RU2362243C1 - Method of forming solid-state silicon nanostructure for optical-pumping laser and optical amplifier based thereon - Google Patents

Method of forming solid-state silicon nanostructure for optical-pumping laser and optical amplifier based thereon Download PDF

Info

Publication number
RU2362243C1
RU2362243C1 RU2007137505/28A RU2007137505A RU2362243C1 RU 2362243 C1 RU2362243 C1 RU 2362243C1 RU 2007137505/28 A RU2007137505/28 A RU 2007137505/28A RU 2007137505 A RU2007137505 A RU 2007137505A RU 2362243 C1 RU2362243 C1 RU 2362243C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
silicon
laser
layers
active medium
Prior art date
Application number
RU2007137505/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007137505A (en
Inventor
Павел Константинович Кашкаров (RU)
Павел Константинович Кашкаров
Виктор Юрьевич Тимошенко (RU)
Виктор Юрьевич Тимошенко
Денис Михайлович Жигунов (RU)
Денис Михайлович Жигунов
Сергей Владимирович Бацев (RU)
Сергей Владимирович Бацев
Original Assignee
Павел Константинович Кашкаров
Виктор Юрьевич Тимошенко
Денис Михайлович Жигунов
Сергей Владимирович Бацев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Павел Константинович Кашкаров, Виктор Юрьевич Тимошенко, Денис Михайлович Жигунов, Сергей Владимирович Бацев filed Critical Павел Константинович Кашкаров
Priority to RU2007137505/28A priority Critical patent/RU2362243C1/en
Publication of RU2007137505A publication Critical patent/RU2007137505A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2362243C1 publication Critical patent/RU2362243C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: nanotechnologies.
SUBSTANCE: invention relates to quantum electronics. Solid-state silicon nanostructures intended for lasers and optical amplifiers are formed by consecutive application of silicon oxides layers on silicon body. Resulted structure is subjected to annealing in nitrogen atmosphere. This allows the silicon monoxide layers transform into the silicon nanocrystal layers separated by those of silicon dioxide. Erbium ions are implanted into the formed structure silicon dioxide layer for the structure to be subjected again to annealing. Above described silicon nanostructure can be used for laser and optical amplifier optical pumping out.
EFFECT: laser and optical amplification in solid-state and silicon nanostructures.
5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к способам генерации когерентного электромагнитного излучения, технологии и конструированию квантово-оптических генераторов и оптических усилителей на основе полупроводниковых структур.The invention relates to the field of quantum electronics, in particular to methods for generating coherent electromagnetic radiation, technology and construction of quantum-optical generators and optical amplifiers based on semiconductor structures.

Из уровня техники хорошо известны технические решения формирования активной среды на основе полупроводников и гетероструктур для генерации и усиления когерентного излучения, лазеры и оптические усилители на их основе.Technical solutions for the formation of an active medium based on semiconductors and heterostructures for the generation and amplification of coherent radiation, lasers and optical amplifiers based on them are well known in the art.

Так, из уровня техники известным является «Активный элемент твердотельного лазера», который содержит ионы активатора и ионы сенсибилизатора. Накачка осуществляется через боковую поверхность активного элемента в полосы поглощения активатора и сенсибилизатора излучением в ближнем инфракрасном, видимом или ближнем ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Активный элемент имеет толщину L по направлению накачки z, 0≤z≤L, поперечное сечение S(z) и неоднородное по объему активной среды распределение концентраций ионов активатора и сенсибилизатора. Усредненные по поперечным сечениям S(z) концентрации активатора nа и сенсибилизатора nс являются функциями координаты z, что позволяет управлять профилем поглощенной в активной среде энергии. При накачке активной среды одновременно в полосы поглощения и активатора, и сенсибилизатора удается получать выровненный по толщине активного элемента профиль, что позволяет увеличить запасенную в активной среде энергию и уменьшить наведенные накачкой термооптические искажения среды, что улучшает пространственно-угловые характеристики формируемого в среде лазерного пучка. Для создания среды с переменной концентрацией активатора и сенсибилизатора используется лазерная керамика, состоящая из микрогранул кристалла, содержащих только ионы активатора, и микрогранул, содержащих ионы активатора вместе с ионами сенсибилизатора. См. описание к патенту №2226732, H01S 3/06, H01S 3/16, 2002.So, from the prior art is known "Active element of a solid-state laser", which contains activator ions and sensitizer ions. Pumping is carried out through the lateral surface of the active element into the absorption bands of the activator and sensitizer by radiation in the near infrared, visible or near ultraviolet wavelength ranges. The active element has a thickness L in the direction of pumping z, 0≤z≤L, a cross section S (z) and a distribution of ion concentrations of the activator and sensitizer inhomogeneous in the volume of the active medium. The concentrations of activator n a and sensitizer n c averaged over the cross sections S (z) are functions of the z coordinate, which makes it possible to control the profile of energy absorbed in the active medium. When the active medium is pumped simultaneously into the absorption bands of both the activator and the sensitizer, it is possible to obtain a profile aligned with the thickness of the active element, which makes it possible to increase the energy stored in the active medium and reduce the thermo-optical distortions of the medium, which improves the spatial and angular characteristics of the laser beam formed in the medium. To create a medium with a variable concentration of activator and sensitizer, laser ceramics is used, consisting of crystal microgranules containing only activator ions, and microgranules containing activator ions together with sensitizer ions. See the description of patent No. 2226732, H01S 3/06, H01S 3/16, 2002.

