CN113839306B - 基于TiS3的垂直腔面激光器及其制作方法 - Google Patents

基于TiS3的垂直腔面激光器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于TiS3的垂直腔面激光器，包括上DBR、下DBR以及设置于上DBR和下DBR之间的有源层，所述有源层采用TiS3，所述上DBR和下DBR之间的微腔的厚度为1.74μm~2.44μm，激光器的发光波长λ=1260~1360nm。本发明利用TiS3与特定DBR微腔耦合，可实现O波段的垂直腔面激光器。

Description

基于TiS3的垂直腔面激光器及其制作方法
技术领域
本发明是关于一种光电器件，特别是关于一种基于TiS3的垂直腔面激光器及其制作方法。
背景技术
近年来，国家大力发展5G通信，而一张高质量的承载网络是5G广泛应用的有力支撑，多分复用（WDM）技术是5G前传的关键性技术。随着5G建设规模的不断提高，对前传系统的可靠性、可维护性、可扩展性都提出了更严苛的要求，基于此，O波段的优势便逐渐体现出来，O波段包含着1260~1360 nm波长范围的光，由于其色散导致的信号失真小，损耗低而被应用于光通信，而且O波段能够完美匹配5G的前传需求。基于此，O波段激光器的发展也成为了各领域的关注热点。
2017年，南京工业大学先进材料研究院黄维院士课题组与新加坡南洋理工大学于霆教授的合作团队合作，采用二维半导体材料二硫化钨(WS2)作为增益介质并利用超薄的垂直谐振腔结构，在光泵下实现了室温低阈值连续的激光发射。技术上，二维半导体材料原子级平坦的特性以及易于制备和转移的优势使得二维半导体激活的垂直腔面发射激光器制备与当前成熟的半导体单片集成工艺非常兼容。但是基于WS2的VCSEL仅能实现可见波段的激光。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种TiS3的垂直腔面激光器及其制作方法，以解决现有技术中基于WS2的VCSEL仅能实现可见波段的激光的问题。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种基于TiS3的垂直腔面激光器，包括上DBR、下DBR以及设置于上DBR和下DBR之间的有源层，
所述有源层采用TiS3，
所述上DBR和下DBR之间的微腔的厚度为1.74 μm ~2.44 μm ，
激光器的发光波长λ=1260~1360nm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上DBR和有源层之间设置有上包覆层，所述上包覆层的厚度为3λ/2n1，n1为上包覆层的折射率；和/或所述下DBR和有源层之间设置有下包覆层，所述下包覆层的厚度为λ/2n2，n2为下包覆层的折射率。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上包覆层和下包覆层的折射率小于有源层的折射率。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上包覆层和下包覆层的材质为SiO2或MgF2。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上DBR和下DBR为SiO2/TiO2材料交替组成。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上DBR和下DBR的每个周期中，SiO2材料层的厚度为235nm，TiO2材料层的厚度为138nm，所述上DBR和下DBR的周期数分别为6和5，所述上DBR和下DBR之间的微腔的厚度为1.74 μm~2.38 μm。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上DBR和下DBR为SiO2/Si3N4材料交替组成。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述上DBR和下DBR的每个周期中，SiO2材料层的厚度为243nm，Si3N4材料层的厚度为178nm，所述上DBR和下DBR的周期数分别为9和8，所述上DBR和下DBR之间的微腔的厚度为1.80 μm ~2.44 μm。
为实现上述目的，本发明的实施例还提供了基于TiS3的垂直腔面激光器的制作方法，包括：
提供衬底；
在衬底上依次制作下DBR和下包覆层；
制作TiS3材料层，并将其转移至下包覆层上；
在TiS3材料层上，依次制作上包覆层和上DBR。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述TiS3材料层利用化学气相输运法生长得到。
与现有技术相比，本发明利用TiS3与特定DBR微腔耦合，可实现O波段的垂直腔面激光器。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的TiS3材料的PL谱；
