CN104076438B - 一种微波光子晶体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微波光子晶体及其制备方法，所述微波光子晶体包括周期性排列的介质柱体，与所述介质柱体轴向近似垂直的上表面和下表面，所述介质柱体分别与所述上表面和/或所述下表面的连接缝隙之间通过纳米粒子熔合连接。本发明提供的微波光子晶体，采用与整体器件同样的纳米粒子材料作为熔合材料，可以在较低温度下进行微波光子器件的熔合组装，解决了在传统微波光子晶体器件加工工艺中各个部件之间的连接不致密，器件整体性差的问题，大大提高加工光子晶体器件的性能，可广泛适用于微波谐振腔、集成光路的光源和波导等领域。

Description

一种微波光子晶体及其制备方法

技术领域

本发明涉及光子晶体技术领域，尤其涉及一种微波光子晶体及其制备方法。

背景技术

光子晶体(photonic crystal：PC)是一类由金属或者电介质材料构成的具有周期性晶格排列的宏观结构，可以通过适当的设计和构造其周期性排列产生所需的光子带隙结构，从而阻止或者允许特定频率的光或者电磁波沿某些方向的传播，进而达到改变乃至控制光或者电磁波传播的目的。光子晶体被广泛应用于无阈值激光器，无损耗的反射镜，弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器等。

目前研究较多的两维光子晶体被认为在加速器相关的应用上具有很大的应用潜力，其中利用光子带隙原理设计的光子带隙谐振腔能够起到模式选择的功能，由于它们工作的频率范围常常处于微波频段，通常称此类光子晶体为微波光子晶体。微波光子晶体由于其结构的特殊性，周期性晶格阵列结构与内表面之间通过纯粹的机械咬合并不能满足其对高品质因数的要求，并尽可能保证内表面的品质。通常的做法是分别制造表面和柱状结构，然后进行连接形成微波光子晶体。在连接过程中，为了不破坏器件的结构和改变其材料的性能，通常采用低熔点金属对于柱状结构和表面进行熔合，使得相应的操作可以在较低的温度下进行。这一制造方法下成型的微波光子晶体一般而言整体性较差，尤其在柱状结构和内表面连接处的很难做到完全的无缝连接。同时在加工过程中通常采用与内表面和柱状结构不同的低熔点技术作为熔合材料，其通常与表面所用材料具有不同的电磁学特性，从而在一定程度上影响微波光子晶体谐振腔的最终性能。

现有的高品质微波光子晶体的加工方法主要有两种：金属焊接和电解沉积成型。

金属焊接是在晶格阵列结构与谐振腔壁的接合处放置焊接材料，通过高温加热使焊接材料融化，使被接合的两部分实现良好的电接触。焊接材料通常为合金，例如伍德合金，使其熔点低于被焊接的金属，但因其接合处含有其它金属材料，使其在对材料一致性要求很高的应用中受到限制(例如高真空器件)，同时传统焊接材料的形态和尺寸也无法保证其对微小缝隙(例如微米级别以下)的有效填充。

电解沉积法是基于一种电镀生长的过程，将微波光子晶体内部所有的中空部分用熔点很低或易溶解的金属做成模具，并将该模具置于电解池中。这种方法的特点是制备精度高，一体化程度好，但只能制备整体为一种金属材料的光子晶体。对于基于不同金属材料或是电介质材料的光子晶体结构，电解沉积成型的方法则无法实现。

发明内容

本发明所解决的问题是提供一种微波光子晶体，用于解决光子晶体在制备过程中各部件之间连接不紧密，器件整体性差从而影响光子晶体性能的问题。

为解决上述问题，本发明提出了一种微波光子晶体，包括周期性排列的介质柱体，与所述介质柱体轴向近似垂直的上表面和下表面，其中，所述介质柱体分别与所述上表面和/或所述下表面的连接缝隙之间通过纳米粒子熔合连接。

