CN113465515A - 全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，属于微纳光电子微腔传感领域。包括第一微纳梁、第二微纳梁、线性机械振子、非线性机械振子与测量微盘；第二微纳梁固定连接在线性机械振子的一侧，且第二微纳梁与第一微纳梁之间具有空气间隙；非线性机械振子串联在线性机械振子的另一侧，非线性振子上设计有微纳探针，测量微盘设计在与微纳探针相邻的位置，测量微盘与微纳探针之间具有第一空气槽；第一微纳梁、第二微纳梁、线性机械振子、非线性机械振子的底部均悬空。将可移动的微纳梁设计在一个含有非线性机械振子中，以实现全光片上集成的腔光力驱动的非线性光‑机械耦合特性的实验研究。

Description

全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构

技术领域

本发明涉及微纳光电子微腔传感技术领域，具体是一种全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构。

背景技术

光机械微腔是一种基于光学微腔能量和机械微腔能量相互耦合的光子-声子相互作用进行设计的微纳系统，用以研究光机械微腔中丰富的光学/机械谐振特性和光-机械耦合特性。光学微腔结构可以在微纳尺寸的结构内束缚光场能量以实现高光学谐振Q值，所聚集的光场能量施加在半导体硅材料上时产生的光学梯度力可以使微腔结构自身发生位移。

当这种微腔结构应用在一个悬臂梁支撑的机械振子上，即光学微腔本身也作为一个机械振子，由微纳尺寸的机械振子组成的光机械微腔结构可以在泵浦激光能量的激励下产生机械谐振甚至受激振荡。通常，片上的微腔结构主要包括Fabry-Perot(FP)腔，回音壁式(WGM)微腔以及光子晶体(PhC)微腔。对比于其他两种微腔，光子晶体微腔以极小的模式体积和高光学Q值等优点，使其更适合设计在光机械系统中。此外，得益于其超低质量和易集成的悬臂支撑结构，一维光子晶体微纳梁微腔可以设计成多种片上集成的光机械微腔系统，并广泛应用在光通讯以及传感等领域。将一维光子晶体的微腔应用在光机械系统中时，外界的物理量(如位移、应力与加速度等)施加在悬臂梁支撑的机械振子使得其发生介质边界移动或者腔体形变，从而导致该系统内光机械耦合强度产生变化，因此从光机械微腔的光学谐振特性和机械谐振特性来表征外界物理参数变化。

光机械微腔中的光学微腔和机械微腔的光-机械相互作用效应可以使用Langevin耦合方程进行数值求解和理论分析。一般地，为了简化光-机械耦合方程的求解，大部分的光机械系统会线性化处理机械振子发生的位移。然而事实上，非线性现象本身就存在于光机械系统中，且在强光-机械耦合作用中激发腔光力时，机械振子产生的高阶项位移是不可以等效忽略的，相反地，非线性特性在光机械微腔系统会产生明显的且丰富的光-机械相互作用现象。目前，非线性光机械微腔的理论研究主要集中在微弱光-机械耦合作用下，考虑机械腔在腔光力驱动下的高阶项位移(机械振子的平方、三次方项等)而产生的非线性现象，例如光机械诱导透明，光机械混沌等现象。但是在较弱的光机械耦合作用下，这类光机械微腔中的高阶项位移导致的非线性现象很难被实验论证，因此另外一种基于非线性机械振子的光机械微腔可以从理论和实验上来论证光机械系统中的非线性现象。理论上，将光机械微腔结构中的机械振子结构设计成非线性的，当该非线性机械振子与光学微腔发生光-机械耦合作用时，腔光力会驱动该机械振子运动以产生丰富的非线性现象。这些理论模型对基于非线性机械振子的光机械微腔进行了数值求解与分析，理论分析了该非线性机械振子在较强腔光力驱动后发生较大位移量时会引起光机械微腔的非线性现象(如光机械诱导透明，参数光-机械振动，不同机械振子频率合成等现象)，但是目前尚未从实验系统中进行论证。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，以实现全光片上集成的腔光力驱动的非线性光-机械耦合特性的实验研究。

为实现上述目的，本发明提供一种全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，包括硅基座以及位于同一平面的第一微纳梁、第二微纳梁、线性机械振子、非线性机械振子与测量微盘；

