本發(fā)明屬于光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

微環(huán)諧振器是一種光波在微環(huán)波導(dǎo)和直波導(dǎo)中來(lái)回偶合，從而提供光能反饋的器件，可用以實(shí)現(xiàn)通信與信號(hào)處理中的濾波、調(diào)制、開(kāi)關(guān)及延時(shí)等功能，是一種非常重要的諧振器。

隨著光通信技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)化的迅速發(fā)展，不僅對(duì)光通信系統(tǒng)提出了更高的要求，對(duì)光通信器件也提出了微型化、集成化的要求。微環(huán)諧振器具有q值高、速度高、損耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，并且與集成電路制作工藝相兼容，因此微環(huán)諧振器逐漸成為了硅基光電子器件的核心元件。

微環(huán)諧振器通過(guò)在光波導(dǎo)上刻蝕，形成半徑為幾十微米到幾百微米的環(huán)形波導(dǎo)，以及與環(huán)形波導(dǎo)相偶合的直波導(dǎo)，它既可以是只有一個(gè)環(huán)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，也可以由多個(gè)環(huán)通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)等方式構(gòu)成陣列。當(dāng)耦合進(jìn)微環(huán)的光滿足環(huán)形諧振條件時(shí)，光在微環(huán)里因?yàn)橄辔幌嗤纬烧答?，發(fā)生諧振，從另一條光波導(dǎo)耦合出去。反之，不滿足諧振條件的光則從原波導(dǎo)直接輸出，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)上下路濾波的作用。

單微環(huán)諧振器由于其光譜響應(yīng)不平坦，呈上凸形的洛倫茲分布，當(dāng)器件因工藝誤差或因溫度變化而引起光譜漂移時(shí)，器件不能正常工作。為了克服單微環(huán)諧振器這個(gè)缺點(diǎn)，可把多個(gè)微環(huán)并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)形成微環(huán)諧振器陣列，適當(dāng)選擇結(jié)構(gòu)參量，可獲得十分平坦的“箱形”光譜響應(yīng)。這種串聯(lián)或并聯(lián)方式的多環(huán)微環(huán)諧振器固然能克服單微環(huán)諧振器的缺點(diǎn)，但隨著環(huán)數(shù)的增加，器件整體尺寸也會(huì)逐漸增加，如何在不增加器件尺寸的情況下克服單微環(huán)諧振器的缺點(diǎn)，是值得研究的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在常規(guī)單微環(huán)諧振器的基礎(chǔ)上，在單個(gè)微環(huán)的內(nèi)部增加一個(gè)微環(huán)，形成內(nèi)外雙環(huán)的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，具有諧振峰平坦和自由光譜范圍大的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，包括有n-sub型襯底，n-sub型襯底的頂部設(shè)置有sio2埋層，sio2埋層頂部的兩側(cè)分別設(shè)置有上側(cè)直波導(dǎo)和下側(cè)直波導(dǎo)，sio2埋層頂部的中間分別設(shè)置有外環(huán)形波導(dǎo)和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

n-sub型襯底的摻雜濃度為1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，摻雜劑為p離子；n-sub型襯底的高度為100μm～300μm，寬度為2.1μm～2.6μm。

sio2埋層的高度為1μm～2μm，寬度為2.1μm～2.6μm。

上側(cè)直波導(dǎo)的摻雜濃度為1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，摻雜劑為p離子；上側(cè)直波導(dǎo)的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm。

下側(cè)直波導(dǎo)的摻雜濃度為1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，摻雜劑為p離子；下側(cè)直波導(dǎo)的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm。

外環(huán)形波導(dǎo)的摻雜濃度為1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，摻雜劑為p離子；外環(huán)形波導(dǎo)的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm，半徑為3μm～10μm。

內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)的摻雜濃度為1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，摻雜劑為p離子；內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm，半徑為2.8μm～9.5μm。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明的內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)是一種新型微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，是在常規(guī)單微環(huán)諧振器的基礎(chǔ)上，在單個(gè)微環(huán)的內(nèi)部增加一個(gè)微環(huán)，形成內(nèi)外雙環(huán)的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，改善了諧振特性，具有平坦的諧振峰。

(2)本發(fā)明的內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，在制作過(guò)程中只需要改變環(huán)形波導(dǎo)區(qū)的光刻版圖形狀，不需要增加額外的工藝，易于實(shí)現(xiàn)，是一種理想的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)。

(3)本發(fā)明的內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)能改善諧振特性，有效增大微環(huán)諧振器的自由光譜范圍。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖2是本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的截面示意圖；

圖3是常規(guī)單微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖4是常規(guī)單微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的截面示意圖；

圖5是常規(guī)單微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)與本發(fā)明內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的諧振光譜輸出對(duì)比圖。

圖中，1.n-sub型襯底，2.sio2埋層，3.上側(cè)直波導(dǎo)，4.下側(cè)直波導(dǎo)，5.外環(huán)形波導(dǎo)，6.內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)，7.環(huán)形波導(dǎo)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示，包括n-sub型襯底1，n-sub型襯底1的頂部設(shè)置有sio2埋層2，在sio2埋層頂部的兩側(cè)分別設(shè)置有上側(cè)直波導(dǎo)3和下側(cè)直波導(dǎo)4，在sio2埋層頂部的中間分別設(shè)置有外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6。

