[发明专利]基于分离纳米臂结构的超小动质量光机晶体腔

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Cavity Optomechanics)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。

发明内容

本发明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。

本发明是这样实现的：

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)。