CN103728692B - 一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔，包括：硅衬底，用于承载整个光机晶体微腔；二氧化硅隔离层，用于隔离硅衬底和硅平板；硅平板，位于二氧化硅隔离层之上，硅平板包括依次设置的输入波导区、光机晶体微腔区、输出波导区；输入波导区用于接收光信号并将光信号传输至光机晶体微腔区；光机晶体微腔区，包括硅波导和空气孔阵列，用于局域光子和声子缺陷模式，实现光子和声子的耦合；输出波导区用于输出光信号；顶层二氧化硅层，位于硅平板之上，其与二氧化硅隔离层配合以保护硅平板；空气隔离区，位于光机晶体微腔区的上方和下方，且位于二氧化硅隔离层和顶层二氧化硅层之间。

Description

一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔

技术领域

本发明涉及硅基微纳光子器件技术领域，尤其是一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔。

背景技术

在新世纪介观物理和量子领域面临重大突破的背景下，基于光机晶体微腔的腔光机力学（CavityOptomechanics）成为近几年迅速引起关注的一个新兴研究方向。腔光机力学研究光子-机械振动的相互作用，而声子是物质晶格机械振动的量子化描述，因此腔光机力学使得人们对量子态的操控对象拓展到准粒子——声子。相比对基本粒子的量子操作，对准粒子声子的操作代表了当前最高水准的量子态操控。可以预见，利用腔光机力学实现片上系统的量子基态，将引发量子控制、精密测量、量子信息领域研究的革命性飞跃。

尽管腔光机力学的研究展示出了极其美好的研究前景，但相关的研究进展尚有诸多的物理难点和技术难点有待探究。例如：理论上如何设计具有高本征机械振动频率、可增强光波模式和机械模式耦合强度的光机晶体微腔，同时如何深入探讨相关的量子理论；实验上如何制备出同时具有高Q值的光子微腔和声子微腔；测试上如何在室温条件下降低环境振动干扰，测试出光机微腔中光波模式与机械振动/声子模式的本征频率并最终实现量子基态等等。而所有腔光机力学相关的研究工作都离不开高品质的光机微腔。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明是为了解决如何利用相同的结构同时形成光子和声子带隙，并局域光子和声子缺陷模式，形成光机晶体微腔。通过对光子和声子的局域，最终实现光子和声子的高效耦合。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔，包括：硅衬底、二氧化硅隔离层、硅平板、顶层二氧化硅层和空气隔离区；

所述硅衬底，用于承载整个光机晶体微腔；

所述二氧化硅隔离层，用于隔离所述硅衬底和硅平板；

所述硅平板，位于所述二氧化硅隔离层之上，所述硅平板包括依次设置的输入波导区、光机晶体微腔区、输出波导区；所述输入波导区用于接收光信号并将光信号传输至所述光机晶体微腔区；所述光机晶体微腔区，包括硅波导和空气孔阵列，其用于局域光子和声子缺陷模式，实现光子和声子的耦合；所述输出波导区用于输出光信号；

所述顶层二氧化硅层，位于所述硅平板之上，其与所述二氧化硅隔离层配合以保护所述硅平板；

所述空气隔离区，位于所述光机晶体微腔区的上方和下方，且位于所述二氧化硅隔离层和顶层二氧化硅层之间。

可选的，所述光机晶体微腔区包括依次设置的第一反射区、缺陷区和第二反射区，所述缺陷区的空气孔半径从缺陷区边缘到缺陷区中心依次递增。

可选的，所述第一反射区、第二反射区以缺陷区中心为轴左右对称。

可选的，所述缺陷区中心的空气孔半径r₁=η·r₀（1<η<2），其中r₀为第一反射区或第二反射区的空气孔半径，η为空气孔半径变化的比例系数。优选的，所述η为1.3。

可选的，所述缺陷区中相邻两个空气孔半径之差为Δr₀（0<Δr₀<r₀），其中r₀为第一反射区或第二反射区的空气孔半径。优选的，所述Δr₀为0.075Δr₀。

可选的，所述硅平板的波导宽度为300nm-800nm，厚度为200nm-500nm。

可选的，所述二氧化硅层的厚度为600nm～3μm。

可选的，采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在所述硅平板上形成输入波导区、光机晶体微腔区、输出波导区。

（三）有益效果

区别于背景技术，本发明提供一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔，可利用相同的结构同时形成光子带隙和声子带隙，并局域光子缺陷模式和声子缺陷模式，形成光机晶体微腔。通过对光子和声子缺陷模式的局域，最终实现光子和声子的高效耦合。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔示意图；

图2是本发明实施例所提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的三维结构单元；

图3是本发明实施例所提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的俯视图；

图4是本发明实施例所提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的光子能带图；

图5是本发明实施例所提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的声子能带图；

图6是本发明实施例所提供的不同结构参数的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的光学传输谱；

图7是本发明实施例所提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的机械模式（声子模式）示意图；

图8是本发明实施例所提供的不同结构参数的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的光机耦合系数。

