一種二維硅基光子晶體微納波導(dǎo)激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學(xué)激光設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種二維硅基光子晶體微納波導(dǎo)激光器；泵浦源、耦合系統(tǒng)、二色鏡、二維硅基光子晶體結(jié)構(gòu)和二向色鏡依次放置組成激光器；其中，二維硅基光子晶體結(jié)構(gòu)包括二維硅基、耦合區(qū)散射元、耦合區(qū)散射元間隙、耦合區(qū)波導(dǎo)、激發(fā)區(qū)散射元、激發(fā)區(qū)散射元間隙、耦合波導(dǎo)腔、含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)、傳輸區(qū)波導(dǎo)、傳輸區(qū)散射元和傳輸區(qū)散射元間隙，依次分成耦合區(qū)、激發(fā)區(qū)和傳輸區(qū)；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理可靠，體積小，閾值低，穩(wěn)定性高，成本低，操作靈便，光的耦合和傳輸效率高。
【專利說(shuō)明】 一種二維硅基光子晶體微納波導(dǎo)激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)激光設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種新型光子晶體激光器，特別是一種波長(zhǎng)在1030nm、Yb3+為激光活性離子、低損耗的二維硅基光子晶體微納波導(dǎo)激光器。
【背景技術(shù)】:
[0002]目前，激光器，特別是固體激光器在光通信、光存儲(chǔ)和光顯示等基礎(chǔ)光學(xué)領(lǐng)域，以及雷達(dá)系統(tǒng)、生物技術(shù)和醫(yī)療器械等高科技行業(yè)都有重要應(yīng)用，隨著科技的不斷發(fā)展，激光在這些領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，推進(jìn)了激光器制備技術(shù)的極大發(fā)展，固體激光器主要有燈泵浦固體激光器、二極管泵浦固體激光器、激光泵浦固體激光器和光纖激光器等，激光晶體材料所用的激活離子多采用稀土離子和過(guò)渡金屬離子；基質(zhì)晶體更為寬泛，可采用氧化物晶體、氟化物晶體、含氧酸鹽晶體等，但是傳統(tǒng)的固體激光器對(duì)晶體材料本身的要求很高，因此也受到晶體的質(zhì)量、加工、鍍膜等因素，以及傳輸、散熱等周邊因素的影響。
[0003]近十年來(lái)，微納激光器發(fā)展迅速，美國(guó)首先制作出氧化鋅(ZnO)室溫紫外輻射納米激光器，其他微納結(jié)構(gòu)激光器也應(yīng)運(yùn)而生，這類激光器對(duì)晶體的質(zhì)量和加工要求相對(duì)低些；只需要很少能量就可以發(fā)射激光，且常溫下可以工作，效率極高而能量閾值卻很低，可以瞬時(shí)開關(guān)，尺寸小，便于光學(xué)集成，正因?yàn)槿绱?，此類激光器發(fā)展迅速，可以廣泛用于化學(xué)物質(zhì)鑒別，生物傳感器，顯微術(shù)和激光外科，以及光計(jì)算、自動(dòng)調(diào)控開光和激光集成芯片等信息儲(chǔ)存和加速信息處理等很多方面。
[0004]光子晶體是近二十幾年來(lái)出現(xiàn)的一種新型材料結(jié)構(gòu)，它具有禁帶特性、光子局域和低損耗傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，可提供不同于以前的電磁波傳播和控制方法，光子晶體成為國(guó)內(nèi)外物理、化學(xué)、材料、通信等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，光子晶體研究不僅在理論和制作技術(shù)方面取得了很多重要的成果，在應(yīng)用方面光子晶體已由微波通信、太赫茲器件，向光子芯片、太陽(yáng)能電池、生物傳感和隱身技術(shù)等多領(lǐng)域拓展。