CN101902013A - 一种基于半导体纳米带的环形腔激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半导体纳米带的环形腔激光器，包括半导体纳米带制成的环形谐振腔和第一锥形光纤，所述第一锥形光纤的尖端与所述环形谐振腔相对，所述环形谐振腔置于所述第一锥形光纤的出射光光锥范围内，所述第一锥形光纤的中心轴线与所述环形谐振腔的中心轴线形成一夹角，所述夹角为10～80°。本发明首次使用半导体纳米带制备环形谐振腔激光器，具有小型化、结构简单、稳定性高、易于控制和调节、价格低廉等特点，可以实现线偏振的单纵模或多纵模输出；有效避免振动等效应对微型结构带来的损害；易与其它光路集成。
Description
技术领域
本发明涉及微光学组件中的微型激光器，尤其是涉及一种基于半导体纳米带的环形谐振腔激光器。
背景技术
激光器是一种广泛应用于工业、军事、医学、通讯、科学研究等诸多领域的重要的光电子器件。目前大型激光器技术已经较为成熟，但对于小型化的激光器研究还有待加强。近年来，随着微纳光子学的发展，微型激光器在集成光电子器件中的需求已是非常强烈和广泛。随着半导体材料科学的发展，具有极高表面精细度的半导体纳米带已经被制备出来，并且开始应用与微纳光子学器件。其中半导体纳米带的环形谐振腔也已被证明。但作为一种高增益的材料，半导体纳米带对微型有源器件的研究提供了一个重要的基础。国际上已经实现的微型激光器主要包括：微球激光器、微盘激光器等等。但这些机构不够稳定，尤其制作过程复杂，并且不利于光学集成，较难在实际中应用。而目前用纳米线制作的环形激光器其有效增益低、激光输出不方便等缺点也制约了其发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于半导体纳米带的环形腔激光器。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该基于半导体纳米带的环形腔激光器，其特征在于：包括半导体纳米带制成的环形谐振腔和第一锥形光纤，所述第一锥形光纤的尖端与所述环形谐振腔相对，所述环形谐振腔置于所述第一锥形光纤的出射光光锥范围内，所述第一锥形光纤的中心轴线与所述环形谐振腔的中心轴线形成一夹角，所述夹角为10～80°。
进一步地，本发明还包括第二锥形光纤，所述第二锥形光纤的尖端与所述环形谐振腔的输出端接触。
进一步地，本发明所述环形谐振腔的腔壁的横截面的宽度为0.1～0.3μm、高度为0.3～2μm。
进一步地，本发明所述环形谐振腔为圆环形，所述环形谐振腔的外径为5～30μm。
进一步地，本发明所述环形谐振腔为椭圆形，所述环形谐振腔的长轴为5～30μm。
进一步地，本发明所述第一锥形光纤的尖端的端面直径为0.2-2μm。
进一步地，本发明所述第一锥形光纤和/或第二锥形光纤的尖端的端面直径为0.2-0.5μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明首次使用半导体纳米带制备环形谐振腔激光器，由于利用了纳米带的结构特性，使得本发明环形谐振腔激光器在增加有效增益介质的同时保持整个激光器体积在10μm量级，获得的输出功率最低为4nW左右，而国际上已有的激光器所得到的输出功率仅为几千光子数。(2)由于环形谐振腔是由半导体纳米带弯曲相接触耦合而构成，而半导体纳米带本身属于纳米结构，因此本发明可以利用微观物体间的范德瓦尔斯作用，使制作成型的本发明激光器可以牢固地粘在衬底上，有效避免振动等效应对微型结构带来的损害。(3)本发明环形谐振腔激光器的输出端类似于尾纤输出，使得输出的激光可以直接通过倏逝场耦合至临近的微纳波导中，易于与其它光路集成。(4)本发明利用纳米带的矩形横截面对于不同偏振光的损耗不同，使其输出光具有一定的偏振特性。(5)本发明具有小型化、结构简单、稳定性高、易于控制和调节、价格低廉等特点，可以实现线偏振的单纵模或多纵模输出。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。虚线表示第一锥形光纤出射光光锥；
