微环调制器以及制备方法与流程

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种微环调制器以及制备方法。


背景技术：

2.随着机柜、板卡、模块间光互连技术的日益成熟，人们开始将研究目标逐步转向芯片内 部的光互连。由于硅在近红外波段低光学损耗特性，绝缘体上的硅是当前产业界最重要的片 上光子学平台，它不仅与cmos工艺相兼容，且便于制作高折射率波导及多种有源(主要为激 光器、调制器和探测器)、无源(耦合器、偏振分束器、波分复用解复用器、多模干涉仪等) 光子器件。
3.调制器作为片上光互联的有源核心器件，在满足低插入损耗和高调制带宽的前提下，需 要在较小的器件长度上在电信号的作用下对光信号实现较大的调制深度。但是，现有的硅微 环调制器的尺寸在10微米左右，无法进一步缩小器件尺寸。
4.因此，亟需一种对光信号的损耗小且器件尺寸小的调制器。


技术实现要素：

5.本发明实施例的主要目的在于提出一种微环调制器以及制备方法，旨在实现一种对光信 号的损耗小且器件尺寸小的调制器。
6.为实现上述目的，本发明实施例提供了一种微环调制器，包括：
7.至少一个直波导和至少一个与所述直波导互为耦合关系的表面等离激元微环谐振器；
8.所述直波导用于传输光信号；
9.所述表面等离激元微环谐振器用于调制与所述表面等离激元微环谐振器对应波长的光信 号的强度。
10.为实现上述目的，本发明实施例还提出了一种微环调制器的制备方法，所述方法包括以 下步骤：
11.制备至少一个直波导，所述直波导用于传输光信号；
12.制备至少一个与所述直波导互为耦合关系的表面等离激元微环谐振器，所述表面等离激 元微环谐振器用于调制与所述表面等离激元微环谐振器对应波长的光信号的强度。
13.本发明提出的微环调制器以及制备方法，包括直波导和与直波导互为耦合关系的表面等 离激元微环谐振器，采用直波导对光信号进行传播，表面等离激元微环谐振器用于调制与表 面等离激元微环谐振器对应波长的光信号的强度，其中，直波导相比表面等离激元器件对光 信号进行传输，大大减少了光信号的传输损耗；相比硅微环调制器，表面等离激元微环谐振 器可以将光信号限制在更小尺度下进行传播，减小了微环谐振器的尺寸。
附图说明
14.图1是本发明实施例提供的一种微环调制器的俯视图；
15.图2是本发明实施例提供的另一种微环调制器的俯视图；
16.图3是本发明实施例提供的一种微环调制器对光信号传输与调制原理示意图；
17.图4是本发明实施例提供的一种直波导的结构示意图；
18.图5是本发明实施例提供的一种微环调制器的俯视图；
19.图6是图5中a-a’方向的剖面图；
20.图7是本发明实施例提供的又一种微环调制器的俯视图；
21.图8是图7中b-b’方向的剖面图；
22.图9是本发明实施例提供的又一种微环调制器的俯视图；
23.图10是本发明实施例提供的一种微环调制器的制备方法流程图；
24.图11是本发明实施例提供的一种直波导的制备方法流程图；
25.图12是本发明实施例提供的一种表面等离激元微环谐振器的制备方法流程图；
26.图13是本发明实施例提供的另一种表面等离激元微环谐振器的制备方法流程图；
27.图14-图19是本发明实施例提供的一种微环调制器的制备方法各步骤对应的结构示意图；
28.图20是本发明实施例提供的一种直波导的制备方法各步骤对应的结构示意图；
29.图21是本发明实施例提供的一种表面等离激元微环谐振器制备方法各步骤对应的结构 示意图；
30.图22是本发明实施例提供的另一种表面等离激元微环谐振器制备方法各步骤对应的结 构示意图。
具体实施方式
31.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为 了有利于本发明的说明，其本身没有特有的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可 以混合地使用。
33.正如上述背景技术中所说，现有的硅微环调制器的尺寸在10微米左右，无法进一步缩小 器件尺寸。究其原因，现有的硅基光调制器受限于硅材料微弱的等离子体色散效应，它难以 在更小的尺度下获得较大的调制深度。而表面等离激元(surface plasmon polariton；spp) 光子学揭示了金属性纳米结构在解决衍射极限约束的介电光学系统和纳米级片上电子元件之 间尺度不匹配的潜力。表面等离激元调制器，在几个微米的尺寸下即可实现较大的光学调制 幅度。然而，由于产生表面等离激元的有源层中固有存在的自由载流子吸收，该调制器一般 具有很大的片上损耗。因此，亟需一种对光信号的损耗小且器件尺寸小的调制器。
34.针对上述技术问题，本技术实施例提供一种微环调制器，在对保证对光信号的调制损耗 小的基础上，减小了器件尺寸。
35.图1为本发明实施例提供的一种微环调制器的结构示意图。图2为本发明实施例提供的 另一种微环调制器的结构示意图。如图1和图2所示，该微环调制器包括：至少一个直
