CN102005696B - 一种硅基光子晶体槽状波导微腔激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，该激光器是由在SOI衬底顶层硅上的二维平板空气孔型光子晶体的单线缺陷波导中间引入的槽状波导，以及在该槽状波导及空气孔中填充的折射率低于SOI衬底顶层硅折射率的发光材料构成，该槽状波导包括依次连接的第一槽状波导、第二槽状波导和第三槽状波导，其中作为微腔的第二槽状波导的宽度大于第一槽状波导及第三槽状波导的宽度。这种结构能够将集光子晶体模式禁带局域模式限制效应、慢光效应及槽状波导的强场限制效应三者结合起来，能大幅度提高光与发光材料的相互作用，从而大幅度增强硅基的发光效率，进而实现低阈值激射。

Description

一种硅基光子晶体槽状波导微腔激光器
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种硅基光子晶体槽状波导微腔激光器。
背景技术
在硅材料上发展起来的集成电路已成为发展电子计算机、通信和自动化控制等信息技术的关键，硅作为一种微电子材料，已经出色的完成了任务。随着信息技术的日益发展，对信息的传递速度、存储能力和处理功能提出更高的要求，但硅集成电路中器件尺寸和硅中电子运动速度限制了这一技术的发展。如果能在硅芯片中引入光电子技术，用光波代替电子作为信息载体，则可大大提高信息传输速度和处理能力，使电子计算机、通信和显示等信息技术发展到一个全新的阶段。
硅基的各种无源器件和一部分有源器件，如光波导、滤波器、探测器等已经被深入研究并很好地应用在光通信领域，但是硅材料本身制作发光器件却存在一定的问题。由于硅是间接带隙半导体，电子不能直接由导带底跃迁到价带顶发出光子，只能通过发射或吸收一个声子，间接跃迁到价带顶，这种间接跃迁的几率非常小，所以硅的发光效率很低。
目前发光器件主要采用发光效率高的GaAs、InP等直接带隙III-V族半导体材料，以这些材料作有源区的半导体激光器已经在光电子领域占据主导地位，但是它们的化学和物理特性与硅不同，其制作工艺与标准的硅微电子工艺不兼容，不适于做硅基光电子集成回路。因此，如何实现高效的Si基发光是科学与工程学界研究的热点。
近年来，科学家在实现硅基发光的征途中，不断地产生新思想和新概念，多孔硅发光、SiO2/Si超晶格的量子限制和发光、基于硅中位错的发光二极管、硅Raman激光芯片，基于硅纳米晶的电致发光场效应晶体管、混合硅激光器等这些重要成果的取得也表明了在该研究领域可发展的巨大空间。而光子晶体的出现则进一步拓展了这一研究的发展空间。
光子晶体是由两种不同介电常数的介质材料在空间周期性排列形成的人工功能材料。可以在完整的光子晶体结构中引入某种缺陷，利用缺陷微腔的光子局域效应可以实现谐振模式频率处的辐射率增强，还可以利用光子晶体的带边慢光效应提高带边处的光子态密度，提高材料的自发辐射强度。
槽状波导结构是由两侧高折射率材料及中间低折射率缝隙共同组成，两侧高折射率材料的宽度和高度及低折射率缝隙的尺度均为几百个纳米，在低折射率缝隙中会集中电场，形成准TE模，具有强场限制作用。
如果能够将集光子晶体模式禁带局域模式限制效应、慢光效应及槽状波导的强场限制效应三者结合起来，就能大幅度提高光与硅基发光材料的相互作用，从而大幅度增强硅基的发光效率，进而实现低阈值激射。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅基光子晶体微腔激光器结构，以大幅度提高硅基的发光效率，实现低阈值激射。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，该激光器是由在SOI衬底顶层硅上的二维平板空气孔型光子晶体的单线缺陷波导中间引入的槽状波导，以及在该槽状波导及空气孔中填充的折射率低于SOI衬底顶层硅折射率的发光材料构成，该槽状波导包括依次连接的第一槽状波导、第二槽状波导和第三槽状波导，其中作为微腔的第二槽状波导的宽度大于第一槽状波导及第三槽状波导的宽度。
优选地，所述二维平板空气孔型光子晶体为三角晶格光子晶体结构。
优选地，所述二维平板空气孔型光子晶体为空气桥型平板光子晶体或者非对称氧化物下包层型平板光子晶体。
优选地，所述二维平板空气孔型光子晶体的空气孔半径为光子晶体晶格常数的0.3倍，平板厚度为220nm。
优选地，所述第一槽状波导的宽度与第三槽状波导的宽度相同。
优选地，所述第一槽状波导的宽度为光子晶体晶格常数的0.3095倍，第二槽状波导的宽度为光子晶体晶格常数的0.3571倍。
优选地，所述第二槽状波导的长度为3倍晶格常数，第一槽状波导和第三槽状波导的长度均大于10倍晶格常数。
优选地，所述二维平板空气孔型光子晶体的槽状波导两侧最邻近空气孔半径为光子晶体晶格常数的0.36倍。
