[发明专利]一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔

说明书

技术领域

本发明涉及硅基微纳光子器件技术领域，尤其是一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔。

背景技术

在新世纪介观物理和量子领域面临重大突破的背景下，基于光机晶体微腔的腔光机力学（Cavity Optomechanics）成为近几年迅速引起关注的一个新兴研究方向。腔光机力学研究光子-机械振动的相互作用，而声子是物质晶格机械振动的量子化描述，因此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。可以预见，利用腔光机力学实现片上系统的量子基态，将引发量子控制、精密测量、量子信息领域研究的革命性飞跃。

尽管腔光机力学的研究展示出了极其美好的研究前景，但相关的研究进展尚有诸多的物理难点和技术难点有待探究。例如：理论上如何设计具有高本征机械振动频率、可增强光波模式和机械模式耦合强度的光机晶体微腔，同时如何深入探讨相关的量子理论；实验上如何制备出同时具有高Q值的光子微腔和声子微腔；测试上如何在室温条件下降低环境振动干扰，测试出光机微腔中光波模式与机械振动/声子模式的本征频率并最终实现量子基态等等。而所有腔光机力学相关的研究工作都离不开高品质的光机微腔。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明是为了解决如何利用相同的结构同时形成光子和声子带隙，并局域光子和声子缺陷模式，形成光机晶体微腔。通过对光子和声子的局域，最终实现光子和声子的高效耦合。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔，包括：硅衬底、二氧化硅隔离层、硅平板、顶层二氧化硅层和空气隔离区；

所述硅衬底，用于承载整个光机晶体微腔；

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，所述硅平板包括依次设置的输入波导区、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所述光机晶体微腔区；所述光机晶体微腔区，包括硅波导和空气孔阵列，其用于局域光子和声子缺陷模式，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，位于所述光机晶体微腔区的上方和下方，且位于所述二氧化硅隔离层和顶层二氧化硅层之间。

可选的，所述光机晶体微腔区包括依次设置的第一反射区、缺陷区和第二反射区，所述缺陷区的空气孔半径从缺陷区边缘到缺陷区中心依次递增。

可选的，所述第一反射区、第二反射区以缺陷区中心为轴左右对称。

可选的，所述缺陷区中心的空气孔半径r₁=η·r₀（1<η<2），其中r₀为第一反射区或第二反射区的空气孔半径，η为空气孔半径变化的比例系数。优选的，所述η为1.3。

可选的，所述缺陷区中相邻两个空气孔半径之差为Δr₀（0<Δr₀<r₀），其中r₀为第一反射区或第二反射区的空气孔半径。优选的，所述Δr₀为0.075Δr₀。

可选的，所述硅平板的波导宽度为300nm-800nm，厚度为200nm-500nm。

可选的，所述二氧化硅层的厚度为600nm～3μm。

可选的，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、光机晶体微腔区、输出波导区。

（三）有益效果

区别于背景技术，本发明提供一种基于纳米梁结构的光机晶体微腔，可利用相同的结构同时形成光子带隙和声子带隙，并局域光子缺陷模式和声子缺陷模式，形成光机晶体微腔。通过对光子和声子缺陷模式的局域，最终实现光子和声子的高效耦合。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔示意图；

图2是本发明实施例所提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的三维结构单元；

图3是本发明实施例所提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的俯视图；

图4是本发明实施例所提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的光子能带图；

图5是本发明实施例所提供的基于纳米梁结构的光机晶体微腔的声子能带图；