專利名稱：硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，用二維光子晶體高品質(zhì)因子的微腔作為諧振腔，降低了拉曼激光激射的閾值，容易產(chǎn)生單色性很好的拉曼激光。
背景技術(shù)：
硅基微電子技術(shù)是20世紀(jì)最具有偉大成就的高技術(shù)之一，它的發(fā)展與成熟改變了人類的生活方式，極大地加快了社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程。光子技術(shù)的興起又將信息的傳輸與處理過(guò)程提高到了一個(gè)新的高度。當(dāng)前，全球信息化趨勢(shì)的強(qiáng)烈市場(chǎng)要求，在推動(dòng)微電子技術(shù)繼續(xù)向前的同時(shí)，正促使光電子、光子集成技術(shù)迅猛發(fā)展，其中硅基光集成技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使其在信息化進(jìn)展中占據(jù)非常重要的地位。光電子主要可以分為幾大類(1)平面光波導(dǎo)光子集成芯片(PLC)；(2)光電子集成芯片(OEIC)；(3)光源及光探測(cè)器件(LD，LED及PD，APD等)。由于硅單晶體屬于間接帶隙的半導(dǎo)體材料，受激輻射能力很弱，硅基光源一直被排除在光子技術(shù)的主體之外。量子阱超晶格技術(shù)的快速發(fā)展為硅基光子器件提供了新的可能。由于硅基光子集成中的關(guān)鍵技術(shù)與微電子相容，超大規(guī)模集成在微加工設(shè)備與工藝技術(shù)的高度發(fā)展為硅基光子器件集成提供了完善技術(shù)平臺(tái)，各種光子器件，光集成芯片迅速涌現(xiàn)。
硅基發(fā)光器件一直是硅基光電子研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。近期研究證實(shí)，由于在量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，電子的態(tài)密度變成了分離能級(jí)，從而使躍遷過(guò)程無(wú)須遵從動(dòng)量守恒原則，輻射復(fù)合不再受光躍遷選擇定則的限制，從而大大地提高硅基光電子器件的發(fā)光效率。因此，利用硅基低維量子阱研制高效硅基光子器件成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者一致的主攻方向。典型工藝是先利用MBE或CVD的方法長(zhǎng)出一維限制量子阱結(jié)構(gòu)，在通過(guò)微細(xì)加工技術(shù)形成二維限制，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)生長(zhǎng)。通過(guò)改善多孔硅的腐蝕方法和改進(jìn)多孔硅發(fā)光機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性措施，同樣有效的提高多孔發(fā)光的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)還利用不同多孔度的多層多孔硅及制成微腔結(jié)構(gòu)的方法，加緊研制硅基材料激光二極管。盡管在硅基光子器件研究中已取得了很大進(jìn)展，但實(shí)用化仍有很長(zhǎng)一段距離。
Intel研究院的研究人員首先實(shí)現(xiàn)了脈沖泵浦的硅基拉曼激光器。拉曼效應(yīng)在硅中要比在玻璃中強(qiáng)10000多倍。他們?cè)诶獾膫鬏斖返墓杌剐尾▽?dǎo)間加上反向偏置電壓為25V，這樣可以消除雙光子吸收(TPA)，自由載流子吸收(FCA)產(chǎn)生的很大損耗。其中，輸入的泵浦光波長(zhǎng)為1536nm輸出的拉曼激光波長(zhǎng)為1669.5nm(Rong，H.et al.An all-silicon Raman laser.Nature 433，292-294(2005).)。
接著Intel的研究人員又實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波硅基拉曼激光器(Haisheng Rong，Richard Jones，Ansheng Liu，et a1.Acontinuous-wave Ramansilicon laser.Nature，Vol 433，17 February 2005(725-728))。仍然采用PIN二極管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以消除雙光子吸收并實(shí)現(xiàn)連續(xù)波的光放大。當(dāng)光在波導(dǎo)兩端的鏡面覆蓋層之間傳輸時(shí)顯現(xiàn)了連續(xù)波的拉曼放大。輸入的泵浦光波長(zhǎng)為1550nm，輸出的拉曼激光波長(zhǎng)為1686nm。這是硅基光電器件及其集成研究的重要里程碑。Intel研究院的這項(xiàng)成果使得硅基光電器件及其集成研究向前邁了一大步，他們提出的硅基拉曼激光器的結(jié)構(gòu)是在脊形波導(dǎo)的兩個(gè)端面鍍膜起到對(duì)光的反射作用，以此構(gòu)成激光器的諧振腔，形成一個(gè)獨(dú)立的器件。該種結(jié)構(gòu)有它的缺點(diǎn)，需要在端面鍍多層反射膜，對(duì)端面平整度要求很高，因?yàn)樵趦蓚€(gè)端面鍍膜，該種結(jié)構(gòu)不利于與其他器件的集成。而本發(fā)明可以解決該問(wèn)題。