在固體激光器方面，光子晶體的帶隙效應(yīng)可以提高反射率，高Q值微腔可以降低閾值，提高耦合增益，光子晶體還可以控制傳輸頻率、偏振和抑制自輻射等，光子晶體的這些特殊物理效應(yīng)，使光子晶體開始應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器和光纖激光器，并出現(xiàn)了缺陷模式激光器、帶邊模式激光器、光子晶體反射鏡激光器和有源波導(dǎo)腔激光器等，但目前，光子晶體激光器多為InGaAsP、GaAs, AlGaAs和半導(dǎo)體氧化物等材料形成的結(jié)構(gòu)，受到半導(dǎo)體激光材料閾值、能帶、單色性和輻射功率等因素的影響；研究表明:三階稀土離子Yb3+已成為繼Nd3+之后最重要的激光活性離子，因?yàn)樗哂凶詈?jiǎn)單的能級(jí)結(jié)構(gòu)，只有2F5/2和2F7/2兩個(gè)能態(tài)，避免激光發(fā)射過(guò)程中的許多不利作用，如果將Yb3+活性離子摻雜到光子晶體微腔，并使光子晶體結(jié)構(gòu)在耦合區(qū)、激勵(lì)源區(qū)和傳輸區(qū)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，利用光子晶體禁帶特性對(duì)光子態(tài)的調(diào)制作用，可以突破傳統(tǒng)激光器的性能瓶頸，不僅獲得更高的自發(fā)輻射的效率，而且可以獲得比傳統(tǒng)激光器更靈活的有源微納結(jié)構(gòu)，提高激勵(lì)源區(qū)的增益，實(shí)現(xiàn)激光器的無(wú)閾值工作和單模低損耗、高功率傳輸；光子晶體微納波導(dǎo)激光器還可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體積小、便于集成、傳輸方向和分光靈活等優(yōu)勢(shì)，目前Yb3+已有在光纖激光器中的研究，但是尚未見有以Yb3+等為激光活性離子、集耦合、激發(fā)和傳輸為一體的光子晶 體微納波導(dǎo)激光器出現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，尋求設(shè)計(jì)一種便于集成和加工的新型二維硅基光子晶體微納波導(dǎo)激光器，將光子晶體的禁帶特性、慢光特性等特點(diǎn)與Yb3+活性離子的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，在光子晶體微腔內(nèi)注入Yb3+活性離子，通過(guò)耦合、激發(fā)和傳輸三個(gè)過(guò)程有機(jī)結(jié)合。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的激光器主體結(jié)構(gòu)包括泵浦源、耦合系統(tǒng)、二色鏡、二維硅基光子晶體結(jié)構(gòu)和二向色鏡，各部件依次放置組成激光器；其中，二維硅基光子晶體結(jié)構(gòu)包括二維硅基、耦合區(qū)散射元、耦合區(qū)散射元間隙、耦合區(qū)波導(dǎo)、激發(fā)區(qū)散射元、激發(fā)區(qū)散射元間隙、耦合波導(dǎo)腔、含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)、傳輸區(qū)波導(dǎo)、傳輸區(qū)散射元和傳輸區(qū)散射元間隙，依次分成耦合區(qū)、激發(fā)區(qū)和傳輸區(qū)；耦合區(qū)散射元、耦合區(qū)散射元間隙和耦合區(qū)波導(dǎo)設(shè)置在二維硅基的左側(cè)構(gòu)成耦合區(qū)，耦合區(qū)的兩側(cè)均為圓弓形或橢圓形的耦合區(qū)散射元，耦合區(qū)散射元之間形成耦合區(qū)散射元間隙；兩側(cè)耦合區(qū)散射元的中間結(jié)構(gòu)為耦合區(qū)波導(dǎo)，耦合區(qū)波導(dǎo)的寬度為晶格常數(shù)的1-2倍，耦合區(qū)的禁帶范圍為泵浦源產(chǎn)生的泵浦光波長(zhǎng)，使泵浦光沿著耦合區(qū)波導(dǎo)傳播，不能向兩側(cè)的耦合區(qū)散射元擴(kuò)散；激發(fā)區(qū)散射元、激發(fā)區(qū)散射元間隙、耦合波導(dǎo)腔和含