CN108535852A - 一种谐振器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振器及其制备方法。其制备方法为：(1)对芯层晶片和底层包层晶片的键合面进行清洗抛光；(2)将抛光后的芯层晶片和底层包层晶片再次清洗后，于室温，0.8～2MPa下进行预键合，然后由80～100℃逐渐升温至900～1100℃，进行高温退火处理，完成键合；(3)对步骤(2)所得产物中芯层晶片未键合的一面进行磨削，然后与顶层包层晶片一同重复步骤(1)和步骤(2)，使顶层包层晶片与芯层晶片完成键合，得到具有“三明治”结构的谐振器。本发明方法简单，制备得到的谐振器稳定性好，成本低，适用范围广，实用性强。

Description

一种谐振器及其制备方法
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种谐振器及其制备方法。
背景技术
光学谐振器是一种很重要的光学器件，进入谐振器的光以一种特殊的电磁波谐振模式存在，依靠在谐振器边界面上发生全内反射，其能够以极小的损耗沿着谐振器的弧形表面传播，并且，具有高品质因数的光学谐振器，具有损耗低和模式体积小的特点，因此谐振器内光子密度极大，使得其具有优良的电学和光学特性，被广泛应用于微波光子学、非线性光学、量子光学等众多领域。传统的光学谐振器，往往制作工艺十分复杂与耗时，稳定性差，成本较高，使得实验难度提高。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种谐振器及其制备方法，可有效解决现有谐振器成本高，稳定性差的问题。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(1)对芯层晶片和底层包层晶片的键合面进行清洗抛光；
(2)将抛光后的芯层晶片和底层包层晶片再次清洗后，于室温，0.8～2MPa下进行预键合，然后由80～100℃逐渐升温至900～1100℃，进行高温退火处理，再次完成键合；
(3)对步骤(2)所得产物中芯层晶片未键合的一面进行磨削，然后与顶层包层晶片一同重复步骤(1)和步骤(2)，使顶层包层晶片与芯层晶片完成键合，得到具有“三明治”结构的谐振器。
进一步地，步骤(1)中芯层晶片和底层包层晶片的键合面的抛光度达到光学二级以上。
采用上述方法制备得到的谐振器。
进一步地，谐振器呈圆柱形，其包括由上至下键合的顶层包层晶片、芯层晶片和底层包层晶片；顶层包层晶片、芯层晶片和底层包层晶片均呈圆柱形。
进一步地，顶层包层晶片和底层包层晶片为同种材料，且芯层晶片材料的折射率大于顶层包层晶片和底层包层晶片，热光系数与顶层包层晶片和底层包层晶片相反。
进一步地，芯层晶片半径为微米量级。
进一步地，顶层包层晶片和底层包层晶片半径一致，且均为毫米量级。
进一步地，谐振器直径为毫米量级，其侧面粗糙度为亚微米量级。
本发明的有益效果为：
1、本发明制备得到的谐振器的顶层包层晶片和底层包层晶片部分通过键合工艺，紧密贴合在芯层晶片部分的两侧，且芯层晶片的折射率大于顶层包层晶片和底层包层晶片的折射率，且热光系数与顶层包层晶片和底层包层晶片相反，可以很好的将芯层晶片谐振器部分的光限制住在芯层晶片中传输，同时也被用作热量补偿的手段，减小了温度变化对谐振器带来的影响，增强了谐振器结构的稳定性。
2、本发明制备得到的谐振器由呈圆柱形的顶层包层晶片，中间芯层晶片，底层包层晶片三层结构通过键合工艺制成，得到呈“三明治”结构的圆柱形谐振器，其侧面为光滑的圆柱曲面，仅通过抛光即能使其粗糙度达亚微米量级，而无需额外的加工为特定的曲面，降低了设计和加工的复杂度。
3、本发明方法在制备谐振器的过程中，芯层晶片与顶层包层晶片和底层包层晶片的键合面的抛光度均达到光学二级以上，三者的键合面表面平整光滑，由此，使得整个谐振器拥有较高的品质因数。
