[发明专利]一种单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器及其制备方法。

 

背景技术

氮化镓紫外激光按腔体结构可分为三类：第一类是光在纳米颗粒界面随机共振形成的随机激光；第二类是光在一维的微纳米结构中利用微纳米线两个端面作为腔镜形成共振产生的F-P激光。前者散射损耗很大，没有固定模式；后者的端面损耗很大，也不易得到高品质（Q）、低阈值激光。鉴于此，采用尺度较大的微米棒或微米碟等微腔利用其全内反射形成的回音壁模激光则为人们提供了一条获得高品质激光的途径。氮化镓微米棒、碟等单晶结构单元有较高的折射率且表面光滑，这保证了全内反射光学增益回路的有效形成，从而大大降低了光学散射与透射带来的损耗。氮化镓微米棒、微米管和微米碟单晶作为天然的回音壁微腔，可以获得从六个棱角向外发射的高Q低阈值的回音壁激光，但是这种氮化镓单晶回音壁激光器作为光通信器件或者集成光学器件而言还不够优秀，因为它的激光发射方向太多，而且不容易和其它的光电子器件进行对接。

综上所述，为了获得单方向性发射的高增益低损耗的氮化镓回音壁紫外激光,申请人利用先进的微纳加工技术，设计并制备非对称氮化镓悬空薄膜微腔。非对称氮化镓悬空薄膜微腔由单根悬臂梁支撑，微腔的横截面是独特的非对称形状：圆形+“锥角”和圆环+“锥角”。“锥角”是圆的切线和一条弧线在圆的外侧相交形成的锐角部分。该结构具有以下两个优势：第一，“悬空”氮化镓薄膜微腔上下表面被低折射率的空气所包裹，光线在高折射率半导体和它周围低折射率空气的微腔界面处的全内反射以回音壁形式传导，垂直方向的光学模也受到强烈限制，这种回音壁传导作用和光学限制极大地降低了光学散射和透射带来的光学损耗，可产生维持激射作用的足够大的光增益。第二，微腔的横截面设计为圆形+“锥角”或者圆环+“锥角”的形状。圆形和圆环具有极高的光学增益和极小的光学损耗，能够形成闭合的激光谐振，而光在曲率较高的“锥角”区域不满足全反射条件，可将回音壁微腔中的激光单方向性地导出。

 

发明内容

技术问题：本发明提供一种具有极高的光学增益和极低的损耗，有利于与光电子器件集成，可以获得高品质因子低阈值的回音壁模激光的单方性发射的光泵浦氮化镓微激光器，同时提供了一种工艺性好、加工精度高的制备上述单方性发射的光泵浦氮化镓微激光器的方法。       

技术方案：本发明的单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、设置在硅衬底层上表面一侧边缘的氮化镓平台、与氮化镓平台连接的氮化镓悬臂梁、与氮化镓悬臂梁连接的非对称薄膜微腔结构，非对称薄膜微腔结构下方设置有贯穿硅衬底层的空腔，使得非对称薄膜微腔结构和氮化镓悬臂梁完全悬空；其中的非对称薄膜微腔结构由氮化镓构成，包括圆形或圆环形的本体、设置在本体周向外侧的突出锥角，突出锥角由本体圆周切线、本体圆周上弧线和本体外的弧线围成，本体外的弧线与本体圆周相交的夹角为锐角。

本发明的制备上述单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器的方法，包括以下步骤：

第一步：在硅基氮化镓晶片的氮化镓层上表面旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义上述非对称薄膜微腔结构和悬臂梁；

第二步：采用刻蚀技术向下刻蚀，直至硅衬底层的上表面，从而将第一步中定义出的非对称薄膜微腔结构和悬臂梁转移至硅基氮化镓晶片的氮化镓层，最后去除残余的光刻胶； 

第三步：在晶片上下表面分别旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在硅衬底层下表面的光刻胶层中定义出空腔区域的刻蚀窗口；

第四步，采用深硅刻蚀技术，通过刻蚀窗口从下往上刻蚀硅衬底层，直至氮化镓层的下表面，在硅衬底层中形成一个空腔，使非对称薄膜微腔结构和悬臂梁悬空。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明中制备的单方向发射的光泵浦氮化镓微激光器，具有独特的非对称微腔横截面是圆形+“锥角”或圆环+“锥角”的形状，与目前的螺旋形微腔比较，螺旋形微腔中的激光回路不是闭合的，而圆形和圆环中的激光可以形成闭合的激光回路，有极高的光学增益和极低的损耗，“锥角”可以使回音壁激光从微腔单向性发射，有利于与光电子器件集成。

本发明采用单根悬臂梁支撑的悬空薄膜微腔，悬空薄膜微腔的上下面表面裸露在空气介质中，光在微腔界面处会发生全内反射以回音壁形式传递，且垂直方向的光学模式也收到强烈限制，极大地降低了光学损耗，可以获得高品质因子低阈值的回音壁模激光。