專利名稱：波長(zhǎng)可調(diào)諧的螺旋環(huán)形耦合微腔激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬集成光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種波長(zhǎng)可調(diào)諧的螺旋環(huán)形耦合微腔激光器。
背景技術(shù)：
近10-20年來(lái)，基于回音壁模式(Whispering-Gallery Modes,以下簡(jiǎn)稱WGM)的光學(xué)微 腔作為一種新型的集成光學(xué)器件，受到研究者的廣泛重視。光學(xué)微腔就是指光學(xué)微諧振腔， 即幾何尺度可以與光波長(zhǎng)比擬并且具有高品質(zhì)因子的諧振腔。WGM光學(xué)微腔利用了光在 微腔邊界上的全反射形成限制作用，不僅能將光場(chǎng)很好地約束在微米量級(jí)，還可以從空間 電磁場(chǎng)的連續(xù)模式中產(chǎn)生少數(shù)幾個(gè)離散的光學(xué)模式。WGM微腔的優(yōu)點(diǎn)是腔內(nèi)光子壽命長(zhǎng)， 損耗低，品質(zhì)因子(Q)高。因此，WGM光學(xué)微腔器件被認(rèn)為在基礎(chǔ)物理、非線性光學(xué)、 光通信、光學(xué)傳感等眾多領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。但是因?yàn)槠胀ǖ腤GM光學(xué)微腔 的形狀為圓形，激光只能沿著圓的切線方向向外出射，因而出射激光的方向性很差。而且 只有很少的能量可以耦合出來(lái)。近年來(lái)，為了得到方向性出射的激光，人們對(duì)于變形的微 腔進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。通過(guò)改變微腔的形狀，使光在曲率比較高的區(qū)域出射，形成方向 性的激光出射。這類激光諧振腔的典型代表就是三角形微腔，方形微腔，六角形微腔，橢 圓微腔，以及體育場(chǎng)型微腔。上述的各種變形微腔雖然能夠得到方向性的出射，作為光通信器件或者集成光學(xué)器件 而言還不夠好，因?yàn)樗鼈兊某錾浼す獾姆较蚝芏喽也蝗菀缀推渌墓鈱W(xué)器件進(jìn)行對(duì)接。 2003年，耶魯大學(xué)Grace Chern報(bào)導(dǎo)了一種螺旋型的微腔，這種微腔完全打破了對(duì)稱性， 并且具有單方向出射，非常適合與其它光學(xué)元件耦合，例如光波導(dǎo)，光柵，其余放大或者 調(diào)制的器件。然而，目前的螺旋型微腔由于腔的側(cè)壁輪廓完全不對(duì)稱性，因此，雖然激光 輸出具有單方向性出射，但輸出的波長(zhǎng)比較復(fù)雜且難以控制，并不適用于對(duì)輸出波長(zhǎng)以及 模式間距具有特殊要求的情況，比如，高精度的光學(xué)傳感檢測(cè)領(lǐng)域。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種波長(zhǎng)可調(diào)諧的螺旋環(huán)形耦合微腔激光器。本發(fā)明提出的波長(zhǎng)可調(diào)諧的螺旋環(huán)形耦合微腔激光器，由如下部分依次連接組成環(huán)形微腔l，螺旋環(huán)形微腔2以及輸出波導(dǎo)3，如圖1所示。本發(fā)明中，螺旋環(huán)形耦合微腔激光器的材料可以為半導(dǎo)體或其他有機(jī)、無(wú)機(jī)激光增益介質(zhì)材料。本發(fā)明中環(huán)形微腔1和螺旋環(huán)形微腔2相切或相交。兩者的尺寸分別在50微米到200 微米之間。螺旋環(huán)形微腔2的外圈輪廓由以下數(shù)學(xué)表達(dá)式所示r((t)"ro(l+s.(()/2兀)，式中r0 是初始半徑，s是偏離度，小是角度，也就是外圈輪廓呈螺旋線型分布。內(nèi)圈是一個(gè)圓形孔， 大小可以根據(jù)需要進(jìn)行控制。本發(fā)明中，輸出波導(dǎo)3的寬度和螺環(huán)形微腔外圈上的缺口的寬度相等，以便于相互連接。 輸出波導(dǎo)3將產(chǎn)生的激光耦合輸出，并使激光增益放大。當(dāng)激光器在電或光泵浦下達(dá)到激 射條件后，光分別在環(huán)形微腔1和螺旋環(huán)形微腔2內(nèi)沿外圈輪廓通過(guò)全反射進(jìn)行傳播并形 成回音壁模式激光。各腔內(nèi)的一部分能量的激光通過(guò)兩腔之間相切或相交部分散射而耦合 到另一個(gè)腔中，因此，兩個(gè)腔內(nèi)的諧振模式發(fā)生相干干涉，從而使得腔內(nèi)的波長(zhǎng)發(fā)生調(diào)制。 因?yàn)榧す獾闹C振模式取決于激光諧振腔的長(zhǎng)度，所以，可以通過(guò)控制環(huán)形微腔l或螺旋環(huán) 形微腔2的大小來(lái)達(dá)到調(diào)制諧振波長(zhǎng)的目的，而一部分受到調(diào)制的激光通過(guò)波導(dǎo)3放大輸 出。該激光器不僅保持了螺旋型微腔的單方向性輸出，品質(zhì)因子高等特點(diǎn)，而且，還具有 輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于制備多功能、高性能的集成光學(xué)傳感芯片的光源， 這種微腔激光器的波長(zhǎng)適用范圍可從深紫外到遠(yuǎn)紅外。


