基板转移单晶状布拉格反射镜

摘要

一种镜组件，其包括载体基板；包括多个交替的第一和第二类型的单晶状半导体层的层叠体，其中所述第一类型的层具有高于所述第二类型的层的折射指数，从而形成布拉格反射镜；其中所述载体基板弯曲而使其具有0.1m至10km之间的曲率半径；其中所述层叠体附着于所述弯曲的载体基板。

权利要求

1.一种低吸收结晶状镜组件，其包括

载体基板；

结晶状层叠体，其包括多个交替的第一和第二类型的结晶状半导体层，其中所述第一类型的层具有高于所述第二类型的层的折射指数，从而形成布拉格反射镜；

其中所述载体基板是弯曲的具有0.1m至10m之间或1km至10km之间的曲率半径ROC；

其中所述结晶状层叠体附着于所述弯曲的载体基板；

其中所述布拉格反射镜的结晶状半导体层为基于AlGaAs三元合金的单晶状外延层，其中所述第一和第二类型包括AlxGa1-xAs，0.5≤x<1；其中所述第一类型的层的x小于所述第二类型的层的x；

其中所述镜组件具有50-100ppm的吸收水平；和其中所述镜组件具有低热-机械和/或布朗噪声。

2.根据权利要求1所述的镜组件，其中所述载体基板是透明的，和其中所述载体基板的表面是抛光的。

3.根据权利要求2所述的镜组件，其中所述载体基板在1064nm或1550nm的波长下是透明的。

4.根据权利要求1或2任一项所述的镜组件，其中所述载体基板包括SiO2、Si、蓝宝石或超低胀玻璃ULE。

5.根据权利要求1或2所述的镜组件，其中所述结晶状层叠体通过范德华力结合或共价结合中的至少一种附着于所述载体基板。

6.一种低吸收结晶状镜组件的制造方法，所述镜组件包括载体基板、包括多个交替的第一和第二类型的结晶状半导体层的结晶状层叠体，其中所述第一类型的层具有高于所述第二类型的层的折射指数；其中所述载体基板是弯曲的具有0.1m至10m之间或1km至10km之间的曲率半径ROC；所述方法包括如下步骤：提供第一基板；

提供所述载体基板；

外延形成交替的第一和第二类型的结晶状半导体层的结晶状层叠体，从而形成布拉格反射镜；

从所述第一基板脱离所述层叠体；

将所述层叠体附着于所述弯曲的载体基板；

其中所述结晶状半导体层为基于AlGaAs三元合金的单晶状外延层，其中所述第一和第二类型包括AlxGa1-xAs，0.5≤x<1；其中所述第一类型的层的x小于所述第二类型的层的x；

其中所述镜组件具有50-100ppm的吸收水平；和其中所述镜组件具有低热-机械和/或布朗噪声。

7.根据权利要求6所述的方法，其中通过分子束外延MBE或通过金属有机气相外延MOVPE来外延形成交替的第一和第二类型的结晶状半导体层的结晶状层叠体。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一基板包括GaAs或Ge。

9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其中所述载体基板是透明的，和其中所述载体基板的表面是抛光的。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述载体基板在1064nm或1550nm的波长下是透明的。

11.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其中所述载体基板包括SiO2、Si、蓝宝石或超低胀玻璃ULE。

12.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其中通过使用化学机械基板移除法或外延脱离法将所述结晶状层叠体从所述第一基板脱离。

13.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其中所述层叠体通过范德华力结合和共价结合中的至少一种附着于所述载体基板。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述层叠体结合至所述载体基板和其中所述结合通过退火而增强。

15.一种光学精密测量用光学谐振器，其包括两个根据权利要求1-5任一项所述的镜组件，所述镜组件的反射面以预设的距离彼此相对，其中ROC为0.1m至10m，具有预设厚度的间隔件插入到所述两个镜组件之间，其中所述间隔件提供所述两个镜组件之间的预设距离。

16.一种光学精密测量用光学谐振器，其包括两个根据权利要求1-5任一项所述的镜组件，所述镜组件的反射面以预设的距离彼此相对，其中ROC为1km至10km，各镜组件单独支承。

