CN100375352C

CN100375352C - 硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构

Info

Publication number: CN100375352C
Application number: CNB200510086312XA
Authority: CN
Inventors: 许兴胜; 陈弘达
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: CN1925240A

Abstract

一种硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构，包括：一绝缘体硅材料；一二维光子晶体，该二维光子晶体制作在绝缘体硅材料的上面，位于绝缘体硅材料的中间部分处；一二维光子晶体微腔，该二维光子晶体微腔形成在二维光子晶体的中心处；一P型硅，该P型硅制作在绝缘体硅材料上面的一侧，位于二维光子晶体的一边；一N型硅，该N型硅制作在绝缘体硅材料上面的另一侧，位于二维光子晶体的另一边。本发明二维光子晶体微腔硅基拉曼激光器的结构，该拉曼激光器结构紧凑，模体积小，阈值低，便于与其他器件的集成。

Description

硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构

技术领域

本发明涉及一种硅基拉曼激光器结构，用二维光子晶体高品质因子的微腔作为谐振腔，降低了拉曼激光激射的阈值，容易产生单色性很好的拉曼激光。

背景技术

硅基微电子技术是20世纪最具有伟大成就的高技术之一，它的发展与成熟改变了人类的生活方式，极大地加快了社会发展的进程。光子技术的兴起又将信息的传输与处理过程提高到了一个新的高度。当前，全球信息化趋势的强烈市场要求，在推动微电子技术继续向前的同时，正促使光电子、光子集成技术迅猛发展，其中硅基光集成技术以其独特的优势使其在信息化进展中占据非常重要的地位。光电子主要可以分为几大类：(1)平面光波导光子集成芯片(PLC)；(2)光电子集成芯片(OEIC)；(3)光源及光探测器件(LD，LED及PD，APD等)。由于硅单晶体属于间接带隙的半导体材料，受激辐射能力很弱，硅基光源一直被排除在光子技术的主体之外。量子阱超晶格技术的快速发展为硅基光子器件提供了新的可能。由于硅基光子集成中的关键技术与微电子相容，超大规模集成在微加工设备与工艺技术的高度发展为硅基光子器件集成提供了完善技术平台，各种光子器件，光集成芯片迅速涌现。

硅基发光器件一直是硅基光电子研究的难点和热点。近期研究证实，由于在量子点结构中，电子的态密度变成了分离能级，从而使跃迁过程无须遵从动量守恒原则，辐射复合不再受光跃迁选择定则的限制，从而大大地提高硅基光电子器件的发光效率。因此，利用硅基低维量子阱研制高效硅基光子器件成为国内外学者一致的主攻方向。典型工艺是先利用MBE或CVD的方法长出一维限制量子阱结构，在通过微细加工技术形成二维限制，实现量子点生长。通过改善多孔硅的腐蚀方法和改进多孔硅发光机构稳定性措施，同样有效的提高多孔发光的强度和稳定性。国内外研究机构还利用不同多孔度的多层多孔硅及制成微腔结构的方法，加紧研制硅基材料激光二极管。尽管在硅基光子器件研究中已取得了很大进展，但实用化仍有很长一段距离。

Intel研究院的研究人员首先实现了脉冲泵浦的硅基拉曼激光器。拉曼效应在硅中要比在玻璃中强10000多倍。他们在拉曼光的传输通路的硅基脊形波导间加上反向偏置电压为25V，这样可以消除双光子吸收(TPA)，自由载流子吸收(FCA)产生的很大损耗。其中，输入的泵浦光波长为1536nm输出的拉曼激光波长为1669.5nm(Rong，H.et al.An all-silicon Raman laser.Nature 433，292-294(2005).)。

接着Intel的研究人员又实现了连续波硅基拉曼激光器(Haisheng Rong，Richard Jones，Ansheng Liu，et al.Acontinuous-wave Ramansilicon laser.Nature，Vol 433，17February 2005(725-728))。仍然采用PIN二极管结构，该结构可以消除双光子吸收并实现连续波的光放大。当光在波导两端的镜面覆盖层之间传输时显现了连续波的拉曼放大。输入的泵浦光波长为1550nm，输出的拉曼激光波长为1686nm。这是硅基光电器件及其集成研究的重要里程碑。Intel研究院的这项成果使得硅基光电器件及其集成研究向前迈了一大步，他们提出的硅基拉曼激光器的结构是在脊形波导的两个端面镀膜起到对光的反射作用，以此构成激光器的谐振腔，形成一个独立的器件。该种结构有它的缺点，需要在端面镀多层反射膜，对端面平整度要求很高，因为在两个端面镀膜，该种结构不利于与其他器件的集成。而本发明可以解决该问题。