另一方面，高Q值的微腔的應(yīng)用也很廣泛。而且人們?cè)诶们婚L(zhǎng)增加拉曼激光的放大效應(yīng)的同時(shí)，也考慮到另外一方面，可以利用高Q值的微腔降低拉曼激光的閾值(Opt Lett.V.29 2004 P1224)。利用超高Q值的圓盤狀微腔，已經(jīng)在單個(gè)芯片上單模微腔拉曼激光器。該拉曼激光器的拉曼閾值僅是幾個(gè)毫瓦，而且有45％左右的泵浦一拉曼轉(zhuǎn)換效率，其中微盤的極高Q值高達(dá)100×106。尤其光子晶體出現(xiàn)后，從理論和實(shí)驗(yàn)上研究光子晶體高Q值微腔方興未艾。光子晶體的微腔是高Q值和小模體積，這種特點(diǎn)可以極大地降低拉曼激光器的閾值。為此光子晶體微腔激光器受到極大地關(guān)注。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種二維光子晶體微腔硅基拉曼激光器的結(jié)構(gòu)，該拉曼激光器結(jié)構(gòu)緊湊，模體積小，閾值低，便于與其他器件的集成。
本發(fā)明一種硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一絕緣體硅材料；一二維光子晶體，該二維光子晶體制作在絕緣體硅材料的上面，位于絕緣體硅材料的中間部分處；一二維光子晶體微腔，該二維光子晶體微腔形成在二維光子晶體的中心處；一P型硅，該P(yáng)型硅制作在絕緣體硅材料上面的一側(cè)，位于二維光子晶體的一邊；
一N型硅，該N型硅制作在絕緣體硅材料上面的另一側(cè)，位于二維光子晶體的另一邊。
其中絕緣體硅材料1包括一硅襯底；一二氧化硅絕緣層，該二氧化硅絕緣層制作在硅襯底上；一項(xiàng)層硅，該頂層硅制作在二氧化硅絕緣層上。
其中二氧化硅絕緣層的厚度為0.4-2微米。
其中該項(xiàng)層硅對(duì)近紅外波段滿足單模條件。
其中二維光子晶體微腔為高Q腔，Q值要達(dá)到106以上，以使得拉曼激光器的增益大于損耗。
其中二維光子晶體微腔的缺陷模對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1550nm的光通信附近波長(zhǎng)。
其中二維光子晶體的帶隙在以1550nm為中心的范圍，光子晶體的排數(shù)20排以上，以限制光的泄漏。
其中二維光子晶體的結(jié)構(gòu)是三角晶格、方形晶格、六角晶格或準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。


為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容及特點(diǎn)，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做一詳細(xì)的描述，其中圖1是硅基光子晶體微腔拉曼激光器的結(jié)構(gòu)俯視圖；
圖2作為硅基拉曼激光器諧振腔的光子晶體微腔俯視圖；圖3是硅基光子晶體微腔拉曼激光器的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
請(qǐng)參閱圖1和圖2，本發(fā)明是一種二維光子晶體高Q腔的硅基拉曼激光器結(jié)構(gòu)，包括一絕緣體硅(SOI)材料1，該SOI材料1的頂層硅7(后敘)滿足單模條件；一二維光子晶體2，該二維光子晶體2制作在SOI材料1的上面，位于SOI材料1的中間部分處，該二維光子晶體2的帶隙在以1550nm為中心的范圍，光子晶體的排數(shù)20排以上，以限制光的泄漏，該二維光子晶體2的結(jié)構(gòu)是三角晶格、方形晶格、六角晶格或準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)；一二維光子晶體微腔5，該二維光子晶體微腔5形成在二維光子晶體2的中心處，該二維光子晶體微腔5為高Q腔，Q值要達(dá)到106以上，以使得拉曼激光器的增益大于損耗，該二維光子晶體微腔5的缺陷模對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1550nm的光通信附近波長(zhǎng)；一P型硅3，該P(yáng)型硅3制作在SOI材料1上面的一側(cè)，位于二維光子晶體2的一邊；一N型硅4，該N型硅制4作在SOI材料1上面的另一側(cè)，位于二維光子晶體2的另一邊。
