[發(fā)明專利]一種電泵氮化物懸空?qǐng)A環(huán)光頻梳激光器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111355966.3
• 申請(qǐng)日: 2021-11-16
• 公開（公告）號(hào): CN114256735B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱剛毅;李猛;秦飛飛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S5/042
• 分類號(hào): H01S5/042;H01S5/065;H01S5/10;H01S5/343
• 代理公司: 南京縱橫知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 許婉靜

本發(fā)明公開一種電泵氮化物懸空?qǐng)A環(huán)光頻梳激光器及其制備方法，激光器以硅基氮化物外延片為載體，包括自下而上依次設(shè)置的硅襯底層、設(shè)置在硅襯底底層上表面的n型氮化鎵層、量子阱層、p型氮化鎵層、設(shè)置在p型氮化鎵層上的二硫化鉬層、p型電極、設(shè)置在n型氮化鎵層上表面中心的n型電極；激光器具有圓環(huán)微腔結(jié)構(gòu)，圓環(huán)微腔結(jié)構(gòu)的下方由硅襯底層支撐。制備方法在硅襯底氮化物外延片上，利用光刻、ICP氮化物干法刻蝕、硅濕法刻蝕、電子束蒸鍍工藝制備懸空?qǐng)A環(huán)結(jié)構(gòu)的氮化物微腔，將二維材料沉積在p型氮化鎵表面，作為頻梳的發(fā)光區(qū)，在圓環(huán)發(fā)光區(qū)和環(huán)形微腔增益區(qū)重合的表面蒸鍍Ni/Au，在圓環(huán)中心的n型氮化鎵表面蒸鍍Ni/Au，最終制備電泵浦光頻梳激光器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電泵氮化物懸空?qǐng)A環(huán)光頻梳激光器及其制備方法。

背景技術(shù)

微腔光頻梳具有體積小、功耗低和寬光譜的優(yōu)異特性，已在相干光通信、低噪聲微波信號(hào)產(chǎn)生、光譜學(xué)、超快精密測(cè)距、天文學(xué)和量子密鑰分發(fā)上展現(xiàn)出了前所未有的優(yōu)勢(shì)。隨著半導(dǎo)體加工工藝發(fā)展，微腔的品質(zhì)因子(Q)值也顯著提高。科研人員先后在CaF2、MgF2微腔，AlN、AlGaAs、LiNbO3、Si3N4和Si片上波導(dǎo)微環(huán)諧振腔等多種材料平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了寬光譜微腔光頻梳。但目前光頻梳通常采用氮化硅，鈮酸鋰微盤等無(wú)源腔來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要外在光源，這限制了光電器件的高密度光電集成。人們急需能夠滿足光學(xué)諧振器和本身增益條件的微腔來(lái)構(gòu)建復(fù)合結(jié)構(gòu)，這是下一代光頻梳的發(fā)展方向。

到目前為止，研究者提出了將二維材料介入微盤等諧振腔來(lái)制備激光器的研究。二維材料與微腔的集成可以支持高質(zhì)量的共振并作為光子光源。其中，Salehzadeh等基于在室溫下工作的MoS2激光器設(shè)計(jì)并制備了第一個(gè)室溫激光器。該設(shè)計(jì)中將四層MoS2放置在獨(dú)立SiO2上形成的光學(xué)微盤上，利用微盤結(jié)構(gòu)的高光場(chǎng)限域作用將二硫化鉬的激子發(fā)光局域在微腔中，得到了激光輸出。Ye等通過將單層WS2膜嵌入兩個(gè)介質(zhì)層(Si3N4/WS2/氫硅氧烷(HSQ))之間，用以增大光學(xué)約束，獲得高模式增益，最終實(shí)現(xiàn)低閾值激光。Yang等利用化學(xué)氣象沉積法在SiO2微球上制備了單層MoS2實(shí)現(xiàn)了650-750nm范圍內(nèi)的WGM激光。但這些研究?jī)H僅研究了二維材料的發(fā)光有源特性。將二維材料的有源特性和非線性結(jié)合起來(lái)研究鮮有報(bào)道。原因在于二維材料的非線性效率受固有厚度的限制，限制了光與物質(zhì)相互作用的效率，因此將二維材料與光子結(jié)構(gòu)(微腔或光子晶體)集成在一起，提供了一種增強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用的解決方案。

綜上所述，為了獲得基于二維材料的有源光頻梳激光器，申請(qǐng)人利用先進(jìn)的微納加工工藝，設(shè)計(jì)并制備橫截面為圓環(huán)形狀的氮化鎵懸浮微腔激光器結(jié)構(gòu)，提出了一種二維材料修飾的電泵氮化鎵懸浮圓環(huán)復(fù)合微腔光頻梳激光器。該結(jié)構(gòu)具有以下三個(gè)優(yōu)勢(shì)：第一，圓環(huán)具有極高的光學(xué)增益和極小的光學(xué)損耗，并且能夠形成閉合的激光諧振。第二，氮化鎵能夠發(fā)出紫外熒光，可以作為激發(fā)源對(duì)二維材料進(jìn)行泵浦，同時(shí)二維材料借助氮化鎵的圓環(huán)微腔，使光與物質(zhì)充分作用，這樣二維材料發(fā)光和非線性特性能夠結(jié)合在一起。第三，采用懸浮微腔的上下面表面裸露在空氣介質(zhì)中，極大減少光學(xué)微腔的損耗，環(huán)狀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于微腔中心高階模消除，并且環(huán)形電極發(fā)光區(qū)和環(huán)形微腔區(qū)重合，更容易形成諧振。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種氮化物懸空?qǐng)A環(huán)結(jié)構(gòu)電泵光頻梳激光器及其制備方法，以解決上述至少一個(gè)技術(shù)問題。

根據(jù)本發(fā)明說(shuō)明書的一方面，提供一種電泵氮化物懸空?qǐng)A環(huán)光頻梳激光器，所述激光器以硅基氮化物外延片為載體，包括自下而上依次設(shè)置的硅襯底層、設(shè)置在硅襯底底層上表面的n型氮化鎵層、量子阱層、p型氮化鎵層、設(shè)置在所述p型氮化鎵層上的二硫化鉬層、p型電極、設(shè)置在所述n型氮化鎵層上表面中心的n型電極；所述激光器具有圓環(huán)微腔結(jié)構(gòu)，所述圓環(huán)微腔結(jié)構(gòu)的下方由硅襯底層支撐。