钛酸锶钡法布里-珀罗光学微腔及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛酸锶钡ＦＰ光学微腔及制备方法，光学微腔由钛酸锶钡铁电布拉格反射膜层和钛酸锶钡缺陷层构成。钛酸锶钡ＦＰ光学微腔采用化学溶液法生长，溶剂为冰醋酸，稳定剂为己酰丙酮，增稠剂为聚乙烯吡咯烷酮。溶质为醋酸钡、醋酸锶、正丁醇钛。其中生长缺陷层的溶液中无聚乙烯吡咯烷酮。本发明专利技术的优点是：所用设备简单，操作方便。同时，通过选择工艺参数，溶液浓度等手段，可以得到在不同频段工作的铁电单模光学微腔及耦合光学微腔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种由多层铁电介质膜组成的法布里—珀罗光学微腔。具体是指一种由钛酸锶钡(BST)多层铁电介质膜组成的法布里—珀罗(FP)光学微腔及制备方法。
技术介绍
在过去的几十年里，FP光学微腔主要应用在干涉滤光片上。近年来，它又被广泛地应用到垂直腔面发射激光器和共振发光二极管中，主要原因就是FP光学微腔对电磁场具有放大作用，这样可以大大地提高激光器的耦合效率，并使激光器的集成度提高，光输出发散角小。同样利用FP光学微腔可以大大地提高稀土发光材料的发光强度和减狭发光线宽。高反射率的布拉格反射镜是形成FP光学微腔很重要的一个构件。传统的布拉格反射镜主要是由两种具有折射率差值材料交替排列而成，主要包括半导体材料，无机氧化物及有机物。由于用来构建布拉格反射镜的传统材料不具有铁电、电光、压电和声光等效应。因此，基于这些材料制作的FP光学微腔的工作性能仅在单一的波长下获得最优，并且无法实现器件工作频率的动态调谐。而我们申请的专利号为200610026936.7，名称为“钛酸锶钡布拉格反射镜及制备方法”中的钛酸锶钡材料具有铁电、电光、压电和声光等效应。我们在实验中发现，在钛酸锶钡铁电多层膜中的适当位置加入缺陷层便可形成高品质因子的单模FP光学微腔或耦合FP光学微腔。这种FP光学微腔的腔膜共振频率可通过改变缺陷层的厚度或外加电场加以控制。这类铁电基FP光学微腔在集成光电子器件、光通讯等领域将发挥重要作用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提出一种工作频率可动态调谐的钛酸锶钡FP光学微腔。本专利技术的钛酸锶钡FP光学微腔，包括二种结构，一种为单模光学微腔，另一种为耦合光学微腔。单模光学微腔包括钛酸锶单晶衬底，在衬底上通过化学溶液法依次排列生长如下结构的膜层衬底\BST DBRs\BSTzm\BST DBRs；耦合光学微腔包括钛酸锶单晶衬底，在衬底上通过化学溶液法依次排列生长如下结构的膜层衬底\BST DBRs\BSTzm\BST DBRs\BSTzm\BST DBRs；上述膜层中的BST DBRs为FP光学微腔的铁电布拉格反射膜层，其厚度为0.5-3μm，BSTzm为FP光学微腔的缺陷层，其厚度为10-100nm。本专利技术的钛酸锶钡FP光学微腔采用化学溶液法生长，其过程如下1.前驱体溶液的配制A.用于制备铁电布拉格反射膜层的前驱体溶液的配制溶剂为冰醋酸，稳定剂为己酰丙酮，增稠剂为聚乙烯吡咯烷酮，它们的摩尔比为25～35∶0.5～1.5∶0.5～1.5。溶质为醋酸锶、醋酸钡、正丁醇钛，它们的摩尔比为(1-x)∶x∶1，其中0＜x＜1。先将醋酸锶、醋酸钡溶于40-80℃的冰醋酸中，待溶液冷却到室温后依次将己酰丙酮、正丁醇钛、聚乙烯吡咯烷酮加入上述溶液中持续搅拌，通过稀释或者蒸馏将溶液的浓度调整为0.2-0.8M/L，并过滤得到澄清透明的前驱体溶液。该溶液在一年内不会变质。B.用于制备缺陷层的前驱体溶液的配制溶剂为冰醋酸，稳定剂为己酰丙酮，它们的摩尔比为25～35∶0.5～1.5。溶质为醋酸锶、醋酸钡、正丁醇钛，它们的摩尔比为(1-x)∶x∶1，其中0＜x＜1。溶液混合方法同上，通过稀释或者蒸发，最后得到浓度为0.3M/L的前驱体溶液。2.光学微腔膜层的制备微腔膜层采用常规的旋涂镀膜工艺，按上述的膜层结构依次在钛酸锶衬底上制备。本专利技术的优点是所用设备简单，操作方便。同时，可通过选择工艺参数、调整溶液浓度、采用不同聚合物等手段，操控FP光学微腔的工作频段。附图说明图1为本专利技术的FP光学微腔的结构示意图，a图为单模光学微腔的结构示意图，b图为耦合光学微腔的结构示意图。