一种内外双微环谐振器结构的制作方法

本发明属于光电子器件技术领域，具体涉及一种内外双微环谐振器结构。

背景技术：

微环谐振器是一种光波在微环波导和直波导中来回偶合，从而提供光能反馈的器件，可用以实现通信与信号处理中的滤波、调制、开关及延时等功能，是一种非常重要的谐振器。

随着光通信技术和信息产业化的迅速发展，不仅对光通信系统提出了更高的要求，对光通信器件也提出了微型化、集成化的要求。微环谐振器具有q值高、速度高、损耗低、结构简单及尺寸小等优点，并且与集成电路制作工艺相兼容，因此微环谐振器逐渐成为了硅基光电子器件的核心元件。

微环谐振器通过在光波导上刻蚀，形成半径为几十微米到几百微米的环形波导，以及与环形波导相偶合的直波导，它既可以是只有一个环的简单结构，也可以由多个环通过串联、并联等方式构成阵列。当耦合进微环的光满足环形谐振条件时，光在微环里因为相位相同而形成正反馈，发生谐振，从另一条光波导耦合出去。反之，不满足谐振条件的光则从原波导直接输出，从而实现了一个上下路滤波的作用。

单微环谐振器由于其光谱响应不平坦，呈上凸形的洛伦兹分布，当器件因工艺误差或因温度变化而引起光谱漂移时，器件不能正常工作。为了克服单微环谐振器这个缺点，可把多个微环并联或串联起来形成微环谐振器阵列，适当选择结构参量，可获得十分平坦的“箱形”光谱响应。这种串联或并联方式的多环微环谐振器固然能克服单微环谐振器的缺点，但随着环数的增加，器件整体尺寸也会逐渐增加，如何在不增加器件尺寸的情况下克服单微环谐振器的缺点，是值得研究的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种内外双微环谐振器结构，该结构是在常规单微环谐振器的基础上，在单个微环的内部增加一个微环，形成内外双环的微环谐振器结构，具有谐振峰平坦和自由光谱范围大的优点。

本发明所采用的技术方案是，一种内外双微环谐振器结构，包括有n-sub型衬底，n-sub型衬底的顶部设置有sio2埋层，sio2埋层顶部的两侧分别设置有上侧直波导和下侧直波导，sio2埋层顶部的中间分别设置有外环形波导和内环形波导。

本发明的特点还在于：

n-sub型衬底的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，掺杂剂为p离子；n-sub型衬底的高度为100μm～300μm，宽度为2.1μm～2.6μm。

sio2埋层的高度为1μm～2μm，宽度为2.1μm～2.6μm。

上侧直波导的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，掺杂剂为p离子；上侧直波导的高度为180nm～220nm，宽度为400nm～600nm。

下侧直波导的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，掺杂剂为p离子；下侧直波导的高度为180nm～220nm，宽度为400nm～600nm。

外环形波导的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，掺杂剂为p离子；外环形波导的高度为180nm～220nm，宽度为400nm～600nm，半径为3μm～10μm。

内环形波导的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，掺杂剂为p离子；内环形波导的高度为180nm～220nm，宽度为400nm～600nm，半径为2.8μm～9.5μm。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的内外双微环谐振器结构是一种新型微环谐振器结构，是在常规单微环谐振器的基础上，在单个微环的内部增加一个微环，形成内外双环的微环谐振器结构，改善了谐振特性，具有平坦的谐振峰。