波导 10和与直波导互为耦合关系的至少一个表面等离激元微环谐振器20；直波导10用于传输光 信号；表面等离激元微环谐振器20用于调制与表面等离激元微环谐振器20对应波长的光信 号的强度。
36.需要说明的是，图1和图2中示例性的仅仅示出了一个表面等离激元微环谐振器20和一 根直波导10耦合而成的微环调制器的结构示意图。且图1中示出的是，表面等离激元微环谐 振器20位于直波导10之上预设距离，表面等离激元微环谐振器20与直波导10互为垂直耦 合关系。图2中表面等离激元微环谐振器20与直波导10位于同一平面，且间隔预设距离， 表面等离激元微环谐振器20与直波导10互为水平耦合关系。
37.图3为本发明实施例提供的一种微环调制器对光信号传输与调制原理示意图。图3示例 性的示出了最简单的微环调制器的光信号传输与调制原理示意图。图3示出的微环调制器由 单个表面等离激元微环谐振器20和一根直波导10耦合而成。本发明实施例对等离激元微环 谐振器20和直波导10的数目不作限定，本领域技术人员可以根据实际需要自行设定。需要 说明的是，本发明实施例中均以一个直波导10和一个表面等离激元微环谐振器20为例进行 说明。示例性的，参见图3，与表面等离激元微环谐振器20对应波长的光信号从直波导10 的输入端10a在经过表面等离激元微环谐振器20时，在表面等离激元微环谐振器20传输一 周之后，便从直波导10的输出端10b输出。由于表面等离激元微环谐振器20和直波导10互 为耦合关系，该耦合关系可以水平耦合也可以是垂直耦合，与表面等离激元微环谐振器20对 应波长的光信号在表面等离激元微环谐振器20传输过程中处于谐振状态，表面等离激元微环 谐振器20可以调制与表面等离激元微环谐振器对应波长的光信号的强度。其中，与表面等离 激元微环谐振器对应波长和表面等离激元微环谐振器20的尺寸有有关。光信号在表面等离激 元微环谐振器20中传输一周的长度与耦合区30中表面等离激元微环谐振器20的长度的差值 是与表面等离激元微环谐振器对应波长的整数倍。
38.示例性的，直波导10是绝缘体上硅(silicon-on-insulator，soi)硅光子直波导，以 硅材料作为波导层，以二氧化硅材料作为包层，由于硅和二氧化硅之间的折射率差值较大， 大约在2左右，光信号可以在硅中传输，而不会进入折射率很低的二氧化硅介质层。且在传 输光信号时，由于硅在近红外波段低光学损耗特性，绝缘体上硅是当前产业界最重要的片上 光子学平台，一方面降低了光信号传输过程中的损耗，另一方面还可以与cmos工艺相兼容， 降低器件成本，以实现光电子集成回路。
39.表面等离激元(surface plasmon polariton；spp)光子学揭示了金属性纳米结构在解 决衍射极限约束的介电光学系统和纳米级片上电子元件之间尺度不匹配的潜力。表面等离激 元调制器，在几个微米的尺寸下即可实现较大的光学调制幅度。具体的，表面等离激元微环 谐振器20通常包括有源层和介质层，在电信号的作用下，有源层和介质层的界面处存在表面 等离激元，该有源层相对介电常数无限趋近于零，对于光信号来说阻抗接近于零，相变化无 限小，可以对光信号进行定向发射并将光信号限制在小尺度下。具体的，现有的硅微环调制 器的尺寸在10微米左右，表面等离激元微环谐振器20减小微环尺寸到1微米左右。因此当 光信号处于谐振状态时，光信号可以在有源层和介质层界面处进行传播，传播介质是表面等 离激元。且该有源层具有较好的离子色散作用，即表面等离激元微环谐振器20在电信号的作 用下，可以产生载流子，以改变有源层和介质层界面处的有效折射率，来对光信号进行强度 的调制。此外，相对非微环表面等离激元微环谐振器，表面等离激
元微环谐振器可以作为光 开关，消除光信号处于非谐振状态下表面等离激元微环谐振器对光信号的损耗。
40.本发明实施例中的技术方案，包括直波导10和与直波导互为耦合关系的表面等离激元微 环谐振器20，采用直波导10对光信号进行传播，表面等离激元微环谐振器20用于调制与表 面等离激元微环谐振器对应波长的光信号的强度，其中，直波导10相比表面等离激元器件对 光信号进行传输，大大减少了光信号的传输损耗；相比硅微环调制器，表面等离激元微环谐 振器20可以将光信号限制在更小尺度下进行传播，减小了微环谐振器的尺寸。需要说明的是， 本发明实施例中的技术方案相比硅基谐振器来说，在减小了器件尺寸的同时，损耗稍稍减小 的情况下，提高了微环调制器的调制带宽，因此上述技术方案实现了一种对光信号的损耗小、 高调制带宽且器件尺寸小的调制器。
41.在上述技术方案中，直波导10相比表面等离激元器件对光信号进行传输，大大减少了光 信号通过损耗，下面具体介绍直波导10的具体结构。