标号说明：

1：硅衬底，2：二氧化硅隔离层，3：硅平板，4：顶层二氧化硅层，5：输入波导区，6：光机晶体微腔区，7：输出波导区，8：空气隔离区，60：第一反射区，61：缺陷区，62：第二反射区，63：光机晶体微腔的空气孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

光子晶体具有“光子带隙”效应，而声子晶体具有“声子带隙”效应，通过人为的设计周期结构，可以分别形成光子晶体和声子晶体。由于光和声在介质中的传播速度不同，因此通过优化设计合理的周期结构，可以在一个结构中同时实现光子晶体和声子晶体，即光机晶体。当光机晶体中引入缺陷时，就会出现相应的光子缺陷模式和声子缺陷模式。在光学力的作用下，限制在光机晶体微腔内的光子和声子实现耦合。本发明提供了一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔，结合光机晶体的带隙效应和硅基材料的机械特性，仅通过改变纳米梁上周期空气孔的半径，可以设计出高质量的光机微腔，实现光子与声子的高效局域和耦合。

实施例一

请参阅图1至图3，图1为本发明实施例提供了一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔的结构示意图，所述光机晶体微腔包括：硅衬底1、二氧化硅隔离层2、硅平板3、顶层二氧化硅层4和空气隔离区8。

所述硅衬底1，用于承载整个光机晶体微腔。

所述二氧化硅隔离层2，用于隔离所述硅衬底1和硅平板3。

所述硅平板3，位于所述二氧化硅隔离层2之上，所述硅平板3包括依次设置的输入波导区5、光机晶体微腔区6、输出波导区7。所述输入波导区5用于接收光信号并将光信号传输至所述光机晶体微腔区。所述光机晶体微腔区，包括硅波导（纳米梁）和空气孔63阵列，用于局域光子和声子缺陷模式，实现光子和声子的耦合。所述输出波导区7用于输出光信号。

所述顶层二氧化硅层4，位于所述硅平板3之上，其与所述二氧化硅隔离层2配合以保护所述硅平板3。

所述空气隔离区8，位于所述光机晶体微腔区6的上方和下方，且位于所述二氧化硅隔离层2和顶层二氧化硅层4之间。

本发明实施例的结构设置原理如下：请参阅图2，图2为纳米梁结构的光机晶体的三维结构单元，该单元的厚度为220nm，宽度为520nm，长度为380nm，空气孔半径为106nm（即光机晶体微腔的孔半径为106nm）。该单元所对应的光子能带图如4所示（虚线），声子能带图如图5所示（虚线）。当空气孔半径增大到138nm时，其结构单元对应的能带图如图4所示（实线），声子能带图如图5所示（实线）。通过对比图4和图5可以发现，增加光机晶体微腔的空气孔半径可以同时形成光子和声子的缺陷模式，这样在增加中间缺陷区空气孔半径可以同时局域光子和声子模式，形成光机晶体微腔。如图3所示，缺陷区空气孔半径从反射区到结构中心依次递增，经优化确定反射区周期空气孔的半径为r₀=106nm，缺陷区中心空气孔半径为r₁=η·r₀（η=1.3），周围空气孔依次为r₂=1.225r₀，r₃=1.15r₀，r₄=1.075r₀。其中，光机晶体的晶体周期为a，具体的，a=380nm。经过上述原理设计的基于纳米梁结构的光机晶体微腔同时具有光子和声子带隙效应，可以局域光子和声子缺陷模式，从而实现光子与声子的耦合。

基于上述原理，可选的，所述光机晶体微腔区6包括依次设置的第一反射区60、缺陷区61和第二反射区62，所述缺陷区61的空气孔63的半径从缺陷区边缘到缺陷区中心依次递增。

可选的，所述第一反射区60、第二反射区62以缺陷区61中心为轴左右对称。

可选的，所述缺陷区61中心的空气孔半径r₁=η·r₀（η=1.3），其中r₀为第一反射区60或第二反射区62的空气孔半径。

可选的，所述缺陷区61中相邻两个光机晶体微腔的空气孔半径之差为Δr₀（Δ=0.075），其中r₀为第一反射区60或第二反射区62的空气孔半径。

可选的，所述硅平板3的波导宽度为300nm-800nm。

可选的，所述二氧化硅层4的厚度为600nm～3μm。

可选的，采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在所述硅平板上形成输入波导区5、光机晶体微腔区6、输出波导区7。

基于上述描述，本发明实施例利用相同的结构同时形成光子带隙和声子带隙，并局域光子缺陷模式和声子缺陷模式，形成光机晶体微腔。通过对光子和声子缺陷模式的局域，最终实现光子和声子的高效耦合。

