三維光子限制光學微腔結構及其製備方法

2023-06-13 07:10:21 2

專利名稱：三維光子限制光學微腔結構及其製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體光電子信息及微腔量子光學，尤其涉及一種三維光子限制光學微腔結構及其製備方法。
背景技術：
光學微腔是一種將光子限制在光波長尺度內的光學諧振結構。通常的光學微腔結構包括了法布裡-佩羅微腔、基於耳語廊模式的微盤微腔、微球微腔和微環微腔、以及光子晶體或光子帶隙微腔等。近年來，光學微腔已經在包括光子和通訊器件、腔量子電動力學和量子光學、非線性光學和混沌系統動力學、生物醫藥檢測、微機械及光機械等領域取得了長足的進展。
從光學微腔的發展歷史看，每當一種新型的高品質光學微腔結構出現，都會激起一系列相關物理及器件的研究。同時，根據Purcell效應，高品質因子和小模式體積是光學微腔調控原子自發輻射速率的關鍵參數，也是光學微腔設計所追求的目標。理論上，三維光子限制光學微腔，可以兼顧這些目標。但是從已有的研究看，微球微腔雖然能夠實現三維光子限制，但其不易與晶片集成，且模式體積較大。相關技術中的矽基光子微腔結構的製備方法包括在製備好的凸起的圖形襯底上澱積一維微腔結構(包含上下兩個布拉格反射器和中間的缺陷層)，由於共形生長的效果，形成對微腔中缺陷層(或有源層)三維限制的效果。然而，在實際應用過程中，尤其是在生物化學傳感領域應用的過程中，並不容易在結構表面上修飾樣品，並進行測量；同時由於這一結構將光場限制在其中心位置，並非在其表面，導致其檢測結果不精確，效果不明顯。因此，有必要提出一種新的三維光子限制光學微腔結構及其製備方法來解決上述問題。

發明內容
本發明提供了一種方便測量及分析，檢測精度高，具有廣泛應用價值的三維光子限制光學微腔結構及其製備方法。本發明採用如下技術方案
一種三維光子限制光學微腔結構,其包括設有凹坑的娃襯底、在凹坑中共形生長的娃基凹形布拉格反射器薄膜及置於所述凹形布拉格反射器薄膜上方，用以進行光激發和光測試的光纖端面。—種三維光子限制光學微腔結構的製備方法，其方法包括提供娃襯底，在娃襯底上製備微米級的凹坑結構；在所述矽襯底的凹坑上沉積布拉格反射器薄膜；提供用以進行光激發及光探測的光纖端面，將所述光纖端面置於布拉格反射器薄膜的上方。優選的，所述凹坑設有底部及側壁，在所述矽襯底的凹坑上沉積布拉格反射器薄膜後，所述凹坑的底部及側壁均形成布拉格反射器結構。優選的，將所述光纖端面垂直地置於布拉格反射器薄膜的正上方，並密封住所述凹坑的開口。優選的，所述光纖端面置於布拉格反射器薄膜的上方之前還包括，將光纖端面直角切割及拋光處理。優選的，在所述矽襯底上刻蝕的凹坑的橫向尺寸為IMm lOOOMm，縱向尺寸為Inm 200Wno優選的，所述凹坑中生長布拉格反射器薄膜的厚度為λ Xnm /4，其中，λ為三維光子限制光學微腔結構的中心波長，nm為薄膜在該波長處的折射率。優選的，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替澱積而構成，所述第一薄膜的材料為氧化矽，所述第二薄膜的材料為氮化矽。優選的，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替澱積而構成，所述薄膜採用氧化矽材料而製成，第一薄膜的氧含量及矽含量與第二薄膜的氧含量 及娃含量不同。優選的，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替澱積而構成，所述薄膜採用氮化矽材料而製成，第一薄膜的氮含量及矽含量與第二薄膜的氮含量及娃含量不同。本發明的優點在於本發明在襯底上製備凹形坑狀結構，並在其上澱積布拉格反射器多層薄膜結構，結合測試光纖端面，形成對凹形結構中所注入樣品的三維空間限制和光場限制。這一結構中可以很方便地引入多種樣品，具有廣泛的適應性，結合光纖測量技術，可以很方便的實現樣品光譜測量，實現定性及定量分析。在半導體光電子信息、生物傳感檢測及微腔量子光學領域都有廣泛的應用價值。由於整體器件結構製備過程與微電子CMOS工藝兼容，這一器件製作成本較低，易於產業化。