42.图4为本发明实施例提供的一种直波导的结构示意图。参见图4，该直波导包括：衬底 101；下包层102，位于衬底101表面；第一波导层103，位于下包层102远离衬底101一侧 的表面，其中第一波导层103包括第一平面波导1031和位于第一平面波导1031表面的脊型 波导1032；上包层104，位于第一波导层103远离下包层102一侧的表面，上包层104远离 第一波导层103一侧的表面为平面。
43.示例性的，衬底101可以为硅材料。下包层102可以为二氧化硅材料，第一波导层103 可以为硅材料，上包层104可以为二氧化硅材料。下包层102和第一波导层103以及位第一 波导层103和上包层104分别构成绝缘体上硅结构，这样的结构具有显著的性能优势，主要 体现在以下几点：(1)在光波波长大于1.12微米的波段，硅的本征吸收损耗极小，在1550 纳米的通信波段近乎透明无损。(2)第一波导层103和下包层102或者上包层104的材料折 射率相差很大，大约为2左右，高折射率差使其对光场的限制能力增强；(3)硅基光子器件 的制备工艺与微电子领域成熟的cmos工艺完全兼容，器件支撑大大降低，且位实现光电子集 成回路提供了可能。
44.在上述技术方案中，表面等离激元微环谐振器20与直波导10互为耦合关系，用于调制 与表面等离激元微环谐振器对应波长的光信号的强度。下面以图4示出的直波导10为例具体 说明，当表面等离激元微环谐振器20与直波导10互为垂直耦合关系时，表面等离激元微环 谐振器20的具体结构。
45.图5为本发明实施例提供的一种微环调制器的俯视图。图6为图5中a-a’方向的剖面 图。如图5和图6所示，该微环调制器包括的表面等离激元微环谐振器20包括：带有凹槽的 导电微环201、第一介质层202和第一表面等离激元有源层203；带有凹槽的导电微环201包 括从内到外依次排列的导电内环201a、环形凹槽201b和导电外环201c；第一介质层202， 位于导电内环201a的表面、环形凹槽202b的侧壁和底面以及导电外环201c的表面，导电内 环201a和导电外环201c通过穿过第一介质层202的导电通孔20a连接第一电信号；第一表 面等离激元有源层203，位于环形凹槽201b内的第一介质层202远离环形凹槽201b一侧的 表面，第一表面等离激元有源层203用于连接第二电信号，第一表面等离激元有源层203与 第一介质层202的接触表面用于产生调制光信号的表面等离激元。
46.具体的，导电微环201可以是金属微环，其金属可以选择金、银以及铜中的一种或
多种。 其中金的化学性能最为稳定，银的表面等离激元损耗最低，铜与cmos工艺兼容，本发明对其 材料选择并不作限定，可通过实际应用需求进行选择。
47.第一介质层202示例性的可以选择二氧化碳硅、二氧化铪(hfo2)。第一介质层202的厚 度可以是大于或等于5纳米，且小于或等于15纳米。此范围既可以保证表面等离激元微环谐 振器20具有足够的调制带宽，又可以兼顾表面等离激元微环谐振器20的调制效率。
48.第一表面等离激元有源层203在电信号的作用下可以产生等离激元，示例性的可以是介 电常数近零点材料。介电常数近零点材料(epsilonnearzero，enz)指相对介电常数无限趋 近于零的一类超材料。相对介电常数无限趋近于零，对于光信号来说阻抗接近于零，相变化 无限小，可以对光信号进行定向发射并将光信号限制在更小尺度下。因此当光信号处于谐振 状态时，可以在第一表面等离激元有源层203和第一介质层202界面处进行传播，传播介质 是表面等离激元。且第一表面等离激元有源层203具有较好的离子色散作用，即表面等离激 元微环谐振器20在电信号的作用下，第一表面等离激元有源层203可以产生载流子，以改第 一表面等离激元有源层203和第一介质层202界面处的有效折射率，来对光信号进行强度的 调制。常用的介电常数近零点材料可以选择透明导电氧化物薄膜(tco)。这类薄膜具有禁带 宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等共同光电特性。透明导电氧化物薄膜示例性的可以 选择氧化铟锡(indium tin oxide，ito)薄膜、铝掺杂的氧化锌(azo)薄膜、氧化镉(cdo) 薄膜等。
49.可选地，参见图6，表面等离激元微环谐振器20还包括多个焊盘20b，每一导电通孔20a 对应设置一焊盘20b，第一表面等离激元有源层203上设置有焊盘20b，导电通孔20a和第一 表面等离激元有源层203通过焊盘20b来获取对应的电信号。需要说明的是，图5中并未示 出导电通孔20a和焊盘20b。
50.可选地，导电内环201a和导电外环201c通过穿过第一介质层202的导电通孔20a连接 的第一电信号可以是电源正极信号，第一表面等离激元有源层203连接的第二电信号可以是 电源负极信号，通过控制第一电信号和第二电信号之间的差值，来改变第一表面等离激元有 源层203载流子的浓度，以改变第一表面等离激元有源层203和第一介质层202界面处的有 效折射率，来实现对光信号进行强度的调制。
