本發明屬于半導體(ti)激光器(qi)領域(yu)，具體(ti)涉及(ji)一種單模激射微腔激光器(qi)及(ji)其制備方法。

背景技術：

1、信(xin)(xin)息時代大(da)數據、物聯網和(he)云計算快(kuai)速發展，對(dui)數據的處理(li)(li)和(he)傳輸速度提出(chu)(chu)了更(geng)高(gao)的要求。光通(tong)信(xin)(xin)具(ju)有高(gao)帶寬、低能耗(hao)以及(ji)高(gao)信(xin)(xin)噪比等優勢，是(shi)后摩爾時代解決電子通(tong)信(xin)(xin)能耗(hao)和(he)互(hu)連瓶頸的理(li)(li)想選(xuan)擇。半導體微(wei)腔激(ji)光器(qi)(qi)作(zuo)為光通(tong)信(xin)(xin)芯片上的光源器(qi)(qi)件(jian)，是(shi)光通(tong)信(xin)(xin)芯片的核心器(qi)(qi)件(jian)。特別地，硅基iii-v微(wei)腔激(ji)光器(qi)(qi)兼(jian)具(ju)易與cmos大(da)規模集成的突出(chu)(chu)優勢，得到了學術界和(he)產業界極高(gao)的關注。然而，受限于衍(yan)射(she)極限、異質集成光損耗(hao)等，硅基iii-v微(wei)腔激(ji)光器(qi)(qi)在(zai)激(ji)射(she)波長調控與小(xiao)型化(hua)方面仍面臨挑戰。

2、研制單模激射(she)微腔激光器，實現激射(she)波長穩定(ding)可(ke)調對推動硅基光互聯芯片發展至關重要。

3、小模式體(ti)(ti)積和低閾值可(ke)以通(tong)過各種諧振腔類型做到(dao)，例如光(guang)子晶(jing)體(ti)(ti)腔，金(jin)屬(shu)覆蓋腔，半導(dao)(dao)體(ti)(ti)覆金(jin)屬(shu)腔，或基于全(quan)內(nei)反(fan)射的(de)回音(yin)壁模式(wgm)微盤腔。然而，模式選擇和多模激射仍(reng)然面(mian)臨(lin)挑戰。此外，由于iii-v半導(dao)(dao)體(ti)(ti)材(cai)料存在(zai)強(qiang)溫度(du)敏感性，由帶隙varshni漂移(yi)導(dao)(dao)致的(de)波長隨溫度(du)的(de)變化顯著(zhu)。目前，比較(jiao)常見的(de)微腔激光(guang)器模式調(diao)控的(de)方法有減(jian)小微腔尺寸(cun)(cun)、外加(jia)選模結構(gou)、游標效應(ying)和變形微腔等。減(jian)小微腔尺寸(cun)(cun)雖然能做到(dao)單模輸出(chu)，但同時也減(jian)小了(le)(le)光(guang)程的(de)增益，導(dao)(dao)致損耗較(jiao)大，閾值較(jiao)高(gao)；公(gong)(gong)開號為cn116365361a的(de)中(zhong)國專(zhuan)(zhuan)利提出(chu)了(le)(le)一個(ge)fp腔與(yu)微腔耦合(he)的(de)結構(gou)，但這個(ge)結構(gou)需要(yao)更(geng)大的(de)面(mian)積，更(geng)加(jia)精細的(de)加(jia)工工藝(yi)；公(gong)(gong)開號為cn115000812a的(de)中(zhong)國專(zhuan)(zhuan)利提供(gong)了(le)(le)一個(ge)微腔內(nei)打孔的(de)結構(gou)，可(ke)以進行高(gao)階模的(de)抑制，但是工藝(yi)復雜(za)度(du)較(jiao)高(gao)且(qie)散熱(re)變差。

4、以(yi)上方案的(de)目標都是為(wei)了(le)單模的(de)調(diao)控，然而均存在(zai)明(ming)顯的(de)局限(xian)性。

技術實現思路

1、本發明是(shi)為了解決上述問題(ti)而進行的，目的在(zai)于提供(gong)一種單(dan)模激(ji)(ji)射微腔激(ji)(ji)光器及其(qi)制備方(fang)法。

2、本發(fa)明(ming)提供了一種單模(mo)激(ji)射微(wei)(wei)腔(qiang)(qiang)激(ji)光器，具有(you)這樣的(de)(de)特(te)征(zheng)，包括：襯(chen)底，作為單模(mo)激(ji)射微(wei)(wei)腔(qiang)(qiang)激(ji)光器的(de)(de)基底；回(hui)音(yin)壁(bi)微(wei)(wei)腔(qiang)(qiang)，為柱(zhu)形結構(gou)，設置(zhi)于(yu)襯(chen)底之(zhi)上(shang)；以及金屬天線，橫截面(mian)為條形或點狀(zhuang)，設置(zhi)于(yu)回(hui)音(yin)壁(bi)微(wei)(wei)腔(qiang)(qiang)的(de)(de)柱(zhu)形結構(gou)的(de)(de)上(shang)表面(mian)并與其耦(ou)合(he)。