圖I為本發明三維光子限制光學微腔結構較佳實施例的剖面示意 圖2(a)_(f)為本發明三維光子限制光學微腔結構的製備方法的較佳實施例的步驟示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。如圖I所示，為本發明三維光子限制光學微腔結構的較佳實施例的剖面圖，三維光子限制光學微腔結構10包括設有凹坑110的矽襯底11，在凹坑110中沉積有矽基凹形布拉格反射器薄膜12及置於所述凹形布拉格反射器薄膜12上方，用以進行光激發和光測試的光纖端面13，其中，布拉格反射器薄膜12由第一薄膜121和第二薄膜122兩種折射率不同的材料交替澱積而構成。優選的，所述第一薄膜121由氧化矽製成，第二薄膜122由氮化矽製成。當然，第一薄膜121和第二薄膜122也可以均採用氧化矽製成，即調節兩種薄膜中氧化娃的氧含量和娃含量，使得第一薄膜121的氧含量和娃含量不同於第二薄膜122的氧含量和矽含量；同理，第一薄膜121和第二薄膜122也可以均採用氮化矽製成，方法與氧化矽相同。這樣，就可以保證第一薄膜121和第二薄膜122的折射率不同，從而在凹坑110內交替沉積而形成所需的布拉格反射器薄膜12。如圖2所示，為本發明三維光子限制光學微腔結構製備方法的較佳實施例的步驟示意圖，該方法包括如下步驟
步驟001 :參照圖2 (a)至圖2 (d)，提供矽襯底11，在矽襯底11的兩端設置掩膜102，對未設掩膜102的部位用光刻技術及刻蝕工藝，刻蝕出微米級的凹坑110，其中，矽襯底11設有上表面103及與上表面103相對的下表面104，所述凹坑110自上表面103向下表面104延伸而成，且其包括與上表面103相連的側壁105及與側壁105相連的底部106，在本實施例中，刻蝕工藝幹法刻蝕，當然，也可以採用溼法刻蝕；
步驟002 :參照圖2(e)，在矽襯底11的凹坑110上利用薄膜澱積的工藝沉積出矽基凹形布拉格反射器薄膜12,該布拉格反射器薄膜12的沉積範圍包括娃襯底11的上表面103、凹坑110的側壁105及底部106，且布拉格反射器薄膜12由兩種折射率不同的材料交替澱積而構成，檢測時，需將待測物品放入布拉格反射器薄膜12中；
步驟003 :參照圖2 (f)，提供用以進行光激發及光探測的光纖端面13，對該光纖端面13進行直角切割及拋光處理，將光纖端面13靠近矽襯底11的上表面103移動，並垂直地置於凹形布拉格反射器薄膜的正上方，以封住凹坑110的開口，即可最終形成凹形布拉格反射器薄膜與光纖端面共同構成的三維光子限制光學微腔結構。在本步驟中，光纖切割，可通過光纖切割刀完成，端面拋光可用光纖拋光薄膜完成。在本實施例中，在所述矽襯底上刻蝕的凹坑的橫向尺寸為IMm lOOOMm，縱向尺寸為Inm 200Mm。凹坑中生長布拉格反射器薄膜的厚度為λ Xnm /4,其中，λ為三維光子限制光學微腔結構的中心波長，nm為薄膜在該波長處的折射率。優選的，步驟001中的光刻技術通過紫外光刻機完成，光刻條件為光刻模式Hard模式；曝光時間4. 5秒至7秒；顯影時間30秒至50秒。優選的，步驟001中，幹法刻蝕的條件為刻蝕氣源包括SF6、02、、C4F8其流量分別為20sccm 至 30sccm、20sccm 至 50sccm、20sccm 至 50sccm ;刻蝕功率為 400W 至 1000W ;射頻功率為40W至70W ;反應腔壓力為4 mTorr至10 mTorr (毫託)；刻蝕時間為4分鐘至10分鐘。刻蝕完畢後，用丙酮、異丙酮超生5鍾分至10分鐘去除掩膜材料光刻膠。若採用溼法刻蝕工藝，則可以應用氫氟酸、硝酸及二者的混合液，或氫氧化鉀溶液等。