專利名稱：一種硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔 激光器。
背景技術(shù)：
在硅材料上發(fā)展起來的集成電路已成為發(fā)展電子計算機、通信和自動化控制等信 息技術(shù)的關(guān)鍵，硅作為一種微電子材料，已經(jīng)出色的完成了任務(wù)。隨著信息技術(shù)的日益發(fā) 展，對信息的傳遞速度、存儲能力和處理功能提出更高的要求，但硅集成電路中器件尺寸和 硅中電子運動速度限制了這一技術(shù)的發(fā)展。如果能在硅芯片中引入光電子技術(shù)，用光波代 替電子作為信息載體，則可大大提高信息傳輸速度和處理能力，使電子計算機、通信和顯示 等信息技術(shù)發(fā)展到一個全新的階段。硅基的各種無源器件和一部分有源器件，如光波導(dǎo)、濾波器、探測器等已經(jīng)被深入 研究并很好地應(yīng)用在光通信領(lǐng)域，但是硅材料本身制作發(fā)光器件卻存在一定的問題。由于 硅是間接帶隙半導(dǎo)體，電子不能直接由導(dǎo)帶底躍遷到價帶頂發(fā)出光子，只能通過發(fā)射或吸 收一個聲子，間接躍遷到價帶頂，這種間接躍遷的幾率非常小，所以硅的發(fā)光效率很低。目前發(fā)光器件主要采用發(fā)光效率高的GaAS、InP等直接帶隙III-V族半導(dǎo)體材料， 以這些材料作有源區(qū)的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)在光電子領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但是它們的化學(xué)和 物理特性與硅不同，其制作工藝與標(biāo)準(zhǔn)的硅微電子工藝不兼容，不適于做硅基光電子集成 回路。因此，如何實現(xiàn)高效的Si基發(fā)光是科學(xué)與工程學(xué)界研究的熱點。近年來，科學(xué)家在實現(xiàn)硅基發(fā)光的征途中，不斷地產(chǎn)生新思想和新概念，多孔硅發(fā) 光、Si02/Si超晶格的量子限制和發(fā)光、基于硅中位錯的發(fā)光二極管、硅Raman激光芯片，基 于硅納米晶的電致發(fā)光場效應(yīng)晶體管、混合硅激光器等這些重要成果的取得也表明了在該 研究領(lǐng)域可發(fā)展的巨大空間。而光子晶體的出現(xiàn)則進一步拓展了這一研究的發(fā)展空間。光子晶體是由兩種不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間周期性排列形成的人工功能 材料?？梢栽谕暾墓庾泳w結(jié)構(gòu)中引入某種缺陷，利用缺陷微腔的光子局域效應(yīng)可以實 現(xiàn)諧振模式頻率處的輻射率增強，還可以利用光子晶體的帶邊慢光效應(yīng)提高帶邊處的光子 態(tài)密度，提高材料的自發(fā)輻射強度。槽狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是由兩側(cè)高折射率材料及中間低折射率縫隙共同組成，兩側(cè)高折射 率材料的寬度和高度及低折射率縫隙的尺度均為幾百個納米，在低折射率縫隙中會集中電 場，形成準(zhǔn)TE模，具有強場限制作用。如果能夠?qū)⒓庾泳w模式禁帶局域模式限制效應(yīng)、慢光效應(yīng)及槽狀波導(dǎo)的強場 限制效應(yīng)三者結(jié)合起來，就能大幅度提高光與硅基發(fā)光材料的相互作用，從而大幅度增強 硅基的發(fā)光效率，進而實現(xiàn)低閾值激射。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種硅基光子晶體微腔激光器結(jié)構(gòu)，以大 幅度提高硅基的發(fā)光效率，實現(xiàn)低閾值激射。(二)技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，該激光 器是由在SOI襯底頂層硅上的二維平板空氣孔型光子晶體的單線缺陷波導(dǎo)中間引入的槽 狀波導(dǎo)，以及在該槽狀波導(dǎo)及空氣孔中填充的折射率低于SOI襯底頂層硅折射率的發(fā)光材 料構(gòu)成，該槽狀波導(dǎo)包括依次連接的第一槽狀波導(dǎo)、第二槽狀波導(dǎo)和第三槽狀波導(dǎo)，其中作 為微腔的第二槽狀波導(dǎo)的寬度大于第一槽狀波導(dǎo)及第三槽狀波導(dǎo)的寬度。優(yōu)選地，所述二維平板空氣孔型光子晶體為三角晶格光子晶體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，所述二維平板空氣孔型光子晶體為空氣橋型平板光子晶體或者非對稱氧 化物下包層型平板光子晶體。優(yōu)選地，所述二維平板空氣孔型光子晶體的空氣孔半徑為光子晶體晶格常數(shù)的 0.3倍，平板厚度為220nm。優(yōu)選地，所述第一槽狀波導(dǎo)的寬度與第三槽狀波導(dǎo)的寬度相同。優(yōu)選地，所述第一槽狀波導(dǎo)的寬度為光子晶體晶格常數(shù)的0. 