RU2378750C1 - Ultraviolet laser based on two-dimensional photonic crystal - Google Patents

Abstract

FIELD: physics; optics.

SUBSTANCE: invention relates to distributed-feedback (DFB) lasers in which the Bragg grating used is a two-dimensional photonic crystal. The crystal substrate used is an opal matrix with 108 nm or 238 nm spheres and orientation of the surface (111), on which a sublayer of silicon dioxide of thickness 150-250 nm is deposited through magnetron sputtering, on top of a zinc oxide layer of thickness 120-140 nm and the samples are then calcined at 800°C for 5 minutes.

EFFECT: lower threshold of generation, simplification of technology of making the laser.

1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерам с распределенной обратной связью (РОС), в которых в качестве брэгговской решетки используется двумерный фотонный кристалл. Такие лазеры могут найти широкое применение в оптоэлектронике и телекоммуникации.The invention relates to distributed feedback lasers (POC), in which a two-dimensional photonic crystal is used as a Bragg grating. Such lasers can be widely used in optoelectronics and telecommunications.

Один из первых РОС-лазеров был изготовлен на основе пленки желатина, осажденного на стеклянную подложку. (Н.Kogelnik, C.V.Shank, Applied Physics Letters vol.18, N4, 1971, 152-154.) Методом голографии в пленке желатина была изготовлена структура с пространственной модуляцией коэффициента преломления. Периодические поры в пленке желатина были заполнены раствором родамина 6G. При возбуждении ультрафиолетовым излучением пленки по нормали к поверхности в плоскости пленки возникали лазерные осциляции с длиной волны 0.63 мкм и высоким порогом генерации около 1 МВт/см².One of the first POC lasers was made on the basis of a gelatin film deposited on a glass substrate. (N. Kogelnik, CVShank, Applied Physics Letters vol. 18, N4, 1971, 152-154.) A structure with spatial modulation of the refractive index was produced by holography in a gelatin film. The periodic pores in the gelatin film were filled with rhodamine 6G solution. When the film was excited by ultraviolet radiation along the normal to the surface in the film plane, laser oscillations with a wavelength of 0.63 μm and a high generation threshold of about 1 MW / cm ² arose.

Патент США №6744804 от 2004 г. демонстрирует лазер, использующий фотонные кристаллы в качестве оптических зеркал. Фотонные кристаллы заменяют грани скола в традиционных лазерах. Изготовление зеркальных граней путем скола является трудноконтролируемым процессом. Так как РОС-лазеры очень чувствительны к положению сколотой грани, то выход годных изделий из-за неконтролируемости скола резко уменьшается. С другой стороны, изготовление распределенных брэгговских решеток в многослойных структурах требует дорогостоящего оборудования и сложных технологий, например, молекулярно-лучевой эпитаксии (МВЕ), химического осаждения из пара с металлорганическими ингредиентами (MOCVD), фокусирующих ионных пучков (FIB), высокоразрешающей литографии (high-resolution lithography). Такие методики используются для изготовления лазеров в патенте США.US Patent No. 6,744,804 of 2004 shows a laser using photonic crystals as optical mirrors. Photonic crystals replace cleaved faces in traditional lasers. Chipping is a hard-to-control process. Since POC lasers are very sensitive to the position of a cleaved face, the yield of suitable products due to uncontrolled cleavage decreases sharply. On the other hand, the manufacture of distributed Bragg gratings in multilayer structures requires expensive equipment and sophisticated technologies, such as molecular beam epitaxy (MBE), chemical vapor deposition with organometallic ingredients (MOCVD), focusing ion beams (FIB), high resolution lithography (high -resolution lithography). Such techniques are used for the manufacture of lasers in the US patent.