優選的，步驟002的薄膜澱積可以通過增強等離子體化學氣相沉積(PECVD)技術、或低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術、或電子束蒸發、或濺射等方法實現。以澱積氧化矽薄膜的PECVD工藝為例，薄膜生長條件如下功率源頻率為13. 56MHz，基片溫度為350°C，工作氣壓為2000mTorr ;氣源為SiH4、N20、Ar ;通過調節不同氣源間的比例、沉積氣壓、沉積時間可以調節薄膜的折射率和厚度。通過在步驟001所得的凹坑中交替沉積高低折射率且光程為1/4設計波長的矽基薄膜，可以得到布拉格反射器結構。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種三維光子限制光學微腔結構，其特徵在於，該結構包括設有凹坑的娃襯底、在凹坑中共形生長的矽基凹形布拉格反射器薄膜、及置於所述凹形布拉格反射器薄膜上方且用以進行光激發和光測試的光纖端面。
2.—種三維光子限制光學微腔結構的製備方法,其特徵在於該方法包括提供娃襯底，在矽襯底上製備微米級的凹坑結構；在所述矽襯底的凹坑上沉積布拉格反射器薄膜；提供用以進行光激發及光探測的光纖端面，將所述光纖端面置於布拉格反射器薄膜的上方。
3.根據權利要求2所述的三維光子限制光學微腔結構的製備方法，其特徵在於，所述凹坑設有底部及側壁，在所述矽襯底的凹坑上沉積布拉格反射器薄膜後，所述凹坑的底部及側壁均形成布拉格反射器結構。
4.根據權利要求2所述的三維光子限制光學微腔結構的製備方法，其特徵在於，將所述光纖端面垂直地置於布拉格反射器薄膜的正上方，並密封住所述凹坑的開ロ。
5.根據權利要求2或4所述的三維光子限制光學微腔結構的製備方法，所述光纖端面置於布拉格反射器薄膜的上方之前還包括，將光纖端面直角切割及拋光處理。
6.根據權利要求2所述的三維光子限制光學微腔結構的製備方法，其特徵在於，在所述娃襯底上刻蝕的凹坑的橫向尺寸為IMm IOOOMm,縱向尺寸為Inm 200Mm。
7.根據權利要求2所述的三維光子限制光學微腔結構的製備方法，其特徵在於，所述凹坑中生長布拉格反射器薄膜的厚度為λ Xnffl /4，其中，λ為三維光子限制光學微腔結構的中心波長，nm為薄膜在該波長處的折射率。
8.根據權利要求2所述的三維光子限制光學微腔結構的製備方法，其特徵在於，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替澱積而構成，所述第一薄膜的材料為氧化矽，所述第二薄膜的材料為氮化矽。
9.根據權利要求2所述的三維光子限制光學微腔結構的製備方法，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替澱積而構成，所述薄膜採用氧化矽材料而製成，第一薄膜的氧含量及娃含量與第二薄膜的氧含量及娃含量不同。
10.根據權利要求2所述的三維光子限制光學微腔結構的製備方法，布拉格反射器薄膜由兩種折射率不同的第一薄膜和第二薄膜交替澱積而構成，所述薄膜採用氮化矽材料而製成，第一薄膜的氮含量及娃含量與第二薄膜的氮含量及娃含量不同。
全文摘要
本發明涉及半導體光電子光學領域，提供了一種三維光子限制光學微腔結構及其製備方法，其製備方法具體包括提供矽襯底，利用光刻及刻蝕工藝在矽襯底上製備微米級的凹坑結構；在所述矽襯底的凹坑上沉積凹形布拉格反射器薄膜；提供用以進行光激發及光探測的光纖端面，將所述光纖端面置於凹形布拉格反射器薄膜的上方，即形成凹形布拉格反射器薄膜與光纖端面共同構成的三維光子限制光學微腔結構。通過該方法製備的三維光子限制光學微腔結構可以方便測量及分析，檢測精度高，具有廣泛應用價值。
文檔編號B81C1/00GK102838080SQ20121033617
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者錢波, 李永壘, 蔣春萍 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所