CN114024196B - 谐振结构、光电器件及制作方法、光相互作用调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种谐振结构、光电器件及制作方法、光相互作用调控方法，其中，该谐振结构具有至少两组谐振模式，该谐振模式具有独立调节的谐振频率和谐振参数，不同组谐振模式位于同一微腔结构中，且不同组谐振模式的谐振光场在空间分布上相互重叠。本发明的谐振腔结构具有多重谐振特性，即其不同组谐振模式的谐振频率可以分别独立调节，从而可使其与光电器件中多个不同频率的窄带内的光子及其所涉及的光相互作用过程进行匹配来进行调控，进而实现光电器件中光相互作用的调控，克服了传统光学谐振腔只能在单个很窄的窄带内的光子及其所涉及的光相互作用过程进行调控，增加了光相互作用的调控范围，大大的提高了光学器件的适配性。
Description
技术领域
本发明涉及光电谐振技术领域，具体来说，涉及一种谐振结构、光电器件及制作方法、光相互作用调控方法。
背景技术
绝大多数光电器件(如激光器、发光二极管、探测器、光电调制器和非线性光学器件等)的工作原理都基于器件中光与物质的相互作用(或称光相互作用)来实现的。而影响光与物质相互作用的重要因素除了物质本身的化学构成和介观形态，还有物质所处环境的光子态密度(或光学谐振模式)。利用光学谐振腔来设计光子态密度的空间和频率分布，进而调控其中光与物质的相互作用便成为发展各种光电器件和提高其性能的重要途径，尤其是对微型化的光电器件。
目前，在许多光电器件中常用的光学谐振腔结构包括：基于光波导断面反射或多层介质反射膜结构的Fabry-Perot谐振腔、基于波导光栅的分布式布拉格(DBR)谐振腔和分布自反馈式(DFB)谐振腔、基于回音壁模式(WGM)的环型/圆盘型/微球型谐振腔、以及基于光子晶体局部缺陷的谐振腔等等。
对于绝大多数光电器件，其内的光相互作用一般都涉及到至少两种不同频率光子之间、光子与物质内处于不同能级的电子之间的能量转移和转换。例如，对于“自发发射”或“受激发射”的光致发光实际上是一个“激发-发光”过程，其中涉及到不同频率的光子(激发光、发射光)以及发光物质内电子在能级间的跃迁和弛豫过程。又如，对于一些非线性光学效应(如拉曼散射与布里渊散射、混频/和频/差频、光折变、参量放大与参量振荡、以及如稀土离子的上转换发光等)，也是涉及到多种不同频率的光子在其中与物质间的相互作用。
通过光学谐振腔或谐振结构对其中光学模式的控制可用来调控其中光与物质相互作用过程中光子的数目/强度、物质能级系统内电子的布居和自旋状态、以及相互作用的耦合强度。
然而，传统的谐振结构(即“单重谐振”微腔结构)基本上都是具有单重谐振特性，一般只在单频模式下对单一的电子跃迁或光相互作用过程进行调控，因为对于一个给定的谐振腔结构，即便是它具有多级谐振模式，但是它们的各级谐振模式之间还是内禀关联的；从而导致不能通过调节谐振腔结构和材料参数来独立地调节两个或多个不同级数模式的谐振频率位置，使它们与光相互作用中所涉及光子的各个频率相匹配，进而只能对光电器件中对在很窄带宽内频率相近的光子或该光子所涉及的光相互作用过程进行调控。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的是提出一种谐振结构、光电器件及制作方法、光相互作用调控方法，以解决现有相关技术中的上述技术问题，能够实现光电器件中的光相互作用的调控。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种谐振结构。
该谐振结构具有至少两组谐振模式，该谐振模式具有独立调节的谐振频率和谐振参数，不同组谐振模式位于同一微腔结构中，且不同组谐振模式的谐振光场在空间分布上相互重叠。
其中，所述谐振结构为具有多重谐振特性的复合光栅结构。所述复合光栅结构由多个具有不同周期的光栅结构叠加组合形成。
可选的，所述复合光栅结构的界面形貌由多个不同周期的光栅结构的界面形貌叠加形成，或所述复合光栅结构的由不同周期的光栅结构构成，且复合光栅结构的界面形貌由该不同周期的光栅结构的界面形貌运算组合形成。
可选的，所述复合光栅结构的不同周期光栅结构包括一维周期光栅结构、二维周期光栅结构、三维周期光栅结构，所述复合光栅结构的界面形貌包括余弦型界面形貌、方波型界面形貌、三角型界面形貌、梯形界面形貌、锯齿形界面形貌。