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)設(shè)置在二維硅基的中間部位構(gòu)成激發(fā)區(qū)，激發(fā)區(qū)的兩側(cè)為激發(fā)區(qū)散射元，中間為耦合腔波，激發(fā)區(qū)散射元之間形成激發(fā)區(qū)散射元間隙；激發(fā)區(qū)的禁帶帶寬為激光活性離子激光發(fā)射譜線的波長(zhǎng)，耦合波導(dǎo)腔設(shè)置有I?6個(gè)，每個(gè)耦合波導(dǎo)腔的形狀根據(jù)晶格形狀確定，耦合波導(dǎo)腔的邊長(zhǎng)為η倍晶格常數(shù)η倍的微腔，或?yàn)檫呴L(zhǎng)分別為η倍和(η+2)倍晶格常數(shù)的矩形微腔，η為自然數(shù)；耦合波導(dǎo)腔內(nèi)填充有含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)，含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)為氧化物、氟化物或含氧酸鹽物質(zhì)，包括銥鋁石Y3Al5G12 (YAG)、釩酸釔YVO4、二氧化硅(Silica)和硅酸鹽(Silicate);激光活性離子為Yb3+、Nd3+或Er3+的稀土離子；傳輸區(qū)波導(dǎo)、傳輸區(qū)散射兀和傳輸區(qū)散射兀間隙設(shè)置在二維娃基的右側(cè)構(gòu)成傳輸區(qū)，傳輸區(qū)的兩側(cè)為傳輸區(qū)散射元，傳輸區(qū)散射元的大小與激發(fā)區(qū)散射元相同，傳輸區(qū)的禁帶帶寬為激光活性離子激光發(fā)射譜線的波長(zhǎng)；相鄰的傳輸區(qū)散射兀之間形成傳輸區(qū)散射兀間隙；傳輸區(qū)III的中間為傳輸區(qū)波導(dǎo)，傳輸區(qū)波導(dǎo)設(shè)置有1-5個(gè)分支波導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)激光的轉(zhuǎn)向和分束功能，傳輸區(qū)波導(dǎo)充分利用光子晶體的禁帶特性，使激發(fā)區(qū)產(chǎn)生的激光只能在傳輸區(qū)波導(dǎo)傳輸，不能向兩側(cè)有散射元的部分?jǐn)U散；二維硅基采用市售的二維硅片或SOI材料，其加工深度為硅層厚度的1/5-2/3 ;泵浦源為二極管泵浦激光器或光纖激光器；耦合系統(tǒng)、二色鏡和二向色鏡為常規(guī)的市售產(chǎn)品。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理可靠，體積小，閾值低，穩(wěn)定性高，成本低，操作靈便，光的耦合和傳輸效率高。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0008]圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)組裝原理示意圖。
[0009]圖2為本發(fā)明涉及的二維硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0010]圖3為本發(fā)明實(shí)施例涉及的Yb3+活性離子的吸收譜線，其中橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為吸收強(qiáng)度。
[0011]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中Yb3+活性離子的激發(fā)譜線，其中橫軸為波長(zhǎng)；縱軸為激發(fā)強(qiáng)度。
[0012]圖5為本發(fā)明涉及的耦合波導(dǎo)腔個(gè)數(shù)與輸出功率的曲線圖，其中橫軸為耦合波導(dǎo)腔的個(gè)數(shù)；縱軸為光-光轉(zhuǎn)換效率。
[0013]圖6為本發(fā)明實(shí)施例2的主體結(jié)構(gòu)組裝原理示意圖。
[0014]圖7為本發(fā)明實(shí)施例2涉及的二維硅基光子晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0015]圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中Yb3+活性離子的激發(fā)譜線，其中橫軸為波長(zhǎng)；縱軸為激發(fā)強(qiáng)度。
