基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔制造技术

本发明专利技术公开了一种基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔，包括：输入波导区、分离纳米臂光机晶体微腔区、输出波导区；所述分离纳米臂光机晶体微腔区包括一个硅衬底、硅衬底两端的二氧化硅隔离层、硅衬底上方与二氧化硅隔离层相连的硅平板、位于二氧化硅隔离层上方的顶层二氧化硅层、以及位于硅衬底和硅平板之间的空气隔离区；所述的硅平板为相互分离的两支硅波导纳米臂。本发明专利技术可利用参数不同的结构分别形成光子带隙和声子带隙，局域光子缺陷模式和声子缺陷模式，形成光机晶体耦合微腔，实现光子和声子的高效耦合，本发明专利技术的两支硅波导纳米臂分离，导致光机晶体腔具有超小的动质量和高的机械频率，最终提高传感灵敏度，实现高速传感。

Ultra small dynamic mass light machine crystal cavity based on separation of nanoscale structure

The invention discloses a method for separating nano arm structure of ultra small quality machine crystal cavity, which is based on the input waveguide region, separating nano machine arm crystal micro cavity area, the output waveguide region; the separation of nano crystal micro cavity arm machine area includes a silicon substrate, a silicon substrate at both ends of the isolation layer, the silicon dioxide the substrate and the silicon dioxide isolation layer connected to the silicon plate, located above the top of the silicon dioxide isolation layer, and the silicon dioxide layer located between the silicon substrate and the silicon plate air isolation region; the silicon plate is two separate arm nano silicon waveguide. The invention can use different structure parameters respectively form the photonic band gap and phonon band gap photonic defect mode and phonon localized defect modes, the formation of optical crystal coupled microcavity, realize the efficient coupling of photons and phonons, the two branch of the nano silicon waveguide arm separation machine causes the optical crystal cavity with ultra small dynamic quality mechanical and high frequency, and ultimately improve the sensor sensitivity, speed sensor.