Так же из уровня техники известен «Твердотельный лазер с продольной накачкой», включающий последовательно соединенные оптический модуль накачки и резонатор лазера с выходным зеркалом и активным элементом, вклеенным теплопроводящим компаундом в калиброванный ложемент, раскрытый в описании к патенту РФ №2172544, H01S 3/02, 2000.Also known from the prior art is “Solid-state longitudinal pumped laser”, which includes a series-connected optical pump module and a laser cavity with an output mirror and an active element glued by a heat-conducting compound into a calibrated lodgement, disclosed in the description of the patent of the Russian Federation No. 2172544, H01S 3/02 , 2000.

Кроме того, известным является «Твердотельный лазер на красителе», раскрытый в описании к патенту РФ №2105401, H01S 3/16, 1996. Особенность лазера состоит в том, что в твердотельном активном элементе лазера, выполненного в виде плоскопараллельной пластины из полимера, поверхностный слой пластины по ходу распространения излучения накачки толщиной не менее диаметра пучка излучения накачки выполнен прозрачным.In addition, the “Solid-state dye laser” disclosed in the description of the RF patent No. 2105401, H01S 3/16, 1996 is known. The feature of the laser is that in the solid-state active element of the laser, made in the form of a plane-parallel polymer plate, the surface the layer of the plate along the propagation of pump radiation with a thickness of not less than the diameter of the pump radiation beam is made transparent.

Помимо этого, известным является «Оптический усилитель с поперечной накачкой», который содержит подложку устройства, волновод, встроенный в подложку устройства, множество лазеров. Множество лазеров распределено по общей подложке. Множество лазеров соединено с поверхностью подложки устройства и волновод находится под лазерами. Способ усиления оптического сигнала содержит направление оптического сигнала по волноводу, встроенному в подложку устройства, световые пучки от лазеров на подложке обеспечиваются поперечно первому направлению распространения, отражение множества световых пучков обратно в волновод после прохождения через волновод. См. описание к патенту РФ №2302067, H01S 5/50, 2002.In addition, the “Transverse-pumped Optical Amplifier” is known, which comprises a device substrate, a waveguide integrated in the device substrate, and a plurality of lasers. Many lasers are distributed over a common substrate. Many lasers are connected to the substrate surface of the device and the waveguide is located under the lasers. A method for amplifying an optical signal comprises a direction of the optical signal along a waveguide embedded in the device’s substrate, light beams from lasers on the substrate are provided transversely to the first propagation direction, and a plurality of light beams are reflected back into the waveguide after passing through the waveguide. See the description of the patent of the Russian Federation No. 2302067, H01S 5/50, 2002.

