CN106785896B - 一种氮化物锁模回音壁微激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化物锁模回音壁微激光器及其制备方法，在硅衬底上的氮化物材料，利用光刻工艺和深硅刻蚀工艺制备悬空的带缺口的环形薄膜微腔，然后在微腔的缺口中修饰金纳米棒作为半导体饱和吸收体，在合适的光泵浦条件下，实现氮化物的锁模回音壁激光。

Description

一种氮化物锁模回音壁微激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于激光技术领域，涉及一种氮化物锁模回音壁微激光器及其制备方法。
背景技术
激光按腔体结构可分为三类：第一类是光在纳米颗粒界面随机共振形成的随机激光；第二类是光在一维的微纳米结构中利用微纳米线两个端面作为腔镜形成共振产生的F-P激光。前者散射损耗很大，没有固定模式；后者的端面损耗很大，也不易得到高品质(Q)、低阈值激光。鉴于此，采用尺度较大的微米棒或微米碟等微腔利用其全内反射形成的回音壁模(WGM)激光则为人们提供了一条获得高品质激光的途径。
但是圆形的悬空微碟或六边形的氮化镓单晶WGM激光器作为光通信器件或者集成光学器件而言还不够优秀，因为它输出的是多模式结构的激光，而有些工业应用需要的是单模式的激光。因此，如何优化WGM微腔结构，实现锁模激光，更有利于工业应用，是本发明要解决的问题。
发明内容
技术问题：本发明提供一种具有极高的光学增益和极低的损耗，有利于工业已经用，可以获得高品质因子低阈值的氮化物锁模回音壁微激光器，同时提供了一种工艺性好、加工精度高的制备上述氮化物锁模回音壁微激光器的方法。
技术方案：本发明的氮化物锁模回音壁微激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅基底、设置在所述硅基底上的硅柱、由所述硅柱支撑的悬空的环形薄膜微腔结构，所述环形薄膜微腔结构由氮化物构成，包括环形的本体、设置在所述本体内部的微腔、设置在本体中将微腔与外部连通的缺口，所述缺口中修饰有金纳米棒。
进一步的，本发明微激光器中，硅基底和硅柱均为在硅基氮化物晶片的硅衬底层(2)上刻蚀得到的。
进一步的，本发明微激光器中，缺口中修饰的金纳米棒，在光泵浦条件下，作为半导体饱和吸收体对微腔中的激光进行调制，实现氮化物的锁模回音壁激光。
本发明制备上述氮化物锁模回音壁微激光器的方法，步骤如下：
第一步：在氮化物层上表面旋涂光刻胶，然后采用光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义权利要求1中所述的环形薄膜微腔结构的图形；
第二步：利用电子束蒸镀系统在氮化物层上沉积金属镍，然后去除残留的光刻胶，留下的金属镍作为硬质掩膜层；
第三步：基于所述硬质掩膜层，采用反应离子刻蚀技术向下刻蚀氮化物层直至硅衬底层的上表面，从而将所述第二步中定义出的图形转移至硅基氮化物晶片的氮化物层中，得到有缺口的环形薄膜微腔结构，然后利用稀硝酸或者镍刻蚀液去除残留在氮化物层表面的金属镍；
第四步：采用各项同性湿法硅刻蚀技术，使硅衬底层中形成支撑环形薄膜微腔结构的硅柱和位于底面的硅基底，使环形薄膜微腔结构悬空；
第五步：将环形薄膜微腔结构浸入到金纳米棒的溶液中，使金属纳米棒修饰到微腔的缺口里，得到氮化物锁模回音壁微激光器。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
为了获得氮化物WGM腔锁模激光，本发明通过各项同性的湿法硅刻蚀技术可以获得结构良好的硅柱支撑带缺口的环形薄膜微腔，，微腔的水平横截面是带缺口的圆环，缺口的宽度为几十纳米左右。该结构具有以下两个优势：第一，“悬空”使氮化物薄膜微腔上下表面被低折射率的空气所包裹，光线在高折射率半导体和它周围低折射率空气的微腔界面处的全内反射以WGM形式传导，垂直方向的光学模也受到强烈限制，这种WGM传导作用和光学限制极大地降低了光学散射和透射带来的光学损耗，可产生维持激射作用的足够大的光增益。第二，本发明最重要的创新是环形薄膜微腔的缺口设计，微腔的横截面设计为带缺口的圆环形状。圆环具有极高的光学增益和极小的光学损耗，能够形成闭合的激光谐振，在微腔缺口中修饰金纳米棒作为半导体饱和吸收体，对在微腔中振荡的不同模式的相位进行调制，进而实现锁模，使激光的光学品质品质因子和阈值得到巨大提升，有利于工业应用。
目前，氮化物回音壁激光器已有诸多报道，锁模激光器在光钎激光器中出现较多，但是在回音壁微激光器中实现激光锁模的微激光器还没有报道过，因此本发明最大的创新就在于设计的圆环形微腔缺口及修饰的金纳米棒，实现了回音壁激光的锁模，本发明第一次实现了氮化物锁模回音壁微激光器的锁模。
附图说明
图1是带缺口的环形薄膜微腔的水平截面示意图。
图2是氮化物锁模回音壁微激光器的侧视图
图3是氮化物锁模回音壁微激光器的俯视图。
图4是氮化物回锁模回音壁微激光器的工艺流程图。
图中有：氮化物层1，硅衬底层2，硬质掩膜层3，光刻胶层4，本体I，缺口II。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
以制备氮化物锁模回音壁微激光器，外环直径为10微米，内环直径6微米为例，制备过程如下：
第一步：将购买的商用硅衬底氮化镓晶片，经丙酮、无水乙醇和去离子水依次超声清洗后，用氮气吹干，使用匀胶机在晶片正面以4000转/分钟的转速旋涂光刻胶AZ5214，旋涂时间为60秒(光刻胶厚度为1.5微米)；此处采用的硅基氮化镓晶片结构只有硅衬底层2和氮化镓层1，采用光学光刻技术，在旋涂的光刻胶层上定义出带缺口的环形薄膜微腔图形结构，光刻机型号为MA6。
第二步：利用电子束蒸镀系统(ei-5z型号)，对光刻过的样品沉积220纳米金属镍3，然后利用丙酮去除残留的光刻胶，获得金属镍的硬质掩膜层3。
第三步：采用反应离子刻蚀技术，将第一步定义出带缺口的环形微腔图形转移至晶片的氮化镓层1上，具体做法为：使用反应离子刻蚀机，刻蚀深度2微米，使硅衬底层(3)暴露出来，CF2流量为10sccm，上电极功率(forward)300w，下电极功率(RF)100w；然后利用稀硝酸去除残留的金属镍。
第四步：采用氢氟酸和硝酸的1:9的混合液作为硅衬底的刻蚀液，对硅进行各项同性刻蚀，常温下刻蚀时间60秒，刻蚀深度2微米，使带缺口的环形薄膜微腔悬空。
第五步：将悬空的带缺口的环形薄膜微腔浸入金纳米棒的溶液(溶液浓度10％)，金纳米棒作为半导体饱和吸收体修饰在微腔的缺口处，最终完成氮化镓锁模回音壁微激光器的制备。在光泵浦条件下，金纳米棒对作为半导体饱和吸收体对微腔中的激光进行调制，实现氮化镓锁模回音壁激光。
应理解上述实施例仅用于说明本发明技术方案的具体实施方式，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同形式的修改和替换均落于本申请权利要求所限定的保护范围。

