（核技术及应用专业论文）微盘光谐振腔的制作研究.pdf

中国科学技术大学溥学靛论文 摘要 光谐振腔内的光的不断循环，使得在谐振腔频率附近的光能量的储存成为可 能，光学微谐振腔的场的作用和反作用之间的相嚣作用可以成为一些基础研究领 域鲍关键，例如腔量予魄动力学实骏，自发发射按剃，非线性光学，生物化学探 溅竣及量子信患楚霪。豁强音壁蒺式王接豹毫经戆先学徽菠( 氛捂檄茬、叛纛瑷 及微球体) 以其所具有的超高品质系数，小模式体积，以及相对简单的制作过程， 使得它们成为f p 型微腚以外的最有前途的腔量子电动力学研究手段。基于腚量 子电动力学的量子运算的实现，是一种非常有前途及希望实现的量子计算方式， 瑟毒毒痰量子计算撬靛蒸疆是量子门，逛溺裹毪戆徽黢哥实瑷量予门。本文圭蘩对 采用光刻以及干法刻镶进行微盘谐振腔制作工艺进行研究，并给出得到了通道光 刻、反应离子束刻蚀、x e f 2 刻蚀得到高q 值光微谐振腔的研制结果。论文主要 工作和创新之处包括： 1 ) 在国内蓠先通过光猁方法以及予法裁镪方法褥戮蔫q 蓬狻鑫谐振整，徽焘齄 的q 值选到约1 1 0 5 。光刻法制作徼盘谐振腔的制作步骤为；光刻，包括潦片 处理，甩胶，曝光，显影以及光刻胶的处理等；对二氧化硅层的剡蚀，以形成微 谐振腔图形；对二氧化张层下硅层的选择性刻蚀，形成微谐振腚支撑。采用搬刻 工艺方法髑雩# 毫q 鏊微鑫夔，不毽溪泼避免瀵状秘蘧俸鼗戆一整不蹇穗经，霜 时制作工教保证了高q 值微盘腔制作的几何尺寸可控性以及制作的重复饿，作 为随后在嫩子信息和量子逻辑器件方面的实验研究工作的技术藻础。 2 ) 对到终过程孛光刻王艺送行了实验骚究。基片处理、涂黢、兜亥l 荻翡蘩烘帮 后烘、臻光参数、显影参数等许多方蕊都影响着僚为随后刻镶工艺掩模豹光猁胶 浮雕图形质量，并最终影响微谐振胺的性能。通过实验，我们的到了适宜的光刻 工艺参数。 3 ) 翱终s i c h 该盘谐强靛腔俸熬磷巍。侵蘑c 群3 麓心静混合气体反应离子震刻 蚀r i b e 进行s i 0 2 盘成溅是可行的，反应气体c h f 3 的引入，w 提高光刻胶掩模 与s i 0 2 的选择比，并通过调整离子熊量、束流密度以及入射角度，得到较快的 s i 0 2 刻蚀速率以及一定范围内可控的侧壁陡直度，可用于制作符合要求的s i 0 2 徽盘谮强菠图形。在搬谗叛整毒l 佟实验孛凌爱2 ：1 瓣c h f g a r 溪会气薅终凳王撵 气体的r i b e 制作静s i 0 2 微谐振腔，得到了边缘清晰、光滑，具有近似羹藏铡 壁的s i 0 2 微谐振腔腔体。实验证明，此种刻蚀方法制作s i 0 2 微谐振腔腔体鼹有 精度高和易于进行刻蚀控制的优点，对保证微谐振腔的几何特缎和物理特性是有 利的。在瓣际上黄次遴j 建r i b e 褥副熊存垂壹铡黢魄s i 0 2 微 蠹振腔。 4 ) 对采阁适宜的s i 刻蚀方法得到s i 0 2 微盘谐振腔支撑进行实验研究。x e f 2 对 s i 进行的刻蚀是一种备向同性的刻蚀，各方向的刻蚀速率与晶向或者硅掺杂物无 关，丽且此反应不需要进行气体电离，在室温下即可进行，使用的刻蚀系统结构 蔫摹，袤镪条 孛易于控翱。麴疆爱熬疆表嚣耀髓纛与亥l 疆嚣静x e f 2 气体嚣强有 直接的关系。针对这种猁蚀，我们研制了一种简单的刻蚀系统，并成功地以光刻 中国科学技术大学博士学位论文 胶和s i 0 2 作为掩模层，实现了硅的深度刻蚀和侧面掏空的刻蚀，其刻蚀选择比 大于1 0 0 0 ：1 ；在x e f 2 对硅所进行的刻蚀过程中，不会对已经成型的s i 0 2 微腔造 成明显的几何形状影响，以此保证其物理特性；此刻蚀手段应用于微盘谐振腔制 造过程中，得到了“蘑菇状”的s i 0 2 s i 结构的微盘谐振腔，为后续的微腔激光 和量子信息逻辑器件的研制奠定了基础。 关键词：微盘光谐振腔微细加工光刻反应离子束刻蚀( r i b e ) x e f 2 刻蚀高 q 值s i 0 2 微腔 孛国辩学技零- 大学薅：l ：学秘论文 f a b r i c a t i o no fm i c r o d i s ko p t i c a lr e s o n a t o r s a b s t r a e t r e - c i r e n l a t i o no f l i g h tw i t h i no p t i c a lm i e r o r e s o n a t o r s v o l u m e se n a b l e st h es t o r a g eo f o p t i c a lp o w e rn e a rs p e c i f i cr e s o n a n tf r e q u e n c i e s ，t h ei m e r a c f i o no f a c t i v eo rr e a c t i v e n i a l e r i a lw i t ht h em o d a lf i e l d so f o p t i c a lm i c r o r e s o n a t o r sp r o v i d e sk e yp h y s i c a lm o d e l sf o rb a s i c r e s e a