CN110808534B - 片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的片上泵浦‑信号光共振的铒硅酸盐激光器及其制备方法，包括激光有源区和混合谐振腔，混合谐振腔加载在激光有源区的上表面；激光有源区由下至上依次设置有硅衬底层和增益介质层；增益介质层为氮化硅层与铒硅酸盐层交替结构，增益介质层的上下表面均为氮化硅层；混合谐振腔为条形波导结构，用于控制光场在激光有源区中沿波导方向传输，保证泵浦光与信号光在腔中同时进行谐振增强，以提高泵浦的吸收效率和信号光的谐振强度。通过采用铒硅酸盐化合物作为光增益材料，有效的提升了材料单位距离的光学增益；降低了波导的传输损耗；设置条形加载的谐振腔波导结构，解决了铒硅酸盐激光谐振腔的刻蚀困难的同时提高了激光的输出特性。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器及其制备方法。
背景技术
近些年来，随着硅基光电子技术在光通信、数据中心等重要领域重中发挥了越来越重要的作用，得以迅速发展。其中，硅基激光器作为硅基光电子器件的关键器件，特别是窄线宽激光器，因具有高相干性、高频率稳定性和宽波长调谐等优点，有着巨大的应用潜力。因此，在硅基光电子学平台上集成高性能窄线宽激光器对于超高速光通信、长距离激光通信、超高分辨率激光雷达、光传感等领域的应用有着重要的意义。然而，由于硅的间接带特性，给硅基光源的研究带了相当大的挑战性。
在传统的研究中，通常采用混合集成的III-V族硅基激光器解决这一难点，通过在谐振器中集成频率选择结构或在谐振器外与模式选择器件相互耦合，以控制不同波长的增益和损耗，从而压缩其激光线宽。通常采用相移型分布反馈式(DFB)或分布式布拉格反射(DBR)谐振腔，已被证明能产生MHz量级的光学激光线宽。
但是，上述方法需要复杂的制造步骤，且温度敏感性高，存在很大的局限性。相较之下，单片掺铒(Er)硅基激光器具有温度不敏感、发光寿命长、噪声低、与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容的优点，它们更有利于大规模集成硅基激光器，与相移型DFB谐振腔相结合能实现kHz线宽，具有更好的发展前景。
然而，目前的硅基掺铒激光器还不能实现高质量的窄线宽激光输出，不足以满足硅基光电子芯片的片上的要求。原因在于，一方面，片上硅基激光器所需的输出功率至少要超过30mW，为了满足低功耗的要求，必然需要进一步的提高泵浦效率以降低泵浦功率；另一方面，未来的超窄线宽激光应用需求更窄的激光线宽，如亚kHz或Hz量级。现有的窄线宽激光器不能达到这些要求。如Schawlow-Townes线宽所示，需要更高的激光输出功率、更高的激光效率或更高的品质因数(Q值)谐振腔来进一步提高线宽。
发明内容
为了有效的解决现有技术中在获取超窄线宽激光时，对于泵浦激光的输出功率、激光效率以及品质因素要求过于苛刻的缺陷，本发明实施例提供了一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器及其制备方法。
一方面，本发明实施例提供一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器，包括：激光有源区和混合谐振腔，其中，混合谐振腔耦合加载在激光有源区的上表面；激光有源区由下至上依次设置有硅衬底层和增益介质层；增益介质层为氮化硅层与铒硅酸盐层交替结构，增益介质层的上下表面均为氮化硅层；混合谐振腔为条形波导结构，用于控制光场在所述激光有源区中沿波导方向传输。
进一步地，混合谐振腔由泵浦谐振外腔和信号谐振外腔构成。
进一步地，上述泵浦谐振外腔包括第一DBR谐振器和第二DBR谐振器，信号谐振外腔包括第一DFB谐振器和第二DFB谐振器，其中：