請(qǐng)參閱圖3本發(fā)明的硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)中的SOI材料1包括一硅襯底9；一二氧化硅絕緣層8，該二氧化硅絕緣層8制作在硅襯底9上，該二氧化硅絕緣層8的厚度為0.4~2微米；一頂層硅7，該頂層硅7制作在二氧化硅絕緣層8上，該頂層硅7對(duì)近紅外波段滿足單模條件。
該光子晶體和光子晶體微腔5的設(shè)計(jì)有特殊的考慮，主要要考慮該微腔缺陷要在光子帶隙內(nèi)有缺陷模，而且該缺陷模的Q值很高。主要通過(guò)設(shè)計(jì)合適的光子晶體結(jié)構(gòu)和微腔結(jié)構(gòu)增加微腔的Q值，光子晶體的排數(shù)要足夠多，一般達(dá)到20個(gè)周期數(shù)以上，保證局域在中心缺陷的光很少泄漏。光子晶體的晶格常數(shù)和占空比的設(shè)計(jì)也要考慮實(shí)驗(yàn)條件，如合適的泵浦光泵浦后對(duì)應(yīng)的硅基拉曼激光的波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)要包含在所設(shè)計(jì)光子晶體帶隙內(nèi)，更重要的，所設(shè)計(jì)的光子晶體微腔的諧振波長(zhǎng)要正好對(duì)應(yīng)于泵浦激發(fā)的拉曼激光波長(zhǎng)。這些設(shè)計(jì)一般采用時(shí)閾有限差分法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬得到合適的參數(shù)。光子晶體微腔的高Q值一般通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的光子晶體微腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，微腔的形式不局限于單個(gè)缺陷微腔，也可以設(shè)計(jì)多個(gè)缺陷微腔，以及設(shè)計(jì)某些缺陷的半徑變化或邊緣孔位置產(chǎn)微移的微腔，如設(shè)計(jì)成三角形微腔，兩個(gè)孔微移的長(zhǎng)條形微腔等。高Q值的光子晶體微腔是產(chǎn)生受激拉曼激光的關(guān)鍵，Q值越高，則產(chǎn)生受激拉曼激光的閾值就越低，越容易產(chǎn)生激射。
在光子晶體兩側(cè)邊采用離子注入方法分別形成P型硅3和N型硅4，然后在這兩區(qū)的上表面分別生長(zhǎng)P形電極和N形電極。實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)在兩極之間加上合適的電壓，該電壓主要是減少雙光子吸收和自由載流子吸收引起的損耗，增加受激拉曼激光的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于硅拉曼激光產(chǎn)生拉曼增益的最大障礙是由于雙光子吸收和自由載流子吸收引起的損耗。在緊靠光子晶體兩邊做上合適的P型硅3和N型硅4，鋪設(shè)上P型電極和N型電極，在激光泵浦時(shí)，在P型和N型電極上加上合適的電壓。在一定范圍內(nèi)，在兩極間加的電壓越大，則拉曼激光的增益越高。該電壓主要通過(guò)加在中間微腔上從而降低雙光子吸收造成的損耗。在電極和微腔之間是一些陣列的孔，那么電流主要是通過(guò)硅材料的孔壁流通構(gòu)成一個(gè)回路，因?yàn)榱魍娣e的減小，可能導(dǎo)致電阻增大，對(duì)電流的導(dǎo)通造成一定影響，也即可能對(duì)雙光子吸收和自由載流子吸收的降低有一定影響。我們可以通過(guò)調(diào)整光子晶體孔的占空比實(shí)現(xiàn)電流的較好地導(dǎo)通。
該結(jié)構(gòu)的光子晶體微腔拉曼激光器可以是垂直腔面發(fā)射的形式，也可以是平面內(nèi)傳輸?shù)睦す馄?。泵浦激光采用垂直于光子晶體平面或成一定角度方向泵浦微腔結(jié)構(gòu)，拉曼激光垂直于平面發(fā)射，這樣實(shí)現(xiàn)的激光器主要為垂直面發(fā)射形式的拉曼微腔激光器。因?yàn)槔す猱a(chǎn)生激射以后在平面內(nèi)和垂直于平面兩個(gè)方向出射，而且在平面內(nèi)部分和垂直方向的部分根據(jù)光子晶體結(jié)構(gòu)和平板波導(dǎo)的厚度占一定的比例。在平面內(nèi)傳輸?shù)睦す庖驗(yàn)橐艿蕉鄬庸庾泳w結(jié)構(gòu)的限制，傳輸出光子晶體區(qū)域后信號(hào)會(huì)很弱。那么我們可以設(shè)法考慮采用一直波導(dǎo)接近光子晶體微腔，引出拉曼光信號(hào)。而且這種出射方式還為光子晶體微腔激光器與其他光電子器件在單片上的集成提供了很好的思路。