根据本发明的另一方面，提供了一种光学器件。
该光学器件具有上述的谐振结构，且光学器件的有源物质和光相互作用中所涉及的光子靠近或处于谐振结构的内部。
其中，所述谐振结构位于光电器件中光波导层的边界或与该光波导层相邻的材料介质层的边界。或所述谐振结构的多个具有不同周期的光栅结构分别位于光电器件的光波导层的不同边界或同一边界的不同位置。
根据本发明的又一方面，提供了一种光学器件的制作方法，
该光学器件的制作方法用于上述光学器件的制作，包括：通过光刻方法将谐振结构光刻至光学器件的光波导层的边界或与该光波导层相邻的介质层的边界，其中，所述光刻方法包括：基于全息干涉曝光光刻方法、紫外光刻方法、电子束曝光光刻方法、聚焦离子束刻蚀方法、激光直写光刻方法。
根据本发明的又一方面，提供了一种光学器件的光相互作用调控方法，
该光学器件的光相互作用调控方法中光学器件为上述的光学器件，且包括：确定光学器件中光相互作用中所涉及的各个光子的频率；根据各个光子的频率，调节谐振结构的不同组谐振模式的谐振频率和谐振参数，促使该谐振频率和谐振参数与光相互作用中所涉及的各个光子的频率相匹配，来完成光相互作用调控。
有益效果：本发明的谐振腔结构具有多重谐振特性，即其不同组谐振模式的谐振频率可以分别独立调节，从而可使其与光电器件中多个不同频率的窄带内的光子及其所涉及的光相互作用过程进行匹配来进行调控，进而实现光电器件中光相互作用的调控，克服了传统光学谐振腔只能在单个很窄的窄带内的光子及其所涉及的光相互作用过程进行调控，增加了光相互作用的调控范围，大大的提高了光学器件的适配性。
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获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的由余弦型周期光栅组合而成的多重谐振复合光栅结构的横截面结构示意图；
图2是根据本发明实施例的由方波型周期光栅组合而成的多重谐振复合光栅结构的横截面结构示意图；
图3是根据本发明实施例的具有多重谐振复合光栅结构(复合光栅结构位于光电器件中具有高折射率的光波导层的边界)的光电器件的横截面结构示意图；
图4是根据本发明实施例的具有多重谐振复合光栅结构(复合光栅结构位于光电器件中与具有高折射率的光波导层相邻的另外一个介质层的边界)的光电器件的横截面结构示意图；
图5是根据本发明实施例的具有不同类型多重谐振复合光栅结构(复合光栅结构位于光电器件中具有高折射率的光波导层的上下两个边界)的光电器件的横截面结构示意图；
图6是根据本发明实施例的具有不同类型多重谐振复合光栅结构(在高折射率光波导层的上下两个边界分别存在具有不同周期的余弦型光栅结构)的光电器件的横截面结构示意图；
图7是根据本发明实施例的具有不同类型多重谐振复合光栅结构(在高折射率光波导层的上下两个边界分别存在具有不同周期的方波型光栅结构)的光电器件的横截面结构示意图；
图8是根据本发明实施例制备的双周期复合光栅结构一的结构表面的扫描电镜图；
图9是根据本发明实施例制备的双周期复合光栅结构一的结构表面的原子力显微镜图；
图10是根据本发明实施例制备的双周期复合光栅结构一在横向磁场偏振光波垂直照射下测得的反射光谱图；
图11是根据本发明实施例制备的双周期复合光栅结构二的横截面示意图；
图12是根据本发明实施例制备的双周期复合光栅结构二的横截面扫描电镜图；
图13是根据本发明实施例制备的双周期复合光栅结构二的结构表面的扫描电镜图；
图14是根据本发明实施例制备的双周期复合光栅结构二的结构表面的原子力显微镜图；
图15是根据本发明实施例制备的双周期复合光栅结构二在TM偏振光垂直照射下测得的反射光谱图；
图16是根据本发明实施例制备的三周期复合光栅结构的结构表面的扫描电镜图；
图17是根据本发明实施例制备的三周期复合光栅结构的结构表面的原子力显微镜图；
图18是根据本发明实施例制备的三周期复合光栅结构在TM偏振光波垂直照射下测得的反射光谱图。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种谐振结构、光电器件及制作方法、光相互作用调控方法。该谐振结构具有至少两组谐振模式，该谐振模式具有独立调节的谐振频率和谐振参数，不同组谐振模式位于同一微腔结构中，且不同组谐振模式的谐振光场在空间分布上相互重叠。所述谐振结构为具有多重谐振特性的复合光栅结构。所述复合光栅结构由多个具有不同周期的光栅结构叠加组合形成。