说明书

基板转移单晶状布拉格反射镜

技术领域

[0001] 本发明涉及基于结合至弯曲的载体基板(carrier substrate)的单晶布拉格反射镜(Bragg mirror)的镜组件(mirror assembly)和所述镜组件的制造方法，以及包括一对镜组件来形成用于光学精密测量系统的光学谐振腔(optical cavity)的光学谐振器系统(optical resonator system)。

背景技术

[0002] 目前现有技术的状况：多层镜由介电材料的层叠体构成，具有使用经离子束溅射IBS沉积的无定形SiO2/Ta2O5膜的典型结构。这些材料提供卓越的光学性质，在1064nm的波长下显示出小于1ppm的总吸收。然而，目前对于高性能光学装置如重力波检测仪和光学基准谐振腔(optical reference cavity)的极限灵敏度的要求显示出此类膜呈现极大的机械损耗(mechanical dissipation)。这种损耗是限制利用此类高性能光学装置的系统总灵敏度的主要因素之一。在对于涂布性质的深入研究中，已显示出通过Ta2O5层中的阻尼作用来控制镜层叠体的机械损失(mechanical loss)。已通过借助掺杂、退火等来改性该材料或通过用可选的高折射指数(refractive index)的膜如二氧化铪HfO2置换Ta2O5来试图减少该损失。然而，此类改性典型地导致机械阻尼提高不到两倍。

发明内容

[0003] 本发明提供可选的解决方案来克服上述问题，并显著减少镜材料的机械阻尼。

[0004] 本发明提供一种低吸收结晶状镜组件，其包括：载体基板；结晶状层叠体(crystalline stack)，所述结晶状层叠体包括多个交替的第一和第二类型的结晶状半导体层，其中所述第一类型的层具有高于所述第二类型的层的折射指数，从而形成布拉格反射镜；其中所述载体基板弯曲而使其具有0.1m至10m之间或1km至10km之间的曲率半径ROC；其中所述结晶状层叠体附着于所述弯曲的载体基板。

[0005] 本申请中，术语结晶状(crystalline)、单晶(single crystal)或单晶状(monocrystalline)是指可经外延生长技术如分子束外延MBE；金属有机气相外延MOVPE；液相外延LPE等生产的低缺陷密度单晶膜。在该申请中，术语结晶状和单晶状可通用。重要的是要注意，单晶或单晶状材料的结构仍会显示有限数量的缺陷或位错。然而，单晶状材料不含有晶界和与晶界相关联的缺陷，而晶界和与晶界相关联的缺陷在多晶样品中将取向变化的邻近微晶分离。

[0006] 预设曲率半径的弯曲的基板与结晶状半导体层的层叠体的组合提供了可用于高性能光学装置的高聚焦反射镜。最终的载体基板可通过使用适当的抛光(polishing)方法来预弯曲，这提供了具有预设曲率半径的表面。结晶状半导体层的层叠体产生在期望的操作波长下的布拉格反射镜。弯曲的基板与结晶状层叠体的组合提供非-单片式镜组件。这使镜组件的吸收/透明性精确地适应预期用途的需求。ROC的选择依赖于最终用途的详情，这里我们描述两种典型的范围。对于在高精密光谱学中使用的谐振腔，常见所述镜具有在0.1m-10m范围内ROC，尽管应理解的是其他值也是可以的。对于大型系统如重力波检测仪，臂长和相应的ROC在1km至10km的范围内。这里，应再次理解的是，ROC的其他值是可以的，对于小型试验系统，最小值为0.1km以下。术语低吸收应理解为表示最上限为50-100ppm的吸收水平。优选地，这可降至<10ppm，或甚至降至1ppm以下的范围。

[0007] 对于介电多层镜，组成镜的薄膜层叠体称为“涂层”。术语镜组件是指与弯曲的基板一起的多层层叠体。对于我们的具有结合的结晶状层的实施方案，这将称为转移镜组件。应理解的是，在后一种情况中多层层叠体为结晶状，但基板可为玻璃即无定形的，或也可为结晶状。

