专利名称：消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器及制作方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器及制作方法。
背景技术：
微腔滤波器是一种利用微腔的选频作用实现信道内信号选择性下载的器件。由于微腔体积小，信道线宽窄，自由谱域大，以及利用级联腔结构可以实现多样滤波特性等特点，是波分复用(WDM)系统中非常有应用前景的分波器件(C.Manolatou，etc，Coupling of modes analysis of resonantchannel add-drop filters，IEEE J.Quantum Electron.35，p.1322(1999))。
基于分布反馈的滤波器由于单个腔仅支持驻波模式，因此需要至少两个谐振腔才能实现完全的信号下载。环形微腔波导滤波器由于具有高品质因子的行波模特点，可以在小尺寸腔结构下获得窄线宽、大自由谱宽的滤波特性，而且级联的多个环形微腔波导可以有更大的设计自由度，得到改善特性的高阶滤波性能。(B.E.Little，etc，Microring resonator channeldropping filters，J.Lightwave Technol.15，p.998(1997))。在普通的圆环形微腔波导滤波器中，由于圆环和输入输出直波导部分的耦合长度很短，耦合效率非常低。为了解决这个问题，又提出了环形微腔波导滤波器(R.Grover，etc，Laterally coupled InP Based single modemicroracetrack notch filter，IEEE Photon.Technol.Lett.15，p.1082(2003))。同时这种微腔和波导耦合结构在波导耦合激光器(S.J.Choi，etc，Eight-channelmicrodisk CW laser arrays vertically coupled to commonoutput bus waveguides，IEEE Photon.Technol.Lett.16，p.356(2004))，调制器(Q.Xu，etc，Micrometre-scale silicon electro-optic modulator，Nature 435，p.325(2005))，延迟器(J.K.S.Poon，etc，Transmission and group delay of microringcoupled-resonator optical waveguides，Opt.Lett.31，p.456(2006))和逻辑门(T.A.Ibrahim，etc，Alloptical and/nand logic gates using semiconductormicroresonators，IEEE Photon.Technol.Lett.15，p.1422(2003))等应用中得到广泛关注。在所有这些应用中，波导和微腔的耦合是基础。在滤波器中，它直接决定了滤波效率、消光比和开关比等性能参数。耦合色散又是在设计滤波器工作波长范围的重要参数，尤其在强耦合情况下，严重的耦合色散使得滤波器非谐振波长处的能量也大幅下载(R.Grover，etc，Laterally coupled InP Based single modemicroracetrack notch filter，IEEE Photon.Technol.Lett.15，p.1082(2003)；P.Dumon，etc，Low loss SOIphotonic wires and ring resonators fabricated with deepUV lithography，IEEE Photon.Technol.Lett.16，p.1328(2004))。本发明针对环形微腔波导滤波器中的耦合色散问题，通过分析不同结构参数下滤波特性的变化，优化滤波器结构来减弱分布模式耦合现象，提高滤波器的消光比和精细度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器及制作方法，通过考察输入波导及输出波导和环形微腔波导宽度间的差异对环形微腔波导滤波器消光比和精细度的影响，实现对器件波导结构的优化，减弱甚至消除分布模式耦合现象，得到高消光比和高精细度的环形微腔波导滤波器。
本发明的目的是通过以下方案实现的