图2是图1的仰视图。虚线表示第一锥形光纤出射光光锥；
图3是圆形环形谐振腔的结构示意图；
图4是椭圆形环形谐振腔的结构示意图；
图5是图4的仰视放大图；
图6是第一锥形光纤的结构示意图；
图7是第二锥形光纤的结构示意图；
图8是实例1中制作的激光器的激光特性图；
图9是实例2中制作的激光器的激光特性图；
图10是实例3中制作的激光器的激光特性图；
图11是实例1制作的激光器的输出激光功率随泵浦光功率的变化关系；
图12是实例2制作的激光器的输出激光功率随泵浦光功率的变化关系；
图13是实例3制作的激光器的输出激光功率随泵浦光功率的变化关系；
图中：1.第一锥形光纤，2.第二锥形光纤，3.环形谐振腔，4.环形谐振腔的输出端，5.环形谐振腔的腔壁，6.环形谐振腔的耦合区。
具体实施方式
如图1至图7所示，本发明包括半导体纳米带制成的环形谐振腔3和第一锥形光纤1，第一锥形光纤1的尖端与环形谐振腔3相对，环形谐振腔3置于第一锥形光纤1的出射光光锥范围内，使得第一锥形光纤1的出射光可以将其完全泵浦起来，更有利于激光的产生。
第一锥形光纤1的中心轴线与环形谐振腔3的中心轴线环形谐振腔激光器形成一夹角α，该夹角α为10～80°。该夹角α保证了环形谐振腔3可以被第一锥形光纤的出射光泵浦到，并且使得环形谐振腔3的腔壁能够充分的利用泵浦光的能量。
作为本发明的另一种实施方式，如图1和图2所示，在本发明环形腔激光器的组成中也可同时包括有第二锥形光纤2，第二锥形光纤2的尖端与环形谐振腔3的输出端接触，从而将激光输出到普通光纤中。
如图4和图5所示，本发明环形谐振腔3的腔璧的横截面的宽度为a为0.1～0.3μm、高度h为0.3～2μm。如图3所示，当环形谐振腔3为圆环形时，环形谐振腔3的外径D1为5～30μm。如图5所示，当环形谐振腔3为椭圆形时，环形谐振腔3的长轴D1为5～30μm。第一锥形光纤1的尖端的端面直径d1优选为0.2-2μm，第二锥形光纤2的尖端的端面直径d2优选为0.2-0.5μm，由此使第一锥形光纤1和第二锥形光纤2发射的出射光光锥锥度较小，提高泵浦光的功率密度。同时第二锥形光纤2较细的光纤锥更有利于将激光耦合到普通光纤中。
实例1：
参见图3、图5和图6，本实施例中，环形谐振腔为圆形，其直径D1为30μm；环形谐振腔3的腔壁的横截面宽a为0.3μm，高h为2μm；参见图6，第一锥形光纤1的尖端的端面直径d1为2μm。
本实施例中的环形腔激光器的制作方法如下：
首先用高温气相沉积法制备CdS半导体纳米带；再将其制备为直径在30μm的环形谐振腔3，纳米带的一端作为环形谐振腔3的输出端4；调节环形谐振腔3的耦合区I(参见图3)使其对在其内部传输的光起到很好束缚作用。
如图1和图2所示，将第一锥形光纤1的尖端与环形谐振腔3相对，环形谐振腔3置于第一锥形光纤1的出射光光锥范围内(如图1和图2中虚线所示)，第一锥形光纤1的中心轴线与环形谐振腔3的中心轴线形成一夹角α，夹角α为10°。其中，第一锥形光纤1的尖端的端面直径为2μm。
使用时，将环形谐振腔3的输出端4与第二锥形光纤2的尖端接触，如图7所示，第二锥形光纤1的尖端的端面直径d2为0.5μm。然后用第一锥形光纤1激发CdS环形谐振腔3，并不断增加输入功率，测量CdS环形谐振腔3的输出光的光学特性如图8所示。图11表示本实施例获得的激光器在其阈值附近的泵浦与输出关系，出现了拐点证明其输出光为激光。当CdS纳米带吸收泵浦光时，由于自发和受激辐射会辐射出520nm附近范围的荧光，而产生的荧光将在环形谐振腔内发生共振，当增益大于损耗时产生受激光放大而获得激光输出。
实例2：
参见图3、图5、图6和图7，本实施例中，环形谐振腔3为圆形，其直径D1为5μm；环形谐振腔3的腔壁的横截面宽a为0.1μm，高h为0.3μm；参见图6，第一锥形光纤1的尖端的端面直径d1为0.2μm，第二锥形光纤2的尖端的端面直径d2为0.2μm。
本实施例中的环形腔激光器的制作方法如下：