r c hs u c ha sc a v i t yq u a n t u me l e c t m d y n a m i c s ( q e d ) e x p e r i m e n t s , s p o n t a n e o u se m i s s i o n c o n t r o l ，n o n l i n e a ro p t i c s , b i oc h e m i c a ls e n s i n ga n dq u a n t u mi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g o p t i c a l 毯g hq u a l i t yo p t i c a lm i c r o r e s o n a t o r sw h i c hw o r ki nt h ef o r mo f w h i s p e r i n gg a l l e r y m o d e ( w g m ) ，s u c ha sm i c r o c y l i n d e r s ，m i e r o d i s k s a n dm i c r o s p h e r e sh a v e b e e n a c h i e y e d 1 r i 坞c o m b i n a t i o no f t h e i ru l t r a h i g hq u a l i t yf a c t o r , v e r ys m a l lm o d ev o l u m e , a n dr e l a t i v e l ye a s yf a b r i c a t i o np r o c e s s ，m a k e st h e mp o t e n t i a lm e a n sf o rc a v i t yq e d e x p e r i m e n t s 露壕p r o p o s a lb a s e d 0 1 1c a v i t yq u a n t u me l c c t r o d y n a m i o s ( q e d ) i so n eo f t h em o s tp o t e n t i a lo n e st or e a l i z eq u a n t u mg a t e s ，w h i c ha r et h em o s tp i v o t a ld e v i c e si n t h ee x p e r i m e n t a ls c h e m e st or e a l i z eq u a n t u mc o m p u t a t i o na n dq u a n t u mc o m p u t e r i n t h i sp a p e r , w er e s e a r c ht h et e c h n i c st of a b r i c a t em i e r o d i s ko p t i c a lr e s o n a t o r sw i t h p h o t o l i t h o g r a p h ya n de t c h i n g , a n d 妞辍g 盎q ( a b o u tl 1 0 m i c r o d i s ko p t i c a l r e s o n a t o r sh a v eb e e na c h i e y e dw i t hs t a n d a r du v p h o t o l i t h o g r a p h y , r e a c t i v ei o nb e a m e t c h i n g ( r i b e ) a n ds i l i c o ne t c h i n gw i t hx e f 2 t h em o s ts i g n i f i c a n ta d v a n c eo f t h e w o r kd e s c r i b e di nt h i st h e s i si sa sf o l l o w 1 1 霸托s i l i c am i c r o d i s ko p t i c a lr e s o n a t o rw h i c he x h i b i tw h i s p e r i n g o g a l l e r y - t y p e m o d e sw i t hq u a l i t yf a c t o r s q ) l l 妒h a v eb e e nf a b r i c a t e df i r s t l yw i t hs t a n d a r d p h o t o l i t h o g r a p h i ct e c h n i q u e sa n dd r ye t c h i n gi nc h i n a n 圮f o l l o w i n gf a b r i c m i o n s t e p sh a v eb e e na d o p t e d ：s i l i c o nw a f e r sc o a t e dw i t hc e l t a i nt h i c k n e s ss i l i c o n d i o x i 如( s i c h ) 瓣p a i n t e dw 纳p h o t o r e s i s t a n t ( p 糊；m a s kg r a p h i c si sw a n s f e n c a 耋。