Так же из уровня техники известен инжекционный лазер на основе гетероструктур, раскрытый в описании к патенту РФ №2176841, H01S 5/00, H01S 5/32 «Способ изготовления инжекционного лазера». Способ включает выращивание первого ограничительного слоя, содержащего легированный подслой первого типа электропроводности и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения, активного слоя, второго ограничительного слоя, содержащего легированный подслой второго типа электропроводности, и состава, обеспечивающего наибольшее оптическое ограничение излучения. При этом ограничительные легированные подслои наибольшего оптического ограничения, ближайшие к активному слою, легируют так, чтобы обеспечить отношение концентрации дырок Р в подслое наибольшего оптического ограничения р-типа электропроводности со стороны р-типа к концентрации электронов N в подслое наибольшего оптического ограничения n-типа электропроводности со стороны n-типа (P/N более единицы). Между легированными ограничительными подслоями наибольшего оптического ограничения, в том числе в активном слое, обеспечивают уровень фоновой примеси. При этом границы объемного заряда p-i-n гетероперехода располагаются в ограничительных легированных подслоях наибольшего оптического ограничения. В результате такого выполнения получается лазер с увеличенной выходной мощностью излучения в одномодовом и одночастотном режимах. Обеспечивается стабилизация указанных режимов при повышении температурной стабильности, повышается надежность работы лазера.Also known from the prior art is an injection laser based on heterostructures disclosed in the description of the patent of the Russian Federation No. 2176841, H01S 5/00, H01S 5/32 "Method for manufacturing an injection laser." The method includes growing a first confining layer containing a doped sublayer of the first type of electrical conductivity and a composition providing the greatest optical radiation limitation, an active layer, a second confining layer containing a doped sublayer of the second type of electrical conductivity, and a composition providing the greatest optical radiation limitation. In this case, the restrictive doped sublayers of the greatest optical limitation, closest to the active layer, are doped so as to ensure the ratio of the hole concentration P in the sublayer of the highest optical limitation of the p-type electrical conductivity from the p-type side to the electron concentration N in the sublayer of the largest optical limitation of the n-type electrical conductivity from the n-type side (P / N more than one). Between the doped restrictive sublayers of the greatest optical restriction, including in the active layer, the level of background impurity is provided. In this case, the boundaries of the space charge p – i – n of the heterojunction are located in the bounding doped sublayers of the greatest optical limitation. As a result of this embodiment, a laser is obtained with an increased output radiation power in single-mode and single-frequency modes. The stabilization of these modes is provided with increasing temperature stability, the reliability of the laser is increased.

Известен способ получения лазерного эффекта и создания нанолазера, который раскрыт в описании к патенту РФ №2219278, H01L 31/00, H01S 5/00 «Способ генерации когерентного электромагнитного излучения и дипольный нанолазер на его основе». Данное изобретение позволяет существенно уменьшить геометрические размеры лазеров для генерации когерентного электромагнитного излучения и ширину его спектральной линии для указанных лазеров за счет того, что в его систему сверхтонких полупроводниковых слоев вводят металлические или полупроводниковые наночастицы и путем накачки возбуждают электрические дипольные колебания с участием электронов указанных наночастиц.A known method of producing a laser effect and creating a nanolaser, which is disclosed in the description of the patent of the Russian Federation No. 2219278, H01L 31/00, H01S 5/00 "Method for generating coherent electromagnetic radiation and dipole nanolaser based on it." This invention can significantly reduce the geometric dimensions of lasers for generating coherent electromagnetic radiation and the width of its spectral line for these lasers due to the fact that metallic or semiconductor nanoparticles are introduced into its system of ultrathin semiconductor layers and excite electric dipole vibrations involving electrons of these nanoparticles by pumping.

Кроме того из уровня техники известны технологии и способы получения лазерного эффекта в полупроводниковых материалах и гетероструктурах, раскрытые в описаниях зарубежных охранных документах, например, US 3843551, US 5661738, US 5781573, GB 111223.In addition, prior art technologies and methods for obtaining a laser effect in semiconductor materials and heterostructures are disclosed in the descriptions of foreign security documents, for example, US 3843551, US 5661738, US 5781573, GB 111223.

Недостатком приведенных аналогов является невозможность их интегрирования с другими оптоэлектронными устройствами на единой, например, широко используемой в микроэлектронной технике кремниевой подложке.The disadvantage of these analogues is the impossibility of their integration with other optoelectronic devices on a single, for example, silicon substrate widely used in microelectronic technology.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение генерации когерентного оптического излучения и усиления оптического когерентного излучения в полупроводниковых кремниевых наноструктурах.The problem to which the invention is directed, is to obtain the generation of coherent optical radiation and amplification of optical coherent radiation in semiconductor silicon nanostructures.

Указанная задача решается путем использования полупроводниковой кремниевой наноструктуры, в которой выполняются необходимые и достаточные условия для возникновения лазерного эффекта и оптического усиления - обеспечивается инверсия населенностей электронных уровней оптических центров активной среды, а также необходимый уровень усиления этой активной среды.This problem is solved by using a semiconductor silicon nanostructure in which the necessary and sufficient conditions for the appearance of the laser effect and optical amplification are satisfied - the population of the electronic levels of the optical centers of the active medium is inverted, as well as the necessary level of amplification of this active medium.

