CN116825068A - 一种腔光力学系统及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种腔光力学系统及其制备方法，包括：第一端镜和第二端镜；所述第一端镜包括：外框架、质量块及悬浮梁；所述外框架为带有缺陷的二维声子晶体结构；所述质量块位于外框架缺陷的中间，其为二维光子晶体膜或表面镀有二维光子晶体膜；所述悬浮梁用于将质量块与外框架连接；所述第二端镜的预设区域为二维光子晶体膜或镀有二维光子晶体膜；所述第一端镜和第二端镜的二维光子晶体膜正对放置。本发明将声子晶体和光子晶体同时应用于MEMS器件制造，能够减少器件的工艺步骤，并使腔光力学系统具有极高的品质因子，在应用中将具有更高的检测灵敏度及更为明显的光力耦合效果。
Description
技术领域
本发明属于微纳器件领域，更具体地，涉及一种腔光力学系统及其制备方法。
背景技术
腔光力学耦合系统是光学微腔和微型机械谐振器相互交汇而形成的一个新的领域。在典型的腔光力学系统中，利用辐射压力实现光学模式和机械模式的耦合作用，这种耦合可以产生许多显著效果，如：超灵敏检测、光力诱导透明、纳米机械振子的量子基态冷却和量子信息科学等。高品质因子腔光力学器件是实现强光力学耦合的必备条件，辐射压力在光场强度小、谐振器束缚能力较弱的情况下很难表现出明显特性，随着光力学器件品质因子增大，光子能够更有效、长久地限制在腔内，通过能量积累，辐射压力对机械振子作用力将不可忽略，微腔物理性质(频率、耗散等)将受该耦合机制影响。然而，对于微纳制造的微米甚至纳米尺寸的器件，表面往往因刻蚀条件导致凹凸不平，难以制备高品质因子微腔。此外，微型机械谐振器受限于材料、锚点等耗散影响，难以隔绝与外界环境的耦合，难以制备高品质因子微机械谐振器。
中国专利文献CN110260851A公开了一种基于双亚波长光栅腔检测的光力学微机械陀螺，利用亚波长光栅构建高品质因子光学微腔，通过双亚波长光栅腔谐振频率的差分检测实现角速度解算，腔光力学精密测量相比于现有光学检测方法，检测精度和检测灵敏度更高。该发明利用腔光力学耦合机制获得了更高的传感灵敏度，但基于光栅腔和传统MEMS工艺制备的机械谐振器并没有很高的品质因子，没有充分发挥腔光力学在精密测量的优势。
因此，需要探索一种能够提高微型腔光力学器件品质因子的方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种腔光力学系统及其制备方法，旨在解决现有腔光力学系统的品质因子不高的问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种腔光力学系统，包括：第一端镜和第二端镜；
所述第一端镜包括：外框架、质量块及悬浮梁；所述外框架为带有缺陷的二维声子晶体结构；所述质量块位于外框架缺陷的中间，其为二维光子晶体膜或表面镀有二维光子晶体膜；所述悬浮梁用于将质量块与外框架连接；
所述第二端镜的预设区域为二维光子晶体膜或镀有二维光子晶体膜；
所述第一端镜和第二端镜的二维光子晶体膜正对放置。
其中，当机械波在声子晶体结构所在的外框架上传播时，所述声子晶体结构内的缺陷会抑制驻波传播，保证第一端镜的机械品质因子；在两个二维光子晶体膜正对后，若激光入射到二维光子晶体膜上，则一部分激光被直接反射，另一部分激光被限定在二维光子晶体膜内部，从二维光子晶体膜内部泄露的激光与直接反射的激光形成法诺线性干涉光场，使得二维光子晶体膜的反射率达到预设值，保证第一端镜和第二端镜所组成光学微腔(即F-P腔)的光学品质因子，使其能够作为腔光力学系统使用。
可以理解的是，普通的F-P腔，其机械品质因子和光学品质因子有限。当其机械品质因子和光学品质因子的乘积超出一定值后，F-P腔能够作为腔光力学系统，可应用到量子光学等领域。
需要说明的是，本发明的腔光力学系统中，第二端镜除了包括光子晶体膜外，还可以跟第一端镜一样包括声子晶体外框架和悬浮梁，将光子晶体膜做为质量块或质量块的表面。则第二端镜可以是固定的也可以是可动的。进一步地，若将第一端镜当做可动端镜，第二端镜当做固定或可动端镜，也就是说，本发明所提供的腔光力学系统可以包括：可动端镜+可动端镜或可动端镜+固定端镜两种方案，以能够结合光子晶体结构和声子晶体结构两者的要点为准。