图2为实施例1单模光学微腔的反射光谱，图中光谱1是BSTzm缺陷层的甩胶速率为每分钟3500转测得的单模光学微腔的反射光谱，形成的缺陷层厚度为60nm；光谱2是BSTzm缺陷层的甩胶速率为每分钟3000转测得的单模光学微腔的反射光谱，形成的缺陷层厚度为50nm。图3为实施例2耦合光学微腔的反射光谱。具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明实施例1单模光学微腔的制备§1.用于制备铁电布拉格反射膜层的前驱体溶液的配制溶剂为冰醋酸，稳定剂为己酰丙酮，增稠剂为聚乙烯吡咯烷酮。溶质为醋酸锶、醋酸钡、正丁醇钛，它们的摩尔比为0.9∶0.1∶1。将2.7864g醋酸钡，0.2603g醋酸锶，0.65g聚乙烯吡咯烷酮溶于30ml加热的冰醋酸中，加热温度为40-80℃，然后加入约2ml的己酰丙酮，搅拌并使其冷却，最后加入4.1670ml正丁醇钛并持续搅拌2-3个小时，加入少量蒸馏水稀释，并过滤得到清澈透明，摩尔浓度约为0.3M/L的BST前驱体溶液。该溶液在一年内不会变质。§2.用于制备缺陷层的前驱体溶液的配制溶液的配制与步骤§1相同，只是溶剂中不加聚乙烯吡咯烷酮。§3.膜层的镀制利用旋涂镀膜工艺，以甩胶速率为每分钟3500转的转速，将步骤§1配制好的前驱体溶液滴到旋转中的在钛酸锶单晶衬底1上，旋涂时间为30秒；然后把旋涂好的片子放入快速退火炉中，分别在180℃-240℃、350℃-400℃和700℃-750℃的温度下热处理3-8分钟，3-8分钟和5-10分钟，重复上述步骤10次，得到下层铁电布拉格反射膜层2，膜层2的厚度为1.5μm。再将步骤§2配制好的前驱体溶液滴到上述制备好的旋转中的下层铁电布拉格反射膜层上，以甩胶速率为每分钟3500转的转速，旋涂时间为30秒；然后把旋涂好的片子放入快速退火炉中，分别在180℃-240℃、350℃-400℃和700℃-750℃的温度下热处理3-8分钟，3-8分钟和5-10分钟，得到BSTzm缺陷层3，其厚度为50nm。。再将步骤§1配制好的前驱体溶液滴到上述制备好的旋转中的BSTzm缺陷层上，以甩胶速率为每分钟3500转的转速，旋涂时间为30秒；然后把旋涂好的片子放入快速退火炉中，分别在180℃-240℃、350℃-400℃和700℃-750℃的温度下热处理3-8分钟，3-8分钟和5-10分钟，重复上述生长步骤10次，得到上层铁电布拉格反射膜层4，上层铁电布拉格反射膜层厚度同样为1.5μm。最后得到结构为钛酸锶衬底1\10个周期BST下层铁电布拉格反射膜层2\BSTzm缺陷层3\10个周期BST上层铁电布拉格反射膜层4。实施例2耦合光学微腔的制备制备方法与实施例1相同，最后得到结构为钛酸锶衬底1\8个周期BST下层铁电布拉格反射膜层2\BSTzm缺陷层3\6个周期BST中层铁电布拉格反射膜层5\BSTzm缺陷层3\8个周期BST上层铁电布拉格反射膜层4的耦合光学微腔。其中上、下两个铁电布拉格反射膜层的厚度为1.2μm，中间的铁电布拉格反射膜层的厚度为0.8μm，两个缺陷层的厚度均为50nm。图3给出了实施例2耦合光学微腔的反射光谱。为说明光学微腔的工作频率可通过改变工艺参数得到调控，我们在图2中给出了两个不同甩胶速率形成的缺陷层的单模光学微腔的反射光谱。本专利技术的BST铁电布拉格反射膜层，是利用溶剂中的聚乙烯吡咯烷酮聚合物从溶液中分离出来，并在凝胶膜层的底部附近自动凝聚成纳米尺度的微粒，经高温烧结后，聚合物微粒分解，形成孔洞，嵌埋在膜内，从而在一个生长周期中自发形成明显可分、化学上稳定的致密铁电膜层和多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛酸锶钡ＦＰ光学微腔，包括二种结构，一种为单模光学微腔，另一种为耦合光学微腔；其特征在于：单模光学微腔包括：钛酸锶单晶衬底，在衬底上通过化学溶液法依次排列生长如下结构的膜层：衬底＼ＢＳＴＤＢＲｓ＼ＢＳＴ↓［ｚｍ］＼Ｂ ＳＴＤＢＲｓ；耦合光学微腔包括：钛酸锶单晶衬底，在衬底上通过化学溶液法依次排列生长如下结构的膜层：衬底＼ＢＳＴＤＢＲｓ＼ＢＳＴ↓［ｚｍ］＼ＢＳＴＤＢＲｓ＼ＢＳＴ↓［ｚｍ］＼ＢＳＴＤＢＲｓ；上述膜层中的 ＢＳＴＤＢＲｓ为ＦＰ光学微腔的铁电布拉格反射膜层，其厚度为０．５－３μｍ，ＢＳＴ↓［ｚｍ］为ＦＰ光学微腔的缺陷层，其厚度为１０－１００ｎｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡古今，洪学鵾，戴宁，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]