高品质因子聚合物波导微环谐振腔滤波器_恽斌峰

尺寸较大，所以对应 的 波 导 弯 曲 损 耗 相 对 矩 形 波 导 大，因此需要通过合理设计 弯 曲 半 径 Ｒ 来 降 低 弯 曲 损耗，以实现高 Ｑ 值的波导微环谐振腔。
图１ （ａ）环形谐振腔结构图；（ｂ）耦合区脊形波导截面图 Ｆｉｇ．１ （ａ）Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ；（ｂ）ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｄｇｅ ｉｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ
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恽 斌 峰 等 ： 高 品 质 因 子 聚 合 物 波 导 微 环 谐 振 腔 滤 波 器
径 Ｒ 与 弯 曲 损 耗 的 关 系 进 行 了 分 析，得 到 了 如 图 ３ 所示的关系。从图中可以看出弯曲损耗随 Ｒ 的增 大而减小并逐渐趋于稳定，且当 Ｒ＞１０００μｍ 时，弯 曲 损 耗 已 经 接 近 ０．０１ｄＢ／ｃｍ，基 本 可 以 忽 略 。
结 合 以 上 设 计 优 化 结 果 ，选 择 的 器 件 参 数 为ｔ＝ １μｍ，ｈ＝１μｍ，ｗ ＝３ μｍ，ｓ＝２ μｍ，Ｌ＝４００ μｍ， Ｒ＝１０００μｍ。
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光 学 学 报
而目前聚合物微环谐振腔滤波器的 Ｑ 值还不是很 高。如文献［９～１２］中分别 报 道 的 １．３×１０４，５．８× １０３ 和２．６×１０４，而 文 献 ［１３，１４］没 有 给 出 Ｑ 值 参 数。虽然文 献 ［１５］通 过 制 作 具 有 ＳｉＮ 缓 冲 层 的 压 印模具，采用纳米压印技术实 现 了 １．０３８×１０５ 的 Ｑ 值，但是需要化学 气 相 沉 积（ＣＶＤ），设 备 昂 贵，工 艺 相对复杂。为了降 低 工 艺 难 度 和 成 本，在 现 有 传 统 微加工工艺的基础上进一步提高器件 Ｑ 值十分重 要。Ｑ 值主要取决于波导的传输损耗（吸收损耗、弯 曲 损 耗 、散 射 损 耗 ）和 微 环 谐 振 腔 的 腔 长 。 本 文 选 择 紫外固化 胶 聚 砜 （ＺＰＵ／ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ）聚 合 物 材 料 体 系 ，在 满 足 传 统 接 触 式 光 刻 工 艺 精 度 要 求 的 前 提 下 ， 设计单模脊形波导 结 构 增 大 波 导 模 场 尺 寸，从 而 增 大耦合区波导间 距，降 低 加 工 工 艺 难 度。 并 在 此 基 础上通过优化波导 弯 曲 半 径 降 低 弯 曲 损 耗、优 化 制 备工艺降低散射损 耗 以 提 高 器 件 品 质 因 子，设 计 并 制备了聚合物波导微环谐振腔滤波器。
２ 微环谐振腔滤波器设计与优化
选择 Ｃｈｅｍｏｐｔｉｃｓ 公 司 的 紫 外 固 化 胶 ＺＰＵ－４５ 作 为 波 导 包 层 材 料 ，聚 砜 作 为 波导 芯 层 材 料 ，它 们 在
１５５０ｎｍ 波 长 处 的 折 射 率 分 别 为 ｎｃｌａｄｄ ＝１．４５ 和 ｎｃｏｒｅ＝１．６。为 了 增 大 耦 合 区 直 波 导 与 环 形 波 导 的 耦合系数，采用“跑道”型环形 腔，如 图 １（ａ）所 示，其 中 Ｒ，Ｌ，ｓ分别为环形波导半径、“跑 道”区 直 波 导 长 度 以 及 耦 合 区 直 波 导 与 环 形 波 导 的 间 距 ；由 于 芯 、包 层折射率差相对较大，所以选择脊形波导截面结构以 保证在单模条件的基础上增大模式 尺 寸，如 图 １（ｂ） 所示，其中 ｗ 为脊形波导宽度，ｈ 为脊高，ｔ为平板波 导 厚 度 ，ｓ为 耦 合 区 直 波 导 与 环 形 波 导 的 间 距 。 采 用 脊形截面波导结 构 有 以 下 两 个 优 点：１）可 以 降 低 单 模 条 件 的 尺 寸 限 制 ，可 以 增 大 单 模 波 导 的 截 面 尺 寸 ， 即增大模式尺寸，降 低 高 折 射 率 差 波 导 与 光 纤 耦 合 时由于模式失配引起 的 损 耗；２）通 过 增 大 模 式 尺 寸 可以大大增 大 耦 合 区 波 导 间 距ｓ（从 矩 形 波 导 情 况 下 的 几 百 纳 米 量 级 到 脊 形 波 导 情 况 的 几 微 米 量 级 ）， 因此可以大大降 低 制 作 难 度 与 成 本，中 间 距ｓ 选 择 一般接触式光 刻 机 容 易 达 到 的 光 刻 精 度 ２μｍ。 而 在满足传统接触式光刻精度要求的脊形波导的模式
首 先 ，根 据 确 定 的 材 料 折 射 率 ，计 算 符 合 单 模 条 件的脊形波导结构尺寸。但是由于聚合物波导制作 工 艺 流 程 的 特 殊 性 ，若 采 用 正 脊 形 波 导 结 构 ，那 么 势 必需要在聚合物芯 层 上 旋 涂 光 刻 胶 进 行 光 刻，而 光 刻胶与芯层聚合物 材 料 会 发 生 互 溶 和 化 学 反 应，导 致 芯 层 被 破 坏 ，所 以 采 用 倒 脊 形 的 波 导 截 面 结 构 ，这 样可以在不与光刻胶反应的下包层紫外固化材料 （ＺＰＵ－４５）上 光 刻 、刻 蚀 ，然 后 直 接 旋 涂 芯 层 ，从 而 增 加了工艺兼容性并大大降低工艺复杂度。但是倒脊 形波导也存在一定的 限 制，即 倒 脊 形 的 脊 高 ｈ 一 般 不 能 超 过 １μｍ，否 则 在 芯 层 涂 覆 时 会 由 于 倒 脊 区 波 导的下陷 导 致 波 导 形 状 严 重 变 形，以 致 器 件 失 效。
第 ３１ 卷 第 １０ 期 ２０１１ 年 １０ 月
光 学 学 报 ＡＣＴＡ ＯＰＴＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１０ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０１１