在一个可选的示例中，所述二维声子晶体结构包括周期性排列的单元胞，所述单元胞的周期性分布参数决定其缺陷抑制驻波传播的频段，称为声子禁带。
在一个可选的示例中，所述质量块的大小和悬浮梁的长度决定第一端镜的本征频率；所述本征频率应处于二维声子晶体结构的声子禁带内。
在一个可选的示例中，所述二维光子晶体膜包括周期性分布的空穴腔。
在一个可选的示例中，所述空穴腔的直径为同一种或多种尺寸。
在一个可选的示例中，所述空穴腔的直径决定二维光子晶体膜的工作波段；所述工作波段指的是二维光子晶体膜反射光的波段。
第二方面，本发明提供了一种上述第一方面给出腔光力学系统的制备方法，包括以下步骤：
在第一衬底上沉积第一层薄膜；
在第一层薄膜的预设区域刻蚀出第一光子晶体结构，之后将第一衬底作为第一端镜；
在第二衬底上沉积第二层薄膜；
在第二层薄膜上刻蚀出带有缺陷的声子晶体结构和悬浮梁连接的第二光子晶体结构，之后将第二衬底作为第二端镜；其中，悬浮梁和第二光子晶体结构位于声子晶体结构的缺陷内，且所述缺陷的位置与第一层薄膜的预设区域对应；
将所述第一端镜和第二端镜平行安装，得到腔光力学系统。
在一个可选的示例中，所述薄膜为SiNx薄膜或SiO2薄膜。
第三方面，本发明提供了一种上述第一方面给出腔光力学系统的制备方法，包括以下步骤：
在第一SOI硅片器件层预设区域刻蚀出第一光子晶体结构，之后将第一SOI硅片作为第一端镜；
在第二SOI硅片器件层刻蚀出带有缺陷的声子晶体结构和悬浮梁连接的第二光子晶体结构，之后将第二SOI硅片作为第二端镜；其中，悬浮梁和第二光子晶体结构位于声子晶体结构的缺陷内，且所述缺陷的位置与第一SOI硅片器件层的预设区域对应；
将所述第一端镜和第二端镜平行安装，得到腔光力学系统。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供一种腔光力学系统及其制备方法，利用声子晶体结构设计的弹簧振子谐振器，能够有效隔离外界与谐振器的热耦合，具有极好的机械品质因子。通过在F-P腔端镜反射层做光子晶体的微纳设计，使得光在反射层中传播时受到有效阻塞，形成高反射率、低损耗、低吸收的反射面，有效提升系统的光学品质因子。本发明将声子晶体和光子晶体同时应用于MEMS器件制造，能够减少器件的工艺步骤，并使腔光力学系统具有极高的品质因子，在应用中将具有更高的检测灵敏度及更为明显的光力耦合效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的使用SiNx薄膜制备的光子晶体反射镜三维图；
图2是本发明实施例提供的使用SiNx薄膜制备的声子晶体和光子晶体弹簧振子谐振器三维图；
图3是本发明实施例提供的使用SiNx薄膜制备F-P腔光力学耦合系统三维图；
图4是本发明实施例提供的使用SiNx薄膜制备F-P腔光力学耦合系统截面图；
图5是本发明实施例提供的使用SOI硅片器件层制备的光子晶体反射镜三维图；
图6是本发明实施例提供的使用SOI硅片器件层制备的声子晶体和光子晶体弹簧振子谐振器三维图；
图7是本发明实施例提供的使用SOI硅片器件层制备F-P腔光力学耦合系统三维图；
图8是本发明实施例提供的使用SOI硅片器件层制备F-P腔光力学耦合系统截面图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为硅衬底，2为声子晶体结构，3为声子晶体单元胞，4为SiNx光子晶体反射膜，5为SiNx声子晶体板，6为声子晶体结构，7为弹簧振子结构的质量块，8为光子晶体结构，9为弹簧振子结构的悬浮梁，10为F-P腔，11为SOI硅片的氧化层，12为SOI硅片的器件层。
具体实施方式
为方便理解，下面先对本申请实施例所涉及的英文简写和有关技术术语进行解释和描述。
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
