專利名稱：?jiǎn)苇h(huán)有源的雙環(huán)耦合共振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單環(huán)有源的電控雙環(huán)耦合共振腔元器件；涉及一系列基于此種元器件的光電子器件 涉及利用外延、鍍膜、光刻、腐蝕、刻蝕等半導(dǎo)體工藝技術(shù)制作此種元器件并將其應(yīng)用于一系列基于此種 元器件的方法。
二.
背景技術(shù)：
耦合環(huán)形共振腔，特別是尺寸達(dá)到100微米量級(jí)以下的耦合微環(huán)共振腔被認(rèn)為是未來光通信和光子器 4牛的核心元器件。由于具有速度快、靈敏度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，環(huán)形共振腔可以用以實(shí)現(xiàn)光信 號(hào)的窄帶濾波、上下路、雙穩(wěn)態(tài)、光開關(guān)、調(diào)制、共振放大、靈敏探測(cè)等功能，因此可以廣泛地應(yīng)用于濾 波器、M-Z干涉儀、光交叉連接器、分叉復(fù)用器、多波長(zhǎng)同步調(diào)制器、激光器、生物光信號(hào)探測(cè)器等一系 列光器件。
環(huán)形共振腔對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)是通過改變波導(dǎo)材料折射率進(jìn)而改變光波相位進(jìn)行調(diào)節(jié)的。而波導(dǎo)材料折 射率的改變可以通過光致折射率效應(yīng)、電注入載流子或者熱電效應(yīng)等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。環(huán)形共振腔的性能主要 依賴于兩個(gè)參數(shù)損耗(包括耦合器的插入損耗、材料的吸收損耗和由表面粗糙和側(cè)壁引起的散射損耗等) 和耦合系數(shù)。由于損耗的存在和工藝誤差所引起的耦合系數(shù)的偏移會(huì)導(dǎo)致環(huán)形共振腔中心波長(zhǎng)的漂移和消 光比的降低，并可能引起信號(hào)串繞。為了提髙環(huán)形共振腔的性能，有必要引入增益和調(diào)節(jié)機(jī)制，以增加器
件的靈活性和可控性，例如對(duì)于光纖環(huán)腔引入摻鉺光纖放大器，而對(duì)于m-v族半導(dǎo)體材料引入有源層。
相對(duì)于其它材料，采用Hl-V族半導(dǎo)體材料制作環(huán)腔的優(yōu)勢(shì)有1、可以實(shí)現(xiàn)環(huán)腔的微型化；2、可以 方便地引入有源層補(bǔ)償損耗3、工藝成熟；4、可以方便地通過各種方式改變材料折射率4、可以與其 它HI—V族半導(dǎo)體器件集成。
對(duì)于有源耦合環(huán)形共振腔,通過載流子的電流注入既可以實(shí)現(xiàn)光波的相位調(diào)制，也可以進(jìn)行增益補(bǔ)償。 然而，對(duì)于特定功能的實(shí)現(xiàn)，一個(gè)自變量(注入電流)的調(diào)節(jié)難以使得兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)(相位和損耗或者 增益系數(shù))同時(shí)滿足要求。通過在環(huán)腔某一段加熱，利用熱光效應(yīng)可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)光波相位，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)校 準(zhǔn)，但這嚴(yán)重限制了器件的速度。
三.
