一种高Q值吉赫兹谐振器及谐振方法

技术领域

本发明属于高频MEMS器件领域，更具体地，涉及一种高Q值吉赫兹谐振器及谐振方法。

背景技术

微机电系统(MEMS)以其微型化和高频率等特点占领了工业市场。随着各种射频(RF)系统的快速发展，如5G移动通讯、卫星等无线通讯，市场对高频的谐振器、滤波器的需求急剧增加，高品质的高频谐振器已经成为研究的重点。它们的高频率、低损耗(即高Q值)和小质量使其成为下一代时钟、滤波器、谐振传感器和量子技术的核心组件。

基于逆压电效应，石英谐振器、表面声波(SAW)器件和插指换能器(IDT)可用于kHz到MHz的谐振器。此外，一些特殊的SAW也可以在GHz范围工作，但受相速度和光刻的限制主要应用于低频段市场。为了满足当今无线通讯技术的需要，利用薄膜腔声谐振滤波器(FBAR)，可以产生GHz谐振，并在温度稳定性方面表现出优异的性能。此外，现有的技术通常需要带有外部射频激励的压电材料，而现有的互补金属氧化物半导体(CMOS)基础器件不容易集成。

近年来，光力系统利用GHz声子与通讯波长光子的强相互作用，在激光冷却纳米机械振荡器的量子基态、声子激光、热运输工程和光力诱导透明等方面取得了很大的进展。然而，由于在超低温环境下，谐振器通常具有较高的Q值，且整体谐振性能优良，因此，现有的基于光力系统的谐振器，往往都是针对超低温环境提出的，而实际的应用往往处于室温环境。因此，如何在室温下打破的GHz纳米谐振器的Q值瓶颈，仍然是一个亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种高Q值吉赫兹谐振器及谐振方法，其目的在于，提供一种同时满足吉赫兹高频机械振动和高Q值需求的谐振器。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高Q值吉赫兹谐振器，包括：

支撑衬底，其中间设置有通孔；

设置于支撑衬底上的环绕衬底，其面内设置有开孔；开孔的截面积小于通孔的截面积；

以及纳米梁，其两端固定于开孔内侧；

纳米梁由多个十字形单胞周期性排列构成，纳米梁两端的十字形单胞构成两端的反射镜，剩余的十字形单胞构成谐振腔，纳米梁关于谐振腔中心对称；十字形单胞为声光子晶体，其具有声光子双重带隙。

进一步地，十字形单胞的宽度大于晶格常数。

进一步地，反射镜中的十字形单胞的几何参数相同；十字形单胞的几何参数包括：晶格常数、宽度、厚度、在x方向的边的宽度以及在y方向的边的宽度；

谐振腔中的十字形单胞的晶格常数和在y方向的边的宽度均由谐振腔两端至谐振腔中心逐渐变化，其余几何参数均与反射镜中的十字单胞保持一致；

其中，x方向为十字形单胞的排列方向，y方向垂直于x方向。

进一步地，反射镜中，十字形单胞的晶格常数为a，十字形单胞在y方向的边的宽度为c；谐振腔中心为x方向原点，位于谐振腔中心处十字形单胞，其晶格常数为a

其中，i为谐振腔中十字形单胞的编号，x

进一步地，纳米梁中的十字形单胞的几何参数满足：位于谐振腔中心处十字形单胞，其声学的第三阶模态T的频率和光学的第一阶模态O的频率分别位于纳米梁两端的反射镜的声子带隙和光子带隙中。

进一步地，纳米梁两端的反射镜的声子带隙为完全带隙。

进一步地，纳米梁和环绕衬底的材料相同，且由同一片材料刻蚀而成。

进一步地，纳米梁和环绕衬底由同一片SOI硅片刻蚀而成。

进一步地，支撑衬底的材料为SiO

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于上述高Q值吉赫兹谐振器的谐振方法，包括：

利用频率为ω

其中，Ω为纳米梁的声学腔模本征频率，ω为纳米梁的光学腔模本征频率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的高Q值吉赫兹谐振器，其中纳米尺度的谐振腔可实现吉赫兹的声谐振，同时，纳米梁由多个十字形单胞周期性排列构成，每一个十字形单胞都是具有声光子双重带隙的声光子晶体，两端的十字形单胞构成反射镜，中间的十字形单胞构成谐振腔，整个纳米梁关于谐振腔中心对称，该结构同时支持GHz的声学腔模和通讯波长附近的光学腔模的谐振，且声学腔模的位移场与光学腔模的电场高度局域在谐振腔中，在室温环境下有效提高了Q值。