本发明提供了一种腔光力学系统。将光子晶体和声子晶体同时应用于F-P腔的端镜，分别提高腔光力学系统的光学品质因子和机械品质因子。
需要说明的是，能量禁带最初源自半导体领域，半导体的源自势场呈周期性排列，电子在半导体中传播时，电子与原子周期势场相互作用使得半导体具有电子禁带，能够操控电子的流动，以硅晶体为代表的半导体带来了一次科学技术革命。随后人们开始触及对结构功能材料光学特性的研究理论和实验证明，如果结构功能材料中的介电常数在光波长尺度上周期性变化，光子与周期结构相互作用，会使得该材料具有类似半导体中电子禁带的能带结构，称之为光子带隙，具有光子带隙的周期性介质结构功能材料称为光子晶体。随后人们发现当弹性波在周期性弹性复合介质中传播时，也会产生类似的弹性波禁带，于是提出了声子晶体概念。
其中，声子晶体同光子晶体有着相似的基本特征，当弹性波频率落在禁带范围内时，弹性波被禁止传播。当存在点缺陷或线缺陷时，弹性波会被局域在点缺陷处，或只能沿线缺陷传播。同样，通过对声子晶体周期结构及其缺陷的设计，可以人为地调控弹性波的流动。
具体地，本发明提供的高品质因子腔光力学F-P腔，包括：一个固定端镜和一个可动端镜。
在一个实施例中，所述固定端镜，在硅片表面沉积SiNx薄膜，通过MEMS工艺在薄膜上刻蚀出周期性光子晶体结构，制备出具有高反射率的光子晶体薄膜。
所述可动端镜，是一个弹簧振子谐振器，包括，二维声子晶体板，悬浮梁、质量块和光子晶体板。在二维声子晶体板中制造一个大缺陷，利用悬浮梁，将质量块悬浮其中，使质量块能够面外运动，并在质量块表面制备一层二维光子晶体板。由于质量块位于声子晶体板的缺陷中，声子晶体结构作为外围框架，声子禁带效应将质量块与外界热环境隔开，极大降低振子能量向外界的耗散，有效提高弹簧振子谐振器的品质因子。而质量块表面的光子晶体板则具有极高反射率。因此，同时将声子晶体和光子晶体应用于谐振器，可以制备出具备高机械和光学品质因子的F-P腔，高品质因子F-P腔是实现强光力学耦合的必备条件，这种耦合可以产生许多显著效果，如：超灵敏检测、光力诱导透明、纳米机械振子的量子基态冷却和量子信息科学等。
在另一个实施例中，使用SOI硅片(器件层-氧化层-衬底层)在器件层一体化加工光子晶体和声子晶体的微弹簧振子，同时固定端镜的光子晶体也在器件层加工。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的高品质因子腔光力学F-P腔，现结合附图以及具体实例详述如下：
在一个实施例中，本发明实施例提供的使用SiNx薄膜制备的光子晶体反射镜三维图如图1所示，在硅衬底1上沉积一层SiNx薄膜2用于制备器件。使用MEMS工艺在SiNx薄膜上刻蚀出光子晶体单元胞3，由光子晶体孔4阵列形成光子晶体板，孔的直径d决定了可反射的波长，厚度h与反射效果有关，对于近红外波段，如1550nm光，孔的直径设置值约为500μm，厚度大于为200nm。
本发明实施例提供的使用SiNx薄膜制备的声子晶体和光子晶体弹簧振子谐振器三维图如图2所示，在硅衬底1上沉积一层SiNx薄膜用于制备声子晶体板5，使用MEMS工艺在SiNx薄膜上刻蚀出声子晶体结构6。声子晶体板中间有一大部分缺陷区域，在其中加工弹簧振子结构，质量块7上面刻蚀出一系列光子晶体，形成光子晶体反射膜8，被悬浮梁9悬浮于缺陷中心，能够使质量块维持面外方式运动。
本发明实施例提供的使用SiNx薄膜制备F-P腔光力学耦合系统三维图如图3所示。将固定端镜和弹簧振子结构可动端镜平行安装，形成F-P腔，结构由下到上依次为硅衬底1、SiNx光子晶体反射膜2、硅衬底1、SiNx声子晶体板5。声子晶体板中有弹簧振子结构，其中光子晶体反射膜2和8组成平行放置的F-P腔10，截面图如图4所示。
在另一个实施例中，本发明实施例使用SOI器件层(Si材料)作为制备光子晶体反射膜和声子晶体弹簧振子谐振器的材料，具体制备过程和结构附图参见图5至图8，该方式比SiNx薄膜工艺更为简单，器件厚度更大，可以增大质量块质量，降低机械热噪声。
