[發(fā)明專利]環(huán)形腔器件及其制作方法

有效

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• 申請日: 2014-05-07
• 公開（公告）號: CN104242052B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設計）人: 張瑞英
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01S5/10
• 分類號: H01S5/10
• 代理公司: 南京利豐知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙)32256
• 代理人: 王鋒

技術領域

本發(fā)明涉及一種半導體腔光學器件，尤其涉及一種環(huán)形腔器件及其制作方法。

背景技術

環(huán)形腔作為一種行波腔，鑒于與駐波腔相比與生俱來的優(yōu)越性，使得其無論是作為無源線性器件（如濾波器、色散補償器和傳感器）、有源線性器件（如激光器、調(diào)制器還是探測器）還是非線性器件（腔量子電動力學）都有著廣泛的應用。特別是無源環(huán)形腔，鑒于其沒有增益競爭導致的互相耦合，可以實現(xiàn)高品質(zhì)行波，因此可獲得高的波長選擇性以及慢光行為，在諸多領域有著廣泛的用途（包括激光器、光學陀螺等）。因此，諸多材料如玻璃、聚合物、SOI、SiN、SiO₂、Si、LiN_bO₃、III-V等都用來制備無源環(huán)形腔，但是無一例外的，環(huán)形腔損耗成為其實現(xiàn)高性能無源環(huán)形腔的制約因素。

為了減少損耗，采用大直徑環(huán)、矩形腔、低折射率透明材料來制備環(huán)形腔，雖然某種措施的采用會在一定程度上減少損耗，提高器件性能，但一方面該種改變同時也會對器件帶來相應的其他問題，折衷成為最終選擇；另一方面散射損耗是采用任何途徑消除不了的損耗，成為該類器件性能的最終制約因素。

因此，如何設計出一種環(huán)形腔，可降低甚至消除腔內(nèi)損耗、提高環(huán)形腔的品質(zhì)因子，使得環(huán)形腔達到功能極致，成為新的研發(fā)方向。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對此問題，提供了一種環(huán)形腔器件及其制作方法。

本發(fā)明公開了一種環(huán)形腔器件，包括無源環(huán)形波導以及與所述無源環(huán)形波導平面耦合的輸入輸出波導，還包括與所述無源環(huán)形波導和/或輸入輸出波導垂直耦合的有源波導結構。該處的垂直耦合，是指有源波導結構位于無源環(huán)形波導和/或輸入輸出波導的上方或下方。

優(yōu)選的，在上述的環(huán)形腔器件中，所述有源波導結構對無源環(huán)形波導提供增益以補償損耗。該處的損耗補償，包括對無源環(huán)形波導的損耗提供部分或全部的補償，可以是直接與無源環(huán)形波導耦合為其提供補償，也可以是與輸入輸出波導耦合通過輸入輸出波導與環(huán)形腔的耦合進一步為無源環(huán)形波導提供補償。

優(yōu)選的，在上述的環(huán)形腔器件中，所述有源波導結構至少覆蓋于所述無源環(huán)形波導的部分上表面，所述有源波導結構包括依次形成于所述無源環(huán)形波導上表面的隔離層、有源增益層、包覆層和接觸層。

優(yōu)選的，在上述的環(huán)形腔器件中，所述隔離層的材質(zhì)為InP，所述有源增益層的材質(zhì)為In(Ga)As(P)，所述包覆層的材質(zhì)為InP，所述接觸層的材質(zhì)為InGaAs。

優(yōu)選的，在上述的環(huán)形腔器件中，所述有源波導結構形成于所述輸入輸出波導的第一位置上，所述輸入輸出波導與所述無源環(huán)形波導在第一位置耦合 。

優(yōu)選的，在上述的環(huán)形腔器件中，所述有源波導結構包括依次形成于所述輸入輸出波導上表面的隔離層、有源增益層、包覆層和接觸層。

優(yōu)選的，在上述的環(huán)形腔器件中，所述隔離層的材質(zhì)為InP，所述有源增益層的材質(zhì)為In(Ga)As(P)，所述包覆層的材質(zhì)為InP，所述接觸層的材質(zhì)為InGaAs。

相應地，本發(fā)明還公開了一種環(huán)形腔器件的制作方法，包括步驟：

s1、在襯底上依次生長緩沖層、無源波導層、隔離層、有源增益層、包覆層和接觸層；

s2、對步驟s1的結構進行刻蝕，形成具有垂直耦合結構的環(huán)形波導和輸入輸出波導。

優(yōu)選的，在上述的環(huán)形腔器件的制作方法中，還包括對所述環(huán)形波導進一步刻蝕，以部分暴露出隔離層，形成無源環(huán)形波導以及位于該無源環(huán)形波導上方的有源波導結構。

優(yōu)選的，在上述的環(huán)形腔器件的制作方法中，還包括對所述輸入輸出波導進一步刻蝕，以暴露出第一位置以外隔離層，形成無源輸入輸出波導以及位于第一位置上的有源波導結構，所述無源輸入輸出波導與所述環(huán)形波導在第一位置耦合。

優(yōu)選的，在上述的環(huán)形腔器件的制作方法中，所述襯底的材質(zhì)選自Si襯底、GaAs襯底、InP襯底或GaN襯底；所述緩沖層的材質(zhì)為InP，所述無源波導層的材質(zhì)為InGaAsP、InGaAlAs或InGaNAs；所述隔離層的材質(zhì)為InP；所述有源增益層的材質(zhì)為In(Ga)As(P)；所述包覆層的材質(zhì)為InP;所述接觸層的材質(zhì)為InGaAs。

本發(fā)明的環(huán)形腔器件及其制作方法，通過采用有源垂直耦合結構制備無源環(huán)形腔，使得該無源環(huán)形腔的部分波導區(qū)域可通過垂直耦合或者混合耦合獲得部分增益，從而補償該無源環(huán)形腔內(nèi)損耗，但不影響該無源環(huán)形腔的其他結構和性能，進而真正獲得低損耗甚至零損耗無源環(huán)形腔，增加環(huán)形腔的品質(zhì)因子，提高環(huán)形腔性能甚至達到功能極致。

附圖說明