环形腔器件及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种环形腔器件，包括无源环形波导以及与所述无源环形波导平面耦合的输入输出波导，还包括与所述无源环形波导和/或输入输出波导垂直耦合的有源波导结构，所述有源波导结构对无源环形波导提供损耗补偿。本发明专利技术还提供一种环形腔器件的制作方法。本发明专利技术可通过垂直耦合或者混合耦合（先垂直耦合然后平面耦合）使环形腔器件获得部分增益，从而补偿该环形腔器件内的损耗，提高其品质因子。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体腔光学器件，尤其涉及一种。
技术介绍
环形腔作为一种行波腔，鉴于与驻波腔相比与生俱来的优越性，使得其无论是作为无源线性器件(如滤波器、色散补偿器和传感器)、有源线性器件(如激光器、调制器还是探测器)还是非线性器件(腔量子电动力学)都有着广泛的应用。特别是无源环形腔，鉴于其没有增益竞争导致的互相耦合，可以实现高品质行波，因此可获得高的波长选择性以及慢光行为，在诸多领域有着广泛的用途(包括激光器、光学陀螺等)。因此，诸多材料如玻璃、聚合物、SO1、SiN、Si02、S1、LiNb03、II1-V等都用来制备无源环形腔，但是无一例外的，环形腔损耗成为其实现高性能无源环形腔的制约因素。 为了减少损耗，采用大直径环、矩形腔、低折射率透明材料来制备环形腔，虽然某种措施的采用会在一定程度上减少损耗，提高器件性能，但一方面该种改变同时也会对器件带来相应的其他问题，折衷成为最终选择；另一方面散射损耗是采用任何途径消除不了的损耗，成为该类器件性能的最终制约因素。 因此，如何设计出一种环形腔，可降低甚至消除腔内损耗、提高环形腔的品质因子，使得环形腔达到功能极致，成为新的研发方向。
技术实现思路
本专利技术针对此问题，提供了一种。 本专利技术公开了一种环形腔器件，包括无源环形波导以及与所述无源环形波导平面耦合的输入输出波导，还包括与所述无源环形波导和/或输入输出波导垂直耦合的有源波导结构。该处的垂直耦合，是指有源波导结构位于无源环形波导和/或输入输出波导的上方或下方。 优选的，在上述的环形腔器件中，所述有源波导结构对无源环形波导提供增益以补偿损耗。该处的损耗补偿，包括对无源环形波导的损耗提供部分或全部的补偿，可以是直接与无源环形波导耦合为其提供补偿，也可以是与输入输出波导耦合通过输入输出波导与环形腔的耦合进一步为无源环形波导提供补偿。 优选的，在上述的环形腔器件中，所述有源波导结构至少覆盖于所述无源环形波导的部分上表面，所述有源波导结构包括依次形成于所述无源环形波导上表面的隔离层、有源增益层、包覆层和接触层。 优选的，在上述的环形腔器件中，所述隔离层的材质为InP，所述有源增益层的材质为In(Ga)As(P),所述包覆层的材质为InP，所述接触层的材质为InGaAs。 优选的，在上述的环形腔器件中，所述有源波导结构形成于所述输入输出波导的第一位置上，所述输入输出波导与所述无源环形波导在第一位置耦合。 优选的，在上述的环形腔器件中，所述有源波导结构包括依次形成于所述输入输出波导上表面的隔离层、有源增益层、包覆层和接触层。 优选的，在上述的环形腔器件中，所述隔离层的材质为InP，所述有源增益层的材质为In(Ga)As(P),所述包覆层的材质为InP，所述接触层的材质为InGaAs。 相应地，本专利技术还公开了一种环形腔器件的制作方法，包括步骤:S1、在衬底上依次生长缓冲层、无源波导层、隔离层、有源增益层、包覆层和接触层； s2、对步骤Si的结构进行刻蚀，形成具有垂直耦合结构的环形波导和输入输出波导。 优选的，在上述的环形腔器件的制作方法中，还包括对所述环形波导进一步刻蚀，以部分暴露出隔离层，形成无源环形波导以及位于该无源环形波导上方的有源波导结构。 优选的，在上述的环形腔器件的制作方法中，还包括对所述输入输出波导进一步刻蚀，以暴露出第一位置以外隔离层，形成无源输入输出波导以及位于第一位置上的有源波导结构，所述无源输入输出波导与所述环形波导在第一位置耦合。 优选的，在上述的环形腔器件的制作方法中，所述衬底的材质选自Si衬底、GaAs衬底、InP衬底或GaN衬底；所述缓冲层的材质为InP，所述无源波导层的材质为InGaAsP、InGaAlAs或InGaNAs ;所述隔离层的材质为InP ;所述有源增益层的材质为In(Ga)As(P)；所述包覆层的材质为InP;所述接触层的材质为InGaAs。 本专利技术的，通过采用有源垂直耦合结构制备无源环形腔，使得该无源环形腔的部分波导区域可通过垂直耦合或者混合耦合获得部分增益，从而补偿该无源环形腔内损耗，但不影响该无源环形腔的其他结构和性能，进而真正获得低损耗甚至零损耗无源环形腔，增加环形腔的品质因子，提高环形腔性能甚至达到功能极致。 