需要说明的是，参见附图4和附图8，对于在薄膜上制备光子晶体结构和声子晶体结构的方案，两个端镜平行安装的时候，各层的排列方式从下至上依次为：衬底、薄膜、衬底及薄膜；本领域技术人员也可根据实际需要，将安装顺序调整为：衬底、薄膜、薄膜及衬底，或者根据实际需要将衬底刻蚀掉。
对于在SOI器件层上制备光子晶体结构和声子晶体结构的方案，两个端镜平行安装的时候，各层的排列方式从下至上依次为：衬底、氧化层、器件层、器件层、氧化层及衬底；本领域技术人员也可根据实际需要，将衬底和/或氧化层刻蚀掉。
应当理解的是，可以在本申请中使用的诸如“包括”以及“可以包括”之类的表述表示所公开的功能、操作或构成要素的存在性，并且并不限制一个或多个附加功能、操作和构成要素。在本申请中，诸如“包括”和/或“具有”之类的术语可解释为表示特定特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合，但是不可解释为将一个或多个其它特性、数目、操作、构成要素、组件或它们的组合的存在性或添加可能性排除在外。
此外，在本申请中，表述“和/或”包括关联列出的词语中的任意和所有组合。例如，表述“A和/或B”可以包括A，可以包括B，或者可以包括A和B这二者。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种腔光力学系统，其特征在于，包括：第一端镜和第二端镜；
所述第一端镜包括：外框架、质量块及悬浮梁；所述外框架为带有缺陷的二维声子晶体结构；所述质量块位于外框架缺陷的中间，其为二维光子晶体膜或表面镀有二维光子晶体膜；所述悬浮梁用于将质量块与外框架连接；
所述第二端镜的预设区域为二维光子晶体膜或镀有二维光子晶体膜；
所述第一端镜和第二端镜的二维光子晶体膜正对放置。
2.根据权利要求1所述的腔光力学系统，其特征在于，所述二维声子晶体结构包括周期性排列的单元胞，所述单元胞的周期性分布参数决定其缺陷抑制驻波传播的频段，称为声子禁带。
3.根据权利要求2所述的腔光力学系统，其特征在于，所述质量块的大小和悬浮梁的长度决定第一端镜的本征频率；所述本征频率应处于二维声子晶体结构的声子禁带内。
4.根据权利要求1所述的腔光力学系统，其特征在于，所述二维光子晶体膜包括周期性分布的空穴腔。
5.根据权利要求4所述的腔光力学系统，其特征在于，所述空穴腔的直径为同一种或多种尺寸。
6.根据权利要求4或5所述的腔光力学系统，其特征在于，所述空穴腔的直径决定二维光子晶体膜的工作波段；所述工作波段指的是二维光子晶体膜反射光的波段。
7.一种权利要求1至6任一项所述腔光力学系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在第一衬底上沉积第一层薄膜；
在第一层薄膜的预设区域刻蚀出第一光子晶体结构，之后将第一衬底作为第一端镜；
在第二衬底上沉积第二层薄膜；
在第二层薄膜上刻蚀出带有缺陷的声子晶体结构和悬浮梁连接的第二光子晶体结构，之后将第二衬底作为第二端镜；其中，悬浮梁和第二光子晶体结构位于声子晶体结构的缺陷内，且所述缺陷的位置与第一层薄膜的预设区域对应；
将所述第一端镜和第二端镜平行安装，得到腔光力学系统。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述薄膜为SiNx薄膜或SiO2薄膜。
9.一种权利要求1至6任一项所述腔光力学系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在第一SOI硅片器件层预设区域刻蚀出第一光子晶体结构，之后将第一SOI硅片作为第一端镜；
在第二SOI硅片器件层刻蚀出带有缺陷的声子晶体结构和悬浮梁连接的第二光子晶体结构，之后将第二SOI硅片作为第二端镜；其中，悬浮梁和第二光子晶体结构位于声子晶体结构的缺陷内，且所述缺陷的位置与第一SOI硅片器件层的预设区域对应；
将所述第一端镜和第二端镜平行安装，得到腔光力学系统。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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