(2)本发明提供的高Q值吉赫兹谐振器，在其优选方案中，纳米梁中，十字形单胞的宽度大于晶格常数，由此可以使得十字形单胞的具有ee对称的能带结构中的声学第三阶模态T的位移集中在y方向(垂直于十字形单胞排列方向)上，与光学第一阶模态O的电场重叠度高，从而模态T和模态O形成谐振腔共振模态，在声光耦合时，声光场的叠加不会发生抵消，有效提高耦合率；同时降低声波群速度，易于形成声学腔模，进而实现高Q值谐振。

(3)本发明提供的高Q值吉赫兹谐振器，在其优选方案中，谐振腔中的十字形单胞的宽度和y方向的边的宽度均由谐振腔两端至谐振腔中心逐渐减小，由此能够使谐振腔中相邻十字形单胞之间平缓过度以减小电磁散射损耗；进一步优选地，谐振腔中十字形单胞的晶格常数满足

(4)本发明提供的高Q值吉赫兹谐振器，改变其纳米梁中十字形单胞的几何参数，可相应改变声学第三阶模态T和光学第一阶模态O的频率的改变，在本发明的优选方案中，纳米梁中的十字形单胞的几何参数满足：位于谐振腔中心处十字形单胞，其声学的第三阶模态T的频率和光学的第一阶模态O的频率分别位于纳米梁两端的反射镜的声子带隙和光子带隙中，能够使这两个模态经反射镜反射后，再通过若干个单胞按照几何渐变函数从反射镜过渡到谐振腔中心，由此在带隙中能同时产生声学的导模和光学的导模，且声学导模的位移场与光学导模的电场高度局域在谐振腔中；进一步优选地，本实施例中，反射镜的声子带隙为完全带隙，这使得谐振腔的振动从任何方向都无法传递到环绕衬底中去，极大地提高了Q值。

(5)本发明提供的高Q值吉赫兹谐振器，在其优选方案中，纳米梁和环绕衬底由同一片材料刻蚀而成，由此能够简化器件的制备工艺；进一步优选地，纳米梁和环绕衬底由由同一片SOI硅片刻蚀而成，由此能够利用现有的SOI工艺，并使器件易于集成于硅基芯片上。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高Q值吉赫兹谐振器剖面示意图；

图2为本发明实施例提供的高Q值吉赫兹谐振器中纳米梁的结构示意图；其中，(a)为十字形单胞结构，(b)为纳米梁的三维结构示意图，(c)为纳米梁中十字形单胞几何参数随坐标变化的曲线，(d)为纳米梁的二维结构示意图；

图3为反射镜的完全声子带隙示意图；

图4为本发明实施例提供的激光激励高频声子谐振原理图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-纳米梁；2-环绕衬底；3-支撑衬底。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了解决室温下，吉赫兹谐振器的Q值不高的技术问题，本发明提供了一种高Q值吉赫兹谐振器及谐振方法，其基本思路在于：基于光力系统设计纳米谐振器，具体地，设计纳米尺度的纳米梁实现吉赫兹的声光谐振，同时对纳米梁的结构进行设计，同时支持GHz的声学腔模和通讯波长附近的光学腔模的谐振，且声学腔模的位移场与光学腔模的电场高度局域在谐振腔中，由此在室温环境下极大地提高Q值。

以下为实施例。

实施例1：

一种高Q值吉赫兹谐振器，其剖面图如图1所示，包括：

支撑衬底3，其中间设置有通孔；

设置于支撑衬底3上的环绕衬底2，其面内设置有开孔；开孔的截面积小于通孔的截面积；

以及纳米梁1，其两端固定于开孔内侧；

如图2中的(b)所示，纳米梁1由多个十字形单胞周期性排列构成；十字形单胞的结构如图2中的(a)所示，十字形单胞为声光子晶体，且具有声光子双重带隙；可选地，本实施例中，将十字形单胞的排列方向定义为x方向，将垂直于x方向的方向定义为y方向，相应地，十字形单胞中，两个边分别位于x反向和y方向上；谐振腔中心定义为x方向原点，即位于谐振腔中心的十字形单胞的x坐标为x＝0，谐振腔与反射镜界面处的x坐标定义为x＝1；如图2中的(d)所示，纳米梁1关于腔中心对称，两端的十字形单胞构成两端的反射镜，剩余的十字形单胞构成谐振腔。

通过本实施例所提供的上述高Q值吉赫兹谐振器，纳米梁的结构设计，使得纳米梁同时支持GHz的声学腔模和通讯波长附近的光学腔模的谐振，且声学腔模的位移场与光学腔模的电场高度局域在谐振腔中，在室温环境下有效提高了Q值和声光耦合率。

经研究，本发明发现以声学第三阶模态和光学第一阶模态形成谐振腔模态，有利于提高谐振器的Q值，为了使这两个模态具有较强的耦合率，本实施例进一步对十字形单胞的结构进行了优化，具体地，本实施例中，十字形单胞的宽度大于晶格常数；十字形单胞的晶格常数和宽度分别如图2中的(a)所示的w和a，也即是说，本实施例中，w>a；通过这样的结构设计，使十字形单胞的具有ee对称的能带结构中的声学第三阶模态T的位移集中于y方向，与光学第一阶模态O的电场重叠度高，从而在声光耦合时，声光场的叠加不会发生抵消，有效提高耦合率；同时降低声波群速度，易于形成声学腔模，进而实现高Q值谐振。