3095倍，第二槽狀波 導(dǎo)的寬度為光子晶體晶格常數(shù)的0. 3571倍。優(yōu)選地，所述第二槽狀波導(dǎo)的長度為3倍晶格常數(shù)，第一槽狀波導(dǎo)和第三槽狀波 導(dǎo)的長度均大于10倍晶格常數(shù)。優(yōu)選地，所述二維平板空氣孔型光子晶體的槽狀波導(dǎo)兩側(cè)最鄰近空氣孔半徑為光 子晶體晶格常數(shù)的0. 36倍。優(yōu)選地，所述折射率低于SOI襯底頂層硅折射率的發(fā)光材料為摻雜稀土離子的二 氧化硅材料。優(yōu)選地，所述稀土離子為鉺、鐿、鐠或鋱離子。優(yōu)選地，所述折射率低于SOI襯底頂層硅折射率的發(fā)光材料是通過溶膠_凝膠法 制備的，通過旋涂或者提拉，將發(fā)光材料的溶膠填充于槽狀波導(dǎo)及空氣孔中，再退火固化。優(yōu)選地，所述硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器是通過光注入或者電注入泵浦 的。優(yōu)選地，所述硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器是由電子束曝光或者深紫外光刻 制作的。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提供的這種硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，通過組合不同寬度的光子 晶體槽狀波導(dǎo)構(gòu)成微腔結(jié)構(gòu)，第二槽狀波導(dǎo)6兩側(cè)的第一槽狀波導(dǎo)5和第三槽狀波導(dǎo)7的 模式禁帶效應(yīng)會使得處于一定頻率范圍內(nèi)的光被限制在作為微腔的第二槽狀波導(dǎo)6中，并 且被限制模式的頻率處于第二槽狀波導(dǎo)6傳輸頻率的上限值附近，其群速度亦被限制為較 低的值。這種微腔結(jié)構(gòu)集光子晶體模式禁帶局域模式限制效應(yīng)、慢光效應(yīng)以及槽狀波導(dǎo)強 場限制效應(yīng)三種特性于一身，能在模式禁帶局域模式限制的基礎(chǔ)上借助慢光效應(yīng)及強場限 制效應(yīng)進一步增強光與填充在槽狀波導(dǎo)10中的發(fā)光材料11的相互作用，大幅度增強發(fā)光 材料11的發(fā)光效率，具有較高的品質(zhì)因子和較低的模式體積，易實現(xiàn)低閾值激射。


圖1為硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為SOI基非對稱氧化物下包層型平板光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器截面圖。圖3為槽狀波導(dǎo)及空氣孔中填充的發(fā)光材料為摻鉺二氧化硅時的微腔諧振頻譜 圖。圖4為槽狀波導(dǎo)及空氣孔中填充的發(fā)光材料為摻鉺二氧化硅時的微腔模場分布 圖。圖5為槽狀波導(dǎo)及空氣孔中填充的發(fā)光材料為摻鐠二氧化硅時的微腔諧振頻譜 圖。圖6為槽狀波導(dǎo)及空氣孔中填充的發(fā)光材料為摻鐠二氧化硅時的微腔模場分布 圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。參照附圖1所示，在SOI襯底8頂層硅9上的二維平板空氣孔型光子晶體波導(dǎo)線 缺陷4中間引入三段依次連接的槽狀波導(dǎo)10，分別為第一槽狀波導(dǎo)5、第二槽狀波導(dǎo)6和第 三槽狀波導(dǎo)7，其中作為微腔的第二槽狀波導(dǎo)6的寬度大于第一槽狀波導(dǎo)6和第三槽狀波導(dǎo) 7的寬度，并在槽狀波導(dǎo)10及空氣孔2中填充折射率低于SOI襯底8頂層硅9折射率的發(fā) 光材料11，該槽狀波導(dǎo)10和該發(fā)光材料11構(gòu)成微腔光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器結(jié)構(gòu)。所述光子晶體結(jié)構(gòu)是通過電子束曝光或者深紫外光刻制作的，發(fā)光材料11可以 通過溶膠-凝膠法制備，通過旋涂或者提拉，將發(fā)光材料11的溶膠填充于槽狀波導(dǎo)10及空 氣孔2中，再退火固化。由于不同寬度的光子晶體槽狀波導(dǎo)的色散曲線存在差異，第二槽狀波導(dǎo)6兩側(cè)的 第一槽狀波導(dǎo)5和第三槽狀波導(dǎo)7的模式禁帶效應(yīng)會使得處于一定頻率范圍內(nèi)的光被限 制在作為微腔的第二槽狀波導(dǎo)6中，并且被限制模式的頻率處于第二槽狀波導(dǎo)6傳輸頻率 的上限值附近，其群速度亦被限制為較低的值，且通過優(yōu)化槽狀波導(dǎo)10兩側(cè)最鄰近空氣孔 3的半徑大小，可以獲得帶邊群速度趨于零的色散曲線，被限制在微腔中的模式的群速度可 以趨于零，這樣就更加增強了光與發(fā)光材料10的相互作用，進一步提高了發(fā)光材料11的發(fā) 光效率。