高品质因子聚合物波导微环谐振腔滤波器
恽斌峰 胡国华 崔一平＊
（东南大学先进光子学中心，江苏 南京 ２１００９６）
摘要 基于紫外固化胶和聚砜聚合物材料体系，采用 脊 形 单 模 波 导 结 构，理 论 设 计 并 优 化 了 聚 合 物 波 导 环 形 谐 振 腔滤波器的波导截面参数、弯曲半径和耦合区波导间距等结构参数，分析了其 滤 波 响 应 特 性。 并 在 此 基 础 上，结 合 光刻、反应离子刻蚀等传统的微加工工艺制备了聚合物环形谐振腔滤波器，并进 行 了 光 谱 测 试，器 件 测 试 结 果 与 设 计基本符合。结 果 表 明，该 聚 合 物 微 环 谐 振 腔 滤 波 器 在 通 信 波 段 １５５０ｎｍ 附 近 的 自 由 光 谱 范 围 为 ０．２１ｎｍ，３ｄＢ 带宽为０．０４ｎｍ，插入损耗为 ２６ｄＢ，消 光 比 达 到 了 １１ｄＢ，品 质 因 子 达 到 了 ３．８７×１０４。该 聚 合 物 微 环 谐 振 腔 滤 波 器可以用于光通信及光传感集成芯片。 关 键 词 光 学 器 件 ；聚 合 物 ；微 环 谐 振 腔 ；品 质 因 子 ；消 光 比 中 图 分 类 号 ＴＮ２５６ 文 献 标 识 码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１１３１．１０１３００２
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｒｅｓｉｓｔ（ＺＰＵ）ａｎｄ ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｓｕｃｈ ａｓ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｂｅｎｄｉｎｇ ｒａｄｉｕｓ，ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇａｐ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｉｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏ－ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｒｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｇｒｅｅ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｔｅｌｅｃｏｍ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ １５５０ｎｍ，ｔｈｅ ｆｒｅｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ，３ｄＢ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｌｏｓｓ，ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ａｒｅ ０．２１ ｎｍ，０．０４ ｎｍ，２６ ｄＢ，１１ ｄＢ，３．８７×１０４ ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ ｉｓ ｖｅｒｙ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｔｅｌｅｃｏｍ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｃｈｉｐｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ；ｐｏｌｙｍｅｒ；ｍｉｃｒｏ－ｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ；ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ；ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １３０．５４６０；１３０．７４０８；１３０．３１２０
收 稿 日 期 ：２０１１－０３－１８；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１１－０４－２５ 作 者 简 介 ：恽 斌 峰 （１９７９— ），男 ，博 士 ，副 教 授 ，主 要 从 事 聚 合 物 波 导 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｂｆ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
＊ 通 信 联 系 人 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｙｐ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
杂 、设 备 昂 贵 和 成 本 高 。 相 对 于 半 导 体 材 料 ，基 于 聚 合物材料的波导微 环 谐 振 腔 滤 波 器 的 制 备 设 备、工 艺相对简单，成 本 也 大 大 降 低，因 而 成 为 了 研 究 热 点 。 ［９～１４］ 然而，对于高 折 射 率 差 的 芯／包 层 材 料，为 了在耦合区得到较 大 的 耦 合 系 数，一 般 都 需 要 把 耦 合区的波导间距 控 制 在 几 百 纳 米 量 级 ，这 ［６～１２］ 样 高 的加工精度是传统 的 接 触 式 光 刻 无 法 实 现 的，需 要 采用电子束光刻、纳 米 压 印 等 高 精 度 的 纳 米 加 工 技 术才能实现，大 大 增 大 了 加 工 成 本。 且 微 环 谐 振 腔 滤波器的品质因子Ｑ 值也是器件应用的关键参数，