(2)本发明的内外双微环谐振器结构，在制作过程中只需要改变环形波导区的光刻版图形状，不需要增加额外的工艺，易于实现，是一种理想的微环谐振器结构。

(3)本发明的内外双微环谐振器结构能改善谐振特性，有效增大微环谐振器的自由光谱范围。

附图说明

图1是本发明一种内外双微环谐振器结构的俯视图；

图2是本发明一种内外双微环谐振器结构的截面示意图；

图3是常规单微环谐振器结构的俯视图；

图4是常规单微环谐振器结构的截面示意图；

图5是常规单微环谐振器结构与本发明内外双微环谐振器结构的谐振光谱输出对比图。

图中，1.n-sub型衬底，2.sio2埋层，3.上侧直波导，4.下侧直波导，5.外环形波导，6.内环形波导，7.环形波导。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种内外双微环谐振器结构，如图1和图2所示，包括n-sub型衬底1，n-sub型衬底1的顶部设置有sio2埋层2，在sio2埋层顶部的两侧分别设置有上侧直波导3和下侧直波导4，在sio2埋层顶部的中间分别设置有外环形波导5和内环形波导6。

本发明一种内外双微环谐振器结构主要由硅材料构成：

n-sub型衬底1的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，掺杂剂为p离子；n-sub型衬底1的高度为100μm～300μm，宽度为2.1μm～2.6μm。

sio2埋层2的高度为1μm～2μm，宽度为2.1μm～2.6μm。

上侧直波导3的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，掺杂剂为p离子；上侧直波导3的高度为180nm～220nm，宽度为400nm～600nm。

下侧直波导4的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，掺杂剂为p离子；下侧直波导4的高度为180nm～220nm，宽度为400nm～600nm。

外环形波导5的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，掺杂剂为p离子；外环形波导5的高度为180nm～220nm，宽度为400nm～600nm，半径为3μm～10μm。

内环形波导6的掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，掺杂剂为p离子；内环形波导6的高度为180nm～220nm，宽度为400nm～600nm，半径为2.8μm～9.5μm。

常规单微环谐振器结构主要由硅材料构成，如图3和4所示，包括n-sub型衬底1，n-sub型衬底1的顶部设置有sio2埋层2，sio2埋层顶部的两侧分别设置有上侧直波导3和下侧直波导4，sio2埋层顶部的中间设置有环形波导7。

本发明一种内外双微环谐振器结构与常规单微环谐振器结构相比，其区别在于：本发明一种内外双微环谐振器结构在单个微环的内部增加一个微环，形成内外双微环的谐振器结构；与常规单微环谐振器结构相比，本发明一种内外双微环谐振器结构具有谐振峰平坦和自由光谱范围大的优点。

本发明一种内外双微环谐振器结构的工作原理具体如下：

本发明一种内外双微环谐振器结构是通过上侧直波导3、外环形波导5、内环形波导6和下侧直波导4之间的相互耦合而产生谐振，其具体工作过程如下：

当一束光波从上侧直波导3进入器件后，随着光波的传输，在上侧直波导3与外环形波导5，以及上侧直波导3与内环形波导6较近的点处会发生耦合效应，使部分光波能量从上侧直波导3耦合到外环形波导5和内环形波导6中，而剩余的光波能量仍沿着上侧直波导3传输。当耦合到外环形波导5和内环形波导6中的光波沿着微环顺时针方向进行传输，传输半周后，又有部分光波能量从外环形波导5和内环形波导6耦合到下侧直波导4中，外环形波导5和内环形波导6中剩余的光波能量继续沿着微环顺时针传输。当光波再传输半周后，与上侧直波导3中的光波发生干涉效应，使上侧直波导3中的光波相干相消，而外环形波导5和内环形波导6中的光波相干相长，光波将从上侧直波导3中完全耦合到外环形波导5和内环形波导6中，而上侧直波导3中几乎没有光波传输，这时称光波在微环中发生谐振，此时的外环形波导5和内环形波导6半径与输入光的波长之间的关系称为谐振条件。在光波传输的过程中，除了上侧直波导3与外环形波导5和内环形波导6，以及下侧直波导4与外环形波导5和内环形波导6发生耦合效应，外环形波导5和内环形波导6之间也会发生耦合效应。

