一种基于微环阵列的集成可调光延时线及其制备方法与流程

本发明涉及光学器件制备领域，更具体地，涉及一种基于微环阵列的集成可调光延时线及其制备方法。

背景技术：

可调光延时线是信号处理与通信中的关键模块之一，主要用于相控阵雷达中微波频段的延时。传统相控阵雷达存在孔径效应和渡越时间等因素的制约，可调光延迟线能克服上述问题，实现大角度下的瞬时带宽。

然而，现有的光延时线普遍存在尺寸、重量较大，便携性差以及延时精度较低且不能满足使用需求等问题。集成可调光延时线一般分为两种，一种方案是基于scissor(side-coupledintegratedspacedsequencesofresonators)或光子晶体波导，另一种方案是对输入光进行滤波后，再对不同波长的光附加不同的延时量。前者的优点是具有连续的延时，但是损耗较大，带宽较窄；后者带宽较宽，但是附加的延时量为固定的最小延时，导致延时精度不足。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的光损耗大、带宽窄、延时精度低等缺陷，提供一种基于微环阵列的集成可调光延时线及其制备方法，能够使输入的光信号产生更高延时精度的延时量，同时减少输入光的损耗，增大带宽。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于微环阵列的集成可调光延时线，包括soi衬底，其中soi衬底上表面设置有由若干个耦合谐振腔光波导(coupled-resonatoropticalwaveguide，crow)、若干个延时波导和若干个耦合波导组成的微环阵列以及输入波导和输出波导；若干个耦合谐振腔光波导在soi衬底上表面从左到右依次分布；每个耦合谐振腔光波导中设置有奇数个前后依次级联的微环，其中位于耦合谐振腔光波导首末的两个微环，其靠近外侧的一端耦合连接有耦合波导；相邻的耦合谐振腔光波导通过耦合波导连接，且相邻的耦合谐振腔光波导之间的耦合波导上连接有延时波导；微环阵列一端的耦合谐振腔光波导，其位于首末的两个微环中靠近外侧的一端分别连接有输入波导和输出波导。

本技术方案中，微环阵列中由奇数个前后依次级联的微环构成的耦合谐振腔光波导能够提供一个小范围的连续可调延时功能；由于光信号在微环中产生的延时量与所产生的带宽的乘积近似为一个常数，因此本方案的微环只用于提供一个小范围的延时，大范围的步进式延时由延时波导实现，从而增大光信号的带宽；微环阵列中的耦合波导用于将相邻的耦合谐振腔光波导以及延时波导耦合连接设置。具体地，当输入光满足第一个耦合谐振腔光波导的谐振条件时，输入光进入第一个耦合谐振腔光波导后直接通过输出波导输出；当输入光满足第二个耦合谐振腔光波导的谐振条件时，输入光进入第一个耦合谐振腔光波导后再经过一段延时波导，再进入第二个耦合谐振腔光波导后再通过输出波导输出。因此本技术方案能够通过调节输入光的波长，将其调节到目标耦合谐振腔光波导的谐振波长，即可使输入光产生所需的延时。

优选地，微环阵列中每两个相邻的耦合谐振腔光波导的中心波长间距相等，耦合谐振腔光波导的中心波长由微环的谐振公式得到，其公式如下：

m·λ0＝neff·l

其中，m为谐振级数，λ0为中心波长，neff为波导的有效折射率，l为微环的周长。本优选方案通过设计等间距的中心波长，实现在一个耦合谐振腔光波导的两个谐振峰之间可以同时容纳其他耦合谐振腔光波导的谐振峰，避免相邻的耦合谐振腔光波导串扰。

优选地，各个耦合谐振腔光波导中的微环的半径相同，不同耦合谐振腔光波导中的微环的半径根据耦合谐振腔光波导的分布位置从左向右线性增大，其中微环的半径差根据所设计的中心波长间距决定。

优选地，耦合波导在其与微环耦合的位置弯曲设置，该弯曲设置的耦合波导用于满足微环的耦合系数要求。

优选地，耦合波导在其与延时波导连接的位置楔形设置。

优选地，soi衬底由硅衬底以及沉积在硅衬底上表面的二氧化硅掩埋层组成，soi衬底的上表面设置有硅芯层，硅芯层的上表面设置有二氧化硅包层，微环阵列、输入波导、输出波导设置在硅芯层中。