本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)主要由硅材料構(gòu)成：

n-sub型襯底1的摻雜濃度為1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，摻雜劑為p離子；n-sub型襯底1的高度為100μm～300μm，寬度為2.1μm～2.6μm。

sio2埋層2的高度為1μm～2μm，寬度為2.1μm～2.6μm。

上側(cè)直波導(dǎo)3的摻雜濃度為1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，摻雜劑為p離子；上側(cè)直波導(dǎo)3的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm。

下側(cè)直波導(dǎo)4的摻雜濃度為1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，摻雜劑為p離子；下側(cè)直波導(dǎo)4的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm。

外環(huán)形波導(dǎo)5的摻雜濃度為1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，摻雜劑為p離子；外環(huán)形波導(dǎo)5的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm，半徑為3μm～10μm。

內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6的摻雜濃度為1×10¹⁴cm^-3～1×10¹⁵cm^-3，摻雜劑為p離子；內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6的高度為180nm～220nm，寬度為400nm～600nm，半徑為2.8μm～9.5μm。

常規(guī)單微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)主要由硅材料構(gòu)成，如圖3和4所示，包括n-sub型襯底1，n-sub型襯底1的頂部設(shè)置有sio2埋層2，sio2埋層頂部的兩側(cè)分別設(shè)置有上側(cè)直波導(dǎo)3和下側(cè)直波導(dǎo)4，sio2埋層頂部的中間設(shè)置有環(huán)形波導(dǎo)7。

本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)與常規(guī)單微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)相比，其區(qū)別在于：本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)在單個(gè)微環(huán)的內(nèi)部增加一個(gè)微環(huán)，形成內(nèi)外雙微環(huán)的諧振器結(jié)構(gòu)；與常規(guī)單微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)具有諧振峰平坦和自由光譜范圍大的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的工作原理具體如下：

本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)是通過(guò)上側(cè)直波導(dǎo)3、外環(huán)形波導(dǎo)5、內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6和下側(cè)直波導(dǎo)4之間的相互耦合而產(chǎn)生諧振，其具體工作過(guò)程如下：

當(dāng)一束光波從上側(cè)直波導(dǎo)3進(jìn)入器件后，隨著光波的傳輸，在上側(cè)直波導(dǎo)3與外環(huán)形波導(dǎo)5，以及上側(cè)直波導(dǎo)3與內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6較近的點(diǎn)處會(huì)發(fā)生耦合效應(yīng)，使部分光波能量從上側(cè)直波導(dǎo)3耦合到外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6中，而剩余的光波能量仍沿著上側(cè)直波導(dǎo)3傳輸。當(dāng)耦合到外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6中的光波沿著微環(huán)順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行傳輸，傳輸半周后，又有部分光波能量從外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6耦合到下側(cè)直波導(dǎo)4中，外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6中剩余的光波能量繼續(xù)沿著微環(huán)順時(shí)針傳輸。當(dāng)光波再傳輸半周后，與上側(cè)直波導(dǎo)3中的光波發(fā)生干涉效應(yīng)，使上側(cè)直波導(dǎo)3中的光波相干相消，而外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6中的光波相干相長(zhǎng)，光波將從上側(cè)直波導(dǎo)3中完全耦合到外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6中，而上側(cè)直波導(dǎo)3中幾乎沒(méi)有光波傳輸，這時(shí)稱光波在微環(huán)中發(fā)生諧振，此時(shí)的外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6半徑與輸入光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系稱為諧振條件。在光波傳輸?shù)倪^(guò)程中，除了上側(cè)直波導(dǎo)3與外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6，以及下側(cè)直波導(dǎo)4與外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6發(fā)生耦合效應(yīng)，外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6之間也會(huì)發(fā)生耦合效應(yīng)。

當(dāng)輸入光的波長(zhǎng)與外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6半徑滿足諧振條件時(shí)，該波長(zhǎng)的光波在外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6中發(fā)生諧振；當(dāng)輸入光的波長(zhǎng)與外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6半徑不滿足諧振條件時(shí)，光波在外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6中傳輸一周后同樣也會(huì)與上側(cè)直波導(dǎo)3中的光波發(fā)生干涉效應(yīng)，使上側(cè)直波導(dǎo)3中的光波相干相長(zhǎng)，而外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6中的光波相干相消，光波將沿著上側(cè)直波導(dǎo)3傳輸，外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6中幾乎沒(méi)有光波傳輸，此時(shí)稱光波在外環(huán)形波導(dǎo)5和內(nèi)環(huán)形波導(dǎo)6中處于非諧振狀態(tài)。

常規(guī)單微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)是通過(guò)上側(cè)直波導(dǎo)3、環(huán)形波導(dǎo)7和下側(cè)直波導(dǎo)4之間的相互耦合而產(chǎn)生諧振，其具體工作過(guò)程如下：

