專利名稱：摻鉺環(huán)形微腔激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型光電子技術(shù)器件制造領(lǐng)域，具體為一種摻鉺環(huán)形微腔激光器。
背景技術(shù)：
光學(xué)微腔是指線度約為5^至50(Vm的光學(xué)介電諧振器。目前研究的光學(xué)
微腔，主要集中在均勻介質(zhì)的圓柱或圓球等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的微腔，微腔具有特別高 的品質(zhì)因數(shù)、極小的模體積和很低的非線性效應(yīng)閾值條件，使它在非線性光學(xué)、 腔體量子電動(dòng)力學(xué)、窄帶光學(xué)濾波、高靈敏度傳感器和低閾值激光器的制備等 領(lǐng)域中都得以廣泛應(yīng)用。
光學(xué)微腔在時(shí)間和空間上將光局域在腔中，分別有空間參數(shù)模體積v
(V-宇，L表示腔長(zhǎng)，A表示腔內(nèi)光波長(zhǎng))，品質(zhì)因數(shù)(3(2 =肌，其中^表示場(chǎng)的 角頻率，r表示腔內(nèi)光子的平均壽命)。摻Er環(huán)形微腔是目前最受關(guān)注的，Er3 +從第一激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)發(fā)射能量為0.8eV的光子，相應(yīng)波長(zhǎng)為1.54 " m， 對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)石英光纖的最小吸收窗口，是十分重要的通訊波長(zhǎng)，因此摻Er硅在通 訊應(yīng)用方面具有誘人的前景。
諧振腔、工作物質(zhì)和泵浦源是產(chǎn)生激光的三個(gè)基本條件。因此，摻Er硅激 光器主要面臨的問(wèn)題是 一方面，要解決Ef3+在硅基材料中的高濃度(大于1019 cm一"摻入，并提高激活權(quán)重，使之成為有效發(fā)光中心，同時(shí)，降低非輻射衰 減過(guò)程發(fā)生的幾率；另一方面，具備高品質(zhì)因子Q的(表征諧振腔貯存光場(chǎng)的
能力，功耗越少，Q值越高)諧振腔是產(chǎn)生激光的一個(gè)必要條件。
近來(lái)發(fā)展起來(lái)的高Q值平面環(huán)形微腔(ultra-high-Q toroidal microcavities) (如圖l所示)，典型值Q 1X108，并可通過(guò)MEMS工藝不斷完善進(jìn)一步提 高。利用MEMS (光刻、腐蝕、刻蝕)工藝和高功率C02脈沖激光器表面處理 技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)si0 2平面環(huán)形微腔單元的制備。與錐形光纖耦合有利于泵浦 光的耦合輸入與受激激光的耦合輸出(如圖2所示)，單模光纖具有的優(yōu)越傳輸 特性，有利于獲得高品質(zhì)光束，質(zhì)量因子近似l的激光輸出(如圖3所示)。
微球腔激光器是由熔融光纖由表面張力形成的，光在微球腔中與微環(huán)腔中都 以回音壁模式存在，但是由于微球腔的加工具有極大的隨機(jī)性，使其應(yīng)用前景 受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決平面環(huán)形微腔在激光器上的應(yīng)用問(wèn)題而提供了一種摻鉺環(huán) 形微腔激光器。
本發(fā)明是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的， 一種摻鉺環(huán)形微腔激光器，其制造方法
為
(1)制作平面環(huán)形微腔和制作錐形光纖，微環(huán)的大小為外徑120戶、內(nèi)徑
10(Vm，錐形光纖的錐區(qū)直徑為5^m，環(huán)的厚度為2^n。
平面環(huán)形微腔的加工過(guò)程為，(a)在硅基上熱生長(zhǎng)一層2//m的二氧化硅