При реализации данного изобретения достигаются несколько технических результатов. Во-первых, для создания лазеров с оптической накачкой и оптических усилителей с оптической накачкой становится возможным применение широко используемого в микроэлектронной технике материала - кремния, а, во-вторых, упрощается интегрирование этих когерентно-оптических приборов с другими оптоэлектронными приборами на единой кремниевой подложке, при одновременном уменьшении их размеров и повышении быстродействия.When implementing this invention, several technical results are achieved. Firstly, to create lasers with optical pumping and optical amplifiers with optical pumping, it becomes possible to use a material widely used in microelectronic technology - silicon, and secondly, the integration of these coherent-optical devices with other optoelectronic devices on a single silicon substrate is simplified. while reducing their size and increasing speed.

В полупроводниковых лазерах используются главным образом бинарные соединения типа А3B5, А2B6, А4B6 и их смеси - твердые растворы.In semiconductor lasers, mainly binary compounds of the A 3 B 5 , A 2 B 6 , A 4 B 6 type and their mixtures, solid solutions, are used.

Все они - прямозонные полупроводники, в которых межзонная излучательная рекомбинация может происходить без участия фононов или других электронов, и поэтому имеет наибольшую вероятность среди рекомбинационных процессов. Кроме перечисленных веществ, имеется еще некоторое количество перспективных материалов, в том числе кремний.All of them are direct-gap semiconductors in which interband radiative recombination can occur without the participation of phonons or other electrons, and therefore has the greatest probability among recombination processes. In addition to these substances, there are a number of promising materials, including silicon.

Информация о различных кремниевых излучателях не раз появлялась в печати. Однако высокая эффективность их свечения достигается пока либо при низкой температуре, либо при комнатной температуре, но в режиме обратного смещения при экстремальных, практически предпробойных, режимах эксплуатации [1].Information about various silicon emitters has repeatedly appeared in print. However, the high efficiency of their luminescence is achieved either at low temperature or at room temperature, but in the reverse bias mode under extreme, almost prebreakdown, operating conditions [1].

Имеются также сообщения о реализации необходимого условия для генерации когерентного оптического излучения в стандартных для современной микроэлектроники структурах - эпитаксиальных слоях кремний-германия Si/SiGe: Er/Si (содержание Ge до 28%), выращенных на кремниевых подложках. В данных структурах, охлажденных до гелиевых температур, был надежно зарегистрирован переход в состояние инверсной населенности оптически активных центров - ионов эрбия Er3+ [2].There are also reports on the implementation of the necessary conditions for the generation of coherent optical radiation in structures standard for modern microelectronics - silicon / germanium epitaxial layers Si / SiGe: Er / Si (Ge content up to 28%) grown on silicon substrates. In these structures cooled to helium temperatures, a transition to the state of inverse population of optically active centers, erbium ions Er 3+ , was reliably detected [2].

Тем не менее, лазерный эффект в таких структурах отсутствует вследствие отсутствия или недостаточного уровня усиления.However, the laser effect in such structures is absent due to the absence or insufficient level of amplification.

Для преодоления указанных трудностей, в том числе для снижения потерь и создания условий генерации когерентного оптического излучения при комнатных температурах, наиболее перспективными являются структуры на основе легированной ионами редкоземельных элементов диэлектрической матрицы, содержащей слои кремниевых нанокристаллов (nc-Si) [2].To overcome these difficulties, including reducing losses and creating conditions for the generation of coherent optical radiation at room temperatures, the most promising structures are those based on an ion-doped rare-earth elements dielectric matrix containing layers of silicon nanocrystals (nc-Si) [2].

Среди редкоземельных ионов наибольший интерес представляет ион эрбия Еr3+, излучательный переход 4I13/2→4I15/2 во внутренней 4f оболочке которого приводит к испусканию света с длиной волны 1,54 мкм, соответствующей минимуму потерь в кварцевых волоконно-оптических линиях связи [2].Among rare-earth ions, erbium ion Er 3+ is of the greatest interest, the radiative transition 4 I 13/2 4 I 15/2 in the inner 4f shell of which leads to the emission of light with a wavelength of 1.54 μm, which corresponds to the minimum loss in quartz fiber-optic communication lines [2].

В зарубежных источниках также имеются сообщения о проводимых в рассматриваемом направлении работах.Foreign sources also have reports on work being carried out in this direction.