本发明一种消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤(1)在衬底上依次生长下波导包层、波导层和上波导包层；(2)在清洗干净的上波导包层表面涂上光刻胶；(3)通过普通光刻或电子束曝光和显影技术将所需的图形转移到光刻胶上；(4)通过化学腐蚀或干法刻蚀，得到整个器件结构。
其中通过化学腐蚀或干法刻蚀，刻蚀深度停止在波导层或下波导包层的中间。
其中所需的图形为环形微腔波导，在环形微腔波导的两侧有两条直线形状的输入波导和输出波导。
其中该输入波导和输出波导的宽度大于或小于环形微腔波导的宽度。
其中波导层的折射率高于上波导包层和下波导包层的折射率。
其中波导层的材料为III-V族材料或Si基材料。
其中输入波导的一端为输入端，另一端为透射端，输出波导为下载端。
本发明一种消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器，其特征在于，包括
一衬底；一下波导包层，该下波导包层生长在衬底上，该下波导包层的表面经刻蚀形成有环形微腔波导，在环形微腔波导的两侧形成有一直线状的输入波导和一输出波导；一波导层，该波导层生长在下波导包层上形成的环形微腔波导和输入波导及输出波导上；一上波导包层，该上波导包层生长在波导层上。
其中该输入波导和输出波导的宽度大于或小于环形微腔波导的宽度。
其中波导层的折射率高于上波导包层和下波导包层的折射率。
其中波导层的材料为III-V族材料或Si基材料。
其中输入波导的一端为输入端，另一端为透射端，输出波导为下载端。
为了更好的说明本发明的目的，以下结合附图及实施例详细说明如后，其中图1为本发明环形微腔波导滤波器的纵向剖面图；图2为图1的俯视图；图3为对称光波导结构的环形微腔波导滤波器中输入波导222的透射端的归一化传输谱；图4为非对称光波导结构的环形微腔波导滤波器中输入波导222的透射端的归一化传输谱；图5为环形微腔波导滤波器中在输入波导222宽度不同时输入波导222的透射端的单程归一化传输谱；图6为环形微腔波导滤波器中在输入波导222宽度不同时输入波导222的透射端的单程归一化传输谱。
具体实施例方式
请参阅图1及图2，本发明一种消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，包括如下步骤(1)在衬底11上依次生长下波导包层22、波导层33和上波导包层44；其中波导层33的折射率高于上波导包层44和下波导包层22的折射率；其中波导层33的材料为III-V族材料或Si基材料；(2)在清洗干净的上波导包层44表面涂上光刻胶55；(3)通过普通光刻或电子束曝光和显影技术将所需的图形转移到光刻胶55上，其中所需的图形为环形微腔波导333，在环形微腔波导333的两侧有两条直线形状的输入波导222和输出波导444；其中该输入波导222和输出波导444的宽度大于或小于环形微腔波导33的宽度；其中输入波导222的一端为输入端，另一端为透射端，输出波导444为下载端；(4)通过化学腐蚀或干法刻蚀，得到整个器件结构；所述通过化学腐蚀或干法刻蚀，刻蚀深度停止在波导层33或下波导包层22的中间。
结合参阅图1及图2，本发明一种消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器，包括一衬底11；一下波导包层22，该下波导包层22生长在衬底11上，该下波导包层22的表面经刻蚀形成有环形微腔波导333，在环形微腔波导333的两侧形成有一直线状的输入波导222和一输出波导444；一波导层33，该波导层33生长在下波导包层22上形成的环形微腔波导333和输入波导222及输出波导444上；其中该输入波导222和输出波导444的宽度大于或小于环形微腔波导333的宽度；其中输入波导222的一端为输入端，另一端为透射端，输出波导444为下载端；其中波导层33的折射率高于上波导包层44和下波导包层22的折射率；其中波导层33的材料为III-V族材料或Si基材料；一上波导包层44，该上波导包层44生长在波导层33上。
请再参阅图1和图2，本发明一种消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，包括如下步骤(1)在清洗干净的衬底11上依次生长下波导包层22、波导包层33和上波导包层44；(2)在第(1)步外延生长好的结构片上涂光刻胶55，通过普通光刻或者电子束曝光及显影技术将所需平面图形转移到光刻胶55上，平面图形定义见图2，图中显示的是环形微腔波导333，但不限于环形微腔波导333，任何环形微腔波导都适合。输入波导222和输出波导444波导宽度相等，且不等于环形微腔波导333的波导宽度。输入波导222离开环形微腔波导333的距离可以和输出波导444离开环形微腔波导333的距离相等，也可以不等。
