硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件及應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件及應(yīng)用。將單晶硅加工成硅片，用離子注入的方法注入32S或者同時注入32S與11B，雙面拋光，表面鍍以對1.3-1.6μm高透的介質(zhì)膜或不鍍膜。硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件用于激光器中，泵浦光經(jīng)過激光增益介質(zhì)后再通過硅基光學(xué)脈沖元件，置于激光增益介質(zhì)前面的前腔鏡作為輸入鏡與置于硅基光學(xué)脈沖元件后面的后腔鏡形成諧振腔；可用于對1.3-1.6μm的激光進行損耗的調(diào)節(jié)。本發(fā)明的脈沖調(diào)制器件制作簡單、成本低，有利于產(chǎn)品小型化，有利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說明】硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件及應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件及應(yīng)用，屬于激光器件【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]硅單晶是光電產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和核心，基于硅單晶的電學(xué)器件設(shè)計了計算機、探測器、半導(dǎo)體等各個領(lǐng)域。特別是在計算機領(lǐng)域，為進一步提高計算速度，硅基光電子學(xué)成為一個新興學(xué)科，包括了硅發(fā)光器件、硅主動調(diào)制器件等。被動調(diào)制器件具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、便于集成等優(yōu)勢，是脈沖光學(xué)器件的首選。被動調(diào)制主要是利用半導(dǎo)體材料的非線性可飽和吸收效應(yīng)即當(dāng)強光進行照射時，其價帶中的電子會全部躍遷至導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶形成完全分布，從而不會再對該光進行吸收，也就是對該光保持較高的透過率。常用的半導(dǎo)體可飽和吸收體主要有可飽和吸收鏡(SESAM)和砷化鎵(GaAs)兩種器件，這兩種器件除了制作工藝非常復(fù)雜之外，還難以實現(xiàn)通訊波長1.3 μ m和1.5 μ m的光調(diào)制，且由于材質(zhì)不同難以與硅兼容形成集成器件。
[0003]為了滿足集成的需求和通訊波段光的調(diào)制，硅基調(diào)制器件是理想選擇，但硅單晶為間接帶隙半導(dǎo)體材料，其電子在硅半導(dǎo)體內(nèi)躍遷幾率小，難以實現(xiàn)被動調(diào)制器件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件，通過改變硅的帶隙結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)被動光調(diào)制。
[0005]本發(fā)明還提供所述硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件在脈沖激光中的應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件，其特征在于將單晶硅制成的硅片用離子注入法摻雜32S或者同時摻雜32S與nB，雙面拋光，表面鍍以對1.3-1.6 μ m高透的介質(zhì)膜或表面不鍍膜。
[0008]優(yōu)選的，32S注入能量為50_100keV，nB的注入能量為10_50keV。
[0009]優(yōu)選的，32S注入劑量為IX 1015cm_2到5 X 1015cm_2，nB的注入劑量為3X 1013cm_2到1 X 1016cm 2 ο
[0010]所述的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件，可以加工成任意形狀，優(yōu)選的形狀是矩形或圓形。尺寸可根據(jù)需要選擇。優(yōu)選的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件的厚度為0.2_-1_。
[0011]所述單晶硅硅片的制備及離子注入法摻雜方法，按現(xiàn)有工藝技術(shù)，可根據(jù)要求具體選擇。本發(fā)明優(yōu)選如下制備工藝參數(shù):
[0012]32S離子注入時，硅片的溫度為室溫，注入能量為50_100keV，32S離子注入劑量范圍從 1 X 1015cnT2 到 5X 1015cnT2 ;或者進一步的:
[0013]在注入32S離子之后，再注入nB離子，硅片的溫度為室溫，注入能量為10_50keV，nB離子注入劑量范圍從3X1013cnT2到lX1016cnT2。
[0014]優(yōu)選的，32S注入能量為80_100keV，注入劑量范圍從3X1015cnT2到5X1015cnT2。
[0015]本發(fā)明還提供一種利用離子注入單晶硅片實現(xiàn)硅基材料對紅外波段激光進行調(diào)制的方法，包括:
