CN103001117A - 一种芯片集成的氧化硅微球激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片集成的氧化硅微球激光器，包括稀土掺杂氧化硅微球和微光纤，所述微光纤位于所述氧化硅微球的一侧，所述氧化硅微球通过以下方法制备得到：（1）通过溶胶凝胶法在硅片表面制备掺稀土杂质的氧化硅薄膜；（2）在所述氧化硅薄膜表面上用光刻、刻蚀工艺制备出氧化硅微盘；（3）利用二氧化碳激光器对所述氧化硅微盘进行加热回流得到氧化硅微球。本发明的利用溶胶凝胶稀土掺杂方法制备的氧化硅微球激光器具有微型化、阈值低、稳定、芯片集成等特性。
Description
技术领域
本发明属于微光学器件领域，具体涉及一种利用溶胶凝胶稀土掺杂方法制备的氧化硅微球激光器。
背景技术
微型激光器是一种非常重要的光学电子元器件，在光信息处理，光学集成电路，以及化学、生物传感等方面都有着比较广泛的应用前景。随着光纤制备工艺的改进，低损耗的微纳光纤已经被制备出来，同时利用微纳光纤的倏逝波与光子学器件的耦合已经被证明是最有效的。现今集成工艺已经非常成熟，氧化硅的微盘谐振腔、微环芯谐振腔已经能很好的制备。因此运用微纳光纤与微盘及微环芯的耦合制备激光器成为很热门的研究科目。同时，利用微光纤直接熔融制备的微球激光器也已经被制备出来，且具有较低的阈值，但无法实现芯片集成。
故，需要一种新的微球激光器以解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对现有技术微型激光器的缺陷，提供一种利用溶胶凝胶稀土掺杂方法制备的芯片集成的氧化硅微球激光器。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明的氧化硅微球激光器可采用如下技术方案：
一种芯片集成的氧化硅微球激光器，包括稀土掺杂的氧化硅微球和微光纤，所述微光纤位于所述氧化硅微球的一侧，所述氧化硅微球通过以下方法制备得到：
（1）通过溶胶凝胶法在硅片表面制备掺稀土杂质的氧化硅薄膜；
（2）在所述氧化硅薄膜表面上用光刻、刻蚀工艺制备出氧化硅微盘；
（3）利用二氧化碳激光对所述氧化硅微盘进行加热回流，将氧化硅微盘熔融成微球。
有益效果：本发明的利用溶胶凝胶稀土掺杂方法制备的氧化硅微球激光器具有微型化、阈值低、稳定、芯片集成等特性。
更进一步的，所述的微光纤直径为1μm～2μm。
更进一步的，所述的氧化硅微球的直径为10μm～1mm。
更进一步的，步骤（1）中所述氧化硅薄膜的厚度为0.1～10μm。
更进一步的，步骤（1）中所述的溶胶凝胶过程中掺入的稀土杂质为铒离子。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图；
图2是本发明的实验光学图；
图3是该激光器得到的激光特性图；
图4是该激光器得到的激光特性图；
图5是输出激光功率和输入泵浦功率的变化关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图1所示，本发明用溶胶凝胶法在硅片表面制备掺稀土杂质的氧化硅薄膜，通过光刻、刻蚀工艺制备出氧化硅微盘，再用二氧化碳激光器处理后得到氧化硅微球2。将一根微光纤1靠近微球表面，利用其表面的倏逝波激发微球中的增益介质从而产生激光。
其中，微光纤直径1μm～2μm。氧化硅微球的直径为10μm～1mm，该区间的任意直径都可以制备。掺入的稀土杂质为铒离子。
本发明氧化硅微球激光器的制备过程如下：