优选地，所述折射率低于SOI衬底顶层硅折射率的发光材料为掺杂稀土离子的二氧化硅材料。
优选地，所述稀土离子为铒、镱、镨或铽离子。
优选地，所述折射率低于SOI衬底顶层硅折射率的发光材料是通过溶胶-凝胶法制备的，通过旋涂或者提拉，将发光材料的溶胶填充于槽状波导及空气孔中，再退火固化。
优选地，所述硅基光子晶体槽状波导微腔激光器是通过光注入或者电注入泵浦的。
优选地，所述硅基光子晶体槽状波导微腔激光器是由电子束曝光或者深紫外光刻制作的。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，通过组合不同宽度的光子晶体槽状波导构成微腔结构，第二槽状波导6两侧的第一槽状波导5和第三槽状波导7的模式禁带效应会使得处于一定频率范围内的光被限制在作为微腔的第二槽状波导6中，并且被限制模式的频率处于第二槽状波导6传输频率的上限值附近，其群速度亦被限制为较低的值。这种微腔结构集光子晶体模式禁带局域模式限制效应、慢光效应以及槽状波导强场限制效应三种特性于一身，能在模式禁带局域模式限制的基础上借助慢光效应及强场限制效应进一步增强光与填充在槽状波导10中的发光材料11的相互作用，大幅度增强发光材料11的发光效率，具有较高的品质因子和较低的模式体积，易实现低阈值激射。
附图说明
图1为硅基光子晶体槽状波导微腔激光器结构示意图。
图2为SOI基非对称氧化物下包层型平板光子晶体槽状波导微腔激光器截面图。
图3为槽状波导及空气孔中填充的发光材料为掺铒二氧化硅时的微腔谐振频谱图。
图4为槽状波导及空气孔中填充的发光材料为掺铒二氧化硅时的微腔模场分布图。
图5为槽状波导及空气孔中填充的发光材料为掺镨二氧化硅时的微腔谐振频谱图。
图6为槽状波导及空气孔中填充的发光材料为掺镨二氧化硅时的微腔模场分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参照附图1所示，在SOI衬底8顶层硅9上的二维平板空气孔型光子晶体波导线缺陷4中间引入三段依次连接的槽状波导10，分别为第一槽状波导5、第二槽状波导6和第三槽状波导7，其中作为微腔的第二槽状波导6的宽度大于第一槽状波导6和第三槽状波导7的宽度，并在槽状波导10及空气孔2中填充折射率低于SOI衬底8顶层硅9折射率的发光材料11，该槽状波导10和该发光材料11构成微腔光子晶体槽状波导微腔激光器结构。
所述光子晶体结构是通过电子束曝光或者深紫外光刻制作的，发光材料11可以通过溶胶-凝胶法制备，通过旋涂或者提拉，将发光材料11的溶胶填充于槽状波导10及空气孔2中，再退火固化。
由于不同宽度的光子晶体槽状波导的色散曲线存在差异，第二槽状波导6两侧的第一槽状波导5和第三槽状波导7的模式禁带效应会使得处于一定频率范围内的光被限制在作为微腔的第二槽状波导6中，并且被限制模式的频率处于第二槽状波导6传输频率的上限值附近，其群速度亦被限制为较低的值，且通过优化槽状波导10两侧最邻近空气孔3的半径大小，可以获得带边群速度趋于零的色散曲线，被限制在微腔中的模式的群速度可以趋于零，这样就更加增强了光与发光材料10的相互作用，进一步提高了发光材料11的发光效率。
结合槽状波导本身所具有的强场限制特性，这种微腔结构集模式禁带局域模式限制效应、慢光效应以及槽状波导强场限制效应三种特性于一身，能在模式禁带局域模式限制的基础上借助慢光效应及强场限制效应进一步增强光与填充在槽状波导10中的发光材料11的相互作用，大幅度增强发光材料11的发光效率，并且具有较高的品质因子和较低的模式体积，易实现低阈值激射。
下面通过两个实施例，对本发明提供的光子晶体槽状波导微腔激光器作进一步的详细说明。
实施例一
本实施例中槽状波导及空气孔中填充的折射率低于SOI衬底顶层硅折射率的发光材料为掺铒离子的二氧化硅材料，掺铒二氧化硅材料是由溶胶-凝胶法制备的，掺铒二氧化硅材料的发光峰在1550nm附近。二维平板光子晶体为非对称氧化物下包层平板三角晶格光子晶体结构，晶格常数a＝409.16nm，空气孔半径r＝0.3a，平板厚度t＝220nm。槽状波导最邻近空气孔半径r′＝0.36a，第一槽状波导的宽度与第三槽状波导的宽度相同，第一槽状波导的宽度w＝0.3095a，第二槽状波导的宽度w′＝0.3571a，第二槽状波导的长度为3倍光子晶体晶格常数，第一槽状波导和第三槽状波导的长度均大于10倍光子晶体晶格常数。利用有效折射率法结合二维时域有限差分法模拟光子晶体槽状波导微腔激光器结构微腔中的谐振频谱和谐振波长处的模场分布，计算得到的谐振频谱如图3所示，可见，谐振频谱中，仅在1551.8nm波长处，存在一个峰值强度非常高的谐振峰(～107)，这表示该结构的谐振波长为1551.8nm。计算得到的1551.8nm谐振波长处的场分布图表明，场在作为微腔的第二槽状波导中最强，往两侧波导方向很快衰减至零，模式很好地被束缚在第二槽状波导中，实现了发光效率的增强。
