基于单个回音壁模式光学微腔的单模微激光器及实现方法

1.本发明涉及单模微激光器的制备，具体是基于单个回音壁模式光学微腔的单模激光器及制备，通过飞秒激光刻蚀掺杂了一定浓度的稀土离子、有机大分子或含有量子点的晶体、二氧化硅、硅、iii
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v族化合物半导体材料、氮化硅等薄膜材料，并结合化学抛光技术，得到损耗小，q值高的光学微腔，最后通过与光纤锥或光波导的耦合和集成，得到线宽窄、阈值低的单模微激光器。


背景技术：

2.集成光路，旨在将光学器件和光路在衬底上小型化、集成化，降低光学系统的尺寸、能耗、时延，提高光学系统的稳定性、处理速度等性能，有望突破目前光信息处理系统面临的能耗、带宽瓶颈。微激光器，特别是窄线宽的单模微激光器，是构建集成光路最重要的光学器件之一，在激光通信、精密测量和生物传感等方面具有重要应用（l. he, et al., nature nanotechnol. vol. 6, p 428
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432, 2011）。目前，微激光器通常基于光子晶体微腔、法布里
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珀罗微腔和回音壁模式光学微腔获得。其中，回音壁模式光学微腔通过光在腔体材料与周围折射率较低的材料界面上的连续全内反射，实现对光子的约束，具有高的品质因子和小的模式体积（d. k. armani, et al., nature vol. 421, p 925
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928, 2003）。因此，基于回音壁模式光学微腔的微激光器具有低阈值、窄线宽的优点。而单模激射，通常要求回音壁模式光学微腔（下面简称为光学微腔）的尺寸要在亚微米量级，获得大的自由光谱范围，这不可避免增加微腔的弯曲辐射损耗，降低了微腔的品质因子，显著增加微激光器的泵浦阈值和激光线宽。
3.目前，为了克服这一困难，常用的有效做法是利用两个耦合在一起的光学微腔的游标效应，仅激发两个微腔共有的回音壁模式，获得低阈值、窄线宽的单模激射（g. griffel, ieee photon. technol. lett. vol 12, p 1642
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1644, 2000；l. shang, et al., opt. lett. vol. 33, p 1150
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1152, 2008）；但是该方法存在制备过程复杂、难以大规模制备的问题。基于单个光学微腔制备低阈值、窄线宽的单模微激光器，成为了提高光电子集成技术应用水平的迫切需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的旨在克服现有的片上单模微激光器制备的挑战，提供一种基于单个回音壁模式光学微腔的单模激光器。该单模微激光器具有制备过程简单，低阈值、窄线宽的特点。
5.实现本发明目的的具体技术方案是：一种基于单个回音壁模式光学微腔的单模微激光器的实现方法，该方法包括以下具体步骤：步骤1：采用干法刻蚀工艺制备含增益材料的光学微腔，所述光学微腔为回音壁模式光学微腔；光学微腔的自由光谱范围至少为增益材料的谱宽的1/2；所述的增益材料为：
稀土离子、量子点、有机大分子发光材料，微腔的腔体材料包括晶体、二氧化硅、硅、iii
