專(zhuān)利名稱：一種高q值微型圓形諧振腔器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息材料與器件領(lǐng)域，特別涉及一種基于SOI材料的高Q值微型圓形諧振腔器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
絕緣體上娃(Silicon-On-1nsulator,簡(jiǎn)稱SOI)是一種新型的娃基功能光電子材料。從光學(xué)性能來(lái)看，懸空的SOI微納光子器件對(duì)光場(chǎng)有很強(qiáng)的限制作用，可以實(shí)現(xiàn)高密度集成的光子器件。通過(guò)結(jié)合懸空光子晶體等光子器件對(duì)光場(chǎng)的限制，使諧振腔的Q值(品質(zhì)因子)得到質(zhì)的提升，為開(kāi)發(fā)納米級(jí)激光器、微型傳感器等微型器件奠定了基礎(chǔ)。另外，SOI光子器件制備工藝與硅微電子標(biāo)準(zhǔn)COMS工藝有良好的兼容性，可以大幅降低制造成本，并實(shí)現(xiàn)與硅基微電子器件的單片集成。通過(guò)對(duì)光子器件的開(kāi)發(fā)和集成，可以研發(fā)出速度更快、容量更高、體積更小、用途更廣的光學(xué)計(jì)算機(jī)和微型傳感器等儀器設(shè)備?；谝陨戏治?，本發(fā)明人對(duì)采用SOI材料制作諧振腔的技術(shù)進(jìn)行深入研究，本案
由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，在于提供一種高Q值微型圓形諧振腔器件及其制備方法，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的二次選頻，提高器件的Q值。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是—種高Q值微型圓形諧振腔器件，采用SOI晶片作為載體，所述SOI晶片從上到下依次為頂層硅器件層、氧化埋層和硅襯底層；所述頂層硅器件層刻蝕有一個(gè)帶開(kāi)口的諧振腔、2個(gè)光波導(dǎo)、2列入射光柵和一個(gè)光子晶體陣列，其中，諧振腔由中間的氧化埋層作為支撐，一個(gè)光波導(dǎo)的一端與諧振腔的開(kāi)口連接，且該光波導(dǎo)的軸線與諧振腔的開(kāi)口切線垂直，而另一個(gè)光波導(dǎo)的一端與諧振腔的外周連接，且兩個(gè)光波導(dǎo)呈垂直設(shè)置；光子晶體陣列呈正方形，由數(shù)個(gè)圓孔型空氣介質(zhì)柱周期性光子晶體組成，且圍繞諧振腔和光波導(dǎo)規(guī)則排列，并使諧振腔位于該光子晶體陣列的中心，且光波導(dǎo)與所述光子晶體陣列的邊緣垂直；每列入射光柵均由數(shù)個(gè)線性光柵縱向平行排列而成，兩列入射光柵的一端分別連接兩個(gè)光波導(dǎo)的另一端。上述諧振腔呈帶有一開(kāi)口的圓形形狀。上述氧化埋層為二氧化硅層，該層具有多個(gè)空腔，所述空腔的上表面與硅襯底層的上表面平行。上述光波導(dǎo)為直線型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。一種高Q值微型圓形諧振腔器件的制備方法，采用SOI晶片作為載體，所述SOI晶片從上到下依次為頂層硅器件層、氧化埋層和硅襯底層；所述制備方法包括如下步驟(I)在頂層硅器件層表面旋涂一層電子束光刻膠層；
(2)采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束光刻膠層定義高Q值微型圓形諧振腔器件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)帶開(kāi)口的諧振腔、2個(gè)光波導(dǎo)、2列入射光柵和一個(gè)光子晶體陣列，其中，一個(gè)光波導(dǎo)的一端與諧振腔的開(kāi)口連接，且該光波導(dǎo)的軸線與諧振腔的開(kāi)口切線垂直，而另一個(gè)光波導(dǎo)的一端與諧振腔的外周連接，且兩個(gè)光波導(dǎo)呈垂直設(shè)置；光子晶體陣列呈正方形，由數(shù)個(gè)圓孔型空氣介質(zhì)柱周期性光子晶體組成，且圍繞諧振腔和光波導(dǎo)規(guī)則排列，并使諧振腔位于該光子晶體陣列的中心，且光波導(dǎo)與所述光子晶體陣列的邊緣垂直；每列入射光柵均由數(shù)個(gè)線性光柵縱向平行排列而成，兩列入射光柵的一端分別連接兩個(gè)光波導(dǎo)的另一端；(3)采用離子束刻蝕或深硅刻蝕技術(shù)，將步驟(2)中的高Q值微型圓形諧振腔器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至頂層硅器件層，并刻蝕至氧化埋層；(4)采用氧氣等離子灰化方法去除頂層硅器件層的殘余電子束光刻膠；(5)采用BOE或Vapor HF刻蝕技術(shù)，去除步驟(3)中頂層硅器件層上的入射光柵、光波導(dǎo)和光子晶體陣列下方的氧化埋層；將諧振腔下方的二氧化硅部分刻蝕，剩余的二氧化硅形成諧振腔的支撐柱。