另一方面，高Q值的微腔的应用也很广泛。而且人们在利用腔长增加拉曼激光的放大效应的同时，也考虑到另外一方面，可以利用高Q值的微腔降低拉曼激光的阈值(Opt Lett.V.292004P1224)。利用超高Q值的圆盘状微腔，已经在单个芯片上单模微腔拉曼激光器。该拉曼激光器的拉曼阈值仅是几个亳瓦，而且有45％左右的泵浦一拉曼转换效率，其中微盘的极高Q值高达100×10⁶。尤其光子晶体出现后，从理论和实验上研究光子晶体高Q值微腔方兴未艾。光子晶体的微腔是高Q值和小模体积，这种特点可以极大地降低拉曼激光器的阈值。为此光子晶体微腔激光器受到极大地关注。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二维光子晶体微腔硅基拉曼激光器的结构，该拉曼激光器结构紧凑，模体积小，阈值低，便于与其他器件的集成。

本发明一种硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构，其特征在于，包括：

一绝缘体上硅材料；

一二维光子晶体，该二维光子晶体制作在绝缘体上硅材料的上面，位于绝缘体上硅材料的中间部分处；

一二维光子晶体微腔，该二维光子晶体微腔形成在二维光子晶体的中心处；

一P型硅，该P型硅制作在绝缘体上硅材料上面的一侧，位于二维光子晶体的一边；

一N型硅，该N型硅制作在绝缘体上硅材料上面的另一侧，位于二维光子晶体的另一边。

其中绝缘体上硅材料1包括：

一硅衬底；

一二氧化硅绝缘层，该二氧化硅绝缘层制作在硅衬底上；

一顶层硅，该顶层硅制作在二氧化硅绝缘层上。

其中二氧化硅绝缘层的厚度为0.4-2微米。

其中该顶层硅对近红外波段满足单模条件。

其中二维光子晶体微腔为高Q腔，Q值要达到10⁶以上，以使得拉曼激光器的增益大于损耗。

其中二维光子晶体微腔的缺陷模对应波长为1550nm的光通信附近波长。

其中二维光子晶体的带隙在以1550nm为中心的范围，光子晶体的排数20排以上，以限制光的泄漏。

其中二维光子晶体的结构是三角晶格、方形晶格、六角晶格或准晶结构。

附图说明

为了进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明做一详细的描述，其中：

图1是硅基光子晶体微腔拉曼激光器的结构俯视图；

图2作为硅基拉曼激光器谐振腔的光子晶体微腔俯视图；

图3是硅基光子晶体微腔拉曼激光器的侧视图。

具体实施方式

请参阅图1和图2，本发明是一种二维光子晶体高Q腔的硅基拉曼激光器结构，包括：

一绝缘体硅SOI)材料1，该SOI材料1的顶层硅7(后叙)满足单模条件；

一二维光子晶体2，该二维光子晶体2制作在SOI材料1的上面，位于SOI材料1的中间部分处，该二维光子晶体2的带隙在以1550nm为中心的范围，光子晶体的排数20排以上，以限制光的泄漏，该二维光子晶体2的结构是三角晶格、方形晶格、六角晶格或准晶结构；

一二维光子晶体微腔5，该二维光子晶体微腔5形成在二维光子晶体2的中心处，该二维光子晶体微腔5为高Q腔，Q值要达到10⁶以上，以使得拉曼激光器的增益大于损耗，该二维光子晶体微腔5的缺陷模对应波长为1550nm的光通信附近波长；

一P型硅3，该P型硅3制作在SOI材料1上面的一侧，位于二维光子晶体2的一边；

一N型硅4，该N型硅制4作在SOI材料1上面的另一侧，位于二维光子晶体2的另一边。

请参阅图3本发明的硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构中的SOI材料1包括：

一硅衬底9；

一二氧化硅绝缘层8，该二氧化硅绝缘层8制作在硅衬底9上，该二氧化硅绝缘层8的厚度为0.4~2微米；

一顶层硅7，该顶层硅7制作在二氧化硅绝缘层8上，该顶层硅7对近红外波段满足单模条件。

该光子晶体和光子晶体微腔5的设计有特殊的考虑，主要要考虑该微腔缺陷要在光子带隙内有缺陷模，而且该缺陷模的Q值很高。主要通过设计合适的光子晶体结构和微腔结构增加微腔的Q值，光子晶体的排数要足够多，一般达到20个周期数以上，保证局域在中心缺陷的光很少泄漏。光子晶体的晶格常数和占空比的设计也要考虑实验条件，如合适的泵浦光泵浦后对应的硅基拉曼激光的波长，该波长要包含在所设计光子晶体带隙内，更重要的，所设计的光子晶体微腔的谐振波长要正好对应于泵浦激发的拉曼激光波长。这些设计一般采用时阈有限差分法进行数值计算模拟得到合适的参数。光子晶体微腔的高Q值一般通过设计特殊的光子晶体微腔结构实现，微腔的形式不局限于单个缺陷微腔，也可以设计多个缺陷微腔，以及设计某些缺陷的半径变化或边缘孔位置产微移的微腔，如设计成三角形微腔，两个孔微移的长条形微腔等。高Q值的光子晶体微腔是产生受激拉曼激光的关键，Q值越高，则产生受激拉曼激光的阈值就越低，越容易产生激射。

