[發明專利]一種硅基納米激光器制備方法

有效

• 申請號: 201410539108.8
• 申請日: 2014-10-13
• 公開（公告）號: CN104362512B
• 公開（公告）日: 2017-09-26
• 發明（設計）人: 王興軍;王勝銘;許超;葉蕊;張哲煒;周治平
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01S5/20
• 分類號: H01S5/20;B82Y20/00
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 薛晨光

技術領域

本發明涉及光通信技術中發光光源技術領域，尤其涉及一種采用鉺鐿、鉺釔或鉺鐿釔硅酸鹽無機化合物納米線材料制備低閾值硅基納米激光器的方法。

背景技術

目前，將光子技術和微電子技術集合起來，以實現硅基光電集成為目標的硅基光電子學，已然成為世界光電子學領域十分熱門的前沿科學。硅基光電子學中的元器件包括光源、光波導、光開關、光放大器、光調制器和光探測器等，其中，硅基光源是硅基光電子學元器件中的重中之重。硅是間接帶隙的半導體材料，發光效率不高，因此硅基發光一直是困擾人們多年的難題。利用摻鉺(Er)離子實現硅基發光是眾多硅基發光方案中最有應用前景的途徑之一。

有兩個方向研究正在開展，一個是摻Er富硅氧化硅,另一個是鉺硅酸鹽化合物。鉺硅酸鹽化合物與以前摻雜方法相比，結構中Er離子是化合物的陽離子，而不再是作為雜質摻雜進去的，成功將Er離子濃度提高了2個數量級，達到2×10²²ions/cm³。而且由于Er離子是固溶在化合物中的，減少了Er離子之間的團聚現象，獲得了較強室溫光致發光。國際上幾個研究組也對這種材料的發光和增益特性，進行了大量的研究。但在研究中逐漸發現由于鉺硅酸鹽化合物中Er離子濃度過高，Er離子距離太近，導致較強的可見光發生上轉換現象，無法獲得高的通信波段光增益。因此最近幾年，人們又開始考慮采用鐿(Yb)或者釔(Y)共加入的辦法分散鉺離子，達到降低Er離子的可見光上轉換的目的。主要由于鐿和釔與鉺的離子半徑相似，它們的加入可以使鉺離子得到均勻分散，而仍然保持晶體結構不變。但到目前為止，上述幾個研究小組都沒有得到預期的高增益激光器，根據研究發現主要原因有兩個，其一是波導的傳輸損耗很大，達到(3-8)dB/cm。這是由于鉺鐿、鉺釔或鉺鐿釔硅酸鹽化合物中的Er離子需要高溫才能被激活，而材料在高溫生長過程中需要結晶，導致表面粗糙。另外在刻蝕波導過程中，材料側壁也比較粗糙，根據理論計算，如果傳輸損耗降到1dB/cm以下，可以獲得1個量級以上的光增益。另一個原因是Er粒子數反轉和增益所需的泵浦功率較大，而我們目前的泵浦激光器很難達到如此高的功率。

因此，針對以上不足，本文提供一種采用單晶鉺鐿、鉺釔或鉺鐿釔硅酸鹽化合物納米線作為波導材料，制備硅基納米激光器的方法。采用本發明提供的制備方法制備的硅基納米激光器具有較高波導增益，以及較低的泵浦閾值。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是提高波導增益和降低泵浦閾值，進而實現光致激發的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種。該硅基納米激光器制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

S1：將原料硅粉、稀土鉺鹽、稀土鐿鹽、稀土釔鹽按比例稱重，放入瓷舟內得到單晶鉺鐿釔硅酸鹽化合物原料；在洗凈的硅片表面上滴加催化劑，置于空氣中待干燥；

S2：將所述瓷舟、所述硅片以通入氣體的出風口方向，放入煅燒爐內；打開所述煅燒爐的通氣閥，通入所述氣體；

S3：將煅燒溫度升至1080～1100℃，并保溫60～270min；降溫至600～650℃，并保溫30～60min；降溫至室溫，將納米線全面覆蓋生長在其上的所述硅片取出；

S4：將所述納米線從所述硅片上剝離，并制備成納米線溶液；在所述硅片上滴加所述納米線溶液，得到硅基納米激光器。

優選地，在所述步驟S4之后執行步驟S5：

待所述硅片干燥后，通過拉曼測試儀獲取所述硅基納米激光器的激光譜。

優選地，所述步驟S1中，所述稀土鉺鹽、所述稀土鐿鹽、所述稀土釔鹽為硝酸鹽、氯酸鹽或醋酸鹽中的一種。

優選地，所述步驟S1中，單晶鉺鐿釔硅酸鹽化合物原料中鉺離子與鐿離子的摩爾比范圍為1:1～1:10，鉺離子與釔離子的摩爾比范圍為1:1～1:10。

優選地，所述步驟S1中，所述催化劑為納米金或納米銀。

優選地，所述步驟S2中，所述氣體為惰性氣體或氫氣與惰性氣體的混合氣體。

優選地，所述步驟S2中，所述瓷舟與所述硅片之間留有預定距離，所述預定距離為0.5～3cm。

優選地，所述步驟S3中，所述納米線的直徑為600～1000nm，長度為20～100um。

優選地，所述單晶鉺鐿釔硅酸鹽化合物可以由單晶鉺鐿硅酸鹽化合物替代，所述單晶鉺鐿硅酸鹽化合物的原料為硅粉、稀土鉺鹽以及稀土鐿鹽。