一种中长波红外热光上转换的全光光子集成器件制造技术

本发明专利技术公开了一种中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，自上而下包括衬底层、光隔离层、光传输层和吸收增强层；其中，光传输层包括光传输波导、耦合波导、相移光栅、支撑结构、相移光栅与支撑结构连接结构、光传输波导两侧浅刻蚀结构、光传输波导与耦合波导间隙；耦合波导、相移光栅、支撑结构、相移光栅与支撑结构连接结构连为一体，并且其下方镂空、通过支撑结构与光传输层其余部分相连；本发明专利技术提供的中长波红外热光上转换的全光光子集成器件可将中长波红外信号直接转换为通讯波段的近红外信号，接入到现有光纤网路中传输，可起到简化系统结构的作用；并通过隔离层设计减弱了外界噪声的干扰，降低外界噪声对器件性能的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种中长波红外热光上转换的全光光子集成器件
本专利技术属于红外传感器件
，具体涉及一种中长波红外热光上转换的全光光子集成器件。
技术介绍
中长波红外传感器可用于工业、医疗、监控等各个方面。中长波红外传感器与互联网技术相结合，可将传感器检测到的信号快速传输到远端计算机进行分析，并做出相应处理。现有的中长波红外传感器需要将探测到的红外光学信号转换成电学信号进行处理后再转换成光学信号才能接入到互联网中；这将延长系统的响应时间，增加制作成本，使系统复杂；并且现有的中长波红外传感器受外界环境噪声影响大，限制了器件的性能。“Plasmonresonanceenhancedmulticolorphotodetectionbygraphene”(Naturecommunications，2011，2:579)公开了一种等离子增强石墨烯探测器，可提高石墨烯探测器的量子效率并实现多波长探测；然而石墨烯探测器吸收率较低，不能有效地将红外辐射信号转换为热信号；公开号为US7820970B1的美国专利公开了一种利用微盘谐振腔制作的微光红外探测器，实现了中红外辐射到近红外信号的转化，具有极低的等效噪声功率；但微光红外探测器由于结构限制，无法进一步降低器件热导、提高器件的灵敏度；并且该红外探测器受外界环境温度变化影响大，需要在真空环境中才能取得较好的性能，这无疑给器件制备带来很大挑战，并限制了该探测器的应用场合。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种长波红外热光上转换全光光子集成器件，解决了现有中长波红外传感器与光通讯网络融合困难、易受外界噪声影响的问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，自下而上依次包括衬底层、光隔离层、光传输层和吸收增强层；其中，光传输层包括第一光传输波导、第一耦合波导、第一相移光栅、第二耦合波导、第二光传输波导、第一支撑结构、第二支撑结构、第一连接结构和第二连接结构；第一光传输波导与第一耦合波导平行错开相邻设置，两者之间具有间隙；第一耦合波导的一端悬空，另一端与第一相移光栅的一端相连，第一相移光栅的另一端与第二耦合波导的一端相连，第二耦合波导的另一端悬空；第一连接结构设置在第一相移光栅的一侧、第二连接结构设置在第一相移光栅的另一侧；第一连接结构与第一支撑结构相连，第二连接结构与第二支撑结构相连；第一连接结构、第一相移光栅、第二连接结构、第一支撑结构和第二支撑结构所构成的整体的下方的光隔离层镂空；所述第一耦合波导、第一相移光栅与第二耦合波导所构成的整体结构通过第一连接结构、第一支撑结构、第二连接结构以及第二支撑结构所构成的支撑体与光传输层其余部分相连；所述第二光传输波导与第二耦合波导平行错开相邻设置，两者之间具有间隙。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其光传输层还包括第三光传输波导、第二相移光栅；第二相移光栅的一端与第二光传输波导的一端相连，第二相移光栅的另一端与第三光传输波导的一端相连。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其衬底层的厚度大于50微米；其光隔离层的厚度为1微米～10微米，以防止光传输层的光泄漏到衬底，降低器件损耗；其光传输层的厚度为0.2微米～2微米，以尽可能的减小光信号在传输波导中传输会所产生的损耗，且避免在光传输层传输的光会激发起高阶模式，降低器件损耗。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其吸收增强层的厚度为0.01微米～0.2微米，以保证集成器件的吸收率，将器件热时间常数控制在毫秒以内，防止热熔过高延长器件的响应时间。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其第一光传输波导、第一耦合波导、第一相移光栅、第二耦合波导和第二光传输波导的高度相同，该高度在0.2微米～2微米范围内取值。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其第一支撑结构、第二支撑结构的高度为0.1微米～1微米；在保证支撑结构可承载耦合波导、相移光栅、相移光栅与支撑结构连接结构的重量的情况下，尽可能的降低器件的热导，以低热导来降低外界噪声对该集成器件整体性能的影响；第一光传输波导两侧的浅刻蚀结构、第一连接结构以及第二连接结构三者的高度与第一、第二支撑结构相同，以保证近红外信号在第一、第二光传输波导与第一相移光栅中低损耗传输，降低器件的损耗的同时简化工艺流程。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其第一光传输波导、第二光传输波导、第一耦合波导、第二耦合波导以及第一相移光栅五者的宽度相同，该宽度为0.2微米～1微米；第一光传输波导与第一耦合波导之间的间隙为0.01微米～0.2微米，第二光传输波导与第二耦合波导之间的间隙为0.01微米～0.2微米；以保证光信号可从光传输波导耦合到耦合波导，并通过控制耦合波导的长度以降低耦合波导过长对集成器件热熔的增加；第一耦合波导的长度为5微米～40微米、第二耦合波导的长度为5微米～40微米。