专利名称：波导微环形谐振器的改进的质量因子(q-因子)的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种光学环形谐振器，具体来说，涉及对光学环形谐振器的Q 因子的改进。
背景技术：
环形谐振器是一种可用于多种光学滤波器和调制应用的波长选择性装置。光学环 形谐振器(RR)对于波长过滤、复用、切换和调制而言是有用的组件。RR的关键性能特性包 括自由谱范围(FSR)、锐度(finesse)或质量因子(Q因子)、谐振传输以及消光比。这些量 不仅仅取决于装置的设计，还取决于制造公差。虽然对于大多数常规的波导(WG)设计不需 要当前发展水平的光刻，但是环形谐振器设计包括等于或小于IOOnm的临界尺寸(CD)值。对于这些设计，分辨率和⑶控制对于这些装置的成功都很重要。在硅基环形谐振 器的情况下，RR和输入/输出波导之间的耦合效率是用于控制的重要参数之一。由于紧凑 波导(例如220nmX500nm带状波导)通常被用于RR以获得大的FSR，因此环和总线波导之 间的间隙可能仅有100-200nm。由于装置通过渐消失耦合(evanescentcoupling)进行操 作，该耦合按指数规律地依赖于分离间隙的尺寸。因此，为了可靠地加工高QRR装置，几个 nm的控制需要易于通过现代的0. 18 μ m或0. 13 μ m光刻来实现的⑶控制。对于很多环形谐振器应用、譬如滤波器、调制器、激光器等来说，高Q因子是所期 望的。高折射率波导对于制造小的环形谐振器是必要的。不幸的是，高折射率波导对于表 面散射损耗非常敏感，具体来说由于光刻/蚀刻图案化而引起的线边缘粗糙性。这种边缘 散射损耗会限制环形谐振器装置的Q值。一些改善环形谐振器的Q值的方法包括软溶(ref lowing)波导材料。这涉及高温 处理和能够忍受高温的波导/包层系统。另一技术是使波导材料、例如Si氧化，然后用氟 化氢(HF)或其他选择性蚀刻剂移除氧化物。不幸的是，这些方法都依赖于波导的制造工艺 而且需要付出额外的花费和努力。
发明内容
本发明的第一方面在于一种设备，包括具有宽度的光学环；和渐消失耦合到所 述光学环的光学总线，所述光学总线包括第一部分，宽度小于所述光学环的宽度；第二部 分，宽度小于所述光学环的宽度；以及所述第一部分和所述第二部分之间的中间部分，宽度 与所述光学环的宽度匹配。本发明的第二方面在于一种方法，包括提供具有宽度的光学环；以及使光学总 线渐消失耦合到所述光学环；将单模光信号发射到所述光学总线的第一部分，所述第一部 分的宽度小于所述光学环的宽度；提供所述光学总线的第一锥形部分来扩展所述光学环附 近的所述光学总线的宽度；以及提供所述光学总线的第二锥形部分来减小所述光学总线的宽度。本发明的第三方面在于一种环形谐振器，包括具有宽度的光学环；以及渐消失耦合到所述光学环的光学总线，所述光学总线包括第一部分，宽度小于所述光学环的宽 度，所述第一部分包括单模光纤；第二部分，宽度小于所述光学环的宽度，所述第二部分包 括单模光纤；以及所述第一部分和所述第二部分之间的中间部分，宽度与所述光学环的宽 度匹配。
当结合附图阅读时，从下文对设备和示例实施例以及权利要求的详细描述，将使 前述内容更加明显且有助于更好的理解本发明，附图形成本发明的公开部分，虽然前述内 容和以下记载以及描述的内容着重于公开本发明的设备和示例实施例，但是应当清楚地理 解其仅仅是作为说明和示例，而本发明不限于此。图1是示出环形谐振器装置的一个例子的平面图；图2是根据本发明的一个实施例的具有扩展环(expanded ring)和耦合区域 (coupler region)的环形谐振器装置的平面图；图3是来自两个环的谐振谱比较图，其中一个环是根据本发明的，而另一个环不是。
