CN110854673A - 基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器 - Google Patents

基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器。包括半导体纳米线和片上集成波导，弯曲波导的两端依次连接耦合波导、输出光栅、输出光纤，两个耦合波导和半导体纳米线紧贴布置，形成马赫‑曾德尔干涉结构形式的单纵模激光器；自由空间光入射到复合结构单纵模激光器上将半导体纳米线泵浦至激光阈值以上，经过半导体纳米线和弯曲波导组成的两干涉臂向两侧输出光信号，最后经输出光栅垂直输出到输出光纤。本发明具有低功耗、小型化、方向输出比率可调节、性能稳定、制备简便、结构简单、易于集成等特点，能实现两端输出比率10％至90％的光强调节。

Description

基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器
技术领域
本发明涉及微光学元件、光通讯和光子集成电路等技术领域，尤其涉及一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器。
背景技术
近十年来，片上微纳光子学器件在通信、传感、量子计算等领域获得了广泛的应用，片上微纳光子学采用互补金属氧化物半导体技术进行加工了大量光学器件和光学芯片。然而，片上光源仍然是一个需要解决的难题之一。另一方面，自上而下生长的半导体纳米线被广泛应用于微纳尺度激光器件。纳米线激光器能够覆盖从紫外波段到近红外波段的宽光谱。现有的片上集成激光器的耦合效率和可重复性都比较低，且通常只能在多纵模模式下运行，而单纵模对于片上集成激光器的实际应用是至关重要的。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在针对现有技术的不足，提供一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明包括半导体纳米线和片上集成波导，片上集成波导包括两个光输出结构、两个耦合波导、氧化层、衬底层、一个弯曲波导；耦合波导、弯曲波导和半导体纳米线一起均置于氧化层，氧化层下面设有衬底层，弯曲波导两端均连接有耦合波导，每个耦合波导连接有一个光输出结构，每个光输出结构包括从耦合波导的端部开始依次连接输出光栅、输出光纤，两个耦合波导和半导体纳米线紧贴布置，形成马赫-曾德尔干涉结构形式的单纵模激光器；自由空间光入射到复合结构单纵模激光器上将半导体纳米线泵浦至激光阈值以上，经过半导体纳米线和弯曲波导组成的两干涉臂向两侧输出光信号，最后经输出光栅垂直输出到输出光纤。
所述的耦合波导主要由位于中间的直线段和布置在直线段两端的弧形段构成，直线段和半导体纳米线紧贴布置，耦合波导的弯曲方向和弯曲波导的弯曲方向相反。
通过调整不同直线段长度的耦合波导，实现输出光纤处输出光强的调节，并且设计片上集成波导两端耦合波导直线段的不同长度和长度比例，实现调节两输出光纤处输出光强的比例分配。
所述的输出光栅布置于氧化层上和耦合波导输出端连接，输出光纤端部垂直连接到输出光栅输出端。
所述的氧化层采用二氧化硅。
所述的衬底层采用硅。
所述的弯曲波导采用SiN波导，为条形波导弯曲成Ω形。
所述的半导体纳米线采用CdS纳米线。
所述的自由空间光为泵浦光源，为脉冲激光。
具体实施中，先制备片上集成波导，然后将单根半导体纳米线置于的氧化层上，对单根半导体纳米线进行微纳尺度上的移动操作与片上集成波导的两个耦合波导均相接触形成马赫-曾德尔干涉结构，制备获得复合结构单纵模激光器。
本发明具有的有益效果是：
本发明具有单纵模、低功耗、小型化、方向输出比率可调节、性能稳定、制备简便、结构简单、易于集成等特点。目前通过实验实施，本发明的方案已获得波长519nm，半高宽0.1nm的单模激光输出。
同时本发明通过不同长度的耦合波导，能实现方向输出比率10％至90％的调节。
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CdS纳米线与SiN相同长度弯曲耦合波导复合结构示意图；
图3是本发明的弯曲耦合波导结构示意图；
图4是本发明的相同长度弯曲耦合波导复合结构在泵浦光激发的显微镜图；
图5是本发明的激光光谱随着泵浦光强增大的变化图；
图6是本发明的CdS纳米线耦合前与耦合后的激光阈值曲线图；
图7是本发明的不同长度弯曲耦合波导复合结构示意图；
图8是本发明的不同长度弯曲耦合波导复合结构在泵浦光激发的显微镜图。
图中：输出光栅1、输出光纤2、耦合波导3、氧化层4、衬底层5、弯曲波导6、半导体纳米线7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括半导体纳米线7和片上集成波导，片上集成波导包括两个光输出结构、两个耦合波导3、氧化层4、衬底层5、一个弯曲波导6；耦合波导3、弯曲波导6和半导体纳米线7一起均置于氧化层4，氧化层4下面设有衬底层5，弯曲波导6两端均连接有耦合波导3，耦合波导3连接有光输出结构，每个光输出结构包括从耦合波导3的端部开始依次连接输出光栅1、输出光纤2，两个耦合波导3和半导体纳米线7紧贴布置，使得半导体纳米线3与片上集成波导的耦合波导3弯曲耦合处紧贴，形成马赫-曾德尔干涉结构形式的单纵模激光器；自由空间光入射到复合结构单纵模激光器上讲半导体纳米线7泵浦至激光阈值以上，经过半导体纳米线7和弯曲波导6组成的两干涉臂向两侧输出光信号，最后经输出光栅1垂直于氧化层4表面输出到输出光纤2。整个复合结构单纵模激光器以弯曲波导6和半导体纳米线7的中间线为轴两侧结构设置。
