[发明专利]单方向发射的氮化物锁模回音壁微激光器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种单方向发射的氮化物锁模回音壁微激光器及其制备方法，在硅衬底上的氮化物材料，利用光刻工艺和硅刻蚀工艺制备悬空非对称环形薄膜微腔，该微腔的水平横截面形状是“圆环+锥角+缺口”，在微腔缺口中修饰金纳米棒作为半导体饱和吸收体，在光泵浦条件下，金纳米棒对微腔中的激光进行选模调制，最终实现单方向发射的氮化物锁模回音壁模激光。

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氮化物锁模回音壁激光器及其制备方法。

背景技术

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(WGM)激光则为人们提供了一条获得高品质激光的途径。

但是圆形的悬空微碟或六边形的氮化镓单晶WGM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，因为它没有单一的激光方向输出，并且没有经过锁模，输出的是多模激光且品质因子不够高，不利于和其它的光电子器件进行集成。

因此，如何优化WGM微腔结构，实现单方向性发射的高Q低阈值氮化物锁模WGM激光是本发明要解决的问题。

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的单方向发射的氮化物锁模回音壁微激光器，同时提供了一种工艺性好、加工精度高的制备上述单方向发射的氮化物锁模回音壁微激光器的方法。

技术方案：本发明的单方向发射的氮化物锁模回音壁微激光器，以硅基氮化物晶片为载体，包括硅基底、设置在所述硅基底上的硅柱、由所述硅柱支撑的悬空的非对称环形薄膜微腔结构，所述非对称环形薄膜微腔结构由氮化物构成，包括环形的本体、设置在所述本体内部的微腔、设置在本体周向外侧的突出锥角，所述本体上设置有将微腔与外部连通的缺口，所述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，所述本体外的弧线与本体圆周相交的夹角为锐角，所述缺口中修饰有金属纳米棒。

进一步的，本发明微激光器中，硅基底和硅柱均为在硅基氮化物晶片的硅衬底层上刻蚀得到的。

进一步的，本发明微激光器中，缺口中修饰的金纳米棒，在光泵浦条件下作为半导体饱和吸收体对微腔中的激光进行模式调制，实现单方向发射的氮化物锁模回音壁激光。

本发明利用光刻和反应离子刻蚀工艺和电感耦合等离子体深硅刻蚀工艺制备不同尺寸的悬空的带缺口的非对称悬空薄膜微腔。设计合理的工艺步骤，包括刻蚀模板的形状，获得由柱状支撑的且边缘光滑的悬空带缺口的非对环形薄膜微腔。降低微腔的弯曲损耗和侧面粗糙引起的散射损耗。

本发明制备上述单方向发射的氮化物锁模回音壁微激光器的方法，步骤如下：

第一步：在氮化物层上旋涂光刻胶，然后采用光学光刻技术在旋涂的光刻胶层上定义权利要求1中所述的非对称环形薄膜微腔结构的图形；

第二步：利用电子束蒸镀系统在氮化物层上沉积金属镍，然后去除残留的光刻胶，留下的金属镍作为硬质掩膜层；

第三步：基于所述硬质掩膜层，采用反应离子刻蚀技术向下刻蚀氮化物层直至硅衬底层的上表面，从而将所述第二步中定义出的图形转移至硅基氮化物晶片的氮化物层中，得到带缺口的非对称环形薄膜微腔结构，然后利用稀硝酸或者镍刻蚀液去除残留在氮化物层表面的金属镍；

第四步：采用各项同性湿法硅刻技术，使硅衬底层中形成支撑非对称环形薄膜微腔结构的硅柱和位于底面的硅基底，使非对称环形薄膜微腔结构悬空；

第五步：将非对称环形薄膜微腔结构浸入到金属纳米棒的溶液中，使金属纳米棒修饰到缺口里，得到单方向发射的氮化物锁模回音壁微激光器。