51.在上述技术方案中，表面等离激元微环谐振器20与直波导10互为耦合关系，用于调制 与表面等离激元微环谐振器20对应波长的光信号的强度。下面以图4示出的直波导10为例 具体说明，当表面等离激元微环谐振器20与直波导10互为水平耦合关系时，表面等离激元 微环谐振器20的具体结构。
52.图7为本发明实施例提供的又一种微环调制器的俯视图。图8为图7中b-b’方向的剖 面图。如图7和图8所示，该微环调制器包括的表面等离激元微环谐振器20包括：包括第二 波导层210、第二介质层211和第二表面等离激元有源层212；第二波导层210包括第二水平 波导210a和位于第二水平波导210a表面的微环波导210b，其中，微环波导210b设置有凹 槽213，凹槽213的底面暴露第二水平波导210a的部分表面；第二介质层211，位于第二波 导层表面210，且位于微环波导210b外围的第二水平波导210a通过穿过第二介质层的导电 通孔连接第三电信号；第二表面等离激元有源层212，位于微环波导210b上的第二介质层211 远离微环波导210b一侧的表面，第二表面等离激元有源层212用于连接第四电信号，第二表 面等离激元有源层212与第二介质层的接触表面用于产生调制光信号的表面等离激元。需
要 说明的是，位于微环波导210b外围的第二水平波导210a通过穿过第二介质层的导电通孔连 接第三电信号，由于微环波导210b和第二水平波导210a电连接，因此微环波导210b连接第 三电信号。
53.具体的，第二波导层210为硅材料，且和直波导10中的第一波导层103是同一层，且微 环波导210b与脊型波导1032间隔预设距离l1，该预设距离l1影响耦合状态。预设距离l1 越小，表面等离激元微环谐振器20与直波导10的耦合强度越大，表面等离激元微环谐振器 20对光信号的调制效率越高；预设距离l1越小，表面等离激元微环谐振器20与直波导10 的耦合强度越小，表面等离激元微环谐振器20对光信号的调制效率越低。
54.第二介质层211示例性的可以选择二氧化碳硅、二氧化铪(hfo2)。第二介质层211的厚 度范围可以是大于或等于5纳米，或小于或等于15纳米。此范围既可以保证表面等离激元微 环谐振器20具有足够的调制带宽，又可以兼顾表面等离激元微环谐振器20的调制效率。
55.第二表面等离激元有源层212在电信号的作用下可以产生等离激元，示例性的可以是介 电常数近零点材料。介电常数近零点材料(epsilonnearzero，enz)指相对介电常数无限趋 近于零的一类超材料。相对介电常数无限趋近于零，对于光信号来说阻抗接近于零，相变化 无限小，可以对光信号进行定向发射并将光信号限制在更小尺度下。因此当光信号处于谐振 状态时，可以在第二表面等离激元有源层212和第二介质层211界面处进行传播，传播介质 是表面等离激元。且第二表面等离激元有源层212具有较好的离子色散作用，即表面等离激 元微环谐振器20在电信号的作用下，第二表面等离激元有源层212可以产生载流子，以改变 第二表面等离激元有源层212和第二介质层211界面处的有效折射率，来对光信号进行强度 的调制。常用的介电常数近零点材料可以选择透明导电氧化物薄膜(tco)。这类薄膜具有禁 带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等共同光电特性。透明导电氧化物薄膜示例性的可 以选择氧化铟锡(indiumtin oxide，ito)薄膜、铝掺杂的氧化锌(azo)薄膜、氧化镉(cdo) 薄膜等。
56.图9为本发明实施例提供的又一种微环调制器的俯视图。如图9所示，表面等离激元微 环谐振器20还包括多个焊盘20b，每一导电通孔对应设置一焊盘20b，其中，导电通孔通过 焊盘20b来获取对应的电信号。位于微环波导210b外围的第二水平波导210a通过穿过第二 介质层211的导电通孔包括两个关于表面等离激元谐振器20对称设置，因此，与其对应的焊 盘20b关于表面等离激元谐振器20对称设置。可选地，表面等离激元微环谐振器20还包括 有源连接层20c,有源连接层20c与第二表面等离激元有源层212材料相同，部分位于第二 表面等离激元有源层212上。第二表面等离激元有源层212通过有源连接层20c上的焊盘20b 连接第四电信号。避免位于微环波导210b上的第二表面等离激元有源层212直接与焊盘20b 实现电连接，损坏表面第二表面等离激元有源层212，影响表面等离激元微环谐振器20对光 信号的调制效率。需要说明的是，图7和图8中并未示出导电通孔以及焊盘。且图9中并未 示处导电通孔。可选地，位于微环波导210b外围的焊盘20b与微环波导210b间隔约为500 纳米，有源连接层20c上的焊盘20b与微环波导210b间隔约为500纳米，避免在制作焊盘 20b的过程中对金属层进行刻蚀时损坏微环波导210b，影响表面等离激元微环谐振器20对光 信号的调制效率。。
57.可选地，第三电信号可以是电源正极信号，第四电信号可以是电源负极信号，通过
