一種芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器，包括稀土摻雜氧化硅微環(huán)芯腔和微納光纖，其中微納光纖處于所述氧化硅微環(huán)芯腔的一側(cè)，所述氧化硅微環(huán)芯腔通過(guò)如下方法制備得到：（1）通過(guò)溶膠凝膠法在硅片表面制備稀土摻雜的氧化硅薄膜；（2）在所述氧化硅薄膜表面上用光刻、刻蝕工藝制備出氧化硅微盤腔；（3）利用二氧化碳激光器對(duì)所述氧化硅微盤腔進(jìn)行加熱回流處理得到氧化硅微環(huán)芯腔。本發(fā)明的利用溶膠凝膠稀土摻雜方法制備得到的2微米波長(zhǎng)微型激光器具有芯片集成、微型化、穩(wěn)定、閾值低等特性，通過(guò)二氧化碳激光回流的功率及時(shí)間，可優(yōu)化腔內(nèi)的能量模式體積，得到品質(zhì)更優(yōu)的激光器。
【專利說(shuō)明】一種芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納光學(xué)器件領(lǐng)域，具體涉及一種利用溶膠凝膠稀土摻雜的方法制備2微米波長(zhǎng)微型激光器。

【背景技術(shù)】
[0002]2微米波長(zhǎng)的激光屬于人眼安全光譜范圍內(nèi)，可廣泛應(yīng)用于激光手術(shù)方面，且在激光傳感、材料處理和空間通信等方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。另外，微型激光器是一種非常重要的集成光學(xué)電子元器件，在光學(xué)集成電路及信息處理，生物傳感等方面都有著廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)今，氧化硅的微盤腔或微環(huán)芯腔已經(jīng)能很好的運(yùn)用成熟的集成工藝制備。同時(shí)，運(yùn)用微納光纖與微盤腔或微環(huán)芯腔的耦合制備激光器成為很熱門的研究科目，且微環(huán)芯腔激光器具有較低的閾值，和易于芯片集成等優(yōu)點(diǎn)。但是，至今尚沒(méi)有人研制出2微米波段的芯片集成的微型激光器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)微型激光器的不足，提供一種利用溶膠凝膠稀土摻雜方法制備的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器。
[0004]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的2微米波長(zhǎng)微型激光器可采用如下技術(shù)方案:
一種芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器,包括稀土摻雜的氧化娃微環(huán)芯腔和微納光纖，其中微納光纖位于所述氧化硅微環(huán)芯腔的一側(cè)，所述微型激光器的激光波長(zhǎng)為1750納米?2050納米，所述氧化硅微環(huán)芯腔通過(guò)以下方法制備得到:
(1)通過(guò)溶膠凝膠法在硅片表面制備稀土摻雜的氧化硅薄膜，其中，溶膠凝膠過(guò)程中摻入的稀土雜質(zhì)為銩離子和欽離子，銩離子和欽離子的濃度比為5-40 ；
(2)在所述氧化硅薄膜表面上用光刻、氫氟酸刻蝕和二氟化氙刻蝕工藝制備出氧化硅微盤腔，所述氧化硅微盤腔通過(guò)硅柱連接硅片；
(3)利用二氧化碳激光器對(duì)所述氧化硅微盤腔進(jìn)行加熱回流處理，所述二氧化碳激光器的功率為7?10W，加熱回流處理的時(shí)間為25?35秒，最終，制得氧化硅微環(huán)芯腔。
[0005]步驟I)中摻雜的銩離子和欽離子之間會(huì)形成能量轉(zhuǎn)移，進(jìn)而產(chǎn)生2微米波段的激光輸出。
[0006]有益效果:本發(fā)明的利用溶膠凝膠稀土摻雜方法制備得到的2微米波長(zhǎng)微型激光器具有芯片集成、微型化、穩(wěn)定、閾值低等特性，通過(guò)二氧化碳激光回流的功率及時(shí)間，可優(yōu)化腔內(nèi)的能量模式體積，得到品質(zhì)更優(yōu)的激光器。