具体实施例方式本说明书通篇中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着与该实施例结合来描 述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因而，在本说明书通篇多处 出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不必然都引用相同的实施例。此外，该 特定特征、结构或特性可能在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合。图1示出了微环形谐振器的例子。该环形谐振器包括圆形波导，或环100，其渐消 失耦合到第一直波导102和第二直波导104。为了说明，环形谐振器包括三个主要的端输 入端106，通过端(thrOughputterminal)108和输出端110。在操作中，多个波长的光发射 到第一直波导102的输入端106。这里，示出了三个波长，它们是Xx，入R和入z。当这些 波长通过第一耦合区域112时，它们将部分地耦合到环100，然后环100中的这些波长又将 在第二耦合区域114处部分地耦合入第二直波导104，以便在输出端110输出。这样，环形谐振器是一种通过具有非常窄的频带进行工作的装置，其中特定波长 的光与环谐振并且该光耦合进入环100。这里，谐振波长XR是指由于满足条件XR = LNeff/m而耦合入环100的波长，其中L是环100的长度，Neff是环100的有效折射率，m 是整数值。采用该装置，多个波长进入环形谐振器装置，除了感兴趣的波长或谐振波长入R 外的其他所有波长都被滤除。本发明的实施例涉及增大波导微环形谐振器的Q因子或质量因子。当光的往返损 耗在环中降低时，Q增大。为了降低上述损耗，波导被制造得较宽从而光强在波导边缘处较 低。由于为了形成波导所用的光刻/蚀刻处理技术，波导边缘通常比顶面具有更高的散射 损耗。对于好的环形谐振器，波导应当是单模的。在光纤通信中，单模光纤(SMF)是设计 用来仅携载单一光射线(模式)的光纤。该光射线通常包含多种不同的波长。虽然射线平 行于光纤的长度传播，但是它通常被称作横模，因为它的电磁振动垂直(横向)于光纤长度发生。不同于多模光纤，单模光纤可能不呈现由多空间模式引起的模式色散。因而单模 光纤在长距离上保持每个光脉冲的保真度方面通常更好。所以，相比多模光纤，单模光纤可 以具有更高的带宽。典型的单模光纤具有8 y m和10 y m之间的芯直径，以及125 u m的包
层直径。使用SMF在能够制造多宽的波导方面设定限制。实施例允许比通常单模操作所允 许的波导更宽的波导。现在参照图2，示出了根据本发明的实施例的具有扩展环和耦合区域的环形谐振 器装置的平面图。本发明包括环形部分200和总线波导202以形成基于波导的环形谐振器。 光201可以在环200和总线波导202之间渐消失耦合。环中的波导和最近的总线波导比最 佳单模尺寸宽(宽度“W”)。总线波导202包括用于连接总线波导202中的单模部分(较 窄波导)206和总线波导202中的较宽部分W的绝热锥形体204。绝热锥形体204用于将模式从较窄波导206扩展到较宽的波导部分W。绝热锥形 体204允许侧向上的SMF宽度被充分而缓慢地逐渐增加，以允许模式尺寸增长，但确保即使 增加的宽度将允许额外的模式传播，也只有单模被保持。锥形体204被设计成使得在传输过程中没有光损耗，而且只有较宽波导的主模式 (primary mode)被激励。当这被实现时，环可以充当普通谐振器。由于现在光被分散在较 宽波导W中的较大区域上，来自侧壁的散射损耗被减小而且损耗较低。由于环200的Q值直接与往返损耗成比例，因而较低损耗导致环200中的更高Q 值。图3是示出了来自一般环和根据本发明实施例的环的谐振频谱的图。如图所示，来自本 发明的环的峰显著地比一般的环要窄。根据实施例，Q因子可以从1500提高至11000。在 一般环中，波导宽度为0.49 ym，而本发明所示的环中波导宽度为0.91 ym。注意到由于谐 振频谱没有二级峰(其指示更高模式激励)，因而没有迹象表明扩展波导W的区域中具有被 激励的更高模式。这很好地指示了绝热锥形体204在不激励较高阶模式的情况下扩展模式 方面是有效的。本发明实施例所提供的较高Q因子具有很多优点。例如，这种具有较高Q因子的 装置能够用来制造更敏感的传感器，较低驱动电压调制器，以及较低阈值激光器，以上仅举 几个例子。以上对本发明所示出的实施例的描述，包括在摘要中描述的内容，并不意欲穷举 或将发明限制于所公开的精确形式。相关领域的技术人员将认识到，在本文中描述的本发 明的特定实施例和示例用于说明性目的，在本发明的范围之内可以作出各种等效的修改。根据上述详细的描述可以对本发明进行这些修改。在所附权利要求中所使用的术 语不应被认作是将本发明限制到说明书所揭示的特定实施例和权利要求。相反，本发明的 范围完全由所附的权利要求书来确定，权利要求书可根据已确立的权利要求解释的原则进 行解释。
