[发明专利]基于铌酸锂微腔可调光频梳及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于铌酸锂微腔可调光频梳及其制备方法，先利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术在铌酸锂薄膜材料上制备出铌酸锂微腔与集成电极，再通过集成电极对产生光频梳的铌酸锂微腔进行调控，进而实现基于铌酸锂微腔可调光频梳的微纳结构。本发明基于铌酸锂微腔的可调光频梳具有空间形状可任意设计、尺寸可调、高调控效率和高调控范围的特点，在光钟、光通讯、精密光谱探测和量子计算等高科技领域具有很大应用前景。

技术领域

本发明涉及一种微纳光电器件的独特结构及其制备技术领域，特别是一种利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术在铌酸锂薄膜表面制备可调光频梳的方法。本发明适用于在各种薄膜材料表面制备由微腔和集成电极组成可调光频梳的微纳结构。

背景技术

光学频率梳(简称光频梳)的概念于20世纪70年代被提出，光频梳在频域上表现为离散的、等间距的光学频率序列，在时域上表现为超短光脉冲序列，是计时、光通信、精密测量、光谱学领域十分重要的工具。因此，T.W.和J.L.Hall在2005年因为对光频梳技术的开创性工作获得当年诺贝尔物理学奖。传统基于锁模飞秒激光器光频梳的体积庞大价格昂贵，而微腔光频梳因其具有微型化和易于片上集成等特点，拓展了传统光谱梳的应用范围，在光钟、光通讯、精密光谱探测和量子计算等高技术领域具有更好的应用优势【参见文献：Kippenberg T.J.,et al,Science,361,eaan8083(2018)；A.L.Gaeta,.et al.,Nat.Photonics 13,158(2019)】。

铌酸锂晶体具有高的非线性系数和高的电光效应的特性，是微腔光频梳一个理想的发生平台，利用其非线性在铌酸锂微腔中产生光频梳，并利用其电光效应通过集成电极对频率梳进行任意的调控，同时实现芯片上光频梳的微型化和高效快速的电子学调控。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术不能同时制备可产生光频梳的微腔与集成电极结构的不足而提供的一种基于铌酸锂微腔可调光频梳及其制备方法。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于铌酸锂微腔可调光频梳的制备方法，该方法包括下列步骤：

步骤1：准备铌酸锂薄膜材料并镀铬膜

铌酸锂薄膜材料共三层：第一层是铌酸锂单晶薄膜，厚度100nm-5μm；第二层是二氧化硅薄膜层，厚度1μm-10μm；第三层是铌酸锂基底层,厚度100μm-1mm；并在所述的铌酸锂薄膜材料表面镀上铬膜层，厚度50nm-900nm；

步骤2：飞秒激光直写

将所述表面镀铬膜的铌酸锂薄膜材料固定在一台三维可计算机编程控制位移平台上，通过显微物镜将飞秒激光聚焦在所述的薄膜材料表面的铬膜层上，按计算机编程驱动位移平台运动同时启动飞秒激光直写过程，在铌酸锂薄膜材料表面的铬膜层进行去除并直写出所需要的平面掩模图案；

步骤3：化学机械抛光

将飞秒激光直写后的铌酸锂薄膜材料置于机械抛光机内，使用化学抛光液对其表面进行化学机械抛光；铌酸锂薄膜材料表面上没有被飞秒激光直写去除的铬膜保护住铌酸锂薄膜不被化学机械抛光刻蚀，其他区域的铌酸锂薄膜材料被抛光刻蚀为二氧化硅支撑层，最终得到所要的铌酸锂微腔结构；

步骤4：二次飞秒激光直写

将飞秒激光再次聚焦在抛光后的铌酸锂薄膜材料表面，并只对铌酸锂微腔结构的上表面部分铬膜进行选择性直写去除，得到直径小于微腔的圆形电极；

步骤5：湿法化学腐蚀

将飞秒激光再次直写后的薄膜材料放入化学腐蚀溶液中，对所述的铌酸锂微腔的二氧化硅支撑层进行化学腐蚀，得到直径小于微腔的圆形二氧化硅支柱，进而得到悬空的铌酸锂微腔和集成电极即所述基于铌酸锂微腔可调光频梳。