串聯(lián)雙微環(huán)諧振腔系統(tǒng)的相干特性研究

申恒瑞，曹鳳才，岳鳳英，李 玲

(中北大學電氣與控制工程學院，山西太原 030051)

0 引言

隨著微納加工和微系統(tǒng)集成技術(shù)的不斷進步，硅基光電子器件憑借其成本低[1-2]、工藝兼容性好[3-4]、微納光學特性良好[5]等優(yōu)勢，成為了國內(nèi)外研究的熱點。其中，基于SOI環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)因為相互干擾度較低、系統(tǒng)穩(wěn)定、品質(zhì)因數(shù)高等特點，成為了硅基光電子器件中重要的基礎(chǔ)原件，在眾多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用[6-8]。

近年來，隨著微納傳感器研究的不斷深入，理論及實驗研究都發(fā)現(xiàn)，在微環(huán)諧振腔傳感器中發(fā)生類似于原子系統(tǒng)中的相干效應(yīng)[9]，即為耦合誘導透明效應(yīng)(CRIT)[10]。目前，雖然關(guān)于CRIT效應(yīng)的研究較多，但是大部分還是處于理論研究以及基本實現(xiàn)的階段。本文設(shè)計并加工了一種串聯(lián)雙環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，分析了環(huán)形諧振器的半徑對實現(xiàn)CRIT效應(yīng)的影響，同時為優(yōu)化波導結(jié)構(gòu)表面光滑度進行了研究，這些為制備生物傳感器、全光開關(guān)、光學濾波器等均有非常重要的意義[11-13]。

1 理論分析

圖1為單環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)與串聯(lián)雙微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，在串聯(lián)雙微環(huán)結(jié)構(gòu)中，光波由下直波導輸入端輸入(Input)，經(jīng)環(huán)形耦合器1，一部分能量的光進入環(huán)形波導，經(jīng)過環(huán)形耦合器2，將一部分能量的光由下載端輸出(Drop)，而環(huán)內(nèi)剩余另一部分能量的光又經(jīng)過耦合器1由下直波導直通端輸出(Through)。本文利用耦合傳輸理論，將微環(huán)諧振腔系統(tǒng)與產(chǎn)生電磁誘導透明的原子能系統(tǒng)進行比較，分析串聯(lián)雙環(huán)諧振系統(tǒng)中的諧振腔耦合誘導透明現(xiàn)象。

(a)單環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖

(b)串聯(lián)環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖圖1 單環(huán)諧振腔與串聯(lián)雙環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)耦合模式理論[14]，單環(huán)耦合雙波導環(huán)形諧振腔Drop端和Through端透射振幅比分別為：

(1)

(2)

式中：α為損耗系數(shù)；δ為歸一化頻率；r為反射耦合系數(shù)；t為傳輸耦合系數(shù)。

r與t之間的關(guān)系滿足r2+t2=1。Drop端和Trough端的透射振幅比的有效相位分別為：θD=-arg(d)，θT=-arg(τ)。Drop端和Trough端的透射功率比可分別表示為：D=|d|2,T=|τ|2。

對于串聯(lián)雙微環(huán)結(jié)構(gòu)，其實是在單環(huán)的基礎(chǔ)上增加了一個微環(huán)，設(shè)新加入的微環(huán)對系統(tǒng)影響為τ21：

(3)

由此得串聯(lián)雙環(huán)透射功率的表達式[15]:

(4)

圖2為微環(huán)半徑均為20 μm時單環(huán)與串聯(lián)雙環(huán)透射譜線。在單環(huán)系統(tǒng)中由于諧振，透射率降低，在諧振點處透射率最低，即吸收最大。而在串聯(lián)雙環(huán)結(jié)構(gòu)中，在諧振點處發(fā)生了透射率的譜線分裂，在單環(huán)透射率最低點的位置出現(xiàn)了透射率的突變，使得在諧振波長的兩邊出現(xiàn)透射率最低波谷的現(xiàn)象，該現(xiàn)象即為CRIT效應(yīng)。

(a)單環(huán)諧振腔透射光譜

(b)串聯(lián)雙環(huán)諧振腔透射光譜圖2 單環(huán)和串聯(lián)雙環(huán)諧振腔透射光譜

2 設(shè)計與制備

由于絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)在垂直方向上的光局域能力很強，穩(wěn)定性好，導光性能好，便于集成，因此本次波導加工工藝材料選擇頂層硅為220 nm，掩膜層厚度為3 μm的SOI基片進行加工制備。制備主要分為兩個階段，第一階段主要通過SOI基片預處理、涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl Methacrylate，PMMA)光刻膠、電子束光刻、顯影、定影、深硅刻蝕(inductively coupled plasma，ICP)、波導芯區(qū)濕法去膠等工藝獲得串聯(lián)雙環(huán)諧振腔基本結(jié)構(gòu)。圖3分別為掃描電鏡下單環(huán)、雙環(huán)光波導諧振腔的結(jié)構(gòu)圖，雙環(huán)光波導結(jié)構(gòu)由直徑大小分別為10 μm、20 μm的諧振腔和一對與之平行耦合的波導構(gòu)成。波導和環(huán)腔的寬度分別為500 nm和600 nm，直波導和環(huán)腔之間的距離為129 nm。