[0007]更進(jìn)一步的，步驟(3)中利用二氧化碳激光器對(duì)所述氧化硅微盤腔進(jìn)行加熱回流處理包括以下步驟:首先用第一功率激光照射所述氧化硅微盤腔的表面10-15秒，得到初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，然后用第二功率激光照射所述初始狀態(tài)微環(huán)芯腔的表面15-20秒，最終，制得氧化硅微環(huán)芯腔，其中，第一功率激光的功率大于第二功率激光的功率，第一功率激光和第二功率激光的功率均為7?10W。本發(fā)明先通過(guò)第一功率激光將氧化硅微盤腔加熱成為初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，再通過(guò)第二功率激光加熱初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔得到材質(zhì)更加均勻的氧化硅微環(huán)芯腔，得到的激光器品質(zhì)更優(yōu)。
[0008]更進(jìn)一步的，所述第一功率激光的功率為10W，第一功率激光照射所述氧化硅微盤腔表面的時(shí)間為10秒，得到初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，所述第二功率激光的功率為7 W，第二功率激光照射所述初始狀態(tài)微環(huán)芯腔表面的時(shí)間為15秒。通過(guò)以上的過(guò)程對(duì)氧化硅微盤腔進(jìn)行加熱回流處理，得到的氧化硅微環(huán)芯腔材質(zhì)均勻度最佳，制備得到的激光器品質(zhì)最優(yōu)。
[0009]更進(jìn)一步的，所述微納光纖直徑為I微米?2微米。
[0010]更進(jìn)一步的，所述氧化硅微環(huán)芯腔的直徑為20微米?I毫米。
[0011]更進(jìn)一步的，步驟(I)中所述氧化硅薄膜的厚度為I微米?2微米。
[0012]本發(fā)明還公開(kāi)了一種芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器的制造方法，包括以下步驟:
a、首先用溶膠凝膠法制備氧化硅薄膜，其中，溶膠凝膠過(guò)程中摻入的稀土雜質(zhì)為銩離子和欽離子，銩離子和欽離子的濃度比為5-40 ；
b、在所述氧化硅薄膜表面上用光刻、氫氟酸刻蝕和二氟化氙刻蝕工藝制備出氧化硅微盤腔，所述氧化硅微盤腔通過(guò)硅柱連接硅片，所述硅柱的高度為；
C、利用二氧化碳激光器對(duì)所述氧化硅微盤進(jìn)行加熱回流處理，所述二氧化碳激光器的功率為7?10W，加熱回流處理的時(shí)間為25?35秒，最終，氧化硅微盤腔熔融成氧化硅微環(huán)芯腔；
d、將單模光纖拉制成直徑為I微米?2微米的微納光纖；
e、將步驟d得到的微納光纖靠近所述氧化硅微環(huán)芯腔，使二者之間的耦合達(dá)到最佳，得到芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器。
[0013]更進(jìn)一步的，步驟c中利用二氧化碳激光器對(duì)所述氧化硅微盤進(jìn)行加熱回流處理包括以下步驟:首先用第一功率激光照射所述氧化硅微盤腔的表面10-15秒，得到初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，然后用第二功率激光照射所述初始狀態(tài)微環(huán)芯腔的表面15-20秒，最終，制得氧化硅微環(huán)芯腔，其中，第一功率激光的功率大于第二功率激光的功率，第一功率激光和第二功率激光的功率均為7?10W。本發(fā)明先通過(guò)第一功率激光將氧化硅微盤腔加熱成為初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，再通過(guò)第二功率激光加熱初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔得到材質(zhì)更加均勻的氧化硅微環(huán)芯腔，得到的激光器品質(zhì)更優(yōu)。
[0014]更進(jìn)一步的，所述第一功率激光的功率為10W，第一功率激光照射所述氧化硅微盤腔表面的時(shí)間為10秒，得到初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，所述第二功率激光的功率為7 W，第二功率激光照射所述初始狀態(tài)微環(huán)芯腔表面的時(shí)間為15秒。通過(guò)以上的過(guò)程對(duì)氧化硅微盤腔進(jìn)行加熱回流處理，得到的氧化硅微環(huán)芯腔材質(zhì)均勻度最佳，制備得到的激光器品質(zhì)最優(yōu)。
[0015]更進(jìn)一步的，步驟c中所述的氧化硅微環(huán)芯腔的直徑為20微米?I毫米。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器的實(shí)驗(yàn)光學(xué)照片；
圖3是本發(fā)明的氧化硅微環(huán)芯腔的掃描電子顯微鏡照片；