图2是根据本发明一实施方式的激光器的结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的激光器的制作流程示意图；
图4是根据本发明实施例1的激光器的透射谱；
图5是根据本发明实施例1的激光器的光场分布；
图6是根据本发明实施例2的激光器的透射谱；
图7是根据本发明实施例2的激光器的光场分布；
图8是根据本发明实施例3的激光器的透射谱；
图9是根据本发明实施例3的激光器的光场分布；
图10是根据本发明实施例4的激光器的透射谱；
图11是根据本发明实施例4的激光器的光场分布。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
参图1所示，TiS3纳米带具有直接带隙，发光中心波长位于1360 nm处，是一种极优的二维材料，其发光峰覆盖了整个O波段。结合材料本身优异的硅基集成性，通过耦合分布式布拉格（DBR）结构的微腔，可以实现在其发光范围内的单模激光输出。
参图2所示，根据本发明优选实施方式的一种基于TiS3的垂直腔面激光器，包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、有源层30、上DBR 40。
本案中，有源层采用TiS3，TiS3的发光中心波长位于1360 nm处，控制上DBR 40和下DBR 20之间微腔在1.74 μm ~2.44 μm 的厚度范围内的调节，可以实现激光器的出光的光峰覆盖整个O波段。
在一些实施例中，所述上DBR 40和有源层30之间设置有上包覆层50，所述上包覆层50的厚度为3λ/2n1，n1为上包覆层的折射率。
在一些实施例中，所述下DBR 20和有源层30之间设置有下包覆层60，所述下包覆层60的厚度为λ/2n2，n2为下包覆层的折射率。
进一步地，所述上包覆层50和下包覆层60的折射率小于有源层的折射率，所述上包覆层和下包覆层的材质为SiO2或MgF2。
在一优选的实施例中，所述上包覆层50的材质为SiO2，所述上包覆层50的厚度为1458nm；所述下包覆层60的材质为SiO2，所述下包覆层60的厚度为486nm。
为了实现99.9%以上的反射率，本实施例还对上DBR 40和下DBR 20的具体结构进行设计。
在一些实施例中，所述上DBR 40和下DBR 20为SiO2/TiO2材料或SiO2/Si3N4材料交替组成。
在一些实施例中，下DBR 20和上DBR 40是为4~7对SiO2/TiO2材料或7~10对SiO2/Si3N4材料层叠而成。其中，所述下DBR 20和上DBR 40中，每一层材料的厚度为λ/4n，n为该层材料的折射率，λ为激光器谐振波长。
在一具体实施例中，所述上DBR 40和下DBR 20采用SiO2/TiO2材料，每个周期中，SiO2材料层的厚度为235nm，TiO2材料层的厚度为138nm，所述上DBR 40和下DBR 20的周期数分别为6和5，所述上DBR 40和下DBR 20之间的微腔的厚度为1.74 μm~2.38 μm。
在一具体实施例中，所述上DBR 40和下DBR 20采用SiO2/Si3N4材料，每个周期中，SiO2材料层的厚度为243nm，Si3N4材料层的厚度为178nm，所述上DBR 40和下DBR 20的周期数分别为9和8，所述上DBR 40和下DBR 20之间的微腔的厚度为1.80 μm ~2.44 μm。
需要说明的是，本实施例的DBR结构是针对有源层的材质进行设计的，若采用其他结构，比如Al0.9GaAs / n-Al0.2 GaAs等结构，P型材料的电阻大，造成发热严重，将进一步导致器件的使用寿命降低；此外，P型DBR/N型DBR的制备难度相较于SiO2/Si3N4也会大大增加，制备成本也会上升。
参图3所示，本实施例还提供一种基于TiS3的垂直腔面激光器的制作方法，包括如下步骤：
步骤s1，提供衬底10。
步骤s2，在衬底10上依次制作下DBR 20和下包覆层60。
步骤s3，制作TiS3材料层30，并将其转移至下包覆层60上；
步骤s4，在TiS3材料层30上，依次制作上包覆层50和上DBR 40。
步骤s3中，所述TiS3材料层利用化学气相输运（CVT）法生长得到。
以下基于上述技术方案列举本说明书的一些具体实施例。
实施例1
激光器包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、下包覆层60、有源层30、上包覆层50和上DBR 40。
衬底10衬底为本征Si，折射率为3.426。下DBR 20采用8周期的SiO2/ Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层的折射率为1.399，厚度为243nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为178nm。上DBR 40采用9周期的SiO2/ Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层厚度为243nm，Si3N4层的厚度为178nm。下包覆层60采用2层光学厚度的SiO2，厚度为486nm；上包覆层50采用6层光学厚度 SiO2，厚度为1458nm。有源层为TiS3。激光器的制作方法包括：