进一步地，所述纳米粒子的材料与所述上表面和下表面的材料相同。

进一步地，所述介质柱体的材料为金属材料或电介质材料。

本发明为了解决上述技术问题还提供了一种微波光机晶体的制备方法，包括如下步骤：

在所述介质柱体分别与所述上表面和/或所述下表面的连接缝隙之间填充所述纳米粒子；

加热所述纳米粒子，保温后自然冷却至室温，得到熔合连接的微波光子晶体。

进一步地，所述纳米粒子填充之前，先分别将所述上表面和下表面进行超声预处理。

进一步地，所述上表面和所述下表面经过超声处理后，分别对所述上表面和/或下表面进行刻蚀，获得具有凹槽的上表面和/或下表面。

进一步地，所述刻蚀方法为旋涂光刻蚀或化学刻蚀。

进一步地，所述加热过程如下：

升温达到第一温度T₁，并在所述第一温度T₁下保温第一时间t₁；

继续升温至第二温度T₂，并在所述第二温度T₂下保温第二时间t₂。

进一步地，所述第一温度T₁为所述纳米粒子熔点的80～90％，所述第二温度T₂为所述纳米粒子熔点的100～110％。

进一步地，所述第一时间t₁为5～10分钟，所述第二时间t₂为5～10分钟。

进一步地，所述加热方法为微波加热、等离子体加热、真空加热或在惰性气体保护下加热。

与现有技术相比，本发明具有以下显著的技术优势：(1)采用纳米材料呈现低熔点的尺寸效应，使得制备中可以采用与表面组件同种材料的纳米粒子作为熔合材料，保持了材料的一致性，提高了器件整体的性能；(2)纳米粒子的小尺寸使得熔合材料本身可以更好地进入组件之间的缝隙，达到更好的熔合效果，避免了常规方法可能产生的组件之间的空隙，从而有利于改善器件的性能。

附图说明

图1所示为本发明中微波光子晶体的结构示意图；

图2所示为本发明一个实施例的结构示意图；

图3所示为本发明中微波光子晶体的制备流程示意图；

图4所示为本发明又一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明提出的一种微波光子晶体及其制备方法进行详细的说明。

实施例一

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微波光子晶体，所述微波光子晶体的结构如图1、图2所示，微波光子晶体包括上表面1、下表面2和由多个具有周期性阵列排布的介质柱体3，所述介质柱体3分别与所述上表面1和/或所述下表面2的连接缝隙4之间通过纳米粒子5进行熔合连接，获得所述微波光子晶体，以满足微波光子晶体的高品质因数Q要求。需要说明的是，当材料在尺寸上达到纳米尺度时，由于尺寸效应的影响，比表面能大大增加，使得纳米粒子5所呈现的熔点大大低于同种材料尺度在块材时的熔点，例如金的尺寸接近纳米级别时，其熔点可以降到接近300摄氏度左右，远远低于其在块材时的熔点温度1064摄氏度。具体地，所述纳米粒子5的材料与所示上表面1和下表面2的材料相同，例如无氧铜，金、镍或铂等，以保持器件材料的一致性；所述介质柱体3的材料为金属材料或电介质材料，例如无氧铜，镍，氧化铝等。采用纳米粒子5作为熔合材料，可以在较低温度下进行微波光子晶体的熔合连接，同时采用与上表面1和下表面2同样材料的纳米粒子5作为熔合材料，保持了器件材料的一致性，消除在传统微波光子晶体器件的制备过程中各个部件之间连接不致密，器件整体性差的问题，从而大大提高微波光子晶体器件的性能。

本发明为解决上述技术问题，还提供了一种微波光子晶体的制备方法，如图3所示，包括如下步骤：

执行步骤S1：对基板表面进行预处理，获得上表面1和下表面2。所述预处理方式为将基板置于无水乙醇中超声处理10～20分钟，取出后室温干燥待用。为提高光子晶体连接的密封性，在经过预处理的基板上通过刻蚀方法获得具有凹槽4的表面1和/或表面2，所述凹槽4按照周期性阵列排布，凹槽4的阵列结构同所述介质柱体3的周期性阵列排布方式一一对应。具体地，如图2所示，以上表面1和下表面2的材料为无氧铜，柱体3的材料为电介质材料氧化铝为例，将两块无氧铜基板浸没于无水乙醇中超声10分钟后，取出于室温下晾干待用。对经过预处理的铜基板通过刻蚀方法获得具有凹槽4的上表面1和下表面2，氧化铝通过车床机械加工切割为多个柱体3，用于后续制备步骤。所述刻蚀方法为光刻蚀法和化学刻蚀法，具体地，在经过预处理后的基板表面旋涂光刻胶，经过模板紫外光曝光后将基板表面图案化，用稀硝酸或稀硫酸腐蚀图案化的基板，并用丙酮洗涤多次，去除光刻胶，获得所述具有凹槽4的表面。

执行步骤S2：将纳米粒子5均匀填充于所述介质柱体3与所述上表面和下表面的连接缝隙中。具体地，如图2所示，所述上表面1和下表面2具有周期性阵列排布的凹槽4，将所述介质柱体3插入与之一一对应的连接凹槽4中，通过加压将所述介质柱体3与所述凹槽4相互扣紧。所述纳米粒子5的材料与所述表面的材料相同，均为金属材料，例如无氧铜、铂、金和镍等，以保持所述微波光子晶体材料的整体性。

执行步骤S3：升温进行熔合连接，获得所述微波光子晶体。本发明中，利用纳米粒子的尺寸效应，使得纳米粒子的熔点大大低于同种材料在块材时的熔点。具体地，以40纳米的无氧铜为例，40纳米的无氧铜的熔点为217摄氏度，远低于块材铜的熔点850摄氏度，使得在制备过程中采用和表面相同的材料作为熔合材料，保持了材料的一致性，提高了器件的整体性能。所述熔合连接包括如下步骤：