第一DBR谐振器、第一DFB谐振器、第二DBR谐振器与第二DFB谐振器均为光栅结构，并按光路的方向依次从前至后耦合连接；第一DBR谐振器用于接收泵浦光，并形成泵浦前反射区；第一DFB谐振器为主谐振腔，用于对信号光进行谐振增强；第二DBR谐振器形成泵浦后反射区，用于对所述泵浦光的后反射作用，以及隔离所述泵浦光进入所述第二DFB谐振器区域；第二DFB谐振器为次谐振腔。
进一步地，上述第一DFB谐振器与第二DFB谐振器的尺寸相同。
进一步地，在上述第一DFB谐振器中设置有1/4相移区域。
进一步地，在上述硅衬底层和增益介质层中间设置有第一SiO2隔离层，并在上述混合谐振腔与激光有源区之间设置有第二SiO2隔离层。
另一方面，本发明实施例还提供一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、基于低压化学气相沉积法，在硅衬底层上生长第一预设厚度的氮化硅层；步骤S2、在氮化硅层上生长第二预设厚度的铒硅酸盐增益层；步骤S3、在铒硅酸盐增益层上再次生长氮化硅层；步骤S4、重复步骤S2-S3直至获取到预设层数的铒硅酸盐-氮化硅交替结构，其中铒硅酸盐-氮化硅交替结构的上下表面均为氮化硅层；步骤S5、在铒硅酸盐-氮化硅交替结构的上表面沉积预设厚度的SiO2层；步骤S6、基于光刻技术，在SiO2层加载混合谐振腔的模板；步骤S7、基于离子刻蚀技术，在混合谐振腔的模板上刻蚀出混合谐振腔。
进一步地，在步骤S1之前还包括：基于热氧化工艺，在硅衬底层上设置第一SiO2隔离层。
进一步地，上述在所述混合谐振腔的模板上刻蚀出所述混合谐振腔，包括：设计所述混合谐振腔的结构及尺寸，并按所述结构及尺寸刻蚀出所述混合谐振腔；
其中，设计混合谐振腔的结构包括：通过将第一DBR谐振器、第一DFB谐振器、第二DBR谐振器与第二DFB谐振器依次按光路的方向从前至后耦合连接，构成混合谐振腔，混合谐振腔均为光栅结构；第一DBR谐振器和第二DBR谐振器组成泵浦谐振外腔；第一DFB谐振器和第二DFB谐振器构成信号谐振外腔；
设计所述混合谐振腔的尺寸包括：
基于布拉格条件公式，获取第一DBR谐振器和第一DFB谐振器的光栅周期；基于信号光反射率计算公式，获取第一DBR谐振器以及第一DFB谐振器的光栅占空比和光栅齿深；
基于泵浦谐振外腔与铒硅酸盐-氮化硅交替结构的Q值匹配关系，确定第二DBR谐振器的光栅参数；
确定第一DFB谐振器的光栅参数为第二DFB谐振器的光栅参数。
进一步地，所述布拉格条件公式为：
信号光反射率计算公式为：R＝tanh(kL)；
其中，Λ为光栅周期，λ为谐振器的中心波长，neff为与所述混合谐振腔的波导截面相对应的有效折射率，R为反射率，D为光栅占空比，L为谐振腔的长度，k为光栅耦合系数，h为齿深。
本发明实施例提供的片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器及其制备方法，首先，通过设置氮化硅层与铒硅酸盐层构成的增益介质层，提高了增益层中铒浓度，有效减少波导传输时的传输损耗，大幅提高了放大器单位距离的光增益；其次，通过设置混合谐振腔，可保证泵浦光与信号光在腔中同时进行谐振增强，以提高泵浦的吸收效率和信号光的谐振强度，有效的降了低激光器的线宽和阈值，以形成稳定的窄线宽激光输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的结构截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的混合谐振腔的截面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的制备方法流程示意图；