步骤1，提供衬底10。
步骤2，在衬底10上利用等离子体增强化学气相输运（PECVD）生长下DBR 20，PECVD腔室温度为200℃，生长DBR的SiO2时利用4 sccm的SiH4、710 sccm的N2O、180 sccm的N2；生长DBR的Si3N4时利用13.5 sccm的SiH4、10 sccm的NH3、1000 sccm的N2，生长速率分别为1.3nm/s和1.5 nm/s。
步骤3，在下DBR 20表面生长下包覆层60。
步骤4， TiS3材料层的制备方法包括：以Ti粉和S粉为原料，两者质量分别为165mg和337 mg，将其封进石英管中，将石英管放入管式炉中，控制生长端温度为620℃，原料端温度为480℃，进行生长，生长得到TiS3块材。
步骤5，利用机械剥离及干法转移将TiS3材料层转移至下包覆层60上。
步骤6，在TiS3材料层上继续上包覆层50和上DBR 40的生长。
完成激光器件的制备后，根据傅里叶红外光谱分析微腔性能并进行性能的测试。
激光器的透射谱和光场分布如图4和图5所示，初始设置的中心波长1360 nm处存在一个腔模信号，下DBR 20和上DBR 40之间微腔腔模半高宽低至0.925nm，Q值高达1470。
实施例2
激光器包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、下包覆层60、有源层30、上包覆层50和上DBR 40。
衬底10衬底为本征Si，折射率为3.426。下DBR 20采用5周期的SiO2/TiO2料交替叠加，其中，SiO2层的折射率为1.447，厚度为235nm，TiO2层的折射率为2.462，厚度为138nm。上DBR 40采用6周期的SiO2/ TiO2材料交替叠加，其中，SiO2层厚度为235nm，TiO2层的厚度为138nm。下包覆层60采用2层光学厚度的SiO2，厚度为470nm；上包覆层50采用6层光学厚度SiO2，厚度为1410nm。有源层为TiS3。
激光器的制作方法包括：
步骤1，提供衬底10。
步骤2，在衬底10上利用光学镀膜机生长下DBR 20，腔室温度为150℃，工作真空为1E-3Pa，基于高纯SiO2和TiO2蒸发源，沉积速率分别为0.8 nm/s和0.4 nm/s。
步骤3，在下DBR 20表面生长下包覆层60。
步骤4， TiS3材料层的制备方法包括：
以Ti粉和S粉为原料，两者质量分别为165 mg和337 mg，将其封进石英管中，将石英管放入管式炉中，控制生长端温度为620℃，原料端温度为480℃，进行生长，生长得到TiS3块材。
步骤5，利用机械剥离及干法转移将TiS3材料层转移至下包覆层60上。
步骤6，在TiS3材料层上继续上包覆层50和上DBR 40的生长。
完成激光器件的制备后，根据傅里叶红外光谱分析微腔性能并进行性能的测试。
基于该结构激光器的透射谱及光场分布如图6和图7所示，初始设置的中心波长1360 nm处存在一个腔模信号，其半峰宽低至0.72 nm，Q值高达1889。
实施例3
激光器包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、下包覆层60、有源层30、上包覆层50和上DBR 40。
衬底10衬底为本征Si，折射率为3.426。下DBR 20采用8 周期的SiO2/ Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层的折射率为1.399，厚度为232nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为170nm。上DBR 40采用9 周期的SiO2/Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层厚度为232nm，Si3N4层的厚度为170nm。下包覆层60采用2层光学厚度的SiO2，厚度为465nm；上包覆层50采用6层光学厚度 SiO2，厚度为1394nm。有源层为TiS3。
激光器的制作方法包括：
步骤1，提供衬底10。
步骤2，在衬底10上利用等离子体增强化学气相输运（PECVD）生长下DBR 20，PECVD腔室温度为200℃，生长DBR的SiO2时利用4 sccm的SiH4、710 sccm的N2O、180 sccm的N2；生长DBR的Si3N4时利用13.5 sccm的SiH4、10 sccm的NH3、1000 sccm的N2，生长速率分别为1.3nm/s和1.5 nm/s。
步骤3，在下DBR 20表面生长下包覆层60。
步骤4，TiS3材料层的制作包括：
以Ti粉和S粉为原料，两者质量分别为165 mg和337 mg，将其封进石英管中，将石英管放入管式炉中，控制生长端温度为620℃，原料端温度为480℃，进行生长，生长得到TiS3块材。
