[发明专利]提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种可提供受激拉曼散射光增益的耦合谐振环结构并对光损耗进行补偿的实现方式，以及这种结构在集成光学陀螺方面的应用，尤其涉及一种提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法，属于集成光学陀螺耦合谐振环技术领域。

(二)背景技术

近年来，硅基光子集成技术领域内的一系列突破性进展诸如硅基拉曼激光器、硅基高速光调制器、硅基光探测器等，极大地推动了硅基光子学逐步走向实用的领域。人们已不再怀疑硅(特别是绝缘层上的硅(SOI，Silicon on insulator))材料可以作为下一代集成光子学材料的可能性，因此，更多的研究集中在这些集成光子材料与器件的应用领域。集成光学陀螺就是其中之一。基于光电子集成和光子集成技术的快速发展，未来光学陀螺的研究呈现出集成化发展趋势，也即将光源、波导环、耦合器、调制器、探测器等集成在同一芯片中，进一步减小器件体积，降低成本，实现规模化生产。集成光波导陀螺代表了陀螺技术发展的方向，必将成为未来市场的主流。硅基耦合谐振环结构作为未来光波导陀螺中的核心器件，其性能优劣直接关系到陀螺性能优劣。很多相互独立的理论研究都显示，使用特定几何结构的耦合谐振环可以构建具有非常高灵敏度的光波导陀螺。然而，在科学实验和工程实施过程中，由于谐振环的材料性质(如光吸收与散射等)和结构特性(如弯曲半径光损耗等)都会不可避免地带来传播光的损耗，而光损耗将严重影响耦合谐振环作为光波导陀螺核心器件的性能，以致光损耗的存在使得在给定损耗以及尺寸情况下，光波导陀螺和传统光纤陀螺相比时将毫无优势可言。这就要求我们能够在耦合谐振环中引入光增益机制，以补偿以上种种原因造成的光损耗。另一方面，SOI基受激拉曼散射效应光放大器已经在实验室中实现，可以有效地对光通讯波段的光进行放大。这就为硅基耦合谐振环光增益的引入提供了一种切实可行的方式。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法。这一结构可以有效地实现1.54μm波段的光增益以补偿结构中的光损耗。

2、发明内容：

本发明提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环结构构建方法，该方法具体步骤如下：

步骤一、利用离子注入等方法制作SOI基片作为基体材料，即在普通单晶硅表面下一定深度0.1～2μm处，制作一层厚度为0.1～1μm的二氧化硅(SiO₂)薄膜。

步骤二、在上述SOI基片上设计出本发明一种提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合谐振环的几何光路结构。该结构由两部分组成：第一部分为核心部分，由一个大尺寸(等效半径R：300～600μm)的闭合回路波导(圆形、矩形或便于制作的任意闭合结构)和若干个小尺寸(等效半径r：100～200μm)的环形波导谐振腔构成。其中小尺寸的环形波导谐振腔位于大尺寸的闭合回路波导的封闭区域内，前者的波导外沿与后者的波导内沿距离很小，几乎相切，两者最接近的区域构成耦合区域；第二部分为实现信号光输入(输出)耦合功能的波导部分，即通过一条弯曲波导实现与上述大尺寸闭合回路波导之间的弱耦合，以及弯曲波导两端口之间的50∶50耦合，如图1所示。

步骤三、根据步骤二设计的几何结构，利用传统微电子加工工艺在SOI基片上制作出具有上述耦合谐振环结构的波导。该波导为硅基SOI脊形波导，其形状结构特征如图2所示(此处不包含图中所示的p+、n+掺杂区域)，自下而上分别是硅基底，氧化物埋层(一般为SiO₂)，硅薄膜和突出的脊形硅波导，其中脊形部分宽度范围W：1.2～1.8μm，高度范围H：0.6～0.8μm，整个氧化物埋层以上的硅层厚度h：0.1～2μm。

步骤四、在上述核心部分的硅基脊形波导的左右两侧相隔一定距离(L：7～8μm)分别设置p+和n+掺杂区域，用以形成pn结，掺杂区域上方电极用于施加反向电压，如图2所示。pn结可以抑制由于双光子吸收产生的自由载流子对增益光的吸收效应，使得受激拉曼过程得以持续进行，从而产生光增益。这种存在掺杂区域并加载电极的波导称为有源波导，没有掺杂的成为无源波导。