关键词：硅基光子学;;腔光机械系统;;光子晶体微腔;;纳米机械谐振器;;声子晶体;;石墨烯;;质量传感;;声子回路
摘 要：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,为后续器件制备奠定基础。(2)理论设计了一种新型基于双狭缝光子晶体微腔的硅基片上集成腔光机械系统,实现了6.91飞克的超低等效质量。通过设计光子和声子晶体的能带结构,利用光学和声学禁带分别将光学微腔的谐振模式和纳米机械谐振器的振动模态同时限制在器件中心,实现了654.53 kHz的腔光机械耦合强度。(3)设计并实验制备了一种纳米机械谐振器嵌入光子晶体纳米梁腔的硅基片上集成腔光机械系统,其等效质量仅为6.42飞克,实现了目前基于半导体加工工艺等效质量最低的体材料腔光机械系统。该器件在室温下空气中利用腔光机械耦合对谐振频率为3.928 GHz机械Q值为1255的纳米机械谐振器的机械振动实现了0.13 fm/(?)的位移探测灵敏度。该器件作为传感器可应用于质量传感等领域。(4)提出并设计制备了一种新型硅基空气模式光子晶体微腔,光学谐振模式53.6%的光场能量被限制在光子晶体空气孔中,实现光场与孔中物质之间相互作用的增强,实验测得微腔光学Q值达3.70×10~5。首次提出并设计开发了悬空石墨烯图形化加工工艺,在空气模式光子晶体微腔的中心空气孔中,制备出双端固支梁型单层石墨烯纳米机械谐振器,并与微腔的光学谐振模式进行耦合,实现了等效质量仅为6.17阿克的硅基片上集成超低质量腔光机械系统。(5)首次提出并设计制备了一种工作在水中的基于光机械晶体纳米梁腔的硅基片上集成腔光机械系统。利用腔光机械耦合对浸没在水中的谐振频率为5.251 GHz机械Q值为6.6的纳米机械谐振器的机械振动实现了9.33 am/(?)的位移探测灵敏度。该器件等效质量为139飞克,在水中仅由热噪声驱动下可以实现1.33 ag/(?)的质量测量灵敏度。通过仿真机械振动与液体之间的流固相互作用,分析出液体的惯性力产生了主要的机械能量损耗。该器件可应用在需要液体环境的质量等传感领域。(6)设计并实验制备了一种硅基片上集成声子回路器件。在由光机械晶体纳米梁腔构成的腔光机械系统中,利用辐射压力驱动的自持机械振荡产生了频率在5.5 GHz的声子,利用腔光机械耦合对传输的声子实现了有效探测,并利用能够传输声子的声子晶体波导将两腔光机械系统相连构成了声子回路器件。该器件实验验证了声子的产生、传输和探测的声子回路功能,为以声子作为信息载体实现信息的传输和处理提供了研究基础,并且在射频和传感等领域具有应用潜力。
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