專利名稱：基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形腔激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微光學(xué)組件中的微型激光器，尤其是涉及一種基于半導(dǎo)體納米帶 的環(huán)形諧振腔激光器。
背景技術(shù)：
激光器是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)、通訊、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域的重要的 光電子器件。目前大型激光器技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但對(duì)于小型化的激光器研究還有待加強(qiáng)。 近年來，隨著微納光子學(xué)的發(fā)展，微型激光器在集成光電子器件中的需求已是非常強(qiáng)烈和 廣泛。隨著半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展，具有極高表面精細(xì)度的半導(dǎo)體納米帶已經(jīng)被制備出來， 并且開始應(yīng)用與微納光子學(xué)器件。其中半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形諧振腔也已被證明。但作為一 種高增益的材料，半導(dǎo)體納米帶對(duì)微型有源器件的研究提供了一個(gè)重要的基礎(chǔ)。國際上已 經(jīng)實(shí)現(xiàn)的微型激光器主要包括微球激光器、微盤激光器等等。但這些機(jī)構(gòu)不夠穩(wěn)定，尤其 制作過程復(fù)雜，并且不利于光學(xué)集成，較難在實(shí)際中應(yīng)用。而目前用納米線制作的環(huán)形激光 器其有效增益低、激光輸出不方便等缺點(diǎn)也制約了其發(fā)展。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形腔激光器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是該基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形 腔激光器，其特征在于包括半導(dǎo)體納米帶制成的環(huán)形諧振腔和第一錐形光纖，所述第一錐 形光纖的尖端與所述環(huán)形諧振腔相對(duì)，所述環(huán)形諧振腔置于所述第一錐形光纖的出射光光 錐范圍內(nèi)，所述第一錐形光纖的中心軸線與所述環(huán)形諧振腔的中心軸線形成一夾角，所述 夾角為10 80°。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型還包括第二錐形光纖，所述第二錐形光纖的尖端與所述環(huán) 形諧振腔的輸出端接觸。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述環(huán)形諧振腔的腔壁的橫截面的寬度為0. 1 0. 3 μ m、 高度為0. 3 2μπι。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述環(huán)形諧振腔為圓環(huán)形，所述環(huán)形諧振腔的外徑為5 30 μ m0進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述環(huán)形諧振腔為橢圓形，所述環(huán)形諧振腔的長軸為5 30 μ m0進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述第一錐形光纖的尖端的端面直徑為0. 2-2 μ m。進(jìn)一步地，本實(shí)用新型所述第一錐形光纖和/或第二錐形光纖的尖端的端面直徑 為 0. 2-0. 5 μ m。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是(1)本實(shí)用新型首次使用半導(dǎo)體納 米帶制備環(huán)形諧振腔激光器，由于利用了納米帶的結(jié)構(gòu)特性，使得本實(shí)用新型環(huán)形諧振腔 激光器在增加有效增益介質(zhì)的同時(shí)保持整個(gè)激光器體積在 ο μ m量級(jí)，獲得的輸出功率最低為4nW左右，而國際上已有的激光器所得到的輸出功率僅為幾千光子數(shù)。