一種基于納米梁結構的光機晶體微腔制造技術

本發明專利技術提供了一種基于納米梁結構的光機晶體微腔，包括：硅襯底，用于承載整個光機晶體微腔；二氧化硅隔離層，用于隔離硅襯底和硅平板；硅平板，位于二氧化硅隔離層之上，硅平板包括依次設置的輸入波導區、光機晶體微腔區、輸出波導區；輸入波導區用于接收光信號并將光信號傳輸至光機晶體微腔區；光機晶體微腔區，包括硅波導和空氣孔陣列，用于局域光子和聲子缺陷模式，實現光子和聲子的耦合；輸出波導區用于輸出光信號；頂層二氧化硅層，位于硅平板之上，其與二氧化硅隔離層配合以保護硅平板；空氣隔離區，位于光機晶體微腔區的上方和下方，且位于二氧化硅隔離層和頂層二氧化硅層之間。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術提供了一種基于納米梁結構的光機晶體微腔，包括：硅襯底，用于承載整個光機晶體微腔；二氧化硅隔離層，用于隔離硅襯底和硅平板；硅平板，位于二氧化硅隔離層之上，硅平板包括依次設置的輸入波導區、光機晶體微腔區、輸出波導區；輸入波導區用于接收光信號并將光信號傳輸至光機晶體微腔區；光機晶體微腔區，包括硅波導和空氣孔陣列，用于局域光子和聲子缺陷模式，實現光子和聲子的耦合；輸出波導區用于輸出光信號；頂層二氧化硅層，位于硅平板之上，其與二氧化硅隔離層配合以保護硅平板；空氣隔離區，位于光機晶體微腔區的上方和下方，且位于二氧化硅隔離層和頂層二氧化硅層之間。【專利說明】一種基于納米梁結構的光機晶體微腔
本專利技術涉及硅基微納光子器件
，尤其是一種基于納米梁結構的光機晶體微腔。
技術介紹
在新世紀介觀物理和量子領域面臨重大突破的背景下，基于光機晶體微腔的腔光機力學(Cavity Optomechanics)成為近幾年迅速引起關注的一個新興研究方向。腔光機力學研究光子-機械振動的相互作用，而聲子是物質晶格機械振動的量子化描述，因此腔光機力學使得人們對量子態的操控對象拓展到準粒子一聲子。相比對基本粒子的量子操作，對準粒子聲子的操作代表了當前最高水準的量子態操控。可以預見，利用腔光機力學實現片上系統的量子基態，將引發量子控制、精密測量、量子信息領域研究的革命性飛躍。盡管腔光機力學的研究展示出了極其美好的研究前景，但相關的研究進展尚有諸多的物理難點和技術難點有待探究。例如:理論上如何設計具有高本征機械振動頻率、可增強光波模式和機械模式耦合強度的光機晶體微腔，同時如何深入探討相關的量子理論；實驗上如何制備出同時具有高Q值的光子微腔和聲子微腔；測試上如何在室溫條件下降低環境振動干擾，測試出光機微腔中光波模式與機械振動/聲子模式的本征頻率并最終實現量子基態等等。而所有腔光機力學相關的研究工作都離不開高品質的光機微腔。
技術實現思路
(一)要解決的技術問題本專利技術是為了解決如何利用相同的結構同時形成光子和聲子帶隙，并局域光子和聲子缺陷模式，形成光機晶體微腔。通過對光子和聲子的局域，最終實現光子和聲子的高效耦合。(二)技術方案為解決上述技術問題，本專利技術提供一種基于納米梁結構的光機晶體微腔，包括:硅襯底、二氧化硅隔離層、硅平板、頂層二氧化硅層和空氣隔離區；所述娃襯底，用于承載整個光機晶體微腔；所述二氧化硅隔離層，用于隔離所述硅襯底和硅平板；所述硅平板，位于所述二氧化硅隔離層之上，所述硅平板包括依次設置的輸入波導區、光機晶體微腔區、輸出波導區；所述輸入波導區用于接收光信號并將光信號傳輸至所述光機晶體微腔區；所述光機晶體微腔區，包括硅波導和空氣孔陣列，其用于局域光子和聲子缺陷模式，實現光子和聲子的I禹合；所述輸出波導區用于輸出光信號；所述頂層二氧化硅層，位于所述硅平板之上，其與所述二氧化硅隔離層配合以保護所述硅平板；所述空氣隔離區，位于所述光機晶體微腔區的上方和下方，且位于所述二氧化硅隔離層和頂層二氧化硅層之間。可選的，所述光機晶體微腔區包括依次設置的第一反射區、缺陷區和第二反射區，所述缺陷區的空氣孔半徑從缺陷區邊緣到缺陷區中心依次遞增。可選的，所述第一反射區、第二反射區以缺陷區中心為軸左右對稱。可選的，所述缺陷區中心的空氣孔半徑rι= η T0 (1〈η〈2)，其中r0為第一反射區或第二反射區的空氣孔半徑，η為空氣孔半徑變化的比例系數。優選的，所述Π為1.3。可選的，所述缺陷區中相鄰兩個空氣孔半徑之差為Artl (0〈八1"(|〈1"(|)，其中1"(|為第一反射區或第二反射區的空氣孔半徑。優選的，所述Artl為0.075 Λ r(ι。可選的，所述娃平板的波導寬度為300nm-800nm,厚度為200nm_500nm。可選的，所述二氧化硅層的厚度為600nm~3μπι。可選的，采用電子束曝光和干法刻蝕工藝在所述硅平板上形成輸入波導區、光機晶體微腔區、輸出波導區。(三)有益效果 區別于