实施例二
本实施例中槽状波导及空气孔中填充的折射率低于SOI衬底顶层硅折射率的发光材料为掺镨离子的二氧化硅材料，掺镨二氧化硅材料是由溶胶-凝胶法制备的，掺镨二氧化硅材料的发光峰在1300nm附近。二维平板光子晶体为非对称氧化物下包层平板三角晶格光子晶体结构，晶格常数a＝342.77nm，空气孔半径r＝0.3a，平板厚度t＝220nm。槽状波导最邻近空气孔半径r′＝0.36a，第一槽状波导的宽度与第三槽状波导的宽度相同，第一槽状波导的宽度w＝0.3095a，第二槽状波导的宽度w′＝0.3571a，第二槽状波导的长度为3倍光子晶体晶格常数，第一槽状波导和第三槽状波导的长度均大于10倍光子晶体晶格常数。利用有效折射率法结合二维时域有限差分法来模拟光子晶体槽状波导微腔激光器结构微腔中的谐振频谱和谐振波长处的模场分布，计算得到的谐振频谱如图5所示，可见，谐振频谱中，仅在1300.9nm波长处，存在一个峰值强度非常高的谐振峰(～107)，这表示该结构的谐振波长为1300.9nm。计算得到的1300.9nm谐振波长处的场分布图表明，场在作为微腔的第二槽状波导中最强，往两侧波导方向很快衰减至零，模式很好地被束缚在第二槽状波导中，实现了发光效率的增强。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，该激光器是由在SOI衬底顶层硅上的二维平板空气孔型光子晶体的单线缺陷波导中间引入的槽状波导，以及在该槽状波导及空气孔中填充的折射率低于SOI衬底顶层硅折射率的发光材料构成，该槽状波导包括依次连接的第一槽状波导、第二槽状波导和第三槽状波导，其中作为微腔的第二槽状波导的宽度大于第一槽状波导及第三槽状波导的宽度。
2.根据权利要求1所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述二维平板空气孔型光子晶体为三角晶格光子晶体结构。
3.根据权利要求1或2所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述二维平板空气孔型光子晶体为空气桥型平板光子晶体或者非对称氧化物下包层型平板光子晶体。
4.根据权利要求3所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述二维平板空气孔型光子晶体的空气孔半径为光子晶体晶格常数的0.3倍，平板厚度为220nm。
5.根据权利要求1、2或4中任一项所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述第一槽状波导的宽度与第三槽状波导的宽度相同。
6.根据权利要求5所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述第一槽状波导的宽度为光子晶体晶格常数的0.3095倍，第二槽状波导的宽度为光子晶体晶格常数的0.3571倍。
7.根据权利要求1、2、4或6中任一项所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述第二槽状波导的长度为3倍晶格常数，第一槽状波导和第三槽状波导的长度均大于10倍晶格常数。
8.根据权利要求7所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述二维平板空气孔型光子晶体的槽状波导两侧最邻近空气孔半径为光子晶体晶格常数的0.36倍。
9.根据权利要求1、2、4、6或8中任一项所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述折射率低于SOI衬底顶层硅折射率的发光材料为掺杂稀土离子的二氧化硅材料。
10.根据权利要求9所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述稀土离子为铒、镱、镨或铽离子。
11.根据权利要求1、2、4、6、8或10任一项所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述折射率低于SOI衬底顶层硅折射率的发光材料是通过溶胶-凝胶法制备的，通过旋涂或者提拉，将发光材料的溶胶填充于槽状波导及空气孔中，再退火固化。
12.根据权利要求11所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述硅基光子晶体槽状波导微腔激光器是通过光注入或者电注入泵浦的。
13.根据权利要求1、2、4、6、8、10或12任一项所述的硅基光子晶体槽状波导微腔激光器，其特征在于，所述硅基光子晶体槽状波导微腔激光器是由电子束曝光或者深紫外光刻制作的。
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