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種單環(huán)有源的電控雙環(huán)耦合共振腔元器件。該元器件保持了有源環(huán)形共振腔的優(yōu)點(diǎn)，并 且可以對(duì)相位和損耗分別獨(dú)立地通過電流注入載流子進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于實(shí)現(xiàn)速度快、消光比髙、波長(zhǎng)可以 校準(zhǔn)的高性能光器件。
發(fā)明目的實(shí)現(xiàn)環(huán)形耦合共振腔相位和損耗的獨(dú)立高速調(diào)制。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
1. 本器件由一個(gè)有源環(huán)形共振腔、 一個(gè)無源環(huán)形共振腔、一個(gè)用于耦合兩個(gè)環(huán)形共振腔的耦合器(標(biāo) 記為Co)與另外若干個(gè)耦合器組成。
2. 所謂環(huán)形共振腔包括圓環(huán)波導(dǎo)、跑道形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)或由直線、弧線等任意線形波導(dǎo)組成的周 而復(fù)始的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
3. 有源環(huán)形共振腔和無源環(huán)形共振腔通過耦合器Co相耦合。
4. 兩環(huán)形共振腔上均制作電極，可以通過電流注入載流子。
5. 雙環(huán)的任一位置均可以通過耦合器和另外的環(huán)形共振腔或者直波導(dǎo)或者其它任意形狀的波導(dǎo)耦合 而構(gòu)成新的光器件。
6. 光波通過耦合器耦合進(jìn)或者耦合出該元器件。
7. 兩環(huán)形共振腔上均制作有電極，分別獨(dú)立地通過電流注入載流子對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制。
8. 有源環(huán)形共振腔對(duì)光波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的同時(shí)，也進(jìn)行相位調(diào)制。在有源環(huán)形共振腔中，通過載流 子的電流注入可以引入增益，從而補(bǔ)償整個(gè)元器件的損耗由于注入載流子對(duì)折射率的調(diào)制效應(yīng)，該元器 件內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄏ辔灰矔?huì)改變。
9. 無源環(huán)形共振腔僅對(duì)光波進(jìn)行相位調(diào)制。在無源環(huán)形共振腔中載流子的電流注入不改變損耗，僅 改變波導(dǎo)的折射率，不但可以對(duì)該元器件內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄏ辔混`活地進(jìn)行調(diào)制，還可以改善由于工藝誤差、 損耗和有源環(huán)形共振腔注入載流子所引起的相位漂移，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)校準(zhǔn)。
10. 雙環(huán)耦合器Co的反射率越小，該元器件對(duì)光波的雙腔調(diào)制效應(yīng)就越小，對(duì)損耗和相位分離調(diào)節(jié)的 效果就越好。當(dāng)雙環(huán)耦合器Co的反射率為0時(shí)，該元器件的頻譜響應(yīng)與一個(gè)周長(zhǎng)等于該元器件中雙環(huán)周 長(zhǎng)和的單環(huán)共振腔的頻譜響應(yīng)相同。
本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)是
1. 增益和波導(dǎo)折射率分別獨(dú)立調(diào)制，提高了微環(huán)共振腔的可調(diào)性，使損耗和相位能夠同時(shí)滿足基于 微環(huán)共振腔的光器件的要求。
2. 相位和損耗的調(diào)節(jié)均通過電流注入載流子實(shí)現(xiàn)，調(diào)制速度可以達(dá)到納秒(ns)以下。
四. 附圖表說明
圖l:該發(fā)明第一個(gè)實(shí)例的平面結(jié)構(gòu)示意圖
圖2:該發(fā)明有源環(huán)形共振腔的垂直結(jié)構(gòu)示意圖
圖3:該發(fā)明無源環(huán)形共振腔的結(jié)構(gòu)示意圖
圖4:雙環(huán)共振腔的剖面示意圖
圖5:該發(fā)明第二個(gè)實(shí)例的平面結(jié)構(gòu)示意圖
