双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔及其制备方法技术

一种双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔，该微腔自上而下依次是第一铌酸锂圆盘、二氧化硅薄盘、第二铌酸锂圆盘、二氧化硅支柱和铌酸锂基底，及其制备方法，包括制备五层薄膜、加工柱状结构和化学腐蚀步骤。本发明专利技术双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔具有极高的表面光洁度、小的模式体积与高的品质因子(实测10

Double disk optical Echo Wall mode lithium niobate microcavity and its preparation method

A double disc optical whispering gallery mode lithium niobate micro cavity, the cavity from top to bottom is the first lithium niobate disc, silicon dioxide thin disc, second disc, silica pillar and lithium niobate LiNbO3 substrate and its preparation method, including the preparation of five layer film processing, columnar structure and chemical etching steps. The double disk optical Echo Wall mode lithium niobate microcavity has high surface finish, small mode volume and high quality factor (measured 10).

【技术实现步骤摘要】
双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔及其制备方法
本专利技术涉及微加工技术，特别是一种双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔及其制备方法。
技术介绍
多种精确测量位置变化的器件是通过测量光学干涉仪或者光学腔内的电磁场来推断出机械运动信息，如今腔-光机械系统涵盖各种几何形状和大小【参见文献：RegalCA,TeufelJD,LehnertKW.NaturePhysics,2008,4(7):555】。这些系统探测微小的位置变化依赖称为“动态反馈”的效应，这种效应是指位置微小变化依赖于腔内的电磁场强度分布【参见文献：KippenbergTJ,VahalaKJ.science,2008,321(5893):1172-1176】。近期很多在光学领域的工作都是利用光散射辐射压(来激发和抑制微腔的机械振动【参见文献：SchliesserA,Del’HayeP,NooshiN,etal.PhysicalReviewLetters,2006,97(24):243905】。最近又提出一种在微腔里的光学梯度力，比光散射辐射压还要大几个数量级【参见文献：EichenfieldM,CamachoR,ChanJ,etal.Nature,2009,459(7246):550-555.】。在诸多腔-光机械系统中，回音壁模式光学微腔就是其中典型代表。回音壁模式光学微腔通过腔体与周围环境的高折射率比实现光在腔内连续全内反射，并将光场长时间地限制在微小腔体内，因此具有极高的品质因子，从而有效增强光与物质相互作用。而包含两个垂直分布的双盘微腔结构则具有更强的动态反馈，比其他的腔-光机械系统高好几个数量级，在传感和腔量子电动力学说具有更广的应用前景【参见文献：LinQ,RosenbergJ,JiangX,etal.Physicalreviewletters,2009,103(10):103601】。目前双盘微腔主要是双盘光学回音壁模式石英微腔【参见文献：JiangX,LinQ,RosenbergJ,etal.High-Qdouble-diskmicrocavitiesforcavityoptomechanics.OpticsExpress,2009,17(23):20911-20919.】。因为石英材料本身属性限制，双盘光学回音壁模式石英微腔不具有非线性、热光和光电等效应。而铌酸锂晶体具有非线性、热光和光电等效应等效应，因此双盘光学回音壁模式石英微腔具有更广的应用范围。飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时会产生强烈的非线性效应，可实现对透明介质的进行快速地三维微纳加工，再辅助聚焦离子束(FIB)纳米级高精度刻蚀，可实现三维快速精密加工出微纳器件。电子是一种波长极短的波，因此聚焦电子束的精度就可达到纳米量级，从而为制作微纳器件提供了很有用的工具。基于上述优点，这两种加工方法都为寻找一种合适的方案在透明多层薄膜材料上制备各种尺寸双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔提供了有效的技术途径。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服现有的技术只能加工出单盘光学回音壁模式铌酸锂微腔的缺点，提供一种双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔的制备方法，所述的薄膜材料包括各种介质薄膜材料。本专利技术的技术方案如下：一种双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔，其特点在于，该微腔自上而下依次是第一铌酸锂圆盘、二氧化硅薄盘、第二铌酸锂圆盘、二氧化硅支柱和铌酸锂基底，所述的第一铌酸锂圆盘和第二铌酸锂圆盘的厚度在100nm到1μm之间，铌酸锂圆盘直径5μm到200μm之间；所述的二氧化硅薄盘直径小于所述的第一铌酸锂圆盘，厚度范围为20nm到1μm，所述的二氧化硅支柱直径小于所述的第二铌酸锂圆盘，厚度范围为1μm到5μm，所述的铌酸锂基底的厚度400μm到600μm。上述双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔的制备方法，包括下列步骤：1)制备五层薄膜：结合工艺上的可行性，再根据商业化模拟软件COMSOL改变第一铌酸锂圆盘切向和厚度、第二铌酸锂圆盘的切向和厚度、双盘之间的间隔三个参数得到双盘铌酸锂微腔能有最佳耦合效率和高Q值，然后根据得到的参数选取第一铌酸锂薄膜层和第三铌酸锂薄膜层的切向(切向有三种：X切、Y切和Z切)，确定第一铌酸锂薄膜层、第二二氧化硅薄膜层、第三铌酸锂薄膜层、第四二氧化硅薄膜层和第五铌酸锂晶体基底层的厚度，利用氦离子注入后晶片键合的方法制备出满足要求的五层薄膜；2)加工柱状结构：在所述的五层薄膜制备所述的柱状结构的方法有两种：方法一是飞秒激光直写后辅助聚焦离子束研磨，方法二是光刻技术；3)化学腐蚀：将所述的柱状结构置于氢氟酸溶液中，使所述的第二二氧化硅薄膜层和第四二氧化硅薄膜层由柱状结构侧壁逐渐向内腐蚀，直至所述的第二二氧化硅薄膜层和第四二氧化硅薄膜层腐蚀后分别形成所述的二氧化硅薄盘、二氧化硅支柱，且所述的二氧化硅薄盘和二氧化硅支柱的直径均小于所述的第一铌酸锂圆盘或第二铌酸锂圆盘的直径，再从氢氟酸溶液中取出，并用去离子水充分洗净，即得到双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔。上述加工柱状结构，包括下列两种方法：1)飞秒激光直写后辅助聚焦离子束研磨：将所述的五层薄膜固定在三维位移平台上，采用经物镜聚焦的飞秒激光在所述的五层薄膜逐层加工至第五铌酸锂晶体基底层的上表面，直写出一个柱状结构；将聚焦离子束聚焦于所述的柱状结构的第一铌酸锂薄膜层的上表面，所述的聚焦离子束的扫描区域设置为一个直径满足要求的圆环，对所述的柱状结构进行研磨，使所述的柱状结构的外侧面光滑；2)光刻技术：将所述的五层薄膜固定在平台上，利用电子束对所述的五层薄膜上表面的圆形区域的光刻胶进行曝光，再利用氩气等离子体在所述的五层薄膜逐层上刻蚀至第四二氧化硅薄膜层的上表面，刻蚀出一个外侧面光滑柱状结构。与现有技术相比，本专利技术的效果如下：1、所制备的双盘微腔是由竖直方向平行分布的第一铌酸锂圆盘和第二铌酸锂圆盘两个微盘构成，相对于分布在同一水平面上两个微盘，极大地增强的两个微盘之间的耦合效率；2、本专利技术回音壁模式微腔边沿与基底分离，有效增加微腔与周围环境的折射率比，提高了微腔的Q值；3、通过聚焦离子束刻蚀改善了边沿的粗糙度，平均粗糙度小于2nm，保证了微腔的具有较高的Q值；4、本专利技术可自由选择铌酸锂薄膜的切向、厚度和二氧化硅层的厚度，有利于充分利用了铌酸锂薄膜材料本身的热光效应和压电效应，相比于没有这些特殊性质的石英等材料制备的双盘微腔，双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔具有更大的应用范围。附图说明图1是本专利技术双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔的示意图；图2是制备双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔的加工流程示意图；图3是制备完毕的双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔的光学显微镜图、扫描电子显微镜图、实验测得Q值和理论模拟的模场图，其中，(a)为双盘微腔的俯视图，(b)为双盘微腔的侧视图，(b)中小图为双盘微腔的侧视图边沿放大，(c)为双盘微腔实验测得其Q值，(d)为理论模拟得出的双盘微腔模场图。具体实施方式下面通过实施例和附图对本专利技术做进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。实施例1请参阅图1，图1是本专利技术双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔的示意图，由图可见，本专利技术双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔，该微腔自上而下依次是第一铌酸锂圆盘1、二氧化硅薄盘2、第二铌酸锂圆盘3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔，其特征在于，该微腔自上而下依次是第一铌酸锂圆盘(1)、二氧化硅薄盘(2)、第二铌酸锂圆盘(3)、二氧化硅支柱(4)和铌酸锂基底(5)，所述的第一铌酸锂圆盘(1)和第二铌酸锂圆盘(3)的厚度在100nm到1μm之间，圆盘直径5μm到200μm之间；所述的二氧化硅薄盘(2)的直径小于所述的第一铌酸锂圆盘(1)，厚度范围为20nm到1μm，所述的二氧化硅支柱(4)的直径小于所述的第二铌酸锂圆盘(3)，厚度范围为1μm到5μm，所述的铌酸锂基底(5)的厚度400μm到600μm，所述的第一铌酸锂圆盘(1)和第二铌酸锂圆盘(3)构成双盘铌酸锂微腔。