优选地，集成可调光延时线中的二氧化硅包层的厚度为900nm，硅芯层的厚度为220nm，二氧化硅掩埋层的厚度为3μm，硅衬底的厚度为700μm。

优选地，集成可调光延时线还包括若干个热光调谐器，每个微环的上表面覆盖设置有一个热光调谐器。本优选方案提供一种当输入的光信号的波长固定时的方案，通过向热光调节器输入控制信号，使微环的谐振频率发生偏移，从而改变输入光通过耦合谐振腔光波导的个数，实现输入光延时量的连续可调。

优选地，热光调谐器由镍铬和金制成，通过在微环对应的位置上溅射镍铬和金制成。

本发明还提出一种基于微环阵列的集成可调光延时线的制备方法，包括以下步骤：

s1：在soi上旋涂电子胶，利用电子束曝光技术将耦合谐振腔光波导、延时波导、耦合波导、输入波导和输出波导的图形转移到电子胶上；

s2：利用感应耦合等离子体刻蚀方法对曝光区域进行刻蚀，然后去胶，完成光延时线的制备。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)soi衬底上表面设置的微环阵列能够实现小范围的连续延时以及大范围的步进式延时，使输入的光信号能够产生更高延时精度的延时量；

(2)相邻的耦合谐振腔光波导中的微环设置有半径差，使微环阵列具有滤波器的性质，同时避免相邻的耦合谐振腔光波导发生串扰现象；

(3)耦合谐振腔光波导中的微环提供一个小范围的延时量，使输出的带宽更大；

(4)集成可调光延时线基于soi衬底制作，使其具有性能稳定的特点；

(5)通过在微环阵列所在的硅芯层上表面覆盖一层二氧化硅包层，有效减少光信号的损耗。

附图说明

图1为本实施例的集成可调光延时线的结构示意图。

图2为本实施例的微环阵列的部分结构示意图。

图3为本实施例的基于微环阵列的集成可调光延时线的制备方法的流程图。

图4为本实施例的模拟光谱响应曲线图。

图5为本实施例的光谱相应曲线与延时数据的测试结果示意图。

其中，1-耦合谐振腔光波导，101-微环，2-延时波导，3-耦合波导，4-输入波导，5-输出波导。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1、2所示，为本实施例的基于微环阵列的集成可调光延时线的结构示意图。

本实施例的基于微环阵列的集成可调光延时线包括soi衬底，其中soi衬底上表面设置有若干个耦合谐振腔光波导1、若干个延时波导2、若干个耦合波导3、输入波导4和输出波导5，其中若干个耦合谐振腔光波导1在soi衬底上表面从左到右依次分布；每个耦合谐振腔光波导1中设置有奇数个前后依次级联的微环101，其中位于耦合谐振腔光波导1首末的两个微环101，其靠近外侧的一端耦合连接有耦合波导3；相邻的耦合谐振腔光波导1通过耦合波导3连接，且相邻的耦合谐振腔光波导1之间的耦合波导3上连接有延时波导2，且耦合波导3与延时波导2连接的位置楔形设置；微环阵列一端的耦合谐振腔光波导1，其位于首末的两个微环101中靠近外侧的一端分别连接有输入波导4和输出波导5。

本实施例用于实现从0到105ps的8种延时，延时步长为15ps，其中以第一个耦合谐振腔光波导1为基准，其延时为0。

本实施例的集成可调光延时线中包括了8个耦合谐振腔光波导1，考虑到只设置一个微环所输出的光信号的带宽太小，而微环数目过多会带来额外的工艺误差，因此本实施例中每个耦合谐振腔光波导1中包括3个前后依次级联的微环101。

本实施例中微环阵列中每两个相邻的耦合谐振腔光波导1的中心波长间距相等，而耦合谐振腔光波导1的中心波长由微环的谐振公式得到，其公式如下：

m·λ0＝neff·l

其中，m为谐振级数，λ0为中心波长，neff为波导的有效折射率，l为微环的周长。因此通过改变微环101的半径即可改变耦合谐振腔光波导1的中心波长。

本实施例中，各个耦合谐振腔光波导1中的微环101的半径相同，不同耦合谐振腔光波导1中的微环101的半径根据耦合谐振腔光波导1的分布位置从左向右线性增大。

此外，考虑到一个耦合谐振腔光波导1的两个谐振峰之间需要容纳7个谐振峰，因此需要一个较大的自由光谱区，对应一个相对较小的微环半径。

通过模拟计算，本实施例中相邻的耦合谐振腔光波导1内的微环101的半径差为12nm，其中第一个耦合谐振腔光波导1内的微环101的半径均为4μm，第二个耦合谐振腔光波导1内的微环101的半径均为4.012μm，以此类推，最后一个耦合谐振腔光波导1内的微环101的半径均为4.084μm。且本实施例中的微环101的宽度均为480nm，厚度均为220nm，自由光谱区宽度为22.7nm。

