專利名稱：脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，用二維光子晶體作為諧振腔的端面反射鏡，單模脊形波導(dǎo)作諧振腔體。
背景技術(shù)：
05年2月17日，美國《自然》雜志報道了世界上第一個連續(xù)波硅基拉曼激光器(Haisheng Rong，Richard Jones，Ansheng Liu，Oded Cohen，Dani Hak Alexander Fang，Mario Paniccia，A continuous-wave Raman siliconlaser，NATURE，433(2005)725-728)，這是硅基光電器件及其集成研究的重要里程碑。
目前用來處理數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體芯片其發(fā)展的主要瓶頸在于芯片的運算速度，導(dǎo)致這一瓶頸的部分原因就是金屬的物理屬性金屬存在電阻，限制芯片的運算速度；另一方面，工作的過程中還會產(chǎn)生熱量。當(dāng)芯片的吞吐能力達(dá)到每秒鐘上萬億字節(jié)的時候，現(xiàn)在使用的金屬線就不能勝任，而用光波導(dǎo)來代替金屬線，光在波導(dǎo)中的傳播速度要比電流在金屬線中的傳播速度快得多，另外一方面不同頻率的光可以在同一個波導(dǎo)中傳播，這樣大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸量。光波導(dǎo)主要應(yīng)用在信號傳輸方面，對于信號處理則還處于研究階段。
目前的半導(dǎo)體芯片主要由硅材料制造，因此硅材料便成為研制光信號處理器的首選，這樣一來，就可以利用現(xiàn)有的成熟硅工藝批量生產(chǎn)。但是硅在控制光信號方面的能力很有限，硅的發(fā)光效率很低，因此在硅材料中置入激光，是一項巨大的挑戰(zhàn)。相反，如果應(yīng)用III-IV族材料作為有源介質(zhì)來制作激光器，再將其集成到硅芯片中，這中方式使得整個芯片的成本過高，很難實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)具有經(jīng)濟(jì)效益的芯片。人們希望開發(fā)出一種硅激光，使其集成在芯片中，能夠產(chǎn)生攜帶數(shù)據(jù)信息的激光脈沖。
Intel研究院的這項成果使得硅基光電器件及其集成研究向前邁入了一大步，他們提出的硅基拉曼激光器的結(jié)構(gòu)是在脊形波導(dǎo)的兩個端面鍍膜起到對光的反射作用，以此構(gòu)成激光器的諧振腔，形成一個獨立的器件，見附圖1、圖2器件俯視圖，整個器件是用同一片SOI材料11制成，12為脊形波導(dǎo)，為“S”形，在12的兩邊是P-N結(jié)，其中13為P-N結(jié)的N區(qū)，14為P-N結(jié)的P區(qū)，15、16為在脊形波導(dǎo)兩個端面鍍的多層增反膜，激光器工作時，泵浦光從脊形波導(dǎo)前端面耦合進(jìn)脊形波導(dǎo)，激光從前端面輸出。該種結(jié)構(gòu)有它的缺點，需要在端面鍍多層反射膜，對端面平整度要求很高，因為在兩個端面鍍膜，該種結(jié)構(gòu)不利于與其他器件的集成。而本發(fā)明可以解決該問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合構(gòu)成諧振腔的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不需在端面鍍多層反射膜，對端面平整度要求很低，該種結(jié)構(gòu)利于與其他器件的集成。
本發(fā)明一種脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，包括一SOI材料；一脊形波導(dǎo)，該脊形波導(dǎo)做在SOI材料上；一P型硅，該P型硅制作在脊形波導(dǎo)的一側(cè)邊；一N型硅，該N型硅制作在脊形波導(dǎo)的另一側(cè)邊；一光子晶體后端反射鏡，該光子晶體后端反射鏡位于脊形波導(dǎo)的后端，刻蝕在SOI材料上；一光子晶體前端反射鏡，該光子晶體前端反射鏡位于脊形波導(dǎo)的輸入端，刻蝕在SOI材料上；該光子晶體前端反射鏡和光子晶體后端反射鏡和脊形波導(dǎo)組成激光器的諧振腔，光子晶體對光起到全反射鏡的作用。