实施例二

请参阅图1，本发明实施例提供一种纳米梁结构的基于纳米梁结构的光机晶体微腔包括：硅衬底1、二氧化硅隔离层2、硅平板3、顶层二氧化硅层4和空气隔离区8。其结构设计原理与实施例一相同，在此不再赘述。图1所示光机晶体微腔选择硅-二氧化硅-硅构成的衬底晶片，其中的二氧化硅层厚度为3μm，上部的硅厚220nm。采用电子束曝光和干法刻蚀等工艺，在最上层硅平板3上制作出纳米梁结构的光机晶体微腔区6、输入波导区5和输出波导区7。输入波导区5和输出波导区7分别位于纳米梁结构的光机晶体微腔区6的输入、输出端，以传输光信号，输入波导区5和输出波导区7的宽度均与光机晶体微腔区6中硅波导的纳米梁相同。再利用等离子体增强化学气相沉积法在表面沉淀顶层二氧化硅层4，厚度为600nm～3μm。最后用紫外光刻与湿法腐蚀的工艺制备出空气桥结构。经过上述过程后，硅平板3上包括波导结构和空气孔63阵列，其中波导结构为输入波导区5和输出波导区7，空气孔63阵列设置在光机晶体微腔区6。

由输入波导区5导入光机晶体微腔的光场，在输出波导区7处会观测到图6所示的透射谱。当改变空气孔半径时，透射峰对应的波长会随之变化。光机晶体微腔的本征机械频率（声子频率）为4.58GHz，机械模场如图7所示，动质量为96fg。如图8所示，通过光学力的作用，光子和声子实现耦合，耦合系数（g）高达1.24MHz。

由上可以看出，本发明实施例结合光机晶体的带隙效应和硅基材料的机械特性，仅通过改变纳米梁上周期空气孔的半径，实现了光子与声子的局域和耦合，实现了超小尺寸下的光机晶体微腔。

综上所述，本发明实施例具有以下有益效果：

1、通过设计纳米梁结构，本发明能实现光通信波段（波长1微米至2微米）光子带隙和2GHz-6GHz的声子带隙。

2、本发明实现了光通信波段（波长1微米至2微米）特定波长光缺陷模式和2GHz-6GHz范围内特定频率的声子缺陷模式。

3、本发明实现了光子和声子缺陷模式的局域与耦合，具体的耦合系数（g）高达1.24MHz。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔，其特征在于，包括：硅衬底、二氧化硅隔离层、硅平板、顶层二氧化硅层和空气隔离区；

所述硅衬底，用于承载整个光机晶体微腔结构；

所述二氧化硅隔离层，用于隔离所述硅衬底和硅平板；

所述硅平板，位于所述二氧化硅隔离层之上，所述硅平板包括依次设置的输入波导区、光机晶体微腔区、输出波导区；所述输入波导区用于接收光信号并将光信号传输至所述光机晶体微腔区；所述光机晶体微腔区，包括硅波导和空气孔阵列，其用于局域光子和声子缺陷模式，实现光子和声子的耦合；所述输出波导区用于输出光信号；

所述顶层二氧化硅层，位于所述硅平板之上，其与所述二氧化硅隔离层配合以保护所述硅平板；

所述空气隔离区，位于所述光机晶体微腔区的上方和下方，上方的空气隔离区位于所述硅平板两端的顶层二氧化硅层之间，下方的空气隔离区位于所述硅平板两端的二氧化硅隔离层之间。

2.根据权利要求1所述的基于纳米梁结构的光机晶体微腔，其特征在于，所述光机晶体微腔区包括依次设置的第一反射区、缺陷区和第二反射区，所述缺陷区的空气孔半径从缺陷区边缘到缺陷区中心依次递增。

3.根据权利要求2所述的基于纳米梁结构的光机晶体微腔，其特征在于，所述第一反射区、第二反射区以缺陷区中心为轴左右对称。

4.根据权利要求2所述的基于纳米梁结构的光机晶体微腔，其特征在于，所述缺陷区中心的空气孔半径r₁＝η·r₀，其中r₀为第一反射区或第二反射区的空气孔半径，η为空气孔半径变化的比例系数，1<η<2。

5.根据权利要求4所述的基于纳米梁结构的光机晶体微腔，其特征在于，优选的，所述η为1.3。

6.根据权利要求2所述的基于纳米梁结构的光机晶体微腔，其特征在于，所述缺陷区中相邻两个空气孔半径之差为Δr₀，其中r₀为第一反射区或第二反射区的空气孔半径，其中，0<Δr₀<r₀。

7.根据权利要求6所述基于纳米梁结构的光机晶体微腔，其特征在于，优选的，所述Δr₀为0.075Δr₀。

8.根据权利要求1所述的基于纳米梁结构的光机晶体微腔，其特征在于，所述硅平板的波导宽度为300nm-800nm，厚度为200nm-500nm。

9.根据权利要求1所述的基于纳米梁结构的光机晶体微腔，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为600nm～3μm。

10.根据权利要求1所述的基于纳米梁结构的光机晶体微腔，其特征在于，采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在所述硅平板上形成输入波导区、光机晶体微腔区、输出波导区。