[0016]-將單晶硅制成的硅片用離子注入法注入32S或者同時注入32S與11B,雙面拋光，表面鍍以對1.3-1.6 μ m高透的介質(zhì)膜或表面不鍍膜，形成硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件；
[0017]-將該器件用于脈沖激光器中，實現(xiàn)對1.3-1.6 μ m紅外波段的激光進行調(diào)制。
[0018]本發(fā)明所述硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件的應(yīng)用，是作為脈沖調(diào)Q器件或鎖模器件用于激光器中。
[0019]在激光器運用中，采用端面或者側(cè)面泵浦的方式，將泵浦光輸入到激光增益介質(zhì)中，所述泵浦光經(jīng)過激光增益介質(zhì)后再通過本發(fā)明的硅基脈沖調(diào)制器件，置于激光增益介質(zhì)前面的前腔鏡與置于硅基脈沖調(diào)制器件后面的輸出鏡形成諧振腔。所述的前后腔鏡均鍍有利于激光振蕩的介質(zhì)膜。
[0020]所述的激光增益介質(zhì)可以選擇半導(dǎo)體、激光晶體、激光陶瓷或者激光玻璃等所有能產(chǎn)生激光增益的介質(zhì)，加工成圓柱形或者長方體，其端面鍍以有利于泵浦光的吸收和激光振蕩的介質(zhì)膜，也可以只是精拋光不鍍膜。優(yōu)選的，所述的激光增益介質(zhì)是Nd:YAG或NdiYVO4 晶體，Nd3+ 離子濃度為 0.01-0.5at.%。
[0021]所述的泵浦源為半導(dǎo)體激光二極管(LD)或氙燈等能提供泵浦能量的光源。
[0022]所述的前腔鏡的輸入鏡的介質(zhì)膜可以直接鍍于激光增益介質(zhì)距離硅片較遠的面上，另一個面可以鍍以有利于激光振蕩和泵浦光吸收的介質(zhì)膜，也可以不鍍膜。后腔鏡的輸出鏡的介質(zhì)膜可以直接鍍于激光增益介質(zhì)距離硅片較遠的面上，另一個面可以鍍以有利于激光振蕩的介質(zhì)膜，也可以不鍍膜。
[0023]所述的前腔鏡選用一個半徑為1-1OOmm的平透鏡，鏡面鍍以對1.3-1.6 μ m高反射的介質(zhì)膜，前腔鏡與調(diào)Q元件之間的距離為0.05-8cm，優(yōu)選為0.5-3cm。所述的后腔鏡選用一個半徑為1-1OOmm的平凹鏡，凹面鍍以對1.3-1.6ym部分透過的介質(zhì)膜，優(yōu)選透過3-10%;后腔鏡與調(diào)Q元件之間的距離為0.05-8cm，優(yōu)選為0.05-lcm。進一步優(yōu)選，前腔鏡與后腔鏡的距離為l-10cm。
[0024]一種脈沖激光器，包括本發(fā)明上述的硅基脈沖調(diào)制器件。
[0025]本發(fā)明提供的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件，具有制作簡單、成本低、有利于集成化，有利于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等特點。
[0026]本發(fā)明提供的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件可用于對產(chǎn)生1.3-1.6 μ m紅外波段的激光進行損耗的調(diào)節(jié)，包括了半導(dǎo)體、激光晶體、激光陶瓷以及激光玻璃產(chǎn)生的激光。可實現(xiàn)對LD或氙燈泵浦激光的調(diào)制。
[0027]本發(fā)明所提供的硅基材料制作的光學(xué)脈沖調(diào)制器件器件在應(yīng)用時，具有以下優(yōu)勢:
[0028]1.應(yīng)用前景廣闊。本發(fā)明提供的脈沖調(diào)制器件主要針對1.3-1.6 μ m紅外波段的激光進行調(diào)制，該波段涵蓋當(dāng)前光通信的常用波長(1310-1550nm)。可在光通信、光計算、光互聯(lián)技術(shù)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0029]2.有利于集成化，小型化。硅是目前大規(guī)模用于電子集成技術(shù)的材料，在光通信波長范圍內(nèi)具有很好的光透性，同時它具有高折射率，利于實現(xiàn)高折射率差系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，適合制作各種結(jié)構(gòu)緊湊的器件，另外其工藝與成熟的互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容，便于實現(xiàn)光子、光電子集成。本發(fā)明通過離子注入32S和/或11B改變硅半導(dǎo)體的帶隙結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)其被動光調(diào)制器件應(yīng)用。因此該脈沖調(diào)制器件可以與其他硅基光學(xué)器件例如濾波、開關(guān)、波導(dǎo)等集成，構(gòu)成大規(guī)模集成光路系統(tǒng)。
[0030]3.工藝成熟，性能優(yōu)越。硅材料本身具有較好的熱學(xué)特性(線熱膨脹系數(shù)小，2.5X10_6/°C ;熱導(dǎo)率高，1.50W/cm.°C )，有更寬的工作溫度范圍。單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好?，F(xiàn)有離子注入技術(shù)成熟，具有摻雜純度高，注入濃度和深度精確可控和大面積上很高的摻雜均勻性等特點。因此基于以上工藝制作的該脈沖調(diào)制器件擁有好的品質(zhì)與優(yōu)越的性能。