所述第一微纳梁的两端、所述线性机械振子的两端均与所述硅基座固定相连，所述第二微纳梁固定连接在所述线性机械振子的一侧，且所述第二微纳梁与所述第一微纳梁之间具有空气间隙；

所述非线性机械振子串联在所述线性机械振子的另一侧，所述非线性振子上设有微纳探针，所述测量微盘设在与所述微纳探针相邻的位置，且所述测量微盘与所述微纳探针之间具有第一空气槽；

所述第一微纳梁、所述第二微纳梁、所述线性机械振子、所述非线性机械振子的底部均悬空。

在其中一个实施例中，所述第一微纳梁与所述第二微纳梁的光学结构和几何尺寸相同；

所述第一微纳梁上沿长度方向间隔设有若干空气通孔，所述第一微纳梁的缺陷区上的空气通孔的孔径沿中间至两端的方向逐渐减小；

所述第一微纳梁的反射区上的空气通孔的孔径相等，且与所述第一微纳梁的缺陷区上的空气通孔的最小孔径相等。

在其中一个实施例中，所述线性机械振子的两端通过多根对称的第一连接梁与所述硅基座相连；

所述第二微纳梁的两端通过第二连接梁与所述线性机械振子相连，所述第二微纳梁与所述线性机械振子之间具有第二空气槽；

所述第二空气槽内设在两个相互对称的第三连接梁，所述第三连接梁的一端与所述第二微纳梁相连，另一端与所述线性机械振子相连。

在其中一个实施例中，所述第二空气槽的宽度为1.5μm；

所述第三连接梁的宽度为70nm，所述第三连接梁与所述第二微纳梁的中心位置之间的距离为5.8μm。

在其中一个实施例中，所述线性机械振子上均匀的设有若干镂空槽。

在其中一个实施例中，所述非线性机械振子包括至少两个曲线臂；

所述曲线臂的两端连接在所述线性机械振子上，所述曲线臂的中部设有质量块，所述微纳探针设在所述质量块上。

在其中一个实施例中，所述曲线臂的曲线线型为：

f(x)＝0.5h[1-cos(2πx/l)]，x∈[0,l]

式中，h表示曲线臂的预弯曲高度，l表示曲线臂的长度；

当一个归一化的负载F加载到曲线臂的中间位置处，相应的曲线臂形变表示为：

式中，T是归一化的形变量，即曲线臂中间点的位移量比曲线臂预弯曲高度进行归一化；P＝h/w为几何因子，用于表征该非线性曲线臂的不稳定性，w是曲线臂的宽度。

在其中一个实施例中，所述几何因子P>2.31。

在其中一个实施例中，所述测量微盘的半径为10μm，所述第一空气槽的原始宽度为180nm；

所述测量微盘上沿周向间隔设有若干扇形槽，所述测量微盘的外环轮廓部分悬空。

相较于现有技术，本发明提供的一种全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构具有如下有益技术效果：

1.在集成的光机械微腔结构中设计了一种非线性机械振子，进而可从实验角度实现全光泵浦-探测方式来观测光-机械耦合过程中的非线性现象；

2.该光机械微腔结构具有优化的光学和机械结构、更好的实验可实现性，所设计的光机械微腔结构参数易于半导体加工制作，具有良好的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中全光集成含非线性机械振子的光机械微腔结构的示意图；

图2为本发明实施例中第一空气槽的放大示意图；

图3为本发明实施例中光机械微腔的结构示意图；

图4为本发明实施例中曲线臂的尺寸示意图；

图5为本发明实施例中测试系统中含非线性机械振子的光机械微腔结构与第一微纳拉锥光纤、第二微纳拉锥光纤的连接关系示意图。

附图标号：硅基座1、第一微纳梁10、空气通孔101、缺陷区102、反射区103、第二微纳梁11、线性机械振子12、第一连接梁121、第二连接梁122、第二空气槽123、第三连接梁124、镂空槽125、非线性机械振子13、微纳探针131、第一空气槽132、曲线臂133、质量块134、测量微盘14、扇形槽141、平面空腔15、空气间隙16；

