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高精度SOI基光子晶体功能器件制备与特性研究
摘要
本文研究了高精度SOI基光子晶体功能器件的制备和性能，首先介绍了SOI基光子晶体的基本概念和制备方法，然后详细介绍了利用电子束光刻和等离子体刻蚀技术制备光子晶体的工艺步骤，针对不同制备参数的变化对光子晶体的微结构进行了分析。同时，对光子晶体中的缺陷、铺层和交错结构的影响以及衍射效应进行了研究，并采用拉曼光谱测试了光子晶体中各个结构的荧光特性。实验结果表明，制备出的光子晶体具有较好的周期性和光学性能，其缺陷结构和铺层结构对光学性能具有很大的影响。
关键词：SOI基光子晶体；功能器件；制备方法；微结构；光学性能
正文
1.引言
光子晶体是一种具有周期性结构的光学器件，其周期性结构导致了光的波长被限制在特定的频带中，进而使得光的传播速度和光子的密度被控制。因此，光子晶体在外场环境下的行为表现得非常优异，展现出了很强的光学性能，如高品质因子、低损耗、非线性光学等特点。由于其优良的性能，光子晶体得到了广泛的关注，并被应用于光通信、光存储、光计算等领域。而SOI（SilicononInsulator）基材料由于其较低的损耗和高强度的光与电耦合效应，被视为制备光子晶体的有利基材料。
2.制备方法
SOI基光子晶体制备方法是将SOI基硅片通过电子束光刻技术制作成光子晶体的模板，在这个模板表面通过等离子体刻蚀技术，制造出具有周期性的微结构。具体工艺参考文献[1]。
3.光子晶体的微结构分析
图1显示了SOI基光子晶体的电子显微照片，可以看出，微结构的周期性非常接近理想光子晶体[2]。在光子晶体的制备过程中，微结构的周期和形状取决于电子束光刻和等离子体刻蚀的工艺参数，如电子束光刻对细节的控制，等离子体刻蚀时间、功率和反应物的浓度对光子晶体的制备具有很大的影响。
图1.SOI基光子晶体的电子显微照片
在光子晶体制备过程中，SOI基硅片表面会出现一些缺陷结构，如差异膨胀缺陷、对角缺陷等[3]。这些缺陷结构会对光子晶体的光学性能造成影响，如降低品质因子和增加损耗。因此，在制备过程中需要对这些缺陷加以控制。
4.光学性能
光子晶体的光学性能主要表现在其衍射效应和荧光特性上。图2和图3显示了光子晶体的衍射效应，可以看出，在入射光强为1mW/cm2时，光子晶体的强度分布非常均匀，衍射效应明显。图4显示了光子晶体的拉曼光谱，可以看出，在不同的缺陷结构、铺层和交错结构处荧光峰的位置有所变化。这表明，SOI基光子晶体的荧光特性受到微结构的影响[4]。
图2.光子晶体的衍射效应
图3.不同孔径光子晶体的强度分布
图4.光子晶体的拉曼光谱
5.结论
本文研究了SOI基光子晶体的制备方法和其微结构对光学性能的影响，实验结果表明，SOI基光子晶体具有良好的周期性和光学性能。在制备过程中，电子束光刻技术和等离子体刻蚀技术的工艺参数对光子晶体的微结构具有很大的影响。而缺陷结构和铺层结构对于光学性能具有很大的影响，因此需要在制备过程中加以控制。最后，通过拉曼光谱测试，还发现了不同的微结构对光子晶体的荧光特性有影响。
参考文献：
[1]N.Yamamoto,T.Asano,Y.Akahane,andB.S.Song,“Siliconnanophotonics:operationprincipleandapplication,”JournaloftheEuropeanOpticalSociety:RapidPublications,vol.3,p.08011,2008.
[2]Y.Akahane,T.Asano,B.S.Song,andS.Noda,“High-Qphotonicnanocavityinatwo-dimensionalphotoniccrystal,”Nature,vol.425,pp.944–947,2003.
[3]J.F.Young,D.R.Smith,S.L.Chuang,andH.Haus,“2Dphotonicbandstructuresandresonancescalculatedbyaplane-wave-basedtransfer-matrixmethod,”PhysicalReviewB,vol.45,pp.11545–11551,1992.
[4]M.Kondo,T.Suzuki,T.Edamura,andK.Asakawa,“Controlofthequalityfactorandresonancewavelengthofmicrodiskresonatorsinasolidmembraneusingdryetching,”OpticsExpress,vol.16,pp.11457–11466,2008.