上述諧振腔呈帶有一開(kāi)口的圓形形狀。采用上述方案后，本發(fā)明具有以下有益效果(I)本發(fā)明利用光子晶體及微型圓形諧振腔的選頻特性，將入射光波進(jìn)行二次選頻諧振，達(dá)到提高Q值(品質(zhì)因子)的目的；(2)本發(fā)明所提供的諧振腔器件可以用作微型激光器諧振腔、微型傳感器等，其制備技術(shù)成熟，便于與娃微電子技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)集成娃基光電子器件。


圖1是本發(fā)明中頂層硅器件層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)層次圖；圖3是本發(fā)明的制備流程示意圖；圖4是本發(fā)明在光學(xué)顯微鏡下的實(shí)物圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案及有益效果進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖2所示，本發(fā)明提供一種高Q值微型圓形諧振腔器件，采用SOI晶片作為載體，所述SOI晶片包括從上而下的三層結(jié)構(gòu)，依次是頂層硅器件層、氧化埋層和硅襯底層，以下將分別介紹。所述氧化埋層為二氧化硅層，該層具有多個(gè)空腔，所述空腔的上表面與硅襯底層的上表面平行。如圖1所示，所述頂層硅器件層刻蝕有一個(gè)帶有開(kāi)口的諧振腔、2個(gè)光波導(dǎo)、2列入射光柵和一個(gè)光子晶體陣列，其中，入射光柵、光波導(dǎo)和光子晶體陣列為懸空結(jié)構(gòu)，而諧振腔由中間的氧化埋層作為支撐，該諧振腔的整體形狀可為不規(guī)則形態(tài)，但以帶有一開(kāi)口的圓形形狀為最佳，下文均以此種C型諧振腔為例進(jìn)行說(shuō)明；光波導(dǎo)為直線型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，一個(gè)光波導(dǎo)的一端與C型諧振腔的開(kāi)口連接，且該光波導(dǎo)的中軸線與該開(kāi)口的切線相垂直，而另一個(gè)光波導(dǎo)的一端與C型諧振腔的外周連接，且兩個(gè)光波導(dǎo)呈垂直設(shè)置；光子晶體陣列由數(shù)個(gè)圓孔型空氣介質(zhì)柱周期性光子晶體組成，且圍繞C型諧振腔和光波導(dǎo)規(guī)則有序排列，所述光子晶體陣列外型呈正方形，C型諧振腔位于所述正方形的中心位置，且兩個(gè)光波導(dǎo)的中軸線分別與該正方形的邊垂直；每列入射光柵均由數(shù)個(gè)線性光柵縱向平行排列而成，兩列入射光柵的一端分別連接兩個(gè)光波導(dǎo)的另一端。圖4所示是本發(fā)明一種高Q值微型圓形諧振腔器件的實(shí)物圖。在本實(shí)施例中，入射光柵將外界傾斜或垂直入射的光線引入光波導(dǎo)中；因光子器件材料與空氣介質(zhì)的折射率相差較大，懸空的光波導(dǎo)將光波鎖入并引入圓孔型空氣介質(zhì)柱周期性光子晶體中，通過(guò)光子晶體的選頻特性，將特定頻率的光選送入C型諧振腔中，C型諧振腔將光波導(dǎo)耦合進(jìn)入的特定光波進(jìn)行二次選頻諧振，從而達(dá)到提高Q值的目的。結(jié)合圖3所示，本發(fā)明還提供一種前述高Q值微型圓形諧振腔器件的制備方法，包括如下步驟( I)在所述頂層硅器件層表面旋涂一層電子束光刻膠層；(2)采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束光刻膠層定義高Q值微型圓形諧振腔器件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)可參照前文以及圖1所示，在此不再贅述；(3)采用IBE (離子束刻蝕)或ICP (深硅刻蝕)技術(shù)，將步驟(2)中的高Q值微型圓形諧振腔器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至頂層硅器件層，并刻蝕至氧化埋層；(4)采用氧氣等離子灰化方法去除頂層硅器件層的殘余電子束光刻膠；(5)采用BOE或Vapor HF刻蝕技術(shù)，去除步驟(3)中頂層硅器件層上的入射光柵、光波導(dǎo)及光子晶體陣列下方的氧化埋層；將C型諧振腔下方的二氧化硅部分刻蝕，剩余的二氧化硅形成C型諧振腔的支撐柱。