图5为本发明实施例提供的混合谐振腔的参数设计示意图；
图6为本发明实施例提供的混合谐振腔的另一参数设计示意图
图7为本发明实施例提供的铒硅酸盐的能级结构原理图；
图8为本发明实施例提供的激光输出特性的仿真结果示意图；
图9为本发明实施例提供的激光线宽特性的仿真结果示意图；
图10为本发明实施例提供的另一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的制备方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一方面，由于现阶段单片掺铒(Er)硅基激光器虽然具有温度不敏感、发光寿命长、噪声低、与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容的优点，但是由于固体溶解度的限制，掺铒介质内的铒浓度最高仅能达到～1020cm-3，增益最高也只能到2～5dB/cm，从而激光器输出性能的进一步提高受到限制。为了进一步提高材料的增益特性，则需要提高掺铒介质内的铒浓度。
另一方面，目前的硅基掺铒激光器对于泵浦效率以及泵浦功率的要求高，造成DFB谐振腔线宽受到谐振器的长度和损耗因子的严格限制，腔反馈仍然处于较低水平尚不能实现高质量的窄线宽激光输出，不足以满足硅基光电子芯片的片上的要求。
针对上述不足，如图1所示，本发明实施例提供一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器，包括但不限于：激光有源区和混合谐振腔，其中，混合谐振腔耦合加载在激光有源区的上表面；激光有源区由下至上依次设置有硅衬底层和增益介质层；增益介质层为氮化硅层与铒硅酸盐层交替结构，增益介质层的上下表面均为氮化硅层；混合谐振腔为条形波导结构，用于控制光场在激光有源区中沿波导方向传输。
首先，在本发明实施例中制作铒硅酸盐层的材料可以选择为铒-镱共掺硅酸盐化合物，可以使得铒硅酸盐层中实际起增益作用的铒的浓度不受固体溶解度限制，能将铒浓度提高一到两个数量级，最高可达～1022cm-3，且镱离子的掺入能将材料对泵浦光的吸收截面提高一个数量级，上述特点大幅提高了放大器单位距离的光增益，可达～102dB/cm，从而可以进一步提高激光器输出功率、转换效率等性能，同时缩小器件尺寸，满足高密度集成的需求。
再者，由于氮化硅本身的低损耗特性(氮化硅具有比Er硅酸盐更高的折射率)，将铒硅酸盐与氮化硅组成交替混合的薄膜结构，能有效减少波导传输时的传输损耗，提高材料的净增益。此外，氮化硅层还可以作为热膨胀缓冲层，因其热膨胀系数介于衬底和铒硅酸盐之间，因此铒硅酸盐-氮化硅交替混合膜还可以有效抑制高温退火后薄膜产生的应力并降低表面损耗。
在本发明实施例中可以通过对铒硅酸盐膜和氮化硅亚层的厚度以及层数分别进行优化，使得增益层中的泵浦和信号模式具有更高的限制因子，以提供足够的增益以及较低的波导损耗。
最后，在本发明实施例中通过在激光有源区的上表面加载条形波导结构，使得本发明实施例提供的铒硅酸盐波导激光器实现了片上泵浦。利用混合谐振腔作为DFB主谐振腔，，提高了增益层的限制因子，并提高泵浦光和信号光的重叠强度，以形成稳定的窄线宽激光输出，而无需蚀刻增益材料，有效的降低了设备制备的难度。
具体地，泵浦激光器产生泵浦光经图1所示的增益介质层的左侧入射后，在混合谐振腔的波导效应下，控制在所述激光有源区中沿波导方向传输，即沿着与混合谐振腔相对应的方向传输，并完成转换，获取到预设线宽的激光输出。
本发明实施例提供的片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器，首先通过设置氮化硅层与铒硅酸盐层构成的增益介质层，提高了增益层中铒浓度，有效减少波导传输时的传输损耗，大幅提高了放大器单位距离的光增益；其次，通过设置混合谐振腔，可保证泵浦光与信号光在腔中同时进行谐振增强，以提高泵浦的吸收效率和信号光的谐振强度，有效的降了低激光器的线宽和阈值，以形成稳定的窄线宽激光输出。
