3.1 微盘腔的形貌特性
样品在KOH溶液中腐蚀后,微盘腔与Si支撑柱的接触面呈八边形.图3(a)、(b)所示分别为直径60 μm的微盘腔腐蚀20和30 min时,其上表面扫描电子显微镜(SEM)图.从图中可以看出,SiO2图形呈现设计的圆形结构,随着腐蚀时间的增加,底部Si支撑柱与微盘腔的接触面积逐渐变小.通过SEM图测得,图3(a)中KOH溶液钻蚀Si支撑柱的宽度约为10.4 μm,平均钻蚀速率约为0.52 μm/min; 图3(b)中钻蚀宽度约为15.8 μm,平均钻蚀速率约为0.53 μm/min; 图3(c)中钻蚀宽度约为4.5 μm,平均速率约为0.45 μm/min。考虑到实验在60 ℃恒温水域的条件下进行,KOH溶液的浓度可能会随时间的增加而增大导致腐蚀速率增大,以及初始时刻掩膜保护的存在使腐蚀速率受影响。本研究最终采用图3(a)、(b)的腐蚀速率设计腐蚀时间。
图3 不同尺寸微盘腔腐蚀后的SEM图
Fig.3 SEM picture of different size microdisk after etch
图4 不同尺寸微盘腔腐蚀后的上表面SEM图
Fig.4 SEM images of different size silica microdisk'supper surface after etch
支撑柱与微盘腔的接触面积越小,Si基底对微盘腔中的光场分布影响越小,能够获得更高的Q值[11-13].而支撑柱与微盘腔的接触面积由KOH溶液腐蚀Si的时间决定,若腐蚀时间不够,则接触面积过大; 若腐蚀时间过长,则Si支撑柱则会断开.为了得到尽可能小的底部,即微盘腔接触面积,需要控制KOH溶液腐蚀Si的时间.根据图3(a)、(b)给出的计算的腐蚀速率,对直径20,40,60 μm的微盘腐蚀各腐蚀15,30,45 min,最终钻蚀宽度分别约为8,16,24 μm,支撑柱的接触面的直径约为1.6,5.7,8.6 μm(微盘的实际直径约为17.6,37.7,56.6 μm),获得了接触面积较小的微盘腔。直径20,40,60 μm微盘腐蚀支撑柱后的SEM图如图4(a)～(c)所示。
图5 56.6 μm微盘腔侧面SEM(a)微盘腔边界SEM图(b)
Fig.5 SEM images of cross-sectional 56.6 μm microdisk(a)and wedged-shaped edge of microdisk(b)
图5(a)为设计直径60 μm微盘腔的断面SEM图,图5(b)为相应侧壁放大1万倍的SEM图.由于HF的侧向腐蚀,60 μm的微盘腔经HF腐蚀后变为56.6 μm; 腐蚀面与Si(100)晶面的夹角为76.2°,与理论值76.6°非常接近,表明所得到的腐蚀面为(331)面.这是由于在KOH腐蚀剂中(331)面的腐蚀速率最快,掩模的凸角处会出现高速率的腐蚀面,KOH腐蚀剂对掩模凸角下的Si进行钻蚀.快腐蚀面在凸角处先产生,进而对(111)面产生侧向腐蚀作用,最终形成{331}晶面族的八面体棱锥结构[17-18].从图5(b)微盘腔边界的SEM图可以看出其边界呈楔形,楔形结构可以在边界隔离光场,减少散射损耗,有利于Q值的提高[14].