第一微纳拉锥光纤22、第二微纳拉锥光纤24。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-4所示为本实施例公开的一种含非线性机械振子13的光机械微腔结构，其包括硅基座1以及位于同一平面的第一微纳梁10、第二微纳梁11、线性机械振子12、非线性机械振子13与测量微盘14，其中，第一微纳梁10、第二微纳梁11、线性机械振子12、非线性机械振子13的底部均悬空。具体地，硅基座1为硅-二氧化硅-硅(SOI)层，通过腐蚀液对硅基座1进行腐蚀处理后，中间层二氧化硅腐蚀使得硅基座1上形成一个封闭的平面空腔15，第一微纳梁10、第二微纳梁11、线性机械振子12、非线性机械振子13与测量微盘14均位于该平面空腔15内。

参考图2，本实施例中，第一微纳梁10、第二微纳梁11均为一维光子晶体微纳梁结构，第一微纳梁10与第二微纳梁11并排布置，且之间具有空气间隙16，进而构成能够产生腔光力的光机械微腔。具体地，第一微纳梁10与第二微纳梁11的光学结构和几何尺寸相同。以第一微纳梁10为例，经过仿真优化后第一微纳梁10的宽度是556nm，厚度为220nm，为了在第一微纳梁10上产生一个一维光子晶体微腔，在第一微纳梁10的中间位置沿长度方向设置若干的空气通孔101。参考图2，第一微纳梁10上包括位于第一微纳梁10中部的缺陷区102以及位于两端的反射区103。缺陷区102的空气通孔101的半径是从中心孔r₀＝127.9nm渐变至两端的孔r₇＝105.3nm，两个反射区103的空气通孔101半径都是105.3nm。任意相邻的两空气通孔101之间的距离都是等于晶格常数364.8nm。第一微纳梁10与第二微纳梁11之间的空气间隙16的初始宽度是125nm，在该光机械微腔中的腔光力的驱动下，空气间隙16的宽度会随着激光器的失谐调频而被调制。

在具体实施过程中，第一微纳梁10的两端均与硅基座1固定相连，其作为光机械微腔的固定微纳梁，并使得第一微纳梁10底部悬空。线性机械振子12的两端均与硅基座1固定相连，第二微纳梁11固定连接在线性机械振子12的一侧，且第二微纳梁11与第一微纳梁10之间具有空气间隙16，即第二微纳梁11作为光机械微腔的移动微纳梁。

具体地，线性机械振子12的两端通过多根对称的第一连接梁121与硅基座1相连，使得线性机械振子12以及连接在线性机械振子12上的非线性机械振子13与第二微纳梁11均底部悬空。其中，第一连接梁121的数量为八根，其宽度为120nm，长度为1.2μm，即线性机械振子12每一段均通过四根第一连接梁121与硅基座1相连。进一步具体地，第二微纳梁11的两端通过第二连接梁122与线性机械振子12相连，第二微纳梁11与线性机械振子12之间具有第二空气槽123，该第二空气槽123宽度为1.5μm，为一大空气槽，进而可通过第二空气槽123避免在第二微纳梁11上面的一维光子晶体微腔的光场分布受到线性机械振子12的干扰。

需要注意的是，为了方便对硅基座1进行腐蚀悬空加工，线性机械振子12的表面均匀的开启了若干方形结构的镂空槽125，便于腐蚀液通过该镂空槽125与硅基座1发生充分反应后使二氧化硅层被腐蚀掉后整个顶层硅器件实现一个悬空结构。此外，第二空气槽123内设在两个相互对称的第三连接梁124，第三连接梁124的一端与第二微纳梁11相连，另一端与线性机械振子12相连；通过将一对第三连接梁124设计在第二空气槽123中可以有效传递腔光力，使腔光力施加在第二微纳梁11上后使得整个线性机械振子12发生受迫振动，与此同时，为了保证第三连接梁124结构不影响光子晶体微腔的光学谐振模式分布，经过仿真设计后，第三连接梁124上与第二微纳梁11相连的部分梁体的宽度为70nm，且与光子晶体微腔中心位置的距离是5.8μm。

本实施例中，非线性机械振子13串联在线性机械振子12的一侧，即将可移动的第二微纳梁11设计在非线性机械振子13中。非线性振子上设有微纳探针131，测量微盘14设在与微纳探针131相邻的位置，且测量微盘14与微纳探针131之间具有第一空气槽132。其中，非线性机械振子13跟随线性机械振子12在腔光力的作用下进行位移，带动微纳探针131位移，测量微盘14利用光场扰动原理来监测微纳探针131的微小位移，即实现非线性机械振子13的位移的测量，以实现全光片上集成的腔光力驱动的非线性光-机械耦合特性的实验研究。