p 袋o v e rs i l i c aw i t hs t a n d a r dp h o t o l i t h o g r a p h ；p rg r a p h i c si st r a n s f e r r e dt o s i f l e al a y e rw i t hi o nb e a me t c h i n g ( 1 b e ) ：s i l i c o nu n d e rt h es i l i c ad i s ki se t c h e d w i t hi s o t r o p i cs i l i c o ne t c h i n gt of o r mm u s h r o o ml i k em i c r o r e s o n a t o r s 1 1 1 e m i c r o d i s ko p t i c a lr e s o n a t o r sa r ef c e et b r mn e g a t i v ec h a r a c t e ro f m i c r o s p h e r e c a v i t y , f a b r i c a t i o np r o c e s sw i t hs t a n d a r dp h o t o l i t h o g r a p h ya n dd r ye t c h i n gc a n a c h i e v eg e o m e t r yc o n t r o la n dt h e 泖e a t a b l ef a b r i c a t i o no f h i g hqm i c r o d i s k c a v i t y ；t h er e p e a t a b l ea n dc o n t r o l l a b l em i c r o r e s o n a t o r sf a b r i c a t i o np r o c e s sc a l l p r o v i d et h ef a v o r a b l ep r o p h a s et e c h n i c a lf u n d a m e n to f d e v e l o p m e n to f q u a n t u m g a t e s 筋疆撼r e s e a r c ho f p h o t o l i t h o g r a p h yt e c h n i c si nt h i sf a b r i c a t i o np r o c e s s 。弼掉w a f e r c l e a n i n g ，p h o t o r e s i s tp a i n t i n g , p r e b a k ea n dl a t t e r - b a k eo f p e x p o s a l ，d e v e l o p i n g a l lc a na f f e c tt h ep rf i g u r e s ，w h i c ha r et h em a s k so fi a t t e re t c h i n ga n dd e f i n et h e m i e r o r e s o n a t o r s c a p a b i l i t y t h e s et e c h n i c sp a r a m e t e r sh a v eb e e no p t i m i z e dw i t h e x p e r i m e n t s 3 r e s e a r c ho f f a b r i c a t i o no f t h es i 0 2m i c r o r e s o n a t o r s 弼艟r e a c t i v ei o nb e a m e t c h i n gw i t ha r c h f 3m i x e dw o r kg a sh a sb e e nu s e dt of o r m t h es i 0 2m i c r o d i s k s ， h l 中国科学技术大学博士学位论文 t h ep rt os i 0 2e t c h i n gs e l e c t i v i t yh a sb e e ni m p r o v e dw i t ht h ea d d i t i o no f c h f 3 ， a n dt h ec o n t r o l l a b l es i d e w a l la n g l ec a nb e e na c h i e v e dw i t hs u i t a b l ei o ne n e r g y , g a sc o m p o s i t i o na n di n c i