【具體實(shí)施方式】:
[0016]下面通過(guò)實(shí)施例并結(jié)合附圖作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]本實(shí)施例涉及的激光器主體結(jié)構(gòu)包括泵浦源1、耦合系統(tǒng)2、二色鏡3、二維硅基光子晶體結(jié)構(gòu)4和二向色鏡5，各部件依次放置組成激光器；其中，二維硅基光子晶體結(jié)構(gòu)4包括二維硅基6、耦合區(qū)散射元7、耦合區(qū)散射元間隙8、耦合區(qū)波導(dǎo)9、激發(fā)區(qū)散射元10、激發(fā)區(qū)散射兀間隙11、稱合波導(dǎo)腔12、含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)13、傳輸區(qū)波導(dǎo)14、傳輸區(qū)散射元15和傳輸區(qū)散射元間隙16，依次分成耦合區(qū)1、激發(fā)區(qū)II和傳輸區(qū)III ;耦合區(qū)散射元7、耦合區(qū)散射元間隙8和耦合區(qū)波導(dǎo)9設(shè)置在二維硅基6的左側(cè)構(gòu)成耦合區(qū)I，耦合區(qū)I的兩側(cè)均為圓弓形或橢圓形的耦合區(qū)散射元7，耦合區(qū)散射元7之間形成耦合區(qū)散射元間隙8 ;兩側(cè)耦合區(qū)散射元7的中間結(jié)構(gòu)為耦合區(qū)波導(dǎo)9，耦合區(qū)波導(dǎo)9的寬度為晶格常數(shù)的1-2倍，耦合區(qū)I的禁帶范圍為泵浦源I產(chǎn)生的泵浦光波長(zhǎng)，使泵浦光沿著耦合區(qū)波導(dǎo)9傳播，不能向兩側(cè)的耦合區(qū)散射元7擴(kuò)散；激發(fā)區(qū)散射元10、激發(fā)區(qū)散射元間隙11、耦合波導(dǎo)腔12和含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)13設(shè)置在二維硅基6的中間部位構(gòu)成激發(fā)區(qū)II，激發(fā)區(qū)II的兩側(cè)為激發(fā)區(qū)散射元10，中間為耦合腔波12，激發(fā)區(qū)散射元10之間形成激發(fā)區(qū)散射元間隙11 ;激發(fā)區(qū)II的禁帶帶寬為激光活性離子激光發(fā)射譜線的波長(zhǎng)，耦合波導(dǎo)腔12設(shè)置有I?6個(gè)，每個(gè)耦合波導(dǎo)腔12的形狀根據(jù)晶格形狀確定，耦合波導(dǎo)腔12的邊長(zhǎng)為η倍晶格常數(shù)η倍的微腔，或?yàn)檫呴L(zhǎng)分別為η倍和(η+2)倍晶格常數(shù)的矩形微腔，η為自然數(shù)；耦合波導(dǎo)腔12內(nèi)填充有含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)13，含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)13為氧化物、氟化物或含氧酸鹽物質(zhì)，包括銥鋁石Y3Al5G12 (YAG)、釩酸釔YVO4、二氧化硅(SiIica)和硅酸鹽(Silicate);激光活性離子為Yb3+、Nd3+或Er3+的稀土離子；傳輸區(qū)波導(dǎo)14、傳輸區(qū)散射兀15和傳輸區(qū)散射兀間隙16設(shè)置在二維娃基6的右側(cè)構(gòu)成傳輸區(qū)III，傳輸區(qū)III的兩側(cè)為傳輸區(qū)散射兀15,傳輸區(qū)散射兀15的大小與激發(fā)區(qū)散射兀10相同,傳輸區(qū)III的禁帶帶寬為激光活性離子激光發(fā)射譜線的波長(zhǎng)；相鄰的傳輸區(qū)散射元15之間形成傳輸區(qū)散射元間隙16 ;傳輸區(qū)III的中間為傳輸區(qū)波導(dǎo)14，傳輸區(qū)波導(dǎo)設(shè)置有有1-5個(gè)分支波導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)激光的轉(zhuǎn)向和分束功能，傳輸區(qū)波導(dǎo)14充分利用光子晶體的禁帶特性，使激發(fā)區(qū)II產(chǎn)生的激光只能在傳輸區(qū)波導(dǎo)14傳輸，不能向兩側(cè)有散射元的部分?jǐn)U散；二維硅基6采用市售的二維硅片或SOI材料，其加工深度為硅層厚度的1/5-2/3 ;泵浦源I為二極管泵浦激光器或光纖激光器；稱合系統(tǒng)2、二色鏡3和二向色鏡5為常規(guī)的市售產(chǎn)品。