層；(b)摻雜Er、強(qiáng)流MEVVA (金屬蒸發(fā)真空弧)離子源注入機(jī)上進(jìn)行注入, 束流密度范圍2. 5-70uA. cm—V注量為1. 0X1016-4. 5X 1017cm—2, Er注入的加速 電壓為45kV，平均電荷態(tài)為2.4，注入后在100(TC下進(jìn)行退火15s，保護(hù)氣體 為氬氣(慘雜過(guò)程也可選在微環(huán)制作完成以后)；(c)按照掩膜大小用HF刻蝕二氧化硅層；(d) Zei^刻蝕硅基；(e) C02激光器表面輻照形成微環(huán)腔。 (2)光纖耦合光纖和平面環(huán)形微腔的耦合距離為0.5pm形成摻鉺環(huán)形微
腔激光器。
該摻鉺微腔激光器由平面環(huán)形微腔和錐形光纖組成耦合系統(tǒng)。具有較小的
模體積(10—12m3)、超高Q值(1.25X 108)、低閾值(5mw)、和窄線寬(0.75 kHz) 低功耗等特點(diǎn)，為硅材料光電子器件及光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提供可實(shí)用。的硅基光源。 本發(fā)明制作成了微腔激光器，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的控制。本發(fā)明低閾值的特性減小 了對(duì)泵浦光的限制，實(shí)現(xiàn)了低功耗從而克服了功耗過(guò)大引起的硅環(huán)變形的缺陷。 加工工藝比硅球微腔激光器的可控性要高很多，也可以通過(guò)提高光刻、刻蝕和 激光器表面處理的精度來(lái)提高激光器的輸出功率，相比以前的微腔激光器可實(shí) 施性大大提高。


圖1為超高Q值平面環(huán)形微腔的電子顯微照片 圖2為氧化硅平面環(huán)形微腔的MEMS制作工藝流程示意圖 圖3為利用顯微探針得到平面環(huán)形微腔進(jìn)行錐形光纖耦合時(shí)的俯視圖 圖4是微腔的掃描電子顯微圖像(Scanningelectronmicrograph: SEM) 圖5是平面環(huán)形微腔與錐形光纖耦合后的電子顯微圖象側(cè)視圖。 圖6為單錐光纖耦合后的顯示位置比例關(guān)系的示意圖 圖7為雙錐光纖耦合后的顯示位置比例關(guān)系的示意圖
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例l， 一種摻鉺環(huán)形微腔激光器，其制造方法為，如圖l、 3、 4、 5、6、 7所示意，
(1)制作平面環(huán)形微腔和制作錐形光纖，微環(huán)的大小為外徑120^m、內(nèi)徑
IOO脾，環(huán)的厚度為2;/m，錐形光纖的錐區(qū)直徑為5;/m。
如圖2所示意，平面環(huán)形微腔的一種加工過(guò)程為，(a)在硅基上熱生長(zhǎng)一 層2^的二氧化硅層，在二氧化硅層用標(biāo)準(zhǔn)光刻膠曝光后留下略大于掩膜的圓 盤；(b)摻雜Er3、強(qiáng)流MEVVA (金屬蒸發(fā)真空弧)離子源注入機(jī)上進(jìn)行注入， 束流密度范圍2.5-70uA.cm—2，注量為1. OX 1016_4. 5X 1017cm—2， Er注入的加速 電壓為45kV，平均電荷態(tài)為2.4，注入后在1000'C下進(jìn)行退火15s，保護(hù)氣體 為氬氣(摻雜過(guò)程也可選在微環(huán)制作完成以后)；(c)按照光刻膠圓盤大小用 HF刻蝕二氧化硅層使二氧化硅層形成圓盤；(d)在3Torr的條件下用力《刻 蝕硅基，使圓盤狀二氧化硅層下方形成一個(gè)支撐柱；(e)采用C02激光器以高 斯分布模式經(jīng)匯聚透鏡對(duì)圓盤狀二氧化硅層進(jìn)行表面熱處理，使圓盤狀二氧化 硅層中心表面塌陷形成環(huán)狀腔體，得到所述平面環(huán)狀微腔；C02激光器激光波 長(zhǎng)為10.6/zm，激光強(qiáng)度為100Mega—watts/cm2。