(3)通过化学腐蚀或者干法刻蚀方法将光刻胶55上的图形转移到上波导包层44、波导层33和下波导包层22。其中刻蚀可以停止在波导层33或者下波导包层22的中间，重点保证上波导包层44被刻蚀透过。
请再结合参阅图1所示，波导层33是高折射率材料的波导层33，可以是Si基中的SiN，也可以是III-V族材料中的GaAs和InGaAsP。波导层33上下分别由上波导包层44和下波导包层22覆盖，上波导包层44和下波导包层22可以是同种材料也可以是不同材料，主要保证其折射率低于波导层33。上波导包层44还可以是空气层，即波导层33直接和空气接触。衬底11是器件衬底，衬底11应该和下波导包层44晶格匹配，也可以和下波导包层44采用相同的材料。再结合图2所示，输入波导222和输出波导444是滤波器结构中的输入波导222和输出波导444，其中输入波导222两端分别定义为滤波器的输入端和透射端，输出波导444中和输入波导222中输入端同侧的端口定义为下载端。图2中除去环形微腔波导333，输入波导222，输出波导444的阴影区域，其他部分都代表空气。
请参阅图2所示，入射信号由输入波导222的输入端进入，与环形微腔波导333发生耦合后部分留在输入波导222中由透射端输出，部分进入输出波导444由下载端输出。
图3为对称光波导结构(输入波导222及输出波导444的波导宽度等同于环形微腔波导333的波导宽度)环形微腔波导滤波器中输入波导222的透射端的归一化传输谱。此图是对图1和图2所示器件的数值模拟结果，只是此时采用了对称光波导结构。计算中选用的结构参数如下环形微腔波导333的直波导部分长3.5微米，圆环部分外径2微米，这两个参数选择对应信道间隔5THz。环形微腔波导333的波导宽，输入波导222和输出波导444波导宽同为0.2微米，这样的波导宽度保证在考虑波长范围内是单模波导。输入波导222和输出波导444和环形微腔波导333间距同为0.2微米。环形微腔波导333的波导宽，输入波导222和输出波导444在二维模形下的等效折射率同为3.2，这对应InGaAsP材料纵向多层结构的等效折射率。图3中实线分别是输入波导222透射端信号功率流相对入射波的归一化传输谱，虚线是单程归一化传输谱，即对应光信号沿环形微腔波导333中传播一周前的传输谱。虚线值越大对应环形微腔波导333和输入波导222的耦合越弱。由图3可以看到明显的分布模式耦合现象，输入波导222透射端传输谱的包络在波长1.55微米附近出现了一个深坑，近80纳米的范围内无论是否谐振波长处的输入波导222透射端的传输率都低于10％。例如相邻两个谐振模中间的非谐振波长1.5528微米处的传输率仅9.3％，也就是近90％的功率流从输出波导444的下载端输出，此时消光比(谐振波长处传输能流和非谐振波长处传输能流之比)只有0.4dB，精细度(自由谱域和谐振波长处的谐振模式线宽的比)仅为1。同时发现在2.0707微米处的一个谐振波长处信号在输入波导222透射端传输率接近1，也就是信号几乎零下载。
图4为非对称光波导结构(输入波导222及输出波导444的波导宽度不等于环形微腔波导333的波导宽度)环形微腔波导滤波器中输入波导222的透射端的归一化传输谱。这里输入波导222和输出波导444的波导宽0.24微米，其他参数和图3相同。可以看到输入波导222透射端的传输谱中的坑几乎消失。比较整个波长范围内相邻两个谐振模中间的非谐振波长处输入波导222透射端的传输率，在1.6025微米处最小但仍大于96％，此时消光比达到14.7dB，比对称光波导结构提高了36倍。而且传输谱谷底的谐振峰展宽也被抑制，与图3的结果比较精细度提高了8倍，因此我们可以采用这种非对称光波导结构来抑制甚至消除这种分布耦合现象，提高器件消光比和精细度。
图5为环形微腔波导滤波器中在不同输入波导222的波导宽度时输入波导222透射端的单程归一化传输谱，其中其他参数和图3相同。可以看到输入波导222的波导宽度与环形微腔波导333的波导宽度差别越大，单程归一化传输谱最小值越大，也就是耦合越弱，分布模式耦合现象越不明显。根据这个变化趋势，可以根据实际应用的需要优化波导宽度，最大限度消除分布模式耦合现象，提高消光比和精细度。一般在环形微腔波导333的波导宽度取为0.2微米时，输入波导222的波导宽度取为0.24微米较好。