在光子晶体两侧边采用离子注入方法分别形成P型硅3和N型硅4，然后在这两区的上表面分别生长P形电极和N形电极。实验中，可以通过在两极之间加上合适的电压，该电压主要是减少双光子吸收和自由载流子吸收引起的损耗，增加受激拉曼激光的转换效率。对于硅拉曼激光产生拉曼增益的最大障碍是由于双光子吸收和自由载流子吸收引起的损耗。在紧靠光子晶体两边做上合适的P型硅3和N型硅4，铺设上P型电极和N型电极，在激光泵浦时，在P型和N型电极上加上合适的电压。在一定范围内，在两极间加的电压越大，则拉曼激光的增益越高。该电压主要通过加在中间微腔上从而降低双光子吸收造成的损耗。在电极和微腔之间是一些阵列的孔，那么电流主要是通过硅材料的孔壁流通构成一个回路，因为流通面积的减小，可能导致电阻增大，对电流的导通造成一定影响，也即可能对双光子吸收和自由载流子吸收的降低有一定影响。我们可以通过调整光子晶体孔的占空比实现电流的较好地导通。

该结构的光子晶体微腔拉曼激光器可以是垂直腔面发射的形式，也可以是平面内传输的拉曼激光器。泵浦激光采用垂直于光子晶体平面或成一定角度方向泵浦微腔结构，拉曼激光垂直于平面发射，这样实现的激光器主要为垂直面发射形式的拉曼微腔激光器。因为拉曼激光产生激射以后在平面内和垂直于平面两个方向出射，而且在平面内部分和垂直方向的部分根据光子晶体结构和平板波导的厚度占一定的比例。在平面内传输的拉曼激光因为要受到多层光子晶体结构的限制，传输出光子晶体区域后信号会很弱。那么我们可以设法考虑采用一直波导接近光子晶体微腔，引出拉曼光信号。而且这种出射方式还为光子晶体微腔激光器与其他光电子器件在单片上的集成提供了很好的思路。

光子晶体的制作方法如下：在SOI的顶层硅7上生长200nm左右厚度的SiO₂，在SiO₂上均匀涂覆200nm左右的光刻胶，利用电子束制版方法在光刻胶上在对应于脊形波导的两端面的位置定义光子晶体图形，然后分别以光刻胶和SiO₂作掩模在顶层硅7上干法刻蚀方法形成光子晶体结构，干法刻蚀方法可以采用反应离子束或感应耦合等离子体刻蚀方法，形成结构如图2所示，黑色圆代表刻蚀的空气孔。作为其中一实例，光子晶体晶格常数取为0.30λ，孔径0.10λ，空气孔的排列为三角晶格分布，空气孔的深度即为SOI材料顶层硅7的厚度。二维光子晶体电极等的结合方式请参阅图3所示：紧靠光子晶体前侧分别形成P型区和N型区，光子晶体的空气孔的方向垂直于顶层硅7构成的平板波导。

以上光子晶体微腔的硅基拉曼激光器的实施过程如下：

本发明的实现过程是：结合参阅图2，拉曼激光器开始工作时在P-N结的N型硅3和P型硅4之间加大约20V左右电压，泵浦激光采用Er离子光纤放大器放大的1550nm的半导体激光，功率大约4W，泵浦光利用高倍显微镜垂直聚焦到光子晶体微腔的位置，同时该显微物镜也是收集信号作用。泵浦激光足够强时，光子晶体处的硅拉曼介质产生拉曼信号，由于微腔的Q值足够高，那么泵浦激光产生拉曼光后主要局域在微腔处，使得拉曼光在微腔内产生振荡，拉曼信号逐渐放大增强，而且在光子晶体两边加上电压后减少了信号光的损耗，一旦振荡的拉曼光的增益大于损耗，就实现了拉曼光的激射，产生激光，并从垂直方向出射出来。

Claims

1.一种硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构，其特征在于，包括：

一绝缘体上硅材料；

2.根据权利要求1所述的硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构，其特征在于，其中绝缘体上硅材料包括：

一硅衬底；

一二氧化硅绝缘层，该二氧化硅绝缘层制作在硅衬底上；

一顶层硅，该顶层硅制作在二氧化硅绝缘层上。

3.根据权利要求2所述的硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构，其特征在于，其中二氧化硅绝缘层的厚度为0.4-2微米。

4.根据权利要求2所述的硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构，其特征在于，其中该顶层硅对近红外波段满足单模条件。

5.根据权利要求1所述的硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构，其特征在于，其中二维光子晶体微腔为高Q腔，Q值要达到10⁶以上，以使得拉曼激光器的增益大于损耗。

6.根据权利要求1所述的硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构，其特征在于，其中二维光子晶体微腔的缺陷模对应波长为1550nm附近的光通信波长。

7.根据权利要求1所述的硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构，其特征在于，其中二维光子晶体的带隙在以1550nm为中心的范围，光子晶体的排数20排以上，以限制光的泄漏。

8.根据权利要求1所述的硅基光子晶体微腔拉曼激光器结构，其特征在于，其中二维光子晶体的结构是三角晶格、方形晶格、六角晶格或准晶结构。