具体应用时，所述复合光栅结构的界面形貌可由多个不同周期的光栅结构的界面形貌叠加形成，或所述复合光栅结构的由不同周期的光栅结构构成，且复合光栅结构的界面形貌由该不同周期的光栅结构的界面形貌运算组合形成(如：由多个具有不同周期的方波型光栅结构构成，其界面形貌被视为二进制式(如为0或1)的空间编码，通过OR、AND和XOR等逻辑运算符操作将它们进行组合后形成的具有方波型形貌的复合光栅结构)。
而所述复合光栅结构的不同周期光栅结构则可包括一维周期光栅结构、二维周期光栅结构、三维周期光栅结构，所述复合光栅结构的界面形貌则可包括余弦型界面形貌、方波型界面形貌、三角型界面形貌、梯形界面形貌、锯齿形界面形貌。
此外，具体应用时，将上述的谐振结构应用于光学器件中，且使得光学器件的有源物质和光相互作用中所涉及的光子靠近或处于谐振结构的内部，则可形成能够进行光相互作用调控的光学器件，实际应用时，该光学器件可包括激光器、发光二极管、光电探测器、光伏器件、光电调制器和非线性光学器件等。而对于谐振结构来说，其可位于光电器件中光波导层的边界或与该光波导层相邻的材料介质层的边界，或所述谐振结构的多个具有不同周期的光栅结构分别位于光电器件的光波导层的不同边界或同一边界的不同位置，其中，光波导层由具有较高折射率的介质构成，而所涉及各个部分的介质材料可为半导体、金属、绝缘介质/透明介质、聚合物/有机化合物光电材料、和非线性光学材料等。
实际制作时，则可通过光刻方法将谐振结构光刻至光学器件的光波导层的边界或与该光波导层相邻的介质层的边界，优选通过全息干涉曝光光刻方法将谐振结构光刻至光学器件的光波导层的边界或与该光波导层相邻的介质层的边界，当然也可基于其它光刻方法(如紫外光刻、电子束曝光光刻、聚焦离子束刻蚀、激光直写光刻等)、并结合刻蚀等工艺来进行制备。
而在实际调控时，则先确定光学器件中光相互作用中所涉及的各个光子的频率；然后根据各个光子的频率，调节谐振结构的不同组谐振模式的谐振频率和谐振参数，促使该谐振频率和谐振参数与光相互作用中所涉及的各个光子的频率相匹配，即可来实现光相互作用的调控。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体的复合光栅结构和光谱对本发明的上述技术方案进行详细说明。
图1是由余弦型周期光栅组合而成的多重谐振复合光栅结构的横截面结构示意图。其中，(a)是周期(p1，p2)分别为500nm和600nm的余弦型光栅结构及其叠加后的复合光栅结构的表面形貌；(b)是在衬底或介质表面的余弦型复合光栅结构的横截面结构示意图；(c)类似(b)，但所示复合光栅结构表面的槽底局部为平面。
而不同周期余弦型光栅结构则可按照下式叠加形成复合光栅结构的表面形貌h(x)：
其中，pi和ai分别为各个光栅结构的周期和表面起伏的幅度，M为不同周期光栅的数目(即多重度)，h0为结构表面在衬底上的参考高度，x为沿着衬底平面内垂直于光栅线条方向上的位置坐标。设M＝2，p1＝500nm，p2＝600nm，ai和h0为某一特定值，按上式叠加形成如图1(a)所示的复合光栅结构表面形貌。
图1(b)示出在介质层100和介质层200的界面上的余弦型复合光栅结构010。这样的结构可以通过利用全息干涉曝光光刻方法，在光刻胶层上通过多次曝光和显影来进行制备，并通过结构表面形貌的转移技术将其转移到其它衬底表面。由于制备工艺原因，也可能会形成如图1(c)所示位于介质层100和介质层200的界面上的、在其结构中槽底局部为平面的余弦型复合光栅结构011。
图2由方波型周期光栅组合而成的多重谐振复合光栅结构的横截面结构示意图。图2(a)示出周期分别为p1＝500nm和p2＝600nm的方波型光栅结构的表面形貌。在此，我们视其表面形貌为二进制式的空间编码，即将方波型光栅的凸起平顶部分视为“1”，将凹槽平底部分视为“0”。图2(b，c，d)示出将图2(a)中两个方波型光栅结构进行二进制式的空间编码后分别按照OR、AND和XOR逻辑运算符将结构表面组合叠加后所形成的位于介质层100和介质层200的界面的复合光栅结构021(由OR操作形成)、022(由AND操作形成)和023(由XOR操作形成)。