控制 第三电信号和第四电信号之间的差值，来改变第二表面等离激元有源层212载流子的浓度， 以改变第二表面等离激元有源层212和第二介质层211界面处的有效折射率，来对光信号进 行强度的调制。
58.为了减小导电通孔与微环波导210b外围的第二水平波导210a之间的接触电阻，本发明 实施例在第二水平波导210a以及微环波导210b邻近第二介质层211的表面设置有n型掺杂 区或者p型掺杂区。
59.具体的，第二水平波导210a以及微环波导210b邻近第二介质层211的表面设置有n型 掺杂区或者p型掺杂区，以减小焊盘20b与微环波导210b外围的第二水平波导210a之间的 接触电阻，进一步减小表面等离激元谐振器20的串联电阻。可选地，可以通过控制掺杂离子 的浓度来控制导电通孔与微环波导210b外围的第二水平波导210a之间的接触电阻的大小。 掺杂离子浓度越高，焊盘20b与微环波导210b外围的第二水平波导210a之间的接触电阻越 小，掺杂离子浓度越小，焊盘20b与微环波导210b外围的第二水平波导210a之间的接触电 阻越小。示例性的，掺杂浓度一般为1019-1020cm-3
，掺杂层厚度一般为30-70nm。该浓度范 围内形成的是n型重掺杂区或者p型重掺杂区，以便进一步减小焊盘20b与微环波导210b外 围的第二水平波导210a之间的接触电阻。
60.需要说明的是，参见图6，上包层104覆盖脊型波导1032的部分的厚度l2会影响表面 等离激元微环谐振器20与直波导10的耦合状态。上包层104覆盖脊型波导1032的部分的厚 度l2越薄，表面等离激元微环谐振器20与直波导10的耦合强度越小，表面等离激元微环谐 振器20对光信号的调制效率越低；上包层104覆盖脊型波导1032的部分的厚度越厚，表面 等离激元微环谐振器20与直波导10的耦合强度越大，表面等离激元微环谐振器20对光信号 的调制效率越高。
61.可选地，参见图6，上包层104覆盖脊型波导1032的部分的厚度l2大于或等于50纳米， 且小于或等于70纳米。
62.具体的，上包层104覆盖脊型波导1032的部分的厚度l2小于50纳米，导致直波导10 的机械强度减弱。上包层104覆盖脊型波导1032的部分的厚度l2大于70纳米，导致表面等 离激元微环谐振器20与直波导10的耦合强太小。因此上包层104覆盖脊型波导1032的部分 的厚度l2大于或等于50纳米，且小于或等于70纳米既避免了直波导10的机械强度太弱， 又避免了表面等离激元微环谐振器20与直波导10的耦合强太小，表面等离激元微环谐振器 20对光信号的调制效率越低的问题。
63.在上述技术方案中，与表面等离激元微环谐振器20对应波长和表面等离激元微环谐振器 20的尺寸有有关。光信号在表面等离激元微环谐振器20中传输一周的长度减区耦合区30的 长度的差值是与表面等离激元微环谐振器对应波长的整数倍。
64.可选地，参见图5，导电内环201a的直径大于或等于1.8微米，且小于或等于2.4微米； 和/或，导电外环201c的直径大于或等于2.8微米，且小于或等于3.2微米；和/或，环形凹 槽201b的宽度大于或等于80纳米，且小于或等于100纳米。
65.导电内环201a和导电外环201c的尺寸决定了环形凹槽201b的尺寸，导电内环201a的 直径越大，环形凹槽201b的周长越长；导电外环201c的直径越大，环形凹槽201b的周长越 长；环形凹槽201b的宽度越宽，在第一介质层202厚度一定的情况下，第一表面等离激元有 源层203的宽度越宽。
66.具体的，导电内环201a的直径大于或等于1.8微米，且小于或等于2.4微米；和/或， 导电外环201c的直径大于或等于2.8微米，且小于或等于3.2微米，可以保证环形凹槽201b 的周长越长满足与表面等离激元微环谐振器对应波长处于预设范围内。示例性的，表面等离 激元微环谐振器20对应的波长可以是o波段和c波段。其中o波段波长大约为1310纳米，c 波段波长大约为1550纳米。
67.环形凹槽201b的宽度小于80纳米，在第一介质层202厚度一定的情况下，导致第一表 面等离激元有源层203的宽度太窄，导致第一表面等离激元有源层203提供的载流子浓度太 少，使得表面等离激元微环谐振器20的调制效率太低。环形凹槽201b的宽度大于100纳米， 在第一介质层202厚度一定的情况下，导致第一表面等离激元有源层203的宽度太宽，导致 第一表面等离激元有源层203对于载流子的吸收太多，使得表面等离激元微环谐振器20的调 制效率太低。
68.可选地，图4示出的直波导10中，脊型波导1032的宽度l3大于或等于400纳米，且小 于或等于500纳米。脊型波导1032的厚度l4由第一波导层103的厚度决定。第一平面波导 1031的厚度l5大于或等于60纳米，且小于或等于80纳米。第一波导层103的厚度可以是 160纳米、220纳米或者250纳米。上述尺寸范围可保证由单个表面等离激元微环谐振器20 和一根直波导10耦合而成的表面等离激元微环调制器的较小的传输损耗。
