專利名稱：提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可提供受激拉曼散射光增益的耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)并對光損耗進行 補償?shù)膶崿F(xiàn)方式，以及這種結(jié)構(gòu)在集成光學陀螺方面的應用，尤其涉及一種提供受激拉曼 散射光增益的硅基耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，屬于集成光學陀螺耦合諧振環(huán)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，硅基光子集成技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一系列突破性進展諸如硅基拉曼激光器、硅 基高速光調(diào)制器、硅基光探測器等，極大地推動了硅基光子學逐步走向?qū)嵱玫念I(lǐng)域。人們已 不再懷疑硅(特別是絕緣層上的硅(SOI，Silicon on insulator))材料可以作為下一代 集成光子學材料的可能性，因此，更多的研究集中在這些集成光子材料與器件的應用領(lǐng)域。 集成光學陀螺就是其中之一?；诠怆娮蛹珊凸庾蛹杉夹g(shù)的快速發(fā)展，未來光學陀螺 的研究呈現(xiàn)出集成化發(fā)展趨勢，也即將光源、波導環(huán)、耦合器、調(diào)制器、探測器等集成在同一 芯片中，進一步減小器件體積，降低成本，實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。集成光波導陀螺代表了陀螺技 術(shù)發(fā)展的方向，必將成為未來市場的主流。硅基耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)作為未來光波導陀螺中的 核心器件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到陀螺性能優(yōu)劣。很多相互獨立的理論研究都顯示，使用特 定幾何結(jié)構(gòu)的耦合諧振環(huán)可以構(gòu)建具有非常高靈敏度的光波導陀螺。然而，在科學實驗和 工程實施過程中，由于諧振環(huán)的材料性質(zhì)(如光吸收與散射等)和結(jié)構(gòu)特性(如彎曲半徑 光損耗等)都會不可避免地帶來傳播光的損耗，而光損耗將嚴重影響耦合諧振環(huán)作為光波 導陀螺核心器件的性能，以致光損耗的存在使得在給定損耗以及尺寸情況下，光波導陀螺 和傳統(tǒng)光纖陀螺相比時將毫無優(yōu)勢可言。這就要求我們能夠在耦合諧振環(huán)中引入光增益機 制，以補償以上種種原因造成的光損耗。另一方面，SOI基受激拉曼散射效應光放大器已經(jīng) 在實驗室中實現(xiàn)，可以有效地對光通訊波段的光進行放大。這就為硅基耦合諧振環(huán)光增益 的弓I入提供了 一種切實可行的方式。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的在于提供一種提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合諧振環(huán) 結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法。這一結(jié)構(gòu)可以有效地實現(xiàn)ι. 54μπι波段的光增益以補償結(jié)構(gòu)中的光損耗。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，該方法具體步 驟如下步驟一、利用離子注入等方法制作SOI基片作為基體材料，即在普通單晶硅表面 下一定深度0. 1 2 μ m處，制作一層厚度為0. 1 1 μ m的二氧化硅(SiO2)薄膜。步驟二、在上述SOI基片上設(shè)計出本發(fā)明一種提供受激拉曼散射光增益的硅基耦 合諧振環(huán)的幾何光路結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由兩部分組成第一部分為核心部分，由一個大尺寸(等 效半徑R:300 600μπι)的閉合回路波導(圓形、矩形或便于制作的任意閉合結(jié)構(gòu))和若 干個小尺寸(等效半徑r: 100 200 μ m)的環(huán)形波導諧振腔構(gòu)成。