高性能硅基微环谐振器与光子晶体微腔
光子晶体光振子谐振腔微腔设计及其应用研究
光子晶体光振子谐振腔微腔设计及其应用研究光子晶体是一种具有周期性介质结构的材料，能够控制光线的传播。
在光子晶体中，电磁波受到特定的布拉格条件限制，只能在禁带内传播，形成光子带隙。
由于光子晶体的这种结构特性，可用于制造微型光学器件。
其中，光子晶体光振子谐振腔微腔是应用最广泛的一种微型光学器件，用于实现高品质因子(也称Q值)谐振，提高微型激光器、激光器阵列、光电探测器等器件的性能。
本文旨在探讨光子晶体光振子谐振腔微腔的设计原理及其应用研究。
一、光子晶体光振子谐振腔微腔的结构光子晶体光振子谐振腔微腔由两个周期性介质结构构成：一个是光子晶体光振子谐振腔，另一个是微腔。
光子晶体光振子谐振腔是周期性分布的光介质结构，微腔是介质中一个局部区域，形状可以是球形、柱形、板形等。
光子晶体光振子谐振腔是一种周期性介质结构，由周期性排列的材料构成，通过这种结构来控制光线的传播。
由于光子晶体的布拉格衍射效应，只有能量与光子晶体中布拉格平面频率匹配的光子才能穿过晶体。
因此，利用光子晶体，可以制作出高品质因子的光学器件，如微型激光器、激光器阵列、光电探测器等。
光子晶体光振子谐振腔通常用于实现高品质因子的谐振，从而提高其在各种器件中的性能。
二、光子晶体光振子谐振腔微腔的设计原理光子晶体光振子谐振腔微腔的设计原则是选择合适的介质和结构参数，使得器件具有高品质因子、窄带宽和高透过率等特性。
为了实现这些特性，一般采用以下的设计原理：(1) 选择合适的晶体结构和周期：光子晶体中各晶体结构和周期的选择对光子晶体内的光子带隙宽度和位置具有重要影响。
在光子晶体中，只有能量在光子带隙范围内的光子可以被传播，因此，为了使谐振腔能够工作在谐振状态下，光子带隙的位置和宽度需要与器件中光的频率匹配。
(2) 调节微腔的几何形状和尺寸：微腔的几何形状和尺寸对其品质因子、谐振峰宽度和透射谱有重要影响。
例如，在球形微腔中，当等效半径小于光波长的一半时，微腔处于不连续模。
微纳光电子器件的设计和制备技术
微纳光电子器件的设计和制备技术微纳光电子器件是目前光电子领域中的前沿研究领域。
因其微小的体积，具有良好的性能和独特的功能，被广泛应用于信息处理、生物医药、新能源等领域。
本文概述微纳光电子器件设计制备技术。
一、微纳光电子器件概述微纳光电子器件是指体积尺寸在微米乃至纳米量级的光电子器件，与传统的光电子器件相比，具有更高的集成度、更低的功耗、更高的速度、更强的可靠性和稳定性，因此在应用领域有着广泛发展前景。
目前，微纳光电子器件主要包括微波光子晶体、微环谐振器、微腔光机械振子、微进易出激光等。
这些器件均是基于微纳米加工技术制备的，因此需要掌握相应的设计和制备技术。
二、微纳光电子器件设计技术1. 光学仿真技术在微纳光电子器件设计中，光学仿真技术是非常重要的一部分。
通过对无限远场问题的研究，可以建立器件的电磁模型，并利用计算机仿真技术进行分析和设计优化。
光学仿真技术最常用的软件是COMSOL Multiphysics和Lumerical等。
通过光学仿真技术，可以优化器件的结构形状、材料选择、呈现和低损耗等。
2. 异质结构设计技术在微纳光电子器件很多器件应用中都需要通过异质结设计实现。
异质结异质材料的导带能带区在交界处会产生能带弯曲现象，从而形成能带偏差，这样就能够改变器件的电子结构和光学性质。
异质结是一种典型的二维和三维的结构，可以通过量子阱、能带混合、带隙调制等技术实现。
在微波光子晶体、微腔光学器件等方面有重要应用。
三、微纳光电子器件制备技术1. 电子束光刻技术电子束光刻技术（EBL）是一种高分辨率的微纳米制造技术，其分辨率可以达到亚纳米级别。
EBL主要是利用电子束照射石英等电子敏感材料，石英中会产生可溶解的空穴，再通过腐蚀、蒸镀等方式制造出器件形状。
EBL技术可以实现器件的多层加工和三维加工，但是其缺点是加工速度较慢，不能进行大面积加工和生产级量产。
2. 等离子体刻蚀技术等离子体刻蚀技术（RIE）是一种高效的微纳米制造技术，其主要原理是通过气体放电等离子体刻蚀目标材料。
【国家自然科学基金】_光子晶体微腔_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
科研热词 缺陷模 激光物理 激光微加工 滤波器 模式空间分布 有限时域差分法 时域有限差分法 应变传感器 光纤法布里-珀罗腔 光纤光学 光子晶体激光器 光子晶体光纤 光子晶体 传输矩阵法