69.微环波导210b的直径决定了光信号在表面等离激元微环谐振器20中传输一周的长度， 以及与表面等离激元微环谐振器对应波长。可选地，微环波导210b的外径大于或等于10微 米，且小于或等于12微米；和/或，微环波导210b的宽度大于或等于200纳米，且小于或等 于400纳米。
70.微环波导210b的外径越大，光信号在表面等离激元微环谐振器20中传输一周的长度越 长。微环波导210b的外径l6大于或等于10微米，且小于或等于12微米，与表面等离激元 微环谐振器对应波长处于预设范围内。示例性的，表面等离激元微环谐振器20对应的波长可 以是o波段和c波段。其中o波段波长大约为1310纳米，c波段波长大约为1550纳米。
71.微环波导210b的宽度l7小于200纳米，导致第二表面等离激元有源层212的宽度太窄， 导致第二表面等离激元有源层212提供的载流子浓度太少，使得表面等离激元微环谐振器20 的调制效率太低。微环波导210b的宽度l7大于400纳米，第二表面等离激元有源层212的 宽度太宽，导致第一表面等离激元有源层203对于载流子的吸收太多，使得表面等离激元微 环谐振器20的调制效率太低。
72.本发明实施例还提供了一种微环调制器的制备方法。图10示出了本发明实施例提供的微 环调制器的制备方法流程图。图14-图19为本发明实施例提供的一种微环调制器的制备方法 各步骤对应的结构示意图。其中图15为图14的左视图。其中图17为图16中a-a’方向的 剖面图。其中图19为图18中b-b’方向的剖面图。如图10所示，该微环调制器的制备方法 包括如下步骤：
73.步骤110、制备至少一个直波导，直波导用于传输光信号。
74.参见图14和图15，制备至少一个直波导10，直波导10用于传输光信号。图14和图15 示例性的仅仅示出一个直波导10。本发明实施例对等离激元微环谐振器和直波导的数目不作 限定，本领域技术人员可以根据实际需要自行设定。需要说明的是，本发明实施例中均以一 个直波导10和一个表面等离激元微环谐振器20为例进行说明。
择。上包层104覆盖脊型波导1032的部分的厚度l2会影响表面等离激元微环谐振器20与直 波导10的耦合状态。上包层104覆盖脊型波导1032的部分的厚度l2越薄，表面等离激元微 环谐振器20与直波导10的耦合强度越小，表面等离激元微环谐振器20对光信号的调制效率 越低；上包层104覆盖脊型波导1032的部分的厚度越厚，表面等离激元微环谐振器20与直 波导10的耦合强度越大，表面等离激元微环谐振器20对光信号的调制效率越高。
96.步骤1202、在导电内环的表面、环形凹槽的侧壁和底面以及导电外环的表面形成第一介 质层，导电内环和导电外环通过穿过第一介质层的导电通孔连接第一电信号。
97.参见图21中的图(2a)和图(2b)，在导电内环201a的表面、环形凹槽201b的侧壁和 底面以及导电外环201c的表面形成第一介质层202，导电内环201a和导电外环201c通过穿 过第一介质层202的导电通孔20a连接第一电信号。第一介质层202示例性的可以选择二氧 化碳硅、二氧化铪(hfo2)。第一介质层202的厚度可以是大于或等于5纳米，且小于或等于 15纳米。此范围既可以保证表面等离激元微环谐振器20具有足够的调制带宽，又可以兼顾 表面等离激元微环谐振器20的调制效率。
98.步骤1203、在环形凹槽内的第一介质层远离环形凹槽一侧的表面形成第一表面等离激元 有源层，第一表面等离激元有源层用于连接第二电信号，第一表面等离激元有源层与第一介 质层的界面用于产生调制光信号的表面等离激元。
99.继续参见图20中的中的图(2a)和图(2b)，在环形凹槽201b内的第一介质层202远离 环形凹槽201b一侧的表面形成第一表面等离激元有源层203，第一表面等离激元有源层203 用于连接第二电信号，第一表面等离激元有源层203与第一介质层202的接触表面用于产生 调制光信号的表面等离激元。
100.第一表面等离激元有源层203在电信号的作用下可以产生等离激元，示例性的可以是介 电常数近零点材料。光信号处于谐振状态时，可以在第一表面等离激元有源层203和第一介 质层202界面处进行传播，传播介质是表面等离激元。且第一表面等离激元有源层203具有 较好的离子色散作用，即表面等离激元微环谐振器20在电信号的作用下，第一表面等离激元 有源层203可以产生载流子，以改第一表面等离激元有源层203和第一介质层202界面处的 有效折射率，来对光信号进行强度的调制。常用的介电常数近零点材料可以选择透明导电氧 化物薄膜(tco)。这类薄膜具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等共同光电特性。 透明导电氧化物薄膜示例性的可以选择氧化铟锡(i nd ium t in oxide，i to)薄膜、铝掺杂的 氧化锌(azo)薄膜、氧化镉(cdo)薄膜等。