片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中混合谐振腔由泵浦谐振外腔和信号谐振外腔构成。
具体地，泵浦谐振外腔的中心波长等于泵浦光的波长，主要用于提高进入的泵浦光(980nm)的谐振强度，提高泵浦光的吸收效率。信号谐振外腔用作于信号光产生的主谐振腔，提高信号光的谐振强度，提高激光输出效率。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述泵浦谐振外腔主要包括第一DBR谐振器和第二DBR谐振器；信号谐振外腔主要包括第一DFB谐振器和第二DFB谐振器，其中：
第一DBR谐振器、第一DFB谐振器、第二DBR谐振器与第二DFB谐振器均为光栅结构，并按光路的方向依次从前至后耦合连接；第一DBR谐振器用于接收泵浦光，并形成泵浦前反射区；第一DFB谐振器为主谐振腔，用于对信号光进行谐振增强；第二DBR谐振器形成泵浦后反射区。用于对所述泵浦光的后反射作用，以及隔离所述泵浦光进入所述第二DFB谐振器区域；第二DFB谐振器为次谐振腔。
需要说明的是，在本发明所有实施例中，均以通过波长为980nm的泵浦光获取波长为1535nm的信号光为例进行说明，其不视为对本发明实施例保护范围的限定。
在本发明实施例中混合谐振腔的材质为硅基材料制成，如SiO2，即上述混合谐振腔为硅基条形加载型波导结构，具体可以分作四个区域，每个区域由不同的光栅组成：
由第一DBR谐振器构成的区域1(泵浦前反射区)，其中第一DBR谐振器的中心波长为980nm，位于图1所示的混合谐振腔的左端，用于起到接收泵浦光，以及在泵浦过程中起到外反射作用。
由第一DFB谐振器构成的区域2，其作为产生激光输出的信号光的主谐振腔，为激光输出提供主要的光反馈，该第一DFB谐振器的中心波长为1535nm。铒硅酸盐波导激光器的单纵模模式输出控制通常适用于具有较大κL(k为光栅耦合系数、L为谐振腔的长度)值的腔，但由于较短的谐振腔长具有微弱的光反馈和较低的增益，导致激光器输出功率较低；而较长的谐振腔长则会限制泵浦光的有效传输距离，在本发明实施例提供的铒硅酸盐波导激光器中，综合两方面考虑，通过遵循基本的DFB参数设计合理的光栅参数(如周期、占空比和齿深等)。
由第二DBR谐振器构成的区域3(泵浦后反射区)，该第二DBR谐振器的中心波长也是980nm，其与第一DBR谐振器共同构成一个980nm泵浦谐振外腔，以在主腔中形成980nm泵浦共振，大大提高了泵浦光的吸收效率。
由第二DFB谐振器构成的区域4，作为构成次谐振腔的第二DFB谐振器的中心波长为信号光的波长(1535nm)，在混合谐振腔末端起着1535nm的DFB反射镜的作用，为信号光的获取提供额外的光学反馈。当泵浦光完全被区域3隔离时，该第二DFB谐振器可以提供单纯的信号光反射。采用增加第二DFB谐振器的设计，进一步的增强了对信号光的反馈，能够在主谐振腔外产生外部的信号光共振，且不产生相位变化，从而进一步提高激光器的输出功率和转换效率，降低泵浦阈值。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中第一DFB谐振器与第二DFB谐振器的尺寸相同。
将第二DFB谐振器的光栅尺寸设计与第一DFB谐振器相同，可防止1535nm信号光产生相位差。同时，可以通过设计该第二DFB谐振器的腔长，并优化端面反射率，能够进一步的提高光信号的光学反馈效率。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在第一DFB谐振器中设置有1/4相移区域。
