專利名稱：一種基于低折射率芯波導的一維光子晶體光學微腔的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學諧振器件，特別是涉及一種基于低折射率芯波導的一維光子晶體光學微腔。
背景技術：
高品質因子Q值光學微腔在低閾值激光器、非線性光學、腔量子電動力學、光通信以及集成光學等領域有著非常廣泛而重要的應用。減小光學微腔的模式體積，有利于降低激光器閾值和器件的功耗，以及實現(xiàn)超強的光和物質相互作用和顯著的非線性光學效應。又如嵌入在光學微腔中的量子點自發(fā)輻射速率也與光學微腔的Q/V值成正相關，因而實現(xiàn)超小的模式體積V與獲得高Q具有同樣重要的意義。目前，微球、微碟或微盤、以及微環(huán)等基于耳語廊模的諧振腔可以實現(xiàn)大于IO7的Q值，但一般來說其器件尺寸和模式體積太大。80年代末出現(xiàn)的光子晶體理論為實現(xiàn)結構緊湊的高Q值光學微腔提供了一種非常有潛力的方案。日本京都大學研究人員Noda等人采用半導體加工工藝，實現(xiàn)了硅平板光子晶體高達IO6的Q值，但二維光子晶體器件的尺寸相對來說仍然較大。而采用周期波導一維光子晶體結構，美國哈佛大學Loncar等人在實驗上已經(jīng)實現(xiàn)了超過IO5數(shù)量級的Q值，而且由于其器件尺寸和模式體積相對于二維光子晶體微腔進一步減小，因此受到研究人員的青睞。盡管可以通過增加一維光子晶體的周期數(shù)或增加漸變晶格常數(shù)區(qū)的長度來提高Q值，但由于衍射極限的限制，基于周期波導的一維光子晶體微腔的模式體積一般不小于(λ/2η)3量級，其中λ為微腔諧振波長。實現(xiàn)超高的Q和極小的V —直是研究人員所追求的目標，因此進一步減小微腔的模式體積而保持其高Q值具有非常重要的意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于低折射率芯波導的一維光子晶體光學微腔。米用在高折射率對比的低折射率芯波導上制作的一維光子晶體結構，利用低折射率芯界面處高折射率對比條件下電位移矢量的連續(xù)性引起的光強急劇增加的特性來獲得極小的模式體積。一維光子晶體微腔采用位于微腔中央的漸變晶格常數(shù)區(qū)和位于該漸變晶格常數(shù)區(qū)兩側的周期晶格常數(shù)區(qū)。應用漸變區(qū)的目的是有效的實現(xiàn)模式的漸變匹配以減小輻射損耗，獲得極高的Q值。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是
本發(fā)明將一維光子晶體微腔制作在高折射率對比的低折射率芯波導上，包括位于微腔中央的晶格常數(shù)從中間向兩側對稱線性增大的漸變晶格常數(shù)區(qū)和位于漸變晶格常數(shù)區(qū)兩側的周期晶格常數(shù)區(qū)。所述低折射率芯波導為支持TE模具有低折射率垂直狹縫芯的垂直狹縫低折射率芯波導。所述低折射率芯波導為支持TM模具有低折射率水平狹縫芯的水平狹縫低折射率芯波導。所述低折射率芯波導為同時支持TE模和TM模具有低折射率中空芯的中空芯低折射率芯波導。所述漸變晶格常數(shù)區(qū)和周期晶格常數(shù)區(qū)中的一維光子晶體的周期單元為圓形孔。所述漸變晶格常數(shù)區(qū)和周期晶格常數(shù)區(qū)中的一維光子晶體的周期單元為矩形孔。本發(fā)明具有的有益效果是
1.高折射率對比的低折射率芯波導的運用實現(xiàn)了低于傳統(tǒng)衍射極限的極小模式體積V Γ10-2(；1/2 )3)，同時保持了極高
的品質因子Q (>105)，獲得了極高的Q/V值(> IO7(H)-3);
2.器件設計結構簡單，尺寸極其緊湊；
3.器件制作工藝具有CMOS工藝兼容性，使得器件易于集成和擴展，方便低成本制造。本發(fā)明在微腔中的狹縫或空芯亦可植入其他低折射率的材料，在納米激光器、生化傳感、光微流體、微光機械等領域有廣泛的應用。


