溶胶凝胶波导环形谐振腔.pdf

第四届中国国际光通信产业发展高峰论坛第五届中国光通信论坛 溶胶凝胶波导环形谐振腔 庞拂飞韩秀友蔡海文瞿荣辉方祖捷 (中国科学院上海光学精密机械研究所) 摘要：采用简单的有机一无机混合的溶胶一凝胶方法制备了折射率在一定范围内可调的波导材料。并 利用其制各了平面波导环形谐振腔器件。波导结构呈现倒脊形，其制各工艺首先是利用感应耦合等离 子体刻蚀技术在=氧化硅衬底上刻蚀波导结构的凹槽，然后再沉积波导薄膜。利用光谱仪对器件的传 输特性进行了测量，观测到具有10dB对比度的透射光谱．通过数据处理分析得到环形谐振腔的传输损 耗为1．88dB／cm。 关键词：溶胶凝胶法波导平面波导环形谐振腔 l、引言 制各工艺的限制直到上世纪80年代才有相关的实验报道”’。最近十年内，平面波导环形 谐振腔技术得到了长足的发展。环形谐振腔的半径由厘米量级发展到微米量级；结构由 横向耦合发展到垂直耦台，单个环形腔发展到多环形腔级联以及同其它干涉结构相结合 的复合滤波器结构。由于其在很小的尺寸下就可以实现波长选择性的滤波，在光通信领 域的许多方面均有很好的应用前景，如波分复用01、色散补偿…等。材料方面也呈现多 样化，半导体化合物、硅基一二氧化硅、复合玻璃、聚合物等均有应用于制备环形腔的 实验报道，与之相关的各种制各工艺包括：化学汽相沉积(CVD)、火焰水解、溶胶一凝 胶工艺81等。前两种方法存在工艺复杂、设备成本高、需要高温处理等不足，而溶胶一 凝胶工艺制各波导薄膜具有一些独特的优点”1。作为液体可以利用旋涂或浸渍提拉的简 单方法在各种材料基片上形成薄膜，设备成本低。尤其是利用有机一无机混合的溶胶一 凝胶工艺具有如下优点：①可以通过一步旋涂或提拉的方法得到较厚的波导薄膜。②可 以利用各种具有不同特性的醇盐作为反应物，得到具有不同功能的薄膜。③可以利用加 热方法实现薄膜的重塑，通过此工艺可以大大降低光在波导内的传输损耗。 本文采用工艺过程简便的有机一无机混合溶胶一凝胶材料制备平面波导环形谐振腔 作为反应先驱物．通过三种先驱物的不同配比，分别获得具有较高折射率的波导芯层和 Coupled 较低折射率的波导涂覆层材料，结合感应耦合等离子体刻蚀技术(Inductively 410 第四届中国国际光通信产业发展高峰论坛第五届中国光通信论坛 Plasma，ICP)，采用改进的波导制备工艺，实现两种波导环形谐振腔滤波器件，可以应 用于光纤通信系统和传感等领域。 结构示意图及其传输光谱 2、环形谐振腔传输特性 图I为本文所制各的环形谐振腔的结构示意图及其传输光谱。在不考虑传输损耗的 情况下，环形腔具有全通的传输特性，其典型的应用是，利用其相位响应在光纤通信中 进行色散补偿或对其他滤波器进行相位均衡等。在实际的器件中。由于损耗的存在，其 传输特性呈现为周期的陷波特性，其强度响应特性为： 其中．r=√l一芷，芷为耦合器的耦合比；t为波导环形谐振腔中的总的传输损耗，包 括波导材料的吸收损耗、波导的散射损耗、弯曲波导的辐射损耗等：七。为波矢，胛玎为 波导的有效折身率，‘为环形腔的腔长。由上式可以看出，当‘=1时，T==l· 硅 二氧化硅 波导结构凹槽 溶胶芯层材料 溶胶包层材料 图2波导制备流程 3、波导薄膜及环形谐振腔的制备 波导环形谐振腔的结构设计为一种倒置的脊形波导，其制备工艺过程如图2所示。 这种结构和制各工艺不同于许多参考文献…。由于sm材料的稳定性较好，不易受到清 洗、光刻等工艺处理过程的影响。具体工艺过程如下：首先在具有较厚二氧化硅层(15 411 第四届中国国际光通信产业发展高峰论坛第五届中国光通信论坛 um)的硅基底上利用感应耦合等离子体设备刻蚀出环形腔结构的凹槽，然后将利用溶 胶一凝胶方法制各的芯层材料旋涂于刻蚀后的基片上，之后在用另一种配比的溶胶一凝 胶材料进行涂覆上包层．最后将基片进行