[0008] 对于分别具有较高或较低折射指数的半导体层，贯穿层叠体的高指数或低指数材料或二者的折射指数可以是变化的。此外，贯穿层叠体的第一类型的层和第二类型的层的厚度可以变化。

[0009] 在镜组件中，载体基板特别地在1064nm或1550nm的波长下可为透明的，载体基板的表面可为抛光的。

[0010] 特别地，透明的载体基板可反过来具有降低的吸收，这对于长传播距离的用途是有益的。

[0011] 在镜组件中，载体基板可包括SiO2、Si、蓝宝石或超低胀玻璃ULE。

[0012] 载体基板用材料的特定选择可提供与转移的层叠体如c轴取向的蓝宝石上的AlGaAs非常相似的热膨胀系数。因此，温度变化几乎不可能在镜中，特别是在层叠体与载体基板的接触表面附近引入应力/应变。

[0013] 在镜组件中，单晶状半导体层典型地为基于AlGaAs三元合金的外延层，其中第一和第二类型包括AlxGa1-xAs，0

[0014] 在该系统中，高x产生较低的折射指数，而低x产生较高的折射指数。具有变化的Al含量的外延AlGaAs因此可提供显著降低的机械损失，而同时为镜提供高反射率和低光学吸收。

[0015] 在镜组件中，结晶状层叠体可通过范德华力键或共价键中的至少一种附着于载体基板。

[0016] 使用范德华力结合，层叠的层可以容易实现的方法附着于载体基板。结合的类型，范德华力结合和/或共价结合还可以预定的程度组合。另外，结合步骤可与退火步骤结合，或在其后进行退火步骤。退火/加热可在从稍超过室温到约700℃的温度下进行。仅当表面得到适当保护时可典型地应用超过约400℃的温度，否则砷可从AlGaAs中渗出。

[0017] 本发明进一步提供镜组件的制造方法，所述镜包括载体基板和包括多个交替的第一和第二类型的单晶状半导体层的层叠体，其中所述第一类型的层具有高于所述第二类型的层的折射指数；其中所述载体基板弯曲而使其具有0.1m至10km之间的曲率半径ROC；所述方法包括如下步骤：提供第一基板；提供所述载体基板；例如通过MBE或MOVPE来外延形成交替的第一和第二类型的结晶状半导体层的层叠体；从所述第一基板脱离所述层叠体；将所述层叠体附着于所述弯曲的载体基板。

[0018] 该方法因此提供用于形成各层的层叠体的第一单晶状基板。在第一基板上形成层叠体以后，层叠体从第一基板脱离(lift off)，并与第二弯曲的基板相接触。其后层叠体附着于形成转移的镜组件的第二基板。由此可获得在低光学和机械损失的基板上的弯曲的单晶状镜层叠体。

[0019] 在上述方法中，第一基板可包括GaAs或Ge。

[0020] 第一基板可特别地基于预期用途的操作波长来选择。因此，可选择各种结晶状半导体材料体系如GaAs或Ge作为第一基板。此外，还可使用InP或GaN/AlN。

[0021] 在该方法中，载体基板可为透明的，特别是在1064nm或1550nm的波长下，载体基板的表面可为抛光的。

[0022] 在该方法中，载体基板可包括SiO2、Si、蓝宝石或超低胀玻璃ULE、玻璃。

[0023] 在如上所述的方法中，结晶状半导体层可为基于AlGaAs三元合金的单晶状外延层，其中第一和第二类型包括AlxGa1-xAs，0

[0024] 在该方法中，通过使用化学机械基板移除法或外延脱离法将层叠体从第一基板脱离。

[0025] 化学机械基板移除法可包括研磨(lapping)/磨削、湿法蚀刻和其他方法。

[0026] 层叠体可通过范德华力结合和共价结合中的至少一种附着于载体基板。

[0027] 所述结合可包括范德华力结合或共价结合中的至少一种。其也可以使用中间膜如粘合剂或氧化物。

[0028] 层叠体可结合至载体基板，而所述结合可通过退火来增强。

[0029] 退火步骤可导致层叠体与载体基板的永久结合。

[0030] 本发明还提供光学精密测量用光学谐振器，其包括两个如上所述的镜组件，所述镜的反射面以预设的距离彼此相对，其中ROC为0.1m至10m，具有预设厚度的间隔件可插入到所述两个镜组件之间，其中所述间隔件提供所述两个镜之间的预设距离。

