超高品質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

具有超高品質因子(Q)的回音壁模式(WGM)的光學諧振腔， 能有效提升腔內光子循環次數， 增加光子壽命， 因此極大地增強了光與物質的相互作用， 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諧振腔已經開發了諸多應用， 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的聚合物諧振腔[10]， 通過機械切削結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， 并基于此開發了一系列高性能光電子及傳感器件[11].

基于上述優點， 自主搭建了單點金剛石切削系統并開發了亞納米表面粗糙度拋光工藝. 利用高穩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側面結構加工， 結合精細物理拋光去除表面散射顆粒和缺陷， 最終實現了氟化鈣晶體腔側面表面粗糙度為 0.334 nm， 相對應的負載Q值超過了109. 此外， 實現了高穩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支撐.

1 制 備

1.1 制備系統

圖 1 所示為晶體諧振腔制備系統圖， 高穩定氣浮主軸結合高精度三軸位移平臺實現單點金剛石切削系統， 以實現曲面波導結構的可控制造. 抖動誤差小于25 nm的氣浮主軸用來支撐晶體諧振腔， 保持諧振腔在旋轉時有良好的穩定性. 顯微成像系統實時監測諧振腔表面形貌， 以便實時調整工藝. 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， 降低側面結構形變. 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晶微缺陷， 二是諧振腔側面邊緣產生的非均勻、 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用來表征諧振腔的光學特性， 如圖 4 所示. 測試系統包括激光器、 偏振控制器、 光電探測器、 示波器等. 可調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. 偏振控制器用來調節激光器的偏振狀態， 高效激發諧振模式. 光電探測器可以將光信號轉換為電信號， 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示意圖Fig.4 Schematic diagram of optical characteristics measuring system of crystalline resonator

錐形光纖的錐形區域為1.4 μm～3 μm， 以形成倏勢場耦合. 為避免環境抖動帶來的不穩定性， 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因數為Q=1.29×109. 當激光器波長掃描速度較快時， 傳輸曲線出現振鈴效應， 利用衰蕩法測量本征Q0值的公式為

(4)

3 封 裝

為了實現進一步的工程應用， 探索了具有更高穩定性的棱鏡耦合. 圖 6(a) 展示了棱鏡耦合系統， 通過該系統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. 利用該系統最終實現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. 封裝完的耦合系統體積小， 便于攜帶， 同時能保持光學特性長時間穩定. 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生了變化以及固定晶體腔的膠水老化.

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

4 結 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， 該技術既可以精確控制諧振腔曲面結構， 同時側面表面粗糙度達到了0.334 nm. 光學測試結果表明， 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. 制備的復雜曲面結構可控以及超高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揮出巨大的潛力.