圖I是基于垂直狹縫低折射率芯波導的一維光子晶體微腔結構示意圖。圖2是基于水平狹縫低折射率芯波導的一維光子晶體微腔結構示意圖。圖3是基于中空芯低折射率芯波導的一維光子晶體微腔結構示意圖。圖4是圖I所示結構的一種矩形孔實施例圖。圖5是圖2所示結構的一種矩形孔實施例圖。圖6是圖3所示結構的一種矩形孔實施例圖。圖7是垂直狹縫低折射率芯波導的剖面圖。圖8是水平狹縫低折射率芯波導的剖面圖。圖9是中空芯低折射率芯波導的剖面圖。圖中1、垂直狹縫低折射率芯波導，2、漸變晶格常數(shù)區(qū)，3、周期晶格常數(shù)區(qū)，4、垂直狹縫芯，5、水平狹縫芯、6、中空芯，7、圓形孔，8、矩形孔，9、水平狹縫低折射率芯波導，10、中空芯低折射率芯波導。
具體實施例方式以下結合附圖和實施對本發(fā)明作進一步說明。如圖I 圖9所示，本發(fā)明將一維光子晶體微腔制作在高折射率對比的低折射率芯波導上，包括位于微腔中央的晶格常數(shù)從中間向兩側對稱線性增大的漸變晶格常數(shù)區(qū)2和位于漸變晶格常數(shù)區(qū)兩側的周期晶格常數(shù)區(qū)3。如圖I、圖4所示，所述低折射率芯波導為支持TE模具有低折射率垂直狹縫芯4的垂直狹縫低折射率芯波導I。如圖2、圖5所示，所述低折射率芯波導為支持TM模具有低折射率水平狹縫芯5的水平狹縫低折射率芯波導9。如圖3、圖6所示，所述低折射率芯波導為同時支持TE模和TM模具有低折射率中空芯6的中空芯低折射率芯波導10。如圖I、圖2、圖3所示，所述漸變晶格常數(shù)區(qū)2和周期晶格常數(shù)區(qū)3中的一維光子晶體的周期單元為圓形孔7。如圖4、圖5、圖6所示，所述漸變晶格常數(shù)區(qū)2和周期晶格常數(shù)區(qū)3中的一維光子晶體的周期單元為矩形孔8。如圖I 圖9所示，本發(fā)明涉及的光學微腔包括高折射率對比的低折射率芯波導、由漸變晶格常數(shù)區(qū)2和周期晶格常數(shù)區(qū)3組成的一維光子晶體周期結構。高折射率對比指的是波導材料的折射率與波導芯區(qū)以及包層的折射率之間對比要大，如使用硅一空氣、砷化鎵一空氣以及硅一二氧化硅等折射率對比的材料體系。其中低折射率芯波導有三種實施方式，即可以是低折射率的垂直狹縫芯4、低折射率的水平狹縫芯5以及低折射率的中空芯6波導，它們分別對應支持TE模、TM模和可以同時支持TE/TM模的極小模式體積微腔。一維光子晶體的周期單元可以是圓形孔7或矩形孔8。漸變晶格常數(shù)區(qū)微腔中央處的最小單元尺寸的確定可根據(jù)當前工藝水平精度來選取，應用漸變晶格常數(shù)區(qū)的目的是為了實現(xiàn)從漸變晶格常數(shù)區(qū)到周期晶格常數(shù)區(qū)良好的模式過渡和匹配以減小諧振模的輻射損耗?！嵤├齀 :
如圖I和圖7所不,米用頂層娃厚為280 nm、氧化娃埋層2 μ m的絕緣層上娃(SOI)材料，在完成晶圓表面清洗后，進行深紫外光刻或電子束直寫光刻獲得硅刻蝕掩膜，通過硅干法刻蝕，制作出寬500 nm、狹縫寬為100 nm的娃條形波導，以及一維周期圓形小孔。在周期晶格常數(shù)區(qū)光子晶體的周期晶格為a=480nm，半徑r=0. 28a，在漸變晶格常數(shù)區(qū)，晶格常數(shù)從a經(jīng)5次線性遞減至微腔中央的最小晶格常數(shù)a5=320nm，最小的孔半徑為r5=0. 28a5。上述實施例中的光學微腔可支持TE諧振模的極小模式體積VC W1^Slnf )和
高Q值(>103)，只需經(jīng)過一次刻蝕即可完成整個器件的制作。實施例2
如圖2和圖8所示，選用頂層硅厚度為200nm的絕緣層上硅作材料，其中水平狹縫的制作為先通過在硅層上沉積一層厚度為50nm的低折射率的二氧化硅層，然后再在沉積的二氧化硅層上沉積或鍵合厚度為200nm的硅層。在完成晶圓表面清洗后，進行深紫外光刻或電子束直寫光刻獲得刻蝕掩膜，通過干法刻蝕，制作出寬500 nm、狹縫寬為100 nm的硅一二氧化硅一硅三層結構的條形波導，以及一維周期圓形小孔，最后可通過濕法刻蝕去除低折射率的二氧化硅層形成空氣橋結構。在周期晶格常數(shù)區(qū)光子晶體的周期晶格為a=480nm，半徑r=0. 28a，在漸變晶格常數(shù)區(qū)，晶格常數(shù)從a經(jīng)5次線性遞減至微腔中央的最小晶格常數(shù)a5=320nm，最小的孔半徑為r5=0. 28a5。上述實施例中的光學微腔可支持TM諧振模的極小模式體積VC 10-2(Λ 2ηγ )和
聞Q值(>105),需經(jīng)過淀積二氧化娃一淀積娃一光刻一干法刻蝕一濕法刻蝕等步驟完成。實施例3