[0031]4.有利于產(chǎn)業(yè)化，進行批量生產(chǎn)。硅在自然界含量十分豐裕。目前，大尺寸的單晶硅材料已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，成本低廉，已大規(guī)模運用于電子與通訊產(chǎn)業(yè)。因此該脈沖調(diào)制器件可進行大面積的制作，可根據(jù)不同的需求，直接進行加工應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明的離子注入摻雜的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件的實物圖。
[0033]圖2為32S注入劑量為3 X 1015cm_2情況下，nB三種不同注入劑量下，硅片費米能級的分布情況。其中0.8eV對應(yīng)激光波長為1550nm。
[0034]圖3為LD端面泵浦、以本發(fā)明的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件作為調(diào)Q元件的激光器件結(jié)構(gòu)不意圖，其中，1.泵浦源，2.光纖稱合系統(tǒng),3.聚焦系統(tǒng),4.前腔鏡,5.后腔鏡,6.激光增益介質(zhì)，7.硅基脈沖調(diào)制器件。
[0035]圖4為氙燈側(cè)面泵浦、以本發(fā)明的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件作為調(diào)Q元件的激光器件結(jié)構(gòu)示意圖，其中，8.前腔鏡，9.氙燈，10.激光增益介質(zhì)，11.硅基脈沖調(diào)制器件，12.后腔鏡。

【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述，但不限于此。
[0037]實施例1、摻雜32S的單摻硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件
[0038]在將單晶硅制成的厚度0.5mm的硅片，尺寸6_X6mm。采用離子注入法在室溫下?lián)诫s32S，32S注入能量為80keV，注入劑量為3X1015cm_2。離子注入工藝按現(xiàn)有技術(shù)，參見“Enhancing the Infrared Photoresponse of Silicon by Controlling the Fermi LevelLocat1n within an Impurity Band，，，Advanced Funct1nal Materials，D01:10.1002/adfm.201303820。
[0039]可根據(jù)應(yīng)用的需要將脈沖調(diào)制器件加工成矩形或圓形。實物照片如圖1所示，照片中所示為矩形。
[0040]實施例2、摻雜32S和nB的雙摻硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件
[0041]在將單晶娃制成的厚度0.5mm的娃片共三片，尺寸分別是4mmX4mm, 7mmX 7mm,10mmX 10mm。
[0042]在室溫下，采用離子注入法向上述三個硅片摻雜32S和nB:三個不同尺寸的硅片分別先注入32s，32s注入能量為60keV，注入劑量3X 1015cm_2 ;然后，分別注入nB，nB的注入能量為40keV，nB注入劑量分別是0、1 X 1015cnT2和3X 1015cnT2?？筛鶕?jù)應(yīng)用的需要將脈沖調(diào)制器件加工成矩形或圓形。
[0043]制得的32S和11B雙摻硅片費米能級的分布情況如圖2所示。其中0.8eV對應(yīng)激光波長為1550nm。
[0044]實施例3、摻雜32S的單摻娃基光學(xué)脈沖調(diào)制器件
[0045]如實施例1所述，所不同的是:將單晶娃制成的娃片厚度Imm的，尺寸8mmX8mm。32S注入能量為10keV,注入劑量為5 X 1015cm_2。
[0046]實施例4、單摻硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件作為調(diào)Q元件用于平凹腔結(jié)構(gòu)的脈沖激光器
[0047]一種脈沖激光器，該激光器依次包括:激光二極管作為泵浦源1、耦合系統(tǒng)2和3、前腔鏡4、NdiYVO4晶體6作為激光增益介質(zhì)、實施例1單摻硅片作調(diào)Q元件7、后腔鏡5六部分，組成如圖3所示的平凹腔結(jié)構(gòu)。
[0048]利用發(fā)射波長為808nm激光作為泵浦源I ;
[0049]所述Nd = YVO4晶體的Nd3+離子濃度為0.1Oat.%，NdiYVO4晶體的泵浦光入射端面鍍有對808nm、且對1.3-1.6 μ m波段高透過的介質(zhì)膜，在輸出端面上鍍對1.3-1.6 μ m波段高透的介質(zhì)膜；
[0050]前腔鏡4為一半徑為30mm的平透鏡，外側(cè)鍍以對808nm高透、內(nèi)側(cè)鍍以對1.3-1.6μπι高反射的介質(zhì)膜，后腔鏡5為一半徑為30mm的平凹鏡，凹面向內(nèi)，鍍以對1.3-1.6 μ m有6-10%透過率的介質(zhì)膜；前腔鏡4與后腔鏡5之間的距離為3_8cm。
[0051]調(diào)Q元件7選用實施例1中所述的單摻硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件，靠近激光增益介質(zhì)放置。加大泵浦功率，可直接得到脈沖激光輸出。脈沖激光的脈沖寬度< 100ns，平均輸出功率彡300mW，重復(fù)頻率彡300kHz ο