首先用高温气相沉积法制备CdS半导体纳米带；再将其制备为直径在5微米的环形谐振腔3，纳米带的一端作为环形谐振腔3的输出端4；调节环形谐振腔3的耦合区I(参见图3)使其对在其内部传输的光起到很好束缚作用。
如图1和图2所示，将第一锥形光纤1的尖端与环形谐振腔3相对，环形谐振腔置于第一锥形光纤1的出射光光锥范围(如图中虚线所示)内，第一锥形光纤1的中心轴线与环形谐振腔3的中心轴线形成一夹角α，夹角α为80°。其中，第一锥形光纤的尖端的端面直径d1为0.2μm。将环形谐振腔3的输出端4与第二锥形光纤2的尖端接触。
使用时，如图1和图2所示，用第一锥形光纤1激发CdS环形谐振腔3，并不断增加输入功率，测量CdS环形谐振腔3的输出光的光学特性如图9所示。图12表示本实施例获得的激光器在其阈值附近的泵浦与输出关系，出现了拐点证明其输出光为激光。当CdS纳米带吸收泵浦光时，由于自发和受激辐射会辐射出520nm附近范围的荧光，而产生的荧光将在环形谐振腔内发生共振，当增益大于损耗时产生受激光放大而获得激光输出。
实例3：
参见图4至图7所示，本实施例中，环形谐振腔为椭圆形，其长轴长D1为13μm。环形谐振腔的腔壁的横截面宽a为0.24μm，高h为0.8μm。第一锥形光纤的尖端的端面直径d1为0.4μm。
本实施例中的环形腔激光器的制作方法如下：
首先用高温气相沉积法制备CdS半导体纳米带；制备出长轴长在13微米的环形谐振腔3，纳米带的一端作为环形谐振腔3的输出端4；调节环形谐振腔3的耦合区I(参见图4)使其对在其内部传输的光起到很好束缚作用。
如图1和图2所示，将第一锥形光纤1的尖端与环形谐振腔3相对，环形谐振腔3置于第一锥形光纤1的出射光光锥范围(如图中虚线所示)内，第一锥形光纤1的中心轴线与环形谐振腔3的中心轴线形成一夹角α，夹角α为45°。其中，第一锥形光纤的尖端的端面直径为0.4μm。
使用时，将环形谐振腔3的输出端4与第二锥形光纤2的尖端接触，第二锥形光纤2的尖端的端面直径d2为0.3μm。然后用第一锥形光纤1激发CdS环形谐振腔3，并不断增加输入功率，测量CdS环形谐振腔3的输出光的光学特性如图10所示。图13表示本实施例获得的激光器在其阈值附近的泵浦与输出关系，出现了拐点证明其输出光为激光。当CdS纳米带吸收泵浦光时，由于自发和受激辐射会辐射出520nm附近范围的荧光，而产生的荧光将在环形谐振腔内发生共振，当增益大于损耗时产生受激光放大而获得激光输出。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于半导体纳米带的环形腔激光器，其特征在于：包括半导体纳米带制成的环形谐振腔和第一锥形光纤，所述第一锥形光纤的尖端与所述环形谐振腔相对，所述环形谐振腔置于所述第一锥形光纤的出射光光锥范围内，所述第一锥形光纤的中心轴线与所述环形谐振腔的中心轴线形成一夹角，所述夹角为10～80°。
2.根据权利要求1所述的基于半导体纳米带的环形腔激光器，其特征在于：它还包括第二锥形光纤，所述第二锥形光纤的尖端与所述环形谐振腔的输出端接触。
3.根据权利要求1或2所述的基于半导体纳米带的环形腔激光器，其特征在于：所述环形谐振腔的腔壁的横截面的宽度为0.1～0.3μm、高度为0.3～2μm。
4.根据权利要求1或2所述的基于半导体纳米带的环形腔激光器，其特征在于：所述环形谐振腔为圆环形，所述环形谐振腔的外径为5～30μm。
5.根据权利要求1或2所述的基于半导体纳米带的环形腔激光器，其特征在于：所述环形谐振腔为椭圆形，所述环形谐振腔的长轴为5～30μm。
6.根据权利要求1所述的基于半导体纳米带的环形腔激光器，其特征在于：所述第一锥形光纤的尖端的端面直径为0.2-2μm。
7.根据权利要求2所述的基于半导体纳米带的环形腔激光器，其特征在于：所述第一锥形光纤和/或第二锥形光纤的尖端的端面直径为0.2-0.5μm。
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