（1）首先用溶胶凝胶法制备氧化硅薄膜，其间掺入稀土杂质，薄膜厚度为1μm～2μm；（2）利用光刻、湿法刻蚀和干法刻蚀后，得到氧化硅微盘；（3）利用二氧化碳激光器对氧化硅微盘进行加热回流，将氧化硅微盘熔融成微球；（4）利用高温拉伸法将直径125um的单模光纤拉制成直径约为1μm的微光纤，并将损耗控制在5%以下；（4）将微光纤靠近微球谐振腔，保证二者之间的耦合达到最佳；（5）将泵浦光从端口A输入至微球谐振腔2，并逐渐增加泵浦功率，当泵浦功率超过阈值时将会有激光从端口B输出，继续增加泵浦光会得到不同的输出功率。
实施例1
通过溶胶凝胶法制备氧化硅薄膜，并掺入杂质浓度为2×1019cm-3的铒离子，薄膜厚度为1.3μm。再通过光刻、湿法刻蚀和干法刻蚀后，得到氧化硅微盘。利用二氧化碳激光器对氧化硅微盘进行加热回流后得到氧化硅微球。另一方面，将普通单模光纤运用高温拉伸法制备出直径为1μm～2μm的微光纤。然后将氧化硅微球放于三维压电控制台上，精确控制其位置，慢慢将二者靠近。将二者靠拢，找到最佳耦合点之后输入波长约为1480nm的连续泵浦光，并不断增加泵浦功率，从而激发稀土离子产生荧光，当稀土离子的增益大于腔内损耗时将会有激光输出。图1是本发明的结构原理示意图；图2是本发明的实验光学图；图3和图4是由激光器得到的激光特性图，分别为多模激光特性图和单模激光特性图。通过测试，激光阈值约为975nW，观察到了阈值在1μW以下的激光。
用1480nm波段的可调激光器作为泵浦光。先扫描激光器找出微球腔合适的模式，然后对每一个模式分别泵浦，找出阈值最低的那个模式，再仔细测量其在不同输入功率情况下得到的输出功率。图5是输出激光功率和输入泵浦功率的变化关系。
本发明的利用溶胶凝胶稀土掺杂方法制备的氧化硅微球激光器具有微型化、阈值低、稳定、芯片集成等特性。
Claims (8)
1.一种芯片集成的氧化硅微球激光器，包括稀土掺杂的氧化硅微球和微光纤，所述微光纤位于所述氧化硅微球的一侧，其特征在于：所述氧化硅微球通过以下方法制备得到：
（1）通过溶胶凝胶法在硅片表面制备掺稀土杂质的氧化硅薄膜；
（2）在所述氧化硅薄膜表面上用光刻、HF刻蚀和XeF2刻蚀工艺制备出氧化硅微盘；
（3）利用二氧化碳激光器对所述氧化硅微盘进行加热回流，将氧化硅微盘熔融成微球。
2.如权利要求1所述的芯片集成的氧化硅微球激光器，其特征在于：所述的微光纤直径为1μm～2μm。
3.如权利要求1所述的芯片集成的氧化硅微球激光器，其特征在于：所述的氧化硅微球的直径为10μm～1mm。
4.如权利要求1所述的芯片集成的氧化硅微球激光器，其特征在于：步骤（1）中所述氧化硅薄膜的厚度为1μm～2μm。
5.如权利要求1所述的芯片集成的氧化硅微球激光器，其特征在于：步骤（1）中所述的溶胶凝胶过程中掺入的稀土杂质为铒离子。
6.一种芯片集成的氧化硅微球激光器的制作方法，其特征在于，包括以下方法：
a、首先用溶胶凝胶法制备氧化硅薄膜，并在所述氧化硅薄膜中掺杂稀土杂质；
b、利用光刻、刻蚀工艺制备得到氧化硅微盘；
c、利用二氧化碳激光器对氧化硅微盘进行加热回流，将氧化硅微盘熔融成氧化硅微球；
d、将光纤拉制成直径为1μm～2μm的微光纤；
e、将步骤d得到的微光纤靠近所述氧化硅微球，使二者之间的耦合达到最佳，得到芯片集成的氧化硅微球激光器。
7.如权利要求6所述的芯片集成的氧化硅微球激光器的制作方法，其特征在于：步骤a中所述的溶胶凝胶过程中掺入的稀土杂质为铒离子。
8.如权利要求6所述的芯片集成的氧化硅微球激光器的制作方法，其特征在于：步骤c中所述的氧化硅微球的直径为10μm～1mm。
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