【摘 要】
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为了进一步推动硫系玻璃在光波导元件及集成器件方面的应用,开发和研究基于通用半导体制备工艺的加工技术具有重要的意义。为此,本论文从镀膜开始,制作并优化了基于Ge11.5As24Se64.5的回音壁微腔,并对微盘腔的光学、力学和热学等性能进行表征和分析。为了应用于超声传感,我们结合数字光频梳技术（DOFC）对微盘腔和微环腔进行了测试和分析。最后理论分析和模拟了微盘腔的机械模式与几何尺寸之间的关系,为利
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为了进一步推动硫系玻璃在光波导元件及集成器件方面的应用,开发和研究基于通用半导体制备工艺的加工技术具有重要的意义。为此,本论文从镀膜开始,制作并优化了基于Ge11.5As24Se64.5的回音壁微腔,并对微盘腔的光学、力学和热学等性能进行表征和分析。为了应用于超声传感,我们结合数字光频梳技术（DOFC）对微盘腔和微环腔进行了测试和分析。最后理论分析和模拟了微盘腔的机械模式与几何尺寸之间的关系,为利用光机械效应提高超声传感灵敏度提供理论指导。本论文的主要研究内容和结论概括如下:1、利用热蒸镀法我们在硅基上制备了Ge11.5As24Se64.5薄膜。采用无掩膜光刻技术和离子刻蚀（RIE）技术加工出微盘腔,并用氢氟酸缓冲液（BHF）腐蚀掉微盘底下部分二氧化硅,制备出悬浮的硫系微盘腔。激发光采用拉锥光纤倏逝耦合进入微盘。为了研究其力学性能,我们在1300nm厚度的薄膜上制备了悬臂梁结构,并利用原子力显微镜（AFM）进行力学的测试,最后通过赫兹模型得到薄膜的杨氏模量为150 MPa。该数值比体材料的值小两个数量级,这将使得基于硫系薄膜的微腔传感器具有更好的机械柔顺性,进而可以提高传感器的灵敏度。通过对透射谱线的洛伦兹拟合得到微盘腔的光学Q值为2.87×104。热学方面的测试,我们通过把衬底的温度从30℃变化到44℃,记录谐振峰的漂移得到温度的灵敏度为90.2 pm/℃。总之,多参量的表征将使我们对Ge11.5As24Se64.4微盘腔更加了解,有利于进一步拓展该器件在超声和光机械传感方面的应用。2、为了进一步提高器件的集成化程度,我们改进了设计和加工方法。借助电子束曝光技术（EBL）,我们在微腔旁边制备了宽度为1.5μm的集成波导来代替原来的拉锥光纤。实验中,分别设计和制备了半径为60μm和100μm的微盘谐振腔和半径分别为100μm和200μm的微环谐振腔。结合数字光频梳技术,我们对不同尺寸的微环腔和微盘腔进行超声传感测试。在40 khz的超声检测中,我们得到器件的灵敏度分别为 1.8 dB/Pa、2.86 dB/Pa、0.6 dB/Pa和 1.35dB/Pa,对应于分别为49.74 mpa/（?）、30.48 mpa/（?）、86.14mpa/（?）和61.14mpa/（?）的等效噪声压强。可以看出,与微环相比,微盘谐振腔具有更高的灵敏度和更低的等效噪声压强。这可能是由于微盘结构中模体积较大的高阶模扰动引起的。可以推断,信噪比的提高不仅与器件的Q因子有关,还与器件的感测面积有关。据我们所知,由于传统的检测方法与功率监测技术相结合存在明显的模式串扰和热不稳定性,采用微盘谐振器进行超声检测的报道很少。利用数字光频梳技术进行高速检测可以显著降低温度和环境噪声对谐振频率漂移的影响。我们还对基于SiNx微腔的超声探测器进行表征测试,验证了该检测方法的通用性。另外,与SiNx超声探测器的性能相比,硫系薄膜作为一种新兴的应力传感平台,在高灵敏度超声检测中具有更大的优势。3、为了提高硫系微腔超声传感器的灵敏度,我们对硫系微盘的光机械效应进行研究。在机械模式的基本理论上推算出Ge11.5As24Se64.5微盘一到十阶机械振动模式对应的谐振频率半径积（f.R）,根据这个结果可以直接地得到所需的共振频率和对应的半径。再进一步,采用商业计算软件Comsol进行建模计算,分析了微盘的半径（R）、厚度（d）、钻蚀深度（W）和楔角对机械共振频率（f）的影响,并从有效质量的角度对结果进行分析。理论和建模计算结果将为利用光机械效应提高微腔的超声传感灵敏度提供理论指导。
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