本发明属于光学微腔，涉及一种微环芯腔，尤其涉及一种超高品质因子的微环芯腔及其制备方法与应用。
背景技术：
1、片上氧化硅光学微腔发展至今，人们通过工艺的不断优化尝试进一步提高其品质因子。品质因子是一个用来表征微腔内部光学损耗的物理量，且微腔中诸多光学现象的产生都与品质因子息息相关。众所周知，光纤从问世至今的大规模应用离不开其制备工艺的优化和光学损耗的降低，片上氧化硅微腔的未来发展趋势也是如此。
2、根据形状结构的区别，片上氧化硅光学微腔可以分为微球腔、微环芯腔和微盘腔。在前人的工艺中，微球腔和微环芯腔的尺寸只能做到几十微米到两毫米左右，无法做到更大尺寸；微盘腔虽然可以做到任意尺寸，但在品质因子方面却受限于工艺，很难进一步突破。
3、早在1996年，gorodetsky等人就利用氢气微焰加热二氧化硅使其受热熔融，熔融的氧化硅在表面张力的作用下收缩成小球，从而得到了超高品质因子的回音壁微球腔(参见文献：m.l.gorodetsky,a.a.savchenkov,and v.s.ilchenko,"ultimate q of opticalmicrosphere resonators,"opt.lett.21,453-455(1996))。
4、在2003年，vahala研究小组首次提出了片上微环芯腔的制备工艺，具体包括以下步骤：(1)准备一片硅片，硅片上带有2μm厚度的氧化硅层；在硅片上进行涂胶，光刻，显影等步骤，得到160μm直径的圆形光刻胶图案；(2)烘烤光刻胶使其边缘变得光滑，之后将硅片浸泡在hf缓冲溶液中刻蚀一段时间；刻蚀结束后，利用丙酮等溶液洗去剩余的光刻胶，得到同样160μm直径的氧化硅微盘；(3)将样品置于xef2气体中刻蚀，刻蚀的气压为3torr；xef2气体在刻蚀硅时具有良好的选择性，几乎不与氧化硅反应；刻蚀结束，氧化硅圆盘边缘下方的硅被均匀刻蚀，最终得到一个圆台形硅柱支撑氧化硅微盘；(4)用光斑直径为200μm的二氧化碳激光照射样品；二氧化碳激光波长为10.6μm，该波段的光会被氧化硅强烈吸收，而硅对该波段的光吸收很少，因此氧化硅微盘样品被二氧化碳激光照射之后温度会急剧升高；此外，硅的导热性比氧化硅高100倍左右，这就导致靠近硅柱的氧化硅温度相对较低，微盘最边缘的氧化硅温度最高。当照射的二氧化碳激光功率足够高时，微盘边缘的氧化硅被加热至熔点而受热熔融，在表面张力的作用下收缩，最终形成微环芯腔(参见文献：armani,d.k.,kippenberg,t.j.,spillane,s.m.&vahala,k.j.ultra-high-toroid microcavity on achip.nature 421,925-928(2003))。
5、上述方法虽然首次实现了片上超高品质因子微腔的制备，但其缺点也较为明显：该方法制备的样品直径大小受限于二氧化碳激光光斑的直径，对于品质因子更高，用途更广泛的大尺寸样品则需要更加优化的方案，故仍有较大的改进空间。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种超高品质因子的微环芯腔及其制备方法与应用，通过改进传统的微环芯腔制备工艺，最终得到超高品质因子的大尺寸微环芯腔，显著提高了样品的应用价值，有利于大规模推广应用。
2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
3、第一方面，本发明提供一种超高品质因子的微环芯腔，所述微环芯腔包括圆形微盘、设置于所述圆形微盘外缘一周的实心圆环，以及支撑所述圆形微盘的底座。
4、所述圆形微盘和实心圆环的材质为氧化硅，所述底座的材质为硅。
5、所述实心圆环的环状外径为3-6mm，例如可以是3mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、3.8mm、4mm、4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm、5mm、5.2mm、5.4mm、5.6mm、5.8mm或6mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
6、相较于传统微环芯腔的尺寸受限于几十微米到两毫米范围内，本发明提供的微环芯腔直径高达3-6mm，这在尺寸上是一个显著的扩展，为更广泛的应用提供了可能。
7、所述微环芯腔的品质因子≥1×109，例如可以是1×109、1.5×109、2×109、2.5×109、3×109、3.5×109、4×109、4.5×109或5×109，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
8、本发明所提供微环芯腔的品质因子达到十亿以上，是目前已知品质因子最高的片上光学微腔。品质因子的显著提升意味着微腔内部光学损耗的明显降低，有助于进一步提高光学信号的稳定性和增强光学现象的可观测性。
9、优选地，所述实心圆环的芯腔直径为50-60μm，例如可以是50μm、51μm、52μm、53μm、54μm、55μm、56μm、57μm、58μm、59μm或60μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
10、优选地，所述圆形微盘的厚度为10-14μm，例如可以是10μm、10.5μm、11μm、11.5μm、12μm、12.5μm、13μm、13.5μm或14μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