圖3 波導結(jié)構(gòu)及光柵結(jié)構(gòu)SEM圖

第二階段為表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理，主要步驟為300～900 ℃熱氧化退火緩沖刻蝕液(buffered oxide etch，BOE)濕法腐蝕以及1 000 ℃高溫N2退火等，以降低波導結(jié)構(gòu)表面粗糙度。為研究表面粗糙度對于Q值的影響，利用仿真軟件，基于時域差分法對光波導表面粗糙度與Q值之間關(guān)系進行仿真分析，仿真模型如圖4所示。

(a)整體結(jié)構(gòu)圖

(b)側(cè)壁形貌圖

通過軟件仿真發(fā)現(xiàn)，隨著表面均方根粗糙度增加，諧振環(huán)吸收峰逐漸變寬，幅值減小，表明其品質(zhì)因子Q逐漸減小，如圖5所示。通過估算發(fā)現(xiàn)粗糙度對Q值影響最大可達一個數(shù)量級，同時諧振點位置產(chǎn)生變化，圖中rms為表面均方根粗糙度。

圖5 不同粗糙度下，仿真模型的透射譜

針對熱氧化過程中溫度、氧化速度、薄膜厚度及清洗過程與波導表面光滑程度的關(guān)系，開展了熱氧化工藝的研究，工藝流程溫度曲線圖如圖6所示。

圖6 熱氧化工藝溫度曲線圖

在900 ℃，對SOI微環(huán)腔進行了33 min的熱氧化處理，氧化深度為18 nm左右。氧化后，運用BOE溶液(HF∶NH4F=20∶1)進行表面SiO2層的去除，應(yīng)用原子力顯微鏡(AFM)對氧化前后的硅片表面粗糙度進行測試，測試結(jié)果如圖7所示，相比氧化前，粗糙度從1.16 nm降低到0.545 nm。

3 實驗測試與分析

實驗測試采用垂直光柵的耦合輸入和輸出的方式進行光纖和波導的耦合對接，實驗裝置如圖8所示?；緶y試步驟為：光信號從中心波長為1 550 nm的TLB6700可調(diào)諧激光器輸出，經(jīng)摻鉺光纖放大器放大一定倍數(shù)后，通過直徑為10.4 μm的單模光纖導入垂直耦合光柵，通過CCD觀察，操縱五維高精度調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整，使耦合效率達到最高。值得注意的是，與納米波導光柵垂直耦合時所采用的單模光纖為透鏡光纖，其功能是可以很好地把光信號聚集輸入到波導光柵上，顯著地降低了垂直光柵耦合的插入損耗。在輸出端，利用與輸入端相同的光柵耦合器將光信號輸出到單模光纖中，后經(jīng)光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，在示波器上輸出譜線。

(a)1.16 nm

(b)0.545 nm圖7 熱氧化前后硅表面粗糙度AFM測試圖

圖8 微腔測試平臺示意圖

在該實驗平臺上分別測試單環(huán)和串聯(lián)雙環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果如圖9所示。從圖中可以得出，當單環(huán)結(jié)構(gòu)變?yōu)殡p環(huán)結(jié)構(gòu)時，由于兩環(huán)的相消干涉，透射光譜產(chǎn)生了明顯的類電磁誘導透明現(xiàn)象，該實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，通過計算得到，雙環(huán)結(jié)構(gòu)其中一個諧振峰的半高全寬比單環(huán)結(jié)構(gòu)提高了3倍，并且Drop端消光比提高了20 dB。

通過改變微環(huán)半徑分析對CRIT效應(yīng)的影響，設(shè)定上環(huán)半徑為20 μm，改變下環(huán)半徑，不同半徑下的輸出譜線如圖10所示。

(a)單環(huán)

(b)串聯(lián)雙環(huán)圖9 單環(huán)和串聯(lián)雙環(huán)諧振器的透射光譜圖

(a)10 μm

(b)10.01 μm

(c)10.03 μm圖10 不同半徑下諧振分離現(xiàn)象

從圖中可以看出，隨著微環(huán)半徑的變化，出現(xiàn)諧振分離現(xiàn)象。這是因為當兩環(huán)半徑不同時，耦合進入微環(huán)的光在兩個微環(huán)諧振腔中的光程不同，因此光的有效相位也不相同，形成的諧振峰值也不同。當系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時，兩環(huán)之間存在正諧振和反諧振兩種狀態(tài)。正諧振使輸出的能量增強，反諧振使輸出的能量減弱，因此得到的輸出譜線能觀察到明顯的諧振分離現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計并加工了一種串聯(lián)雙環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，通過高溫退火對波導結(jié)構(gòu)表面進行了光滑化處理，波導粗糙度由1.16 nm降低為0.545 nm，同時分析并驗證了CRIT效應(yīng)，并通過改變環(huán)形諧振器的直徑分析了諧振分離現(xiàn)象。