Так, в работе [3] приведены сведения об изготовлении эффективных источников излучения, основанных на кремнии. Эти приборы демонстрируют сильную электролюминесценцию вблизи 1,54 мкм при комнатной температуре (300К) с эффективностью квантового выхода 10%, сопоставимой с электролюминесценцией стандартных светодиодов на основе полупроводников III-V групп.So, in [3] provides information on the manufacture of effective radiation sources based on silicon. These devices demonstrate strong electroluminescence near 1.54 μm at room temperature (300K) with a quantum efficiency of 10%, comparable to the electroluminescence of standard LEDs based on III-V group semiconductors.

Далее приводится описание графических материалов, иллюстрирующих структуру, в которой достигается генерация когерентного оптического излучения и усиление когерентного оптического излучения, а инверсия населенности энергетических уровней в которых осуществляется путем оптической накачки, ни в коей мере не ограничивающие все возможные варианты ее реализации.The following is a description of graphic materials illustrating the structure in which coherent optical radiation is generated and coherent optical radiation is amplified, and the population level energy levels are inverted by optical pumping, which in no way limit all possible options for its implementation.

На фиг.1а, б, в представлены этапы формирования полупроводниковой кремниевой наноструктуры, а на фиг.2 и фиг.3 - схематичное изображение лазера с оптической накачкой и оптического усилителя на ее основе. Ниже приведены нумерация компонент полупроводниковой кремниевой наноструктуры, основных элементов лазера и оптического усилителя на ее основе, их наименование и обозначение:On figa, b, c presents the stages of formation of a semiconductor silicon nanostructure, and figure 2 and figure 3 is a schematic illustration of a laser with optical pumping and an optical amplifier based on it. The following are the numbers of the components of a semiconductor silicon nanostructure, the main elements of a laser and an optical amplifier based on it, their name and designation:

1 - кремниевая подложка (c-Si)1 - silicon substrate (c-Si)

2 - слои окиси кремния (SiO),2 - layers of silicon oxide (SiO),

3 - слои диоксида кремния(SiO2),3 - layers of silicon dioxide (SiO 2 ),

4 - нанокристаллы кремния (nc-Si),4 - silicon nanocrystals (nc-Si),

5 - имплантированные ионы эрбия (Еr3+),5 - implanted erbium ions (Er 3+ ),

6 - активный волноводный слой с нанокристаллами кремния в матрице диоксида кремния, легированной эрбием (АВС),6 - active waveguide layer with silicon nanocrystals in the matrix of silicon dioxide doped with erbium (ABC),

7 - оптическая накачка (ОН),7 - optical pumping (OH),

8 - лазерное излучение (ЛИ),8 - laser radiation (LI),

9 - входящее излучение (ВИ),9 - incoming radiation (VI),

10 - усиленное излучение (УИ).10 - amplified radiation (UI).

Далее приводится пример способа формирования полупроводниковой кремниевой наноструктуры, ни коим образом не ограничивающий все возможные варианты его реализации.The following is an example of a method for forming a semiconductor silicon nanostructure, in no way limiting all possible options for its implementation.

Этап 1. Полупроводниковые кремниевые наноструктуры формируют последовательным нанесением слоев SiO (2) и SiO2(3) на подложку c-Si (1), например, методом реактивного термического распыления.Stage 1. Semiconductor silicon nanostructures are formed by sequential deposition of layers of SiO (2) and SiO 2 (3) on a c-Si (1) substrate, for example, by reactive thermal sputtering.

Толщины слоев SiO (2) и SiO2 (3) составляют от 2 до 6 нм, за счет чего варьируется размер и плотность нанокристаллов, определяющую оптические характеристики полупроводниковой кремниевой структуры.The thicknesses of the SiO (2) and SiO 2 (3) layers are from 2 to 6 nm, due to which the size and density of nanocrystals, which determine the optical characteristics of the semiconductor silicon structure, are varied.

Структуры состоят из 30-40 пар слоев при общей толщине активного слоя 200-300 нм. Структура на этапе 1 представлена на фиг.1а.The structures consist of 30-40 pairs of layers with a total active layer thickness of 200-300 nm. The structure in step 1 is presented in figa.

Этап 2. Полученная структура проходит термический отжиг при температуре 1100°С в атмосфере азота в течение 1 часа.Stage 2. The resulting structure undergoes thermal annealing at a temperature of 1100 ° C in a nitrogen atmosphere for 1 hour.