d e n ta n g l e i nt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so f m i c r o d i s k r e s o n a t o r s t h es i 0 2m i c r o d i s kc a v i t yh a sb e e na c h i e v e dw i t hr i b ew i t h2 ：1 c h f 3 a rm i x t u r ew i t hs m o o t he d g ea n dv e r t i c a ls i d e w a l l 他e t c h i n gm e t h o d h a sf a v o r a b l et r a i l s f e rp r e c i s i o na n dc o n t r o l l a b i l i t y , w h i c hi si m p o r t a n tt ok e e d m i c r o c a v i t y sg e o m e t r i c a la n dp h y s i c a lc h a r a c t e r t h es i 0 2m i c r o d i s kr e s “) n a t o r s w i t hv e r t i c a ls i d e w a l lh a v e b e e na c h i e v e dw i t hm b ei nt h ew o r l d 4 、r e s e a r c ho f t h es i l i c o ne t c h i n g t h i ss i l i c o ne t c h i n gi su s e dt of a b r i c a t et h es i l i c o n p i l l a ru n d e rt h es i 0 2m i c r o d i s k ，w h i c hs u p p o r tt h em i c r o r e s o n a t o r s x e f 2c a n r e a c tw i t hs i l i c o ni nr o o mt e m p e r a t u r ea n db eu s e d 锄s i l i c o nd r ye t c h i n gg a s i ti s al 【i n do f i s o t r o p i cd r ye t c h i n g ax e f 2p u l s ee t c h i n gs y s t e mw i t l ls i m p l es l r u c t u r e a n de a s yo p e r a t i n gh a sb e e nc o n s t r u c t e dt op e r f o r ms i 0 2 s ie t c h i l l g w i t l lt h i s s y s t e m 。t h em u s h r o o m - l i k es i 0 2 s is t r u c t u r eh a sb e e nf a b r i c a t e d a n dt h ee t c h i n g s e l e c t i v i t yb e t w e e ns i l i c o na n ds i l i c am a s ke x c e e d1 0 0 0 s i 0 2m i c r o d i s k r e s o n a t o r sh a v eb e e nf a b r i c a t e db yt h i se t c h i n g ，w h i c ha r et h ef u n d a m e n to f t h e f u t u r eq u a n t u mc o m p u t a t i o nr e s e a r c h k e y w o r d s ：m i c r o d i s ko p t i c a lr e s o n a t o r , m i c r o f a b r i c a t i o n ，p h o t o l i t h o g r a p h , r e a c t i v e i o nb e a me t c h i n g ( r i b e ) ，x e f 2e t c h i n g ，h i g h - qs i l i c am i c r o e a v i t y - 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所里交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成暴。