本实施例中设置在耦合谐振腔光波导1两端的耦合波导3的宽度为400nm，厚度为220nm，且耦合波导3在其与微环101耦合的位置弯曲设置。

本实施例中的延时波导2的长度由延时步长决定，光在波导中的延时由以下公式决定：

t＝ng·l/c

其中，t表示延时，ng为群折射率，l为波导在光传播方向的长度，c为光速。通过模拟计算和实验测试，经过确定各种宽度的波导的损耗和延时量，通过比较达到相同的延时量时各种宽度的波导的损耗大小，并综合考虑器件尺寸等因素，确定在相邻微环间使用的延时波导2的宽为2μm时，损耗能达到最小。因此本实施例所采用的延时波导2的宽度为2μm，长为590μm，厚度为220nm。由于耦合波导3的宽度为400nm，延时波导2的宽度为2μm，耦合波导3与延时波导2连结处的需要线性地从400nm拓宽到2μm，或是从2μm缩窄到400nm，因此耦合波导3在其与延时波导2连接的位置楔形设置。

本实施例还涉及一种基于微环阵列的集成可调光延时线的制备方法，包括以下步骤：

s1：在soi衬底上旋涂电子胶，利用电子束曝光技术将耦合谐振腔光波导1、延时波导2、耦合波导3、输入波导4和输出波导5的图形转移到电子胶上；

s2：利用感应耦合等离子体刻蚀方法对曝光区域进行刻蚀，然后去胶，即完成本实施例的基于微环阵列的集成可调光延时线的制备。

在具体实施过程中，本实施例通过调节输入的光信号的波长，将其调节到目标耦合谐振腔光波导组目对应的谐振波长，即可控制光信号通过的目标耦合谐振腔光波导组目，从而决定了光信号通过的延时波导的数量，得到所需要的延时。

输入光通过输入波导4输入，当输入光的波长满足第一个耦合谐振腔光波导1的谐振条件时，输入光进入第一个耦合谐振腔光波导1后再从输出波导5输出0延时的光；当输入光的波长满足第二个耦合谐振腔光波导1的谐振条件时，输入光进入第一个耦合谐振腔光波导1后再经过一段延时波导，再进入第二个耦合谐振腔光波导1后再通过输出波导5输出延时步长为15ps的光；当输入光的波长满足第三个耦合谐振腔光波导1的谐振条件时，输入光进入第一个耦合谐振腔光波导1后经过第一段延时波导，再进入第二个耦合谐振腔光波导1后经过第二段延时波导，再进入第三个耦合谐振腔光波导1后通过输出波导5输出，该输出光的延时为30ps。

如图4所示，为本实施例的模拟光谱响应曲线图，其中x轴表示输入光的波长，y轴表示输出功率。如图5所示，为本实施例的模拟光谱响应曲线与延时数据的测试结果示意图，其中x轴表示输入光的波长，y轴表示输出功率和延时时长。由图可知，本实施例的相邻通道串扰约为40db，3db带宽约为1.1nm。

本实施例中前后级联的微环101构成的耦合谐振腔光波导1能够提供一个小范围的连续可调延时功能，而延时波导2提供大范围的步进式的延时功能。本实施例通过耦合谐振腔光波导1和延时波导2的联合应用，考虑到光在微环的延时与带宽的乘积近似于一个常数，即要在微环的谐振峰中产生较大的延时，其带宽也会相应减小，而本实施例中的微环只需要产生一个较小的延时，由延时波导来产生较大的延时，即可在实现更高延时精度的延时量的同时，产生一个较大的带宽。