[0018]實(shí)施例1:[0019]本實(shí)施例涉及的耦合區(qū)散射元7、激發(fā)區(qū)散射元10和傳輸區(qū)散射元15均為圓弓形散射元，激光活性離子為Yb3+，二維硅基6采用厚度為500 μ m的二維硅片，二維硅基6除了散射元的其他位置的加工深度為100 μ m，圓弓形散射元的中心在硅表面都呈六邊形排列，且晶格常數(shù)a=580nm不變，相鄰散射元的中心距離等于晶格常數(shù)a，二維硅基6的左端為耦合區(qū)I，泵浦源I采用帶穩(wěn)定光柵的二極管泵浦激光器，其工作波長(zhǎng)為980nm，耦合區(qū)I的禁帶中心波長(zhǎng)為980nm，由平面波展開法確定耦合區(qū)散射元7的長(zhǎng)軸和短軸分別為220nm和180nm,耦合區(qū)散射元7比激發(fā)區(qū)散射元10和傳輸區(qū)散射元15小，因此耦合區(qū)散射元間隙8比激發(fā)區(qū)散射元間隙11和傳輸區(qū)散射元間隙16大；為提高耦合效率，耦合區(qū)波導(dǎo)9兩側(cè)的八排耦合區(qū)散射元7對(duì)稱縮進(jìn)，總體不破壞六邊排列結(jié)構(gòu)；二維硅基6的中部為激發(fā)區(qū)II，由于Yb3+活性離子的激發(fā)波長(zhǎng)在1030nm，所以激發(fā)區(qū)散射元10和傳輸區(qū)散射元15組成結(jié)構(gòu)的禁帶中心波長(zhǎng)都在1030nm附近，由平面波展開法可以確定激發(fā)區(qū)散射元10的長(zhǎng)軸和短軸分別為230nm和185nm ;激發(fā)區(qū)II的中心位置有三個(gè)耦合波導(dǎo)腔12，每個(gè)耦合波導(dǎo)腔12以中軸對(duì)稱，呈六邊形結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)為2a，即1160nm ;每個(gè)耦合波導(dǎo)腔12的內(nèi)部填充注入濃度為5.26at.%的Yb3+活性離子、基質(zhì)為銥鋁石Y3Al5G12 (YAG)的含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)13 ;二維硅基6的右端為傳輸區(qū)III，傳輸區(qū)散射元15組成結(jié)構(gòu)的禁帶中心波長(zhǎng)在1030nm，傳輸區(qū)散射元15的長(zhǎng)軸和短軸分別為230nm和185nm ;傳輸區(qū)波導(dǎo)14兩側(cè)的八排傳輸區(qū)散射元15對(duì)稱向右伸展，總體不破壞六邊排列的結(jié)構(gòu)；二色鏡3是鍍膜HT@980nm且HRil030nm的二色鏡；二向色鏡5是鍍膜HT@1030nm且HR@980nm的二色鏡，二極管泵浦源I產(chǎn)生的光源經(jīng)過(guò)耦合系統(tǒng)2輸入二色鏡3，進(jìn)入二維硅基光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4:先在二維硅基光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)I耦合，接著進(jìn)入激發(fā)區(qū)II，被Yb3+活性離子吸收，并激發(fā)和不斷放大出1030nm激光,然后由傳輸區(qū)III定向傳輸,最后由二向色鏡5輸出激光，圖3為Yb3+活性離子的吸收譜線，可見其吸收峰在980nm ;圖4為實(shí)施例1中Yb3+活性離子的激發(fā)譜線，可見其激發(fā)峰在1030nm ;圖5為耦合波導(dǎo)腔個(gè)數(shù)與輸出功率的曲線，可見在只有一個(gè)腔的情況下，光-光功率的轉(zhuǎn)換效率為67%，而有三個(gè)腔時(shí)，光-光功率的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到80%,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率,說(shuō)明這種激光器輸出損耗很低而穩(wěn)定。
