图1 无鳍和有鳍光子晶体纳米梁器件示意图和扫描电镜图
随着半导体光电子器件在通信、传感等领域越来越广泛的应用，新的光电器件必须满足极小体积、极低能耗和极高速度响应等特性。近年来，对纳米梁(Nanobeam) 光学腔结构的研究展示了该结构在实现高品质因子、小体积和高速率响应等特性上的潜力。然而，这些特性却是以纳米梁的悬空和与周围材料隔绝的构造为基础的。悬空与隔绝的构造会造成纳米梁在机械强度、热传导和电子传输能力上的极大限制。
为了突破这些限制，来自德州大学阿灵顿分校的周卫东教授团队，在Nanophotonics杂志发表文章，提出了一种氮化硅有鳍纳米梁结构（图1）。鳍结构的引入，不仅给纳米梁光学腔增加了机械强度，提供了热传导和电子传输的通道，而且实现了通过调节鳍的位置来调控纳米梁光学腔的谐振频率和品质因子，为该结构在激光器、光学调制器等领域的应用提供了可靠的途径。
过去几十年间，以集成电路和光纤通信为代表的信息处理和传输技术给世界带来了革命性的发展。然而，日益增长的市场需求促使光电二元发展的格局向片上光电集成转换。其中，硅基片上集成光学受到了最广泛的关注。为了提高集成度、降低能耗，片上集成器件多采用有高品质因子（Q）和小模态体积（V）的微腔设计。光子晶体纳米梁光学腔就是其中一个具有高Q/V比值的选项。
光子晶体纳米梁通常的构造是一根悬空的一维光子晶体波导，该构造能够形成其他两个维度折射率的高对比度，通过光子晶体的设计，能够实现10^10量级品质因子。研究者们利用该特性已经实现了低阈值纳米梁激光器、低能耗纳米梁调制器。不过，这些器件仍然面临着悬空纳米梁的结构稳定性、散热和电子传输效率上的瓶颈。对此，有研究曾提出过部分悬空的纳米梁激光器设计，以及单边有鳍非悬空纳米梁光腔结构。在不损失光学性能的前提下设计出有效提高结构强度、散热效率和电子传输能力的结构仍然是该领域的待解之题。
这对上述的问题，作者团队提出了一种具有光学调制功能的纳米梁双侧鳍结构（图2右）。该结构通过在纳米梁的两侧添加极窄鳍阵列，并且在纳米梁阵列里变换鳍的对准位置，实现了对纳米梁光学谐振和品质因子的有效调制。
图2 (a) 中心孔径渐变的光子晶体纳米梁的两种孔径取值；(b) 有鳍光子晶体纳米梁
作者团队首先设计了中心孔径渐变的光子晶体纳米梁基础结构（图2左），在此基础上，使用电磁场仿真工具模拟了添加鳍结构对纳米梁光学性能的影响。结果显示，该设计中电磁场的谐振分布集中在空气圆孔区域，在纳米梁两侧添加对准两孔之间的鳍阵列对该纳米梁的光学谐振品质因子带来的变化在2%以内（图3）。这说明添加鳍结构在增强纳米梁结构强度和导热性的同时不会降低其光学性能。更有意义的是，将鳍的位置从两孔中间逐渐移动至圆孔位置，可以造成谐振电磁场的外溢，从而实现对谐振频率和品质因子的调制。
图3 两种无鳍(a), (c)纳米梁和对应的有鳍纳米梁(b), (d)结构中的模拟谐振光场分布。
作者接下来在硅衬底上氮化硅薄膜上制备了纳米梁器件，包括无鳍结构和有鳍结构作为对比。表征结果显示，在两孔中间位置添加鳍阵列不会对纳米梁光腔的谐振频率和品质因子带来较大变动，器件仍然能够实现10^4甚至以上的品质因子（图4左）；而鳍位置从两孔中间向圆孔位置渐变会造成光场的耦合外溢，结果是谐振波长红移、品质因子减小至少一个数量级（图4右）。该属性对制造特定波长和性能的纳米梁激光器，传感器，调制器等提供了有效方法。
图4 有鳍纳米梁光腔的表征结果
研究团队提出的双侧有鳍光子晶体纳米梁的新结构，是一种在不降低光学性能前提下，提高纳米梁光腔结构强度、散热性和电子传输能力的高品质因子、低模态体积结构。该结构通过调节鳍位置实现纳米梁阵列的谐振频率和品质因子调制。该结构能够广泛应用到低能耗、高效应速度纳米梁激光器、光学调制器和传感器等领域。
该研究成果以“Photonic crystal nanobeam cavities with lateral fins”为题在线发表在Nanophotonics。
本文第一作者是刘仲和（Zhonghe Liu）博士研究生。通讯作者是周卫东（Weidong Zhou）教授。博士研究生Yudong Chen 和博士后Xiaochen Ge参与研究。周卫东教授团队（https://zhoulab.uta.edu/）来自美国德克萨斯大学阿灵顿分校电气工程系，是光子晶体激光器、传感器，纳米光电子及薄膜转移贴印等技术研究领域的领军团队。
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