3、在本發明(ming)提供的單模激射微(wei)腔激光器(qi)中(zhong)，還(huan)可以具有這樣的特征：其中(zhong)，襯(chen)底為soi結構或材質為si。

4、在本發(fa)明提供(gong)的(de)單模激(ji)射微(wei)(wei)腔(qiang)激(ji)光器中(zhong)，還可(ke)以具(ju)有(you)這樣的(de)特征：其中(zhong)，回(hui)音壁(bi)(bi)微(wei)(wei)腔(qiang)的(de)橫(heng)截面為正(zheng)多(duo)邊形或圓形，回(hui)音壁(bi)(bi)微(wei)(wei)腔(qiang)為半(ban)導(dao)體材料(liao)，半(ban)導(dao)體材料(liao)為gaas、inp、gan、ingan或algan中(zhong)的(de)一種(zhong)或多(duo)種(zhong)，回(hui)音壁(bi)(bi)微(wei)(wei)腔(qiang)為量子阱或量子點結構(gou)的(de)有(you)源腔(qiang)。

5、在本發(fa)明提供的單模(mo)激(ji)(ji)射微腔(qiang)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)中，還可以具(ju)有這(zhe)樣的特征：其中，單模(mo)激(ji)(ji)射微腔(qiang)激(ji)(ji)光(guang)器(qi)還包括緩沖層，緩沖層為半導體材(cai)料，緩沖層設置于襯底與回音壁(bi)微腔(qiang)之間。

6、在本發明提供的(de)(de)(de)單模(mo)激(ji)射微(wei)腔激(ji)光(guang)器(qi)中(zhong)，還(huan)可以(yi)具(ju)有(you)這樣的(de)(de)(de)特征：其中(zhong)，單模(mo)激(ji)射微(wei)腔激(ji)光(guang)器(qi)的(de)(de)(de)尺寸范圍為100～2000nm，金屬天線距離(li)回音壁微(wei)腔的(de)(de)(de)柱(zhu)形結構上(shang)表面邊緣的(de)(de)(de)最短距離(li)不小于10nm。

7、在(zai)本發明提(ti)供的單(dan)模激射微腔激光器中(zhong)，還可(ke)以具有這樣的特征：其中(zhong)，將正多(duo)邊形(xing)的外接圓或圓形(xing)的直徑(jing)(jing)記做(zuo)r，將金屬天(tian)(tian)線(xian)的點狀橫(heng)截(jie)(jie)面直徑(jing)(jing)記做(zuo)r，將金屬天(tian)(tian)線(xian)的條狀橫(heng)截(jie)(jie)面的長記做(zuo)m，寬記做(zuo)n，當回(hui)音壁微腔的橫(heng)截(jie)(jie)面為(wei)正多(duo)邊形(xing)或圓形(xing)且(qie)(qie)金屬天(tian)(tian)線(xian)的橫(heng)截(jie)(jie)面為(wei)點狀時(shi)(shi)，0.1＜r/r＜0.5，當回(hui)音壁微腔的橫(heng)截(jie)(jie)面為(wei)正多(duo)邊形(xing)或圓形(xing)且(qie)(qie)金屬天(tian)(tian)線(xian)的橫(heng)截(jie)(jie)面為(wei)條狀時(shi)(shi)，1＜m/n＜5且(qie)(qie)0.1＜n/r＜0.5。

8、在本發明提供(gong)的(de)(de)單模(mo)激(ji)(ji)射(she)微腔激(ji)(ji)光(guang)器中，還可以具有這樣的(de)(de)特征：其中，金屬天線(xian)為(wei)耦合多組形成的(de)(de)陣列(lie)。

9、在本發明提供的(de)單模(mo)激射微(wei)腔(qiang)激光器中(zhong)，還(huan)可以(yi)具有(you)這樣的(de)特征(zheng)：其中(zhong)，當金(jin)屬(shu)天(tian)線(xian)的(de)橫(heng)截(jie)面(mian)為多(duo)個點狀(zhuang)耦(ou)合而成的(de)條(tiao)形(xing)(xing)陣列(lie)時(shi)，條(tiao)形(xing)(xing)陣列(lie)的(de)長(chang)為m，寬為r，且2≤m/r＜5；當金(jin)屬(shu)天(tian)線(xian)的(de)橫(heng)截(jie)面(mian)為多(duo)個點狀(zhuang)圍繞一圈形(xing)(xing)成的(de)圓(yuan)形(xing)(xing)陣列(lie)時(shi)，圓(yuan)形(xing)(xing)陣列(lie)的(de)圓(yuan)心與(yu)回音(yin)壁(bi)微(wei)腔(qiang)的(de)柱形(xing)(xing)結構的(de)上(shang)底面(mian)的(de)圓(yuan)心重合。