4、芯层晶片与顶层包层晶片和底层包层晶片在室温下键合时，氢键起主要作用，键的数量与表面能成正比。当温度在100～200度之间时，氢氧团因获得热能而具有更大的表面迁移率，使更多的氢键跨越间隙，芯层晶片分别与顶层包层晶片和底层包层晶片被紧密的吸附在一起。随着温度升高，氢键被化学键的作用逐步取代，多余的水或氢从界面上扩散出来。当温度达到300度左右时，化学键超过了正在消失的氢键。同时，在该温度范围内，温度升高使得芯层晶片、顶层包层晶片和底层包层晶片的弹性形变增加，引起那些未键合的微小区域键合，使键合强度增加。温度高于800℃后，芯层晶片与顶层包层晶片和底层包层晶片的键合面发生塑性变形，固态扩散和粘滞流动，从而产生局部真空，使键合界面的微观间隙逐渐消失，随着温度继续升高，邻近原子间相互反应产生共价键，键合强度增加，使得键合得以完成。
5、本发明方法制备得到的谐振器不但降低了器件设计和制作的难度，提升了器件性能和成品率，而且降低了成本，同时具有高品质因数，适合于各种需要高品质因数谐振器的应用领域。
附图说明
图1为本装置的剖视图；
图2为本装置的俯视图。
其中，1、顶层包层晶片；2、芯层晶片；3、底层包层晶片。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1和图2所示，该谐振器呈圆柱形，包括由上至下键合的顶层包层晶片1、芯层晶片2和底层包层晶片3，其中，顶层包层晶片1、芯层晶片2和底层包层晶片3均呈圆柱形，顶层包层晶片1和底层包层晶片3为同种材料，两者半径均为毫米量级，并保持一致；而芯层晶片2材料的折射率大于顶层包层晶片1和底层包层晶片3，热光系数与顶层包层晶片1和底层包层晶片3相反，以达成热量补偿，减小温度变化对谐振器带来的影响，且其半径为微米量级。
谐振器的制备方法如下：
实施例1
一种谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先对芯层晶片和底层包层晶片需要进行键合的面进行清洗，保证芯层晶片和底层包层晶片的键合面的清洁，无有机残留物，无任何微小颗粒，表面平整度高，由于键合是原子级水平的互相作用，晶片表面粗糙度不等的起伏影响着键合质量，因此在对晶片表面实施抛光时，使其抛光度切实达到光学二级以上，以保证键合面的表面平整度高；
(2)将抛光后的芯层晶片和底层包层晶片再次清洗后，于室温、1.3MPa下，使芯层晶片和底层包层晶片的键合面紧密接触，芯层晶片和底层包层晶片通过表面吸附的分子膜建立起氢键连接，完成预键合，然后由100℃逐渐升温至1100℃，进行高温退火处理，使界面原子的排列发生重组和相互融合，随着温度的升高，晶片发生弹性形变，键合面积增大，键合强度也增加，当温度超过1000℃时，邻近的原子间相互反应产生牢固的共价键，使得键合得以完成；
(3)根据实际需求，将步骤(2)所得产物中芯层晶片未键合的一面磨削至符合所需的芯层晶片结构厚度，然后再重复步骤(1)和步骤(2)的操作，再次进行键合，使顶层包层晶片与芯层晶片完成键合，得到具有“三明治”结构，呈圆柱形的谐振器，再对谐振器的侧面进行抛光，使其粗糙度达到亚微米量级，然后再次清洗，保证谐振器侧面的平整光洁。
实施例2
一种谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先对芯层晶片和底层包层晶片需要进行键合的面进行清洗，保证芯层晶片和底层包层晶片的键合面的清洁，无有机残留物，无任何微小颗粒，表面平整度高，由于键合是原子级水平的互相作用，晶片表面粗糙度不等的起伏影响着键合质量，因此在对晶片表面实施抛光时，使其抛光度切实达到光学二级以上，以保证键合面的表面平整度高；