Ближайшим аналогом (прототип) является лазер, описанный в работе американских авторов X.Wu, A.Yamilov, X.Liu et al. (Ultraviolet photonic crystal laser. Applied Physics Letters, vol.85, No17, pp.3657-3659, 2004). В этой работе методом MOCVD осаждали слой оксида цинка толщиной 200 нм на подложку из сапфира. Затем в слое оксида цинка вытравливали цилиндрические отверстия (по форме столбики) диаметром 115 нм на всю глубину слоя. Массив воздушных цилиндров в слое оксида цинка вытравливали методом фокусирующего ионного пучка (FIB) и цилиндрические отверстия образовывали периодическую решетку с гексагональной симметрией. Размер готового участка составлял 8×8 мкм². При оптической накачке по нормали к поверхности пленки наблюдали лазерные осцилляции при длине волны около 390 нм с порогом генерации 80 МВт/см².The closest analogue (prototype) is a laser, described in the work of American authors X.Wu, A.Yamilov, X. Liu et al. (Ultraviolet photonic crystal laser. Applied Physics Letters, vol. 85, No. 17, pp. 3657-3659, 2004). In this work, a 200 nm thick zinc oxide layer was deposited on a sapphire substrate by the MOCVD method. Then, cylindrical holes (column-shaped) with a diameter of 115 nm were etched into the zinc oxide layer over the entire depth of the layer. The array of air cylinders in the zinc oxide layer was etched by the focusing ion beam method (FIB) and cylindrical holes formed a periodic lattice with hexagonal symmetry. The size of the finished plot was 8 × 8 μm ² . During optical pumping along the normal to the film surface, laser oscillations were observed at a wavelength of about 390 nm with a generation threshold of 80 MW / cm ² .

Основные недостатки прототипа - это высокий порог генерации, сложные технологии и дорогостоящее оборудование (MOCVD, FIB), используемые при изготовлении лазера.The main disadvantages of the prototype are the high generation threshold, sophisticated technologies and expensive equipment (MOCVD, FIB) used in the manufacture of the laser.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в снижении порога генерации, исключении сложных технологий и дорогостоящего оборудования (MOCVD, FIB) при изготовлении лазера.The technical result to which the invention is directed is to reduce the generation threshold, to eliminate complex technologies and expensive equipment (MOCVD, FIB) in the manufacture of a laser.

Для достижения данного технического результата в ультрафиолетовом лазере на основе двумерного фотонного кристалла, содержащем слой оксида цинка на подложке, в качестве подложки используется опаловая матрица с гранью (111), представляющая собой периодическую структуру с плотнейшей упаковкой шаров диоксида кремния диаметром (размером) 108 нм или 238 нм, на которую наносят методом магнетронного напыления подслой диоксида кремния толщиной 150-250 нм, сверху слой оксида цинка толщиной 120-140 нм и затем производят отжиг образцов при 800°С в течение 5 мин.To achieve this technical result, in an ultraviolet laser based on a two-dimensional photonic crystal containing a layer of zinc oxide on a substrate, an opal matrix with a (111) face is used as a substrate, which is a periodic structure with a densest packing of silicon dioxide balls with a diameter (size) of 108 nm or 238 nm, on which a silicon dioxide sublayer of 150-250 nm thick is applied by magnetron sputtering, a layer of zinc oxide 120-140 nm thick is applied on top and then annealed the samples at 800 ° C for 5 min .

Грань (111) опаловой матрицы имеет периодическую гофрированную поверхность, образованную слоем плотноупакованных шаров SiO₂, которая служит маской для образования реплики в пленке оксида цинка (см. чертеж). Слой оксида цинка представляет собой волновод для распространения излучения в плоскости.The (111) face of the opal matrix has a periodic corrugated surface formed by a layer of tightly packed SiO ₂ balls, which serves as a mask for the formation of a replica in the zinc oxide film (see drawing). The zinc oxide layer is a waveguide for the propagation of radiation in the plane.

Отличие предложенного лазера заключается в том, что лазер содержит фотонный кристалл на основе опаловой матрицы, образующей гофрированную поверхность в осажденном слое оксида цинка и формирующей обратную связь для оптических мод, распространяющихся внутри волноводной пленки оксида цинка. Размер шаров диоксида кремния в опаловой матрице, которая используется в качестве распределенной брэгговской решетки, выбирают из условия, чтобы край фотонной запрещенной зоны двумерной опаловой решетки был настроен на длину волны излучателя при заданной толщине слоя оксида цинка. Это приводит к усилению интенсивности эмиссии, благодаря повышенной плотности фотонных состояний на краю фотонной запрещенной зоны, и снижению порога генерации.The difference of the proposed laser is that the laser contains a photonic crystal based on an opal matrix that forms a corrugated surface in the deposited layer of zinc oxide and forms feedback for optical modes propagating inside the waveguide film of zinc oxide. The size of the balls of silicon dioxide in the opal matrix, which is used as a distributed Bragg grating, is chosen so that the edge of the photonic band gap of the two-dimensional opal grating is tuned to the emitter wavelength for a given zinc oxide layer thickness. This leads to an increase in the emission intensity due to the increased density of photon states at the edge of the photonic band gap, and a decrease in the generation threshold.

