本發(fā)明涉及光學(xué)器件，更具體地，涉及一種基于三維打印的懸浮微環(huán)諧振器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著近年來(lái)光通信技術(shù)的快速發(fā)展和集成光學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，光學(xué)微環(huán)諧振器作為一種重要的光學(xué)元件，在光信號(hào)處理、光通信、生物傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。光學(xué)微環(huán)諧振器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、品質(zhì)因子高、尺寸小易集成等優(yōu)勢(shì)，能夠有效降低光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，并提高系統(tǒng)的整體性能。

2、光學(xué)微環(huán)諧振器在推進(jìn)光學(xué)傳感和其他相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展上起著至關(guān)重要的作用，但同時(shí)其性能主要取決于其結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性以及制備工藝等因素。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，垂直耦合結(jié)構(gòu)的諧振器在多層結(jié)構(gòu)上面臨著各層表面無(wú)法平整的問(wèn)題，這可能會(huì)加重器件的損耗，抵消了使用垂直耦合結(jié)構(gòu)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。跑道型結(jié)構(gòu)雖然可以通過(guò)增加直波導(dǎo)長(zhǎng)度來(lái)提高耦合效率，但也可能因?yàn)橹辈▽?dǎo)和彎曲波導(dǎo)的模式不匹配而引起模式不匹配損耗。在工藝方面，耦合波導(dǎo)和微環(huán)波導(dǎo)之間的耦合長(zhǎng)度很小，通常在波導(dǎo)間距很小時(shí)才能產(chǎn)生足夠大的耦合，且耦合效率對(duì)耦合間距很敏感，這對(duì)普通光刻技術(shù)的精度提出了很高的要求。更先進(jìn)的光刻技術(shù)雖然可以滿足要求，但成本較高。同時(shí)，刻蝕波導(dǎo)也需要注意保證波導(dǎo)側(cè)壁的垂直和光滑。

3、光學(xué)微環(huán)諧振器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面需要考慮多種因素，如波長(zhǎng)、折射率、耦合長(zhǎng)度、耦合間距等。在器件結(jié)構(gòu)加工方面，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)所加工的微環(huán)器件結(jié)構(gòu)單一，若想實(shí)現(xiàn)傳感器件的增敏，增加器件的靈敏度，那么就需要對(duì)器件的襯底進(jìn)行刻蝕、掏空，或額外制作表面薄膜增敏結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程的制備工藝復(fù)雜、對(duì)光刻精度和刻蝕精度的要求較高、成品率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種基于三維打印的懸浮微環(huán)諧振器，有效提高了諧振器的性能；提供的一種基于三維打印的懸浮微環(huán)諧振器的制備方法，有效提高了制備效率以及成品率。

2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種基于三維打印的懸浮微環(huán)諧振器，由下至上依次包括襯底、底座以及器件主體，所述器件主體包括微環(huán)諧振腔以及與所述微環(huán)諧振腔進(jìn)行耦合的耦合波導(dǎo)；所述微環(huán)諧振腔和耦合波導(dǎo)均通過(guò)支撐件懸浮在所述底座上，構(gòu)成懸浮的回音壁模式，以提高機(jī)械共振效應(yīng)。

4、根據(jù)以上技術(shù)手段，本發(fā)明襯底和底座用于支撐器件主體，微環(huán)諧振腔和耦合波導(dǎo)懸浮在底座上。微環(huán)諧振腔利用光波在微環(huán)結(jié)構(gòu)中的干涉現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光波的調(diào)控和微弱信號(hào)的探測(cè)，微環(huán)諧振器具有非常高的品質(zhì)因數(shù)(q值)，這意味著它們能夠在非常窄的頻率范圍內(nèi)存儲(chǔ)光能，從而對(duì)光波的頻率變化非常敏感。與此同時(shí)，微環(huán)諧振器通過(guò)波導(dǎo)將光場(chǎng)限制在一個(gè)非常小的體積內(nèi)，這增加了光與物質(zhì)相互作用的機(jī)會(huì)，從而提高了傳感的靈敏度。耦合波導(dǎo)用于將光信號(hào)引入微環(huán)諧振腔進(jìn)行耦合，以及將耦合后的光信號(hào)引出微環(huán)諧振腔。懸浮微環(huán)諧振器在光學(xué)微腔中利用其機(jī)械共振效應(yīng)(即利用微腔光力系統(tǒng))可以增強(qiáng)微腔對(duì)超聲波的機(jī)械響應(yīng)，從而進(jìn)一步提高靈敏度。使用懸浮的回音壁模式微環(huán)腔可以提升機(jī)械共振效應(yīng)，進(jìn)而提升超聲靈敏度。

5、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述支撐件為薄片結(jié)構(gòu)，厚度為0.3um～1um。支撐件設(shè)置為薄片結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步增加其機(jī)械共振效應(yīng)。

6、在其中一個(gè)實(shí)施例中，位于微環(huán)諧振腔底部的支撐件，沿著微環(huán)的周向間隔設(shè)置有多個(gè)缺口；所述底座的兩端分別設(shè)有用于限制光沿底座傳輸?shù)牧芽p，且所述裂縫位于所述微環(huán)諧振腔的兩側(cè)。設(shè)置缺口可以避免光信號(hào)沿著支撐件傳播。底座的兩側(cè)設(shè)置裂縫，可以避免光沿著底座傳輸，這樣可以保證光沿微環(huán)諧振腔傳輸。