[0020]實(shí)施例2:
[0021]本實(shí)施例設(shè)有兩個(gè)二向色鏡5，涉及的耦合區(qū)散射元7、激發(fā)區(qū)散射元10和傳輸區(qū)散射元15均為橢圓形四方排列散射元，激光活性離子是Yb3+，二維硅基6選用市售硅層厚度為300 μ m的SOI材料，二維硅基6的硅層除了散射元的其他位置的加工深度為100 μ m,耦合區(qū)散射元7、激發(fā)區(qū)散射元10和傳輸區(qū)散射元15的晶格常數(shù)a=560nm不變，相鄰散射元的中心距離等于晶格常數(shù)a，不同區(qū)的散射元大小根據(jù)要求的禁帶波長(zhǎng)，由平面波展開法求得；二維硅基6的左端為耦合區(qū)I，泵浦源I采用帶穩(wěn)定光柵的二極管泵浦激光器，其工作波長(zhǎng)為980nm，耦合區(qū)I的禁帶中心波長(zhǎng)在980nm，由平面波展開法確定耦合區(qū)散射元7的長(zhǎng)軸和短軸分別為210nm和168nm，耦合區(qū)散射元7比激發(fā)區(qū)散射元10和傳輸區(qū)散射元15小，因此耦合區(qū)散射元間隙8比激發(fā)區(qū)散射元間隙11和傳輸區(qū)散射元間隙16大；為提高耦合效率，耦合區(qū)波導(dǎo)9兩側(cè)的八排耦合區(qū)散射元7對(duì)稱縮進(jìn)，總體不破壞四方排列的結(jié)構(gòu)；；二維硅基6的中部為激發(fā)區(qū)II，由于Yb3+活性離子的激發(fā)波長(zhǎng)在1030nm，所以激發(fā)區(qū)散射元10和傳輸區(qū)散射元15組成結(jié)構(gòu)的禁帶中心波長(zhǎng)都在1030nm附近，由平面波展開法確定激發(fā)區(qū)散射元10的長(zhǎng)軸和短軸分別為220nm和176nm ;激發(fā)區(qū)II的中心位置有三個(gè)耦合波導(dǎo)腔12，每個(gè)耦合波導(dǎo)腔12以中軸對(duì)稱，呈四方結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)為3a ;每個(gè)耦合波導(dǎo)腔12的內(nèi)部填充注入濃度為5.56at.%的Yb3+活性離子和基質(zhì)為二氧化硅的含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)13 ;二維硅基6的右端為傳輸區(qū)III，傳輸區(qū)散射元15的禁帶中心波長(zhǎng)在1030nm，傳輸區(qū)散射兀15的長(zhǎng)軸和短軸分別為220nm和176nm ;傳輸區(qū)散射兀15沒(méi)有破壞四方排列結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有對(duì)稱地向右伸展或收縮，但傳輸區(qū)波導(dǎo)14分為不同方向的兩個(gè)波導(dǎo)，在能量幾乎不損耗的情況下，不僅改變激光的方向，還起到分光的作用；二色鏡3采用鍍膜HT@980nm且HR@1030nm的二色鏡；兩個(gè)二向鏡5均為鍍膜HT@1030nm且HR@980nm的二色鏡；泵浦源I產(chǎn)生的光源經(jīng)過(guò)耦合系統(tǒng)2輸入二色鏡3，接著進(jìn)入二維硅基光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4，先在二維硅基光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)4的耦合區(qū)I耦合，接著進(jìn)入激發(fā)區(qū)II，被Yb3+活性離子吸收，并激發(fā)和不斷放大出1030nm激光,然后由傳輸區(qū)III定向傳輸,并最后由兩個(gè)二向色鏡同時(shí)向不同方向輸出激光，圖8為本實(shí)施例中Yb3+活性離子的激發(fā)譜線，其激發(fā)峰也在1030nm。
【權(quán)利要求】
