超高品質(zhì)因子晶體諧振腔制備及棱鏡耦合封裝

邢恩博， 李江龍， 戎佳敏， 唐 軍， 劉 俊

(中北大學 儀器與電子學院， 山西 太原 030051)

0 引 言

具有超高品質(zhì)因子(Q)的回音壁模式(WGM)的光學諧振腔， 能有效提升腔內(nèi)光子循環(huán)次數(shù)， 增加光子壽命， 因此極大地增強了光與物質(zhì)的相互作用， 同時兼具了微小型化集成能力， 是當前最具潛力的高精度傳感、 非線性相互作用、 光電子器件等領(lǐng)域的研究平臺之一[1-3]. 截止到目前， 基于高Q值的WGM諧振腔已經(jīng)開發(fā)了諸多應用， 在高精度傳感測量方面， 包括高速測量、 距離測量、 角速度測量和弱磁測量等， 在光學非線性相互作用方面， 開發(fā)了倍頻、 四波混頻和光學參量振蕩等， 在光電器件研究方面， 報道了自注入超窄線寬激光器、 拉曼激光器、 布里淵激光器和光學頻率梳等光電子器件[4-7].

相比于半導體集成電路工藝制備的硅基片上諧振腔[8]、 熔融法獲得的二氧化硅球型諧振腔[9]和利用表面張力實現(xiàn)的聚合物諧振腔[10]， 通過機械切削結(jié)合納米量級物理精細拋光獲得的氟化鈣、 氟化鎂晶體諧振腔具有更高的Q值. 從材料的角度， 晶體材料內(nèi)部缺陷少、 光學透過率高且透明窗口大、 抗氫氧根能力使其不易受水蒸氣影響， 是當前超高Q值回音壁光學諧振腔的理想材料之一； 從制造工藝能力上， 機械切削結(jié)合納米尺度的物理拋光能夠明顯降低表面粗糙度， 從而抑制表面缺陷和散射顆粒等引入的光學散射損耗. 因此， 氟化鈣諧振腔的理論Q值可以超過1014， 而實驗Q值超過了1011， 保持了當前WGM光學諧振腔的記錄， 并基于此開發(fā)了一系列高性能光電子及傳感器件[11].

基于上述優(yōu)點， 自主搭建了單點金剛石切削系統(tǒng)并開發(fā)了亞納米表面粗糙度拋光工藝. 利用高穩(wěn)定氣浮主軸降低切削抖動， 通過變加速度金剛石單點切削軌跡控制實現(xiàn)側(cè)面結(jié)構(gòu)加工， 結(jié)合精細物理拋光去除表面散射顆粒和缺陷， 最終實現(xiàn)了氟化鈣晶體腔側(cè)面表面粗糙度為 0.334 nm， 相對應的負載Q值超過了109. 此外， 實現(xiàn)了高穩(wěn)定的棱鏡耦合封裝器件， 為傳感和光電子器件應用提供了技術(shù)支撐.

1 制 備

1.1 制備系統(tǒng)

圖 1 所示為晶體諧振腔制備系統(tǒng)圖， 高穩(wěn)定氣浮主軸結(jié)合高精度三軸位移平臺實現(xiàn)單點金剛石切削系統(tǒng)， 以實現(xiàn)曲面波導結(jié)構(gòu)的可控制造. 抖動誤差小于25 nm的氣浮主軸用來支撐晶體諧振腔， 保持諧振腔在旋轉(zhuǎn)時有良好的穩(wěn)定性. 顯微成像系統(tǒng)實時監(jiān)測諧振腔表面形貌， 以便實時調(diào)整工藝. 金剛石切削刀被安裝到重復定位為 10 nm 的三軸位移平臺上， 通過伺服控制完成x，y軸同步運動， 運動函數(shù)如下

(1)

式中：vx,y為x、y軸的速度；ax,y為x、y軸的加速度；vmax為使用者定義的最大速度；amax為使用者定義的最大加速度； ?x(?y)為軸的當前位置與最終位置之差.

圖1 晶體諧振腔制備系統(tǒng)圖Fig.1 Fabricating system of crystalline resonators

1.2 制備過程

如圖 2 所示， 超高Q值晶體諧振腔制備過程主要為3個階段： (1) 單點金剛石切削. 清洗過后的晶體盤固定在支撐柱上， 隨后建立曲面模型， 利用算法控制金剛石刀具的軸方向軌跡. (2) 金剛石電動拋光. 單點金剛石切削完畢， 需要對表面和亞表面進行光滑化處理. 此時利用金剛石刀頭作為拋光單元進行拋光. 結(jié)果表明該過程獲得的Q值接近107. (3)精細拋光. 通過小粒徑的拋光實現(xiàn)表面光滑化， 獲得亞納米表面粗糙度， 同時控制拋光壓力， 降低側(cè)面結(jié)構(gòu)形變. 需要注意， 完成拋光過程后需要采用超聲去除殘余顆粒， 以降低拋光顆粒殘留引入的光學損耗.