步骤5，利用机械剥离及干法转移将TiS3材料层转移至下包覆层60上。
步骤6，在TiS3材料层上继续上包覆层50和上DBR 40的生长。
基于该结构激光器的透射谱及光场分布如图8和图9所示，初始设置的中心波长1300 nm处存在一个腔模信号，其半峰宽低至0.885m，Q值高达1469。
实施例4
激光器包括衬底10、以及依次形成于衬底10上的下DBR 20、下包覆层60、有源层30、上包覆层50和上DBR 40。
衬底10衬底为本征Si，折射率为3.426。下DBR 20采用8 周期的SiO2/ Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层的折射率为1.399，厚度为225nm，Si3N4层的折射率为1.911，厚度为165nm。上DBR 40采用9 周期的SiO2/Si3N4材料交替叠加，其中，SiO2层厚度为225nm，Si3N4层的厚度为165nm。下包覆层60采用2层光学厚度的SiO2，厚度为450nm；上包覆层50采用6层光学厚度 SiO2，厚度为1351nm。有源层为TiS3。
激光器的制作方法包括：
步骤1，提供衬底10。
步骤2，在衬底10上利用等离子体增强化学气相输运（PECVD）生长下DBR 20，PECVD腔室温度为200℃，生长DBR的SiO2时利用4 sccm的SiH4、710 sccm的N2O、180 sccm的N2；生长DBR的Si3N4时利用13.5 sccm的SiH4、10 sccm的NH3、1000 sccm的N2，生长速率分别为1.3nm/s和1.5 nm/s。
步骤3，在下DBR 20表面生长下包覆层60。
步骤4， TiS3材料层的制作包括：
以Ti粉和S粉为原料，两者质量分别为165 mg和337 mg，将其封进石英管中，将石英管放入管式炉中，控制生长端温度为620℃，原料端温度为480℃，进行生长，生长得到TiS3块材。
步骤5，利用机械剥离及干法转移将TiS3材料层转移至下包覆层60上。
步骤6，在TiS3材料层上继续上包覆层50和上DBR 40的生长。
完成激光器件的制备后，根据傅里叶红外光谱分析微腔性能并进行性能的测试。
基于该结构激光器的透射谱及光场分布如图10和图11所示，初始设置的中心波长1260 nm处存在一个腔模信号，其半峰宽低至0.857nm，Q值高达1470。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种基于TiS3的垂直腔面激光器，其特征在于，包括上DBR、下DBR以及设置于上DBR和下DBR之间的有源层，
所述有源层采用TiS3，
所述上DBR和下DBR之间的微腔的厚度为1.74 μm ~2.44 μm，
激光器的发光波长λ=1260~1360nm，
所述上DBR和下DBR为SiO2/TiO2材料交替组成，或所述上DBR和下DBR为SiO2/Si3N4材料交替组成。
2.如权利要求1所述的基于TiS3的垂直腔面激光器，其特征在于，所述上DBR和有源层之间设置有上包覆层，
所述上包覆层的厚度为3λ/2n1，n1为上包覆层的折射率；和/或
所述下DBR和有源层之间设置有下包覆层，
所述下包覆层的厚度为λ/2n2，n2为下包覆层的折射率。
3.如权利要求2所述的基于TiS3的垂直腔面激光器，其特征在于，所述上包覆层和下包覆层的折射率小于有源层的折射率。
4.如权利要求3所述的基于TiS3的垂直腔面激光器，其特征在于，所述上包覆层和下包覆层的材质为SiO2或MgF2。
5.如权利要求1所述的基于TiS3的垂直腔面激光器，其特征在于，所述上DBR和下DBR为SiO2/TiO2材料交替组成时，
所述上DBR和下DBR的每个周期中，SiO2材料层的厚度为235nm，TiO2材料层的厚度为138nm，
所述上DBR和下DBR的周期数分别为6和5，
所述上DBR和下DBR之间的微腔的厚度为1.74 μm~2.38 μm 。
6.如权利要求1所述的基于TiS3的垂直腔面激光器，其特征在于，所述上DBR和下DBR为SiO2/Si3N4材料交替组成时，
所述上DBR和下DBR的每个周期中，SiO2材料层的厚度为243nm，Si3N4材料层的厚度为178nm，
所述上DBR和下DBR的周期数分别为9和8，
所述上DBR和下DBR之间的微腔的厚度为1.80 μm ~2.44 μm 。
7.一种如权利要求1至6任一所述的基于TiS3的垂直腔面激光器的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在衬底上依次制作下DBR和下包覆层；
制作TiS3材料层，并将其转移至下包覆层上；
在TiS3材料层上，依次制作上包覆层和上DBR。
8.根据权利要求7所述的TiS3的垂直腔面激光器的制作方法，其特征在于，所述TiS3材料层利用化学气相输运法生长得到。
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