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年 序号 1 2 3 4
2014年 科研热词 赝磁场 石墨烯 太赫兹 光子晶体 推荐指数 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
科研热词 光子晶体 集成光学 耦合腔光波导 群速度 硅基光子学 相对局域化长度 片上光互连 波导 波分解复用器 时域有限差分法 无源光子集成器件 慢光 微腔滤波器 微腔 品质因子 共振模 光子线波导 光子晶体微 光子局域 偶极模 偏振度 二维光子晶体 cmos微纳加工工艺
推荐指数 3 3 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
2011年 科研热词 光子晶体 时域有限差分法 微腔 高q微腔 集成光学 谐振频率 自成像效应 群速度 磷酸氧钛钾 波导微腔 波导 有机发光二极管 有效模体积 时域有限差分 平面波法 平面波展开法 平板光子晶体缺陷模 导模 多模干涉 外量子效率 可调谐 反常光传播 双稳态 功分器 光电子学 光学微腔 光学器件 光子隧穿效应 光子晶体波导 光取出技术 thz波 2维光子晶体 推荐指数 4 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
基于硅基微环谐振器的单光子源和交换网络
微环谐振器的制备与表征方法
微环谐振器的制备方法
微环谐振器可以通过不同的制备方法进行制造，如光刻、干法刻蚀、化学气相沉积等。
微环谐振器的表征方法
微环谐振器的性能可以通过不同的表征方法进行测试，如光谱分析、网络分析仪、时域光谱仪等。
03
基于硅基微环谐振器的单 光子源
单光子源的基本原理与实现方法
单光子源的基本原理
单光子源的制备与测试结果
制备过程
首先，采用化学气相沉积方法生长硅基微环 谐振器；然后，通过电子束光刻和离子束刻 蚀等手段加工微环谐振器；最后，在微环谐 振器中注入激发源，如量子点或量子阱。
测试结果
通过测试基于硅基微环谐振器的单光子源的 亮度和光谱，验证了其可行性和性能。实验 结果表明，该单光子源具有高亮度、可调谐 性和稳定性，可以满足量子信息处理的需求 。
交换网络的制备与测试结果
要点一
制备
基于硅基微环谐振器的交换网络需要使用精密的制造 工艺和光学器件，如微环谐振器、波导和光探测器等 。制备过程中需要严格控制工艺参数，以确保网络的 质量和性能。
要点二
测试结果
通过对基于硅基微环谐振器的交换网络的测试，研究 人员可以验证其性能和可靠性，并评估其在不同条件 下的表现。测试结果表明，这种交换网络具有高速度 、抗干扰能力强和传输距离远等优点，具有广泛的应 用前景。
选方案。
研究基于硅基微环谐振器的单光 子源和交换网络对于推进量子信 息处理和通信技术的发展具有重
要意义。
相关工作概述
国内外研究团队在硅基微环谐振器制备、单光子源实现、以及单光子交换网络构 建等方面开展了大量研究工作。
目前存在的问题包括：如何提高硅基微环谐振器的品质因子，如何实现高质量的 单光子源，以及如何构建高效的单光子交换网络等。
微盘谐振腔及其光子器件的研究的开题报告
硅基微环/微盘谐振腔及其光子器件的研究的开题报告一、研究背景近年来，随着通信技术的发展和普及，高速、大容量、低功耗的光通信成为了人们关注的热点问题。
在光通信中，微环/微盘谐振腔是一种重要的器件结构，可以用于实现滤波、调制、调制解调等功能。
而硅基微环/微盘谐振腔由于具有尺寸小、制造工艺成熟、集成度高、性能稳定等优点，已经成为了目前研究的热点之一。
二、研究目的本文旨在通过对硅基微环/微盘谐振腔的研究和探究，了解其基本原理、设计方法和制备工艺，探究其在光通信领域中的应用，并且希望能够在制备技术、尺寸调控、品质因子等方面做出一些探索和改进，提高硅基微环/微盘谐振腔的性能。
三、研究内容1. 硅基微环/微盘谐振腔的基本原理和设计方法对硅基微环/微盘谐振腔的基本原理和设计方法进行研究，了解其工作原理、谐振条件、谐振频率等基本特性。
通过对硅基微环/微盘谐振腔的设计进行分析，探究其在光子器件中的应用。
2. 制备技术和性能调控研究硅基微环/微盘谐振腔的制备工艺，包括光刻、腐蚀、沉积等工艺流程，并且通过对工艺参数的调节和优化，提高硅基微环/微盘谐振腔的品质因子和性能。
3. 光学性质和应用研究对硅基微环/微盘谐振腔的光学性质进行研究，包括波导耦合、谐振峰宽、自由光谱范围等特性。
探究硅基微环/微盘谐振腔在光通信领域中的应用，包括滤波、调制、调制解调等方面的应用。