其中SOI材料包括一硅襯底；一二氧化硅絕緣層，該二氧化硅絕緣層制作在硅襯底上；一頂層硅，該頂層硅制作在二氧化硅絕緣層上。
其中二氧化硅絕緣層的厚度為1-2微米，頂層硅的厚度為1-5微米。
其中脊形波導(dǎo)為滿足脊形波導(dǎo)的單模條件的單模波導(dǎo)，波導(dǎo)截面為梯形或矩形，整體呈螺旋形或矩形或之字形。
其中光子晶體前端反射鏡和光子晶體后端反射鏡為三角晶格或方形晶格，光子晶體前端反射鏡排數(shù)較少，取4排左右，為入射腔鏡，所設(shè)計光子晶體使得拉曼光位于帶隙處，泵浦光位于靠近帶邊的通帶處；光子晶體后端反射鏡的光子晶體排數(shù)較多，為7排以上，對信號光和泵浦光的反射率高。
本發(fā)明在脊形波導(dǎo)的兩端刻蝕有規(guī)則排列的空氣孔即光子晶體構(gòu)成拉曼激光器的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢1.這種結(jié)構(gòu)具有很大的靈活性，可以通過調(diào)整孔的幾何尺寸實現(xiàn)對不同波長光的反射，而且孔的排數(shù)決定了對應(yīng)波長的光反射率。
2.在脊形波導(dǎo)的兩個端面制作光子晶體來構(gòu)成激光器的諧振腔，可以不必將波導(dǎo)兩個端面拋光、鍍膜，減小了工藝的復(fù)雜性。
3.激光器諧振腔呈螺旋形，減小了整個器件的尺寸。環(huán)形螺旋形腔的品質(zhì)因子較高，更有利于激光激射。
4.采用二維光子晶體作為反射鏡比一維光柵的反射率更高，在一定的角度范圍內(nèi)都有很高的反射率，而且二維光子晶體作為腔鏡為該激光器與二維光子晶體的其他器件的集成創(chuàng)造了條件。
5.用光子晶體作為激光器諧振腔的反射鏡，光子晶體可以刻蝕在芯片內(nèi)部，距離邊緣一定距離，所以很容易與其他器件集成在一起。


為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點，以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做一詳細(xì)的描述，其中圖1是現(xiàn)有的硅基拉曼激光器的結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2是光子晶體與脊形波導(dǎo)相結(jié)合結(jié)構(gòu)俯視圖；圖3是環(huán)形脊形波導(dǎo)與光子晶體反射鏡結(jié)合結(jié)構(gòu)俯視圖；圖4是脊形波導(dǎo)及波導(dǎo)兩邊P-N結(jié)的橫截面圖；圖5是光子晶體與脊形波導(dǎo)相結(jié)合構(gòu)成的硅基拉曼激光器一個端面的立體示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖3所示，本發(fā)明一種脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，包括一SOI材料1；該SOI材料1包括一硅襯底9；一二氧化硅絕緣層8，該二氧化硅絕緣層8制作在硅襯底9上；一頂層硅7，該頂層硅7制作在二氧化硅絕緣層8上；該二氧化硅絕緣層8的厚度為1-2微米，頂層硅7的厚度為1-5微米；一脊形波導(dǎo)2，該脊形波導(dǎo)2做在SOI材料1上，該脊形波導(dǎo)2為滿足脊形波導(dǎo)的單模條件的單模波導(dǎo)，波導(dǎo)截面為梯形或矩形，整體呈螺旋形或矩形或之字形或其他形狀；一P型硅3，該P型硅3制作在脊形波導(dǎo)2的一側(cè)邊；一N型硅4，該N型硅4制作在脊形波導(dǎo)2的另一側(cè)邊；一光子晶體后端反射鏡6，該光子晶體后端反射鏡6位于脊形波導(dǎo)2的后端，刻蝕在SOI材料1上；
一光子晶體前端反射鏡5，該光子晶體前端反射鏡5位于脊形波導(dǎo)2的輸入端，刻蝕在SOI材料1上；該光子晶體前端反射鏡5和光子晶體后端反射鏡6和脊形波導(dǎo)組成激光器的諧振腔，光子晶體對光起到全反射鏡的作用。
