CN101359804A - 掺铒环形微腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微型光电子技术器件制造领域，具体为一种掺铒环形微腔激光器。解决了平面环形微腔在激光器上的应用问题。其特征在于：制造方法为，(1)制作平面环形微腔和制作锥形光纤，微环的大小为外径120μm、内径100μm，锥形光纤的锥区直径为5μm，微环的厚度为2μm，(2)锥形光纤耦合：锥形光纤和硅微环腔的耦合距离为0.5μm形成掺铒环形微腔激光器。本发明制作成了微腔激光器，它实现了对光的控制。本发明低阈值的特性减小了对泵浦光的限制，实现了低功耗从而克服了功耗过大引起的硅环变形的缺陷。加工工艺比硅球微腔激光器的可控性要高很多，相比以前的微腔激光器可实施性大大提高。

Description

掺铒环形微腔激光器

技术领域

本发明属于微型光电子技术器件制造领域，具体为一种掺铒环形微腔激光器。

背景技术

光学微腔是指线度约为5μm至500μm的光学介电谐振器。目前研究的光学微腔，主要集中在均匀介质的圆柱或圆球等简单结构的微腔，微腔具有特别高的品质因数、极小的模体积和很低的非线性效应阈值条件，使它在非线性光学、腔体量子电动力学、窄带光学滤波、高灵敏度传感器和低阈值激光器的制备等领域中都得以广泛应用。

光学微腔在时间和空间上将光局域在腔中，分别有空间参数模体积V( $V=\frac{L^2\mathrm{\λ}}{2},$ L表示腔长，λ表示腔内光波长)，品质因数Q(Q＝ωτ，其中ω表示场的角频率，τ表示腔内光子的平均寿命)。掺Er环形微腔是目前最受关注的，Er^{3 +}从第一激发态跃迁到基态时发射能量为0.8eV的光子，相应波长为1.54μm，对应标准石英光纤的最小吸收窗口，是十分重要的通讯波长，因此掺Er硅在通讯应用方面具有诱人的前景。

谐振腔、工作物质和泵浦源是产生激光的三个基本条件。因此，掺Er硅激光器主要面临的问题是：一方面，要解决Er³⁺在硅基材料中的高浓度(大于10¹⁹cm^-3)掺入，并提高激活权重，使之成为有效发光中心，同时，降低非辐射衰减过程发生的几率；另一方面，具备高品质因子Q的(表征谐振腔贮存光场的能力，功耗越少，Q值越高)谐振腔是产生激光的一个必要条件。

近来发展起来的高Q值平面环形微腔(ultra-high-Q toroidal microcavities)(如图1所示)，典型值Q～1×10⁸，并可通过MEMS工艺不断完善进一步提高。利用MEMS(光刻、腐蚀、刻蚀)工艺和高功率co₂脉冲激光器表面处理技术，能够实现sio₂平面环形微腔单元的制备。与锥形光纤耦合有利于泵浦光的耦合输入与受激激光的耦合输出(如图2所示)，单模光纤具有的优越传输特性，有利于获得高品质光束，质量因子近似1的激光输出(如图3所示)。

微球腔激光器是由熔融光纤由表面张力形成的，光在微球腔中与微环腔中都以回音壁模式存在，但是由于微球腔的加工具有极大的随机性，使其应用前景受到限制。

发明内容

本发明为了解决平面环形微腔在激光器上的应用问题而提供了一种掺铒环形微腔激光器。

本发明是由以下技术方案实现的，一种掺铒环形微腔激光器，其制造方法为：

(1)制作平面环形微腔和制作锥形光纤，微环的大小为外径120μm、内径100μm，锥形光纤的锥区直径为5μm，环的厚度为2μm。

平面环形微腔的加工过程为，(a)在硅基上热生长一层2μm的二氧化硅层；(b)掺杂Er³⁺：强流MEVVA(金属蒸发真空弧)离子源注入机上进行注入，束流密度范围2.5-70μA.cm^-2，注量为1.0×10¹⁶-4.5×10¹⁷cm^-2，Er注入的加速电压为45kV，平均电荷态为2.4，注入后在1000℃下进行退火15s，保护气体为氩气(掺杂过程也可选在微环制作完成以后)；(c)按照掩膜大小用HF刻蚀二氧化硅层；(d)XeF₂刻蚀硅基；(e)co₂激光器表面辐照形成微环腔。