結(jié)合槽狀波導(dǎo)本身所具有的強場限制特性，這種微腔結(jié)構(gòu)集模式禁帶局域模式限 制效應(yīng)、慢光效應(yīng)以及槽狀波導(dǎo)強場限制效應(yīng)三種特性于一身，能在模式禁帶局域模式限 制的基礎(chǔ)上借助慢光效應(yīng)及強場限制效應(yīng)進一步增強光與填充在槽狀波導(dǎo)10中的發(fā)光材 料11的相互作用，大幅度增強發(fā)光材料11的發(fā)光效率，并且具有較高的品質(zhì)因子和較低的 模式體積，易實現(xiàn)低閾值激射。下面通過兩個實施例，對本發(fā)明提供的光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器作進一步的 詳細(xì)說明。實施例一
本實施例中槽狀波導(dǎo)及空氣孔中填充的折射率低于SOI襯底頂層硅折射率的發(fā) 光材料為摻鉺離子的二氧化硅材料，摻鉺二氧化硅材料是由溶膠-凝膠法制備的，摻鉺二 氧化硅材料的發(fā)光峰在1550nm附近。二維平板光子晶體為非對稱氧化物下包層平板三角 晶格光子晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a = 409. 16nm,空氣孔半徑r = 0. 3a，平板厚度t = 220nm。槽 狀波導(dǎo)最鄰近空氣孔半徑r' = 0. 36a，第一槽狀波導(dǎo)的寬度與第三槽狀波導(dǎo)的寬度相同， 第一槽狀波導(dǎo)的寬度W = 0.3095a，第二槽狀波導(dǎo)的寬度W' = 0. 3571a，第二槽狀波導(dǎo)的長 度為3倍光子晶體晶格常數(shù)，第一槽狀波導(dǎo)和第三槽狀波導(dǎo)的長度均大于10倍光子晶體晶 格常數(shù)。利用有效折射率法結(jié)合二維時域有限差分法模擬光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器結(jié) 構(gòu)微腔中的諧振頻譜和諧振波長處的模場分布，計算得到的諧振頻譜如圖3所示，可見，諧 振頻譜中，僅在1551. 8nm波長處，存在一個峰值強度非常高的諧振峰( IO7)，這表示該結(jié) 構(gòu)的諧振波長為1551. Snm0計算得到的1551. 8nm諧振波長處的場分布圖表明，場在作為微 腔的第二槽狀波導(dǎo)中最強，往兩側(cè)波導(dǎo)方向很快衰減至零，模式很好地被束縛在第二槽狀 波導(dǎo)中，實現(xiàn)了發(fā)光效率的增強。實施例二本實施例中槽狀波導(dǎo)及空氣孔中填充的折射率低于SOI襯底頂層硅折射率的發(fā) 光材料為摻鐠離子的二氧化硅材料，摻鐠二氧化硅材料是由溶膠-凝膠法制備的，摻鐠二 氧化硅材料的發(fā)光峰在1300nm附近。二維平板光子晶體為非對稱氧化物下包層平板三角 晶格光子晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a = 342. 77nm,空氣孔半徑r = 0. 3a，平板厚度t = 220nm。槽 狀波導(dǎo)最鄰近空氣孔半徑r' = 0. 36a，第一槽狀波導(dǎo)的寬度與第三槽狀波導(dǎo)的寬度相同， 第一槽狀波導(dǎo)的寬度W = 0. 3095a，第二槽狀波導(dǎo)的寬度W' = 0. 3571a，第二槽狀波導(dǎo)的長 度為3倍光子晶體晶格常數(shù)，第一槽狀波導(dǎo)和第三槽狀波導(dǎo)的長度均大于10倍光子晶體晶 格常數(shù)。利用有效折射率法結(jié)合二維時域有限差分法來模擬光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器 結(jié)構(gòu)微腔中的諧振頻譜和諧振波長處的模場分布，計算得到的諧振頻譜如圖5所示，可見， 諧振頻譜中，僅在1300. 9nm波長處，存在一個峰值強度非常高的諧振峰( IO7)，這表示該 結(jié)構(gòu)的諧振波長為1300. 9nm。計算得到的1300. 9nm諧振波長處的場分布圖表明，場在作為 微腔的第二槽狀波導(dǎo)中最強，往兩側(cè)波導(dǎo)方向很快衰減至零，模式很好地被束縛在第二槽 狀波導(dǎo)中，實現(xiàn)了發(fā)光效率的增強。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其特征在于，該激光器是由在SOI襯底頂 層硅上的二維平板空氣孔型光子晶體的單線缺陷波導(dǎo)中間引入的槽狀波導(dǎo)，以及在該槽狀 波導(dǎo)及空氣孔中填充的折射率低于SOI襯底頂層硅折射率的發(fā)光材料構(gòu)成，該槽狀波導(dǎo)包 括依次連接的第一槽狀波導(dǎo)、第二槽狀波導(dǎo)和第三槽狀波導(dǎo)，其中作為微腔的第二槽狀波 導(dǎo)的寬度大于第一槽狀波導(dǎo)及第三槽狀波導(dǎo)的寬度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其特征在于，所述二維 平板空氣孔型光子晶體為三角晶格光子晶體結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其特征在于，所述二 維平板空氣孔型光子晶體為空氣橋型平板光子晶體或者非對稱氧化物下包層型平板光子 晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其特征在于，所述二維 平板空氣孔型光子晶體的空氣孔半徑為光子晶體晶格常數(shù)的0. 