光学微纳谐振腔结构及其制作方法与流程

本发明涉及一种光学微纳谐振腔的结构及其制作方法，尤其是涉及一种基于两个单排粒子链的微纳结构的高品质因子的光学谐振腔及其制作方法。

背景技术：

光学谐振腔在光学领域有着巨大的应用，其中法布里—帕罗谐振腔是光学谐振腔中应用最广泛的一种。品质因子反映是法布里—帕罗谐振腔性能水平的最关键指标之一，而谐振腔的品质因子主要取决于反射镜的性能。大部分法布里—帕罗谐振腔中所采用的反射镜是传统的基于金属薄膜的反射镜，这种基于金属薄膜的反射镜在一定带宽下能实现对电磁波的反射；但是，对于蓝光或更高频率的光，由于金属材料的趋肤深度显著变大，因而金属本身对光的吸收损耗大大增加，这使得基于金属薄膜的传统反射镜性能大大下降，极大了限制了谐振腔的品质因子。

为了避免金属材料的电磁损耗问题，在特定波段制造更高品质因子的谐振腔，近年来研究人员在非金属介质材料方面做了大量工作来实现光的全反射。例如，分布布拉格反射器(DBR)，基于带隙机构的光子晶体，共振光栅等。

近年来，单粒子及其紧密排列粒子的微纳光学结构已经被广泛应用于物理学和工程学中。特定的单排粒子链微纳结构能实现对入射光的宽带、宽角度全反射，因此可以作为高性能的反射镜。

鉴于以上所述，提供一种具有高品质因子、低损耗和小尺寸的光学微纳谐振腔结构实属必要。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光学微纳谐振腔结构及其制作方法，以实现一种具有高品质因子、低损耗和小尺寸的光学微纳谐振腔结构。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光学微纳谐振腔结构，所述光学微纳谐振腔结构包括两个对工作电磁波具有全反射功能的单排粒子链，所述单排粒子链由多个间隔排列的粒子组成，所述两个单排粒子链之间的间隔距离使得所述光学微纳谐振腔结构的共振波长为工作电磁波的波长。

作为本发明的光学微纳谐振腔结构的一种优选方案，所述单排粒子链的晶格常数及介质、 其各粒子的半径根据光学微纳谐振腔结构工作的特定偏振的电磁波波长确定，以使单排粒子链对所述特定偏振的电磁波波长具有全反射功能。

作为本发明的光学微纳谐振腔结构的一种优选方案，所述两个单排粒子链之间的距离为光学微纳谐振腔结构的腔长。

作为本发明的光学微纳谐振腔结构的一种优选方案，所述单排粒子链中各粒子呈直线状周期性排列。

作为本发明的光学微纳谐振腔结构的一种优选方案，所述单排粒子链的介质包括Si、Ge、及GaN中的一种。

作为本发明的光学微纳谐振腔结构的一种优选方案，所述单排粒子链中各粒子的形状为圆球形。

本发明还提供一种光学微纳谐振腔结构的制作方法，包括步骤：

1)根据光学微纳谐振腔结构工作的特定偏振的电磁波波长，设计单排粒子链中各粒子的半径以及单排粒子链的晶格常数，并确定相应的单排粒子链的介质，以使所述单排粒子链对所述特定偏振的电磁波波长有最大的反射率；

2)根据步骤1)中设计的单排粒子链的参数，确定两排粒子链之间的距离，即光学微纳谐振腔结构的腔长，以使光学微纳谐振腔结构的共振波长为工作电磁波的波长。

作为本发明的光学微纳谐振腔结构的制作方法的一种优选方案，所述单排粒子链的介质包括Si、Ge、及GaN中的一种。

作为本发明的光学微纳谐振腔结构的制作方法的一种优选方案，所述单排粒子链中各粒子呈直线状周期性排列。

作为本发明的光学微纳谐振腔结构的制作方法的一种优选方案，所述单排粒子链中各粒子的形状为圆球形。

如上所述，本发明提供一种光学微纳谐振腔结构及其制作方法，所述光学微纳谐振腔结构包括两个对工作电磁波具有全反射功能的单排粒子链，所述单排粒子链由多个间隔排列的粒子组成，所述两个单排粒子链之间的间隔距离使得所述光学微纳谐振腔结构的共振波长为工作电磁波的波长。本发明利用了单排粒子链对于特定偏振光的全反射特性，通过优化单排粒子链的结构以及两个单排粒子链之间的距离，获得了一种新型的高品质因子光学微纳谐振腔。本发明利用两个单排粒子链的全反射所设计的谐振腔，具有低损耗、高品质因子和小尺寸的特点，在集成光学领域具有很好的应用前景。