以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高Q值微型圓形諧振腔器件，采用SOI晶片作為載體，所述SOI晶片從上到下依次為頂層硅器件層、氧化埋層和硅襯底層；其特征在于所述頂層硅器件層刻蝕有一個(gè)帶開(kāi)口的諧振腔、2個(gè)光波導(dǎo)、2列入射光柵和一個(gè)光子晶體陣列，其中，諧振腔由中間的氧化埋層作為支撐，一個(gè)光波導(dǎo)的一端與諧振腔的開(kāi)口連接，且該光波導(dǎo)的軸線與諧振腔的開(kāi)口切線垂直，而另一個(gè)光波導(dǎo)的一端與諧振腔的外周連接，且兩個(gè)光波導(dǎo)呈垂直設(shè)置；光子晶體陣列呈正方形，由數(shù)個(gè)圓孔型空氣介質(zhì)柱周期性光子晶體組成，且圍繞諧振腔和光波導(dǎo)規(guī)則排列，并使諧振腔位于該光子晶體陣列的中心，且光波導(dǎo)與所述光子晶體陣列的邊緣垂直；每列入射光柵均由數(shù)個(gè)線性光柵縱向平行排列而成，兩列入射光柵的一端分別連接兩個(gè)光波導(dǎo)的另一端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高Q值微型圓形諧振腔器件，其特征在于所述諧振腔呈帶有一開(kāi)口的圓形形狀。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高Q值微型圓形諧振腔器件，其特征在于所述氧化埋層為二氧化硅層，該層具有多個(gè)空腔，所述空腔的上表面與硅襯底層的上表面平行。
4.如權(quán)利要求1所述的一種高Q值微型圓形諧振腔器件，其特征在于所述光波導(dǎo)為直線型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種高Q值微型圓形諧振腔器件的制備方法，其特征在于采用SOI晶片作為載體，所述SOI晶片從上到下依次為頂層硅器件層、氧化埋層和硅襯底層； 所述制備方法包括如下步驟(1)在頂層硅器件層表面旋涂一層電子束光刻膠層；(2)采用電子束曝光技術(shù)在所述電子束光刻膠層定義高Q值微型圓形諧振腔器件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)帶開(kāi)口的諧振腔、2個(gè)光波導(dǎo)、2列入射光柵和一個(gè)光子晶體陣列，其中，一個(gè)光波導(dǎo)的一端與諧振腔的開(kāi)口連接，且該光波導(dǎo)的軸線與諧振腔的開(kāi)口切線垂直， 而另一個(gè)光波導(dǎo)的一端與諧振腔的外周連接，且兩個(gè)光波導(dǎo)呈垂直設(shè)置；光子晶體陣列呈正方形，由數(shù)個(gè)圓孔型空氣介質(zhì)柱周期性光子晶體組成，且圍繞諧振腔和光波導(dǎo)規(guī)則排列， 并使諧振腔位于該光子晶體陣列的中心，且光波導(dǎo)與所述光子晶體陣列的邊緣垂直；每列入射光柵均由數(shù)個(gè)線性光柵縱向平行排列而成，兩列入射光柵的一端分別連接兩個(gè)光波導(dǎo)的另一端；(3)采用離子束刻蝕或深硅刻蝕技術(shù)，將步驟(2)中的高Q值微型圓形諧振腔器件結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移至頂層硅器件層，并刻蝕至氧化埋層；(4)采用氧氣等離子灰化方法去除頂層硅器件層的殘余電子束光刻膠；(5)采用BOE或VaporHF刻蝕技術(shù)，去除步驟(3)中頂層硅器件層上的入射光柵、光波導(dǎo)和光子晶體陣列下方的氧化埋層；將諧振腔下方的二氧化硅部分刻蝕，剩余的二氧化硅形成諧振腔的支撐柱。
6.如權(quán)利要求5所述的一種高Q值微型圓形諧振腔器件的制備方法，其特征在于所述諧振腔呈帶有一開(kāi)口的圓形形狀。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種高Q值微型圓形諧振腔器件，采用SOI晶片作為載體，所述SOI晶體從上到下依次為頂層硅器件層、氧化埋層和硅襯底層；所述頂層硅器件層刻蝕有一個(gè)C型諧振腔、2個(gè)光波導(dǎo)、2列入射光柵和一個(gè)光子晶體陣列，其中，一個(gè)光波導(dǎo)的一端與C型諧振腔的開(kāi)口連接，另一個(gè)光波導(dǎo)的一端與C型諧振腔的外周連接；光子晶體陣列由數(shù)個(gè)圓孔型空氣介質(zhì)柱周期性光子晶體組成，圍繞C型諧振腔和光波導(dǎo)規(guī)則排列；每列入射光柵均由數(shù)個(gè)線性光柵縱向平行排列而成，兩列入射光柵的一端分別連接兩個(gè)光波導(dǎo)的另一端。此種器件可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的二次選頻，提高器件的Q值。本發(fā)明還公開(kāi)一種高Q值微型圓形諧振腔器件的制備方法。
文檔編號(hào)G02B6/13GK103018827SQ20121057024
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月25日
發(fā)明者王永進(jìn), 施政, 于慶龍, 陳佳佳, 高緒敏, 賀樹(shù)敏 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)