Claims (3)

1.一种氮化物锁模回音壁微激光器，其特征在于，该激光器以硅基氮化物晶片为载体，包括硅基底、设置在所述硅基底上的硅柱、由所述硅柱支撑的悬空的环形薄膜微腔结构，所述环形薄膜微腔结构由氮化物构成，包括环形的本体(I)、设置在所述本体(I)内部的微腔、设置在本体(I)中将微腔与外部连通的缺口(II)，所述缺口(II)中修饰有金纳米棒，所述缺口(II)中修饰的金纳米棒，在光泵浦条件下，作为半导体饱和吸收体对微腔中的激光进行调制，实现氮化物的锁模回音壁激光。
2.根据权利要求1所述的氮化物锁模回音壁微激光器，其特征在于，所述硅基底和硅柱均为在硅基氮化物晶片的硅衬底层(2)上刻蚀得到的。
3.一种制备权利要求1或2所述氮化物锁模回音壁微激光器的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步：在氮化物层(1)上表面旋涂光刻胶，然后采用光刻技术在旋涂的光刻胶层(4)上定义权利要求1中所述的环形薄膜微腔结构的图形；
第二步：利用电子束蒸镀系统在氮化物层(1)上沉积金属镍，然后去除残留的光刻胶，留下的金属镍作为硬质掩膜层(3)；
第三步：基于所述硬质掩膜层(3)，采用反应离子刻蚀技术向下刻蚀氮化物层(1)直至硅衬底层(2)的上表面，从而将所述第二步中定义出的图形转移至硅基氮化物晶片的氮化物层(1)中，得到有缺口(II)的环形薄膜微腔结构，然后利用稀硝酸或者镍刻蚀液去除残留在氮化物层(1)表面的金属镍；
第四步：采用各向 同性湿法硅刻蚀技术，使硅衬底层(2)中形成支撑环形薄膜微腔结构的硅柱和位于底面的硅基底，使环形薄膜微腔结构悬空；
第五步：将环形薄膜微腔结构浸入到金纳米棒的溶液中，使金属纳米棒修饰到微腔的缺口(II)里，得到氮化物锁模回音壁微激光器。
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