在本发明实施例中，可以在第一DFB谐振器(即区域2)中引入1/4相移区域，以抑制信号光传输过程中的相移，保证激光的单模稳定输出。
进一步地，在本发明实施例中可以在硅衬底层和所述增益介质层中间设置有第一SiO2隔离层，也可以在混合谐振腔与激光有源区之间设置有第二SiO2隔离层。
其中，通过在混合谐振腔与激光有源区之间设置第二SiO2隔离层，以降低高折射率材料中光场的导光效应，可以确保光信号的单模传输；并可以根据需求调节加载区域(该第二SiO2隔离层)对增益层光场的限制作用，能更有效地控制谐振器的谐振条件。
其中，通过在硅衬底层和所述增益介质层中间设置有第一SiO2隔离层，可以有效的减少流向基底的泄漏光，提高制备的效率。
在图2以及图3中分别示出了本发明实施例提供的关于铒硅酸盐波导激光器的结构截面示意图以及混合谐振腔的截面示意图，由两个图中内容，可以获知在整个激光器的结构分布上涉及到的光栅参数。其中Wstip-loader为混合谐振腔的宽度，tstrip-loaded为混合谐振腔的总高度，tspacer为第一SiO2隔离层的厚度，tnitride为氮化硅层的厚度，tEr为铒硅酸盐层的厚度，toxide substrate为第二隔离层的厚度，其中每层氮化硅层的厚度相同，每层铒硅酸盐层的厚度也相同。在图3中，第一DBR谐振器与第二DBR谐振器的光栅周期相同为ΛDBR，LDBR1第一DBR谐振器的长度，LDBR2表示第二DBR谐振器的长度，LAS表示第一DFB谐振器的长度，LRS表示第二DFB谐振器的长度，WDBR1第一DBR谐振器的齿内高，LDBR2表示第二DBR谐振器的齿内高，LAS表示第一DFB谐振器的齿内高，LRS表示第二DFB谐振器的齿内高，而整个混合谐振腔的高度为Wwg，可以通过Wwg减去每个不同区域的齿内高获取每个谐振器的齿高。
如图4所示，在本发明实施例中提供一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的制备方法，包括但不限于以下步骤：
步骤S1、基于低压化学气相沉积法，在硅衬底层上生长第一预设厚度的氮化硅层；步骤S2、在氮化硅层上生长第二预设厚度的铒硅酸盐增益层；步骤S3、在铒硅酸盐增益层上再次生长所述氮化硅层；步骤S4、重复步骤S2-S3直至获取到预设层数的铒硅酸盐-氮化硅交替结构，其中铒硅酸盐-氮化硅交替结构的上下表面均为氮化硅层；步骤S5、在铒硅酸盐-氮化硅交替结构的上表面沉积预设厚度的SiO2层；步骤S6、基于光刻技术，在SiO2层加载混合谐振腔的模板；步骤S7、基于离子刻蚀技术，在混合谐振腔的模板上刻蚀出混合谐振腔。
进一步地，可以在执行上述步骤S1之前，基于热氧化工艺在硅衬底层上设置第一SiO2隔离层。
进一步地，在所述混合谐振腔的模板上刻蚀出所述混合谐振腔，包括：设计所述混合谐振腔的结构及尺寸，并按所述结构及尺寸刻蚀出所述混合谐振腔；
其中，设计所述混合谐振腔的结构包括：通过将第一DBR谐振器、第一DFB谐振器、第二DBR谐振器与第二DFB谐振器依次按光路的方向从前至后耦合连接，构成混合谐振腔，混合谐振腔均为光栅结构；第一DBR谐振器和第二DBR谐振器组成泵浦谐振外腔；第一DFB谐振器和第二DFB谐振器构成信号谐振外腔。
其中，设计所述混合谐振腔的尺寸包括：基于布拉格条件公式，获取第一DBR谐振器和第一DFB谐振器的光栅周期；基于信号光反射率计算公式，获取第一DBR谐振器以及第一DFB谐振器的光栅占空比和光栅齿深；基于泵浦谐振外腔与铒硅酸盐-氮化硅交替结构的Q值匹配关系，确定第二DBR谐振器的光栅参数；确定第一DFB谐振器的光栅参数为所述第二DFB谐振器的光栅参数。
其中，布拉格条件公式为：
信号光反射率计算公式为：R＝tanh(kL)；
