一种腔光力学系统及其制备方法

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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；

3、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；

4、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；

5、所述第一端镜和第二端镜的二维光子晶体膜正对放置。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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：

15、在第一衬底上沉积第一层薄膜；

16、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；

17、在第二衬底上沉积第二层薄膜；

18、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；

19、将所述第一端镜和第二端镜平行安装，得到腔光力学系统。

20、在一个可选的示例中，所述薄膜为sinx薄膜或sio2薄膜。

21、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：

22、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；

23、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；

24、将所述第一端镜和第二端镜平行安装，得到腔光力学系统。

25、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：

26、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。

技术特征：

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；

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：

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：

技术总结
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。

技术研发人员：王秋,焦世民,刘骅锋,周泽兵
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15