【技术特征摘要】
1.一种双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔，其特征在于，该微腔自上而下依次是第一铌酸锂圆盘(1)、二氧化硅薄盘(2)、第二铌酸锂圆盘(3)、二氧化硅支柱(4)和铌酸锂基底(5)，所述的第一铌酸锂圆盘(1)和第二铌酸锂圆盘(3)的厚度在100nm到1μm之间，圆盘直径5μm到200μm之间；所述的二氧化硅薄盘(2)的直径小于所述的第一铌酸锂圆盘(1)，厚度范围为20nm到1μm，所述的二氧化硅支柱(4)的直径小于所述的第二铌酸锂圆盘(3)，厚度范围为1μm到5μm，所述的铌酸锂基底(5)的厚度400μm到600μm，所述的第一铌酸锂圆盘(1)和第二铌酸锂圆盘(3)构成双盘铌酸锂微腔。2.权利要求1所述的双盘光学回音壁模式铌酸锂微腔的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：1)制备五层薄膜：结合工艺上的可行性，再根据商业化模拟软件COMSOL模拟改变第一铌酸锂圆盘(1)切向和厚度、第二铌酸锂圆盘(3)的切向和厚度、双盘之间的间隔三个参数得到双盘铌酸锂微腔能有最佳耦合效率和高Q值，然后根据得到的参数选取第一铌酸锂薄膜层(6)和第三铌酸锂薄膜层(8)的切向，确定第一铌酸锂薄膜层(6)、第二二氧化硅薄膜层(7)、第三铌酸锂薄膜层(8)、第四二氧化硅薄膜层(9)和第五铌酸锂晶体基底层(10)的厚度，利用氦离子注入后晶片键合的方法制备出满足要求的五层薄膜，包括自上而下的第一铌酸锂薄膜层(6)、第二二氧化硅薄膜层(7)、第三铌酸锂薄膜层(8)、第四二氧化硅薄膜层(9)和第五铌酸锂晶体基底层(10)；2)加工柱状结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：程亚，方致伟，卢涛，林锦添，汪旻，乔玲玲，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31