(2)将抛光后的芯层晶片和底层包层晶片再次清洗后，于室温、0.8MPa下，使芯层晶片和底层包层晶片的键合面紧密接触，芯层晶片和底层包层晶片通过表面吸附的分子膜建立起氢键连接，完成预键合，然后由80℃逐渐升温至1080℃，进行高温退火处理，使界面原子的排列发生重组和相互融合，随着温度的升高，晶片发生弹性形变，键合面积增大，键合强度也增加，当温度超过1000℃时，邻近的原子间相互反应产生牢固的共价键，使得键合得以完成；
(3)根据实际需求，将步骤(2)所得产物中芯层晶片未键合的一面磨削至符合所需的芯层晶片结构厚度，然后再重复步骤(1)和步骤(2)的操作，再次进行键合，使顶层包层晶片与芯层晶片完成键合，得到具有“三明治”结构，呈圆柱形的谐振器，再对谐振器的侧面进行抛光，使其粗糙度达到亚微米量级，然后再次清洗，保证谐振器侧面的平整光洁。
实施例3
一种谐振器的制备方法，包括以下步骤：
(1)首先对芯层晶片和底层包层晶片需要进行键合的面进行清洗，保证芯层晶片和底层包层晶片的键合面的清洁，无有机残留物，无任何微小颗粒，表面平整度高，由于键合是原子级水平的互相作用，晶片表面粗糙度不等的起伏影响着键合质量，因此在对晶片表面实施抛光时，使其抛光度切实达到光学二级以上，以保证键合面的表面平整度高；
(2)将抛光后的芯层晶片和底层包层晶片再次清洗后，于室温、2MPa下，使芯层晶片和底层包层晶片的键合面紧密接触，芯层晶片和底层包层晶片通过表面吸附的分子膜建立起氢键连接，完成预键合，然后由90℃逐渐升温至800℃，进行高温退火处理，使界面原子的排列发生重组和相互融合，随着温度的升高，晶片发生弹性形变，键合面积增大，键合强度也增加，当温度超过1050℃时，邻近的原子间相互反应产生牢固的共价键，使得键合得以完成；
(3)根据实际需求，将步骤(2)所得产物中芯层晶片未键合的一面磨削至符合所需的芯层晶片结构厚度，然后再重复步骤(1)和步骤(2)的操作，再次进行键合，使顶层包层晶片与芯层晶片完成键合，得到具有“三明治”结构，呈圆柱形的谐振器，再对谐振器的侧面进行抛光，使其粗糙度达到亚微米量级，然后再次清洗，保证谐振器侧面的平整光洁。

Claims (8)

1.一种谐振器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对芯层晶片和底层包层晶片的键合面进行清洗抛光；
(2)将抛光后的芯层晶片和底层包层晶片再次清洗后，于室温，0.8～2MPa下进行预键合，然后由80～100℃逐渐升温至900～1100℃，进行高温退火处理，再次完成键合；
(3)对步骤(2)所得产物中芯层晶片未键合的一面进行磨削，然后与顶层包层晶片一同重复步骤(1)和步骤(2)，使顶层包层晶片与芯层晶片完成键合，得到具有“三明治”结构的谐振器。
2.根据权利要求1所述的谐振器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述芯层晶片和底层包层晶片的键合面的抛光度达到光学二级以上。
3.采用权利要求1或2所述方法制备得到的谐振器。
4.根据权利要求3所述的谐振器，其特征在于，所述谐振器呈圆柱形，其包括由上至下键合的顶层包层晶片(1)、芯层晶片(2)和底层包层晶片(3)；所述顶层包层晶片(1)、芯层晶片(2)和底层包层晶片(3)均呈圆柱形。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其特征在于，所述顶层包层晶片(1)和底层包层晶片(3)为同种材料，且芯层晶片(2)材料的折射率大于顶层包层晶片(1)和底层包层晶片(3)，热光系数与顶层包层晶片(1)和底层包层晶片(3)相反。
6.根据权利要求4所述的谐振器，其特征在于，所述芯层晶片(2)半径为微米量级。
7.根据权利要求4所述的谐振器，其特征在于，所述顶层包层晶片(1)和底层包层晶片(3)半径一致，且均为毫米量级。
8.根据权利要求4所述的谐振器，其特征在于，所述谐振器直径为毫米量级，其侧面粗糙度为亚微米量级。
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