[發明專利]一種基于納米梁結構的光機晶體微腔

有效

• 申請號: 201310743586.6
• 申請日: 2013-12-30
• 公開（公告）號: CN103728692A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 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
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;B82Y20/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 李迪

技術領域

本發明涉及硅基微納光子器件技術領域，尤其是一種基于納米梁結構的光機晶體微腔。

背景技術

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——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。

發明內容

（一）要解決的技術問題

本發明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，本發明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；

所述硅襯底，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。

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r₁=η·r₀（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η為1.3。

可選的，所述缺陷區中相鄰兩個空氣孔半徑之差為Δr₀（0<Δr₀<r₀），其中r₀為第一反射區或第二反射區的空氣孔半徑。優選的，所述Δr₀為0.075Δr₀。

可選的，所述硅平板的波導寬度為300nm-800nm，厚度為200nm-500nm。

可選的，所述二氧化硅層的厚度為600nm～3μm。

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

區別于背景技術，本發明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。

附圖說明

圖1是本發明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是本發明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是本發明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是本發明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是本發明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；