附图说明

图1显示为本发明的光学微纳谐振腔结构的结构示意图。

图2显示为本发明的光学微纳谐振腔结构在共振时的光强分布图。

图3显示为本发明的光学微纳谐振腔结构在不同腔长L时的归一化频谱，图中L的单位为微米。

元件标号说明

10 单排粒子链

101 粒子

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提供一种光学微纳谐振腔结构，所述光学微纳谐振腔结构包括两个对工作电磁波具有全反射功能的单排粒子链10，所述单排粒子链10由多个间隔排列的粒子101组成，所述两个单排粒子链10之间的间隔距离使得所述光学微纳谐振腔结构的共振波长为工作电磁波的波长。

作为示例，所述单排粒子链的晶格常数及介质、其各粒子的半径根据光学微纳谐振腔结构工作的特定偏振的电磁波波长确定，以使单排粒子链对所述特定偏振的电磁波波长具有全反射功能。

作为示例，所述两个单排粒子链之间的距离为光学微纳谐振腔结构的腔长。

作为示例，所述单排粒子链中各粒子呈直线状周期性排列。

作为示例，所述单排粒子链的介质包括Si、Ge、及GaN中的一种。

作为示例，所述单排粒子链中各粒子的形状为圆球形。

在本实施例中，所述光学微纳谐振腔结构选择GaN作为粒子链的介质，该介质的折射率为2.5。单排粒子链的晶格常数a为445nm，粒子柱的半径r为132nm。此时，所述工作的特 定电磁波为TE偏振的蓝光，当波长为482nm的光正入射到单排粒子链时，经过计算可获得其反射率为0.9999185，即具有全反射功能。对于上述参数的单排粒子链，图2给出了当谐振腔在几个不同的腔长L时，分别对应的归一化频谱。依据图2所示，本实施例的光学微纳谐振腔结构的谐振腔腔长L可确定为1um，此时共振波长为482nm，刚好与入射光波长相等；此时谐振腔的品质因子为166555。具有上述参数的光学微纳谐振腔结构的光强的分布如图3所示。

如图1所示，本实施例还提供一种光学微纳谐振腔结构的制作方法，包括步骤：

首先进行步骤1)，根据光学微纳谐振腔结构工作的特定偏振的电磁波波长，设计单排粒子链10中各粒子101的半径以及单排粒子链的晶格常数，并确定相应的单排粒子链的介质，以使所述单排粒子链对所述特定偏振的电磁波波长有最大的反射率；

作为示例，所述单排粒子链的介质包括Si、Ge、及GaN中的一种。

作为示例，所述单排粒子链中各粒子呈直线状周期性排列。

作为示例，所述单排粒子链中各粒子的形状为圆球形。

在本实施例中，选择GaN作为粒子链的介质，其折射率为2.5。单排粒子链的晶格常数a为445nm，粒子柱的半径r为132nm。此时，所述光学微纳谐振腔结构工作的特定电磁波为TE偏振的蓝光，当波长为482nm的光正入射到单排粒子链时，经过计算可获得其反射率为0.9999185。

然后进行步骤2)，根据步骤1)中设计的单排粒子链10的参数，确定两排粒子链10之间的距离，即光学微纳谐振腔结构的腔长，以使光学微纳谐振腔结构的共振波长为工作电磁波的波长。图2给出了当谐振腔在几个不同的腔长L时，分别对应的归一化频谱。对于上述参数的单排粒子链，可确定谐振腔腔长L为1um时，其共振波长为482nm，刚好与入射光波长相等；此时谐振腔的品质因子为166555。具有上述参数的光学微纳谐振腔结构的光强的分布如图3所示。

不难发现，本发明利用单排粒子链取代传统平面镜对电磁波进行全反射的效应所设计的激光器谐振腔的结构，其品质因子相当高。另外，又由于该结构的低损耗和高紧凑的特性，本发明在集成光学领域有很好的发展前景，可以广泛地用于光电芯片中。

如上所述，本发明提供一种光学微纳谐振腔结构及其制作方法，所述光学微纳谐振腔结构包括两个对工作电磁波具有全反射功能的单排粒子链，所述单排粒子链由多个间隔排列的粒子组成，所述两个单排粒子链之间的间隔距离使得所述光学微纳谐振腔结构的共振波长为工作电磁波的波长。本发明利用了单排粒子链对于特定偏振光的全反射特性，通过优化单排粒子链的结构以及两个单排粒子链之间的距离，获得了一种新型的高品质因子光学微纳谐振 腔。本发明利用两个单排粒子链的全反射所设计的谐振腔，具有低损耗、高品质因子和小尺寸的特点，在集成光学领域具有很好的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。