其中小尺寸的環(huán)形波導諧振腔位于大尺寸的閉合回路波導的封閉區(qū)域內(nèi)，前者的波導外沿與后者的波導內(nèi)沿距離 很小，幾乎相切，兩者最接近的區(qū)域構(gòu)成耦合區(qū)域；第二部分為實現(xiàn)信號光輸入(輸出)耦 合功能的波導部分，即通過一條彎曲波導實現(xiàn)與上述大尺寸閉合回路波導之間的弱耦合， 以及彎曲波導兩端口之間的50 50耦合，如圖1所示。步驟三、根據(jù)步驟二設(shè)計的幾何結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)微電子加工工藝在SOI基片上制 作出具有上述耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的波導。該波導為硅基SOI脊形波導，其形狀結(jié)構(gòu)特征如圖2 所示(此處不包含圖中所示的P+、n+摻雜區(qū)域)，自下而上分別是硅基底，氧化物埋層(一 般為SiO2)，硅薄膜和突出的脊形硅波導，其中脊形部分寬度范圍W 1. 2 1. 8 μ m，高度范 圍H :0. 6 0. 8 μ m，整個氧化物埋層以上的硅層厚度h :0. 1 2 μ m。步驟四、在上述核心部分的硅基脊形波導的左右兩側(cè)相隔一定距離(L :7 8 μ m) 分別設(shè)置P+和η+摻雜區(qū)域，用以形成ρη結(jié)，摻雜區(qū)域上方電極用于施加反向電壓，如圖2 所示。ρη結(jié)可以抑制由于雙光子吸收產(chǎn)生的自由載流子對增益光的吸收效應，使得受激拉 曼過程得以持續(xù)進行，從而產(chǎn)生光增益。這種存在摻雜區(qū)域并加載電極的波導稱為有源波 導，沒有摻雜的成為無源波導。3、優(yōu)點及功效本發(fā)明構(gòu)建一種帶有受激拉曼散射光增益機制的耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu) 的光波導陀螺。利用本發(fā)明，可以得到在1. 54 μ m的光增益，其強度取決于泵浦光強度和外 置偏壓大小。理論上，本發(fā)明中由耦合諧振環(huán)幾何結(jié)構(gòu)引入的色散可以增強以本發(fā)明耦合 諧振環(huán)結(jié)構(gòu)為核心器件的光波導陀螺的靈敏度。拉曼光增益可以有效地補償結(jié)構(gòu)中傳輸光 的損耗，增強其作為光波導陀螺的信噪比。因此，將本發(fā)明的方案實施于光波導陀螺，可以 實現(xiàn)具有高靈敏度的集成化光波導陀螺。


圖1為本發(fā)明的提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)理論設(shè)計圖的 俯視圖。圖2為本發(fā)明的提供受激拉曼散射光增益機制的波導結(jié)構(gòu)截面示意圖。圖3為本發(fā)明的提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)一個實施例的 俯視圖。圖4為本發(fā)明的流程框中符號說明如下R 大環(huán)等效半徑；r 小環(huán)等效半徑；ρ+ :p型摻雜區(qū)；η+ :η型摻雜區(qū)；W 脊形部分寬；H 脊形部分高；h 硅層厚度；L 表示ρ+、η+兩摻雜區(qū)之距；圖1、圖3中的實線表示有源波導，虛線表示無源波導；
具體實施例方式實施例下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。見圖4，本發(fā)明是一種提供受激 拉曼散射光增益的硅基耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，該方法具體步驟如下步驟一、利用離子注入等方法，通過控制離子束能量，將氧離子注入到純單晶硅表 面下，從而在其表面下1. 55 μ m處形成一層厚度為1 μ m的SiO2埋層，由此制作出SOI基片。步驟二、由于在實際微電子刻蝕過程中，圖1所示的大圓環(huán)形波導實現(xiàn)難度過大，所以將其設(shè)計成如圖3所示的等效光路。即將外圍的圓形閉合回路波導替換為矩形閉合回 路波導，小尺寸的環(huán)形波導諧振腔全部耦合在矩形的一條邊上。圖3中實線部分即為核心 部分，虛線部分為實現(xiàn)輸入(輸出)信號光耦合功能部分。其尺寸為矩形回路寬600μπι， 長1200 μ m,小尺寸的環(huán)形波導諧振腔半徑r為100 μ m。步驟三、采用微電子刻蝕工藝在SOI基片上制備脊型光波導，所述脊形光波導結(jié) 構(gòu)從下至上分別為硅襯底，氧化物埋層(SiO2)，硅薄膜和脊形波導，其各個尺寸參數(shù)可以選 擇為W :1· 6 μ m，H :0· 7 μ m，h :1· 55 μ m。步驟四、如圖2所示，所述有源波導需在脊型波導兩旁相隔L為6. 