[发明专利]一种二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器及其制备方法

权利要求书

1.一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器，其特征在于：从下至上，由硅衬底、二氧化硅下包层、掺锗的二氧化硅芯层波导、掺硼和磷的二氧化硅上包层和调制电极组成；二氧化硅芯层波导位于二氧化硅下包层和二氧化硅上包层之间，由微环谐振部分(1)和可调谐耦合器部分(2)组成；微环谐振部分(1)由第一弯曲波导(1-1)、直波导(1-2)和第二弯曲波导(1-3)组成，形成跑道型结构；可调谐耦合器部分(2)由第一3dB定向耦合器(2-1)、第一调制臂(2-3)、第二调制臂(2-4)和第二3dB定向耦合器(2-2)组成，形成MZI结构；在直波导(1-2)的正上方设置有第一电极(3-1)，在第二调制臂(2-4)的正上方设置第二调制电极(3-2)；第一弯曲波导(1-1)的输入端与第二3dB定向耦合器(2-2)的谐振输出端连接，第一弯曲波导(1-1)的输出端连接直波导(1-2)的输入端，直波导(1-2)的输出端连接第二弯曲波导(1-3)的输入端，第二弯曲波导(1-3)的输出端连接第一3dB定向耦合器(2-1)的输入端；宽谱光源输出的光信号耦合进入输入波导(4-1)，经过第一3dB定向耦合器(2-1)分成两束光，然后分别进入第一调制臂(2-3)和第二调制臂(2-4)，两束光再经过第二3dB定向耦合器(2-2)，其中波长满足在微环谐振部分(1)内谐振条件的光信号通过谐振输出端进入到微环谐振部分(1)并在微环谐振部分(1)不断旋转发生谐振，而另一部分不能够发生谐振的光信号耦合至输出波导(4-2)输出；

掺硼和磷的二氧化硅上包层和掺锗的二氧化硅芯层间的折射率差为0.36％～2％，其计算公式见式(4)，芯层折射率为n₁，上包层折射率为n₂，芯层的折射率大于上包层的折射率；

2.如权利要求1所述的一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器，其特征在于：通过改变加载在第一调制电极(3-1)上的电功率对其进行加热，利用热光效应改变经过该处光波的相位，用于实现对超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器的谐振波长的可控调谐。

3.如权利要求1所述的一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器，其特征在于：通过改变加载在第二调制电极(3-2)上的电功率对其进行加热，利用热光效应改变经过该处光波的相位，从而实现对超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器的耦合系数的调制。

4.如权利要求1所述的一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器，其特征在于：调制电极的材料为金、银、铝中的一种或者多种组成的合金。

5.如权利要求1所述的一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器，其特征在于：第一调制臂(2-3)和第二调制臂(2-4)的长度为3000μm；第一3dB定向耦合器(2-1)和第二3dB定向耦合器(2-2)耦合区长度L₁为195μm，两条耦合波导间的耦合间距Gap为1.5μm，输入、输出波导间距L₃为127μm；由耦合区向输入、输出端过渡部分使用S弯波导，S弯波导半径为3000μm；微环谐振部分(1)中第一弯曲波导(1-1)和第二弯曲波导(1-3)的波导半径为1600μm，直波导(1-2)的长度L为7250μm。

6.权利要求1～5任何一项所述的一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器的制备方法，其步骤如下：

步骤1：在硅晶圆衬底上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层；

步骤2：在二氧化硅下包层上通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积得到3.5～6.5μm厚的掺锗的二氧化硅芯层；

步骤3：在掺锗的二氧化硅芯层上旋涂光刻胶层Ⅰ，前烘处理后自然降温固化；

步骤4：通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅰ上与需要制备的二氧化硅芯层波导结构相同或互补的图形转移到光刻胶层Ⅰ上，再通过感应耦合等离子体(ICP)刻蚀方法，在掺锗的二氧化硅芯层上制备得到二氧化硅芯层波导；然后再去掉二氧化硅芯波导上的光刻胶层I；

步骤5：在二氧化硅下包层和二氧化硅芯层波导上通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)法沉积得到12～18μm厚的掺硼和磷的二氧化硅上包层，其中二氧化硅芯层波导上的二氧化硅上包层的厚度为12～18μm，二氧化硅上包层与步骤1制备的二氧化硅下包层统称为二氧化硅包层；

步骤6：在二氧化硅包层上蒸镀厚度为50～200nm的金属薄膜；

步骤7：在金属薄膜上旋涂光刻胶Ⅱ，前烘处理后自然降温固化；

步骤8：通过紫外光刻、显影、后烘，将光刻板Ⅱ上与需要制备的调制电极结构相同或互补的图形转移到光刻胶层Ⅱ上，显影后坚膜，自然降温之后，用与金属对应的腐蚀液腐蚀调制电极结构之外的金属，得到调制电极，最后除去金属上剩余的光刻胶层Ⅱ；调制电极位于二氧化硅芯层波导第二调制臂(2-4)和直波导(1-2)的正上方，与二氧化硅芯层波导中心对齐，宽度为20μm～40μm，从而制备得到二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器。