圖6:該發(fā)明第四個(gè)實(shí)例的平面結(jié)構(gòu)示意圖
五.具體實(shí)施方式
1.實(shí)例一
圖1所示該發(fā)明第一個(gè)實(shí)例的平面結(jié)構(gòu)中，有源環(huán)形共振腔1通過耦合器3 (既Q)與無源環(huán)形共振 腔2相耦合。光波從耦合器4耦合進(jìn)該元器件，并從耦合器4耦合出該元器件。耦合器3 (既Co)通過將 兩個(gè)環(huán)形共振腔各自中的某一段波導(dǎo)平行地盡可能地靠近來實(shí)現(xiàn)，耦合器4通過將有源環(huán)形共振腔1中的 某一段波導(dǎo)與一條直波導(dǎo)平行地盡可能地靠近來實(shí)現(xiàn)。
圖2、圖3分別為用IH-V族半導(dǎo)體材料制作的圖1所示的該實(shí)例的有源環(huán)形共振腔1和無源環(huán)形共 振腔2的垂直結(jié)構(gòu)示意圖。襯底2為InP材料，除電極之外的其它各層(包括有源環(huán)腔的7到11和無源環(huán) 腔的13到15)均為InGaAsP材料，n型電極制作在襯底2的底部，有源環(huán)腔l的p型電極12和無源環(huán)腔 2的p型電極16彼此分離絕緣。
該元器件的剖面示意圖4中，有源環(huán)腔1的n型光波限制層7和p型光波限制層11的材料參數(shù)和厚 度分別與無源環(huán)腔2的n型光波限制層13和p型環(huán)腔光波限制層15相同。無源環(huán)腔2的波導(dǎo)層14的材 料參數(shù)與有源環(huán)腔1的下波導(dǎo)層8和上波導(dǎo)層10相同。有源層9的禁帶寬度與設(shè)計(jì)的光波頻譜范圍相對(duì) 應(yīng)。無源環(huán)腔2的波導(dǎo)層14的厚度等于有源環(huán)腔的下波導(dǎo)層8、有源層9和上波導(dǎo)層10的厚度之和。直 波導(dǎo)的n型光波限制層18、波導(dǎo)層19和p型波導(dǎo)層20的材料參數(shù)與厚度分別與無源環(huán)腔2的n型光波限 制層13、波導(dǎo)層14和p型光波限制層15相同。各層采用的具體的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)應(yīng)用該元器件實(shí)現(xiàn) 的光器件的具體要求設(shè)計(jì)。 2.實(shí)例二
將圖1所示的該發(fā)明實(shí)例一的有源環(huán)形共振腔1和無源環(huán)形共振腔2的位置交換，即得到實(shí)例三。實(shí)
例三的垂直結(jié)構(gòu)、制作和工作方式與實(shí)例二相同。
3. 實(shí)例三
圖5所示該發(fā)明第二個(gè)實(shí)例的平面結(jié)構(gòu)中，有源環(huán)形共振腔1通過耦合器3 (既Co)與無源環(huán)形共振 腔2相耦合。耦合器3 (既Co〉通過將兩個(gè)環(huán)形共振腔各自中的某一段波導(dǎo)平行地盡可能地靠近來實(shí)現(xiàn)。 光波從耦合器4或者耦合器5耦合進(jìn)該元器件，從耦合器4或者耦合器5耦合出該元器件。耦合器4和耦 合器5通過將兩環(huán)形共振腔各自中的某一段波導(dǎo)分別與兩條直波導(dǎo)平行地盡可能地靠近來實(shí)現(xiàn)。
以IH-V族半導(dǎo)體材料制作的該實(shí)例中的有源環(huán)形共振腔1和無源環(huán)形共振腔2的材料參數(shù)和垂直結(jié) 構(gòu)分別與以III-V族半導(dǎo)體材料制作的實(shí)例一中的有源環(huán)形共振腔1和無源環(huán)形共振腔2相同。耦合器4 和耦合器5的直波導(dǎo)的材料參數(shù)和垂直結(jié)構(gòu)與實(shí)例一中耦合器4的直波導(dǎo)相同。各層采用的具體的材料和 結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)應(yīng)用該元器件實(shí)現(xiàn)的光器件的具體要求設(shè)計(jì)。
4. 實(shí)例四
圖6所示該發(fā)明第四個(gè)實(shí)例的平面結(jié)構(gòu)中，有源環(huán)形共振腔1通過耦合器3 (既Co)與無源環(huán)形共振 腔2相耦合。耦合器3 (既Co)通過將兩個(gè)環(huán)形共振腔各自中的某一段波導(dǎo)平行地盡可能地靠近來實(shí)現(xiàn)。 光波從耦合器4或者耦合器5耦合進(jìn)該元器件，從耦合器4耦合或者耦合器5耦合出該元器件。耦合器4 通過將有源環(huán)形共振腔1中的某一段波導(dǎo)分別與兩條直波導(dǎo)平行地盡可能地靠近來實(shí)現(xiàn)。
