[发明专利]一种高Q值微型圆形谐振腔器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于信息材料与器件领域，特别涉及一种基于SOI材料的高Q值微型圆形谐振腔器件及其制备方法。

背景技术

绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator，简称SOI）是一种新型的硅基功能光电子材料。从光学性能来看，悬空的SOI微纳光子器件对光场有很强的限制作用，可以实现高密度集成的光子器件。通过结合悬空光子晶体等光子器件对光场的限制，使谐振腔的Q值（品质因子）得到质的提升，为开发纳米级激光器、微型传感器等微型器件奠定了基础。

另外，SOI光子器件制备工艺与硅微电子标准COMS工艺有良好的兼容性，可以大幅降低制造成本，并实现与硅基微电子器件的单片集成。通过对光子器件的开发和集成，可以研发出速度更快、容量更高、体积更小、用途更广的光学计算机和微型传感器等仪器设备。

基于以上分析，本发明人对采用SOI材料制作谐振腔的技术进行深入研究，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种高Q值微型圆形谐振腔器件及其制备方法，其可实现对入射光的二次选频，提高器件的Q值。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种高Q值微型圆形谐振腔器件，采用SOI晶片作为载体，所述SOI晶片从上到下依次为顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层；所述顶层硅器件层刻蚀有一个带开口的谐振腔、2个光波导、2列入射光栅和一个光子晶体阵列，其中，谐振腔由中间的氧化埋层作为支撑，一个光波导的一端与谐振腔的开口连接，且该光波导的轴线与谐振腔的开口切线垂直，而另一个光波导的一端与谐振腔的外周连接，且两个光波导呈垂直设置；光子晶体阵列呈正方形，由数个圆孔型空气介质柱周期性光子晶体组成，且围绕谐振腔和光波导规则排列，并使谐振腔位于该光子晶体阵列的中心，且光波导与所述光子晶体阵列的边缘垂直；每列入射光栅均由数个线性光栅纵向平行排列而成，两列入射光栅的一端分别连接两个光波导的另一端。

上述谐振腔呈带有一开口的圆形形状。

上述氧化埋层为二氧化硅层，该层具有多个空腔，所述空腔的上表面与硅衬底层的上表面平行。

上述光波导为直线型光波导结构。

一种高Q值微型圆形谐振腔器件的制备方法，采用SOI晶片作为载体，所述SOI晶片从上到下依次为顶层硅器件层、氧化埋层和硅衬底层；所述制备方法包括如下步骤：

（1）在顶层硅器件层表面旋涂一层电子束光刻胶层；

（2）采用电子束曝光技术在所述电子束光刻胶层定义高Q值微型圆形谐振腔器件结构，该结构包括一个带开口的谐振腔、2个光波导、2列入射光栅和一个光子晶体阵列，其中，一个光波导的一端与谐振腔的开口连接，且该光波导的轴线与谐振腔的开口切线垂直，而另一个光波导的一端与谐振腔的外周连接，且两个光波导呈垂直设置；光子晶体阵列呈正方形，由数个圆孔型空气介质柱周期性光子晶体组成，且围绕谐振腔和光波导规则排列，并使谐振腔位于该光子晶体阵列的中心，且光波导与所述光子晶体阵列的边缘垂直；每列入射光栅均由数个线性光栅纵向平行排列而成，两列入射光栅的一端分别连接两个光波导的另一端；

（3）采用离子束刻蚀或深硅刻蚀技术，将步骤（2）中的高Q值微型圆形谐振腔器件结构转移至顶层硅器件层，并刻蚀至氧化埋层；

（4）采用氧气等离子灰化方法去除顶层硅器件层的残余电子束光刻胶；

（5）采用BOE或Vapor HF刻蚀技术，去除步骤（3）中顶层硅器件层上的入射光栅、光波导和光子晶体阵列下方的氧化埋层；将谐振腔下方的二氧化硅部分刻蚀，剩余的二氧化硅形成谐振腔的支撑柱。

上述谐振腔呈带有一开口的圆形形状。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明利用光子晶体及微型圆形谐振腔的选频特性，将入射光波进行二次选频谐振，达到提高Q值（品质因子）的目的；

（2）本发明所提供的谐振腔器件可以用作微型激光器谐振腔、微型传感器等，其制备技术成熟，便于与硅微电子技术集成，实现集成硅基光电子器件。

附图说明

图1是本发明中顶层硅器件层的结构示意图；

图2是本发明的结构层次图；

图3是本发明的制备流程示意图；

图4是本发明在光学显微镜下的实物图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。