(2)光纤耦合：光纤和平面环形微腔的耦合距离为0.5μm形成掺铒环形微腔激光器。

该掺铒微腔激光器由平面环形微腔和锥形光纤组成耦合系统。具有较小的模体积(10^-12m³)、超高Q值(1.25×10⁸)、低阈值(5mw)、和窄线宽(0.75kHz)低功耗等特点，为硅材料光电子器件及光网络发展提供可实用。的硅基光源。本发明制作成了微腔激光器，它实现了对光的控制。本发明低阈值的特性减小了对泵浦光的限制，实现了低功耗从而克服了功耗过大引起的硅环变形的缺陷。加工工艺比硅球微腔激光器的可控性要高很多，也可以通过提高光刻、刻蚀和激光器表面处理的精度来提高激光器的输出功率，相比以前的微腔激光器可实施性大大提高。

附图说明

图1为超高Q值平面环形微腔的电子显微照片

图2为氧化硅平面环形微腔的MEMS制作工艺流程示意图

图3为利用显微探针得到平面环形微腔进行锥形光纤耦合时的俯视图

图4是微腔的扫描电子显微图像(Scanning electronmicrograph：SEM)

图5是平面环形微腔与锥形光纤耦合后的电子显微图象侧视图。

图6为单锥光纤耦合后的显示位置比例关系的示意图

图7为双锥光纤耦合后的显示位置比例关系的示意图

具体实施方式

实施例1，一种掺铒环形微腔激光器，其制造方法为，如图1、3、4、5、6、7所示意，

(1)制作平面环形微腔和制作锥形光纤，微环的大小为外径120μm、内径100μm，环的厚度为2μm，锥形光纤的锥区直径为5μm。

如图2所示意，平面环形微腔的一种加工过程为，(a)在硅基上热生长一层2μm的二氧化硅层，在二氧化硅层用标准光刻胶曝光后留下略大于掩膜的圆盘；(b)掺杂Er³⁺：强流MEVVA(金属蒸发真空弧)离子源注入机上进行注入，束流密度范围2.5-70μA.cm^-2，注量为1.0×10¹⁶-4.5×10¹⁷cm^-2，Er注入的加速电压为45kV，平均电荷态为2.4，注入后在1000℃下进行退火15s，保护气体为氩气(掺杂过程也可选在微环制作完成以后)；(c)按照光刻胶圆盘大小用HF刻蚀二氧化硅层使二氧化硅层形成圆盘；(d)在3Torr的条件下用XeF₂刻蚀硅基，使圆盘状二氧化硅层下方形成一个支撑柱；(e)采用co₂激光器以高斯分布模式经汇聚透镜对圆盘状二氧化硅层进行表面热处理，使圆盘状二氧化硅层中心表面塌陷形成环状腔体，得到所述平面环状微腔；co₂激光器激光波长为10.6μm，激光强度为100Mega-watts/cm²。

(2)锥形光纤耦合：锥形光纤和硅微环腔的耦合距离为0.5μm形成掺铒环形微腔激光器。如7所示。

实施例2，如图7所示微环加工工艺与实施例1相同，耦合系统选用双锥耦合系统，锥形光纤与硅微环组成的一种双锥耦合系统，由研磨法拉制的锥形光纤按照0.25μm距离对接与平面环形微腔构成，锥角为45°。

Claims (3)

1、一种掺铒环形微腔激光器，其特征在于：制造方法为，

(1)制作平面环形微腔和制作锥形光纤，微环的大小为外径120μm、内径100μm，锥形光纤的锥区直径为5μm，微环的厚度为2μm，

(2)锥形光纤耦合：锥形光纤和平面环形微腔的耦合距离为0.5μm形成掺铒环形微腔激光器。

2、根据权利要求1所述的掺铒环形微腔激光器，其特征在于：平面环形微腔的一种加工过程为，(a)在硅基上热生长一层2μm的二氧化硅层，在二氧化硅层用标准光刻胶曝光后留下略大于掩膜的圆盘；(b)掺杂Er³⁺：强流MEVVA(金属蒸发真空弧)离子源注入机上进行注入，束流密度范围2.5-70μA.cm^-2，注量为1.0×10¹⁶-4.5×10¹⁷cm^-2，Er注入的加速电压为45kV，平均电荷态为2.4，注入后在1000℃下进行退火15s，保护气体为氩气；(c)按照光刻胶圆盘大小用HF刻蚀二氧化硅层使二氧化硅层形成圆盘；(d)在3Torr的条件下用XeF₂刻蚀硅基，使圆盘状二氧化硅层下方形成一个支撑柱；(e)采用co₂激光器以高斯分布模式经汇聚透镜对圆盘状二氧化硅层进行表面热处理，使圆盘状二氧化硅层中心表面塌陷形成环状腔体，得到所述平面环状微腔；co₂激光器激光波长为10.6μm，激光强度为100Mega-watts/cm²。

3、根据权利要求1所述的掺铒环形微腔激光器，其特征在于：锥形光纤与微环组成的一种双锥耦合系统，由研磨法拉制的锥形光纤按照0.25μm距离对接与平面环形微腔构成，锥角为45°。

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