(2)錐形光纖耦合錐形光纖和硅微環(huán)腔的耦合距離為0.5;nn形成摻鉺環(huán)
形微腔激光器。如7所示。
實(shí)施例2，々B圖7戶萬(wàn)示微環(huán)加工工藝與實(shí)施例1相同，耦合系統(tǒng)選用雙 錐耦合系統(tǒng)，錐形光纖與硅微環(huán)組成的一種雙錐耦合系統(tǒng)，由研磨法拉制的錐 形光纖按照0.25pm距離對(duì)接與平面環(huán)形微腔構(gòu)成，錐角為45Q。
權(quán)利要求
1、一種摻鉺環(huán)形微腔激光器，其特征在于制造方法為，(1)制作平面環(huán)形微腔和制作錐形光纖，微環(huán)的大小為外徑120μm、內(nèi)徑100μm，錐形光纖的錐區(qū)直徑為5μm，微環(huán)的厚度為2μm，(2)錐形光纖耦合錐形光纖和平面環(huán)形微腔的耦合距離為0.5μm形成摻鉺環(huán)形微腔激光器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻鉺環(huán)形微腔激光器，其特征在于平面環(huán)形微 腔的一種加工過(guò)程為，(a)在硅基上熱生長(zhǎng)一層2pm的二氧化硅層，在二氧 化硅層用標(biāo)準(zhǔn)光刻膠曝光后留下略大于掩膜的圓盤；(b)摻雜Er3、強(qiáng)流MEVVA(金屬蒸發(fā)真空弧)離子源注入機(jī)上進(jìn)行注入，束流密度范圍2. 5-70 ii A. cm—2, 注量為1. 0X 1016-4. 5X 1017cnT2， Er注入的加速電壓為45kV，平均電荷態(tài)為2. 4， 注入后在IOO(TC下進(jìn)行退火15s，保護(hù)氣體為氬氣；(c)按照光刻膠圓盤大小 用HF刻蝕二氧化硅層使二氧化硅層形成圓盤；(d)在3Torr的條件下用A《刻 蝕硅基，使圓盤狀二氧化硅層下方形成一個(gè)支撐柱；(e)采用<^2激光器以高 斯分布模式經(jīng)匯聚透鏡對(duì)圓盤狀二氧化硅層進(jìn)行表面熱處理，使圓盤狀二氧化 硅層中心表面塌陷形成環(huán)狀腔體，得到所述平面環(huán)狀微腔；C02激光器激光波 長(zhǎng)為10.6//m，激光強(qiáng)度為100Mega—watts/cm2。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻鉺環(huán)形微腔激光器，其特征在于錐形光纖 與微環(huán)組成的一種雙錐耦合系統(tǒng)，由研磨法拉制的錐形光纖按照0.25pm距離對(duì) 接與平面環(huán)形微腔構(gòu)成，錐角為45
全文摘要
本發(fā)明屬于微型光電子技術(shù)器件制造領(lǐng)域，具體為一種摻鉺環(huán)形微腔激光器。解決了平面環(huán)形微腔在激光器上的應(yīng)用問(wèn)題。其特征在于制造方法為，(1)制作平面環(huán)形微腔和制作錐形光纖，微環(huán)的大小為外徑120μm、內(nèi)徑100μm，錐形光纖的錐區(qū)直徑為5μm，微環(huán)的厚度為2μm，(2)錐形光纖耦合錐形光纖和硅微環(huán)腔的耦合距離為0.5μm形成摻鉺環(huán)形微腔激光器。本發(fā)明制作成了微腔激光器，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)光的控制。本發(fā)明低閾值的特性減小了對(duì)泵浦光的限制，實(shí)現(xiàn)了低功耗從而克服了功耗過(guò)大引起的硅環(huán)變形的缺陷。加工工藝比硅球微腔激光器的可控性要高很多，相比以前的微腔激光器可實(shí)施性大大提高。
文檔編號(hào)H01S3/08GK101359804SQ200810079409
公開日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月13日
發(fā)明者嚴(yán)英占, 喆 吉, 姜國(guó)慶, 張文棟, 熊繼軍, 王寶花, 王少輝, 薛晨陽(yáng), 閆樹斌 申請(qǐng)人:中北大學(xué)