单纵模激光器在马赫-曾德尔干涉结构内形成干涉模式，对半导体纳米线自身的法布里-珀罗谐振腔模式进行选择。当半导体纳米线自身法布里-珀罗谐振腔中存在多个纵模时，马赫-曾德尔干涉器可以实现选模。在外界激光的泵浦下，处在马赫-曾德尔干涉器干涉相长处的模式才能在半导体纳米线内谐振放大，干涉相消处的模式被抑制，通过调节耦合区的几何尺寸，可实现单模输出。
耦合波导3主要由位于中间的直线段和布置在直线段两端的弧形段构成，直线段和半导体纳米线7紧贴布置，耦合波导3的弯曲方向和弯曲波导6的弯曲方向相反，即两个弧形段的弯曲方向和半导体纳米线7的弯曲方向相反。
通过调整不同直线段长度的耦合波导3，实现输出光纤2处输出光强的调节，并且设计片上集成波导两端耦合波导3直线段的不同长度和长度比例，实现调节两输出光纤2处输出光强的比例分配。具体实施中，仅调整直线段的长度，弧形段的长度保持不变。
输出光栅1布置于氧化层4上和耦合波导3输出端连接，输出光纤2端部垂直连接到输出光栅1输出端。
具体实施中，氧化层4采用二氧化硅，衬底层5采用硅；弯曲波导6采用SiN波导，为条形波导弯曲成Ω形，高度250nm，宽度300nm；半导体纳米线7采用CdS纳米线，直径在100-1000nm；自由空间光为泵浦光源，为脉冲激光。
具体实施中，本发明的复合结构单纵模激光器的制备包括如下步骤：
1、首先通过电子束曝光和干法刻蚀加工出高250nm宽300nm的片上集成波导。
2、通过化学气相沉积方法制备出直径100-1000nm的高品质的半导体纳米线。
3、在显微镜下利用两根光纤探针将生长在基片上直径为100-1000nm的半导体纳米线转移到集成波导上。
4、用光纤探针进行微纳尺度的移动操作，将半导体纳米线推向片上集成波导的弯曲波导，使半导体纳米线与耦合波导弯曲处紧贴，形成马赫-曾德尔干涉器。半导体纳米线耦合区域与耦合波导弯曲段形成马赫-曾德尔干涉器的两臂，实现对纳米线激光模式的选择。
5、半导体纳米线自身作为增益介质，在光泵浦下通过马赫-曾德尔干涉器实现单模的激光输出。通过调整不同直线段长度的耦合波导(3)，实现输出光纤(2)处输出光强的调节，并且设计片上集成波导两端耦合波导(3)直线段的不同长度和长度比例，实现调节两输出光纤(2)处输出光强的比例分配。
下面根据附图和实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
实施例1
首先，通过电子束曝光和干法刻蚀加工出高250nm，宽300nm的SiN片上集成波导。使用化学气相沉积沉积法生长出直径200nm的CdS纳米线，在光学显微镜下用光纤探针将一根长为65μm的纳米线转移到集成波导上。然后用光纤探针对纳米线进行微纳尺度的移动操作，将半导体纳米线向弯曲波导推移，使纳米线与耦合波导的弯曲处紧贴，形成马赫-曾德尔干涉结构形式的如图1所示的激光器。紧贴区域的长度为2μm。在波长355nm的脉冲光激发下，信号光由聚焦透镜会聚到纳米线上。
图2是本发明的CdS纳米线与SiN相同长度弯曲耦合波导复合结构示意图。
图3是本发明的弯曲耦合波导结构示意图。
图4是本发明的相同长度弯曲耦合波导复合结构在泵浦光激发的显微镜照片，从图中可见，波导两端均有激光输出且强度相同，CdS纳米线与SiN集成波导形成了一个马赫-曾德尔干涉器可以起到很好的选模作用，选模后获得了波长519nm的激光主峰。
图5是本发明的激光光谱随着泵浦光强增大的变化图，从图中可见，随着泵浦光强从4.92kW/cm2增加到5.16kW/cm2，激光主峰的强度逐渐增大，边模抑制比增大至20，选模后获得激光输出波长为519nm，脉宽为0.1nm，光谱质量得到了很好的提升。
图6是本发明的CdS纳米线耦合前与耦合后的激光阈值曲线图，从图中可见，耦合后的纳米线激光阈值从耦合前的4.7kW/cm2增大至4.9kW/cm2。
实施例2
首先通过电子束曝光和干法刻蚀加工出高250nm，宽300nm的SiN片上集成波导。使用化学气相沉积沉积法生长出直径150nm的CdS纳米线，在光学显微镜下用光纤探针将一根长为25μm的纳米线转移到集成波导上。然后用光纤探针对纳米线进行微纳尺度的移动操作，将半导体纳米线向弯曲波导推移，使纳米线与耦合波导的弯曲处紧贴，形成马赫-曾德尔干涉结构形式的如图1所示的激光器。紧贴区域的长度分别为2μm和3μm。在波长355nm的脉冲光激发下，信号光由聚焦透镜会聚到纳米线上。
附图7是本发明的不同长度弯曲耦合波导复合结构示意图。图8是本发明的不同长度弯曲耦合波导复合结构在泵浦光激发的显微镜照片，从图中可见，波导右端激光输强度较大，波导左端激光输强度较小，从而实现方向输出比率调节。
本发明上述实施例所制成的整个激光器器件整体尺寸小于500μm。