當(dāng)一束光波從上側(cè)直波導(dǎo)3進(jìn)入器件后，隨著光波的傳輸，在上側(cè)直波導(dǎo)3與環(huán)形波導(dǎo)7較近的點(diǎn)處會(huì)發(fā)生耦合效應(yīng)，使得部分光波能量從上側(cè)直波導(dǎo)3耦合到環(huán)形波導(dǎo)7中，而剩余的光波能量仍沿著上側(cè)直波導(dǎo)3傳輸。當(dāng)耦合到環(huán)形波導(dǎo)7中的光波沿著微環(huán)順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行傳輸，傳輸半周后，又有部分光波能量從環(huán)形波導(dǎo)7耦合到下側(cè)直波導(dǎo)4中，環(huán)形波導(dǎo)7中剩余的光波能量繼續(xù)沿著微環(huán)順時(shí)針傳輸。當(dāng)光波再傳輸半周后，與上側(cè)直波導(dǎo)3中的光波發(fā)生干涉效應(yīng)，使得上側(cè)直波導(dǎo)3中的光波相干相消，而環(huán)形波導(dǎo)7中的光波相干相長(zhǎng)，光波將從上側(cè)直波導(dǎo)3中完全耦合到環(huán)形波導(dǎo)7中，而上側(cè)直波導(dǎo)3中幾乎沒(méi)有光波傳輸，此時(shí)稱光波在微環(huán)中發(fā)生諧振，此時(shí)的環(huán)形波導(dǎo)7半徑與輸入光的波長(zhǎng)之間的關(guān)系稱為諧振條件。

當(dāng)輸入光的波長(zhǎng)與環(huán)形波導(dǎo)7半徑滿足諧振條件時(shí)，該波長(zhǎng)的光波在環(huán)形波導(dǎo)7中發(fā)生諧振；當(dāng)輸入光的波長(zhǎng)與環(huán)形波導(dǎo)7半徑不滿足諧振條件時(shí)，光波在環(huán)形波導(dǎo)7中傳輸一周后同樣也會(huì)與上側(cè)直波導(dǎo)3中的光波發(fā)生干涉效應(yīng)，使得上側(cè)直波導(dǎo)3中的光波相干相長(zhǎng)，而環(huán)形波導(dǎo)7中的光波相干相消，光波將沿著上側(cè)直波導(dǎo)3傳輸，環(huán)形波導(dǎo)7中幾乎沒(méi)有光波傳輸，此時(shí)稱光波在環(huán)形波導(dǎo)7中處于非諧振狀態(tài)。

本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)在研究中發(fā)現(xiàn)：

通過(guò)在常規(guī)單微環(huán)諧振器的內(nèi)部加入一個(gè)微環(huán)，形成內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，可以有效增加諧振鋒的平坦度和自由光譜范圍。這種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)特性與內(nèi)環(huán)寬度，環(huán)間距等參數(shù)有很大的關(guān)系。通過(guò)調(diào)整內(nèi)環(huán)寬度，可以控制諧振點(diǎn)的偏移，將兩個(gè)諧振峰間的距離拉近，形成近矩形的諧振峰光譜；通過(guò)調(diào)整環(huán)間距，可以控制環(huán)間的耦合系數(shù)，選取合適的環(huán)間距，可以形成平坦的諧振峰光譜。

本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)在仿真中主要針對(duì)其輸出光譜進(jìn)行仿真，在仿真中發(fā)現(xiàn)：一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的諧振峰更平坦，自由光譜范圍更大，一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)與常規(guī)單微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)輸出光譜的對(duì)比仿真結(jié)果分別如圖5所示。

從圖5中可以看出：本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的諧振峰更加平坦，諧振時(shí)光強(qiáng)的下降斜率更大，自由光譜范圍比常規(guī)單微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)大了22％。

從圖5中可以看出：本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)的諧振波長(zhǎng)發(fā)生了明顯的紅移，其原因是諧振條件中微環(huán)半徑與諧振波長(zhǎng)成正比，新加入的內(nèi)部微環(huán)使得光波傳輸時(shí)會(huì)在內(nèi)外雙環(huán)波導(dǎo)中來(lái)回進(jìn)行耦合，增大了光波傳輸?shù)木嚯x，相當(dāng)于微環(huán)半徑增加，因此諧振波長(zhǎng)增加，形成諧振峰紅移現(xiàn)象。

本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)結(jié)合理論會(huì)得出：新的結(jié)構(gòu)不僅可采用內(nèi)外雙環(huán)結(jié)構(gòu)，也可采用多環(huán)結(jié)構(gòu)，隨著環(huán)數(shù)的增加，可控制諧振點(diǎn)的偏移，增大消光比。本發(fā)明一種內(nèi)外雙微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)是在常規(guī)單微環(huán)諧振器的基礎(chǔ)上，在單個(gè)微環(huán)的內(nèi)部增加一個(gè)微環(huán)，形成內(nèi)外雙環(huán)的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，具有諧振峰平坦和自由光譜范圍大的優(yōu)點(diǎn)。