参考图4，在具体实施过程中，为保证非线性机械振子13在平面内移动的稳定性，非线性机械振子13包括至少两个曲线臂133，本实施例中的非线性机械振子13由两个曲线臂133组成，曲线臂133的两端对称连接在线性机械振子12上。两个曲线臂133通过位于曲线臂133中部的质量块134连成一体，微纳探针131设在质量块134上。本实施例中，曲线臂133是基于弯曲梁屈曲特性设计的。具体的，参考图3，曲线臂133的曲线线型为：

f(x)＝0.5h[1-cos(2πx/1)]，x∈[0，1]

式中，h表示曲线臂133的预弯曲高度，l表示曲线臂133的长度；

当一个归一化的负载F加载到曲线臂133的中间位置处，相应的曲线臂133形变表示为：

式中，T是归一化的形变量，即曲线臂133中间点的位移量比曲线臂133预弯曲高度进行归一化；P＝h/w为几何因子，用于表征该非线性曲线臂133的不稳定性，w是曲线臂133的宽度。当几何因子P＞2.31时，该结构的就是不稳定的。为保证该非线性结构的不稳定性，本实施例中的几何因子设置为P＝4.16，因此，相应的曲线臂133宽度为120nm，曲线臂133高度为500nm，整个曲线臂133的长度为16μm。非线性机械振子13的中间位置处的质量块134上设计一个微纳探针131用于表征该非线性机械振子13受到腔光力驱动后在平面内产生的位移。

为了实际测量非线性机械振子13受到腔光力驱动后发生的位移，本实施例使用一个悬空的测量微盘14微腔，即微盘型回音壁式(WGM)微腔来测量微纳探针131的位移。悬空的测量微盘14的半径是10μm，与微纳探针131之间的第一空气槽132原始间隙为180nm。测量微盘14上沿周向间隔设有若干扇形槽141，其作用是便于腐蚀液通过并加快与硅基座1充分反应，使得测量微盘14外轮廓部分(该部分是起于扇形槽141至圆盘端部的圆环，环宽为2μm)是一个悬空结构。

需要注意的是，本实施例中的光机械微腔结构采用E-beam光刻技术和电感耦合等离子体蚀刻(ICP)技术制备在“硅-二氧化硅-硅”(SOI)晶圆上，制备光机械微腔的硅层厚度为220nm，该悬空结构包含的一维光子晶体微腔以及两级机械振子的上下均为空气，下层空气通过稀释的氢氟酸(6∶1的BOE)腐蚀3μm厚的二氧化硅层获得。

上述含有非线性机械振子13的光机械微腔结构的实验测试论证过程为：

首先选取U型结构的第一微纳拉锥光纤22与第二微纳拉锥光纤24。具体地，第一微纳拉锥光纤22与第二微纳拉锥光纤24均为带有微凹微纳拉锥光纤，由标准的单模光纤热熔拉锥至中心芯径低于1.5μm的微纳拉锥光纤制作而成。为了使光机械微腔内传输的激光能很好的进入到腔体区域并有效收集耦合出腔体的信号光，采用该U型带有微凹的第一微纳拉锥光纤22与第二微纳拉锥光纤24具有低传输损耗、高耦合效率等优点，且微凹结构的设计可以有效调整光纤-微腔之间的位置和耦合长度；

利用第一可调谐窄线宽激光器发出窄线宽激光，并使窄线宽激光经过单模光纤进入机械式的第一光纤偏振控制器进行偏振态模式调整选择，随后再输入第一单模光纤衰减器，再将其作为泵浦光进入第一微纳拉锥光纤22中，在微纳位移平台和高倍光学显微镜、高分辨率CCD相机等显微设备的辅助下，将第一微纳拉锥光纤22与固定的第一微纳梁10微腔接触以激发光-机械耦合现象中的腔光力，即图5所示；由于第一微纳梁10为光机械微腔的固定微纳梁，因此，当光机械微腔内腔光力激发后作用在可移动的第二微纳梁11上时，该微纳光纤-微腔的耦合方式可以避免对可移动微腔的光机械模式产生影响。