光子晶體的制作方法如下在SOI的頂層硅7上生長(zhǎng)200nm左右厚度的SiO2，在SiO2上均勻涂覆200nm左右的光刻膠，利用電子束制版方法在光刻膠上在對(duì)應(yīng)于脊形波導(dǎo)的兩端面的位置定義光子晶體圖形，然后分別以光刻膠和SiO2作掩模在頂層硅7上干法刻蝕方法形成光子晶體結(jié)構(gòu)，干法刻蝕方法可以采用反應(yīng)離子束或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕方法，形成結(jié)構(gòu)如圖2所示，黑色圓代表刻蝕的空氣孔。作為其中一實(shí)例，光子晶體晶格常數(shù)取為0.30λ，孔徑0.10λ，空氣孔的排列為三角晶格分布，空氣孔的深度即為SOI材料頂層硅7的厚度。二維光子晶體電極等的結(jié)合方式請(qǐng)參閱圖3所示緊靠光子晶體前側(cè)分別形成P型區(qū)和N型區(qū)，光子晶體的空氣孔的方向垂直于項(xiàng)層硅7構(gòu)成的平板波導(dǎo)。
以上光子晶體微腔的硅基拉曼激光器的實(shí)施過(guò)程如下本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是結(jié)合參閱圖2，拉曼激光器開始工作時(shí)在P-N結(jié)的N型硅3和P型硅4之間加大約20V左右電壓，泵浦激光采用Er離子光纖放大器放大的1550nm的半導(dǎo)體激光，功率大約4W，泵浦光利用高倍顯微鏡垂直聚焦到光子晶體微腔的位置，同時(shí)該顯微物鏡也是收集信號(hào)作用。泵浦激光足夠強(qiáng)時(shí)，光子晶體處的硅拉曼介質(zhì)產(chǎn)生拉曼信號(hào)，由于微腔的Q值足夠高，那么泵浦激光產(chǎn)生拉曼光后主要局域在微腔處，使得拉曼光在微腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩，拉曼信號(hào)逐漸放大增強(qiáng)，而且在光子晶體兩邊加上電壓后減少了信號(hào)光的損耗，一旦振蕩的拉曼光的增益大于損耗，就實(shí)現(xiàn)了拉曼光的激射，產(chǎn)生激光，并從垂直方向出射出來(lái)。
權(quán)利要求
1.一種硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一絕緣體硅材料；一二維光子晶體，該二維光子晶體制作在絕緣體硅材料的上面，位于絕緣體硅材料的中間部分處；一二維光子晶體微腔，該二維光子晶體微腔形成在二維光子晶體的中心處；一P型硅，該P(yáng)型硅制作在絕緣體硅材料上面的一側(cè)，位于二維光子晶體的一邊；一N型硅，該N型硅制作在絕緣體硅材料上面的另一側(cè)，位于二維光子晶體的另一邊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中絕緣體硅材料1包括一硅襯底；一二氧化硅絕緣層，該二氧化硅絕緣層制作在硅襯底上；一頂層硅，該頂層硅制作在二氧化硅絕緣層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中二氧化硅絕緣層的厚度為0.4-2微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中該頂層硅對(duì)近紅外波段滿足單模條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中二維光子晶體微腔為高Q腔，Q值要達(dá)到106以上，以使得拉曼激光器的增益大于損耗。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中二維光子晶體微腔的缺陷模對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1550nm的光通信附近波長(zhǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中二維光子晶體的帶隙在以1550nm為中心的范圍，光子晶體的排數(shù)20排以上，以限制光的泄漏。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中二維光子晶體的結(jié)構(gòu)是三角晶格、方形晶格、六角晶格或準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種硅基光子晶體微腔拉曼激光器結(jié)構(gòu)，包括一絕緣體硅材料；一二維光子晶體，該二維光子晶體制作在絕緣體硅材料的上面，位于絕緣體硅材料的中間部分處；一二維光子晶體微腔，該二維光子晶體微腔形成在二維光子晶體的中心處；一P型硅，該P(yáng)型硅制作在絕緣體硅材料上面的一側(cè)，位于二維光子晶體的一邊；一N型硅，該N型硅制作在絕緣體硅材料上面的另一側(cè)，位于二維光子晶體的另一邊。本發(fā)明二維光子晶體微腔硅基拉曼激光器的結(jié)構(gòu)，該拉曼激光器結(jié)構(gòu)緊湊，模體積小，閾值低，便于與其他器件的集成。
文檔編號(hào)H01S5/12GK1925240SQ20051008631
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者許興勝, 陳弘達(dá) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所