圖4實(shí)施例1摻銩微環(huán)芯腔激光器的單模激光特性圖；
圖5實(shí)施例1摻銩微環(huán)芯腔激光器的多模激光特性圖；
圖6實(shí)施例1摻銩微環(huán)芯腔激光器的輸出功率與泵浦能量的關(guān)系；
圖7實(shí)施例1摻銩激光器的閾值隨摻銩濃度的變化關(guān)系；
圖8實(shí)施例2銩欽共摻微環(huán)芯腔激光器的單模激光特性圖；
圖9實(shí)施例2銩欽共摻微環(huán)芯腔激光器的多模激光特性圖；
圖10實(shí)施例2銩欽共摻微環(huán)芯腔激光器的輸出功率與泵浦能量的關(guān)系；
圖11實(shí)施例2銩欽共摻微環(huán)芯腔激光器的閾值隨銩欽濃度比的變化關(guān)系。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0018]請(qǐng)參閱圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明用溶膠凝膠法在硅片表面制備稀土摻雜的氧化硅薄膜，通過(guò)光刻、刻蝕工藝制備出氧化硅微盤腔，再用二氧化碳激光器處理后得到氧化娃微環(huán)芯腔2。將一根微納光纖I靠近氧化娃微環(huán)芯腔2側(cè)邊,利用其表面的倏逝場(chǎng)效應(yīng)激發(fā)微環(huán)芯腔中的增益介質(zhì)從而產(chǎn)生激光。
[0019]其中，微納光纖直徑為I微米?2微米。氧化娃微環(huán)芯腔的直徑為20微米?I毫米，該區(qū)間的任意直徑都可以制備。優(yōu)選的，氧化硅微環(huán)芯腔直徑為20微米?70微米，此時(shí)2微米波長(zhǎng)氧化硅微環(huán)芯腔激光器芯片集成、微型化、穩(wěn)定、閾值低等特性更好。摻入的稀土雜質(zhì)為銩離子和欽離子，其中，銩離子和欽離子的濃度比為5-40。優(yōu)選為硝酸銩和硝酸欽。
[0020]本發(fā)明2微米波長(zhǎng)激光器的制備過(guò)程如下:
(O首先用溶膠凝膠法制備稀土摻雜的氧化硅薄膜，薄膜厚度為I微米?2微米；(2)利用光刻、濕法刻蝕和干法刻蝕后，得到氧化硅微盤腔；(3)利用二氧化碳激光器對(duì)氧化硅微盤腔進(jìn)行加熱回流處理，其中，二氧化碳激光器的功率為7?10W，加熱回流處理的時(shí)間為25^35秒，將氧化硅微盤腔熔融成氧化硅微環(huán)芯腔。具體的，利用二氧化碳激光器對(duì)所述氧化硅微盤進(jìn)行加熱回流處理包括以下步驟:首先用第一功率激光照射所述氧化硅微盤腔的表面10-15秒，得到初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，然后用第二功率激光照射所述初始狀態(tài)微環(huán)芯腔的表面15-20秒,最終,制得氧化娃微環(huán)芯腔，其中，第一功率激光的功率大于第二功率激光的功率，第一功率激光和第二功率激光的功率均為疒10W。本發(fā)明先通過(guò)第一功率激光將氧化硅微盤腔加熱成為初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，再通過(guò)第二功率激光加熱初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔得到材質(zhì)更加均勻的氧化硅微環(huán)芯腔，得到的激光器品質(zhì)更優(yōu)。優(yōu)選的，第一功率激光的功率為10W，第一功率激光照射氧化硅微盤腔表面的時(shí)間為10秒，得到初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，第二功率激光的功率為7 W，第二功率激光照射初始狀態(tài)微環(huán)芯腔表面的時(shí)間為15秒。通過(guò)以上的過(guò)程對(duì)氧化硅微盤腔進(jìn)行加熱回流處理，得到的氧化硅微環(huán)芯腔材質(zhì)均勻度最佳，制備得到的激光器品質(zhì)最優(yōu)；(4)利用高溫拉伸法將直徑為125微米的單模光纖拉制成直徑約為I微米的微納光纖，并將其損耗控制在5%以下；(5)將微納光纖靠近氧化硅微環(huán)芯腔，保證二者之間的耦合達(dá)到最佳；(6)將泵浦光從端口 A輸入至微環(huán)芯諧振腔2，并逐漸增加泵浦功率，當(dāng)泵浦功率超過(guò)微環(huán)芯腔激光器閾值時(shí)，從端口 B可測(cè)到激光輸出，繼續(xù)增加泵浦光會(huì)得到不同的激光輸出功率。
[0021]實(shí)施例1
