图；

图2为在光通信波段1550纳米附近，本发明滤波器随反馈波导中附加相位变化的不同透射光谱图；

图3为本发明基于三维氮化硅微环谐振腔的电控可调谐滤波器加工工艺流程示意图；

图4为本发明制作后电控可调谐滤波器示意图。

具体实施方式

如图1所示基于三维氮化硅微环谐振腔的电控可调谐滤波器结构示意图，其中氮化硅微环谐振腔位于底层，可与位于其上层的用于信号传输的反馈式氮化硅波导进行交叉耦合，对谐振波长进行滤波。通过位于反馈式氮化硅波导顶层的金属加热器，进行电控调谐。

对于光通信1550纳米波段的底层氮化硅微环谐振腔，其波导厚度为250纳米，宽度为1.5微米，微环半径R=50微米，其与上层的反馈式氮化硅波导耦合长度L为30微米，层间距750纳米，对应上层反馈式氮化硅波导厚度240纳米，宽度1.7微米。

在底层微环谐振腔和上层的S型反馈式氮化硅波导交叉耦合，而金属加热器放置在反馈式氮化硅波导非耦合段上，用来实现主动的相位控制。

如图1所示底层微环谐振腔结构的厚度为250纳米，宽度为1.5微米，微环半径50微米，其与上层的耦合长度为30微米，层间距750纳米，对应上层波导厚度230纳米，宽度1.7微米，根据传输矩阵方法来进行计算【在先技术3：D. Dai and S. He, J. Opt. Soc. Amer. B 26(3), 511–516 (2009)】，当对金属加热器增加电流以使得信号传输波导中的相位由0变至0.07π时，谐振波长往长波长移动，且消光比将由超过30分贝减至0；当进一步增加金属加热器中的电流强度，相位变化至0.125π时，谐振波长进一步往长波长移动，但消光比将由0增加至超过30分贝。通过金属加热电极中的电流控制，可轻易的实现谐振波长和消光比的主动调控，如图2所示在光通信波段1550纳米附近，本发明滤波器随反馈波导中附加相位变化的不同透射光谱图。

如图3所示基于三维氮化硅微环谐振腔的电控可调谐滤波器加工工艺流程示意图。图中，a代表半导体加工工艺中的光刻和反应性离子蚀刻过程，b代表等离子体化学气相沉积过程，c代表化学机械抛光过程，d代表化学气相沉积过程，e代表光刻和反应性离子蚀刻过程，f代表等离子体化学气相沉积过程，g代表基于光刻、金属沉积和剥离技术制备金属加热器的过程。

具体过程：首先利于等离子体化学气相沉积得到一个4微米厚的二氧化硅缓冲层，然后通过低温化学气相沉积得到250纳米厚的氮化硅层。再基于光刻、金属沉积和剥离技术制备方法，在材料表面制作一些用于后续结构制备的全局标记。a通过电子束光刻和反应离子束蚀刻将微环谐振腔结构图形化（成环形），正性电子束抗蚀剂（ZEP520A）直接用作刻蚀掩模。基片经过干法和湿法化学清洁后，在上面b利用等离子体化学气相沉积生长出一个1.5微米厚的二氧化硅层。再用c化学机械抛光和反应离子束蚀刻技术使得基片表面平坦化后，得到一个厚度为750纳米的平坦化的二氧化硅层。然后基于全局标记，d利用低温化学气相沉积在750纳米二氧化硅层上得到240纳米厚的氮化硅层，用于制作反馈波导。再次e利用光刻和反应离子束蚀刻将反馈波导表面图形化（成S形），化学清洁后，在其上再次f利用等离子体化学气相沉积生长出3微米厚的二氧化硅作为包覆层。再利用全局标记，g基于光刻、金属沉积和剥离技术制备一个位于顶层的钛/铂/金金属加热器，加热器的宽度为5微米，钛/铂/金厚度分别为40、10和10纳米。最后利于用于硅材料切割的切割锯，对基片进行切割，并进行端面抛光，以进行最终的器件测试。

如图4为本发明制作后电控可调谐滤波器示意图，包括底层的氮化硅微环谐振腔1，位于其上层的反馈式氮化硅波导2，和顶层的金属加热器。

基于三维多层结构，可利用半导体光刻工艺分别制备微环谐振腔和光波导，此结构能有效降低波导畸变，保证微环谐振腔的品质因子，更能提高器件的集成度，除此之外，相比于平面微腔结构，三维结构的垂直层间间距更易于控制，能有利于提高大规模商业化生产时的成品率。