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。

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)
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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光子晶体谐振腔简介近年来，光子晶体由于具有控制光子流动的能力等奇特物理性质而备受人们的关注。

光子晶体是一种折射率呈空间周期变化的新型微结构材料，入射到光子晶体内的光波收到布拉格散射形成能带结构，能带间有带隙存在。

只有频率在光子能带内的光才能在光子晶体中传播，频率落在光子带隙内的光则被禁止。

光子晶体谐振腔][的制作近年来对光电集成器件发挥这巨大的用途，因此引起研究者广泛的注意。

光子晶体微谐振腔能达到数值很高的品质因子（Quality factor），这是利用其它材料所制作的谐振腔所无法完成的。

如果于光子晶体某个位置中引入点缺陷，相当于将光子局域态引入光子禁带中。

在非常小的点缺陷中局域着位于该位置的光场，能量密度可以达到非常高。

制作光子晶体谐振腔的原理是利用缺陷态光子晶体的光子局域和谐振性质。

品质因子是用来描述光子晶体谐振腔的一个重要参数，谐振腔的谐振谱的宽窄可以用品质因子相对应，品质因子越大则对应的光子晶体谐振腔的谐振谱越窄。

光子晶体微腔可具有小的模式体积和大的Q值，在很多物理和工程领域的应用很广泛而且普遍，如电子光子相干作用、非线性光学效应、量子信息处理、低阈值激光器、滤波器等。

本文主要介绍两种常见的谐振腔：光子晶体微腔和光子晶体环形腔。

1、光子晶体微腔对于光集成发展微谐振腔的制作有着至关重要的意义。

传统的谐振腔在尺寸微小方面远远不能达到要求，而且损耗，同时大品质因数小。

相比而言，光子晶体微谐振腔的品质因子可以做的很高，这是采用其他材料制作的谐振腔无法实现的。

在完整的光子晶体中去除一个或若干个介质柱，即可形成光子晶体微腔。

微腔的获得可以通过改变晶体中某些区域的几何尺寸、介电常数、形状等方式。

考虑一个简单的由介质柱构成的二维晶格光子晶体结构，利用制作光子晶体谐振腔的最简单方法，即改变光子晶体中一个介质柱的半径。

当将介质柱半径减小时，形成一个受主谐振腔，当介质柱半径增大时，则成为一个施主谐振腔。

光子晶体微腔具有很多重要的特性：如超小体积，高品质因子等。

微环谐振器工作原理1. 引言1.1 微环谐振器的定义微环谐振器是一种利用微环结构实现光场增强与传播的微纳光子器件。

微环谐振器通过在微环内部固定光子，使其在环形波导中传输，从而实现光隔离和光耦合功能。

其工作原理是基于腔共振效应，当微环谐振器中的光子频率与谐振腔中的驻波频率匹配时，光子会被捕获在腔中，形成稳定的驻波场。

这种驻波场会增强光子与光子之间的相互作用，从而在微环中形成共振现象。

微环谐振器的定义涵盖了其结构特点和工作原理，使其成为光子学领域中的研究热点。

在微纳光子器件中，微环谐振器可以用于实现滤波、耦合、调制等功能，广泛应用于光通信、传感、激光器等领域。

微环谐振器的研究不仅推动了微纳光子器件的发展，也为光子学的实际应用提供了新的可能性。

1.2 微环谐振器的应用微环谐振器在微纳光子器件中具有广泛的应用前景。

微环谐振器可以作为滤波器，用于选择性地传输或抑制特定波长的光信号。

这在光通信和传感领域有着重要的应用，可以实现光信号的精确调控和处理。

微环谐振器还可用作传感器，通过监测微环谐振器中光的传输特性变化来实现对环境参数的检测，例如温度、压力、化学物质浓度等。

这种传感器具有高灵敏度、快速响应和小尺寸的特点，适用于微型化的生物传感和环境监测。

微环谐振器还可以用于光学存储、光学增益、光学调制等领域，为光子器件的发展提供了新的可能性和潜在应用场景。

微环谐振器在微纳光子器件中的应用潜力巨大，将在未来的研究和产业中起到重要作用。

2. 正文2.1 微环谐振器的结构微环谐振器是一种微纳光子器件，其结构包括环形波导和耦合波导。

环形波导是由高折射率材料制成的环形结构，具有一定的直径和厚度。

耦合波导是将光信号引入或引出环形波导的结构，通常采用直波导或波导耦合器。

微环谐振器的结构中还包括加工光栅和耦合极。

加工光栅用于调节微环谐振器的共振频率，耦合极用于将光信号引入或引出微环谐振器。

微环谐振器的结构设计十分精密，需要保证环形波导的直径、厚度和耦合波导的位置及距离等参数满足设计要求。