[發明專利]單方向發射的氮化物鎖模回音壁微激光器及其制備方法

有效

• 申請號: 201611181916.7
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106785899B
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發明（設計）人: 朱剛毅;王永進
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01S5/065
• 分類號: H01S5/065;H01S5/10
• 代理公司: 江蘇愛信律師事務所 32241
• 代理人: 劉琦

本發明公開了一種單方向發射的氮化物鎖模回音壁微激光器及其制備方法，在硅襯底上的氮化物材料，利用光刻工藝和硅刻蝕工藝制備懸空非對稱環形薄膜微腔，該微腔的水平橫截面形狀是“圓環+錐角+缺口”，在微腔缺口中修飾金納米棒作為半導體飽和吸收體，在光泵浦條件下，金納米棒對微腔中的激光進行選模調制，最終實現單方向發射的氮化物鎖模回音壁模激光。

技術領域

本發明屬于激光技術領域，涉及一種單方向發射的氮化物鎖模回音壁激光器及其制備方法。

背景技術

激光按腔體結構可分為三類：第一類是光在納米顆粒界面隨機共振形成的隨機激光；第二類是光在一維的微納米結構中利用微納米線兩個端面作為腔鏡形成共振產生的F-P激光。前者散射損耗很大，沒有固定模式；后者的端面損耗很大，也不易得到高品質(Q)、低閾值激光。鑒于此，采用尺度較大的微米棒或微米碟等微腔利用其全內反射形成的回音壁模(WGM)激光則為人們提供了一條獲得高品質激光的途徑。

但是圓形的懸空微碟或六邊形的氮化鎵單晶WGM激光器作為光通信器件或者集成光學器件而言還不夠優秀，因為它沒有單一的激光方向輸出，并且沒有經過鎖模，輸出的是多模激光且品質因子不夠高，不利于和其它的光電子器件進行集成。

因此，如何優化WGM微腔結構，實現單方向性發射的高Q低閾值氮化物鎖模WGM激光是本發明要解決的問題。

發明內容

技術問題：本發明提供一種具有極高的光學增益和極低的損耗，有利于與光電子器件集成的單方向發射的氮化物鎖模回音壁微激光器，同時提供了一種工藝性好、加工精度高的制備上述單方向發射的氮化物鎖模回音壁微激光器的方法。

技術方案：本發明的單方向發射的氮化物鎖模回音壁微激光器，以硅基氮化物晶片為載體，包括硅基底、設置在所述硅基底上的硅柱、由所述硅柱支撐的懸空的非對稱環形薄膜微腔結構，所述非對稱環形薄膜微腔結構由氮化物構成，包括環形的本體、設置在所述本體內部的微腔、設置在本體周向外側的突出錐角，所述本體上設置有將微腔與外部連通的缺口，所述突出錐角由本體圓周切線、本體圓周上弧線和本體外的弧線圍成，所述本體外的弧線與本體圓周相交的夾角為銳角，所述缺口中修飾有金屬納米棒。

進一步的，本發明微激光器中，硅基底和硅柱均為在硅基氮化物晶片的硅襯底層上刻蝕得到的。

進一步的，本發明微激光器中，缺口中修飾的金納米棒，在光泵浦條件下作為半導體飽和吸收體對微腔中的激光進行模式調制，實現單方向發射的氮化物鎖模回音壁激光。

本發明利用光刻和反應離子刻蝕工藝和電感耦合等離子體深硅刻蝕工藝制備不同尺寸的懸空的帶缺口的非對稱懸空薄膜微腔。設計合理的工藝步驟，包括刻蝕模板的形狀，獲得由柱狀支撐的且邊緣光滑的懸空帶缺口的非對環形薄膜微腔。降低微腔的彎曲損耗和側面粗糙引起的散射損耗。

本發明制備上述單方向發射的氮化物鎖模回音壁微激光器的方法，步驟如下：

第一步：在氮化物層上旋涂光刻膠，然后采用光學光刻技術在旋涂的光刻膠層上定義權利要求1中所述的非對稱環形薄膜微腔結構的圖形；

第二步：利用電子束蒸鍍系統在氮化物層上沉積金屬鎳，然后去除殘留的光刻膠，留下的金屬鎳作為硬質掩膜層；

第三步：基于所述硬質掩膜層，采用反應離子刻蝕技術向下刻蝕氮化物層直至硅襯底層的上表面，從而將所述第二步中定義出的圖形轉移至硅基氮化物晶片的氮化物層中，得到帶缺口的非對稱環形薄膜微腔結構，然后利用稀硝酸或者鎳刻蝕液去除殘留在氮化物層表面的金屬鎳；

第四步：采用各項同性濕法硅刻技術，使硅襯底層中形成支撐非對稱環形薄膜微腔結構的硅柱和位于底面的硅基底，使非對稱環形薄膜微腔結構懸空；

第五步：將非對稱環形薄膜微腔結構浸入到金屬納米棒的溶液中，使金屬納米棒修飾到缺口里，得到單方向發射的氮化物鎖模回音壁微激光器。