其中，Λ为光栅周期，λ为谐振器的中心波长，neff为与所述混合谐振腔的波导截面相对应的有效折射率，R为反射率，D为光栅占空比，L为谐振腔的长度，k为光栅耦合系数，h为齿深。
在本发明实施例提供一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的制备方法中，首先需要根据片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的使用情况完成对上述参数的设计工作。
一方面，为了提高激光器的吸收效率和信号光反馈，需要设计一个品质因数(Q值)较高的激光器谐振腔，不仅可以大大降低激光器的线宽和阈值，而且可以提高激光器的输出功率和效率。
另一方面，在高增益的铒硅酸盐薄膜与低损耗的氮化硅薄膜交替混合中，如何设计二者间的耦合关系，在保证高增益的同时有效降低波导的传输损耗，是实现激光器非常关键的一环。特别是铒离子拥有丰富的能级结构，涉及到许多能级跃迁过程，需要获取高增益铒硅酸盐材料对应能级中的受激辐射放大过程、充分结合氮化硅材料后的损耗机理，建立相关理论模型，对材料增益特性有一个精确预测，最后才能开始完成对铒硅酸盐-氮化硅混合薄膜进行高效制备的过程。
再一方面，由于对于混合谐振腔的设计是能否实现波导激光器高性能、窄线宽激光输出的决定性因素。因此在本发明实施例中，通过对混合谐振腔各个构成部分进行参数优化，获取谐振腔内各个部分的光场相互作用机理，从而完成对整个激光器的设计。
在本发明实施例提供的制备方法中，首先通过优化设计各关键参数，如铒硅酸盐薄膜厚度和氮化硅层厚度、混个谐振腔的尺寸或SiO2隔离层的厚度，以改善增益层中的限制因子和泵浦光和信号光的重叠强度。其中，由于铒硅酸盐波导激光器的单纵模模式输出控制通常适用于具有较大κL值的腔，因此，第一DFB谐振腔的长度应设置在一个合理的范围内。较短的腔长具有微弱的光反馈和较低的增益，导致激光器输出功率较低。但过长的腔长也会限制泵浦的有效传输距离。
进一步地，完成第二DFB谐振腔的设计是与第二DBR谐振器的长度结合设计的，以确保泵浦完全被区域3隔离，而不进入区域4。这一设计将使区域4中的1535nm DFB光栅提供纯粹的信号光反馈，而不需要不必要的增益。
其中，为了保证980nm泵浦光在外腔中的谐振损耗小于主腔中的谐振损耗，需要对该第一DBR谐振腔的Q值进行控制。具体为：先确定出第二DBR谐振器的光栅参数，然后对第一DBR谐振器的光栅参数进行设计，须满足DBR外腔Q值与DFB内腔Q值的临界耦合匹配关系。基于不同腔长的外部Q和内部Q值的匹配示意图如图5所示，其中，横坐标为谐振腔的齿深(Tooth Depth)，左纵坐标为谐振腔的品质因数Q(Quality Factor Q)，右纵坐标表示反射率(Reflectivity)，l1-l5分别指图中所标明的不同腔长数值线。然后，获取图5中的各匹配点，其中匹配点是图中不同腔长数值线和黑色曲线的交点。
其中，第二DFB谐振器的光栅尺寸与第一DFB谐振腔相同，可以有效的防止光信号光产生相位差。可以通过设计该DFB谐振器的腔长，并优化端面反射率，以确保足够的光学反馈。其具体设计示意图如图6所示，对于不同的输入泵浦功率，应选择不同的优化腔长作为第二DFB谐振腔的合理参数值。图中Pp为泵浦光的泵浦功率，横坐标为谐振腔的反射率(Reflectivity of signal resonant cavity)，纵坐标为输出的光信号功率(OutputPower)。
进一步地，在本发明实施例提供的片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的信号谐振外腔中，激光传输可分为有源区传输和反射区传输两部分，可以通过耦合模理论对其特性进行数学描述。信号光功率在第一DFB谐振和第二DFB谐振(包括区域2以及区域4)分为前向和反向的传播模式。在均匀布拉格光栅的情况下，具有增益效应的两个方向的传播模式之间的信号耦合由以下耦合模式方程组描述(将混合谐振腔左端设置为z＝0)：