作为一种优选的实施方式，本实施例中，为了使谐振腔中相邻十字形单胞之间平缓过渡以减小电磁散射损耗，反射镜中的十字形单胞的几何参数相同；

谐振腔中的十字形单胞的晶格常数和y方向的边的宽度均由两端至谐振腔中心逐渐减小，其余几何参数与反射镜中的十字形单胞保持一致；

相应地，本实施例设计了几何参数的渐变函数，以使得谐振腔中的十字形单胞的几何参数满足边界条件dp(x)/dx|

其中，i为谐振腔中十字形单胞的编号，x

基于以上渐变函数所计算的各十字形单胞的几何参数的渐变曲线如图2中的(c)所示。

改变纳米梁1中十字形单胞的几何参数，可相应改变声学第三阶模态T和光学第一阶模态O的频率的改变，本实施例中，纳米梁1中的十字形单胞的几何参数满足：位于谐振腔中心处十字形单胞，其声学的第三阶模态T的频率和光学的第一阶模态O的频率分别位于纳米梁1两端的反射镜的声子带隙和光子带隙中，由此能够使这发生共振的两个模态经反射镜反射后，再通过若干个单胞按照几何渐变函数从反射镜过渡到谐振腔中心，由此在带隙中能同时产生声学的导模和光学的导模，且声学导模的位移场与光学导模的电场高度局域在谐振腔中；本实施例中，a＝600nm，b＝180nm，c＝180nm,，w＝700nm，t＝220nm；a

为了进一步提高纳米谐振器的Q值，本实施例中，纳米梁1两端的反射镜的声子带隙为完全带隙；如图3所示，本实施例所提供的纳米梁1的声学腔模谐振频率为5.69GHz，位于反射镜的带隙中，谐振腔的振动从任何方向都无法传递到环绕衬底2中去，极大地提高了Q值；本实施例中，由于谐振腔的振动无法传递到环绕衬底2中，使该结构的Q值仅受限于Akhieser机制的损耗，产生的Q值在室温下高达为1.5×10

作为一种优选的实施方式，纳米梁1和环绕衬底2的材料相同，且由同一片材料刻蚀而成，具体地，纳米梁1和环绕衬底2均由单晶硅制成，能同时支持声波和光波的传播，且易于集成到硅基芯片上；可选地，本实施例中，采用电子束在SOI硅片上蚀刻，形成纳米梁的十字形图案和环绕衬底2。

可选地，本实施例中，支撑衬底3的材料为SiO

总体而言，本实施例所提供的高Q值吉赫兹纳米谐振腔，具有如下优异特性：

(1)本实施例利用光力系统，在硅纳米梁上实现了高达5.69GHz的机械谐振，且在室温下Q值高达1.5×10

(2)本实施例中，硅纳米梁两端的反射镜单胞具有在谐振频域附近较宽的完全声子带隙，使得谐振器的机械振动无法通过固定端传播到衬底中去，极大的减小了锚点损耗，有效提高了Q值。

(3)本实施例利用ee对称(模态分别关纳米梁y、z方向的中截面偶对称)的5.69GHz声学腔模与ee对称的198THz光学腔模进行耦合，由于声模态的位移场与光模态的电场高度重叠，实现了高达775kHz的声光耦合率，易于激发高频声子振动。

(4)本实施例提供的高Q值吉赫兹谐振器，结构简单，材料单一，尺寸极小，易于集成，可直接利用现有的纳米工艺加工制备，简化了器件的制备过程。

总体而言，本实施例提供的高Q值吉赫兹谐振器，是一种纳米尺度的高频、高Q值谐振器装置，能够克服以往谐振器在GHz高频下低Q值的且难以集成的缺点，即具备室温下高频、高Q值和易于集成的优异性能，可应用于移动5G、WiFi、卫星等通讯，也可应用于超高精度时钟、计时等。

实施例2：

一种基于上述实施例1提供的高Q值吉赫兹谐振器的谐振方法，如图4所示，包括：

利用频率为ω

其中，Ω为纳米梁的声学腔模频率，ω为所述纳米梁的光学腔模频率；由于实施例1提供的高Q值吉赫兹谐振器可利用ee对称的5.69GHz声学腔模与ee对称的198THz光学腔模进行耦合，实现了高达775kHz的声光耦合率，可方便地利用皮秒激光器激发高频声子振动，因此，作为一种可选的实施方式，本实施例中，用于激发声子的激光具体利用皮秒激光器产生。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。