Ростовая грань (111) опаловой матрицы представляет собой двумерную гексагональную решетку с периодическим изменением показателя преломления, причем период этой решетки определяется диаметром шаров диоксида кремния (SiO₂). Граница слоя оксида цинка (ZnO) с опалом представляет собой реплику такой брэгговской решетки. На этой решетке происходит связь двух распространяющихся в противоположных направлениях волн с брэгговской длиной волны λ_В=2Nd, где λ_В - брэгговская длина волны, N - волноводный показатель преломления, d - межплоскостное расстояние вдоль направления распространения волны. Слой оксида цинка представляет собой волновод, толщина которого выбирается из условия существования заданного числа мод нужной поляризации. Для данной длины волны излучения край фотонной запрещенной зоны двумерной опаловой решетки должен быть настроен на эту длину волны изменением толщины слоя оксида цинка. При этих условиях обратная связь осуществляется за счет когерентного рассеяния от периодической структуры опаловой решетки.The growth face (111) of the opal matrix is a two-dimensional hexagonal lattice with a periodic change in the refractive index, and the period of this lattice is determined by the diameter of the balls of silicon dioxide (SiO ₂ ). The boundary of the zinc oxide (ZnO) layer with opal is a replica of such a Bragg grating. On this grating, two waves propagating in opposite directions are connected with the Bragg wavelength λ _B = 2Nd, where λ _B is the Bragg wavelength, N is the waveguide refractive index, and d is the interplanar distance along the wave propagation direction. The zinc oxide layer is a waveguide, the thickness of which is selected from the condition for the existence of a given number of modes of the desired polarization. For a given radiation wavelength, the edge of the photonic band gap of a two-dimensional opal grating should be tuned to this wavelength by changing the thickness of the zinc oxide layer. Under these conditions, feedback is due to coherent scattering from the periodic structure of the opal lattice.

Размер шаров диоксида кремния в опаловой матрице, которая используется в качестве распределенной брэгговской решетки, выбирают из условия, чтобы край фотонной запрещенной зоны двумерной опаловой решетки был настроен на длину волны излучателя при заданной толщине слоя оксида цинка.The size of the balls of silicon dioxide in the opal matrix, which is used as a distributed Bragg grating, is chosen so that the edge of the photonic band gap of the two-dimensional opal grating is tuned to the emitter wavelength for a given zinc oxide layer thickness.

Брэгговскую длину волны (т.е. центр фотонной запрещенной зоны-ФЗЗ) рассчитывают по формуле:The Bragg wavelength (i.e., the center of the photonic band gap-FZZ) is calculated by the formula:

λ_В=2n_ZnOsinθd,λ _B = 2n _ZnO sinθd,

где λ_В - брэгговская длина волны, n_ZnO - показатель преломления окида цинка, θ - угол падения волны внутри волновода, d - межплоскостное расстояние вдоль направления распространения волны. Дополнительную настройку на край фотонной запрещенной зоны производят изменением волноводного показателя преломленияwhere λ _B is the Bragg wavelength, n _ZnO is the refractive index of zinc oxide, θ is the angle of incidence of the wave inside the waveguide, d is the interplanar distance along the direction of wave propagation. Additional tuning to the edge of the photonic band gap is made by changing the waveguide refractive index

N=n_ZnOsinθ, который зависит от толщины волновода (слоя оксида цинка) и условий фазового согласования при распространении заданной моды. Настройка излучателя на край фотонной запрещенной зоны приводит к усилению интенсивности эмиссии благодаря повышенной плотности фотонных состояний.N = n _ZnO sinθ, which depends on the thickness of the waveguide (zinc oxide layer) and phase matching conditions during the propagation of a given mode. Tuning the emitter to the edge of the photonic band gap leads to an increase in the emission intensity due to the increased density of photon states.