其中A(z)和B(z)分别是向前和向后传播模式的振幅，j是虚构单位，θ是DFB光栅传输过程中的相移，在1/4相移区域前后分别可设为0和π，Δβ是对布拉格条件偏差的表征，LDBR1第一DBR谐振器的长度，LDBR2表示第二DBR谐振器的长度，LAS表示第一DFB谐振器的长度，LRS表示第二DFB谐振器的长度，表示gs(z)是铒硅酸盐对信号光的每单位长度净增益系数，可表示为：
gs(z)＝Γs[σ21N2(z)-σ12N1(z)]-α(vs)，
其中N1和N2分别代表铒离子在基态能级(4I15/2)与激发态能级(4I13/2)的平均粒子数；利用如图7所示的铒-镱硅酸盐体系的多能级模型，通过求解稳态速率方程，可以计算出铒离子在各能级上的平均粒子数；σ12与σ21分别为铒离子对信号光的吸收和发射截面；α(vs)是信号光在波导中单位长度的传播损耗，取决于铒硅酸盐层与氮化硅亚层的厚度比。
进一步地，在本发明实施例提供的片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的泵浦谐振外腔中，激光传输同样可分为前向和反向的传播模式，第一DBR谐振腔以及第二DBR谐振腔的光栅可等效为的端面反射镜。其泵浦双向传输方程如下所示：
其中
和
分别代表镱离子在基态能级(4F7/2)与激发态能级(4F5/2)的平均粒子数，同样可利用如图7所示的铒-镱硅酸盐体系的多能级模型计算求得。σ13为铒离子对泵浦光的吸收截面。
与
分别为镱离子对泵浦光的吸收和发射截面。α(vp)是泵浦光在波导中单位长度的传播损耗，也取决于铒硅酸盐层与氮化硅亚层的厚度比。最终激光输出功率与信号光的振幅平方之和成正比，可以描述为：
结合速率方程与传输方程，可以预测器件的激光特性，其激光输出特性与激光线宽特性的仿真结果分别如图8和图9所示。
基于上述实施例的内容，获取混合谐振腔的各光栅参数，制作混合谐振腔的模板。
进一步地，图10所示，在本发明实施例中提供一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的制备方法，包括以下步骤：
首先制备一个上表面平整光滑的硅衬底(Si substrate)；基于热氧化工艺，在硅衬底层的上表面上，均匀的生长第一SiO2隔离层；基于低压化学气相沉积法(LPCVD)，在第一SiO2隔离层上均匀生长预设厚度的铒硅酸盐增益层(Er silicate)；在获取的铒硅酸盐增益层的上方沉积氮化硅层(Si3N4)，并按上述方法交替重复上述步骤，直至获取到由铒硅酸盐增益层和氮化硅层构成的铒硅酸盐-氮化硅交替结构；在铒硅酸盐-氮化硅交替结构上表面沉积预设厚度的SiO2层(SiO2 spacer)(该SiO2层的厚度要大于预设置的混合谐振腔的总高度)；基于光刻技术，在该SiO2层加载混合谐振腔的模板，并基于该混合谐振腔的模板(strip-loaded waveguide)在所述混合谐振腔的模板上刻蚀出混合谐振腔。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器，其特征在于，包括：激光有源区和混合谐振腔，所述混合谐振腔耦合加载在所述激光有源区的上表面；
所述激光有源区由下至上依次设置有硅衬底层和增益介质层；
所述增益介质层为氮化硅层与铒硅酸盐层交替结构，所述增益介质层的上下表面均为所述氮化硅层；
所述混合谐振腔为条形波导结构，用于控制光场在所述激光有源区中沿波导方向传输；
所述混合谐振腔由泵浦谐振外腔和信号谐振外腔构成；