101.可选地，参见图21，还可以在表面等离激元微环谐振器20中形成多个焊盘20b，每一导 电通孔20a对应设置一焊盘20b，且第一表面等离激元有源层203上形成焊盘20b，导电通孔 20a和第一表面等离激元有源层203通过焊盘20b来获取对应的电信号。图21中的图(2a) 并未示出焊盘20b和导电通孔20a。
102.可选地，导电内环201a和导电外环201c通过穿过第一介质层202的导电通孔20a连接 的第一电信号可以是电源正极信号，第一表面等离激元有源层203连接的第二电信号可以是 电源负极信号，通过控制第一电信号和第二电信号之间的差值，来改变第一表面等离激元有 源层203载流子的浓度，以改变第一表面等离激元有源层203和第一介质层202界面处的有 效折射率，来实现对光信号进行强度的调制。
103.在上述技术方案中，表面等离激元微环谐振器20与直波导10互为耦合关系，用于
调制 与表面等离激元微环谐振器对应波长的光信号的强度。下面具体介绍当表面等离激元微环谐 振器20与直波导10互为水平耦合关系时，表面等离激元微环谐振器20的制备方法。
104.图13为本发明实施例提供的另一种表面等离激元微环谐振器的制备方法流程图。图22 为本发明实施例提供的另一种表面等离激元微环谐振器制备方法各步骤对应的结构示意图。 图22中的图(1b)为图(1a)中b-b’方向的剖面图。图(2b)为图(2a)中b-b’方向的 剖面图。图(3b)为图(3a)中b-b’方向的剖面图。
105.参见图13，制备与直波导互为水平耦合关系的表面等离激元微环谐振器的方法包括如下 步骤：
106.步骤1204、形成第二波导层，其中，第二波导层包括第二水平波导和位于第二水平波导 表面的微环波导，微环波导设置有凹槽，凹槽的底面暴露第二水平波导的部分表面。
107.参见图22中的图(1a)和图(1b)，形成第二波导层210，其中，第二波导层210包括 第二水平波导210a和位于第二水平波导210a表面的微环波导210b，微环波导210b设置有 凹槽213，凹槽213的底面暴露第二水平波导210a的部分表面。需要说明的是，第二波导层 210和第一波导层103是采用相同的工艺方法在同一层制作的，通过设置微环波导210b与脊 型波导1032之间间隔预设距离l1来制备与直波导互为水平耦合关系的表面等离激元微环谐 振器。第二波导层210为硅材料，且和直波导10中的第一波导层103是同一层，且微环波导 210b与脊型波导1032间隔预设距离l1，该预设距离l1影响耦合状态。预设距离l1越小， 表面等离激元微环谐振器20与直波导10的耦合强度越大，表面等离激元微环谐振器20对光 信号的调制效率越高；预设距离l1越小，表面等离激元微环谐振器20与直波导10的耦合强 度越小，表面等离激元微环谐振器20对光信号的调制效率越低。
108.步骤1205、在第二波导层表面形成第二介质层，且微环波导外围的第二水平波导通过穿 过第二介质层的导电通孔连接第三电信号。
109.参见图22中的图(2a)和图(2b)，在第二波导层210表面形成第二介质层211，且微 环波导210b外围的第二水平波导210a通过穿过第二介质层211的导电通孔连接第三电信号。 第二介质层211示例性的可以选择二氧化碳硅、二氧化铪(hfo2)。第二介质层211的厚度范 围可以是大于或等于5纳米，或小于或等于15纳米。此范围既可以保证表面等离激元微环谐 振器20具有足够的调制带宽，又可以兼顾表面等离激元微环谐振器20的调制效率。图7和 图8并未示出导电通孔。
110.步骤1206、在微环波导上的第二介质层远离微环波导一侧的表面形成第二表面等离激元 有源层，第二表面等离激元有源层用于连接第四电信号，第二有源层与第二介质层的界面用 于产生调制光信号的表面等离激元。
111.参见图22中的图(3a)和图(3b)在微环波导210b上的第二介质层211远离微环波导 210b一侧的表面形成第二表面等离激元有源层212，第二表面等离激元有源层212用于连接 第四电信号，第二表面等离激元有源层212与第二介质层212的接触表面用于产生调制光信 号的表面等离激元。第二表面等离激元有源层212在电信号的作用下可以产生等离激元，示 例性的可以是介电常数近零点材料。当光信号处于谐振状态时，可以在第二表面等离激元有 源层212和第二介质层211界面处进行传播，传播介质是表面等离激元。且第二表面等离激 元有源层212具有较好的离子色散作用，即表面等离激元微环谐振器20在电信号的作用
下， 第二表面等离激元有源层212可以产生载流子，以改变第二表面等离激元有源层212和第二 介质层211界面处的有效折射率，来对光信号进行强度的调制。