В результате термохимической реакции разложения монооксида кремния слои SiO (2) трансформируются в слои плотно расположенных нанокристаллов Si (4), которые разделены слоями SiO2 (3).As a result of the thermochemical decomposition of silicon monoxide, SiO (2) layers are transformed into layers of densely arranged Si (4) nanocrystals, which are separated by SiO 2 layers (3).

Средние размеры нанокристаллов Si (4) составляют от 1.5 до 5 нм в зависимости от толщины исходных слоев SiO. Структура на этапе 2 представлена на фиг.1б.The average sizes of Si (4) nanocrystals are from 1.5 to 5 nm, depending on the thickness of the initial SiO layers. The structure in step 2 is presented in figb.

Этап 3. В сформированную структуру имплантируются ионы Еr3+ (5) с энергией 300 кВ и дозой 1015 см-2. Структура по этапу 3 представлена на фиг.1б.Stage 3. Er 3+ ions (5) with an energy of 300 kV and a dose of 10 15 cm -2 are implanted into the formed structure. The structure of step 3 is presented in figb.

После имплантации ионов Еr3 (5) структура вновь подвергается термическому отжигу в течение 5 мин при температуре 950°С. В полученной структуре концентрация ионов Еr3 (5) составляет около 1019 см-3.After implantation of Er 3 ions (5), the structure is again subjected to thermal annealing for 5 min at a temperature of 950 ° С. In the resulting structure, the concentration of Er 3 (5) ions is about 10 19 cm –3 .

Метод создания инверсии населенности уровней путем оптической накачки активной среды обладает следующими преимуществами. Во-первых, он применим для возбуждения сред с большой концентрацией частиц, распределенных на поверхности кремниевой подложки в требуемой геометрии. Во-вторых, отличительной особенностью сформированной в соответствии с предлагаемым способом активной среды является возможность использования для оптической накачки излучателей широкого спектра частот.The method of creating an inversion of the level population by optical pumping of the active medium has the following advantages. Firstly, it is applicable for the excitation of media with a high concentration of particles distributed on the surface of a silicon substrate in the required geometry. Secondly, a distinctive feature of the active medium formed in accordance with the proposed method is the possibility of using a wide range of frequencies for optical pumping of emitters.

В схеме лазера (фиг.2) излучение ОН (7) направляется перпендикулярно слоям АВС (6). При этом АВС (6) возбуждается до состояния инверсной населенности его оптически активных центров - ионов Еr3+. Последующие за этим спонтанные излучательные переходы, например, 4I13.2→4I15/2 во внутренней 4f оболочке Еr3+, приводят к испусканию света и его усилению в АВС (6) с характерной для данного примера длиной волны 1,54 мкм. Внутри активной среды ЛИ (8) распространяется между поверхностями крайних слоев полупроводниковой кремниевой наноструктуры, образуя в активной среде траекторию в виде ломанной линии, как это показано на фиг.2.In the laser circuit (FIG. 2), OH radiation (7) is directed perpendicular to the ABC layers (6). In this case, ABC (6) is excited to the state of inverse population of its optically active centers - Er 3+ ions. The subsequent spontaneous radiative transitions, for example, 4 I 13.2 → 4 I 15/2 in the inner 4f shell of Er 3+ , lead to the emission of light and its amplification in ABC (6) with a wavelength of 1.54 μm characteristic of this example. Inside the active medium, LI (8) propagates between the surfaces of the extreme layers of a semiconductor silicon nanostructure, forming a trajectory in the active medium in the form of a broken line, as shown in Fig. 2.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что аналогичная структура способна усиливать когерентное оптическое излучение, в частности, на длине волны 1,54 мкм.Experimental studies have shown that a similar structure is capable of amplifying coherent optical radiation, in particular, at a wavelength of 1.54 μm.