所述泵浦谐振外腔包括第一DBR谐振器和第二DBR谐振器，所述信号谐振外腔包括第一DFB谐振器和第二DFB谐振器，其中：
所述第一DBR谐振器、第一DFB谐振器、第二DBR谐振器与第二DFB谐振器均为光栅结构，并按光路的方向依次从前至后耦合连接；
所述第一DBR谐振器用于接收泵浦光，并形成泵浦前反射区；
所述第一DFB谐振器为主谐振腔，用于对信号光进行谐振增强；
所述第二DBR谐振器形成泵浦后反射区，用于对所述泵浦光的后反射作用，以及隔离所述泵浦光进入所述第二DFB谐振器区域；
所述第二DFB谐振器为次谐振腔。
2.根据权利要求1所述的片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器，其特征在于，所述第一DFB谐振器与所述第二DFB谐振器的尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器，其特征在于，在所述第一DFB谐振器中设置有1/4相移区域。
4.根据权利要求1所述的片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器，其特征在于，在所述硅衬底层和所述增益介质层中间设置有第一SiO2隔离层，并在所述混合谐振腔与所述激光有源区之间设置有第二SiO2隔离层。
5.一种片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、基于低压化学气相沉积法，在硅衬底层上生长第一预设厚度的氮化硅层；
步骤S2、在所述氮化硅层上生长第二预设厚度的铒硅酸盐增益层；
步骤S3、在所述铒硅酸盐增益层上再次生长氮化硅层；
步骤S4、重复步骤S2-S3直至获取到预设层数的铒硅酸盐-氮化硅交替结构，其中所述铒硅酸盐-氮化硅交替结构的上下表面均为氮化硅层；
步骤S5、在所述铒硅酸盐-氮化硅交替结构的上表面沉积预设厚度的SiO2层；
步骤S6、基于光刻技术，在所述SiO2层加载混合谐振腔的模板；
步骤S7、基于离子刻蚀技术，在所述混合谐振腔的模板上刻蚀出所述混合谐振腔；
所述在所述混合谐振腔的模板上刻蚀出所述混合谐振腔，包括：设计所述混合谐振腔的结构和设计所述混合谐振腔的尺寸，并按所述结构及尺寸刻蚀出所述混合谐振腔；
其中，所述设计所述混合谐振腔的结构包括：
通过将第一DBR谐振器、第一DFB谐振器、第二DBR谐振器与第二DFB谐振器依次按光路的方向从前至后耦合连接，构成所述混合谐振腔，所述混合谐振腔均为光栅结构；所述第一DBR谐振器和所述第二DBR谐振器组成泵浦谐振外腔；所述第一DFB谐振器和所述第二DFB谐振器构成信号谐振外腔；
所述设计所述混合谐振腔的尺寸包括：
基于布拉格条件公式，获取所述第一DBR谐振器和所述第一DFB谐振器的光栅周期；
基于信号光反射率计算公式，获取所述第一DBR谐振器以及所述第一DFB谐振器的光栅占空比和光栅齿深；
基于所述泵浦谐振外腔与所述铒硅酸盐-氮化硅交替结构的Q值匹配关系，确定所述第二DBR谐振器的光栅参数；
确定所述第一DFB谐振器的光栅参数为所述第二DFB谐振器的光栅参数。
6.根据权利要求5所述的片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括：
基于热氧化工艺，在所述硅衬底层上设置第一SiO2隔离层。
7.根据权利要求6所述的片上泵浦-信号光共振的铒硅酸盐激光器的制备方法，其特征在于，
所述布拉格条件公式为：
；
所述信号光反射率计算公式为：
;
其中，Λ为光栅周期，λ为谐振器的中心波长，n eff 为与所述混合谐振腔的波导截面相对应的有效折射率，R为反射率，L为谐振腔的长度，k为光栅耦合系数，h为齿深。
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