通過(guò)溶膠凝膠法得到厚度為1.35微米的摻雜氧化硅薄膜，其中摻銩離子的濃度分別為IXlO19 cm-3, 2 X 119 cm_3，4X1019 cm_3。再通過(guò)光刻、濕法刻蝕和干法刻蝕后，得到氧化硅微盤腔。利用二氧化碳激光器對(duì)氧化硅微盤腔進(jìn)行加熱回流后得到氧化硅微環(huán)芯腔。另一方面，運(yùn)用高溫拉伸法將普通單模光纖拉制成直徑為I微米?2微米的微納光纖。然后將氧化硅微環(huán)芯腔放于三維壓電控制臺(tái)上，精確控制其位置，慢慢將二者靠近，同時(shí)將1.6微米波段的可調(diào)連續(xù)泵浦光從光纖A端輸入。當(dāng)微納光纖與微環(huán)芯諧振腔處于最佳耦合點(diǎn)時(shí)，能量即會(huì)被微環(huán)芯腔吸收，隨著不斷增加泵浦功率，稀土離子會(huì)產(chǎn)生熒光，當(dāng)微環(huán)芯腔中的增益大于腔內(nèi)損耗時(shí)將會(huì)在B端口測(cè)到輸出波長(zhǎng)介于1747納米到1980納米之間的激光輸出。圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2和圖3是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)光學(xué)圖；圖4和圖5分別是摻銩微環(huán)芯腔激光器的單模和多模激光特性圖。通過(guò)測(cè)試，激光閾值約為2.8微瓦，如圖6所示。圖7所示為摻銩激光器的閾值隨摻銩濃度的變化關(guān)系。從圖中可以看出，隨著摻銩濃度的增加，導(dǎo)致腔內(nèi)本征損耗增加，激光器的閾值會(huì)隨之增加。
[0022]實(shí)施例2
通過(guò)溶膠凝膠法得到厚度為1.35微米的摻雜氧化硅薄膜，其中，摻銩離子的濃度分別為 2.6X1019 cnT3，3.3X1019 cnT3，4X 119 cnT3，摻欽離子的濃度為 5X 118 cnT3。銩離子和欽離子的濃度比分別5.2,6.6，8。再通過(guò)光刻、刻蝕及二氧化碳激光回流工藝后得到銩欽共摻氧化硅微環(huán)芯腔。同時(shí)，運(yùn)用高溫拉伸法制得直徑為I微米?2微米的微納光纖。然后精確控制氧化硅微環(huán)芯腔與微納光纖間的耦合，同時(shí)將1.6微米波段的可調(diào)連續(xù)泵浦光從光纖A端輸入。隨著泵浦光功率的增大，稀土離子會(huì)產(chǎn)生熒光。同時(shí)，銩離子會(huì)吸收1.6微米波段的泵浦光，進(jìn)而將能量轉(zhuǎn)移給欽離子，欽離子隨即會(huì)躍遷至激發(fā)態(tài)。當(dāng)微環(huán)芯腔中的增益大于腔內(nèi)損耗時(shí)將會(huì)在B端口測(cè)到2微米波段的由欽離子躍遷產(chǎn)生的激光輸出。其中，圖8和圖9分別是銩欽共摻微環(huán)芯腔激光器的單模和多模激光特性圖。通過(guò)測(cè)試，激光閾值約為2.7微瓦，如圖10所示。圖11所示為銩欽共摻激光器的閾值隨銩欽濃度比的變化關(guān)系。隨著銩欽濃度比的增大，會(huì)有更多的能量經(jīng)銩離子轉(zhuǎn)移給欽離子，使其躍遷至激發(fā)態(tài)，更易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)產(chǎn)生2微米波段的激光，因此閾值會(huì)隨之降低。
[0023]本發(fā)明的利用溶膠凝膠稀土摻雜方法制備的2微米波長(zhǎng)氧化硅微環(huán)芯腔激光器具有芯片集成、微型化、穩(wěn)定、閾值低等特性。
【權(quán)利要求】
1.一種芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器,包括稀土摻雜的氧化娃微環(huán)芯腔和微納光纖，其中微納光纖位于所述氧化硅微環(huán)芯腔的一側(cè)，其特征在于:所述微型激光器的激光波長(zhǎng)為1750納米?2050納米，所述氧化硅微環(huán)芯腔通過(guò)以下方法制備得到: (1)通過(guò)溶膠凝膠法在硅片表面制備稀土摻雜的氧化硅薄膜，其中，溶膠凝膠過(guò)程中摻入的稀土雜質(zhì)為銩離子和欽離子，銩離子和欽離子的濃度比為5-40 ； (2)在所述氧化硅薄膜表面上用光刻、氫氟酸刻蝕和二氟化氙刻蝕工藝制備出氧化硅微盤腔，所述氧化硅微盤腔通過(guò)硅柱連接硅片； (3)利用二氧化碳激光器對(duì)所述氧化硅微盤腔進(jìn)行加熱回流處理，所述二氧化碳激光器的功率為7?10W，加熱回流處理的時(shí)間為25?35秒，最終，制得氧化硅微環(huán)芯腔。