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，第一光传输波导两侧浅刻蚀结构、第一连接结构与第二连接结构的宽度相同，该宽度为2微米～10微米，以使得近红外信号在光传输波导与相移光栅中低损耗传输的同时保证器件的吸收率，降低器件的损耗，提高信号转换效率；第一相移光栅的长度为10微米～400微米，第一连接结构的长度为10微米～400微米，第二连接结构的长度为10微米～400微米。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其第一相移光栅结构的相移长度为0.05微米～1微米，单侧齿宽0.01微米～0.5微米，周期为0.2微米～1微米，占空比为30％～70％，共50～400个周期，以保证集成器件的Q值，并增强器件谐振频率处光的透过率，以增强集成器件的对光信号的探测灵敏度。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其第一支撑结构宽0.2微米～1微米、长15微米～450微米；第二支撑结构宽0.2微米～1微米、长15微米～450微米，以降低器件热导，同时保证支撑结构可承载耦合波导、相移光栅、相移光栅与支撑结构连接结构的重量。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，第一相移光栅与第一连接结构、第二连接结构的长度为10微米～400微米，以保证相移光栅整体可以被加热，并降低器件的热熔。优选的，上述中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其第一耦合波导、第二耦合波导的长度为5微米～50微米。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提出的中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，由于氧化硅和氮化硅可吸收红外辐射并将其转化为热，而根据热光效应，光传输层可将温度的变化以折射率的变化表现出来，采用高品质因数相移光栅，其谐振频率对折射率变化极为敏感，谐振频率的改变即可反映红外辐射的变化，因此可将中长波红外信号直接转换为通讯波段的近红外信号，接入到光纤网路中传输，具有简化系统结构的作用；(2)本专利技术提出的中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，由于采用耦合波导将相移光栅及其上吸收增强层、相移光栅与支撑结构连接结构整体同光传输层其他部分隔开，并将它们的下方镂空，与衬底隔开，仅仅通过细而长的支本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其特征在于，自下而上包括衬底层、光隔离层、光传输层和吸收增强层；所述光传输层包括第一光传输波导、第一耦合波导、第一相移光栅、第二耦合波导、第二光传输波导、第一支撑结构、第二支撑结构、第一连接结构和第二连接结构；所述第一光传输波导与第一耦合波导平行错开相邻设置，两者之间具有间隙；第一耦合波导的一端悬空，另一端与第一相移光栅的一端相连，第一相移光栅的另一端与第二耦合波导的一端相连，第二耦合波导的另一端悬空；第一连接结构设置在第一相移光栅的一侧、第二连接结构设置在第一相移光栅的另一侧；第一连接结构与第一支撑结构相连，第二连接结构与第二支撑结构相连；所述第一连接结构、第一相移光栅、第二连接结构、第一支撑结构和第二支撑结构所构成的整体的下方的光隔离层镂空；所述第一耦合波导、第一相移光栅与第二耦合波导所构成的整体结构通过第一连接结构、第一支撑结构、第二连接结构以及第二支撑结构所构成的支撑体与光传输层其余部分相连；所述第二光传输波导与第二耦合波导平行错开相邻设置，两者之间具有间隙。

【技术特征摘要】
1.一种中长波红外热光上转换的全光光子集成器件，其特征在于，自下而上包括衬底层、光隔离层、光传输层和吸收增强层；所述光传输层包括第一光传输波导、第一耦合波导、第一相移光栅、第二耦合波导、第二光传输波导、第一支撑结构、第二支撑结构、第一连接结构和第二连接结构；所述第一光传输波导与第一耦合波导平行错开相邻设置，两者之间具有间隙；第一耦合波导的一端悬空，另一端与第一相移光栅的一端相连，第一相移光栅的另一端与第二耦合波导的一端相连，第二耦合波导的另一端悬空；第一连接结构设置在第一相移光栅的一侧、第二连接结构设置在第一相移光栅的另一侧；第一连接结构与第一支撑结构相连，第二连接结构与第二支撑结构相连；所述第一连接结构、第一相移光栅、第二连接结构、第一支撑结构和第二支撑结构所构成的整体的下方的光隔离层镂空；所述第一耦合波导、第一相移光栅与第二耦合波导所构成的整体结构通过第一连接结构、第一支撑结构、第二连接结构以及第二支撑结构所构成的支撑体与光传输层其余部分相连；所述第二光传输波导与第二耦合波导平行错开相邻设置，两者之间具有间隙。2.如权利要求1所述的全光光子集成器件，其特征在于，所述光传输层还包括第三光传输波导、第二相移光栅；第二相移光栅的一端与第二光传输波导的一端相连，第二相移光栅的另一端与第三光传输波导的一端相连。3.如权利要求1或2所述的全光光子集成器件，其特征在于，所述衬底层的厚度大于50微米，所述光隔离层的厚度为1微米～10微米，所述光传输层的厚度为0.2微米～2微米。4.如权利要求1或2所述的全光光子集成器件，其特征在于，所述吸收增强层的厚度为0.01微米～0...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈长虹，于洪浩，张晔，梅俊杰，李霄，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42