5 μ m距離處制 作P型摻雜區(qū)和η型摻雜區(qū)，在摻雜區(qū)蒸鍍電極，ρ型摻雜區(qū)電極接地，η型摻雜區(qū)電極施加 反偏電壓來驅(qū)除由于雙光子吸收產(chǎn)生的自由載流子。此外，為引入泵浦光，需額外設(shè)計一組 波導耦合器(如圖3所示)，使泵浦光耦合進入環(huán)形諧振腔中。具體工作方式為光信號從標有“信號光”處(兩個端口，呈左右對稱)耦合進入 環(huán)內(nèi)；泵浦光從“泵浦光”處(兩個端口，呈左右對稱)耦合進入環(huán)內(nèi)。產(chǎn)生相反方向傳播 的光信號。由于泵浦光的存在以及帶有拉曼光增益的光波導，信號光在傳播過程中會產(chǎn)生 增益，即產(chǎn)生光放大。信號光與泵浦光經(jīng)由矩形上端直波導耦合進入耦合環(huán)形諧振腔中，進 而進入小環(huán)。經(jīng)過干涉后的輸出光由互易端口提取出來，由光探測器探測干涉光強度變化， 進而得到角速度信息。
權(quán)利要求
1.提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，其特征在于該方法具 體步驟如下步驟一、利用離子注入法制作SOI基片作為基體材料，即在普通純單晶硅表面下面深 度0. 1 2um處，制作一層厚度為0. 1 Ium的二氧化硅薄膜；步驟二、在上述SOI基片上構(gòu)建提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合諧振環(huán)的幾何光 路結(jié)構(gòu)；該結(jié)構(gòu)由兩部分組成第一部分由一個大尺寸的等效半徑R為300 600 μ m的閉 合回路波導和復數(shù)個小尺寸等效半徑r為100 200 μ m的環(huán)形波導諧振腔構(gòu)成；該小尺寸 的環(huán)形波導諧振腔位于大尺寸的閉合回路波導的封閉區(qū)域內(nèi)，前者的波導外沿與后者的波 導內(nèi)沿距離很小，兩者最接近的區(qū)域構(gòu)成耦合區(qū)域；第二部分為實現(xiàn)信號光輸入、輸出耦合 功能的波導部分，即通過一條彎曲波導實現(xiàn)與上述大尺寸閉合回路波導之間的弱耦合，以 及彎曲波導兩端口之間的50 50耦合；步驟三、根據(jù)步驟二設(shè)計的幾何結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)微電子加工工藝在SOI基片上制作出 具有上述耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的波導，該波導為硅基SOI脊形波導，其形狀結(jié)構(gòu)特征自下而上 分別是硅基底，氧化物埋層，硅薄膜和突出的脊形硅波導；步驟四、在上述硅基脊形波導的左右兩側(cè)相隔距離為7 8 μ m處，分別設(shè)置ρ+和η+ 摻雜區(qū)域，用以形成ρη結(jié)，摻雜區(qū)域上方電極用于施加反向電壓，ρη結(jié)抑制由于雙光子吸 收產(chǎn)生的自由載流子對增益光的吸收效應，使得受激拉曼過程持續(xù)進行，從而產(chǎn)生光增益。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法， 其特征在于步驟三中所述的脊形硅波導，其脊形部分寬度范圍W 1. 2 1. 8 μ m，高度范圍 H :0. 6 0. 8 μ m，整個氧化物埋層以上的硅層厚度h :0. 1 2 μ m。
全文摘要
提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，該方法有四大步驟一、在普通純單晶硅表面下利用離子注入方法制作所需SOI基片；二、在上述SOI基片上構(gòu)建提供受激拉曼散射光增益的硅基耦合諧振環(huán)的幾何光路結(jié)構(gòu)；三、在上述幾何光路結(jié)構(gòu)構(gòu)建硅基SOI脊形波導；四、在上述的硅基脊形波導左右兩側(cè)，分別設(shè)置p+和n+摻雜區(qū)域以形成pn結(jié)，使得受激拉曼過程持續(xù)進行，產(chǎn)生光增益。拉曼光增益可以有效地補償結(jié)構(gòu)中傳輸光的損耗，增強其作為光波導陀螺的信噪比。因此，本發(fā)明可以實現(xiàn)具有高靈敏度的集成化光波導陀螺，它在集成光學陀螺耦合諧振環(huán)技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實用價值和廣闊的應用前景。
文檔編號G02B6/122GK102147497SQ20111007336
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者燕路, 肖志松, 鄧思盛 申請人:北京航空航天大學