一种基于三维打印的悬浮微环谐振器及其制备方法与流程

本发明涉及光学器件，更具体地，涉及一种基于三维打印的悬浮微环谐振器及其制备方法。

背景技术：

1、随着近年来光通信技术的快速发展和集成光学技术的不断进步，光学微环谐振器作为一种重要的光学元件，在光信号处理、光通信、生物传感等领域展现出广泛的应用前景。光学微环谐振器具有结构简单、品质因子高、尺寸小易集成等优势，能够有效降低光学系统的设计成本，并提高系统的整体性能。

2、光学微环谐振器在推进光学传感和其他相关领域发展上起着至关重要的作用，但同时其性能主要取决于其结构参数、材料特性以及制备工艺等因素。在结构设计方面，垂直耦合结构的谐振器在多层结构上面临着各层表面无法平整的问题，这可能会加重器件的损耗，抵消了使用垂直耦合结构带来的优势。跑道型结构虽然可以通过增加直波导长度来提高耦合效率，但也可能因为直波导和弯曲波导的模式不匹配而引起模式不匹配损耗。在工艺方面，耦合波导和微环波导之间的耦合长度很小，通常在波导间距很小时才能产生足够大的耦合，且耦合效率对耦合间距很敏感，这对普通光刻技术的精度提出了很高的要求。更先进的光刻技术虽然可以满足要求，但成本较高。同时，刻蚀波导也需要注意保证波导侧壁的垂直和光滑。

3、光学微环谐振器在结构设计方面需要考虑多种因素，如波长、折射率、耦合长度、耦合间距等。在器件结构加工方面，传统的光刻技术所加工的微环器件结构单一，若想实现传感器件的增敏，增加器件的灵敏度，那么就需要对器件的衬底进行刻蚀、掏空，或额外制作表面薄膜增敏结构，这一过程的制备工艺复杂、对光刻精度和刻蚀精度的要求较高、成品率低。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种基于三维打印的悬浮微环谐振器，有效提高了谐振器的性能；提供的一种基于三维打印的悬浮微环谐振器的制备方法，有效提高了制备效率以及成品率。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于三维打印的悬浮微环谐振器，由下至上依次包括衬底、底座以及器件主体，所述器件主体包括微环谐振腔以及与所述微环谐振腔进行耦合的耦合波导；所述微环谐振腔和耦合波导均通过支撑件悬浮在所述底座上，构成悬浮的回音壁模式，以提高机械共振效应。

4、根据以上技术手段，本发明衬底和底座用于支撑器件主体，微环谐振腔和耦合波导悬浮在底座上。微环谐振腔利用光波在微环结构中的干涉现象来实现对光波的调控和微弱信号的探测，微环谐振器具有非常高的品质因数(q值)，这意味着它们能够在非常窄的频率范围内存储光能，从而对光波的频率变化非常敏感。与此同时，微环谐振器通过波导将光场限制在一个非常小的体积内，这增加了光与物质相互作用的机会，从而提高了传感的灵敏度。耦合波导用于将光信号引入微环谐振腔进行耦合，以及将耦合后的光信号引出微环谐振腔。悬浮微环谐振器在光学微腔中利用其机械共振效应(即利用微腔光力系统)可以增强微腔对超声波的机械响应，从而进一步提高灵敏度。使用悬浮的回音壁模式微环腔可以提升机械共振效应，进而提升超声灵敏度。

5、在其中一个实施例中，所述支撑件为薄片结构，厚度为0.3um～1um。支撑件设置为薄片结构，可以进一步增加其机械共振效应。

6、在其中一个实施例中，位于微环谐振腔底部的支撑件，沿着微环的周向间隔设置有多个缺口；所述底座的两端分别设有用于限制光沿底座传输的裂缝，且所述裂缝位于所述微环谐振腔的两侧。设置缺口可以避免光信号沿着支撑件传播。底座的两侧设置裂缝，可以避免光沿着底座传输，这样可以保证光沿微环谐振腔传输。