除已特别加以标往和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权接有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据庠进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密韵学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 牛 年月墨 串国辩学技术丈学簿士学位论文 第一章绪论 1 1 光微谐振腔简介 第一章绪论 微小的水演由于袭嚣张力可能形成球形，全内反射翡光线在这秘球体蠹形成 翅会霾路掰对痤豹受蔽模式往经具露缀高戆瑟爱鞭子。对这耱凳学微驻熬磷究- 虿 以上溯到近1 0 0 年前对尺度与光波长相当的云的水滴和悬浮胶体粒子对光敞射 作用的研究，云中的水滴可能含有自然形成的具肖高品质因子( q 因子) 的球形 谐振腔，蕊光教射受肢中模式的影响。p u r c e l l 在1 9 4 6 年提出微腔中模式态密度 交纯薅跃i 薹露搴熬瓒焱佟爱，这是最肇涉及镞黪审蹇发辐瓣控髑戆疆究。实舔上 在光学微腚中，除了态密度的改变，腔中不同点模式场强的变化也对相应位鬻的 辐射几率有调制作用。在光学微腔中，自发辐射会受到调制，人们据此能够研制 出具有极低阈值的微腔激光器及商效率的发光管，瓶且光学微腚在量子光学、量 子邀动力学、j 线性光学等方垂也鸯谗多僮褥磺究匏物理闫纛。今天，滚滚形成 静徽蕴以及玻璃微球巾静回音壁模戏( w h i s p e r i n gg a l l e r ym o d e w g m ) 弓| 超入 们的很大蘸视，实验上融观察到模式q 因子达到l o ”的玻璃微球。 在一个绝缘空体积内的光的不断循环，使得襁谐振腔频率附近的光能量的储 存成为可熊，光学微谐振腔的场的佟用移反作用之闻的相互作用可以成为一贱基 磴磅究鬏城戆关毽，髑翔驻量子毫秘力学实验# 嗣，发射控割 3 , 4 1 ，菲线往毙学 5 - 7 ， 生物化学撩测捌以及鬣予信息处理m “。 基于腔量子电动力举( c a v i t y o e d ) 量子运算，即分布式的量子运算，这 是一种非常有前途及希缀实现的量予计算方式，丽构成量子计辣机的基础是爨子 羹。竣w g ( 霾音壁摸茂) 筷式工豫豹毫毪笈毙学徽整，这惫戆徽柱、徽蠹叛及 微球摔。箕所具有的麓商品质系数一q ，小模式体积一v ，以及褶对简单酌制作 过程，使得它们成为f p ( f a b r y p e r o t ) 型微腔以外的最有前谂的腔量子电动力 学研究手段。已经有对微盘以及微环形谐振腔进行的研究工作，得到了超黼q 值的微环谤振整，鼗类谶振腔可与光绥镶进行有效藕合瞄l ，使用戴类微谐振腔实 现萃冀徽谐振整与添予之鬻静强耩会鞋o j 。 微谐振腔的发展，不仅在基础科学研究领域也有其应用，而且可以应用于光 电器件技术。基于可以约束光子和电予的光学微谐振腔的光电予元件是下一代小 尺寸、低熊量以及高速光路( p h o t o n i cc i r c u i t s ) 的麓础。通过改变谐振腔的形状、 足寸菇及耱秘成分，微港振整霹戮爨珙一系襄翼露特定懿投瞧、频率鞋及笈瓣霾 案的光( 蝤电磁) 模式的光谱。如此，可以在将来发展用来制作新型光器馋，例 如发光：极管、低阈使微激光器、超小型光过滤器、波分复用器( w d m w a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l t i p l e x e d ) 的歼关以及彩色驻示等等。 1 2 镀谐振艟中光约柬翡税理跌及谐振整静蒸零特毪 1 2 1 光约束机理 竞谐振憝秀实瑗惫绣束辑嚣臻鹣嚣理毒二：箕一是在绝缘辑搴季瑷及冀蠲黧空 气的交界丽上发生的( 近似) 内部龛反射；其二怒由一些周期结构，例如多朦结 中国科学技术人学博十学位论文 第一章绪论 构或者是孔阵列，所引发的分布式布拉格( b r a g g ) 反射。微谐振腔所提供的光 模式的光谱由其形状以及尺寸所决定。满足上述一种或者两种光约束机理谐振腔 几何形状的巨大差异，开创了宽广的研究领域，并且增加了其实用化的途径。 对于不同的用途，首先需要满足的条件是实现紧凑形状( 小的模式体积，v ) ， 高的模式品质系数q ，以及宽的自由光谱区( f s r ) 。更加紧凑的微谐振腔才能 满足大规模集成以及在宽波长范围内的单模式工作的要求；q 值是对谐振腔储存 以及使光循环能力的定量描述，通常定义为微谐振腔储存的能量以及消散能量之 间的比值。在实际器件应用中，微谐振腔的高q 值意味着窄的谐振行距，衰减 时间长，而且光的亮度高；应用于波长区分多路转换器则要求宽的自由光谱范围 ( 相邻的高o 值谐振腔之间的空间) 。q v 的比值决定了微谐振腔中不同光之间 的相互作用的强度，也就是自发发射速率的增强，对于微激光器应用以及量子电 动力学实验，此值应该尽量大。但是，因为q 值随着腔的尺寸是以指数形式降 低的，因此高q 值的光波长尺寸的微谐振腔是难以制造的，也就是通常对高q 值的要求和紧凑性能( 大的自由谱区f s r 、小的模式体积v ) 是相互矛盾的。 1 2 2 光谐振腔类型及特性 近几年内已经报道了有不同用途的各种形状的微谐振腔( 表1 中列举了一些 比较普遍的微谐振腔形状以及它们的工作模式、基本特性) 。其中得到最广泛应 用的是旋转对称结构，例如球体，柱体，圆环，以及盘，这些都具有非常高的回 音壁( w g ) 模式q 值，此模式下的场强分布集中在绝缘体一空气的交界面。