一种二维硅基光子晶体微纳波导激光器制造技术

本发明专利技术属于光学激光设备技术领域，涉及一种二维硅基光子晶体微纳波导激光器；泵浦源、耦合系统、二色镜、二维硅基光子晶体结构和二向色镜依次放置组成激光器；其中，二维硅基光子晶体结构包括二维硅基、耦合区散射元、耦合区散射元间隙、耦合区波导、激发区散射元、激发区散射元间隙、耦合波导腔、含有激光活性离子的基质物质、传输区波导、传输区散射元和传输区散射元间隙，依次分成耦合区、激发区和传输区；其结构简单，原理可靠，体积小，阈值低，稳定性高，成本低，操作灵便，光的耦合和传输效率高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于光学激光设备
，涉及一种二维硅基光子晶体微纳波导激光器；泵浦源、耦合系统、二色镜、二维硅基光子晶体结构和二向色镜依次放置组成激光器；其中，二维硅基光子晶体结构包括二维硅基、耦合区散射元、耦合区散射元间隙、耦合区波导、激发区散射元、激发区散射元间隙、耦合波导腔、含有激光活性离子的基质物质、传输区波导、传输区散射元和传输区散射元间隙，依次分成耦合区、激发区和传输区；其结构简单，原理可靠，体积小，阈值低，稳定性高，成本低，操作灵便，光的耦合和传输效率高。【专利说明】 一种二维硅基光子晶体微纳波导激光器
:本专利技术属于光学激光设备
，涉及一种新型光子晶体激光器，特别是一种波长在1030nm、Yb3+为激光活性离子、低损耗的二维硅基光子晶体微纳波导激光器。
技术介绍
:目前，激光器，特别是固体激光器在光通信、光存储和光显示等基础光学领域，以及雷达系统、生物技术和医疗器械等高科技行业都有重要应用，随着科技的不断发展，激光在这些领域的应用范围不断扩大，推进了激光器制备技术的极大发展，固体激光器主要有灯泵浦固体激光器、二极管泵浦固体激光器、激光泵浦固体激光器和光纤激光器等，激光晶体材料所用的激活离子多采用稀土离子和过渡金属离子；基质晶体更为宽泛，可采用氧化物晶体、氟化物晶体、含氧酸盐晶体等，但是传统的固体激光器对晶体材料本身的要求很高，因此也受到晶体的质量、加工、镀膜等因素，以及传输、散热等周边因素的影响。近十年来，微纳激光器发展迅速，美国首先制作出氧化锌(ZnO)室温紫外辐射纳米激光器，其他微纳结构激光器也应运而生，这类激光器对晶体的质量和加工要求相对低些；只需要很少能量就可以发射激光，且常温下可以工作，效率极高而能量阈值却很低，可以瞬时开关，尺寸小，便于光学集成，正因为如此，此类激光器发展迅速，可以广泛用于化学物质鉴别，生物传感器，显微术和激光外科，以及光计算、自动调控开光和激光集成芯片等信息储存和加速信息处理等很多方面。光子晶体是近二十几年来出现的一种新型材料结构，它具有禁带特性、光子局域和低损耗传输等特点，可提供不同于以前的电磁波传播和控制方法，光子晶体成为国内外物理、化学、材料、通信等领域研究的热点，光子晶体研究不仅在理论和制作技术方面取得了很多重要的成果，在应用方面光子晶体已由微波通信、太赫兹器件，向光子芯片、太阳能电池、生物传感和隐身技术等多领域拓展。