[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

说明书

一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器及其制备方法，属于片上光互连网络技术领域。从下至上，由硅衬底、二氧化硅下包层、二氧化硅芯层波导、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，由微环谐振部分和可调谐耦合器部分组成。其中，微环谐振部分由第一弯曲波导、直波导和第二弯曲波导组成，形成跑道型结构；可调谐耦合器部分由第一3dB定向耦合器、第一调制臂、第二调制臂和第二3dB定向耦合器组成，形成MZI结构。本发明通过对可调谐耦合器调制臂正上方的调制电极施加电功率，改变耦合系数，达到临界耦合状态，从而实现超窄线宽、高消光比的微环谐振器。

技术领域

本发明属于片上光互连网络技术领域，具体涉及一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导(Planar Lightwave Circuit，PLC)可调谐微环谐振器(Micro-ring Resonator， MRR)及其制备方法。

背景技术

由于光子通信具有高带宽、低功耗等优点，在微波和射频信号的产生、分配、滤波和处理方面相比电子具有明显的优势，近些年被广泛的研究并且投入市场。作为光子通信中最基本的结构之一，微环谐振器(Micro-ring Resonator，MRR) 因其尺寸小、线宽窄、易于集成等优点，在激光器、传感器和滤波器的应用中显示出巨大的潜力。

超窄线宽的微环谐振器已经在不同的材料平台上进行了设计和实验，如绝缘体上硅、氮化硅、基于聚合物的平板光波导(Planar Lightwave Circuit，PLC)和二氧化硅PLC等。其中二氧化硅PLC器件因其具有低损耗、稳定性高、与单模光纤模场匹配良好等优点，被广泛应用在光通信、光互连等领域。

为了获得窄线宽的微环谐振器，器件需要工作在临界耦合状态下，临界耦合状态是指环内损耗刚好等于耦合系数。然而，即使在设计的时候考虑到了耦合的状态，在制作过程中，由于工艺误差的原因，临界耦合也很难达到，因此很难获得理想的器件。

在本发明中，提出了一种耦合系数可调谐的微环谐振器，该器件基于二氧化硅PLC平台，使用马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer，MZI)作为可调谐耦合器代替固定定向耦合器，通过调整耦合系数，使器件工作在临界耦合状态，一方面可以压窄线宽，另一方面可以提高消光比，从而提高器件的应用潜力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器及其制备方法。该微环谐振器由MZI结构的可调谐耦合器代替固定耦合系数的定向耦合器，通过调整耦合系数，使器件工作在临界耦合状态，从而实现超窄线宽的微环谐振器。

所述超窄线宽的二氧化硅平板光波导可调谐微环谐振器，其主要参数有品质因子(Quality Factor，Q)、半高全宽(Full Width at Half Maxima，FWHM)、精细度(Fitness，F)、消光比(Extinction Ratio，ER)等。

半高全宽为输出谱线的波峰高度为一半时的波峰宽度，如式(1)所示，其中，κ为耦合系数，λ为谐振波长，L为微环谐振器的周长，n_eff为波导的有效折射率。由式(1)可以看出，半高全宽的大小随耦合系数的减小而减小。

精细度为自由光谱范围(Free Space Region,FSR)与半高全宽的比值，其表达式如式(2)所示。

品质因子是特定波长与其半高全宽的比值，其表达式如式(3)所示，是衡量微环谐振器性能的重要参数之一。F和Q的物理意义在于：同一结构参数下， F与Q的值越大，表明谐振峰的线宽越小。

消光比为衡量器件输出特性的重要参数之一，其定义为最大输出值与输入值的比值。消光比越大，则器件的性能越好，灵敏度越高。