技術介紹
，本專利技術提供一種基于納米梁結構的光機晶體微腔，可利用相同的結構同時形成光子帶隙和聲子帶隙，并局域光子缺陷模式和聲子缺陷模式，形成光機晶體微腔。通過對光子和聲子缺陷模式的局域，最終實現光子和聲子的高效耦合。【專利附圖】【附圖說明】圖1是本專利技術實施例提供的基于納米梁結構的光機晶體微腔示意圖；圖2是本專利技術實施例所提供的基于納米梁結構的光機晶體微腔的三維結構單元；圖3是本專利技術實施例所提供的基于納米梁結構的光機晶體微腔的俯視圖；圖4是本專利技術實施例所提供的基于納米梁結構的光機晶體微腔的光子能帶圖；圖5是本專利技術實施例所提供的基于納米梁結構的光機晶體微腔的聲子能帶圖；圖6是本專利技術實施例所提供的不同結構參數的基于納米梁結構的光機晶體微腔的光學傳輸譜；圖7是本專利技術實施例所提供的基于納米梁結構的光機晶體微腔的機械模式(聲子模式)示意圖；圖8是本專利技術實施例所提供的不同結構參數的基于納米梁結構的光機晶體微腔的光機耦合系數。標號說明:1:硅襯底，2:二氧化硅隔離層，3:硅平板，4:頂層二氧化硅層，5:輸入波導區，6:光機晶體微腔區，7:輸出波導區，8:空氣隔離區，60:第一反射區，61:缺陷區，62:第二反射區，63:光機晶體微腔的空氣孔。【具體實施方式】為使本專利技術的目的、內容、和優點更加清楚，下面結合附圖和實施例，對本專利技術的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本專利技術，但不用來限制本專利技術的范圍。光子晶體具有“光子帶隙”效應，而聲子晶體具有“聲子帶隙”效應，通過人為的設計周期結構，可以分別形成光子晶體和聲子晶體。由于光和聲在介質中的傳播速度不同，因此通過優化設計合理的周期結構，可以在一個結構中同時實現光子晶體和聲子晶體，即光機晶體。當光機晶體中引入缺陷時，就會出現相應的光子缺陷模式和聲子缺陷模式。在光學力的作用下，限制在光機晶體微腔內的光子和聲子實現耦合。本專利技術提供了一種基于納米梁結構的光機晶體微腔，結合光機晶體的帶隙效應和硅基材料的機械特性，僅通過改變納米梁上周期空氣孔的半徑，可以設計出高質量的光機微腔，實現光子與聲子的高效局域和奉禹合。實施例一請參閱圖1至圖3，圖1為本專利技術實施例提供了一種基于納米梁結構的光機晶體微腔的結構示意圖，所述光機晶體微腔包括:硅襯底1、二氧化硅隔離層2、硅平板3、頂層二氧化娃層4和空氣隔離區8。所述娃襯底I，用于承載整個光機晶體微腔。所述二氧化硅隔離層2，用于隔離所述硅襯底I和硅平板3。所述硅平板3，位于所述二氧化硅隔離層2之上，所述硅平板3包括依次設置的輸入波導區5、光機晶體微腔區6、輸出波導區7。所述輸入波導區5用于接收光信號并將光信號傳輸至所述光機晶體微腔區。所述光機晶體微腔區，包括硅波導(納米梁)和空氣孔63陣列，用于局域光子和聲子缺陷模式，實現光子和聲子的I禹合。所述輸出波導區7用于輸出光信號。所述頂層二氧化硅層4，位于所述硅平板3之上，其與所述二氧化硅隔離層2配合以保護所述硅平板3。所述空氣隔離區8，位于所述光機晶體微腔區6的上方和下方，且位于所述二氧化硅隔離層2和頂層二氧化硅層4之間。本專利技術實施例的結構設置原理如下:請參閱圖2，圖2為納米梁結構的光機晶體的三維結構單元，該單元的厚度為22本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于納米梁結構的光機晶體微腔，其特征在于，包括：硅襯底、二氧化硅隔離層、硅平板、頂層二氧化硅層和空氣隔離區；所述硅襯底，用于承載整個光機晶體微腔結構；所述二氧化硅隔離層，用于隔離所述硅襯底和硅平板；所述硅平板，位于所述二氧化硅隔離層之上，所述硅平板包括依次設置的輸入波導區、光機晶體微腔區、輸出波導區；所述輸入波導區用于接收光信號并將光信號傳輸至所述光機晶體微腔區；所述光機晶體微腔區，包括硅波導和空氣孔陣列，其用于局域光子和聲子缺陷模式，實現光子和聲子的耦合；所述輸出波導區用于輸出光信號；所述頂層二氧化硅層，位于所述硅平板之上，其與所述二氧化硅隔離層配合以保護所述硅平板；所述空氣隔離區，位于所述光機晶體微腔區的上方和下方，且位于所述二氧化硅隔離層和頂層二氧化硅層之間。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：崔開宇，李永卓，黃翊東，馮雪，劉仿，張巍，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11