[0031] 在包括如上所述的两个镜组件的光学精密测量用光学谐振器中，所述镜的反射面以预设的距离彼此相对，其中ROC为1km至10km，所述各镜组件单独支承。

[0032] 间隔件材料可具有与镜基板基本上相同的光学性质。其还可具有与镜基板基本上相同的热膨胀性质。从而，间隔件将对谐振腔的性质产生最小影响。

[0033] 在这些用途中，对于如上所述的镜组件的构造，外延镜材料的使用使得谐振腔端面镜(end mirror)的机械品质系数(mechanical quality factor)显著增加。因此，可使涂布诱导的相位噪声的不良影响最小化及可增强系统整体的灵敏度和/或稳定性。在比较旨在减少相位噪声的有害影响的其他途径如光栅和光子晶体反射器时，可在目前的精密光学系统中采用此类转移外延布拉格反射镜，而不必改变布局。用单晶状多层置换常用的介电层叠体可使机械阻尼减少约10倍至约100倍。因此，可利用结晶状镜实现显著改进。此外，此类材料可被掺杂，从而实现有限的导电率，而使电荷从光学器件的表面移除。

[0034] 之前，外延生长的单晶状多层未应用到高性能干涉量度学或光学基准谐振腔中；没有追求这样的原因是：本领域技术人员认为吸收将过高，机械损失还未曾被测量，外延膜几乎完全(exclusively)平坦，并典型地限制在高吸收半导体基板上沉积。相反，对于用于高性能干涉量度学或光学基准谐振腔的本申请，弯曲结构是必须的。然而，经外延沉积法生长弯曲的单晶状层叠体极其困难，因此研发出将平坦的结晶状多层从“生长”基板移除并将其结合至预弯曲的载体基板的转移和结合方法。

[0035] 当与附图结合，由以下的详细描述中，本发明的上述及其他方面、特性和优势将更加清楚。

附图说明

[0036] 图1：根据本发明的镜组件的侧视图。

[0037] 图2：示出各种材料的吸收值和机械阻尼的材料性质的表。

[0038] 图3：根据本发明的具有两个镜组件的谐振腔。

[0039] 图4A-4E：制造根据本发明的镜组件的步骤顺序。

具体实施方式

[0040] 图1示出根据本发明的低吸收镜组件的侧视图。

[0041] 所述层叠体包括结合至弯曲载体基板的单晶状布拉格反射镜。如前所述，在本申请中，术语单晶状是指可经外延生长技术MBE、MOVPE、LPE等生产的低缺陷密度单晶膜。在本文献中，结晶状和单晶状可通用。图1的镜组件1仅为示意性描述。弯曲的基板3设置为用于单晶状层的层叠体的载体基板。仅用四层简化描述层5和7的层叠体9。然而，应理解的是，层叠体9典型地包括更多的层。最大反射率可通过层的总数来确定–渐进接近100%的反射率值。本实施例的层数可为约40对层，即共80层，但其他层数如共100-120层可用于此结构。如图1所示的层5和7为分别具有高和低折射指数的交替的单晶状半导体层。图1中，可认为层5对应于具有低折射指数的层，而层7对应于具有高折射指数的层。典型地，折射指数差应尽可能的大；例如对于AlGaAs，在约1064nm波长下，3.41和2.98的指数值可用于分别由Al(0.12)Ga(0.88)As和Al(0.92)Ga(0.08)As层构成的实施方案。

[0042] 图1的层叠体9附着于载体基板3。载体基板3被预弯曲。曲率可通过使用提供具有预设曲率的表面的适当抛光方法来获得。交替的结晶状半导体高-和低-折射指数层5和7最初粘合地粘着，即经范德华力与载体基板3的表面粘着，这是因为载体基板3的表面3S是抛光的。因此，层叠体9相对于弯曲载体基板3放置在预设的接触位置，并可由于粘着力而保持该位置。表面RMS粗糙度的典型值大约1nm以下。如上所示，层由交替的AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(0