以III-V族半導(dǎo)體材料制作的該實(shí)例中的有源環(huán)形共振腔1和無源環(huán)形共振腔2的垂直結(jié)構(gòu)分別與以 1I1-V族半導(dǎo)體材料制作的實(shí)例一中的有源環(huán)形共振腔1和無源環(huán)形共振腔2相同。 |合器4的直波導(dǎo)的材 料參數(shù)和垂直結(jié)構(gòu)與實(shí)例一中耦合器4的直波導(dǎo)相同。各層采用的具體的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)應(yīng)用該元器 件實(shí)現(xiàn)的光器件的具體要求設(shè)計(jì)。
5. 實(shí)例五
將圖6所示的該發(fā)明實(shí)例四的有源環(huán)形共振腔1和無源環(huán)形共振腔2的位置交換，即得到實(shí)例五。實(shí) 例五的垂直結(jié)構(gòu)、制作和工作方式與實(shí)例四相同。
權(quán)利要求
1.一種雙環(huán)耦合共振腔元器件，由兩個(gè)環(huán)形共振腔、一個(gè)耦合兩環(huán)形共振腔的耦合器和若干另外若干個(gè)耦合器組成。其特征是一個(gè)環(huán)形共振腔為有源環(huán)形共振腔，而另外一個(gè)環(huán)形共振腔為無源環(huán)形共振腔；兩環(huán)形共振腔分別獨(dú)立地通過電流注入載流子對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制；有源環(huán)形共振腔對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的同時(shí)，也對(duì)光波的相位進(jìn)行調(diào)制，而無源環(huán)形共振腔僅調(diào)制光波的相位。
2. 由權(quán)利要求1所述的雙環(huán)耦合共振腔元器件，其特征是除了耦合兩環(huán)形共振腔的耦合器之外，兩環(huán) 形共振腔上各連接若干個(gè)或者不連接耦合器，元器件通過這些耦合器與其它光波導(dǎo)耦合，光波通過這 兩個(gè)耦合器耦合或者耦合出該元器件。
3. 由權(quán)利要求1所述的雙環(huán)耦合共振腔元器件，其特征是整個(gè)器件由HI-V族半導(dǎo)體材料制作而成。
4. 由權(quán)利要求2所述的雙環(huán)耦合共振腔元器件，其特征是兩環(huán)形共振腔上各連接一個(gè)耦合器。
5. 由權(quán)利要求2所述的雙環(huán)耦合共振腔元器件，其特征是有源共振腔上連接一個(gè)耦合器，無源共振腔 上不連接耦合器，
6. 由權(quán)利要求2所述的雙環(huán)耦合共振腔元器件，其特征是無源共振腔上連接一個(gè)耦合器，有源共振腔 上不連接耦合器。
7. 由權(quán)利要求2所述的雙環(huán)耦合共振腔元器件，其特征是有源共振腔上連接兩個(gè)耦合器，無源共振腔上不連接耦合器。
8. 由權(quán)利要求2所述的雙環(huán)耦合共振腔元器件，其特征是無源共振腔上連接兩個(gè)賴合器，有源共振腔上不連接耦合器。
9. 由權(quán)利要求2、 4、 5、 6、 7、 8、 9所述的雙環(huán)耦合共振腔元器件，其特征是整個(gè)器件由III-V族半導(dǎo) 體材料制作。
全文摘要
一種單環(huán)有源的電控雙環(huán)耦合共振腔元器件。它由一個(gè)有源環(huán)形共振腔、一個(gè)無源環(huán)形共振腔、一個(gè)耦合兩環(huán)形共振腔的耦合器與另外若干個(gè)耦合器組成。兩環(huán)形共振腔上均制作有電極，分別獨(dú)立地通過電流注入載流子對(duì)光波進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制速度可達(dá)到納秒以下。有源環(huán)形共振腔對(duì)光波的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制的同時(shí)，也對(duì)光波的相位進(jìn)行調(diào)制，而無源環(huán)形共振腔僅調(diào)制光波的相位。該元器件實(shí)現(xiàn)了增益和波導(dǎo)折射率的分別獨(dú)立調(diào)制，提高了微環(huán)共振腔的可調(diào)性，使損耗和相位能夠同時(shí)滿足基于微環(huán)共振腔的光器件的要求。
文檔編號(hào)G02B6/26GK101169500SQ200610143429
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月27日
發(fā)明者煒 施, 段子剛 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)