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v族化合物半导体材料或氮化硅的薄膜；步骤2：制备光纤锥将一段标准的单模光纤的聚合物层剥去，擦干净，用氢氧焰加热光纤，同时用平移台拉伸着光纤的两端，使得光纤加热区被拉细，得到所需的光纤锥，被拉细的位置称为束腰；步骤3：对光学微腔和光纤锥进行耦合测试，将功率大于泵浦阈值的泵浦光耦合到光纤锥中；其中泵浦阈值通过光纤锥的输出功率进行确定；具体为：首先将光纤锥的束腰贴到光学微腔的边缘，光纤锥的一端输入泵浦光，泵浦光的波长固定在增益材料吸收谱宽范围内，不断增加泵浦光的功率，泵浦光的功率大于泵浦阈值时，光纤锥的输出功率随泵浦功率线性增长，通过数据处理后，在增长曲线里的拐点处，找到泵浦阈值；步骤4：在增益材料吸收谱宽范围内连续扫描泵浦光波长，通过ccd显微成像实时观测光学微腔，直至出现由基纵模和高阶纵模叠加构成的、具有多边形构型的复合模式，此时通过透射谱得到光学微腔出现多边形时的q值；调节或控制光纤锥与光学微腔的横向耦合位置，使得光学微腔的基纵模的品质因子比出现多边形时的q值低至少2倍；步骤5：固定泵浦光波长，不断调节泵浦光的功率，直至观测到光学微腔在增益材料的吸收范围内出现由基纵模和高阶纵模叠加而成、且具有和步骤4中相同多边形几何构型的复合模式，此时泵浦光与增益材料吸收谱范围内的复合模式共振，激射光与增益材料荧光谱范围内的复合模式共振；步骤6：将激射光从光纤锥的输出端耦合出来，用光谱分析仪测试激射光的光谱和线宽，直到获得单模、窄线宽，低阈值的激射；步骤7：将光纤锥与光学微腔的位置固定、集成并封装，得到所述基于单个回音壁模式光学微腔的单模微激光器。
6.另一种基于单个回音壁模式光学微腔的单模微激光器的实现方法，该方法包括以下具体步骤：步骤1：采用干法刻蚀工艺制备含增益材料的光学微腔，所述光学微腔为回音壁模式光学微腔；光学微腔的自由光谱范围至少为增益材料的谱宽的1/2；所述的活性材料为：稀土离子、量子点、有机大分子发光材料，微腔的腔体材料包括晶体、二氧化硅、硅、iii
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v族化合物半导体材料或氮化硅的薄膜；步骤2：利用光刻或干法刻蚀工艺，制备所需的光波导，使得光波导能在增益材料吸收谱宽和增益谱宽范围内能同时容纳高阶模传输且能激发微腔的高阶模；步骤3：对光学微腔和光波导进行耦合测试，将功率大于泵浦阈值的泵浦光耦合到光波导中；其中泵浦阈值可以通过光波导的输出功率进行确定；具体为：首先将光波导靠近光学微腔的边缘，光波导的一端输入泵浦光，泵浦光的波长固定在增益材料吸收谱宽范围内，不断增加泵浦光的功率，泵浦光的功率大于泵浦阈值时，光波导的输出功率随泵浦功率线性增长，通过数据处理后，在增长曲线里的拐点处，找到泵浦阈值；步骤4：在增益材料吸收谱宽范围内连续扫描泵浦光波长，通过ccd显微成像实时观测光学微腔直至出现由基纵模和高阶纵模叠加构成的、具有多边形构型的复合模式，此时通过透射谱得到光学微腔出现多边形时的q值；调节或控制光波导与光学微腔的空间位
置，使得光波导能在增益材料吸收谱宽和增益谱宽范围内能同时容纳高阶模传输且能激发微腔的高阶模、同时使得基纵模的品质因子比高阶模的品质因子至少低2倍；步骤5：固定泵浦光波长，不断调节泵浦光的功率，直至观测到光学微腔在增益材料的吸收范围内出现由基纵模和高阶纵模叠加而成、且具有和步骤4中出现相同的多边形几何构型的复合模式，此时泵浦光与增益材料吸收谱范围内的复合模式共振，激射光与增益材料荧光谱范围内的复合模式共振；步骤6：将激射光从光波导的输出端耦合出来，用光谱分析仪测试激射光的光谱和线宽，获得单模、窄线宽、低阈值的激射；步骤7：将光波导与光学微腔的位置固定、集成并封装，得到所述基于单个回音壁模式光学微腔的单模微激光器。
7.一种上述两种方法分别实现的基于单个回音壁模式光学微腔的单模微激光器，该单模微激光器包括：单个回音壁模式含活性材料的光学微腔及光纤锥或光波导，所述的活性材料包括稀土离子、量子点、有机大分子发光材料，微腔的腔体材料包括晶体、二氧化硅、硅、iii
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v族化合物半导体材料或氮化硅的薄膜，所述单模微激光器线宽至多为兆赫兹，阈值至多为一个毫瓦。
8.本发明利用能支持高阶纵模传输的光纤锥或光波导与微腔耦合，通过调节耦合的位置，有选择地降低微腔基纵模的品质因子、同时有效激发微腔中由基纵模和高阶纵模叠加而成的、具有较高品质因子的多边形复合模式，同时泵浦光和激射光分别与该复合模式共振，获得低阈值、窄线宽的单模激射。