Таким образом, предложенный лазер по сравнению с прототипом имеет более низкий порог генерации за счет распределенной обратной связи и исключает сложные технологии и дорогостоящее оборудование (MOCVD, FIB) при его изготовлении.Thus, the proposed laser, in comparison with the prototype, has a lower generation threshold due to distributed feedback and eliminates complex technologies and expensive equipment (MOCVD, FIB) in its manufacture.

Подслой диоксида кремния служит для сглаживания рельефа поверхности, и его толщина составляет 150-250 нм. При толщинах подслоя больше 250 нм рельеф сглаживается до плоского и обратная связь за счет брегговской дифракции исчезает. При толщинах подслоя, меньших 150 нм, глубокий рельеф поверхности подложки приводит к сильному рассеянию проходящего света и снижению обратной связи.The silicon dioxide sublayer is used to smooth the surface topography, and its thickness is 150-250 nm. At sublayer thicknesses greater than 250 nm, the relief is smoothed to flat and feedback due to Bragg diffraction disappears. At sublayer thicknesses less than 150 nm, the deep relief of the substrate surface leads to strong scattering of transmitted light and a decrease in feedback.

Пленку оксида цинка высокой чистоты на опаловой матрице получают методом магнетронного распыления поликристаллической мишени ZnO. Толщина слоя оксида цинка составляет 120-140 нм. Для этих толщин в волноводном слое рапространяется только одна мода каждой поляризации (ТЕ_o и ТМ_o). Для удаления структурных дефектов, индуцированных при распылении, образцы отжигают при 800°С в течение 5 мин. Усиление света достигается в сильнолокализованных модах вблизи края фотонной запрещенной зоны при оптической накачке. Размер шаров диоксида кремния в опаловой матрице 108 нм. Брэгговская длина волны соответствует центру фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ) опаловой решетки в М-направлении гексагональной решетки и равна 410 нм. Эмиссия, обусловленная рекомбинацией электрон-дырочных пар в ZnO при комнатной температуре, происходит при ~397 нм. Таким образом, длина волны излучения оксида цинка попадает на край ФЗЗ (ширина ФЗЗ составляет около 24 нм). Порог возбуждения генерации такой структуры при накачке импульсным ультрафиолетовым лазером с длиной волны 337 нм составляет ~0.1 МВт/см².A high-purity zinc oxide film on an opal matrix is produced by magnetron sputtering of a ZnO polycrystalline target. The thickness of the zinc oxide layer is 120-140 nm. For these thicknesses, only one mode of each polarization propagates in the waveguide layer (TE _o and TM _o ). To remove structural defects induced by spraying, the samples are annealed at 800 ° С for 5 min. Light amplification is achieved in strongly localized modes near the edge of the photonic band gap during optical pumping. The size of the balls of silicon dioxide in an opal matrix is 108 nm. The Bragg wavelength corresponds to the center of the photonic band gap (FZZ) of the opal grating in the M-direction of the hexagonal grating and is 410 nm. Emission due to the recombination of electron – hole pairs in ZnO at room temperature occurs at ~ 397 nm. Thus, the wavelength of the emission of zinc oxide falls on the edge of the PPZ (the width of the PPZ is about 24 nm). The excitation threshold for the generation of such a structure when pumped by a pulsed ultraviolet laser with a wavelength of 337 nm is ~ 0.1 MW / cm ² .

Фотонная запрещенная зона (стоп-зона) при 410 нм является стоп-зоной первого порядка для двумерной опаловой структуры с размером шаров диоксида кремния 108 нм. Дисперсия размера шаров не должна превышать 5%. В противном случае упаковка шаров не будет иметь периодическую структуру. В непериодической структуре отсутствует обратная связь, осуществляемая за счет когерентного рассеяния света от периодической структуры опаловой решетки и, как следствие, невозможна генерация.The photonic band gap (stop band) at 410 nm is the first-order stop band for a two-dimensional opal structure with 108 nm silicon dioxide balls. The dispersion of the size of the balls should not exceed 5%. Otherwise, the packaging of the balls will not have a periodic structure. In a non-periodic structure, there is no feedback due to coherent light scattering from the periodic structure of the opal lattice and, as a result, generation is impossible.