10、本發明還(huan)提供(gong)了一(yi)種(zhong)單模激射(she)微(wei)(wei)(wei)腔(qiang)激光(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)制備方(fang)法，具有這(zhe)樣的(de)(de)特(te)征(zheng)，用(yong)于(yu)制備前述任意一(yi)項(xiang)的(de)(de)單模激射(she)微(wei)(wei)(wei)腔(qiang)激光(guang)(guang)(guang)器(qi)，包括以(yi)下(xia)步驟：s10，將半(ban)導體(ti)(ti)材料設置于(yu)襯(chen)底上并清洗(xi)；s20，在(zai)(zai)半(ban)導體(ti)(ti)材料上勻涂(tu)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)并烘(hong)烤(kao)，得(de)(de)到第(di)(di)一(yi)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)層(ceng)(ceng)(ceng)；s30，使用(yong)電(dian)子束對(dui)第(di)(di)一(yi)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)層(ceng)(ceng)(ceng)預定形(xing)狀的(de)(de)曝(pu)光(guang)(guang)(guang)，并洗(xi)去曝(pu)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)部分(fen)，形(xing)成第(di)(di)一(yi)窗(chuang)口(kou)；s40，通(tong)(tong)過刻(ke)(ke)蝕工藝，對(dui)第(di)(di)一(yi)窗(chuang)口(kou)下(xia)方(fang)的(de)(de)半(ban)導體(ti)(ti)材料刻(ke)(ke)蝕形(xing)成回(hui)(hui)音(yin)壁微(wei)(wei)(wei)腔(qiang)，其中(zhong)(zhong)，第(di)(di)一(yi)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)層(ceng)(ceng)(ceng)未(wei)被曝(pu)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)部分(fen)的(de)(de)下(xia)方(fang)由(you)于(yu)有光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)的(de)(de)保護(hu)，所以(yi)不會(hui)被刻(ke)(ke)蝕；s50，對(dui)步驟s30中(zhong)(zhong)未(wei)被曝(pu)光(guang)(guang)(guang)洗(xi)去的(de)(de)第(di)(di)一(yi)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)層(ceng)(ceng)(ceng)進行(xing)曝(pu)光(guang)(guang)(guang)洗(xi)去；s60，在(zai)(zai)回(hui)(hui)音(yin)壁微(wei)(wei)(wei)腔(qiang)上勻涂(tu)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)并烘(hong)烤(kao)，得(de)(de)到第(di)(di)二(er)(er)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)層(ceng)(ceng)(ceng)；s70，對(dui)回(hui)(hui)音(yin)壁微(wei)(wei)(wei)腔(qiang)上方(fang)的(de)(de)部分(fen)第(di)(di)二(er)(er)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)層(ceng)(ceng)(ceng)進行(xing)設定形(xing)狀的(de)(de)曝(pu)光(guang)(guang)(guang)清洗(xi)，形(xing)成通(tong)(tong)至回(hui)(hui)音(yin)壁微(wei)(wei)(wei)腔(qiang)上方(fang)的(de)(de)第(di)(di)二(er)(er)窗(chuang)口(kou)；s80，在(zai)(zai)第(di)(di)二(er)(er)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)層(ceng)(ceng)(ceng)以(yi)及(ji)第(di)(di)二(er)(er)窗(chuang)口(kou)上蒸一(yi)層(ceng)(ceng)(ceng)金屬(shu)(shu)，從而在(zai)(zai)第(di)(di)二(er)(er)窗(chuang)口(kou)內(nei)形(xing)成預設圖案的(de)(de)金屬(shu)(shu)天線(xian)；s90，將第(di)(di)二(er)(er)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠(jiao)層(ceng)(ceng)(ceng)連帶(dai)其上蒸鍍(du)的(de)(de)金屬(shu)(shu)洗(xi)去，第(di)(di)二(er)(er)窗(chuang)口(kou)中(zhong)(zhong)留存(cun)的(de)(de)金屬(shu)(shu)即為金屬(shu)(shu)天線(xian)，最終得(de)(de)到單模激射(she)微(wei)(wei)(wei)腔(qiang)激光(guang)(guang)(guang)器(qi)。