[0043] t=λ/(4*n)(等式1)。

[0044] 然而，重要的是要注意，在某些实施方案中，层厚度可相对于厚度t变化，因而偏离等式1。这例如对于产生可具有广泛操作范围的所谓的“线性调频”镜(‘chirped’mirror)可以是有用的。此外，多周期性结构如“双频段”或二向色镜是可以的。那么这些结构可反射至少两种不同波长的光。对于“线性”调频镜，高反射率的波长范围可通过改变层厚度，例如通过沿镜的垂直方向缓慢增加层厚度来增加。然而，使用此类变化的层厚度可以反射率最大化为代价。图1示出高精度光学镜，对此相对于物理厚度的上述等式成立。注意，通过观察等式1，高和低指数层由于它们各自的反射指数值不同而具有彼此不同的厚度。此外，载体基板可为透明的，从而减少在大尺寸用途如重力波检测仪中的吸收效果。这些材料可典型地包括SiO2、蓝宝石、Si或ULE。材料的适当选择还可使镜组件整合到光学谐振器系统中，即，使用与把镜分开的间隔件相似或甚至相同的材料，还参见以下图3的描述。

[0045] 曲率半径ROC可典型地在0.1m至10km之间。在例如图2所示的光学基准谐振腔的用途的典型值约为1m。在极端情况中，在例如在激光干涉重力波观测站(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory,LIGO)的重力波检测器中所使用的镜可具有约1km的ROC。

[0046] 图2示出汇编各种材料性质的表。光学吸收值被认定为光通过该结构的双程，即，光输入，然后在进入材料中的各深度处反射后输出，其特征在于光穿透。所示的值为吸收系数、总吸收和损耗角。图2的表包括300K和4K处的损耗角值。此外，示出了对于结晶状或无定形的材料的分类。另外，术语结晶状应理解为单晶状，而材料应基本上不显示晶界。表格示出使用GaAs作为载体基板用基板材料可由于高吸收值和由此的低光学性能因而是不利的。对于镜材料，图2的表还示出，AlGaAs与SiO2/Ta2O5相比，损耗角改进至少一个数量级或更多。

[0047] 图3示意性示出可用于高精度光学测量如光谱学或用于稳定窄线宽激光的光学谐振器11如谐振腔。图3示出两个如图1所示类型的布拉格反射镜1A和1B。反射面15A和15B彼此相对，并由真空间隙相隔。在两个镜1A和1B之间插入间隔件13，间隔件13典型地至少与镜1A和1B的上端或下端相接触。间隔件13具有预设厚度或长度，以便提供镜1A和1B之间的固定距离。

[0048] 另外地或可选地，各镜还可设置至少一个支承体(图3未示出)，以便固定镜的位置，并在镜之间提供预设距离。特别地，对于镜之间的较大距离，可能难以应用一个或多个间隔件13，因此可为各镜组件设置单独的支承体。图3的光学谐振器可用于操作约600nm至3μm的波长，假设使用AlGaAs多层。通过改变单晶状镜层的材料组成以及层厚度来选择不同范围的波长也是可以的。光学谐振腔可用于产生超窄线宽，即,低噪声的激光。该低噪声激光可用于如光学原子钟一样询问所捕获的原子或离子，或用于通过与锁模激光器(mode locked laser)组合来产生频率梳(frequency comb)。将此类梳与另外的谐振腔组合可用于产生纯微波音调(microwave tone)。

[0049] 图4A–4E描述了制造根据本发明的布拉格反射镜的步骤顺序。

[0050] 图4A示出第一或供体基板21。第一基板21可包括单晶状GaAs或锗，尽管取决于用途所期望的操作波长，其他材料也是可以的。此类材料可包括InP或GaN/AIN。第一基板的厚度典型地约300-500μm，尽管在50μm至1mm之间的值也是可以的。图4A已示出生长在第一基板21上的层5。可使用适当的半导体生长法如MBE和MOVPE来生长该层5以及其他层。