在固体激光器方面，光子晶体的带隙效应可以提高反射率，高Q值微腔可以降低阈值，提高耦合增益，光子晶体还可以控制传输频率、偏振和抑制自辐射等，光子晶体的这些特殊物理效应，使光子晶体开始应用于半导体激光器和光纤激光器，并出现了缺陷模式激光器、带边模式激光器、光子晶体反射镜激光器和有源波导腔激光器等，但目前，光子晶体激光器多为InGaAsP、GaAs, AlGaAs和半导体氧化物等材料形成的结构，受到半导体激光材料阈值、能带、单色性和辐射功率等因素的影响；研究表明:三阶稀土离子Yb3+已成为继Nd3+之后最重要的激光活性离子，因为它具有最简单的能级结构，只有2F5/2和2F7/2两个能态，避免激光发射过程中的许多不利作用，如果将Yb3+活性离子掺杂到光子晶体微腔，并使光子晶体结构在耦合区、激励源区和传输区有机结合起来，利用光子晶体禁带特性对光子态的调制作用，可以突破传统激光器的性能瓶颈，不仅获得更高的自发辐射的效率，而且可以获得比传统激光器更灵活的有源微纳结构，提高激励源区的增益，实现激光器的无阈值工作和单模低损耗、高功率传输；光子晶体微纳波导激光器还可以实现结构体积小、便于集成、传输方向和分光灵活等优势，目前Yb3+已有在光纤激光器中的研究，但是尚未见有以Yb3+等为激光活性离子、集耦合、激发和传输为一体的光子晶 体微纳波导激光器出现。
技术实现思路
:本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种便于集成和加工的新型二维硅基光子晶体微纳波导激光器，将光子晶体的禁带特性、慢光特性等特点与Yb3+活性离子的优势相结合，在光子晶体微腔内注入Yb3+活性离子，通过耦合、激发和传输三个过程有机结合。为了实现上述目的，本专利技术涉及的激光器主体结构包括泵浦源、耦合系统、二色镜、二维硅基光子晶体结构和二向色镜，各部件依次放置组成激光器；其中，二维硅基光子晶体结构包括二维硅基、耦合区散射元、耦合区散射元间隙、耦合区波导、激发区散射元、激发区散射元间隙、耦合波导腔、含有激光活性离子的基质物质、传输区波导、传输区散射元和传输区散射元间隙，依次分成耦合区、激发区和传输区；耦合区散射元、耦合区散射元间隙和耦合区波导设置在二维硅基的左侧构成耦合区，耦合区的两侧均为圆弓形或椭圆形的耦合区散射元，耦合区散射元之间形成耦合区散射元间隙；两侧耦合区散射元的中间结构为耦合区波导，耦合区波导的宽度为晶格常数的1-2倍，耦合区的禁带范围为泵浦源产生的泵浦光波长，使泵浦光沿着耦合区波导传播，不能向两侧的耦合区散射元扩散；激发区散射元、激发区散射元间隙、耦合波导腔和含有激光活性离子的基质物质设置在二维硅基的中间部位构成激发区，激发区的两侧为激发区散射元，中间为耦合腔波，激发区散射元之间形成激发区散射元间隙；激发区的禁带带宽为激光活性离子激光发射谱线的波长，耦合波导腔设置有I?6个，每个耦合波导腔的形状根据晶格形状确定，耦合波导腔的边长为η倍晶格常数η倍的微腔，或为边长分别为η倍和(η+2)倍晶格常数的矩形微腔，η为自然数；耦合波导腔内填充有含有激光活性离子的基质物质，含有激光活性离子的基质物质为氧化物、氟化物或含氧酸盐物质，包括铱铝石Y3Al5G12 (YAG)、钒酸钇YVO4、二氧化硅(Silica)和硅酸盐(Silicate);激光活性离子为Yb3+、Nd3+或Er3+的稀土离子；传输区波导、传输区散射兀和传输区散射兀间隙设置在二维娃基的右侧构成传输区，传输区的两侧为传输区散射元，传输区散射元的大小与激发区散射元相同，传输区的禁带带宽为激光活性离子激光发射谱线的波长；相邻的传输区散射兀之间形成传输区散射兀间隙；传输区III的中间为传输区波导，传输区波导设置有1-5个分支波导，以实现激光的转向和分束功能，传输区波导充分利用光子晶体的禁带特性，使激发区产生的激光只能在传输区波导传输，不能向两侧有散射元的部分扩散；二维硅基采用市售的二维硅片或SOI材料，其加工深度为硅层厚度的1/5-2/3 ;泵浦源为二极管泵浦激光器或光纤激光器；耦合系统、二色镜和二向色镜为常规的市售产品。