实施例2

本实施例的基于微环阵列的集成可调光延时线包括soi衬底，其中soi衬底上表面设置有若干个耦合谐振腔光波导1、若干个延时波导2、若干个耦合波导3、输入波导4和输出波导5，其中若干个耦合谐振腔光波导1在soi衬底上表面从左到右依次分布；每个耦合谐振腔光波导1中设置有奇数个前后依次级联的微环101，其中位于耦合谐振腔光波导1首末的两个微环101，其靠近外侧的一端耦合连接有耦合波导3；相邻的耦合谐振腔光波导1通过耦合波导3连接，且相邻的耦合谐振腔光波导1之间的耦合波导3上连接有延时波导2，且耦合波导3与延时波导2连接的位置楔形设置；微环阵列一端的耦合谐振腔光波导1，其位于首末的两个微环101中靠近外侧的一端分别连接有输入波导4和输出波导5。

本实施例用于实现从0到105ps的8种延时，延时步长为15ps，其中以第一个耦合谐振腔光波导1为基准，其延时为0。

本实施例的集成可调光延时线中包括了8个耦合谐振腔光波导1，考虑到一个微环的带宽太小，而微环数目过多会带来额外的工艺误差，因此本实施例中每个耦合谐振腔光波导1中包括3个前后级联的微环101。

本实施例中的耦合波导3的宽度为400nm，厚度为220nm，且耦合波导3在其与微环101耦合的位置弯曲设置；延时波导2的宽度为2μm，长为590μm，厚度为220nm。由于延时波导2与耦合波导3的宽度相差较大，因此耦合波导3在其与延时波导2连接的位置楔形设置。

本实施例的soi衬底由硅衬底以及沉积在硅衬底上表面的二氧化硅掩埋层组成，soi衬底的上表面设置有硅芯层，硅芯层的上表面设置有二氧化硅包层，微环阵列、输入波导4、输出波导5设置在硅芯层中，其中二氧化硅薄层的厚度为900nm，硅芯层的厚度为220nm，二氧化硅掩埋层的厚度为3μm，硅衬底的厚度为700μm，且微环阵列、输入波导4、输出波导5设置在硅芯层中。

此外，本实施例中每个微环101的上表面覆盖设置有1个热光调谐器，其中热光调谐器由镍铬和金制成。

本实施例的基于微环阵列的集成可调光延时线的制备方法流程图如图3所示，包括以下步骤：

s1：在soi上旋涂电子胶，利用电子束曝光技术将耦合谐振腔光波导、延时波导、耦合波导、输入波导和输出波导的图形转移到电子胶上；

s2：利用感应耦合等离子体刻蚀方法对曝光区域进行刻蚀，然后去胶；

s3：利用电感耦合等离子体化学气相沉积在器件表面覆盖一层二氧化硅，制备二氧化硅保护包层；

s4：在二氧化硅层上旋涂一层光刻胶，使用光刻技术将电阻转移到光刻胶上，利用电子束蒸镀技术制作一层镍铬作为电阻层，然后去胶；

s5：在二氧化硅层上旋涂一层光刻胶，使用光刻技术将电极转移到光刻胶上，利用电子束蒸镀技术制作一层金电极作为导电层，然后去胶，完成本实施例的基于微环阵列的集成可调光延时线的制备。

在具体实施过程中，通过调节输入光的波长，将其调节到目标耦合谐振腔光波导的谐振波长，即可控制输入光通过的目标耦合谐振腔光波导组目，从而决定了光通过的延时波导的数量，得到所需要的延时。

输入光通过输入波导4输入，当输入光的波长满足第一个耦合谐振腔光波导的谐振条件时，输入光进入第一个耦合谐振腔光波导1后再从输出波导5输出0延时的光；当输入光的波长满足第二个耦合谐振腔光波导1的谐振条件时，输入光进入第一个耦合谐振腔光波导1后再经过一段延时波导，再进入第二个耦合谐振腔光波导1后再通过输出波导5输出延时步长为15ps的光；当输入光的波长满足第三个耦合谐振腔光波导1的谐振条件时，输入光进入第一个耦合谐振腔光波导1后经过第一段延时波导，再进入第二个耦合谐振腔光波导1后经过第二段延时波导，再进入第三个耦合谐振腔光波导1后通过输出波导5输出，该输出光的延时为30ps。

本实施例所增设的热光调谐器用于提供一种当输入的光信号的波长固定时的方案，通过向热光调节器输入控制信号，使微环的谐振频率发生偏移，从而改变输入光通过耦合谐振腔光波导的个数，实现输入光延时量的连续可调，同时还可用于消除工艺误差带来的波长漂移的影响。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。