[0052]實施例5、
[0053]如實施例4所述，所不同的是調(diào)Q元件7是實施例2所述的雙摻硅片光學(xué)脈沖調(diào)制器件。32S和11B注入劑量分別是3 X 1015cnT2、I X 115cnT2
[0054]實施例6、單摻硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件作為調(diào)Q元件用于平凹腔結(jié)構(gòu)的脈沖激光器
[0055]一種脈沖激光器，該激光器依次包括:氙燈作為泵浦源9、Nd: YAG晶體作為激光增益介質(zhì)10、前腔鏡8、后腔鏡12以及本發(fā)明的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件作為調(diào)Q元件11五部分，組成如圖4所示的平凹腔結(jié)構(gòu)。
[0056]所述Nd = YAG晶體的Nd3+離子濃度為0.5at.%。Nd = YAG晶體加工成圓柱形，其兩個端面鍍有對1.3-1.6 μ m波段高透過的介質(zhì)膜；
[0057]前腔鏡8為一半徑為50mm的平透鏡，內(nèi)側(cè)鍍有對1.3-1.6 μ m高反射的介質(zhì)膜,后腔鏡12為一半徑為50mm的平凹鏡，凹面向內(nèi)，鍍以對1.3-1.6 μ m有3% -10%透過率的介質(zhì)膜；
[0058]調(diào)Q元件11選用實施例3中所述的單摻硅片，靠近激光增益介質(zhì)放置。前腔鏡8和后腔鏡12之間的距離為5-lOcm。加大泵浦功率，可直接得到脈沖激光輸出。
[0059]實施例7、
[0060]如實施例6所述，所不同的是光學(xué)脈沖調(diào)制器件選用實施例2所述的雙摻硅片光學(xué)脈沖調(diào)制器件。32S和11B注入劑量分別是3X 1015cm_2、3X 1015cm_2。
【權(quán)利要求】
1.一種硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件，其特征在于將單晶硅制成的硅片用離子注入法摻雜32S或者同時摻雜32S與11B,雙面拋光，表面鍍以對1.3-1.6 μ m高透的介質(zhì)膜或表面不鍍膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件，其特征在于所述32S注入能量為50-100keV,nB 的注入能量為 10_50keV。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件，其特征在于所述32S注入劑量為I X 115CnT2 到 5 X 1015cnT2，11B 的注入劑量為 3 X 113CnT2 到 I X 11W20
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件，其特征在于該器件加工成矩形或圓形；厚度為0.
5.一種利用離子注入單晶硅片實現(xiàn)硅基材料對紅外波段激光進行調(diào)制的方法，包括: -將單晶硅制成的硅片用離子注入法注入32S或者同時注入32S與11B,雙面拋光，表面鍍以對1.3-1.6 μ m高透的介質(zhì)膜或表面不鍍膜，形成硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件； -將該器件用于脈沖激光器中，實現(xiàn)對1.3-1.6 μ m紅外波段的激光進行調(diào)制。
6.權(quán)利要求1一 4任一項所述的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件的應(yīng)用，是作為脈沖調(diào)Q器件或鎖模器件用于激光器中； 在激光器運用中，采用端面或者側(cè)面泵浦的方式，將泵浦光輸入到激光增益介質(zhì)中，所述泵浦光經(jīng)過激光增益介質(zhì)后再通過所述的硅基脈沖調(diào)制器件，置于激光增益介質(zhì)前面的前腔鏡與置于硅基脈沖調(diào)制器件后面的輸出鏡形成諧振腔；所述的前后腔鏡均鍍有利于激光振蕩的介質(zhì)膜。
7.如權(quán)利要求6所述的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件的應(yīng)用，其中，所述的激光增益介質(zhì)是Nd:YAG 或 NdiYVO4 晶體，Nd3+ 離子濃度為 0.01-0.5at.
8.如權(quán)利要求6所述的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件的應(yīng)用，其中，所述的泵浦源為半導(dǎo)體激光二極管(LD)或氙燈光源。
9.如權(quán)利要求6所述的硅基光學(xué)脈沖調(diào)制器件的應(yīng)用，其中，所述的前腔鏡選用一個半徑為1-1OOmm的平透鏡，鏡面鍍以對1.3-1.6ym高反射的介質(zhì)膜，前腔鏡與調(diào)Q元件之間的距離為0.05-8cm ;所述的后腔鏡選用一個半徑為1-1OOmm的平凹鏡，凹面鍍以對1.3-1.6 μ m部分透過的介質(zhì)膜，后腔鏡與調(diào)Q元件之間的距離為0.05-8cm ;前腔鏡與后腔鏡的距離為I — 1cm0
10.一種脈沖激光器，包括權(quán)利要求1 一 4任一項所述的硅基脈沖調(diào)制器件。
【文檔編號】H01S3/11GK104409958SQ201410693299
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】張懷金, 張銳, 于浩海, 王繼揚 申請人:山東大學(xué)