7、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述微環(huán)諧振腔的結(jié)構(gòu)為圓環(huán)波導(dǎo)，所述耦合波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為滑輪波導(dǎo)。

8、在其中一個(gè)實(shí)施例中，位于所述微環(huán)諧振腔底部的支撐件，其結(jié)構(gòu)與微環(huán)諧振腔的結(jié)構(gòu)相同，為環(huán)形結(jié)構(gòu)；位于所述耦合波導(dǎo)底部的支撐件，其結(jié)構(gòu)與耦合波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相同，為長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)。支撐件是沿著微環(huán)諧振腔的底部設(shè)置的，微環(huán)諧振腔為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，支撐件也為圓環(huán)結(jié)構(gòu)；同樣的，位于耦合波導(dǎo)底部的支撐件，耦合波導(dǎo)是長(zhǎng)條形的，支撐件是沿著耦合波導(dǎo)的長(zhǎng)度方向設(shè)置在耦合波導(dǎo)的底部；由于支撐件是薄片狀，作為優(yōu)選，支撐件設(shè)置在底部的中間位置，這樣可以更穩(wěn)定的支撐。

9、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述圓環(huán)波導(dǎo)的寬度為2um～4um，高度為2um～4um；所述耦合波導(dǎo)的寬度為1.5um～2.5um，高度為2um～4um，滑輪波導(dǎo)的覆蓋角度為28～35度；所述耦合波導(dǎo)的耦合區(qū)域與所述微環(huán)諧振腔之間的間距為0.6um～1.1um；所述支撐件的高度為2um～3um。

10、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述底座、器件主體的折射率高于所述襯底的折射率。

11、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述底座、支撐件以及器件主體的材料包括ip-dip光刻膠、ip-dip2光刻膠、ip-l光刻膠、ip-s光刻膠、ip-g光刻膠或ip-n162光刻膠；所述襯底的材料包括石英片，且在780nm波長(zhǎng)處的折射率為1.38～1.55。

12、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述底座、支撐件以及器件主體通過(guò)三維打印一體成型。

13、本發(fā)明還提供一種微環(huán)諧振器的制備方法，包括以下步驟：

14、s1.使用3d制圖軟件創(chuàng)建懸浮微環(huán)諧振器的三維模型，并導(dǎo)入三維激光打印設(shè)備的處理軟件中，設(shè)置結(jié)構(gòu)的三維打印參數(shù)，導(dǎo)出打印文件；

15、s2.將干凈的襯底片放置到樣品架中，使用膠帶進(jìn)行固定，并將光刻膠滴在襯底片上；

16、s3.將高數(shù)值孔徑物鏡和樣品架裝配至三維激光打印設(shè)備中；

17、s4.加載打印文件，使用光學(xué)成像系統(tǒng)識(shí)別定位襯底片的上表面，通過(guò)物鏡聚焦激光，配合精密位移平臺(tái)，對(duì)懸浮微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行打??；

18、s5.取出襯底片，將其放置在立式清洗架上，依次浸泡于顯影液和異丙醇溶液中，去除未固化的光刻膠得到權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的懸浮微環(huán)諧振器。

19、目前制備光學(xué)微環(huán)諧振器為了實(shí)現(xiàn)傳感器件的增敏，需要經(jīng)過(guò)沉積表面薄膜增敏結(jié)構(gòu)或?qū)ζ骷囊r底進(jìn)行刻蝕、掏空等工藝步驟，這一過(guò)程的制備工藝復(fù)雜、對(duì)光刻精度和刻蝕精度的要求較高、成品率低。本發(fā)明提出的懸浮微環(huán)諧振器的制備方法基于三維激光打印，其分辨率可達(dá)到亞微米量級(jí)，可確保高精度制造的需求，同時(shí)可以一步到位地在襯底上完成結(jié)構(gòu)的制備，極大地提升了制備效率，具有高精度、高速率、高靈活性的優(yōu)點(diǎn)。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是：

21、1、本發(fā)明提出的一種基于三維打印的懸浮微環(huán)諧振器，懸浮微環(huán)諧振器在光學(xué)微腔中利用其機(jī)械共振效應(yīng)可以增強(qiáng)微腔對(duì)超聲波的機(jī)械響應(yīng)，從而進(jìn)一步提高靈敏度。使用懸浮的回音壁模式微環(huán)腔可以提升機(jī)械共振效應(yīng)，進(jìn)而提升超聲靈敏度。此外，懸浮微環(huán)諧振器的設(shè)計(jì)減少了與支撐結(jié)構(gòu)或襯底的接觸，從而降低了熱和機(jī)械噪聲的影響，進(jìn)一步提高了傳感器的靈敏度和分辨率；

22、2、本發(fā)明提出的懸浮微環(huán)諧振器的制備方法基于三維激光打印，其分辨率可達(dá)到亞微米量級(jí)，可確保高精度制造的需求，同時(shí)可以一步到位地在襯底上完成結(jié)構(gòu)的制備，極大地提升了制備效率，具有高精度、高速率、高靈活性的優(yōu)點(diǎn)。