3倍，平板厚度為220nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4中任一項所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其特征 在于，所述第一槽狀波導(dǎo)的寬度與第三槽狀波導(dǎo)的寬度相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其特征在于，所述第一 槽狀波導(dǎo)的寬度為光子晶體晶格常數(shù)的0. 3095倍，第二槽狀波導(dǎo)的寬度為光子晶體晶格 常數(shù)的0. 3571倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或6中任一項所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其特 征在于，所述第二槽狀波導(dǎo)的長度為3倍晶格常數(shù)，第一槽狀波導(dǎo)和第三槽狀波導(dǎo)的長度 均大于10倍晶格常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其特征在于，所述二 維平板空氣孔型光子晶體的槽狀波導(dǎo)兩側(cè)最鄰近空氣孔半徑為光子晶體晶格常數(shù)的0. 36 倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、6或8中任一項所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其 特征在于，所述折射率低于SOI襯底頂層硅折射率的發(fā)光材料為摻雜稀土離子的二氧化硅 材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其特征在于，所述稀土 離子為鉺、鐿、鐠或鋱離子。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、6、8或10任一項所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器， 其特征在于，所述折射率低于SOI襯底頂層硅折射率的發(fā)光材料是通過溶膠_凝膠法制備 的，通過旋涂或者提拉，將發(fā)光材料的溶膠填充于槽狀波導(dǎo)及空氣孔中，再退火固化。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，其特征在于，所述硅 基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器是通過光注入或者電注入泵浦的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、6、8、10或12任一項所述的硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光 器，其特征在于，所述硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器是由電子束曝光或者深紫外光刻 制作的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基光子晶體槽狀波導(dǎo)微腔激光器，該激光器是由在SOI襯底頂層硅上的二維平板空氣孔型光子晶體的單線缺陷波導(dǎo)中間引入的槽狀波導(dǎo)，以及在該槽狀波導(dǎo)及空氣孔中填充的折射率低于SOI襯底頂層硅折射率的發(fā)光材料構(gòu)成，該槽狀波導(dǎo)包括依次連接的第一槽狀波導(dǎo)、第二槽狀波導(dǎo)和第三槽狀波導(dǎo)，其中作為微腔的第二槽狀波導(dǎo)的寬度大于第一槽狀波導(dǎo)及第三槽狀波導(dǎo)的寬度。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒓庾泳w模式禁帶局域模式限制效應(yīng)、慢光效應(yīng)及槽狀波導(dǎo)的強場限制效應(yīng)三者結(jié)合起來，能大幅度提高光與發(fā)光材料的相互作用，從而大幅度增強硅基的發(fā)光效率，進而實現(xiàn)低閾值激射。
文檔編號H01S5/10GK102005696SQ201010500489
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者吳遠大, 安俊明, 張家順, 李建光, 王玥, 王紅杰, 胡雄偉 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所