硅 微球体具有最高的q 值( 接近9 x1 0 9 ) 【5 0 j ，但同时其产生的非常密集的多极简 并w g 模式谱，使得其在谱分析以及激光器稳定方面的问题变得极为复杂。 最近报道的微环形谐振腔 1 4 - 1 8 】，不但具有相当高接近微球体的w g 模式q 值，而且同时可以减小w g 模式的体积，增加共振器的自由谱空间( f s r ) ，可 以在芯片上与其他器件集成。 基于平板波导技术发展出的圆形微环以及微盘谐振腔，当直径在1 l o 微米 范围内时，工作在强约束w g 模式时其q 值可达到1 0 4 1 0 5 ，被广泛应用为微激 光器腔 1 1 , 12 】【1 7 , 1 8 】1 2 5 1 以及w d m 网络设备的滤波器1 1 9 - 2 2 。近几年的研究中，采用楔 形边缘的微盘【2 3 】腔的q 值超过lx1 0 6 ，而抛光晶体腔 2 4 j 的q 值超过1 0 ”。 与圆形微盘谐振腔同时发展并取得研究进展的还有椭圆1 2 6 埘j ，四极圆1 2 9 , 2 9 以及证方形0 0 3 1 】的谐振腔。由其尺寸以及变形度的不同所决定，这些微谐振腔可 以提供的数种光模式，具有差别巨大的q 值、近场强度分布以及发射图案【3 2 。t l ， 如图1 1 中所示。这些谐振腔具有不同的二度简并w g 模式、光发射方向性，并 可更加有效地同直线波导耦合，因此可发展出不同的滤波器以及激光应用。 平面光学晶体微腔，是由在平板上刻蚀而形成的孔洞阵列组成，已经被证明 可以具有高的q 值，以及超小型的，与波长尺度相近的体积0 4 “j 。在这些腔中， 光子的能带隙效应( 在特定的频率范围内在所有的传播方向上满足布拉格 ( b r a g g ) 反射条件) ，被应用于在腔平面上的光的强约束，将光约束在空气与平 板的交界面上【3 7 l 。现今的制造技术可以精确控制光子晶体腔的几何特性，并可以 灵活地改变孔洞的形状、尺寸以及图案，从而可以使得缺陷模式的波长、q 值和 发射图案的精密调整成为可能1 3 8 , 3 9 。 对于微柱体结构的谐振腔【1 3 1 1 4 0 4 3 1 ，横向的约束模式是由于半导体一空气交界 面上的内部全反射，纵向的约束则由一对分布式布拉格反射体实现。因此，对这 2 一 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 种结构的微谐振腔，可以视其为在一个纤维上的光子晶体缺陷腔。当它们工作在 f a b r y - p e r o t 型模式下，q 值较高而调制体积小，这使得它们在微激光器应用，以 及作为腔量子电动力学现象观测手段等方面有广阔的发展前景。 ( 1 ) 图1 1 近似w g 模式下的近场分布示意图( a ) 方形微盘谐振腔；( b ) 四极圆谐振腔b o w - t i e 模式；( c ) 六角形光学晶体缺陷腔单极模式 f i g 1 1n e a r - f i e l di n t e n s i t yp o r t r a i t so f aw g l i k em o d ei n ( a ) as q u a r em i c r o d i s kr e s o n a t o r a n d ( b ) ab o w - t i em o d ei naq u a d r u p o l a r ( s t a d i u m ) r e s o n a t o ra n d ( c ) am o n o p o l em o d ei na h e x a g o n a lp h o t o n i cc r y s t a ld e f e c tc a v i t y 表1 1 光学微谐振腔的类型及特性 中国科学技术大学博十学位论文第一章绪论 微盘 近似内部全反射 回音壁模式 调制体积小于球体结构； 非常高的q 值( 5 x 1 0 8 ) 方位角模式光谱被减少； 适用于芯片集成 a r m a n i ，d k e ta l ， 2 0 0 3 ，n a t u r e4 2 1 ： 9 0 5 9 0 8 4 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 还有其他基于对称性布拉格反射进行光约束的光学微腔，包括基于布拉格反 射体包围的径向排列的空格构成的平面环型布拉格谐振腔h 4 】，及其在三维上的相 似类型一球状布拉格“洋葱型”谐振腔1 4 ”。 1 3 光微谐振腔元件及应用 在将来的基础研究以及实际应用方面，光微谐振腔的应用将会不断增长，目 前对其将来应用做出全面的预测是不现实的，同样地，也不能对其所有具体应用 方面的进展做出估计。下面介绍的只是目前出现的几种主要的新兴用途，以及其 对微谐振腔提出的形状、材料、特性以及稳定的制造过程的要求。 1 3 1 与其他元件集成 在设计以及制作集成化的光谐振腔元件以及系统过程中，最为困难的是保证 对在微谐振腔进出的光作出有效地耦合，而不会进一步压缩其狭窄的共振问距。 还需要注意的就是，制造过程的成本和稳定性、重复性的控制。微谐振腔耦合阵 列实现的难易程度，以及在芯片内的集成性能如何，都是影响将来的微谐振腔发 展的重要因素。 