11、在本發明提(ti)供的(de)(de)(de)單(dan)模(mo)激射(she)微腔(qiang)激光(guang)器的(de)(de)(de)制備方法中(zhong)，還(huan)可(ke)以(yi)具(ju)有這樣的(de)(de)(de)特(te)征：其中(zhong)，步驟s10中(zhong)，半(ban)導體材料設置于襯底上的(de)(de)(de)方法為鍵合或外延(yan)，步驟s70～s90中(zhong)，通(tong)過調(diao)整(zheng)第(di)二窗(chuang)口的(de)(de)(de)形狀，即(ji)可(ke)調(diao)整(zheng)金屬(shu)天(tian)(tian)線(xian)的(de)(de)(de)結構，實現(xian)對微腔(qiang)內(nei)光(guang)場特(te)定模(mo)式的(de)(de)(de)抑(yi)制，從(cong)而(er)(er)實現(xian)單(dan)模(mo)激射(she)；通(tong)過調(diao)整(zheng)第(di)二窗(chuang)口特(te)定形狀下的(de)(de)(de)排(pai)布，即(ji)可(ke)調(diao)整(zheng)金屬(shu)天(tian)(tian)線(xian)的(de)(de)(de)排(pai)布，從(cong)而(er)(er)優化回音壁(bi)微腔(qiang)中(zhong)的(de)(de)(de)溫(wen)度分(fen)布均勻性，進而(er)(er)提(ti)高激射(she)波長的(de)(de)(de)穩定性。

12、發明的(de)作用與效(xiao)果

13、本發(fa)明提(ti)出一種金屬納米天線耦合的(de)(de)單(dan)模(mo)激(ji)(ji)射微(wei)腔激(ji)(ji)光(guang)器及其制備方法，通過在制備微(wei)腔激(ji)(ji)光(guang)器的(de)(de)過程中耦合金屬天線，調(diao)控回音(yin)壁微(wei)腔光(guang)場(chang)分布；調(diao)整金屬天線的(de)(de)形狀，實現單(dan)模(mo)激(ji)(ji)射。

14、本發明通(tong)過在制(zhi)備(bei)單模激(ji)射(she)微腔(qiang)激(ji)光器的過程中(zhong)調整金屬天線特定形狀下的排(pai)布，優化(hua)回音壁(bi)微腔(qiang)中(zhong)的溫度(du)分布均勻性，提高(gao)激(ji)射(she)波長(chang)穩(wen)定性。

技術特征：

1.一種單模(mo)激(ji)射微腔(qiang)激(ji)光器(qi)，其特征在于(yu)，包括：

2.根據權利要求1所述的單模激(ji)(ji)射微腔激(ji)(ji)光器(qi)，其特征在于(yu)：

3.根據(ju)權利要(yao)求1所述的單模(mo)激射(she)微腔(qiang)激光器，其特征在(zai)于：

4.根據權利要(yao)求1所述的(de)單模激(ji)射微腔激(ji)光(guang)器，其特(te)征在于：

5.根據權利要求1所述的單模(mo)激射微(wei)腔激光(guang)器，其特征在于(yu)：

6.根(gen)據(ju)權利(li)要求3所(suo)述的單模激(ji)射微腔激(ji)光(guang)器，其特(te)征在(zai)于：

7.根據權利要求(qiu)6所述的單模激(ji)射微(wei)腔激(ji)光器，其特征(zheng)在于：

8.根據權利(li)要求(qiu)7所述(shu)的單模激(ji)射微(wei)腔激(ji)光器，其特征在于：

9.一(yi)種單模(mo)激射微腔激光器的制備方法，其特征在于，用于制備權利(li)要求1-8中(zhong)任(ren)意(yi)一(yi)項所述的單模(mo)激射微腔激光器，包括以下步驟：

10.根據(ju)權利要求9所述(shu)的單模激(ji)射微腔激(ji)光器的制備方(fang)法(fa)，其特(te)征在于：

技術總結
本發明提供了一種單模激射微腔激光器及其制備方法。本發明的單模激射微腔激光器包括襯底，作為單模激射微腔激光器的基底；回音壁微腔，為柱形結構，設置于襯底之上；以及金屬天線，橫截面為條形或點狀，設置于回音壁微腔的柱形結構的上表面并與其耦合。本發明通過在制備微腔激光器的過程中耦合金屬天線，調控回音壁微腔光場分布；調整金屬天線的形狀，實現單模激射。本發明通過在制備單模激射微腔激光器的過程中調整金屬天線特定形狀下的排布，優化回音壁微腔中的溫度分布均勻性，提高激射波長穩定性。

技術研發人員：溫鵬雁,董嘉豪
受保護的技術使用者：同濟大學
技術研發日：
技術公布日：2024/9/19