11、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述微环芯腔的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
12、(1)选取设置有氧化硅层的硅片；
13、(2)在所述氧化硅层的表面涂覆光刻胶层并进行光刻处理，得到圆形光刻胶图案；
14、(3)利用圆形光刻胶图案作为掩膜对氧化硅层进行湿法刻蚀，得到圆形微盘；
15、(4)去除圆形微盘表面的光刻胶，并对圆形微盘下方的硅片进行干法刻蚀，即在圆形微盘和硅片之间形成硅柱；
16、(5)对圆形微盘进行激光回流，并在激光回流过程中控制光斑围绕圆形微盘的边缘旋转移动，即在圆形微盘的外缘一周形成实心圆环；
17、(6)在氧气氛围中进行退火处理，得到超高品质因子的微环芯腔。
18、本发明提供的制备方法在激光回流过程中原创性地控制光斑围绕圆形微盘的边缘旋转移动，显著提升了大尺寸微环芯腔在回流过程中的受热均匀性，且在制备过程后增加了氧气氛围中的退火处理，有助于充分释放样品在制备过程中积累的应力，从而使得样品能够长时间保持较高的品质因子。
19、优选地，步骤(1)所述硅片的厚度为0.8-1.2mm，例如可以是0.8mm、0.85mm、0.9mm、0.95mm、1mm、1.05mm、1.1mm、1.15mm或1.2mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
20、优选地，步骤(1)所述氧化硅层的厚度为10-14μm，例如可以是10μm、10.5μm、11μm、11.5μm、12μm、12.5μm、13μm、13.5μm或14μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
21、本发明选取厚度为10-14μm的氧化硅层有利于降低氧化硅生长过程中材料应力的影响，拓展了微环芯腔可制备的尺寸与可控范围，且较厚的氧化硅层也使得干法刻蚀过程不需要反复进行，从而简化了制备工艺，提高了生产效率。
22、优选地，步骤(2)在涂覆光刻胶层之前对硅片依次进行清洗和表面增粘处理。
23、优选地，步骤(2)所述光刻处理之前对光刻胶层进行预烘。
24、优选地，步骤(2)所述光刻处理包括依次进行的曝光、显影和硬烘。
25、本发明中，所述清洗、表面增粘处理、预烘、曝光、显影和硬烘均为本领域技术人员的常规操作，只要能够达到相应的作用即可，故在此不对上述各项操作的具体条件做特别限定。
26、优选地，步骤(2)所述圆形光刻胶图案的直径为3-6mm，例如可以是3mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、3.8mm、4mm、4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm、5mm、5.2mm、5.4mm、5.6mm、5.8mm或6mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
27、优选地，步骤(3)所述湿法刻蚀采用氢氟酸溶液进行。
28、优选地，步骤(4)所述光刻胶的去除包括：依次采用丙酮、异丙醇和去离子水清洗硅片，和/或，采用浓硫酸和双氧水的混合溶液清洗硅片。
29、优选地，所述浓硫酸的浓度≥98wt％，例如可以是98wt％、98.1wt％、98.2wt％、98.3wt％、98.4wt％或98.5wt％，双氧水的浓度≥30wt％，例如可以是30wt％、31wt％、32wt％、33wt％、34wt％或35wt％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
30、优选地，步骤(4)所述干法刻蚀采用二氟化氙气体进行。
31、优选地，步骤(4)所述干法刻蚀的绝对气压为2-4torr，例如可以是2torr、2.2torr、2.4torr、2.6torr、2.8torr、3torr、3.2torr、3.4torr、3.6torr、3.8torr或4torr，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
32、优选地，步骤(4)所述硅柱与圆形微盘边缘之间的距离为200-300μm，例如可以是200μm、210μm、220μm、230μm、240μm、250μm、260μm、270μm、280μm、290μm或300μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
33、本发明中，所述硅柱与圆形微盘边缘之间的距离和圆形微盘的厚度及直径相关，且圆形微盘的厚度越厚，直径越小，则该距离所能达到的最大值也就越大。以厚度为12μm，直径为3mm的圆形微盘为例，所述硅柱与圆形微盘边缘之间的距离最大值则为220μm。
34、优选地，步骤(5)所述激光回流采用二氧化碳激光进行，且所述二氧化碳激光为高斯光束。
35、优选地，所述二氧化碳激光的光斑直径为1-2mm，例如可以是1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm或2mm，激光功率为15-45w，例如可以是15w、20w、25w、30w、35w、40w或45w，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