2.如權(quán)利要求1所述的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器，其特征在于:步驟(3)中利用二氧化碳激光器對(duì)所述氧化硅微盤腔進(jìn)行加熱回流處理包括以下步驟:首先用第一功率激光照射所述氧化硅微盤腔的表面10-15秒，得到初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，然后用第二功率激光照射所述初始狀態(tài)微環(huán)芯腔的表面15-20秒，最終，制得氧化硅微環(huán)芯腔，其中，第一功率激光的功率大于第二功率激光的功率，第一功率激光和第二功率激光的功率均為7?10W。
3.如權(quán)利要求2所述的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器，其特征在于:所述第一功率激光的功率為10W，第一功率激光照射所述氧化硅微盤腔表面的時(shí)間為10秒，得到初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，所述第二功率激光的功率為7 W，第二功率激光照射所述初始狀態(tài)微環(huán)芯腔表面的時(shí)間為15秒。
4.如權(quán)利要求1所述的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器，其特征在于:所述微納光纖直徑為I微米?2微米。
5.如權(quán)利要求1所述的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器，其特征在于:所述氧化硅微環(huán)芯腔的直徑為20微米?I毫米。
6.如權(quán)利要求1所述的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器，其特征在于:步驟(I)中所述氧化硅薄膜的厚度為I微米?2微米。
7.—種芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器的制造方法，其特征在于，包括以下方法: a、首先用溶膠凝膠法制備氧化硅薄膜，其中，溶膠凝膠過(guò)程中摻入的稀土雜質(zhì)為銩離子和欽離子，銩離子和欽離子的濃度比為5-40 ； b、在所述氧化硅薄膜表面上用光刻、氫氟酸刻蝕和二氟化氙刻蝕工藝制備出氧化硅微盤，所述氧化硅微盤通過(guò)硅柱連接硅片； C、利用二氧化碳激光器對(duì)所述氧化硅微盤進(jìn)行加熱回流處理，所述二氧化碳激光器的功率為7?10W，加熱回流處理的時(shí)間為25?35秒，最終，氧化硅微盤腔熔融成氧化硅微環(huán)芯腔； d、將單模光纖拉制成直徑為I微米?2微米的微納光纖； e、將步驟d得到的微納光纖靠近所述氧化硅微環(huán)芯腔，使二者之間的耦合達(dá)到最佳，得到芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器。
8.如權(quán)利要求7所述的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器的制造方法，其特征在于:步驟c中所述的氧化硅微環(huán)芯腔的直徑為20微米?I毫米。
9.如權(quán)利要求7所述的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器的制造方法，其特征在于:步驟C中利用二氧化碳激光器對(duì)所述氧化硅微盤進(jìn)行加熱回流處理包括以下步驟:首先用第一功率激光照射所述氧化硅微盤腔的表面10-15秒，得到初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，然后用第二功率激光照射所述初始狀態(tài)微環(huán)芯腔的表面15-20秒，最終，制得氧化硅微環(huán)芯腔，其中，第一功率激光的功率大于第二功率激光的功率，第一功率激光和第二功率激光的功率均為7?10W。
10.如權(quán)利要求9所述的芯片集成的2微米波長(zhǎng)微型激光器的制造方法，其特征在于:所述第一功率激光的功率為10W，第一功率激光照射所述氧化硅微盤腔表面的時(shí)間為10秒，得到初始狀態(tài)氧化硅微環(huán)芯腔，所述第二功率激光的功率為7 W，第二功率激光照射所述初始狀態(tài)微環(huán)芯腔表面的時(shí)間為15秒。
【文檔編號(hào)】H01S3/083GK104466657SQ201410625717
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】姜校順, 范會(huì)博, 丁楊, 肖敏 申請(qǐng)人:南京大學(xué)