由图1所示的余弦型多重谐振复合光栅结构一般基于光刻胶来用全息干涉曝光光刻方法、或基于其它光敏材料(即在光照射下发生材料的结构相变，从而使其化学性能或光学参数发生改变)用全息干涉曝光方法来进行制备。但将这种复合光栅结构转移到不包括光刻胶或其它光敏材料的衬底或结构表面时往往存在工艺上的困难，且不利于进行规模化制备。由图2所示的方波型多重谐振光栅结构可基于紫外光刻、等离子体刻蚀等现行的平面加工工艺来进行制备，适合于制备到不同衬底上和结构中，具有很好的灵活性。
当然，在实际应用时，对于具有不同结构类型的光栅结构，其组合方式需要根据其结构特点来设计。但一般地，都可(但不限于)按照下面这个公式描述的方式来组合：
其中，(x，y，z)是衬底上平面内的坐标，M是被组合光栅的数目，h0，i是各不同周期光栅在垂直于衬底平面上的基准参考高度，hi(x)、hi(x，y)和h(x，y，z)表示各不同周期的一维或二维或三维光栅结构的表面形貌。上式S1、S2、S3所述的组合方式，即可被视为是对各个不同周期光栅结构的线性叠加。
图3和图4示出根据本发明实施例的复合光栅结构在光电器件中的一类结构形态。如图3所示，所涉及光电器件中包含有具有较高折射率的光波导层300、介质层310和介质层320，其外侧还可有其它介质层或衬底。复合光栅结构030位于其中光波导层300的边界，即在光波导层300与介质层310的界面、或与介质层320的界面。如图4所示，所涉及光电器件中包含具有较高折射率的光波导层300、介质层310、介质层321和介质层322，其外侧还可有其它介质层或衬底。复合光栅结构030位于与高折射率光波导层300紧邻的介质层321和介质层322的界面。图3和图4中的复合光栅结构可为如图1中所述的余弦型复合光栅结构、如图2中所述的方波型复合光栅结构、或其它类似的复合光栅结构。
图5、6、7示出根据本发明实施例的复合光栅结构在光电器件中的另一类结构形态。所涉及光电器件中包含有具有较高折射率的光波导层400、介质层410和介质层420，其外侧还可有其它介质层或衬底。在图5中，光波导层400与介质层410和介质层420的界面分别存在由不同周期光栅结构组合而成的复合光栅结构041和复合光栅结构042。图6和图7中示出另一种复合光栅结构，即在光波导层400与介质层410和介质层420的界面分别存在一个单周期光栅结构051和单周期光栅结构052；单周期光栅结构051和单周期光栅结构052具有不同的结构周期参数。单周期光栅结构051和单周期光栅结构052可为如图1(a)中所示的余弦型光栅结构、如图2(a)中所示的方波型光栅结构、或其它类似的光栅结构。
图8、9、10示出根据本发明实施例利用全息干涉曝光光刻方法制备的一种双周期复合光栅结构一。在制备过程中，首先在硅衬底上旋涂了一定厚度(如约为120nm)的紫外光刻胶；然后，基于全息干涉曝光方法(所用光源为输出波长为325nm的He-Cd激光器)，通过调节两束平行干涉光束之间的夹角来调节曝光干涉条纹之间周期参数，在光刻胶上按周期分别为p1＝500nm和p2＝600nm的条件进行了两次曝光，再通过显影在光刻胶表面形成复合光栅结构；最后在表面具有复合光栅结构的光刻胶上面蒸镀一层厚度约为150nm的金属(Ag)薄膜，在金属薄膜表面仍然保留了近似如光刻胶表面复合光栅结构的表面形貌，即形成了金属薄膜表面的复合光栅结构。
根据图10可看出，位于波长约为λ1＝525nm和λ2＝623nm的反射谷分别对应于在金属表面复合光栅结构中周期分别为p1＝500nm和p2＝600nm的结构成分所引起的表面等离激元波谐振模式。通过调节所述复合光栅结构中的周期p1和p2的可单独分别调节它们所对应的等离激元波谐振模式的谐振波长位置λ1和λ2。
图11-15示出根据本发明实施例利用全息干涉曝光光刻方法制备的一种双周期复合光栅结构二。在制备过程中，首先在衬底上蒸镀一层厚度约为150nm的金属(Ag)薄膜和一层厚度约为160nm的具有较高折射率的介质(ZnS)薄膜；然后，在介质ZnS薄膜上旋涂了厚度约为120nm的紫外光刻胶，并基于全息干涉曝光方法在光刻胶表面制备了包含有周期分别为p1＝500nm和p2＝600nm成分的复合光栅结构。在该结构中存在一系列光波导模式，它们的场分布主要集中在具有较高折射率的ZnS介质层、及其与金属Ag的界面附近。