当输入光的波长与外环形波导5和内环形波导6半径满足谐振条件时，该波长的光波在外环形波导5和内环形波导6中发生谐振；当输入光的波长与外环形波导5和内环形波导6半径不满足谐振条件时，光波在外环形波导5和内环形波导6中传输一周后同样也会与上侧直波导3中的光波发生干涉效应，使上侧直波导3中的光波相干相长，而外环形波导5和内环形波导6中的光波相干相消，光波将沿着上侧直波导3传输，外环形波导5和内环形波导6中几乎没有光波传输，此时称光波在外环形波导5和内环形波导6中处于非谐振状态。

常规单微环谐振器结构是通过上侧直波导3、环形波导7和下侧直波导4之间的相互耦合而产生谐振，其具体工作过程如下：

当一束光波从上侧直波导3进入器件后，随着光波的传输，在上侧直波导3与环形波导7较近的点处会发生耦合效应，使得部分光波能量从上侧直波导3耦合到环形波导7中，而剩余的光波能量仍沿着上侧直波导3传输。当耦合到环形波导7中的光波沿着微环顺时针方向进行传输，传输半周后，又有部分光波能量从环形波导7耦合到下侧直波导4中，环形波导7中剩余的光波能量继续沿着微环顺时针传输。当光波再传输半周后，与上侧直波导3中的光波发生干涉效应，使得上侧直波导3中的光波相干相消，而环形波导7中的光波相干相长，光波将从上侧直波导3中完全耦合到环形波导7中，而上侧直波导3中几乎没有光波传输，此时称光波在微环中发生谐振，此时的环形波导7半径与输入光的波长之间的关系称为谐振条件。

当输入光的波长与环形波导7半径满足谐振条件时，该波长的光波在环形波导7中发生谐振；当输入光的波长与环形波导7半径不满足谐振条件时，光波在环形波导7中传输一周后同样也会与上侧直波导3中的光波发生干涉效应，使得上侧直波导3中的光波相干相长，而环形波导7中的光波相干相消，光波将沿着上侧直波导3传输，环形波导7中几乎没有光波传输，此时称光波在环形波导7中处于非谐振状态。

本发明一种内外双微环谐振器结构在研究中发现：

通过在常规单微环谐振器的内部加入一个微环，形成内外双微环谐振器结构，可以有效增加谐振锋的平坦度和自由光谱范围。这种内外双微环谐振器结构特性与内环宽度，环间距等参数有很大的关系。通过调整内环宽度，可以控制谐振点的偏移，将两个谐振峰间的距离拉近，形成近矩形的谐振峰光谱；通过调整环间距，可以控制环间的耦合系数，选取合适的环间距，可以形成平坦的谐振峰光谱。

本发明一种内外双微环谐振器结构在仿真中主要针对其输出光谱进行仿真，在仿真中发现：一种内外双微环谐振器结构的谐振峰更平坦，自由光谱范围更大，一种内外双微环谐振器结构与常规单微环谐振器结构输出光谱的对比仿真结果分别如图5所示。

从图5中可以看出：本发明一种内外双微环谐振器结构的谐振峰更加平坦，谐振时光强的下降斜率更大，自由光谱范围比常规单微环谐振器结构大了22％。

从图5中可以看出：本发明一种内外双微环谐振器结构的谐振波长发生了明显的红移，其原因是谐振条件中微环半径与谐振波长成正比，新加入的内部微环使得光波传输时会在内外双环波导中来回进行耦合，增大了光波传输的距离，相当于微环半径增加，因此谐振波长增加，形成谐振峰红移现象。

本发明一种内外双微环谐振器结构结合理论会得出：新的结构不仅可采用内外双环结构，也可采用多环结构，随着环数的增加，可控制谐振点的偏移，增大消光比。本发明一种内外双微环谐振器结构是在常规单微环谐振器的基础上，在单个微环的内部增加一个微环，形成内外双环的微环谐振器结构，具有谐振峰平坦和自由光谱范围大的优点。