本专利技术与现有技术相比，其结构简单，原理可靠，体积小，阈值低，稳定性高，成本低，操作灵便，光的耦合和传输效率高。【专利附图】【附图说明】:图1为本专利技术的主体结构组装原理示意图。图2为本专利技术涉及的二维硅基光子晶体结构的结构原理示意图。图3为本专利技术实施例涉及的Yb3+活性离子的吸收谱线，其中横轴为波长，纵轴为吸收强度。图4为本专利技术实施例1中Yb3+活性离子的激发谱线，其中横轴为波长；纵轴为激发强度。图5为本专利技术涉及的耦合波导腔个数与输出功率的曲线图，其中横轴为耦合波导腔的个数；纵轴为光-光转换效率。图6为本专利技术实施例2的主体结构组装原理示意图。图7为本专利技术实施例2涉及的二维硅基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维硅基光子晶体微纳波导激光器，其特征在于主体结构包括泵浦源、耦合系统、二色镜、二维硅基光子晶体结构和二向色镜，各部件依次放置组成激光器；其中，二维硅基光子晶体结构包括二维硅基、耦合区散射元、耦合区散射元间隙、耦合区波导、激发区散射元、激发区散射元间隙、耦合波导腔、含有激光活性离子的基质物质、传输区波导、传输区散射元和传输区散射元间隙，依次分成耦合区、激发区和传输区；耦合区散射元、耦合区散射元间隙和耦合区波导设置在二维硅基的左侧构成耦合区，耦合区的两侧均为圆弓形或椭圆形的耦合区散射元，耦合区散射元之间形成耦合区散射元间隙；两侧耦合区散射元的中间结构为耦合区波导，耦合区波导的宽度为晶格常数的1?2倍，耦合区的禁带范围为泵浦源产生的泵浦光波长，使泵浦光沿着耦合区波导传播，不能向两侧的耦合区散射元扩散；激发区散射元、激发区散射元间隙、耦合波导腔和含有激光活性离子的基质物质设置在二维硅基的中间部位构成激发区，激发区的两侧为激发区散射元，中间为耦合腔波，激发区散射元之间形成激发区散射元间隙；激发区的禁带带宽为激光活性离子激光发射谱线的波长，耦合波导腔设置有1～6个，每个耦合波导腔的形状根据晶格形状确定，耦合波导腔的边长为n倍晶格常数n倍的微腔，或为边长分别为n倍和n+2倍晶格常数的矩形微腔，n为自然数；耦合波导腔内填充有含有激光活性离子的基质物质，含有激光活性离子的基质物质为氧化物、氟化物或含氧酸盐物质，包括铱铝石Y3Al5G12、钒酸钇、二氧化硅和硅酸盐；激光活性离子为Yb3+、Nd3+或Er3+的稀土离子；传输区波导、传输区散射元和传输区散射元间隙设置在二维硅基的右侧构成传输区，传输区的两侧为传输区散射元，传输区散射元的大小与激发区散射元相同，传输区的禁带带宽为激光活性离子激光发射谱线的波长；相邻的传输区散射元之间形成传输区散射元间隙；传输区III的中间为传输区波导，传输区波导设置有1?5个分支波导，以实现激光的转向和分束功能，传输区波导充分利用光子晶体的禁带特性，使激发区产生的激光只能在传输区波导传输，不能向两侧有散射元的部分扩散；二维硅基采用市售的二维硅片或SOI材料，其加工深度为硅层厚度的1/5?2/3；泵浦源为二极管泵浦激光器或光纤激光器；耦合系统、二色镜和二向色镜为常规的市售产品。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万勇，葛晓辉，高竟，贾明辉，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：