3.2 微盘腔的光学特性
在回音壁模式下,模式间隔FSR及Q值是较为重要的两个参数.FSR的理论计算可以采用公式
λFSR=(λ2)/(2πnr),(1)
其中,λ是谐振波的波长,n是微盘腔的材料折射率,r是微盘腔的半径.SiO2在1 550 nm波段的折射率为1.45,故设计直径60 μm的微盘腔(实际直径为56.6 μm)在1 550 nm波长的理论λFSR值为9.3 nm.图6给出了直径56.6 μm微盘腔的透射光谱图.根据麦克斯韦方程组,可解出微盘腔的横电(transverse electric,TE)模和横磁(transverse magnetic,TM)模的解析解[4]:
λTE≈(2πrn)/(m+1.856m1/3+(1/2-n/((n2-1)1/2))),(2)
λTM≈(2πrn)/(m+1.856m1/3+(1/2-1/(n(n2-1)1/2))),(3)
图6 56.6 μm微盘腔的透射光谱图
Fig.6 Transmission spectrum of 56.6 μm microdisk
其中m为角量子数.由式(2)和(3)可知图6中波长分别为1 549.1和1 539.5 nm的谐振峰为基模TE168,1和TE169,1,因此得到FSR的实验值为9.6 nm,与理论值非常接近.图6中两个基模之间的其他谐振峰对应的模式为高阶模.理论上,基模的透射率最低,但在实际测量中若耦合稍有偏差,则可能导致高阶模对应的倏逝场与光纤锥中的倏逝场交叠更多,进而导致高阶模的透射率更低.
谐振腔的Q值表示微盘腔中单位时间内储存光能与单位时间内耗损光能的比值.Q值越高,谐振腔储能的能力越强,光子在谐振腔中的寿命也越长.图6中的插图为1 554.65 nm谐振波长的谐振谱,半高宽约为0.154 nm,根据Q值估算公式Q=(λ)/(Δλ),可以计算出Q约为1×104.本研究的结果与目前其他小组所制备的微盘腔的Q值在同一水平[11-12].微盘腔/光纤的总损耗Q-1包括微盘腔的本征损耗Q-1int和耦合损耗Q-1coup,即Q-1=Q-1int+Qcoup-1[19-20].与Qint对应的是微盘腔中光子寿命τ0,τ0=(2Qint)/ω[21],其中ω为谐振模式的角频率.Qcoup则对应耦合过程光纤中的光子寿命τcoup,τcoup=(2Qcoup)/(ωcoup).在实验过程中光纤锥与微盘腔的距离较远,发生欠耦合,耦合损耗非常小[4].当Q-1coupQ-1int时,测量得到的透射谱所反映的系统Q值可以约等于微盘腔的Qint,实验中测量到的微盘腔/光纤系统的Q值可以近似当做微盘腔的Qint.基于这种考虑,本研究估算了微盘腔的总的损耗.微盘腔的Qint主要包括:吸收损耗Q-1i、辐射损耗Q-1r和散射损耗Q-1s,即Q-1int=Q-1i+Q-1r+Q-1s.其中,Q-1i=(αλ)/(2πn),α为吸收系数,SiO2的吸收系数在1 550 nm波段为0.2 dB/km,故Q-1i=5×10-11[22]; Q-1r由光在微盘腔边界发生全反射时,少量的光子发生遂穿效应造成,当谐振腔足够大的时候可以忽略,对于直径60 μm的微盘腔,Q-1r[23]<10-11.Q-1i和Q-1r都非常小,因此Q-1int主要由Q-1s决定.Q-1s可由Q-1s=π2σ2B/(λ2r)计算获得,其中,σ为微盘腔粗糙度,B为SiO2表面不均匀性的相关长度,为3 nm[23],根据测量的Q值,估算得到总的粗糙度约为395 nm.
完成微盘腔的制备和测量后,使用原子力显微镜表征SiO2微盘腔上表面的粗糙度,如图7所示.微盘腔的均方根表面粗糙度仅为0.469 nm.因而微盘腔的粗糙度主要来自于微盘腔的下表面和微盘腔侧壁.对于微盘腔侧壁和下表面的粗糙度,目前为止没有太好的表征方法.微盘腔侧壁的粗糙度主要由HF缓冲液和KOH溶液对SiO2的腐蚀造成,微盘腔下表面的粗糙度主要由KOH溶液腐蚀SiO2造成.
图7 SiO2微盘腔的原子力显微镜照片
Fig.7 Atomic force microscope image of silica microdisk
本研究所测量的Q值不是特别高,可能主要原因为:KOH溶液腐蚀Si的实验条件还没有达到最理想,如实验中使用的w为40%的KOH溶液对SiO2的腐蚀速率过快,可以通过优化该实验条件进一步提高Q值.