权利要求
一种设备，包括具有宽度的光学环；和渐消失耦合到所述光学环的光学总线，所述光学总线包括第一部分，宽度小于所述光学环的宽度；第二部分，宽度小于所述光学环的宽度；以及所述第一部分和所述第二部分之间的中间部分，宽度与所述光学环的宽度匹配。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述光学总线的所述第一部分和所述光学总线的所 述第二部分包括单模光纤。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述光学总线的所述中间部分能够支持多模。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述光学总线的所述第一部分和所述中间部分之间 的过渡区域以及所述光学总线的所述中间部分和所述第二部分之间的过渡区域为锥形体。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述锥形体包括绝热锥形体。
6.如权利要求5所述的设备，其中所述绝热锥形体防止所述光学总线的所述中间部分 中的多模。
7.如权利要求5所述的设备，其中光学环的Q因子大于1500。
8.如权利要求5所述的设备，其中Q因子在1500和11000之间。
9.一种方法，包括提供具有宽度的光学环；以及 使光学总线渐消失耦合到所述光学环；将单模光信号发射到所述光学总线的第一部分，所述第一部分的宽度小于所述光学环 的宽度；提供所述光学总线的第一锥形部分来扩展所述光学环附近的所述光学总线的宽度；以及提供所述光学总线的第二锥形部分来减小所述光学总线的宽度。
10.如权利要求9所述的方法，其中在所述第一锥形体之前的所述光学总线和所述第 二锥形体之后的光学总线包含单模光纤。
11.如权利要求9所述的方法，其中在所述第一锥形体和所述第二锥形体之间的所述 光学总线能够支持多模。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述第一锥形体和所述第二锥形体包含绝热锥形体。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述绝热锥形体防止在所述光学总线的所述第一 锥形体和所述第二锥形体之间的多模。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述光学环的Q因子大于1500。
15.如权利要求12所述的方法，其中Q因子在1500至11000之间。
16.一种环形谐振器，包括 具有宽度的光学环；以及渐消失耦合到所述光学环的光学总线，所述光学总线包括 第一部分，宽度小于所述光学环的宽度，所述第一部分包括单模光纤； 第二部分，宽度小于所述光学环的宽度，所述第二部分包括单模光纤；以及所述第一部分和所述第二部分之间的中间部分，宽度与所述光学环的宽度匹配。
17.如权利要求16所述的环形谐振器，在所述第一部分和所述中间部分之间以及在所 述中间部分和所述第二部分之间包括绝热锥形体。
18.如权利要求16所述的环形谐振器，其中所述光学总线中间部分能够支持多模。
19.如权利要求18所述的环形谐振器，其中所述光学环的Q因子大于1500。
20.如权利要求18所述的环形谐振器，其中Q因子在1500至11000之间。
全文摘要
本发明的名称为波导微环形谐振器的改进的质量因子(Q-因子)，环中的波导和离环最近的总线波导被制造成比最佳单模尺寸宽。总线波导具有绝热锥形体，所述绝热锥形体用来连接总线波导中的单模部分和总线波导的较宽部分以将模式从较窄波导扩展到较宽波导。由于现在光分散到较宽波导中的更大区域上，因而侧壁造成的散射损耗减小而且损耗降低。由于环的Q值直接与往返损耗成比例，因此该较低的损耗导致环中较高的Q值。
文档编号G02B6/26GK101859003SQ20101019521
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月8日 优先权日2009年4月8日
发明者B·A·布洛克 申请人:英特尔公司