[0051] 图4B和4C描述了制造方法的其他方法。特别地，与图1相似地，仅示出四个层5和7。如上关于图1的描述，这些层具有交替的折射率(refractive indice)。应理解的是，层数可大于4。

[0052] 图4C还示出将脱离方法33用于第一基板21和形成层叠体的层5、7的组合组件。要理解的是，该层叠体可基本上与图1的层叠体相似。脱离方法33可包括湿法蚀刻、磨削、研磨等中的至少一种，从而将层叠体从第一基板21脱离。如涉及离子注入和随后退火的智能切割法(Smart Cut process)等商业已知的脱离方法可能无法用于图1的层叠体，这是由于层叠体的总厚度以及由于层叠体的层对无序的敏感性，而离子注入法可损坏层。因此，脱离方法可包括以下步骤：在第一步中，通过例如磨削法使第一基板21机械变薄。然后，化学除去第一基板的剩余基板材料，从而获得脱离的层叠体。图4D描述了已除去第一基板21的脱离的层叠体。

[0053] 图4E示出附着于与如图1所示的载体基板相对应的第二基板3的层叠体。第二基板3可如图1所述为透明且抛光的，在典型的实施方案中具有预设的0.1至10m之间，典型值为
1m以下的曲率半径，或0.5km至10km之间的曲率半径。层叠体通过适当的结合方法附着于第二基板3，所述结合方法优选通过范德华力相互作用，随后退火来强化界面并提供形成共价键的可能性的直接结合。可选地或另外地，可使用与粘合剂的低温结合，或可应用包括氧化物/氧化物结合、旋布玻璃(spin-on-glass)等任选的粘合手段。

[0054] 图4A–4E中所描述的方法包括在平坦基板上初始生长镜层。即，“供体基板”(这里也称为第一基板)和外延层二者基本上是平坦的。如上所述，载体基板或第二基板具有规定的曲率并然后迫使转移的外延膜弯曲。

[0055] 镜组件的低吸收单晶状层叠体具有限定的损耗角，即机械品质因数的倒数的最大-5 -6值为1×10 至低于10 的值。另外，镜可典型地提供>99.99%的反射率，在期望的中心波长下总吸收在ppm水平。中心波长的典型值为1064nm和1550nm，尽管目前的AlGaAs合金可以是～600nm至3μm的范围。应理解的是，损耗角为代表镜的总相位噪声的重要组分的材料性质。
在介电镜(dielectric mirror)的现有实施方案中，组件膜的损耗角为主要因素，现有技术的(state-of-the-art)精密测量系统在许多情况中受到镜的布朗噪声(Brownian noise)的限制。相比之下，基板的损耗角可比典型材料小多个数量级。

[0056] 将如图3所示的这些低吸收镜组件中的两个组合，可提供具有频率稳定性的光学谐振腔，该频率稳定性相应于对于低于1s的平均时间的在10-16至10-17下的某些部分。这明显超过了典型使用常规介电镜的现有谐振腔实施方案。这里所述的层为单晶状，而现有实施方案采用无定形介电膜即玻璃，其典型地经离子束溅射直接沉积在弯曲的基板上。

[0057] 单晶状镜层典型地具有6-10μm范围内的总厚度，而单面尺寸(lateral dimension)或直径从约10mm变化至约200mm，并且在极端用途中可甚至超过200mm。如图所示，这些结构在弯曲面上是连续的。

[0058] 弯曲载体基板的透明性对于减少干涉仪/谐振腔系统的热负荷以及减少热光不稳定性，特别是对于最小化或甚至避免可改变镜ROC和谐振腔长度的热效应也是有利的。根据本发明的谐振腔的典型操作波长在600nm至3μm之间，其中两个最常见的波长为1064和1550nm。在单晶状层层叠体总厚度为6-10μm下例如使用上述简单的1/4波长光学厚度表达式，通过所期望的中心波长来确定层叠体各层的厚度。典型的直径为10-25mm，尽管某些用途如重力波检测器可需要200mm以上的直径。

[0059] 在示出并参考某些优选实施方法来描述本发明的同时，要理解的是，在不偏离由所附权利要求所限定的本发明的宗旨和范围下，本领域技术人员可进行各种形式和细节的修改。