9.本发明的有益效果在于利用单个回音壁模式光学微腔实现低阈值、窄线宽的单模微激光器，推动相关高技术产业的发展。光学微腔的平台材料为掺杂了一定浓度的稀土离子、有机大分子或含有量子点的晶体、二氧化硅、硅、iii
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v族化合物半导体材料、氮化硅等薄膜。利用高透射率、尺寸可以精确控制的光纤锥（y. xu, et al., opt. express vol. 25, p 10434
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10440, 2017）或易于片上集成的光波导，激发光学微腔中由基纵模和高阶模叠加而成的、具有多边形构型和复合模式，同时降低微腔本征模式的品质因子；由于在一个自由光谱范围内，只有一个复合模式可以被激发，而且该模式基本不受光纤锥或光波导的耦合影响，保持了较高的品质因子，在模式竞争下，只有复合模式能激射，因此获得低阈值、窄线宽的单模激射。
附图说明
10.图1 是本发明实现的微激光器示意图；图2 是本发明光学微腔的由基纵模和高阶模叠加而成的、具有多边形几何构型的复合模式的场分布的示意图；图3 是本发明掺饵离子光学微腔结构图；图4 是本发明光纤锥与掺饵离子光学微腔耦合流程图；图5 是本发明光波导与含有量子点的光学微腔耦合流程图。
具体实施方式
11.下面通过实施例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范
围。
12.图1是由光纤锥或光波导与单个回音壁模式光学微腔的耦合封装而成的单模微激光器，现以单根光纤锥2或光波导3与片上单个回音壁模式光学微腔1的耦合，基于高品质的具有四边形几何构型的复合模式5实现低阈值、窄线宽的单模激射为例来说明本发明。光学微腔的平台材料为掺杂了一定浓度的稀土离子、有机大分子或含有量子点的晶体、二氧化硅、硅、iii
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v族化合物半导体材料、氮化硅等薄膜。下面分别以掺杂了1 mol%的铒离子的铌酸锂薄膜和含有量子点的铌酸锂薄膜为例来说明本发明，但不能以此限制本发明的权利要求。
13.实施例11）光纤锥与掺饵离子铌酸锂薄膜光学微腔耦合，如图4所示，以掺杂1mol%铒离子的铌酸锂薄膜8的晶圆为例，在上面镀一层700nm厚的铬膜作为掩膜，利用飞秒激光刻蚀所需尺寸的光学微腔，直径约为30微米，它位于2
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m厚的二氧化硅层支柱9上，由底下的铌酸锂基底10撑着，其在1550 nm波长附近的自由光谱范围约13 nm，约为铒离子增益带宽（1535~1560 nm）的一半。飞秒激光刻蚀后的微腔，结合过化学机械抛光技术（r. wu, et al., opt. lett., vol. 43, p 4116
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4118, 2018）得到边缘光滑的掺杂铒离子的回音壁模式光学微腔1，二氧化硅小球为60nm的抛光液进行辅助抛光。抛光前，将金丝绒抛光垫进行仔细清洗，防止里面的小颗粒将光学微腔划伤，可采用超声方法深层清洁。抛光好的微腔通过超声以及棉签擦洗的方法去除表面的有机物与颗粒等，使得光学微腔的表面更加洁净，降低损耗。光学微腔（具体为微盘腔）的结构如图3所示，其中，图（a）为截面图；图（b）为图（a）的俯视图。
14.2）制备尺寸能激发光学微腔的基纵模和高阶纵模的光纤锥2。利用热拉法制备光纤锥2，首先将一段标准的单模光纤的聚合物层剥去，擦干净，用氢氧焰加热光纤，同时用平移台拉伸着光纤的两端，使得光纤被加热区被拉细，通过控制拉伸时间，得到所需的锥形光纤。使用的光纤锥的尺寸直径约为1.3微米左右。