圖1是螺旋環(huán)形耦合微腔激光器示意圖。圖2是有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合螺旋環(huán)形耦合微腔激光器的顯微鏡形貌圖。 圖3是單個(gè)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合螺旋環(huán)形激光器的光譜圖。 圖4是有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合螺旋環(huán)形耦合微腔激光器的光譜圖。 圖中標(biāo)號(hào)1.環(huán)形微腔，2.螺旋環(huán)形微腔，3.輸出波導(dǎo)。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)具體實(shí)例進(jìn)一步描述本發(fā)明實(shí)例用來(lái)制備微腔激光器的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料是由甲基丙烯酸丙脂基三甲氧基硅垸(MAPTMS)、甲基丙烯酸(MAA)和丙氧基鋯烷(Zr(OC3H7)4)三種材料經(jīng)水解聚合而 成。復(fù)合材料的無(wú)機(jī)網(wǎng)格是由MAPTMS的無(wú)機(jī)部分和Zr(OC3H7)4通過(guò)水解聚合形成的二 氧化硅和二氧化鋯網(wǎng)格組成，Zr(OC3H7)4的加入可以控制材料的折射率。MAPTMS的有機(jī) 部分通過(guò)加入光引發(fā)劑在紫外光照下聚合或與MAA聚合，形成復(fù)合材料的有機(jī)網(wǎng)格部分。 利用溶膠-凝膠法配制該有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料溶液，并在其中摻雜一定比例的有機(jī)熒光染 料若丹明B (RhB)作為激光的增益介質(zhì)；其次，利用旋涂甩膜法和紫外光刻工藝在具有 厚二氧化硅層的硅片上制備微腔激光器。微腔激光器采用光泵浦，泵浦光為Nd:YAG皮秒激光的倍頻綠光(波長(zhǎng)為532 nm)， 并通過(guò)一個(gè)聚焦透鏡，垂直地照射在微腔上。在微腔的側(cè)面，用一個(gè)收集透鏡收集出射激 光，通過(guò)光纖束將光信號(hào)送到單色儀進(jìn)行光譜分析。并且，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)來(lái)測(cè)量不 同方向的激光出射強(qiáng)度和光譜。圖2表示的是有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合螺旋環(huán)形耦合微腔激光器的顯微鏡形貌圖。圖3所示的是單個(gè)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合螺旋環(huán)形微腔激光器的光譜圖。該激光器的初始半徑 r0=50微米，從圖上可知，單個(gè)螺旋環(huán)形微腔激光器的輸出波長(zhǎng)很復(fù)雜，很難對(duì)其中某一 個(gè)特定波長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)。圖4表示的是在同一個(gè)泵浦條件下，螺旋環(huán)形耦合微腔激光器的光譜圖。其中環(huán)形微 腔的半徑為50微米，螺旋環(huán)形微腔的初始半徑rcr50微米。從圖上可知，螺旋環(huán)形微腔的 輸出波長(zhǎng)受到了環(huán)形微腔的調(diào)制，輸出模式簡(jiǎn)單且有較寬的模式間距，可以較容易的對(duì)某 一特定波長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，非常適用于光學(xué)傳感系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1、一種波長(zhǎng)可調(diào)諧的螺旋環(huán)形耦合微腔激光器，其特征在于由如下部分依次連接組成環(huán)形微腔(1)，螺旋環(huán)形微腔(2)以及一根輸出波導(dǎo)(3)；其中環(huán)形微腔(1)和螺旋環(huán)形微腔(2)相切或相交。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)諧的螺旋環(huán)形耦合微腔激光器，其特征在于微腔 激光器的材料是半導(dǎo)體或有機(jī)、無(wú)機(jī)激光增益介質(zhì)材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)諧的螺旋環(huán)形耦合微腔激光器，其特征在于輸出 波導(dǎo)(3)的寬度和螺旋環(huán)形微腔(2)缺口的寬度相等，輸出波導(dǎo)(3)為直波導(dǎo)或彎曲 波導(dǎo)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長(zhǎng)可調(diào)諧的螺旋環(huán)形耦合微腔激光器，其特征在于所述 環(huán)形微腔(1)和螺旋環(huán)形微腔(2)的尺寸在50微米到200微米之間。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成光學(xué)器件技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種波長(zhǎng)可調(diào)諧的螺旋環(huán)形耦合微腔激光器。該激光器由環(huán)形微腔、螺旋環(huán)形微腔和一根輸出波導(dǎo)依次連接組成。該激光器具有單方向性輸出、品質(zhì)因子高以及輸出波長(zhǎng)可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于制備多功能、高性能的集成光學(xué)傳感芯片的光源，這種微腔激光器的波長(zhǎng)適用范圍可從深紫外到遠(yuǎn)紅外。
文檔編號(hào)H01L27/15GK101257189SQ20081003403
公開(kāi)日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者劉麗英, 翔 吳, 雷 徐, 皓 李 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)