图11是所制备多重谐振复合光栅结构的横截面示意图。图12、图13、图14分别为所制备结构的横截面SEM图、结构表面的SEM图和AFM图。图15为所制备结构在TM偏振光垂直照射下测得的反射光谱、及利用有限时域差分(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)方法模拟的理论结果。根据图15可看出，位于波长约为λ1＝617nm和λ2＝679nm的反射谷分别对应于上述结构中的TM1光波导模式受到复合光栅结构中周期为p1＝500nm和p2＝600nm的结构成分的调制而分别形成的光波导谐振模式。通过调节所述复合光栅结构中的周期p1和p2，可单独分别调节它们所对应的光波导谐振模式的谐振波长位置λ1和λ2。
图16-18示出根据本发明实施例利用全息干涉曝光光刻方法制备的一种三周期复合光栅结构。与图8、9、10中所示实施例的不同之处在于，在利用全息干涉曝光过程中，进行了三次具有不同周期参数条件的曝光。图16、图17为实验上制备的复合光栅结构表面的SEM图和AFM图。图18为所制备结构在TM偏振光波垂直照射下测得的反射光谱。
当光电器件中采用图8-18中根据本发明实施例的复合光栅结构(或其它类似结构)，其中有源物质和光相互作用所涉及的光子处于复合光栅结构(或类似结构)的附近，且与其中的谐振模式存在一定的匹配关系时，便可对其光相互作用实现调控。
由此可见，借助于本发明的上述技术方案，实现了谐振腔结构具有多重谐振特性，即其不同组谐振模式的谐振频率可以分别独立调节，从而可使其与光电器件中多个不同频率的窄带内的光子及其所涉及的光相互作用过程进行匹配来进行调控，进而实现光电器件中光相互作用的调控，克服了传统光学谐振腔只能在单个很窄的窄带内的光子及其所涉及的光相互作用过程进行调控，增加了光相互作用的调控范围，大大的提高了光学器件的适配性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种谐振结构，其特征在于，所述谐振结构具有至少两组谐振模式，该谐振模式具有独立调节的谐振频率和谐振参数，不同组谐振模式位于同一微腔结构中，且不同组谐振模式的谐振光场在空间分布上相互重叠；所述谐振结构为具有多重谐振特性的复合光栅结构；所述复合光栅结构由多个具有不同周期的光栅结构叠加组合形成；所述复合光栅结构由多个具有不同周期的光栅结构叠加组合形成包括：所述复合光栅结构的界面形貌由多个不同周期的光栅结构的界面形貌叠加形成，或所述复合光栅结构的由不同周期的光栅结构构成，且复合光栅结构的界面形貌由该不同周期的光栅结构的界面形貌运算组合形成。
2.根据权利要求1所述的谐振结构，其特征在于，所述复合光栅结构的不同周期光栅结构包括一维周期光栅结构、二维周期光栅结构、三维周期光栅结构，所述复合光栅结构的界面形貌包括余弦型界面形貌、方波型界面形貌、三角型界面形貌、梯形界面形貌、锯齿形界面形貌。
3.一种光电器件，其特征在于，所述光电器件具有权利要求1-2中任意一项所述的谐振结构，且光学器件的有源物质和光相互作用中所涉及的光子靠近或处于谐振结构的内部。
4.根据权利要求3所述的光电器件，其特征在于，所述谐振结构位于光电器件中光波导层的边界或与该光波导层相邻的材料介质层的边界。
5.根据权利要求4所述的光电器件，其特征在于，所述谐振结构的多个具有不同周期的光栅结构分别位于光电器件的光波导层的不同边界或同一边界的不同位置。
6.一种光学器件的制作方法，其特征在于，用于权利要求3-5中任意一项所述的光学器件的制作，包括：通过光刻方法将谐振结构光刻至光学器件的光波导层的边界或与该光波导层相邻的介质层的边界，其中，所述光刻方法包括：基于全息干涉曝光光刻方法、紫外光刻方法、电子束曝光光刻方法、聚焦离子束刻蚀方法、激光直写光刻方法。
7.一种光学器件的光相互作用调控方法，其特征在于，光学器件为权利要求3-5中任意一项所述的光学器件，且调控方法包括：
确定光学器件中光相互作用中所涉及的各个光子的频率；
根据各个光子的频率，调节谐振结构的不同组谐振模式的谐振频率和谐振参数，促使该谐振频率和谐振参数与光相互作用中所涉及的各个光子的频率相匹配，来完成光相互作用调控。
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