四、研究意义硅基微环/微盘谐振腔具有尺寸小、制造工艺成熟、集成度高、性能稳定等优点，在光通信中具有重要的应用价值。
本文研究的硅基微环/微盘谐振腔，将有助于完善其在光通信中的应用，为光通信技术的发展做出贡献。
同时，本文的研究内容还将对微纳光学器件的研究与制备提供一定的参考意义。
硅基光子晶体微腔的设计及制备
硅基光子晶体微腔的设计及制备硅基光子晶体微腔是一种新兴的微纳光学器件，也是微纳科技和光电技术领域中的热门研究方向之一。
它的设计和制备是一项复杂而又有挑战性的工作。
本文将探讨硅基光子晶体微腔的设计及制备的相关内容。
一、硅基光子晶体微腔的概述硅基光子晶体微腔是一种基于硅基材料制备的光学器件，其主要功能是将光波约束在微米级腔体内，使其能够被光子晶体物质所反射增强，从而产生强烈的光-物质相互作用。
硅基光子晶体微腔的制备技术主要包括两种方法：一种是通过化学气相沉积技术(CVD)在硅基材料表面生长光子晶体结构；另一种则是通过激光刻蚀技术将结构精细地刻在硅基材料表面上。
二、硅基光子晶体微腔的设计与制备方法硅基光子晶体微腔的设计需要考虑许多因素，其中包括器件的尺寸、形状、材料等。
在进行设计时，需要运用几何和光学模型来进行计算和模拟，以达到预期的光学性能。
另外，硅基光子晶体微腔的制备方法也非常重要，常用的制备方法包括电子束曝光、激光描绘和等离子体蚀刻等。
其中，激光描绘技术是一种比较常见的方法，它可以用来制备不同形状和尺寸的硅基光子晶体微腔。
三、硅基光子晶体微腔的应用领域硅基光子晶体微腔具有广阔的应用前景，可以在光通信、光学传感、计算机芯片等领域中发挥重要作用。
其中，硅基光子晶体微腔作为微纳光学器件的一种，有望在量子计算和量子通信等方面展现强大的应用潜力。
此外，硅基光子晶体微腔还可以用于光学传感领域，实现高精度分子诊断和生物医学成像等应用。
四、硅基光子晶体微腔的未来发展方向硅基光子晶体微腔在过去十年中得到了快速发展，随着科技的不断进步和需求的增加，硅基光子晶体微腔未来的发展方向将更加广阔和多样化。
一方面，硅基光子晶体微腔的研究将更加注重基础研究，以探索各种新现象和新机制；另一方面，硅基光子晶体微腔也将更加注重应用研究，以满足不同领域的需求。
总之，硅基光子晶体微腔的设计与制备是光电技术领域中的重要研究方向之一。
硅基光子晶体微腔的应用前景非常广泛，未来的发展方向也十分广阔。
硅基GaN微腔制作及其激射特性(特邀)
硅基GaN微腔制作及其激射特性(特邀)
马立龙;谢敏超;欧伟;梅洋;张保平
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2022(51)2
【摘要】提出了一种新的Si衬底上GaN微盘谐振腔的制备方式,避免了传统Si基GaN器件中晶体质量较差以及外延层较厚对器件性能的影响。
本工作中GaN的外延生长使用蓝宝石衬底,随后将外延层转移至硅衬底上进行微盘谐振腔的制备。
外延生长时靠近衬底侧的GaN富缺陷层可使用减薄抛光的方式去除,并且通过简单湿法刻蚀二氧化硅牺牲层即可实现GaN微盘与Si衬底之间的空气间隙结构。
基于较好的晶体质量与低损耗的谐振腔,实现了高Q值的Si基GaN微盘谐振腔低阈值激射,阈值能量低至5.2 nJ/pulse,Q值最高为10487。
同时,器件具有较好的温度稳定特性,在100℃环境下也能维持低阈值激射,为大规模单片硅基光子集成提供了高性能的激光源。
【总页数】9页(P53-61)
【作者】马立龙;谢敏超;欧伟;梅洋;张保平
【作者单位】厦门大学电子科学与技术学院微纳光电子研究室
【正文语种】中文
【中图分类】TN365
【相关文献】
1.硅基一维光子晶体微腔光发射特性的调制
2.ZnO纳米线微腔中的回音壁模激子极化激元及其激射
3.微腔：极化激射
4.纯消相干对量子点-微腔激射性质的影响
5.硅基微环腔相关光子对光源输出特性研究
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硅基微环谐振器特性研究及其应用
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ｔｈｅ ｇａｐ ｗｉｄｔｈ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｌｅｎｇｔｈ ｉｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ
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ｌａｒｇｅ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｒｅ
ｉｓ
ｔｏ ｅｎａｂｌｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ
ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ｐｌａｔｆｏｒｍ ｈａｓ
ａ ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ
ｉｎｄｅｘ—
ｃｏｎｔｒａｓｔ ａｎｄ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｗｉｎｄｏｗ ｆｒｏｍ ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｔｏ
ｍｉｄ－ｉｎｆｒａｒｅｄ．Ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｌｙ，ｔｈｅ ＣＭＯＳ
ｌｏｓｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ
ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｂｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｆｏｒ ｈｉｇｈ—ｏｒｄｅｒ
ＭＲＲ ｏｐｔｉｃａｌ
ｆｉｌｔｅｒｓ ｔｏ ｈａｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒａｔｉｏ
ａ
ｂｏｘ－ｌｉｋｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ，ｂｅｎｔ ｃｏｕｐｌｅｒｓ
由ｏ．４０岬增宽到１．５０９ｍ时，ＯＵＯｗ有１．０７降到０．０２６３。另一方面，宽的微环波导不仅仅支
持基模还支持高阶模。相应地，其频谱输出中会存在一些不希望出现的高阶模式的谐振峰。
ＩＩＩ
浙江大学博士学位论文
通过选择合适的结构参数，弯曲耦合器何以有效地抑制高阶模的激发。仿真和实验结果表明 采用这种结构的微环阵列其谐振峰波长的随机漂移得到有效地减小。 硅材料的温度系数为正且比较大约为１．８×１０—４／ｏＣ，这意味着硅基集成器件极易受外界 温度变化的影响。为解决这个问题，可以通过用具有负温度系数的ＴｉＯ，作为上包层来补偿， 减少外界温度变化对硅基集成器件的影响。与常用作补偿材料的聚合物相比，ＴｉＯ，稳定性 更好。我们利用ＴｉＯ，作为上包层设计制作了硅基微环谐振器，实验结果显示微环谐振器的 温漂从约７０ｐｍ／ｏＣ降低至约３０ｐｍ／ｏＣ。
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高Q值、高消光比的微环谐振器
高性能的微环谐振器 基于slot波导的微环谐振器
波导宽149nm 波导高250nm 狭缝：~28000
0.028nm Q=55329 ER=19dB R=40um FSR=2.44nm
• 微环最高Q值达到55329，消光比为19dB，基于脊形波导实现 • 实现了硅基狭缝波导微环，狭缝宽度130nm，Q值达到28000
高性能硅基微环谐振器与光子晶体微腔
用于垂直耦合的SOI 光栅耦合器
Monitor
19um 280nm
PC CCD
Microscope
14um
600nm
N eff n1 sin m
Fiber mode
垂直耦合测试系统 光栅耦合器SEM照片
3dB带宽 ~35 35 nm (1528nm~1563 (1528nm 1563 nm) 耦合效率 ~40%
高Q光子晶体微腔及其非线性光学效应
光子晶体L3微腔的传输谱 硅基光子晶体微腔的非线性光学特性
不对称传输谱 形开始出现
更高输入功率， 长波长一侧有 快速跳变
总Q值： 值 60000 本征Q值：330000 双光子吸收引起非 对称传输谱形： 随着输入功率增加， 高Q微腔中能量很 高，因硅的双光子 吸收引发的热光效 应显现，谐振波长 红移，谐振峰的左 侧变得平缓，而右 侧出现陡升。 我们制作的光子晶体微腔因其超高Q值、超小模式体积，腔中能量密 度非常大，非线性阈值极低（~4.65μW），优于文献已报道结果。
总Q值：44000
(a)
(b)
悬空光子晶体L3微腔SEM图