[發(fā)明專利]一種可調(diào)法諾諧振集成器件及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010102947.9
• 申請(qǐng)日: 2020-02-19
• 公開（公告）號(hào): CN111175904B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳鈺杰;許梓涵;吳澤儒;湯莎;張彥峰;余思遠(yuǎn)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類號(hào): G02B6/293
• 分類號(hào): G02B6/293;G03F7/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 林麗明

本發(fā)明提供的一種可調(diào)法諾諧振集成器件，包括襯底，還包括在所述襯底上集成的微環(huán)波導(dǎo)和耦合直波導(dǎo)，開設(shè)在所述耦合直波導(dǎo)頂面的位于耦合區(qū)域兩端的光柵反射器以及設(shè)置在所述微環(huán)波導(dǎo)上方的微型加熱器。本發(fā)明還提供該器件的制作方法，在耦合波導(dǎo)頂面淺刻蝕光柵形成部分反射器，兩個(gè)部分反射器之間形成法布里?珀羅諧振腔，與微環(huán)諧振腔作用，即微環(huán)諧振模式與法布里?珀羅諧振模式發(fā)生耦合，在輸出端形成法諾諧振譜線。通過微型加熱器外加電壓，對(duì)微環(huán)的諧振波長(zhǎng)進(jìn)行熱調(diào)，可以靈活調(diào)節(jié)法諾諧振譜線的諧振波長(zhǎng)和斜率。該器件能夠穩(wěn)定產(chǎn)生高尖銳度法諾諧振譜線，并且可以在通用的半導(dǎo)體微加工平臺(tái)上大規(guī)模流片生產(chǎn)，具有高度的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，更具體的，涉及一種可調(diào)法諾諧振集成器件及其制備方法。

背景技術(shù)

波導(dǎo)集成的微環(huán)諧振腔由于其制作工藝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成和高Q值等優(yōu)點(diǎn)在許多光子集成器件應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，在光學(xué)生物傳感方面更是具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。光波在波導(dǎo)中通過全反射傳播形成導(dǎo)模，波導(dǎo)外表面折射率的變化可以通過倏逝光場(chǎng)的感應(yīng)反映為導(dǎo)模以及輸出光場(chǎng)的變化，產(chǎn)生對(duì)外部折射率的響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)傳感，而且無需對(duì)檢測(cè)物進(jìn)行標(biāo)記。環(huán)形諧振腔的諧振效應(yīng)能夠極大地增強(qiáng)光場(chǎng)與待測(cè)物之間的相互作用，當(dāng)待測(cè)物的濃度發(fā)生微小的變化時(shí)，諧振腔中的模式場(chǎng)有效折射率發(fā)生細(xì)小變化會(huì)引起諧振頻率發(fā)生可檢測(cè)的移動(dòng)，這要求諧振腔的Q值需要達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)。微腔的Q值越高，傳感器的靈敏度越高。采用低損耗的材料例如氮化硅制備的微環(huán)諧振腔可以獲得較高的Q值并且具有良好的通光性能。氮化硅薄膜沉積的方法常用的有兩種：低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)，其中大多數(shù)利用PECVD方法沉積的氮化硅薄膜由于氮-氫(N-H)化學(xué)鍵吸收而在1520nm波長(zhǎng)附近有較高的材料損耗，而選擇無氫氣源氘代硅烷(SiD4)代替普通硅烷(SiH4)來可以有效避免N-H鍵的形成及其帶來的吸收問題。由于氘(D)的原子質(zhì)量比氫(H)的原子質(zhì)量大，因此氮-氘(N-D)鍵的吸收峰波長(zhǎng)遠(yuǎn)離電信波長(zhǎng)區(qū)，能夠顯著地降低1520nm附近的材料損耗。采用氘代氮化硅制備的波導(dǎo)的傳輸損耗更低，微環(huán)諧振腔的Q值更高。

傳統(tǒng)的微環(huán)諧振腔產(chǎn)生的是傳統(tǒng)的洛倫茲線形譜線，這種對(duì)稱的洛倫茲形諧振峰的尖銳度和斜率難有較大提升，限制了靈敏度的提高。為了提升微環(huán)傳感器的靈敏度和檢測(cè)極限，通常采用非對(duì)稱的法諾諧振線形來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的洛倫茲線形。法諾諧振線形譜線與洛倫茲線形譜線相比，諧振峰兩側(cè)是非對(duì)稱的，譜線的一側(cè)會(huì)比兩側(cè)對(duì)稱的洛倫茲線形具有更大的斜率，并且諧振峰、谷的尖銳度更高，用于傳感器的測(cè)量，有望獲得更高的靈敏度和檢測(cè)極限。但現(xiàn)有的微環(huán)諧振腔產(chǎn)生的法諾諧振譜線的諧振波長(zhǎng)和斜率均不可調(diào)節(jié)，無法保證器件能穩(wěn)定產(chǎn)生高尖銳度法諾諧振譜線。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為克服現(xiàn)有的微環(huán)諧振腔產(chǎn)生的法諾諧振譜線的諧振波長(zhǎng)和斜率均不可調(diào)節(jié)，存在無法保證器件能穩(wěn)定產(chǎn)生高尖銳度法諾諧振譜線的技術(shù)缺陷，提供一種可調(diào)法諾諧振集成器件及其制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種可調(diào)法諾諧振集成器件，包括襯底，還包括在所述襯底上集成的微環(huán)波導(dǎo)和耦合直波導(dǎo)，開設(shè)在所述耦合直波導(dǎo)頂面的位于耦合區(qū)域兩端的光柵反射器以及設(shè)置在所述微環(huán)波導(dǎo)上方的微型加熱器。

上述方案中，通過耦合直波導(dǎo)頂面的兩個(gè)光柵反射器形成了法布里-珀羅諧振腔，當(dāng)光波從耦合直波導(dǎo)一端進(jìn)入時(shí)，一部分光耦合進(jìn)微環(huán)諧振腔，振蕩形成較窄的洛倫茲諧振線形，另一部分光在法布里-珀羅諧振腔里振蕩形成較寬的諧振峰，兩部分光發(fā)生耦合輸出得到法諾諧振峰。開設(shè)在微環(huán)波導(dǎo)上方的微型加熱器，由于氘代氮化硅材料具有熱光效應(yīng)，當(dāng)對(duì)加熱器輸入不同電壓，微環(huán)波導(dǎo)的溫度隨之變化，導(dǎo)致波導(dǎo)折射率發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致微環(huán)諧振波長(zhǎng)發(fā)生偏移。同時(shí)，兩路光的相位差發(fā)生變化，輸出的法諾諧諧振譜線波長(zhǎng)、斜率發(fā)生變化，從而達(dá)到調(diào)控法諾諧振譜線的目的。因此，該器件能夠通過簡(jiǎn)單的調(diào)整應(yīng)用在微型加熱器上的電壓來實(shí)現(xiàn)微環(huán)諧振峰和法諾諧振峰的調(diào)節(jié)。