15.3）制备好光学微腔1和光纤锥2后，对光学微腔1和光纤锥2进行耦合测试，调节泵浦光的功率，将功率大于泵浦阈值的泵浦光耦合到光纤锥的一端；其中泵浦阈值通过光纤锥的输出功率进行确定；具体为：首先将光纤锥的束腰贴到光学微腔的边缘，光纤锥的一端输入泵浦光，泵浦光的波长固定在增益材料吸收谱宽范围内，不断增加泵浦光的功率，泵浦光的功率大于泵浦阈值时，光纤锥的输出功率随泵浦功率线性增长，通过数据处理后，在增长曲线里的拐点处，找到泵浦阈值；4）在增益材料吸收谱宽范围内连续扫描泵浦光波长，通过ccd显微成像实时观测光学微腔，直至出现由基纵模和高阶纵模叠加构成的、具有多边形构型（四边形）的复合模式，此时通过透射谱得到光学微腔出现多边形时的q值；调节或控制光纤锥2与光学微腔1的横向耦合位置，使得光学微腔的基纵模的品质因子比出现多边形时的q值低至少2倍（由于受到光纤锥耦合损耗的影响）。
16.5）固定泵浦光波长，调节泵浦光4的功率，观测到光学微腔1在增益材料的吸收范围内出现由基纵模和高阶纵模叠加而成、且具有和步骤4中出现相同的多边形几何构型的复合模式5，此时泵浦光与增益材料吸收谱范围内的复合模式共振，激射光与增益材料荧光谱范围内的复合模式共振。
6）将激射光6从光纤锥2的输出端耦合出来，用光谱分析11仪测试激射光6的光谱和线宽，获得单模、窄线宽，低阈值的激射；7）将光纤锥2与光学微腔1的位置固定、集成并封装，组成便携式的窄线宽（小于1000hz）、低阈值（80微瓦）的单模微激光器7。
17.实施例2光波导与含量子点光学微腔耦合，如图5所示1）利用飞秒激光刻蚀所需尺寸的含有量子点的光学微腔，飞秒激光刻蚀后的微腔，光学微腔的自由光谱范围至少为含有量子点材料的谱宽的1/2，结合过化学机械抛光技术（r. wu, et al., opt. lett., vol. 43, p 4116
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4118, 2018）得到边缘光滑的光学微腔。抛光前，将金丝绒抛光垫仔细清洗，防止里面的小颗粒将光学微腔划伤，可采用超声方法深层清洁。抛光好的微腔通过超声以及棉签擦洗的方法去除表面的有机物与颗粒等，使得光学微腔的表面更加洁净，降低损耗。
18.2）利用光刻或干法刻蚀工艺，并结合化学机械抛光技术制备所需的光波导，使得光波导能在增益材料吸收谱宽和增益谱宽范围内能同时容纳高阶模传输且能激发微腔的高阶模，化学机械抛光方法，可使得波导两侧更加光滑（可在显微镜下观测），降低损耗。抛光前要把抛光垫清洗干净，防止颗粒划伤波导，抛光好后的波导进行清洗，待使用。
19.3）对光学微腔和光波导进行耦合测试，将功率大于泵浦阈值的泵浦光耦合到光波导中；其中泵浦阈值可以通过光波导的输出功率进行确定；具体为：首先将光波导靠近光学微腔的边缘，光波导的一端输入泵浦光，泵浦光的波长固定在增益材料吸收谱宽范围内，不断增加泵浦光的功率，泵浦光的功率大于泵浦阈值时，光波导的输出功率随泵浦功率线性增长，通过数据处理后，在增长曲线里的拐点处，找到泵浦阈值。
20.4）将波长在增益材料吸收谱宽范围内的泵浦光耦合到光波导，进而与微腔耦合，连续扫描泵浦光波长，通过ccd显微成像实时观测光学微腔直至出现由基纵模和高阶纵模叠加构成的、具有多边形构型（三角形）的复合模式，此时通过透射谱得到光学微腔出现多边形时的q值；调节或控制光波导与光学微腔的空间位置，使得光波导能在增益材料吸收谱宽和增益谱宽范围内能同时容纳高阶模传输且能激发微腔的高阶模、同时使得基纵模的品质因子比高阶模的品质因子至少低2倍。
21.5）固定泵浦光4的波长，不断调节泵浦光功率，在增益材料的增益谱宽范围内，直至观测到光学微腔在增益材料的吸收范围内出现由基纵模和高阶纵模叠加而成、具有和步骤4中相同多边形几何构的复合模式，此时泵浦光与增益材料吸收谱范围内的复合模式共振，激射光与增益材料荧光谱范围内的复合模式共振。
22.6）将激射光6从光波导3的输出端耦合出来，用光谱分析11仪测试激射光6的光谱和线宽，获得单模、窄线宽，低阈值的激射。
23.7）将光波导3与光学微腔1的位置固定、集成并封装，组成便携式的窄线宽（小于1000hz）、低阈值（80微瓦）的单模微激光器7。