棱柱半光纤侧耦合光纤锥 光纤头斜面平面型以及光学晶体型波导 图1 2 各种形式的微谐振腔耦合元件 f i g 1 2v i r i o u s l y p o f m i c r o r e s o n a g 0 fc o u p l i n g d e v i c e s 比较广泛使用的微谐振腔耦合元件是具有不同几何形状的各种瞬发场耦合 器，其中有棱柱、锥形光纤、平面型以及光学晶体型波导等，如图1 2 中所示。 进出微谐振腔的光能量的传递效率是可控的，控制手段有调整谐振腔和耦合元件 的模式场、调整模式传播常数或者改变瞬发场耦合区域的长度等。使用棱柱作为 耦合元件，需要使用大量的光学元件来对光进行聚焦和校正，它们一直被用作将 光耦合入微球体的元件1 8 0 1 1 7 _ ，也可以用与正方形谐振腔的耦合m 】。使用光纤锥 可以被用来与微球体谐振腔 6 5 1 , 5 2 1 以及微环谐振腔耦合口1 i ，此中方法有其优越之 处，首先是具有自然形成的耦合准直，还有相对简单的制造手段以及在芯片内的 可集成性，而且只需要通过改变光纤的直径这个简单的手段就可以控制耦合效 率。而以光学晶体制成的微谐振腔，通常是通过平板波导 2 0 - 2 2 8 3 】或者是光学晶体 中国科学技术大学博士学位论文第一章绪论 波导【3 6 】耦合。 微盘以及微环型微谐振腔的特点是尺寸小而且具有很强的光约束作用，这使 得它们成为未来大规模集成光路的重要选择，但是同样此特点决定了它们对于制 造中的误差十分敏感，很容易造成耦合效率的崩溃性破坏。例如，如果一个微盘 谐振腔和一个波导进行侧隙耦合，其气隙应该在微米量级以下，而间距的大小对 耦合的效率的影响是显而易见的。而在曝光显影以及刻蚀等制作过程中要求可重 复地精确控制此间隙，这对制作来说有很大的难度，同时微盘的尺寸越小，那么 制造精度控制的难度也就越大。对于尺寸在2 5 微米的微盘，制造手段的精度以 及分辨率已经不能达到其对气隙的精度要求( o 1um ) ，为了增强耦合效果，可 采用将微盘聚焦于波导总线1 8 ，1 的方法。一般可以通过增加耦合区域长度的方法， 在较宽的气隙条件下增加侧隙耦合效果。具体的方法有，将相邻的波导沿微盘弯 曲1 9 】l s 4 , s 5 】，或者使用椭圆型、跑道型以及四极圆型的微谐振腔1 1 2 1 1 2 6 1 1 8 6 , 8 7 1 。在椭 圆型微盘谐振腔的曲率增加部分，由于会产生更多的场聚集效应，因此耦合的效 果也会增加【2 6 1 。 1 3 2w d m 系统中的波长选择元件 微盘、微环以及光学晶体缺陷微谐振腔可以作为超大规模集成光路系统中的 通用组成元件，它们具有高集成性( 可达到每平方厘米1 0 5 个元件) ，而且可以 完成多种光信号处理功能，例如分光、滤光以及混合光，完成分布范围内信道的 开关，以及在波长范围内光通道的混合与分离。 ( a ) 图1 3 ( a ) 波段限位器( 全通) 原理( b ) 导入引出滤光器原理 f i g 1 3s c h e m a t i c s o f f i l t e r d e s i g n s ( a ) a b a n d s t o p ( a l l - p a s s ) ；( b ) a d d d r o p 波长选择波段限位器以及导入，引出滤光器( 图1 3 ) ，是在光学传输系统中 控制以及操纵光的基本元件，它们可以复合或分离携带不同信息的不同波长的 光。以瞬发模式耦合与波导总线的高q 值的微盘( 微环) 谐振腔，可以只选择 波长范围很短的单通道，因此其在w d m 中起到作为信道分离器的作用，并得到 了广泛的研究【7 1 i i 蜊。 综合考虑窄的信道波长区间、结构的紧凑性以及较宽的自由光谱区各个方面 的要求，一般应用与过滤器的微谐振腔直径在5 微米到3 0 微米之间，此时的自 由光谱区为2 0 3 0 n m ( 图1 4 ) 。通过采用光学晶体缺陷型的微谐振腔，可以实 现光滤波器的进一步小型化。可通过在光学晶体波导附近出引入单缺陷 9 0 j ，或者 是将光学晶体缺陷腔直接集成于以半导体为基底的硅波导 9 1 9 2 1 。 孛国辩学技零夫学博士学链论文第一章绪论 实际上单个谐振腔的反应是对廨 与微腔一系列高q 值模式的一系列的 洛沧兹蜂。瓣手紧密稳邻熬分毒售遂， 其洛伦兹响应不是以瓣供足够的频晌 跌落，不能尽量减小不同信道之间的串 音的要求。为了克服这个缺陷，可采用 由多个谚振艟叠掘藤成的毫次滤波装 藿，这穗形式静滤波器在其共振熹辩避 具有平的遇频特性，更加快速的频响跌 落以及导通带外的更大阻抗【6 5 】【7 9 1 1 9 3 1 1 4 0 1 ( 图1 5 ) 。另外采用将不同直径的微坏 谐振羧绦会在一起影藏懿游拣鳖避滤 器可以有效地抑制处予非同步状态的 谐振，而飘可以扩大过滤器的自由光谱 区。 w 抽吐卅晦o 呻 圈1 43 0 微米壹径戆g a a s 缴琢谐糍藏 与波导藕合豹传输特性箍线 f i g 1 4 t r a n s m i s s i o n c h a t a c 把r i s t i c o f a 3 0 - um - d i a m e t 目g a a sm i c r o r i n gr e s o n a t o r c o u p l e d t o a b u s 弱麓光热效应以及光电效应等乎段，可 2 乏改变微谐振艟静光辑身| 系数，从两 ( a )c o ) 鬻1 5 赫三缀鬣捌器示意强，( b ) 在4 0 g h z 逶频带内辩予雠8 驹港数 f i g 1 5 耩示，在半导髂激走器孛，徽谐摄整撵爨羧令 高q 值模式，在调翩波长中的一个和数个发射被驻著增强( 突出的受激发光) ， 同时在其像波长的发射被抑制。