【技术实现步骤摘要】
基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔
本专利技术涉及硅基微纳光子器件技术和超高精度传感领域，尤其是一种基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔。
技术介绍
传感器技术是现代科技的前沿技术，作为一种与现代科学密切相关的新兴学科，正得到空前迅速的发展，并且在相当多的领域被越来越广泛地利用，它综合研究传感器的材料、设计、工艺、性能和应用等各个方面，制造技术、信号处理技术、新材料的研究开发与应用同时进行，并向集成化、多功能化、智能化、薄膜化方向发展。几十年来，以微纳光电子技术为基础，促进了传感器技术的发展，当前传感器技术的发展趋势包括：开发新材料、新工艺和开发新型传感器；实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化；通过传感器与其它学科的交叉整合，实现无线网络化。未来10～20年，传统硅技术还将得到空前发展,且硅的跨学科横向应用和突破“非稳态物理器件”(量子、分子器件)将成为未来20年传感器技术的主要发展方向和机遇。随着新世纪现代物理学的发展，人们开始探索介观，甚至宏观物体的量子现象。腔光机力学(CavityOptomechanics)作为探索介观量子物理的方向，近年来受到了广泛关注并迅速发展。腔光机力学研究光子-声子的相互作用，声子是物质晶格机械振动的量子化描述，腔光机力学使得人们对量子态的操控对象拓展到准粒子——声子。相比对基本粒子的量子操作，对准粒子声子的操作代表了当前最高水准的量子态操控。在腔光机系统中同时支持光学模式和机械模式，光通过光力影响机械振动，机械振动又反过来通过改变光模，实现光模和机械模式的相互作用，也就是光子和声子的相互耦合。光机晶体微腔是一种具有一定周期结构的微纳器件，同时具有光子和声子能带。这使得光机晶体可以同时操控光子和声子，利用光机晶体微腔同时局域和调控光子-声子，达到量子水平的相互作用，这将引发量子控制、精密测量、量子信息、超高精度传感领域研究的革命性飞跃。利用光机晶体微腔来实现超高精度传感具有美好的研究前景，但在实验研究上仍有许多待解决的问题。例如：如何增强光子和声子的耦合强度，如何提高传感灵敏度、如何开发高速传感等。
技术实现思路
本专利技术是为了解决如何利用不同设计参数的光机晶体微腔，最终实现光子和声子的高效耦合，从而提高传感灵敏度，实现高速传感的目的。本专利技术是这样实现的：一种基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔，包括：输入波导区、分离纳米臂光机晶体微腔区、输出波导区；所述输入波导区，用于接收光信号并将光信号传输至分离纳米臂光机晶体微腔区；所述分离纳米臂光机晶体微腔区，用于局域光子和声子的缺陷模式，实现光子和声子的耦合；所述输出波导区，用于输出光信号。更进一步的方案是：所述分离纳米臂光机晶体微腔区包括一个硅衬底、硅衬底两端的二氧化硅隔离层、硅衬底上方与二氧化硅隔离层相连的硅平板、位于二氧化硅隔离层上方的顶层二氧化硅层、以及位于硅衬底和硅平板之间的空气隔离区；所述硅衬底，用于承载整个分离纳米臂光机晶体微腔区；所述二氧化硅隔离层，用于隔离所述硅衬底和硅平板；所述硅平板，位于所述二氧化硅隔离层之上，所述硅平板上包括不同大小的空气孔阵列，用于局域光子和声子的缺陷模式，实现光子和声子的耦合；所述顶层二氧化硅层，位于所述硅平板之上，其与所述二氧化硅隔离层配合以保护所述硅平板；所述空气隔离区，位于所述分离纳米臂光机晶体微腔区的上部。更进一步的方案是：所述的硅平板为相互分离的两支硅波导纳米臂，两支硅波导纳米臂之间形成矩形空气孔，并且两支硅波导纳米臂以矩形空气孔的中心为轴左右对称。更进一步的方案是：所述两个硅波导纳米臂从远离矩形空气孔的一端开始，向紧靠矩形空气孔的一端，依次设置有由周期性椭圆空气孔形成的腔镜区和由渐变性椭圆空气孔形成的缺陷区，且两个硅波导纳米臂上的腔镜区和缺陷区均以矩形空气孔的中心为轴左右对称。更进一步的方案是：所述渐变性椭圆空气孔沿矩形空气孔间隙中心为轴两侧对称分布，所述渐变性椭圆空气孔长轴以所述矩形空气孔间隙中心为轴从内至外先减小后增大，所述长轴先沿所述矩形空气孔间隙中心轴方向(Y方向)后沿所述硅波导纳米臂方向(X方向)，所述渐变性椭圆空气孔短轴以所述矩形空气孔间隙中心为轴从内至外先增大后减小，所述短轴先沿所述硅波导纳米臂方向(X方向)后沿矩形空气孔间隙中心轴方向(Y方向)。更进一步的方案是：所述周期性椭圆空气孔沿矩形空气孔间隙中心为轴两侧对称分布，所述周期性椭圆空气孔长轴沿所述硅波导纳米臂方向(X方向)，所述周期性椭圆空气孔短轴沿矩形空气孔间隙中心轴方向(Y方向)。更进一步的方案是：所述硅平板的宽度为300nm～800nm，厚度为200nm～500nm。更进一步的方案是：所述二氧化硅层隔离层和所述顶层二氧化硅层的厚度为300nm～3μm。更进一步的方案是：采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在所述硅平板上形成输入波导区、分离纳米臂光机晶体微腔区、输出波导区。区别于
技术介绍
，本专利技术提供一种基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔，可利用参数不同的结构分别形成光子带隙和声子带隙，局域光子缺陷模式和声子缺陷模式，形成光机晶体耦合微腔，实现光子和声子的高效耦合，不同于一般纳米臂光机晶体微腔，本专利技术的两支硅波导纳米臂分离，导致光机晶体腔具有超小的动质量和高的机械频率，最终提高传感灵敏度，实现高速传感。附图说明图1是本专利技术实施例所提供的基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔的三维结构示意图；图2是本专利技术实施例所提供的基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔的三维椭圆空气孔结构单元和两支硅波导纳米臂的三维结构图；图3是本专利技术实施例所提供的基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔的两支硅波导纳米臂二维俯视图；图4是本专利技术实施例所提供的基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔的光子能带图；图5是本专利技术实施例所提供的基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔的声子能带图。附图标记说明：1：硅衬底，2：二氧化硅隔离层，3：硅平板，4：顶层二氧化硅层，5：分离纳米臂光机晶体微腔区，6：输入波导区，7：输出波导区，8：空气隔离区，9：渐变性椭圆空气孔，10：周期性椭圆空气孔，11：矩形空气孔间隙，12：缺陷区，13：腔镜区，14：分离区。具体实施方式为使本专利技术的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。请参阅图1至图3，图1为本专利技术实施例所提供的基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔的三维结构示意图，所述基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔包括：硅衬底1、二氧化硅隔离层2、硅平板3、顶层二氧化硅层4和空气隔离区8。所述硅衬底1，用于承载整个分离纳米臂光机晶体微腔结构。所述二氧化硅隔离层2，用于隔离所述硅衬底1和硅平板3。所述硅平板3，位于所述二氧化硅隔离层2之上，所述硅平板3包括依次设置的输入波导区6、分离纳米臂光机晶体微腔区5、输出波导区7；所述输入波导区6用于接收光信号并将光信号传输至所述分离纳米臂光机晶体微腔区5；所述分离纳米臂光机晶体微腔区5，包括分离的两支硅波导纳米臂、矩形空气孔间隙11、渐变性椭圆空气孔9阵列和周期性椭圆空气孔10阵列，用于局域光子和声子缺陷模式，实现光子和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔，其特征在于，包括：输入波导区、分离纳米臂光机晶体微腔区、输出波导区；所述输入波导区，用于接收光信号并将光信号传输至分离纳米臂光机晶体微腔区；所述分离纳米臂光机晶体微腔区，用于局域光子和声子的缺陷模式，实现光子和声子的耦合；所述输出波导区，用于输出光信号；所述分离纳米臂光机晶体微腔区包括一个硅衬底、硅衬底两端的二氧化硅隔离层、硅衬底上方与二氧化硅隔离层相连的硅平板、位于二氧化硅隔离层上方的顶层二氧化硅层、以及位于硅衬底和硅平板之间的空气隔离区；所述硅衬底，用于承载整个分离纳米臂光机晶体微腔区；所述二氧化硅隔离层，用于隔离所述硅衬底和硅平板；所述硅平板，位于所述二氧化硅隔离层之上，所述硅平板上包括不同大小的空气孔阵列，用于局域光子和声子的缺陷模式，实现光子和声子的耦合；所述顶层二氧化硅层，位于所述硅平板之上，其与所述二氧化硅隔离层配合以保护所述硅平板；所述空气隔离区，位于所述分离纳米臂光机晶体微腔区的上部；所述的硅平板为相互分离的两支硅波导纳米臂。

