专栏名称: 热辐射与微纳光子学
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表面粗糙度和顶层厚度对布拉格反射镜中FP腔的影响

热辐射与微纳光子学  · 公众号  ·  · 2023-10-18 09:13

正文


论文信息:

K. Papatryfonos, E.R. Cardozo de Oliveira, and N. D. Lanzillotti-Kimura, Effects of surface roughness and top layer thickness on the performance of Fabry-Perot cavities and responsive open resonators based on distributed Bragg reflectors. arXiv preprint arXiv:2309.13649 (2023). .


论文链接:

http://export.arxiv.org/abs/2309.13649


研究背景


基于 半导体异质结构的分布式布拉格反射器( DBR )器件 是光子学和纳米声子学基础和应用领域的关键器件。一对包含光学间隔层的DBR构成了一个 Fabry-Perot光学腔 ,能够对光学局域态密度进行整形。在过去的三十年中,光学腔在量子技术、光电子学、光子学和光谱学等领域得到了广泛的应用。同样,采用 相同DBR构型的声学腔 可以限制和增强声子场,为超高频应用提供了前景


研究内容



本文深入研究了 顶层厚度和表面粗糙度 对基于DBR的法布里-珀罗( FP )腔和纳米声学开放谐振器中声子动力学和品质因子( Q因子)的影响
作者 首先分析了GaAs/AlAs结构顶层粗糙度和厚度变化的主要来源和类型 然后集中于研究顶层厚度对Fabry-Perot谐振腔和开放腔响应的影响 ,所研究的谐振器如 图1(a, b) 所示。 图1(c) (d) 给出了光学反射率随顶层厚度变化的彩色图,分别显示了FP腔和开放腔对顶层厚度的依赖关系。 图1(c) 显示了FP频率在整个厚度范围内的最小灵敏度,除了λ/2导致小的频率偏移。在开放腔中 (图1(d)) ,可以观察到在λ/2附近的小厚度变化的一个尖锐的频移,对应的斜率为0.34 THz /nm。此外,由于缺少上层高反射率的DBR,在开放腔中的光学品质因数较低,因此传输比FP情况弱得多。 图1(e) (f) 描绘了具有与 图1(c) (d) 相同DBR的空腔的声位移的颜色图。值得注意的是,如 图1(e) 所示,FP腔在大约30~100 nm之间,模式频率对厚度变化的敏感度最小,斜率为0.1MHz /nm。在很宽的厚度范围内,这种线性机制导致声共振的频率偏移小于10 MHz。相反,开腔表现出强烈的声学共振对顶层厚度的依赖性,声模态频率与层厚度成反比。在λ/2的中点附近,该曲线的斜率约为18 MHz/nm,明显大于FP腔的情况
对比光学谐振器和声学谐振器 ,可以观察到两个主要的区别 。第一种是在18.5 GHz的声学法布里-珀罗( FP )谐振腔中观察到的反交叉现象 (图1(e)) ,这在光学法布里-珀罗( FP )中并不明显 (图1(c)) 。在厚度为λ / 2时,两种情况下都形成了由于表面反射而形成的第二个腔。然而,声腔要强得多,从而解除了模式的简并。第二个差异涉及开放腔,其中光学模式 (图1(d)) 的传输比声学模式 (图1(f)) 的传输弱得多。这些差异源于自由面作为声学声子的完美镜面,而对于光子来说情况并非如此,因为电磁场可以渗透到空气中,为声子创造了比光子高得多的品质因数腔。

图1. 顶层厚度变化对 Fabry - Perot 谐振器和开腔谐振器的影响。 ( a ) 顶部 16 周期 DBR 和底部 20 周期 DBR Fabry-Perot 谐振腔和 ( b ) 20 周期 DBR λ/2 间隔的开腔的结构示意图。 ( c ) 法布里 - 珀罗腔和 ( d ) 开腔的光学反射率随顶层厚度变化的色图。 ( e ) 法布里 - 珀罗腔和 ( f ) 开腔声学位移随顶层厚度变化的色图


在此分析的基础上,作者深入研究了 层厚度和表面粗糙度对谐振器的影响 ,考虑了不同的DBR结构,如 图2 。对于具有( σ=0 nm)平坦表面的结构,Q因子仅由DBR周期数决定。然而, 随着表面粗糙度的增加,堆叠附加层的有效性明显减弱 。这是由于表面粗糙度引入的共振频率波动增加所施加的Q因子上限。 这种效应在开腔谐振腔中比在法布里-珀罗腔中更为显著 。较高的粗糙度决定了结构中达到最大Q值所需的DBR周期数的减少,从而导致最大Q值的减小
所以在设计高质量的光子或声学谐振器时,考虑粗糙度是必要的 。这样做,可以对每个设计进行精确的Q因子评估,并防止多余的层堆叠。这也将改善装置设计,提高运行效率,并最大限度地降低成本


图2. 粗糙度对(a) λ/2腔Fabry-Perot谐振腔和(b)3λ/2开腔谐振腔不同DBR结构Q值的影响。在两个面板中,底部DBR以5为间隔从5到25个双层,而在(a)中,Fabry-Perot的顶部DBR在所有情况下都比底部少4个双层


随后作者在DBR顶部引入介电材料 SiO 2 VO 2 ,并探究其粗糙度对谐振器响应的影响。在这些部分中,量化了用于减轻粗糙度影响的方法的有效性,如抛光或平面化

图3 ( a ) 重点介绍了介孔材料,比较了其对0 %和100 %相对湿度的响应,为三种不同的表面粗糙度值。可以看出,腔体对湿度变化的响应明显,随着湿度的增加,峰值振幅减小,频率发生偏移。然而,粗糙度的增加会导致更宽的峰值,这可能会使频率偏移更加难以解决。 对于5 nm的粗糙度,最大的考虑,位移仍然是可分辨的。然而,这一趋势表明,对于未优化的 SiO 2 样品来说,粗糙度超过5 nm或处在较小的湿度变化内,可能会导致系统响应不足。

图3(b)







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