采用腔增强模式得到的自发发射的增强效果w 以 用所谓的p u r c e l l 因子来褥量，其与给定模式的谐振腔q 值成藏比，而与其体积 成反比。 图1 7l e d ( a ) 以及微腔激光器自发射增强的不同 f 嘻1 7d i f f e r e n c ei nt h es p o n t a n e o u se m i s s i o ne n h a n c e m e n ti n ( a ) al e d ；( ”am i c r o c a v i t yl a s e r 很显然，为了进一步增加增强因子，设计和制造高q 值和小模式体积的微 谐振腔势襁必行。同时，腔增强型l e d 要采用的高q 值微谐振腔，要求具有同 样窄的材料自发发射线宽，而此点要求在使用整体异质结构量予阱微谐振腔时难 浚滚是。露骚究王孬鬟爨了溪瞧誊| 糕传系夔概念，攀结合了逶零覆予发瓣髂熬窄 线宽和半鼯体材料高增箍的半导体鬣予点( q d s ) 。 如图1 8 中所示，激子点的发射谱呈现出具脊超细线宽的三角函数曲线，不 同尺寸的嫩予点目前可以用自组装的方式制造，与微盘、光学晶体缺陷、微襁体 以及微球体谐振齄结合在一起( 所诺戆原子擐缀) 。工终的重患褒于簸谐振黢戆 模式戳及凡俺参数的设计窥调试，敦实现移增强鬣予点与谐振黢工作模式之闻的 耦合效果。 圈1 8 半导体结构以及小r 寸半导体异质结构的电子状态密度 f i g ，1 8d e n s 时o f e l c c 廿o n i cs t a t e $ i nb u l ks e m i c o n d u c t o rm a t e r i a la n di o w d i m e n s i o n a l s e m i c o n d u c t o rh c t e r o 蝴s 在锾靛激先器串，鑫发发筹孛必有一夺部分菇攀个( 或少数咒令) 毙模式稳 耦合。值得注意的是，裁旋转对称结构的微谐振胶中，光模式或者是多倍( 徽球) 中国科学技术大学博十学位论文 第一章绪论 或者是双倍( 微盘、微环以及微圆柱等) ，而这常常会导致在其激光谱中出现由 于侧壁光洁度不够以及形状变形等制造误差引起的相距很近的双重模态，从而产 生谱噪声、模式波动以及偏振作用的不稳定 3 2 j 。有研究通过修正谐振腔的设计 来消除模式简并，且有助于分离两个相近的模式，采用的是椭圆型1 2 “、方形【3 ”、 齿轮型【3 2 j 、以及开口的微谐振腔例。 谐振腔中，由于光电抽汲的作用，谐振腔活性材料的光学增益决定了光损失， 而微谐振腔的受激发射决定了自发发射。为了提高微激光器的效率，有必要降低 激光( 受激发射) 发生的能量输入闽值。激光的阈值决定于微谐振腔激光器的尺 寸、激光光约束机制模式、谐振腔材料的增益与损失之日j 的平衡以及材料自发发 射谱中几种模式之间的关系。减少自发发射区域内的可用模式，可以有效地降低 阂值，同时可以提高激光噪声特性。为达到此目的，可以通过将多余的数个模式 的波长与自发发射峰失调，或者减小多余模式的q 值的方式来减少这些模式的 自发发射。 例如，微盘谐振腔的高次w g 模式呈放射分布，其分布场在盘内占据大部 分空间，如果在谐振腔的内部用钻孔的方式或者直接制造空心环谐振腔来去除部 分材质，模式场将会被压缩【l9 1 。在微齿轮型激光器中，其边缘是具有周期性起伏 的圆边，可以看作是对圆形微盘的二次简并w g 模式进行分割，使得其工作模 式的q 值可得到增强，而其它模式的q 值被抑制 3 2 1 。另一个降低微腔激光器阈 值的途径是通过调整材料增益峰与微腔工作模式波长的对中，以增加处于激光模 式中的自发发射部分”i l l 。 一 蠢嗯 蠖黟 一 图1 9w g 模式的方向性远场发射图案( a ) 椭圆形谐振腔( b ) 开孔微盘谐振腔 f i g 1 9d i r e c t i o n a lf a r - f i e l de m i s s i o np a t t e r n so f t h ew gm o d e s ( a ) e l l i p t i c a lm i c r o d i s k r e s o n a t o r , ( b ) n o t c h e dm i c r o d i s kr e s o n a t o r 在大多数的光电器件应用中，要求光源输出的光具有一定的方向性，这是为 了利于将光耦合入狭窄的光纤接受锥。对于微柱体类型的谐振腔，其发射图形使 以单瓣图案，因此它们可以与光纤直接耦合。但对于旋转对称的微腔结构，例如 微球体以及微圆盘谐振腔，其发光无单一方向性。实际上，它们具有w g 模式 方位角指数的2 倍数量的恒定束流。从此种谐振腔中提取具有方向性的光的方法 之一是采用输出耦合，即前面提到的各种瞬发场耦合器件。或者，采用非旋转对 称几何形状的谐振腔来获得具有方向性的发射，目前从下列几种