36、优选地，步骤(5)所述激光回流包括：先采用10-15w激光功率的二氧化碳激光预热圆形微盘，然后逐步增加激光功率，且在每次增加激光功率的同时控制光斑围绕圆形微盘的边缘旋转移动2-3周；当激光功率增加至20-30w时，圆形微盘边缘的氧化硅开始出现熔融收缩现象，初步形成实心圆环；随着激光功率的逐步增加，氧化硅熔融收缩逐步靠近硅柱，实心圆环的环状外径逐步增大；当激光功率增加至40-50w时，实心圆环的环状外径达到3-6mm，激光回流完成。
37、优选地，步骤(6)所述退火处理的温度为950-1050℃，例如可以是950℃、960℃、970℃、980℃、990℃、1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃或1050℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
38、优选地，步骤(6)所述退火处理的时间为30-40h，例如可以是30h、31h、32h、33h、34h、35h、36h、37h、38h、39h或40h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
39、作为本发明第二方面优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
40、(1)选取设置有氧化硅层的硅片，且所述硅片的厚度为0.8-1.2mm，氧化硅层的厚度为10-14μm；
41、(2)对硅片依次进行清洗和表面增粘处理，然后在所述氧化硅层的表面涂覆光刻胶层并进行预烘，之后依次经过曝光、显影和硬烘，得到直径为3-6mm的圆形光刻胶图案；
42、(3)将硅片浸泡于氢氟酸溶液中，利用圆形光刻胶图案作为掩膜对氧化硅层进行湿法刻蚀，得到圆形微盘；
43、(4)依次采用丙酮、异丙醇和去离子水清洗硅片，和/或，采用浓度≥98wt％浓硫酸和浓度≥30wt％双氧水的混合溶液清洗硅片，去除圆形微盘表面的光刻胶；之后采用二氟化氙气体对圆形微盘下方的硅片进行干法刻蚀，并控制干法刻蚀的绝对气压为2-4torr，即在圆形微盘和硅片之间形成硅柱，且所述硅柱与圆形微盘边缘之间的距离为200-300μm；
44、(5)采用高斯光束且光斑直径为1-2mm的二氧化碳激光对圆形微盘进行激光回流，具体包括：先采用10-15w激光功率的二氧化碳激光预热圆形微盘，然后逐步增加激光功率，且在每次增加激光功率的同时控制光斑围绕圆形微盘的边缘旋转移动2-3周；当激光功率增加至20-30w时，圆形微盘边缘的氧化硅开始出现熔融收缩现象，初步形成实心圆环；随着激光功率的逐步增加，氧化硅熔融收缩逐步靠近硅柱，实心圆环的环状外径逐步增大；当激光功率增加至40-50w时，实心圆环的环状外径达到3-6mm，激光回流完成，即在圆形微盘的外缘一周形成实心圆环；
45、(6)在氧气氛围中进行退火处理，并控制退火处理的温度为950-1050℃，时间为30-40h，得到超高品质因子的微环芯腔。
46、第三方面，本发明提供一种如第一方面所述微环芯腔的应用，所述微环芯腔用于产生低功耗的克尔光频率梳和光孤子。
47、本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
48、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
49、(1)相较于传统微环芯腔的尺寸受限于几十微米到两毫米范围内，本发明提供的微环芯腔直径高达3-6mm，这在尺寸上是一个显著的扩展，为更广泛的应用提供了可能；
50、(2)本发明所提供微环芯腔的品质因子达到十亿以上，是目前已知品质因子最高的片上光学微腔。品质因子的显著提升意味着微腔内部光学损耗的明显降低，有助于进一步提高光学信号的稳定性和增强光学现象的可观测性。
51、(3)本发明提供的制备方法在激光回流过程中原创性地控制光斑围绕圆形微盘的边缘旋转移动，显著提升了大尺寸微环芯腔在回流过程中的受热均匀性，且在制备过程后增加了氧气氛围中的退火处理，有助于充分释放样品在制备过程中积累的应力，从而使得样品能够长时间保持较高的品质因子。
1.一种超高品质因子的微环芯腔，其特征在于，所述微环芯腔包括圆形微盘、设置于所述圆形微盘外缘一周的实心圆环，以及支撑所述圆形微盘的底座；
2.根据权利要求1所述的微环芯腔，其特征在于，所述实心圆环的芯腔直径为50-60μm；
3.一种如权利要求1或2所述微环芯腔的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述硅片的厚度为0.8-1.2mm；
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述湿法刻蚀采用氢氟酸溶液进行；
6.根据权利要求3-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述干法刻蚀采用二氟化氙气体进行；
7.根据权利要求3-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述激光回流采用二氧化碳激光进行，且所述二氧化碳激光为高斯光束；
8.根据权利要求3-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述退火处理的温度为950-1050℃；
9.根据权利要求3-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
10.一种如权利要求1或2所述微环芯腔的应用，其特征在于，所述微环芯腔用于产生低功耗的克尔光频率梳和光孤子。