В схеме оптического усилителя (фиг.3) излучение ОН (7) также направляется перпендикулярно елям АВС (6). Оптическая накачка (7) возбуждает полупроводниковую кремниевую наноструктуру до состояния инверсной населенности оптически активных центров - ионов Er3+. Входящее излучение, например, с длиной волны 1,54 мкм индуцирует излучательный переход 4I13/2→4I15/2 во внутренней 4f оболочке Еr3+, что приводит к усилению ВИ (9) в АВС (6). Вход ВИ (9) и выход ВУ (10) осуществляется через противоположные боковые срезы АВС (6) в направлении оптической оси усилителя. Внутри активной среды ВИ (9) и УИ (10) распространяются между поверхностями крайних слоев полупроводниковой кремниевой наноструктуры, образуя в активной среде траекторию в виде ломанной линии, как это показано на фиг.3.In the optical amplifier circuit (Fig. 3), OH radiation (7) is also directed perpendicular to ABC spruces (6). Optical pumping (7) excites a semiconductor silicon nanostructure to a state of inverse population of optically active centers - Er 3+ ions. The incoming radiation, for example, with a wavelength of 1.54 μm, induces the radiative transition 4 I 13/2 4 I 15/2 in the inner 4f shell of Er 3+ , which leads to the amplification of the VI (9) in the ABC (6). The input of the VI (9) and the output of the VU (10) is through the opposite side sections of the ABC (6) in the direction of the optical axis of the amplifier. Inside the active medium, VI (9) and SI (10) propagate between the surfaces of the extreme layers of a semiconductor silicon nanostructure, forming a trajectory in the active medium in the form of a broken line, as shown in Fig. 3.

Сформированные таким образом полупроводниковые кремниевые наноструктуры после оптического возбуждения способны генерировать когерентное оптическое излучение и усиливать когерентное оптическое излучение, в частности, на длине волны 1,54 мкм, для которой характеры минимальные потери в кварцевых волоконно-оптических линиях передачи информации.The semiconductor silicon nanostructures thus formed after optical excitation are capable of generating coherent optical radiation and amplifying coherent optical radiation, in particular, at a wavelength of 1.54 μm, which is characterized by minimal losses in quartz fiber-optic information transmission lines.

Это обстоятельство позволяет создать лазеры с оптической накачкой и оптические усилители с оптической накачкой, отличающиеся от известных квантовых приборов возможностью их интегрирования с другими оптоэлектронными приборами на единой кремниевой подложке, за счет использования в качестве активной среды полупроводниковых кремниевых наноструктур.This circumstance makes it possible to create lasers with optical pumping and optical amplifiers with optical pumping, which differ from known quantum devices in the possibility of their integration with other optoelectronic devices on a single silicon substrate due to the use of semiconductor silicon nanostructures as an active medium.

Источники информацииInformation sources

1. A.M.Емельянов, Н.А.Соболев и др. Эффективный кремниевый светодиод с температурно-стабильными спектральными характеристиками. Физика и техника полупроводников, 2003, том 37, вып.6.1. A.M. Emelyanov, N. A. Sobolev and others. Effective silicon LED with temperature-stable spectral characteristics. Physics and Technology of Semiconductors, 2003, Volume 37, Issue 6.

2. М.В.Степихова, Д.М.Жигунов, В.Г.Шенгунов и др. Инверсная населенность уровней энергия ионов эрбия при передаче возбуждения от полупроводниковой матрицы в структурах на основе кремния/германия. Письма в ЖТФ, том 81, вып.10, с.614-617.2. MV Stepikhova, DM Zhigunov, VG Shengunov and others. Inverse population of energy levels of erbium ions during excitation transfer from a semiconductor matrix in silicon / germanium based structures. Letters to the ZhTF, Volume 81, Issue 10, pp. 614-617.

3. М.Е.Castagna, S.Coffa, M.Monaco, L.Caristia, A.Messina, R.Mangano, C.Bongiomo // Physica E 16 (2003), c.547-553.3. M.E. Castagna, S. Coffa, M. Monaco, L. Caristia, A. Messina, R. Mangano, C. Bongiomo // Physica E 16 (2003), p. 547-553.

Claims (5)