利用第二可调谐窄线宽激光器发出的窄线宽激光，并使窄线宽激光经由单模光纤进入机械式的第二光纤偏振控制器进行偏振态模式调整选择，随后再输入第二单模光纤衰减器，再将其作为探测光进入第二微纳拉锥光纤24，在微纳位移平台和高倍光学显微镜、高分辨率CCD相机等显微设备的辅助下，将第二微纳拉锥光纤24与悬空的测量微盘14边缘接触以测量微纳探针131的移动，从而实现对非线性机械振子13在光机械微腔中的非线性特性的观测，即图5所示；

其中，第一可调谐窄线宽激光器、第二可调谐窄线宽激光器均工作于C波段，输出的光波长为1500.00～1620.00nm，同时，为了避免热光效应导致的非线性效应，将第一可调谐窄线宽激光器、第二可调谐窄线宽激光器的光源输出功率设置为30μW。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，其特征在于，包括硅基座以及位于同一平面的第一微纳梁、第二微纳梁、线性机械振子、非线性机械振子与测量微盘；

所述第一微纳梁的两端、所述线性机械振子的两端均与所述硅基座固定相连，所述第二微纳梁固定连接在所述线性机械振子的一侧，且所述第二微纳梁与所述第一微纳梁之间具有空气间隙；

所述非线性机械振子串联在所述线性机械振子的另一侧，所述非线性振子上设有微纳探针，所述测量微盘设在与所述微纳探针相邻的位置，且所述测量微盘与所述微纳探针之间具有第一空气槽；

所述第一微纳梁、所述第二微纳梁、所述线性机械振子、所述非线性机械振子的底部均悬空。

2.根据权利要求1所述全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，其特征在于，所述第一微纳梁与所述第二微纳梁的光学特性、材料参数和几何尺寸相同；

所述第一微纳梁上沿长度方向间隔设有若干圆柱形的空气通孔，所述第一微纳梁的缺陷区上的空气通孔的孔径沿中间至两端的方向逐渐减小；

所述第一微纳梁的反射区上的空气通孔的孔径相等，且与所述第一微纳梁的缺陷区上的空气通孔的最小孔径相等。

3.根据权利要求1所述全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，其特征在于，所述线性机械振子的两端通过多根对称的第一连接梁与所述硅基座相连；

所述第二微纳梁的两端通过第二连接梁与所述线性机械振子相连，所述第二微纳梁与所述线性机械振子之间具有第二空气槽；

所述第二空气槽内设在两个相互对称的第三连接梁，所述第三连接梁的一端与所述第二微纳梁相连，另一端与所述线性机械振子相连。

4.根据权利要求3所述全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，其特征在于，所述第二空气槽的宽度为1.5μm；

所述第三连接梁的宽度为70nm，所述第三连接梁与所述第二微纳梁的中心位置之间的距离为5.8μm。

5.根据权利要求3所述全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，其特征在于，所述线性机械振子上均匀的设有若干镂空槽。

6.根据权利要求1所述全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，其特征在于，所述非线性机械振子包括至少两个曲线臂；

所述曲线臂的两端连接在所述线性机械振子上，所述曲线臂的中部设有质量块，所述微纳探针设在所述质量块上。

7.根据权利要求6所述全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，其特征在于，所述曲线臂的曲线线型为：

f(x)＝0.5h[1-cos(2πx/l)]，x∈[0,l]

式中，h表示曲线臂的预弯曲高度，l表示曲线臂的长度；

当一个归一化的负载F加载到曲线臂的中间位置处，相应的曲线臂形变表示为：

式中，T是归一化的形变量，即曲线臂中间点的位移量比曲线臂预弯曲高度进行归一化；P＝h/w为几何因子，用于表征该非线性曲线臂的不稳定性，w是曲线臂的宽度。

8.根据权利要求7所述全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，其特征在于，所述几何因子P>2.31。

9.根据权利要求1所述全光集成且含非线性机械振子的光机械微腔结构，其特征在于，所述测量微盘的半径为10μm，所述第一空气槽的原始宽度为180nm；

所述测量微盘上沿周向间隔设有若干扇形槽，所述测量微盘的外环轮廓部分悬空。

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