将步骤S2所得的器件升温达到第一温度T₁，并在所述第一温度T₁下恒温第一时间t₁；继续升温至第二温度T₂，并在所述第二温度T₂下恒温第二时间t₂后，自然冷却至室温，获得所述微波光子晶体。所述第一温度T₁为略低于所述纳米粒子5的熔点10～20％的温度，例如，粒径为35纳米的无氧铜纳米粒子，熔点为177摄氏度，制备过程中所述第一温度T₁为160摄氏度左右；所述第一时间t₁为5～10分钟，第一步预加热过程使得所述纳米粒子5能够受热均匀，得到活化而充分填充于所述介质柱体3与所述表面的连接缝隙4，所述第二温度T₂为略高于所述纳米粒子熔点的0～10％的温度，例如，粒径为35纳米的无氧铜纳米粒子，制备过程中所述第二温度T₂为190摄氏度左右；所述第二时间t₂为5～10分钟。所述升温方法为微波加热，等离子体加热，真空加热或在惰性气体保护下加热等。所述升温为匀速升温，升温速率为5～10摄氏度，使得纳米粒子均匀受热。

具体地，以介质柱体3的材料为氧化铝、上表面1和下表面2的材料为无氧铜，纳米粒子5为粒径为35纳米的无氧铜为例，从室温开始匀速微波加热，控制升温速度5摄氏度/分钟，将组合后的器件在160摄氏度下，预热5分钟；继续升温，使温度超过纳米粒子的熔点，以升温速度10摄氏度/分钟达到190摄氏度并保温10分钟，然后自然冷却至室温，得到结合完整的微波光子晶体。

实施例二

本实施例与上述实施例不同之处在于，在本实施例中，所述介质柱体3与所述上表面1和下表面2为相同材料，优选地，为金属材料，例如无氧铜。

优选地，为了保持微波光子晶体材料的一致性，简化制备流程，提高微波光子晶体的性能，如图4所示，微波光子晶体包括上表面1，下表面2，所述下表面2上具有直接机械加工而成的具有周期性阵列排布的介质柱体3，所述介质柱体3与所述上表面1的连接缝隙4之间通过纳米粒子5进行熔合连接，获得所述微波光子晶体。具体制备步骤如下，以表面材料和介质柱体的材料为无氧铜，纳米粒子为粒径40纳米的无氧铜为例：

取任意一块经过预处理的无氧铜基板，通过车床在基板上直接机械加工切割获得具有周期性阵列排布的铜柱体，将另一块基板通过刻蚀方法获得具有凹槽的表面，用于后续制备步骤。接着，将粒径为40纳米的无氧铜粒子均匀填充于所述铜柱体和所述表面的凹槽缝隙中，如图4所示，将所述铜柱体插入与之一一对应的凹槽中，通过加压将所述铜柱体与所述凹槽相互扣紧。所述刻蚀方法上述S2步骤已详述，在此不再赘述。

最后，升温进行熔合连接。具体地，以介质柱体3、上表面1和下表面2为无氧铜，纳米粒子5为粒径为40纳米的无氧铜为例，从室温开始匀速微波加热，控制升温速度5摄氏度/分钟，将组合后的器件在180摄氏度下，预热10分钟；继续升温，使温度超过纳米粒子的熔点，以升温速度10摄氏度/分钟达到230摄氏度并保温10分钟，然后自然冷却至室温，得到结合完整的微波光子晶体。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种微波光子晶体的制备方法，所述微波光子晶体包括周期性排列的介质柱体，与所述介质柱体轴向近似垂直的上表面和下表面，所述介质柱体分别与所述上表面和/或所述下表面的连接缝隙之间通过纳米粒子熔合连接；所述纳米粒子的材料与所述上表面和下表面的材料相同，所述介质柱体 的材料为金属材料或电解质材料，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

在所述介质柱体分别与所述上表面和/或所述下表面的连接缝隙之间填充所述纳米粒子；

加热所述纳米粒子，升温达到第一温度T₁，并在所述第一温度T₁下保温第一时间t₁；

继续升温至第二温度T₂，并在所述第二温度T₂下保温第二时间t₂；

保温后自然冷却至室温，得到熔合连接的微波光子晶体；

所述第一温度T₁为所述纳米粒子熔点的80～90％，所述第二温度T₂为所述纳米粒子熔点的100～110％；

所述第一时间t₁为5～10分钟，所述第二时间t₂为5～10分钟。

2.如权利要求1所述的微波光子晶体的制备方法，其特征在于，所述纳米粒子填充之前，分别将所述上表面和下表面进行超声预处理。

3.如权利要求2所述的微波光子晶体的制备方法，其特征在于，所述上表面和所述下表面经过超声处理后，分别对所述上表面和/或下表面进行刻蚀，获得具有凹槽的上表面和/或下表面。

4.如权利要求3所述的微波光子晶体的制备方法，其特征在于，所述刻蚀方法为旋涂光刻蚀或化学刻蚀。

5.如权利要求1所述的微波光子晶体的制备方法，其特征在于，所述加热方法为微波加热、等离子体加热、真空加热或在惰性气体保护下加热。