图6为圆环形微腔波导滤波器中在不同输入波导222的波导宽度时输入波导222的透射端的单程归一化传输谱。圆环外半径分别为4，6，10微米，其他结构参数同图3。在输入波导222的波导宽度为0.2微米的对称波导结构中，同样存在明显的分布模式耦合现象，这是一种环形微腔波导滤波器中的普遍现象。在输入波导222的波导宽度为0.26微米的非对称波导结构中，发现分布模式耦合同样受到很大的抑制。
最后去掉最上层的光刻胶55。
前面以InGaAsP材料系为例对本发明进行了说明，但不构成对本发明的限制。
本发明所揭示的，乃较佳实施例的一种，凡是局部的变更或修饰而源于本实用新形的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。
权利要求
1.一种消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤(1)在衬底上依次生长下波导包层、波导层和上波导包层；(2)在清洗干净的上波导包层表面涂上光刻胶；(3)通过普通光刻或电子束曝光和显影技术将所需的图形转移到光刻胶上；(4)通过化学腐蚀或干法刻蚀，得到整个器件结构。
2.根据权利要求1所述的消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，其特征在于，其中通过化学腐蚀或干法刻蚀，刻蚀深度停止在波导层或下波导包层的中间。
3.根据权利要求1所述的消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，其特征在于，其中所需的图形为环形微腔波导，在环形微腔波导的两侧有两条直线形状的输入波导和输出波导。
4.根据权利要求3所述的消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，其特征在于，其中该输入波导和输出波导的宽度大于或小于环形微腔波导的宽度。
5.根据权利要求2所述的消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，其特征在于，其中波导层的折射率高于上波导包层和下波导包层的折射率。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，其特征在于，其中波导层的材料为III-V族材料或Si基材料。
7.根据权利要求3所述的消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，其特征在于，其中输入波导的一端为输入端，另一端为透射端，输出波导为下载端。
8.一种消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器，其特征在于，包括一衬底；一下波导包层，该下波导包层生长在衬底上，该下波导包层的表面经刻蚀形成有环形微腔波导，在环形微腔波导的两侧形成有一直线状的输入波导和一输出波导；一波导层，该波导层生长在下波导包层上形成的环形微腔波导和输入波导及输出波导上；一上波导包层，该上波导包层生长在波导层上。
9.根据权利要求8所述的消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器，其特征在于，其中该输入波导和输出波导的宽度大于或小于环形微腔波导的宽度。
10.根据权利要求9所述的消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器，其特征在于，其中波导层的折射率高于上波导包层和下波导包层的折射率。
11.根据权利要求8或10所述的消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器，其特征在于，其中波导层的材料为III-V族材料或Si基材料。
12.根据权利要求8所述的消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器，其特征在于，其中输入波导的一端为输入端，另一端为透射端，输出波导为下载端。
全文摘要
本发明一种消除分布模式耦合的环形微腔波导滤波器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤(1)在衬底上依次生长下波导包层、波导层和上波导包层；(2)在清洗干净的上波导包层表面涂上光刻胶；(3)通过普通光刻或电子束曝光和显影技术将所需的图形转移到光刻胶上；(4)通过化学腐蚀或干法刻蚀，得到整个器件结构。
文档编号H01P1/20GK101079512SQ20061001198
公开日2007年11月28日 申请日期2006年5月25日 优先权日2006年5月25日
发明者陈沁 , 杨跃德, 黄永箴 申请人:中国科学院半导体研究所