Claims (10)

1.一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器，其特征在于：包括半导体纳米线(7)和片上集成波导，片上集成波导包括两个光输出结构、两个耦合波导(3)、氧化层(4)、衬底层(5)、一个弯曲波导(6)；耦合波导(3)、弯曲波导(6)和半导体纳米线(7)一起均置于氧化层(4)，氧化层(4)下面设有衬底层(5)，弯曲波导(6)两端连接有耦合波导(3)，每个耦合波导(3)连接有一个光输出结构，每个光输出结构包括从耦合波导(3)的端部开始依次连接输出光栅(1)、输出光纤(2)，两个耦合波导(3)和半导体纳米线(7)紧贴布置，形成马赫-曾德尔干涉结构形式的单纵模激光器；自由空间光入射到复合结构单纵模激光器上将半导体纳米线(7)泵浦至激光阈值以上，经过半导体纳米线(7)和弯曲波导(6)组成的两干涉臂向两侧输出光信号，最后经输出光栅(1)垂直输出到输出光纤(2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器，其特征在于：所述的耦合波导(3)主要由位于中间的直线段和布置在直线段两端的弧形段构成，直线段和半导体纳米线(7)紧贴布置，耦合波导(3)的弯曲方向和弯曲波导(6)的弯曲方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器，其特征在于：通过调整不同直线段长度的耦合波导(3)，实现输出光纤(2)处输出光强的调节，并且设计片上集成波导两端耦合波导(3)直线段的不同长度和长度比例，实现调节两输出光纤(2)处输出光强的比例分配。
4.根据权利要求1所述的一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器，其特征在于：所述的输出光栅(1)布置于氧化层(4)上和耦合波导(3)输出端连接，输出光纤(2)端部垂直连接到输出光栅(1)输出端。
5.根据权利要求1所述的一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器，其特征在于：所述的氧化层(4)采用二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器，其特征在于：所述的衬底层(5)采用硅。
7.根据权利要求1所述的一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器，其特征在于：所述的弯曲波导(6)采用SiN波导或者Si、SiO2、SiC等集成波导，为条形波导弯曲成Ω形。
8.根据权利要求1所述的一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器，其特征在于：所述的半导体纳米线(7)采用CdS纳米线或者ZnO、CdSe、CdTe等半导体纳米线。
9.根据权利要求1所述的一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器，其特征在于：所述的自由空间光为泵浦光源，为脉冲激光或者连续激光。
10.根据权利要求1所述的一种基于片上集成波导与半导体纳米线的复合结构单纵模激光器，其特征在于：先制备片上集成波导，然后将单根半导体纳米线置于的氧化层(4)上，对单根半导体纳米线进行微纳尺度上的移动操作与片上集成波导的两个耦合波导(3)均相接触形成马赫-曾德尔干涉结构，制备获得复合结构单纵模激光器。
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