1. Способ формирования активной среды для лазера с оптической накачкой и оптического усилителя на ее основе, отличающийся тем, что активная среда формируется на кремниевой подложке путем последовательного нанесения слоев диоксида кремния и окиси кремния, причем последние после термического отжига в атмосфере азота трансформируются в плотные слои нанокристаллов кремния, а в слои диоксида кремния имплантируют ионы эрбия, после чего вновь производят термический отжиг сформированной полупроводниковой кремниевой наноструктуры.1. A method of forming an active medium for an optical pumped laser and an optical amplifier based on it, characterized in that the active medium is formed on a silicon substrate by sequentially depositing layers of silicon dioxide and silicon oxide, the latter being transformed into dense layers after thermal annealing in a nitrogen atmosphere silicon nanocrystals, and erbium ions are implanted into the silicon dioxide layers, after which thermal annealing of the formed semiconductor silicon nanostructure is again performed. 2. Лазер с оптической накачкой, отличающийся тем, что в качестве активной среды для генерации когерентного оптического излучения в нем используют активную среду, сформированную в соответствии с п.1.2. An optical pumped laser, characterized in that an active medium formed in accordance with claim 1 is used as an active medium for generating coherent optical radiation. 3. Лазер с оптической накачкой по п.2, отличающийся тем, что лазер с оптической накачкой выполнен так, что его можно интегрировать на единой кремниевой подложке с другими устройствами микроэлектроники.3. The laser with optical pumping according to claim 2, characterized in that the laser with optical pumping is designed so that it can be integrated on a single silicon substrate with other microelectronic devices. 4. Оптический усилитель с оптической накачкой, отличающийся тем, что в качестве активной среды для усиления когерентного оптического излучения в нем используют активную среду, сформированную в соответствии с п.1.4. An optical amplifier with optical pumping, characterized in that the active medium formed in accordance with claim 1 is used as an active medium for amplifying coherent optical radiation. 5. Оптический усилитель с оптической накачкой по п.4, отличающийся тем, что оптический усилитель с оптической накачкой можно интегрировать на единой кремниевой подложке с другими устройствами микроэлектроники. 5. An optical amplifier with optical pumping according to claim 4, characterized in that the optical amplifier with optical pumping can be integrated on a single silicon substrate with other microelectronic devices.
RU2007137505/28A 2007-10-11 2007-10-11 Method of forming solid-state silicon nanostructure for optical-pumping laser and optical amplifier based thereon RU2362243C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007137505/28A RU2362243C1 (en) 2007-10-11 2007-10-11 Method of forming solid-state silicon nanostructure for optical-pumping laser and optical amplifier based thereon

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007137505/28A RU2362243C1 (en) 2007-10-11 2007-10-11 Method of forming solid-state silicon nanostructure for optical-pumping laser and optical amplifier based thereon

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007137505A RU2007137505A (en) 2009-04-20
RU2362243C1 true RU2362243C1 (en) 2009-07-20

Family

ID=41017333

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007137505/28A RU2362243C1 (en) 2007-10-11 2007-10-11 Method of forming solid-state silicon nanostructure for optical-pumping laser and optical amplifier based thereon

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2362243C1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007137505A (en) 2009-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fauchet Light emission from Si quantum dots
Thaik et al. Photoluminescence spectroscopy of erbium implanted gallium nitride
Fiory et al. Light emission from silicon: Some perspectives and applications
Pavesi Routes toward silicon-based lasers
Pavesi Silicon-Based Light Sources for Silicon Integrated Circuits.
US5107538A (en) Optical waveguide system comprising a rare-earth Si-based optical device
US20060140239A1 (en) Silicon rich nitride CMOS-compatible light sources and Si-based laser structures
Hayamizu et al. Lasing from a single-quantum wire
KR100442062B1 (en) Thin film for optical applications, light-emitting structure using the same and the fabrication method thereof
US8619358B2 (en) Electrically pumped extrinsic semiconductor optical amplifier with slot waveguide
US7916986B2 (en) Erbium-doped silicon nanocrystalline embedded silicon oxide waveguide
JP3299684B2 (en) Optical amplifier and optical amplification method
US6828598B1 (en) Semiconductor device for electro-optic applications, method for manufacturing said device and corresponding semiconductor laser device
Kenyon Quantum confinement in rare-earth doped semiconductor systems
Ho et al. Observation of optical gain in Er-Doped GaN epilayers
Kimura et al. Gain characteristics of erbium-doped fibre amplifiers with high erbium concentration
WO2007067165A1 (en) Enhanced electrical characteristics of light-emitting si-rich nitride films
RU2362243C1 (en) Method of forming solid-state silicon nanostructure for optical-pumping laser and optical amplifier based thereon
Libertino et al. Design and fabrication of integrated Si-based optoelectronic devices
Coffa et al. Feasibility analysis of laser action in erbium-doped silicon waveguides
CN114336283B (en) Optical mode modulation photon cascade laser and preparation method thereof
Daldosso et al. Low-dimensional silicon as a photonic material
Castaneda The particulars properties of annealing temperature and spacer thickness on cross-relaxation and decay dynamics in aluminum oxide upon thulium (III) oxide nanolaminate silicon-based electroluminescent and optoelectronics devices
Ciminelli et al. Optical modelling of a Si-based DBR laser source using a nanocrystal Si-sensitized Er-doped silica rib waveguide in the C-band
US8542437B1 (en) Earth abundant photonic structures

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20091012