基于光子晶体微腔的超低质量腔光机械系统研究

发布时间：2024-06-02 04:51

　　随着半导体加工工艺的发展,MEMS器件的尺寸不断缩小进入纳米量级,开启了NEMS器件的研究与应用。作为NEMS器件核心部分的纳米机械谐振器,超低的质量使其具有极高的探测灵敏度而广泛应用在超灵敏测量和传感领域。腔光机械耦合是光场与机械振动之间的耦合,在引力波探测、高精度测量、基态冷却、量子信息处理等领域具有巨大的应用潜力。将纳米机械谐振器融入腔光机械系统中,利用腔光机械耦合探测其机械振动,构成的超低质量腔光机械系统作为质量等传感器在生物化学检测分析等领域具有重要研究价值和广阔应用前景。其中,基于硅基光子晶体微腔的超低质量腔光机械系统具有尺寸小、可片上集成、能够低成本大规模制备等优点,使其成为最有前景的方案之一。本论文设计并实验验证了几种新型基于光子晶体微腔的硅基片上集成超低质量腔光机械系统,开展了一系统理论、设计和实验研究,主要研究成果与创新总结为以下几方面:(1)探索开发了硅基无源光子器件的制备工艺,设计开发了不同精度拼接曝光的电子束曝光工艺,大大提高光子晶体器件的曝光效率,设计开发了高深宽比狭缝的制备工艺,在SOI晶片顶硅器件层中制备出宽60 nm深220 nm的狭缝,为后续器件制备...

【文章页数】：158 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图1-1(a)Yang等人利用NEMS器件进行质量传感的实验系统图

图1-1(a)Yang等人利用NEMS器件进行质量传感的实验系统图[23]；(b)质量传感实验结果[23]对机械谐振器的机械振动进行探测的方法主要有将机械振动的位移信号转化为电信号的电学探测和转化为光信号的光学探测两种方法。已经实现的电学探测方法有：电容探测[24]、电....

图1-2机械谐振器机械振动的电学探测方法；(a)电容探测方法

导致电容探测方法的灵敏度显著降低。而电磁探测方法对于NEMS器件能够保持较高的探测灵敏度，其原理如图1-2(b)所示。一稳态磁场通过由机械谐振器构成的电学回路，机械振动将在电学回路中产生感应电流进而将机械振动转换成电信号实现探测[25]。对于NEMS器件，电学探测方法获取....

图1-3(a)机械谐振器机械振动的光学探测方法

导致探测系统结构复杂，易受外界干扰，难以实现小型化。此外，电学探测方法需要机械谐振器构成电学回路的一部分，因此需要在其表面制作电极，严重降低机械谐振器的品质因子，并且使器件制备工艺更为复杂。光学探测方法的原理如图1-3(a)所示，激光光束聚焦在机械谐振器表面，反射光与参考光干涉将....

图1-4腔光机械系统的简化模型

图1-4腔光机械系统的简化模型利用腔光机械耦合对机械谐振器的机械振动进行探测的原理如图1-5所示频率p（蓝色箭头）位于光学谐振（黑色实线）中且与光学谐振频率o存时，机械谐振器的机械振动改变光学谐振频率（绿色和红色虚线），使频率

本文编号：3986881