[发明专利]单环有源的双环耦合共振腔

说明书

一.技术领域

本发明涉及一种单环有源的电控双环耦合共振腔元器件；涉及一系列基于此种元器件的光电子器件；涉及利用外延、镀膜、光刻、腐蚀、刻蚀等半导体工艺技术制作此种元器件并将其应用于一系列基于此种元器件的方法。

二.技术背景

耦合环形共振腔，特别是尺寸达到100微米量级以下的耦合微环共振腔被认为是未来光通信和光子器件的核心元器件。由于具有速度快、灵敏度高、体积小、结构简单等特点，环形共振腔可以用以实现光信号的窄带滤波、上下路、双稳态、光开关、调制、共振放大、灵敏探测等功能，因此可以广泛地应用于滤波器、M-Z干涉仪、光交叉连接器、分叉复用器、多波长同步调制器、激光器、生物光信号探测器等一系列光器件。

环形共振腔对光信号的响应是通过改变波导材料折射率进而改变光波相位进行调节的。而波导材料折射率的改变可以通过光致折射率效应、电注入载流子或者热电效应等机制来实现。环形共振腔的性能主要依赖于两个参数：损耗(包括耦合器的插入损耗、材料的吸收损耗和由表面粗糙和侧壁引起的散射损耗等)和耦合系数。由于损耗的存在和工艺误差所引起的耦合系数的偏移会导致环形共振腔中心波长的漂移和消光比的降低，并可能引起信号串绕。为了提高环形共振腔的性能，有必要引入增益和调节机制，以增加器件的灵活性和可控性，例如：对于光纤环腔引入掺铒光纤放大器，而对于III-V族半导体材料引入有源层。

相对于其它材料，采用III-V族半导体材料制作环腔的优势有：1、可以实现环腔的微型化；2、可以方便地引入有源层补偿损耗；3、工艺成熟；4、可以方便地通过各种方式改变材料折射率；4、可以与其它III-V族半导体器件集成。

对于有源耦合环形共振腔，通过载流子的电流注入既可以实现光波的相位调制，也可以进行增益补偿。然而，对于特定功能的实现，一个自变量(注入电流)的调节难以使得两个独立的参数(相位和损耗或者增益系数)同时满足要求。通过在环腔某一段加热，利用热光效应可以独立地调节光波相位，实现波长校准，但这严重限制了器件的速度。

三.发明内容

本发明提供一种单环有源的电控双环耦合共振腔元器件。该元器件保持了有源环形共振腔的优点，并且可以对相位和损耗分别独立地通过电流注入载流子进行调节，有利于实现速度快、消光比高、波长可以校准的高性能光器件。

发明目的：实现环形耦合共振腔相位和损耗的独立高速调制。

本发明的技术解决方案如下：

1.本器件由一个有源环形共振腔、一个无源环形共振腔、一个用于耦合两个环形共振腔的耦合器(标记为C₀)与另外若干个耦合器组成。

2.所谓环形共振腔包括圆环波导、跑道形波导、矩形波导或由直线、弧线等任意线形波导组成的周而复始的波导结构。

3.有源环形共振腔和无源环形共振腔通过耦合器C₀相耦合。

4.两环形共振腔上均制作电极，可以通过电流注入载流子。

5.双环的任一位置均可以通过耦合器和另外的环形共振腔或者直波导或者其它任意形状的波导耦合而构成新的光器件。

6.光波通过耦合器耦合进或者耦合出该元器件。

7.两环形共振腔上均制作有电极，分别独立地通过电流注入载流子对光波进行调制。

8.有源环形共振腔对光波进行强度调制的同时，也进行相位调制。在有源环形共振腔中，通过载流子的电流注入可以引入增益，从而补偿整个元器件的损耗；由于注入载流子对折射率的调制效应，该元器件内传输的光波相位也会改变。

9.无源环形共振腔仅对光波进行相位调制。在无源环形共振腔中载流子的电流注入不改变损耗，仅改变波导的折射率，不但可以对该元器件内传输的光波相位灵活地进行调制，还可以改善由于工艺误差、损耗和有源环形共振腔注入载流子所引起的相位漂移，实现波长校准。

10.双环耦合器C₀的反射率越小，该元器件对光波的双腔调制效应就越小，对损耗和相位分离调节的效果就越好。当双环耦合器C₀的反射率为0时，该元器件的频谱响应与一个周长等于该元器件中双环周长和的单环共振腔的频谱响应相同。

本发明的技术特点是：

1.增益和波导折射率分别独立调制，提高了微环共振腔的可调性，使损耗和相位能够同时满足基于微环共振腔的光器件的要求。

2.相位和损耗的调节均通过电流注入载流子实现，调制速度可以达到纳秒(ns)以下。

四.附图表说明

图1：该发明第一个实例的平面结构示意图

图2：该发明有源环形共振腔的垂直结构示意图