【附图说明】 图1是本专利技术中环形腔器件的材料结构的实施例示意图。 图2A到图2G是为本专利技术中首次光刻的波导图案的实施例示意图。 图3为本专利技术中一次光刻和刻蚀后形成的基于有源垂直耦合结构的环形波导和输入输出波导立体不意图。 图4A到图4E是所示为本专利技术中完成二次光刻和刻蚀后的环形波导和输入输出波导的平面示意图。 图5是图4A的立体示意图。 图6为本专利技术中环形波导及输入输出波导回路经介质膜钝化后的结构立体示意图。 图7为环形腔器件的成品结构立体示意图。 图8为本专利技术所述方法【具体实施方式】的步骤示意图。 图9为本专利技术环形腔的品质因子随有源区提供增益比例的变化关系图。 图1OA到图1OD为基于该环形腔单元的光子集成回路实施例示意图。 【具体实施方式】 如图1所示，为本专利技术中环形腔器件的材料结构实施例示意图，包括在衬底I上依次生长的缓冲层2、无源波导层3、隔离层4、有源增益层5、包覆层6和接触层7，构成有源垂直耦合结构。其中，由接触层7到隔离层4形成有源波导部分，由隔离层4到无源波导层3形成无源波导结构。无源波导层3、隔离层4和有源增益层5 —起构成有源垂直耦合结构的核心层。该有源垂直耦合结构作为构成波导结构(环形波导和输入输出波导)的核心组成部分，用以提供增益补偿所述环形腔内部损耗，从而获得高品质因子。 其中，衬底I可以选自Si衬底、GaAs衬底、InP衬底或GaN衬底中的一种。以InP衬底为例:在InP衬底上生长InP缓冲层、无源波导层、InP隔离层和有源增益层、InP包覆层和InGaAs接触层。其中InP衬底根据需要可以是P型衬底、N型衬底或者半绝缘衬底，无源波导层根据需要可以是1.0-1.5微米的InGaAsP材料、InGaAlAs材料或者InGaNAs材料等，该无源波导层3的厚度需根据无源环形腔的要求确定，通常在0.2-20微米之间，掺杂浓度和种类根据衬底种类和环形腔的要求确定；InP隔离层根据无源环形腔的需求和衬底掺杂种类确定，一般厚度在0.1-30微米；有源增益层根据环形腔需求，一般是波长为1.3-1.65微米的 In (Ga) As (P)体材料，还可以为 In (Ga) As (P)/In (Ga) As (P)多量子阱、或 In (Ga) As (P) /InGa(Al)As多量子阱；InP包覆层的掺杂和厚度根据环形腔需求以及InP衬底的种类来确定；InGaAs接触层厚度一般在0.1-1微米之间，掺杂浓度为l*1017-l*102°cm_3。掺杂种类根据衬底掺杂情况和环形腔自身需求确定，以满足有源区可正常高效加电获得增益为准。 请参阅图2A到图2G，所示为本专利技术中首次光刻的波导图案的实施例示意图。具体而言，是在图1的接触层上光刻出环形波导和输入输出波导图案。其中光刻方式可以是电子束曝光、紫外光刻、干涉光刻和纳米压印、自组装等方式中的一种或组合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形腔器件，包括无源环形波导以及与所述无源环形波导平面耦合的输入输出波导，其特征在于：还包括与所述无源环形波导和/或输入输出波导垂直耦合的有源波导结构。

【技术特征摘要】
2013.06.18 CN 201310241897.21.一种环形腔器件，包括无源环形波导以及与所述无源环形波导平面耦合的输入输出波导，其特征在于:还包括与所述无源环形波导和/或输入输出波导垂直耦合的有源波导结构。2.根据权利要求1所述的环形腔器件，其特征在于:所述有源波导结构对无源环形波导提供增益以补偿损耗。3.根据权利要求1所述的环形腔器件，其特征在于:所述有源波导结构至少覆盖于所述无源环形波导的部分上表面，所述有源波导结构包括依次形成于所述无源环形波导上表面的隔离层、有源增益层、包覆层和接触层。4.根据权利要求3所述的环形腔器件，其特征在于:所述隔离层的材质为InP，所述有源增益层的材质为In(Ga)As(P),所述包覆层的材质为InP，所述接触层的材质为InGaAs。5.根据权利要求1所述的环形腔器件，其特征在于:所述有源波导结构形成于所述输入输出波导的第一位置上，所述输入输出波导与所述无源环形波导在第一位置耦合。6.根据权利要求5所述的环形腔器件，其特征在于:所述有源波导结构包括依次形成于所述输入输出波导上表面的隔离层、有源增益层、包覆层和接触层。7.根据权利要求6所述的环形腔器件，其特征在于:所述隔离...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑞英，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32