圖2 晶體諧振腔制備工藝流程圖Fig.2 Fabrication processing for crystalline resonators

2 表 征

實驗中制備了直徑為4.7 mm， 厚度為0.25 mm的氟化鈣(CaF2)諧振腔. 圖3(a)所示為晶體諧振腔的整體形貌； 圖3(b)為光學顯微鏡發(fā)大20倍的形貌， 此時觀察不到劃痕和較大顆粒； 圖3(c) 為掃描電鏡圖， 黑色斑點推測為拋光殘留物， 這會引入光學損耗； 圖3(d)為用AFM測得表面形貌， 測得表面粗糙度Ra=0.334 nm. 由式(2)可知， 表面粗糙度影響諧振腔的Q值

(2)

式中：λ為波長；a為諧振腔的半徑；n為諧振腔材料的折射率；B為相干長度；σ為粗糙度.取λ=1 550 nm，a=2.35 mm，n=1.43，B=200 nm，σ=0.334 nm， 計算可得Q=5.2×1010. 該值高于實驗中觀察到CaF2晶體諧振腔的Q， 這里推測為兩個原因， 一是切削過程應力導致的亞表面損傷或結(jié)晶微缺陷， 二是諧振腔側(cè)面邊緣產(chǎn)生的非均勻、 各向異性的微劃痕分布. 毫米級諧振腔半徑， 可以忽略彎曲損耗帶來的影響.

(a) 晶體諧振腔；(b) 光學顯微鏡圖； (c) SEM掃描圖； (d) AFM表面掃描圖圖 3 CaF2晶體諧振腔的表面形貌圖Fig.3 Surface topography chart of CaF2 resonator

錐形光纖與棱鏡耦合測試系統(tǒng)用來表征諧振腔的光學特性， 如圖 4 所示. 測試系統(tǒng)包括激光器、 偏振控制器、 光電探測器、 示波器等. 可調(diào)諧激光器中心波長為1 550 nm， 掃描頻率為10 Hz的三角波， 幅值3 V. 偏振控制器用來調(diào)節(jié)激光器的偏振狀態(tài)， 高效激發(fā)諧振模式. 光電探測器可以將光信號轉(zhuǎn)換為電信號， 接入示波器后對諧振譜進行觀測.

圖4 晶體諧振腔光學特性測試系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of optical characteristics measuring system of crystalline resonator

錐形光纖的錐形區(qū)域為1.4 μm～3 μm， 以形成倏勢場耦合. 為避免環(huán)境抖動帶來的不穩(wěn)定性， 實驗中采用貼合的方式進行測量， 盡管這種過耦合方式在一定程度上增加了耦合損耗， 實驗中仍然觀察到了負載Q值為1.29×109. 同時基于衰蕩法， 測量了該諧振腔的本征Q0值， 擬合后獲得的本征Q0值為3.74×109.這與表面粗糙度預測的Q值較好的對應， 具體計算方法如下.

利用線寬法和腔衰蕩法測量晶體諧振腔的Q值， 如圖 5 所示. 當激光器波長掃描速度較低時， 由線寬法得到洛倫茲曲線， 利用線寬法測量Q值的公式為

(3)

式中：f為諧振頻率； Δf為洛倫茲凹陷峰的半高全寬.

(a) 諧振腔透射譜(b) 振鈴信號及擬合圖 5 諧振腔透射譜和振鈴信號擬合Fig.5 Resonance transmission spectrum and ringdown signal

如圖 5(a )所示， Δf=149.84 kHz， 通過計算獲得晶體諧振腔的品質(zhì)因數(shù)為Q=1.29×109. 當激光器波長掃描速度較快時， 傳輸曲線出現(xiàn)振鈴效應， 利用衰蕩法測量本征Q0值的公式為

(4)

3 封 裝

為了實現(xiàn)進一步的工程應用， 探索了具有更高穩(wěn)定性的棱鏡耦合. 圖 6(a) 展示了棱鏡耦合系統(tǒng)， 通過該系統(tǒng)測試的諧振譜線較錐形光纖耦合效率有所下降， 但是Q值變化不大. 圖 6(b) 為簡化的棱鏡耦合封裝實物圖， 主要包括晶體腔、 棱鏡和帶有聚焦功能的光纖. 利用該系統(tǒng)最終實現(xiàn)了棱鏡耦合集成封裝， 封裝后的體積為 11.5 cm×7.5 cm×1.5 cm. 封裝完的耦合系統(tǒng)體積小， 便于攜帶， 同時能保持光學特性長時間穩(wěn)定. 封裝以后， 棱鏡耦合Q大于108， 耦合效率超過60%. 相比直接在光學平臺上測得結(jié)果有所下降， 推測可能的原因是在點膠或者固化過程中相對耦合位置發(fā)生了變化以及固定晶體腔的膠水老化.

(a) 棱鏡耦合系統(tǒng)實物圖(b) 棱鏡耦合封裝實物圖 6 棱鏡耦合系統(tǒng)和封裝實物圖Fig.6 System configuration and prism package of resonator

4 結(jié) 論

本文報道了一種超高Q晶體諧振腔的制造和棱鏡耦合封裝技術(shù)， 該技術(shù)既可以精確控制諧振腔曲面結(jié)構(gòu)， 同時側(cè)面表面粗糙度達到了0.334 nm. 光學測試結(jié)果表明， 對于直徑為 4.7 mm 的CaF2晶體諧振腔， 本征Q0為3.74×109， 負載Q值超過了109. 此外， 對諧振腔進行了棱鏡耦合封裝， 封裝完以后的Q仍能保持在高水平. 制備的復雜曲面結(jié)構(gòu)可控以及超高Q的晶體諧振腔將在非線性光學、 窄線寬激光器、 超高精度量子傳感測量等應用上發(fā)揮出巨大的潛力.