如圖3和圖9所示，選用頂層硅厚度為250nm的絕緣層上硅作材料，在完成晶圓表面清洗后，進行電子束直寫光刻獲得硅刻蝕掩膜，通過硅干法刻蝕，制作出寬50 nm、高為50 nm的矩形槽。利用掩膜在該矩形槽中沉積填滿二氧化硅，經(jīng)拋光工藝處理后再在表面沉積一層厚度為200nm的硅層。在完成晶圓表面清洗后，進行深紫外光刻或電子束直寫光刻獲得CN 102914819 A
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硅刻蝕掩膜，通過硅干法刻蝕，制作出寬500 nm硅條形波導，以及波導上的一維周期圓形小孔，最后可通過濕法刻蝕去除低折射率的二氧化硅層形成中間為矩形空氣芯的結構。在周期晶格常數(shù)區(qū)光子晶體的周期晶格為a=480nm，半徑r=0. 28a，在漸變晶格常數(shù)區(qū)，晶格常數(shù)從a經(jīng)5次線性遞減至微腔中央的最小晶格常數(shù)a5=320nm，最小的孔半徑為r5=0. 28a5。上述實施例中的光學微腔可同時支持TE/TM諧振模的極小模式體積·
Vf I O'2 (i/2^)3 )和極高Q值(>105)，需經(jīng)過光刻一干法刻蝕一淀積二氧化硅一拋光一淀
積娃一光刻一干法刻蝕一濕法刻蝕等步驟完成。
權利要求
1.一種基于低折射率芯波導的一維光子晶體光學微腔，其特征在于將一維光子晶體微腔制作在高折射率對比的低折射率芯波導上，包括位于微腔中央的晶格常數(shù)從中間向兩側對稱線性增大的漸變晶格常數(shù)區(qū)(2)和位于漸變晶格常數(shù)區(qū)兩側的周期晶格常數(shù)區(qū)⑶。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種基于低折射率芯波導的一維光子晶體光學微腔，其特征在于所述低折射率芯波導為支持TE模具有低折射率垂直狹縫芯(4)的垂直狹縫低折射率芯波導(I)。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種基于低折射率芯波導的一維光子晶體光學微腔，其特征在于所述低折射率芯波導為支持TM模具有低折射率水平狹縫芯(5)的水平狹縫低折射率芯波導(9)。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種基于低折射率芯波導的一維光子晶體光學微腔，其特征在于所述低折射率芯波導為同時支持TE模和TM模具有低折射率中空芯(6)的中空芯低折射率芯波導(10)。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種基于低折射率芯波導的一維光子晶體光學微腔，其特征在于所述漸變晶格常數(shù)區(qū)(2)和周期晶格常數(shù)區(qū)(3)中的一維光子晶體的周期單元為圓形孔(7)。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種基于低折射率芯波導的一維光子晶體光學微腔，其特征在于所述漸變晶格常數(shù)區(qū)(2)和周期晶格常數(shù)區(qū)(3)中的一維光子晶體的周期單元為矩形孔⑶。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于低折射率芯波導一維光子晶體光學微腔。一維光子晶體微腔制作在高折射率對比的低折射率芯波導上，包括位于微腔中央的晶格常數(shù)從中間向兩側對稱線性增大的漸變晶格常數(shù)區(qū)和位于漸變晶格常數(shù)區(qū)兩側的周期晶格常數(shù)區(qū)。利用在波導低折射率狹縫芯或中空芯界面處由于電位移矢量的連續(xù)性引起光強急劇增加的特性實現(xiàn)了極小的模式體積V，在微腔中央引入漸變晶格常數(shù)區(qū)實現(xiàn)模式漸變過渡和匹配以獲得超高的品質因子Q值；本發(fā)明結構簡單，器件尺寸緊湊，且其加工可采用CMOS工藝，易于集成和擴展，方便低成本制造；微腔中的狹縫或空芯亦可植入其他低折射率的材料，在納米激光器、生化傳感、光微流體、微光機械等領域有廣泛的應用。
文檔編號G02B6/122GK102914819SQ201210411999
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權日2012年10月25日
發(fā)明者喻平, 沈奧, 胡挺, 邱晨, 江曉清, 楊建義 申請人:浙江大學