其中光子晶體前端反射鏡5和光子晶體后端反射鏡6為三角晶格或方形晶格，光子晶體前端反射鏡5排數(shù)較少，取4排左右，為入射腔鏡，所設(shè)計光子晶體使得拉曼光位于帶隙處，泵浦光位于靠近帶邊的通帶處；光子晶體后端反射鏡6的光子晶體排數(shù)較多，為7排以上，對信號光和泵浦光的反射率都很高。
制作脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI材料1結(jié)構(gòu)由三部分組成，見圖4和圖5，單晶硅襯底9，二氧化硅絕緣層8，厚度為1-2微米，頂層硅7，厚度3μm。采用光刻和干法刻蝕方法在SOI材料1上制作一螺旋形的脊形波導(dǎo)2。脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)請參閱圖4所示，脊形波導(dǎo)2為矩形截面的大芯徑單模波導(dǎo)，也可以是梯形截面的大芯徑單模波導(dǎo)，大芯徑的脊形波導(dǎo)對輸入的泵浦光具有較高的耦合效率，整體呈螺旋形或其他形狀。在脊形波導(dǎo)2的兩邊是一對P-N結(jié)，即在脊形波導(dǎo)2兩側(cè)分別做成適當(dāng)區(qū)域的P型區(qū)硅3和N型區(qū)硅4。N型硅2和P型硅3采用離子注入方法形成，在N型硅3和P型硅4上表面鍍上電極，形成PN結(jié)。
光子晶體前端反射鏡5、光子晶體后端反射鏡6和脊形波導(dǎo)組成激光器的諧振腔，光子晶體對光起到全反射鏡的作用。光子晶體前端反射鏡5和光子晶體后端反射鏡6為三角晶格或方形晶格，光子晶體前端反射鏡5排數(shù)較少，取4排左右，為入射腔鏡，所設(shè)計光子晶體使得拉曼光位于帶隙處，泵浦光位于靠近帶邊的通帶處；光子晶體后端反射鏡6的光子晶體排數(shù)較多，7排以上，對信號光和泵浦光的反射率都很高。所述光子晶體的空氣孔大小及間距與其工作波長可比擬的，光子晶體的帶隙所在波長范圍即工作波長與激光器諧振腔的諧振波長為可比擬的。
所述脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的便于單片集成的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展性，光子晶體前端反射鏡5處既是泵浦光的輸入端，也是信號光的輸出端，可以在光子晶體前端反射鏡5的外側(cè)加一傾斜45°放置的光子晶體反射鏡，可以將信號光反射出與腔的垂直方向，這樣便于與其他器件的集成。
光子晶體前端反射鏡5的參數(shù)滿足對泵浦光具有高透射，對信號光具有較高反射的作用，光子晶體后端反射鏡6參數(shù)滿足對泵浦光和輸出激光具有高反射作用。兩個光子晶體反射鏡的制作方法如下在SOI的頂層硅7上生長200nm左右厚度的SiO2，在SiO2上均勻涂覆200nm左右的光刻膠，利用電子束制版方法在光刻膠上在對應(yīng)于脊形波導(dǎo)的兩端面的位置定義圖形，然后分別以光刻膠和SiO2作掩模在頂層硅7上干法刻蝕方法形成光子晶體結(jié)構(gòu)，干法刻蝕方法可以采用反應(yīng)離子束或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕方法，形成結(jié)構(gòu)如圖5所示，黑色圓代表刻蝕的空氣孔。作為其中一實例，光子晶體前端反射鏡5晶格取為0.26λ，孔徑0.08λ，光子晶體后端反射鏡6晶格常數(shù)0.30λ，孔徑0.09λ，空氣孔的排列為三角晶格分布，空氣孔的深度即為SOI材料頂層硅7的厚度。二維光子晶體與脊形波導(dǎo)的結(jié)合方式請參閱圖5所示光子晶體前端反射鏡5和光子晶體后端反射鏡6分別位于脊形波導(dǎo)2的前端面和后端面處，光子晶體前端反射鏡5和光子晶體后端反射鏡6的空氣孔的方向垂直于脊形波導(dǎo)2。