【技术特征摘要】
1.一种基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔，其特征在于，包括：输入波导区、分离纳米臂光机晶体微腔区、输出波导区；所述输入波导区，用于接收光信号并将光信号传输至分离纳米臂光机晶体微腔区；所述分离纳米臂光机晶体微腔区，用于局域光子和声子的缺陷模式，实现光子和声子的耦合；所述输出波导区，用于输出光信号；所述分离纳米臂光机晶体微腔区包括一个硅衬底、硅衬底两端的二氧化硅隔离层、硅衬底上方与二氧化硅隔离层相连的硅平板、位于二氧化硅隔离层上方的顶层二氧化硅层、以及位于硅衬底和硅平板之间的空气隔离区；所述硅衬底，用于承载整个分离纳米臂光机晶体微腔区；所述二氧化硅隔离层，用于隔离所述硅衬底和硅平板；所述硅平板，位于所述二氧化硅隔离层之上，所述硅平板上包括不同大小的空气孔阵列，用于局域光子和声子的缺陷模式，实现光子和声子的耦合；所述顶层二氧化硅层，位于所述硅平板之上，其与所述二氧化硅隔离层配合以保护所述硅平板；所述空气隔离区，位于所述分离纳米臂光机晶体微腔区的上部；所述的硅平板为相互分离的两支硅波导纳米臂。2.根据权利要求1所述的分离纳米臂光机晶体微腔区，其特征在于，所述两支硅波导纳米臂之间形成矩形空气孔，并且两支硅波导纳米臂以矩形空气孔的中心为轴左右对称。3.根据权利要求2所述的分离纳米臂光机晶体微腔区，其特征在于，所述两个硅波导纳米臂从远离矩形空气孔的一端开始，向紧靠矩形空气孔的一端，依次设置有由周期性...

【专利技术属性】
技术研发人员：张也平，艾杰，向艳军，马烈华，李涛，马景芳，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51