7、在其中一个实施例中，所述微环谐振腔的结构为圆环波导，所述耦合波导的结构为滑轮波导。

8、在其中一个实施例中，位于所述微环谐振腔底部的支撑件，其结构与微环谐振腔的结构相同，为环形结构；位于所述耦合波导底部的支撑件，其结构与耦合波导的结构相同，为长条形结构。支撑件是沿着微环谐振腔的底部设置的，微环谐振腔为圆环结构，支撑件也为圆环结构；同样的，位于耦合波导底部的支撑件，耦合波导是长条形的，支撑件是沿着耦合波导的长度方向设置在耦合波导的底部；由于支撑件是薄片状，作为优选，支撑件设置在底部的中间位置，这样可以更稳定的支撑。

9、在其中一个实施例中，所述圆环波导的宽度为2um～4um，高度为2um～4um；所述耦合波导的宽度为1.5um～2.5um，高度为2um～4um，滑轮波导的覆盖角度为28～35度；所述耦合波导的耦合区域与所述微环谐振腔之间的间距为0.6um～1.1um；所述支撑件的高度为2um～3um。

10、在其中一个实施例中，所述底座、器件主体的折射率高于所述衬底的折射率。

11、在其中一个实施例中，所述底座、支撑件以及器件主体的材料包括ip-dip光刻胶、ip-dip2光刻胶、ip-l光刻胶、ip-s光刻胶、ip-g光刻胶或ip-n162光刻胶；所述衬底的材料包括石英片，且在780nm波长处的折射率为1.38～1.55。

12、在其中一个实施例中，所述底座、支撑件以及器件主体通过三维打印一体成型。

13、本发明还提供一种微环谐振器的制备方法，包括以下步骤：

14、s1.使用3d制图软件创建悬浮微环谐振器的三维模型，并导入三维激光打印设备的处理软件中，设置结构的三维打印参数，导出打印文件；

15、s2.将干净的衬底片放置到样品架中，使用胶带进行固定，并将光刻胶滴在衬底片上；

16、s3.将高数值孔径物镜和样品架装配至三维激光打印设备中；

17、s4.加载打印文件，使用光学成像系统识别定位衬底片的上表面，通过物镜聚焦激光，配合精密位移平台，对悬浮微环谐振器结构进行打印；

18、s5.取出衬底片，将其放置在立式清洗架上，依次浸泡于显影液和异丙醇溶液中，去除未固化的光刻胶得到权利要求1至9任一项所述的悬浮微环谐振器。

19、目前制备光学微环谐振器为了实现传感器件的增敏，需要经过沉积表面薄膜增敏结构或对器件的衬底进行刻蚀、掏空等工艺步骤，这一过程的制备工艺复杂、对光刻精度和刻蚀精度的要求较高、成品率低。本发明提出的悬浮微环谐振器的制备方法基于三维激光打印，其分辨率可达到亚微米量级，可确保高精度制造的需求，同时可以一步到位地在衬底上完成结构的制备，极大地提升了制备效率，具有高精度、高速率、高灵活性的优点。

20、与现有技术相比，有益效果是：

21、1、本发明提出的一种基于三维打印的悬浮微环谐振器，悬浮微环谐振器在光学微腔中利用其机械共振效应可以增强微腔对超声波的机械响应，从而进一步提高灵敏度。使用悬浮的回音壁模式微环腔可以提升机械共振效应，进而提升超声灵敏度。此外，悬浮微环谐振器的设计减少了与支撑结构或衬底的接触，从而降低了热和机械噪声的影响，进一步提高了传感器的灵敏度和分辨率；

22、2、本发明提出的悬浮微环谐振器的制备方法基于三维激光打印，其分辨率可达到亚微米量级，可确保高精度制造的需求，同时可以一步到位地在衬底上完成结构的制备，极大地提升了制备效率，具有高精度、高速率、高灵活性的优点。