本發(fā)明的實現(xiàn)過程是結(jié)合參閱圖3，圖3是本發(fā)明實施例的示意圖，拉曼激光器開始工作時在P-N結(jié)的N型硅3和P型硅4之間加大約20V左右電壓，泵浦激光采用Er離子放大器放大的1550nm的半導(dǎo)體激光，功率大約4W，泵浦光從光子晶體前端反射鏡5處入射，光子晶體前端反射鏡5對泵浦光具有高透射作用，泵浦光進(jìn)入螺旋形的脊形波導(dǎo)2，脊形波導(dǎo)2的材料硅即為拉曼增益介質(zhì)，泵浦光激發(fā)脊形波導(dǎo)2硅材料得到受激拉曼散射光，當(dāng)泵浦光到達(dá)脊形波導(dǎo)2的另一端面光子晶體后端反射鏡6處，光子晶體后端反射鏡6對泵浦光具有高反射作用，泵浦光幾乎全部被反射回脊形波導(dǎo)2中，在脊形波導(dǎo)2中傳播放大，得到更強(qiáng)的受激拉曼散射光，當(dāng)泵浦光到達(dá)光子晶體前端反射鏡5處，出射拉曼激光。光子晶體前端反射鏡5和后端反射鏡6均對脊形波導(dǎo)中的受激拉曼散射光具有高反射作用，光子晶體后端反射鏡6對受激拉曼散射光的反射率達(dá)到99.99％以上，光子晶體前端反射鏡5對受激拉曼散射光具有70％左右的反射，當(dāng)脊形波導(dǎo)2中介質(zhì)的增益大于損耗時，受激拉曼散射光在脊形波導(dǎo)2中來回振蕩，形成激光在光子晶體前端反射鏡5處出射。
激光器的諧振波長取決于脊形波導(dǎo)2的長度，而激光器的兩個諧振腔端面對泵浦光和激光的反射率取決于光子晶體前端反射鏡5和光子晶體后端反射鏡6中空氣孔的排數(shù)，反射波長取決于空氣孔的大小及間隔，我們可以通過幾何設(shè)計滿足器件的工作需要。脊形波導(dǎo)并不限于圖3所示彎曲形狀，也可以是其他形狀，只要滿足拉曼增益大于傳輸光損耗形成激光振蕩。
權(quán)利要求
1.一種脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，包括一SOI材料；一脊形波導(dǎo)，該脊形波導(dǎo)做在SOI材料上；一P型硅，該P型硅制作在脊形波導(dǎo)的一側(cè)邊；一N型硅，該N型硅制作在脊形波導(dǎo)的另一側(cè)邊；一光子晶體后端反射鏡，該光子晶體后端反射鏡位于脊形波導(dǎo)的后端，刻蝕在SOI材料上；一光子晶體前端反射鏡，該光子晶體前端反射鏡位于脊形波導(dǎo)的輸入端，刻蝕在SOI材料上；該光子晶體前端反射鏡和光子晶體后端反射鏡和脊形波導(dǎo)組成激光器的諧振腔，光子晶體對光起到全反射鏡的作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中SOI材料包括一硅襯底；一二氧化硅絕緣層，該二氧化硅絕緣層制作在硅襯底上；一頂層硅，該頂層硅制作在二氧化硅絕緣層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中二氧化硅絕緣層的厚度為1-2微米，頂層硅的厚度為1-5微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中脊形波導(dǎo)為滿足脊形波導(dǎo)單模條件的單模波導(dǎo)，波導(dǎo)截面為梯形或矩形，整體呈螺旋形或矩形或之字形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中光子晶體前端反射鏡和光子晶體后端反射鏡為三角晶格或方形晶格，光子晶體前端反射鏡排數(shù)較少，取4排左右，為入射腔鏡，所設(shè)計光子晶體使得拉曼光位于帶隙處，泵浦光位于靠近帶邊的通帶處；光子晶體后端反射鏡的光子晶體排數(shù)較多，為7排以上，對信號光和泵浦光的反射率高。
全文摘要
一種脊形波導(dǎo)與二維光子晶體相結(jié)合的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，包括一SOI材料；一脊形波導(dǎo)，該脊形波導(dǎo)做在SOI材料上；一P型硅，該P型硅制作在脊形波導(dǎo)的一側(cè)邊；一N型硅，該N型硅制作在脊形波導(dǎo)的另一側(cè)邊；一光子晶體后端反射鏡，該光子晶體后端反射鏡位于脊形波導(dǎo)的后端，刻蝕在SOI材料上；一光子晶體前端反射鏡，該光子晶體前端反射鏡位于脊形波導(dǎo)的輸入端，刻蝕在SOI材料上；該光子晶體前端反射鏡和光子晶體后端反射鏡和脊形波導(dǎo)組成激光器的諧振腔，光子晶體對光起到全反射鏡的作用。
文檔編號H01S5/10GK1877933SQ200510011900
公開日2006年12月13日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者許興勝, 王春霞, 陳弘達(dá) 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所