Для стоп-зоны 2-го порядка (диаметр шаров диоксида кремния 238 нм) брэгговская длина волны при толщине слоя ZnO 120 нм равна 415 нм. Для такой структуры порог генерации составил ~0.3 МВт/см².For a second-order stop zone (diameter of silicon dioxide balls 238 nm), the Bragg wavelength at a ZnO layer thickness of 120 nm is 415 nm. For such a structure, the generation threshold was ~ 0.3 MW / cm ² .

Схема наноструктуры ZnO - опал для ультрафиолетового лазера представлена на чертеже. На опаловой подложке (5) нанесен подслой диоксида кремния (4), а сверху нанесен волноводный слой оксида цинка (3). При облучении поверхности слоя оксида цинка ультрафиолетовым светом с длиной волны 337 нм (1) с плотностью энергии выше порога возбуждения в слое возникает генерация лазерного излучения (~397 нм) с выходом через боковые торцы структуры (2).The scheme of the ZnO nanostructure - opal for an ultraviolet laser is shown in the drawing. A silica sublayer (4) is deposited on an opal substrate (5), and a waveguide layer of zinc oxide (3) is deposited on top. When the surface of the zinc oxide layer is irradiated with ultraviolet light with a wavelength of 337 nm (1) with an energy density above the excitation threshold, laser radiation (~ 397 nm) is generated in the layer with the exit through the side ends of the structure (2).

Пример 1Example 1

На поверхность грани (111) опала с размером шаров SiO₂ 108 нм магнетронным распылением наносят подслой оксида кремния толщиной 150 нм и методом же магнетронного распыления поликристаллической мишени ZnO наносят слой оксида цинка 120 нм и затем производят отжиг образцов при 800°С в течение 5 мин. Порог возбуждения генерации такой структуры при накачке импульсным ультрафиолетовым лазером с длиной волны 337 нм составляет ~0.1 МВт/см².A 150 nm thick silicon oxide sublayer is deposited on a (111) opal facet with SiO ₂ 108 nm balls by magnetron sputtering and a 120 nm zinc oxide layer is deposited by the method of magnetron sputtering of a ZnO polycrystalline target and then annealed samples at 800 ° C for 5 min . The excitation threshold for the generation of such a structure when pumped by a pulsed ultraviolet laser with a wavelength of 337 nm is ~ 0.1 MW / cm ² .

Пример 2Example 2

На поверхность грани (111) опала с размером шаров SiO₂ 238 нм магнетронным распылением наносят подслой оксида кремния толщиной 250 нм и методом же магнетронного распыления поликристаллической мишени ZnO наносят слой оксида цинка 140 нм и затем производят отжиг образцов при 800°С в течение 5 мин. Для такой структуры порог генерации составил ~0.3 МВт/см².On the surface (111) of opal the size balls SiO ₂ 238 nm by magnetron sputter deposited underlayer of silicon oxide of 250 nm thick by the same magnetron sputtering polycrystalline target ZnO coated layer was 140 nm zinc oxide, and then produce annealing the samples at 800 ° C for 5 min . For such a structure, the generation threshold was ~ 0.3 MW / cm ² .

Claims (1)

Ультрафиолетовый лазер на основе двумерного фотонного кристалла, содержащего слой оксида цинка на подложке, отличающийся тем, что в качестве подложки используется опаловая матрица с размером шаров 108 или 238 нм и ориентацией поверхности (111), на которую наносят методом магнетронного напыления подслой диоксида кремния толщиной 150-250 нм, сверху слой оксида цинка толщиной 120-140 нм и затем производят отжиг образцов при 800°С в течение 5 мин. An ultraviolet laser based on a two-dimensional photonic crystal containing a layer of zinc oxide on a substrate, characterized in that the substrate uses an opal matrix with a ball size of 108 or 238 nm and a surface orientation of (111), onto which a 150 mm thick silicon dioxide sublayer is deposited by magnetron sputtering -250 nm, a layer of zinc oxide with a thickness of 120-140 nm on top and then annealed the samples at 800 ° C for 5 minutes.