1.一種二維硅基光子晶體微納波導(dǎo)激光器，其特征在于主體結(jié)構(gòu)包括泵浦源、耦合系統(tǒng)、二色鏡、二維硅基光子晶體結(jié)構(gòu)和二向色鏡，各部件依次放置組成激光器；其中，二維硅基光子晶體結(jié)構(gòu)包括二維硅基、耦合區(qū)散射元、耦合區(qū)散射元間隙、耦合區(qū)波導(dǎo)、激發(fā)區(qū)散射元、激發(fā)區(qū)散射元間隙、耦合波導(dǎo)腔、含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)、傳輸區(qū)波導(dǎo)、傳輸區(qū)散射元和傳輸區(qū)散射元間隙，依次分成耦合區(qū)、激發(fā)區(qū)和傳輸區(qū)；耦合區(qū)散射元、耦合區(qū)散射元間隙和耦合區(qū)波導(dǎo)設(shè)置在二維硅基的左側(cè)構(gòu)成耦合區(qū)，耦合區(qū)的兩側(cè)均為圓弓形或橢圓形的耦合區(qū)散射元，耦合區(qū)散射元之間形成耦合區(qū)散射元間隙；兩側(cè)耦合區(qū)散射元的中間結(jié)構(gòu)為耦合區(qū)波導(dǎo)，耦合區(qū)波導(dǎo)的寬度為晶格常數(shù)的1-2倍，耦合區(qū)的禁帶范圍為泵浦源產(chǎn)生的泵浦光波長(zhǎng)，使泵浦光沿著耦合區(qū)波導(dǎo)傳播，不能向兩側(cè)的耦合區(qū)散射元擴(kuò)散；激發(fā)區(qū)散射元、激發(fā)區(qū)散射元間隙、耦合波導(dǎo)腔和含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)設(shè)置在二維硅基的中間部位構(gòu)成激發(fā)區(qū)，激發(fā)區(qū)的兩側(cè)為激發(fā)區(qū)散射元，中間為耦合腔波，激發(fā)區(qū)散射元之間形成激發(fā)區(qū)散射元間隙；激發(fā)區(qū)的禁帶帶寬為激光活性離子激光發(fā)射譜線的波長(zhǎng)，耦合波導(dǎo)腔設(shè)置有I?6個(gè)，每個(gè)耦合波導(dǎo)腔的形狀根據(jù)晶格形狀確定，耦合波導(dǎo)腔的邊長(zhǎng)為η倍晶格常數(shù)η倍的微腔，或?yàn)檫呴L(zhǎng)分別為η倍和η+2倍晶格常數(shù)的矩形微腔，η為自然數(shù)；耦合波導(dǎo)腔內(nèi)填充有含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)，含有激光活性離子的基質(zhì)物質(zhì)為氧化物、氟化物或含氧酸鹽物質(zhì)，包括銥鋁石Y3Al5G12、釩酸釔、二氧化硅和硅酸鹽；激光活性離子為Yb3+、Nd3+或Er3+的稀土離子；傳輸區(qū)波導(dǎo)、傳輸區(qū)散射元和傳輸區(qū)散射元間隙設(shè)置在二維娃基的右側(cè)構(gòu)成傳輸區(qū)，傳輸區(qū)的兩側(cè)為傳輸區(qū)散射兀，傳輸區(qū)散射兀的大小與激發(fā)區(qū)散射元相同，傳輸區(qū)的禁帶帶寬為激光活性離子激光發(fā)射譜線的波長(zhǎng)；相鄰的傳輸區(qū)散射兀之間形成傳輸區(qū)散射兀間隙；傳輸區(qū)III的中間為傳輸區(qū)波導(dǎo),傳輸區(qū)波導(dǎo)設(shè)置有1-5個(gè)分支波導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)激光的轉(zhuǎn)向和分束功能，傳輸區(qū)波導(dǎo)充分利用光子晶體的禁帶特性，使激發(fā)區(qū)產(chǎn)生的激光只能在傳輸區(qū)波導(dǎo)傳輸，不能向兩側(cè)有散射元的部分?jǐn)U散；二維硅基采用市售的二維硅片或SOI材料，其加工深度為硅層厚度的1/5-2/3 ;泵浦源為二極管泵浦激光器或光纖激光器；稱合系統(tǒng)、二色鏡和二向色鏡為常規(guī)的市售產(chǎn)品。
【文檔編號(hào)】H01S5/10GK103825196SQ201410086255
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】萬(wàn)勇, 葛曉輝, 高竟, 賈明輝 申請(qǐng)人:青島大學(xué)