112.如图9所示，还可以在表面等离激元微环谐振器20中形成多个焊盘20b，每一导电通孔 对应设置一焊盘20b，其中，导电通孔通过焊盘20b来获取对应的电信号。位于微环波导210b 外围的第二水平波导210a通过穿过第二介质层211的导电通孔包括两个关于表面等离激元谐 振器20对称设置，因此，与其对应的焊盘20b关于表面等离激元谐振器20对称设置。可选 地，表面等离激元微环谐振器20还包括有源连接层20c,有源连接层20c与第二表面等离激 元有源层212材料相同，部分位于第二表面等离激元有源层212上。第二表面等离激元有源 层212通过有源连接层20c上的焊盘20b连接第四电信号。避免位于微环波导210b上的第二 表面等离激元有源层212直接与焊盘20b实现电连接，损坏表面第二表面等离激元有源层212， 影响表面等离激元微环谐振器20对光信号的调制效率。
113.可选地，第三电信号可以是电源正极信号，第四电信号可以是电源负极信号，通过控制 第三电信号和第四电信号之间的差值，来改变第二表面等离激元有源层212载流子的浓度， 以改变第二表面等离激元有源层212和第二介质层211界面处的有效折射率，来对光信号进 行强度的调制。
114.为了减小导电通孔与微环波导210b外围的第二水平波导210a之间的接触电阻，本发明 实施例在步骤1205在第二波导层表面形成第二介质层之前，进行了如下步骤：在第二水平波 导210a以及微环波导210b邻近第二介质层211的表面形成了n型掺杂区或者p型掺杂区。
115.具体的，第二水平波导210a以及微环波导210b邻近第二介质层211的表面设置有n型 掺杂区或者p型掺杂区，以减小焊盘20b与微环波导210b外围的第二水平波导210a之间的 接触电阻，进一步减小表面等离激元谐振器20的串联电阻。可选地，可以通过控制掺杂离子 的浓度来控制导电通孔与微环波导210b外围的第二水平波导210a之间的接触电阻的大小。 掺杂离子浓度越高，焊盘20b与微环波导210b外围的第二水平波导210a之间的接触电阻越 小，掺杂离子浓度越小，焊盘20b与微环波导210b外围的第二水平波导210a之间的接触电 阻越小。示例性的，掺杂浓度一般为1019-1020cm-3
，掺杂层厚度一般为30-70nm。该浓度范 围内形成的是n型重掺杂区或者p型重掺杂区，以便进一步减小焊盘20b与微环波导210b外 围的第二水平波导210a之间的接触电阻。示例性的，在第二水平波导210a以及微环波导210b 邻近第二介质层211的表面形成了n型重掺杂区，掺杂剂为硼，掺杂浓度为1
×
10
20
cm-3
左右， 剂量为1
×
10
15
ions/cm2左右，能量为25kev左右，使串联电阻降至700ω/cm2左右，掺杂层 厚度为40nm左右。
116.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、设备中 的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。
117.在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组 件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组 件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信 号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成 电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质 (或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人
员公知的，术语计算 机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据) 的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包 括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或 其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并 且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通 常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据 信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
118.以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技 术人员不脱离本发明的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权 利范围之内。