(2)由于環(huán)形諧 振腔是由半導(dǎo)體納米帶彎曲相接觸耦合而構(gòu)成，而半導(dǎo)體納米帶本身屬于納米結(jié)構(gòu)，因此 本實(shí)用新型可以利用微觀物體間的范德瓦爾斯作用，使制作成型的本實(shí)用新型激光器可以 牢固地粘在襯底上，有效避免振動(dòng)等效應(yīng)對(duì)微型結(jié)構(gòu)帶來的損害。(3)本實(shí)用新型環(huán)形諧振 腔激光器的輸出端類似于尾纖輸出，使得輸出的激光可以直接通過倏逝場(chǎng)耦合至臨近的微 納波導(dǎo)中，易于與其它光路集成。(4)本實(shí)用新型利用納米帶的矩形橫截面對(duì)于不同偏振光 的損耗不同，使其輸出光具有一定的偏振特性。(5)本實(shí)用新型具有小型化、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定 性高、易于控制和調(diào)節(jié)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)線偏振的單縱?；蚨嗫v模輸出。
圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。虛線表示第一錐形光纖出射光光錐；圖2是圖1的仰視圖。虛線表示第一錐形光纖出射光光錐；圖3是圓形環(huán)形諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是橢圓形環(huán)形諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4的仰視放大圖；圖6是第一錐形光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是第二錐形光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是實(shí)例1中制作的激光器的激光特性圖；圖9是實(shí)例2中制作的激光器的激光特性圖；圖10是實(shí)例3中制作的激光器的激光特性圖；圖11是實(shí)例1制作的激光器的輸出激光功率隨泵浦光功率的變化關(guān)系；圖12是實(shí)例2制作的激光器的輸出激光功率隨泵浦光功率的變化關(guān)系；圖13是實(shí)例3制作的激光器的輸出激光功率隨泵浦光功率的變化關(guān)系；圖中1.第一錐形光纖，2.第二錐形光纖，3.環(huán)形諧振腔，4.環(huán)形諧振腔的輸出端。
具體實(shí)施方式
如圖1至圖7所示，本實(shí)用新型包括半導(dǎo)體納米帶制成的環(huán)形諧振腔3和第一錐 形光纖1，第一錐形光纖1的尖端與環(huán)形諧振腔3相對(duì)，環(huán)形諧振腔3置于第一錐形光纖1 的出射光光錐范圍內(nèi)，使得第一錐形光纖1的出射光可以將其完全泵浦起來，更有利于激 光的產(chǎn)生。第一錐形光纖1的中心軸線與環(huán)形諧振腔3的中心軸線環(huán)形諧振腔激光器形成一 夾角α，該夾角α為10 80°。該夾角α保證了環(huán)形諧振腔3可以被第一錐形光纖的 出射光泵浦到，并且使得環(huán)形諧振腔3的腔壁能夠充分的利用泵浦光的能量。作為本實(shí)用新型的另一種實(shí)施方式，如圖1和圖2所示，在本實(shí)用新型環(huán)形腔激光 器的組成中也可同時(shí)包括有第二錐形光纖2，第二錐形光纖2的尖端與環(huán)形諧振腔3的輸出 端接觸，從而將激光輸出到普通光纖中。如圖4和圖5所示，本實(shí)用新型環(huán)形諧振腔3的腔璧的橫截面的寬度為a為0. 1 0. 3 μ m、高度h為0. 3 2 μ m。如圖3所示，當(dāng)環(huán)形諧振腔3為圓環(huán)形時(shí)，環(huán)形諧振腔3的 外徑Dl為5 30 μ m。如圖5所示，當(dāng)環(huán)形諧振腔3為橢圓形時(shí)，環(huán)形諧振腔3的長軸Dl為5 30 μ m。第一錐形光纖1的尖端的端面直徑dl優(yōu)選為0. 2-2 μ m,第二錐形光纖2的 尖端的端面直徑d2優(yōu)選為0. 2-0. 5 μ m,由此使第一錐形光纖1和第二錐形光纖2發(fā)射的出 射光光錐錐度較小，提高泵浦光的功率密度。同時(shí)第二錐形光纖2較細(xì)的光纖錐更有利于 將激光耦合到普通光纖中。實(shí)例1 參見圖3、圖5和圖6，本實(shí)施例中，環(huán)形諧振腔為圓形，其直徑Dl為30μπι ；環(huán)形 諧振腔3的腔壁的橫截面寬a為0.3μπι，高h(yuǎn)為2μπι;參見圖6，第一錐形光纖1的尖端的 端面直徑dl為2 μ m。本實(shí)施例中的環(huán)形腔激光器的制作方法如下首先用高溫氣相沉積法制備CdS半導(dǎo)體納米帶；再將其制備為直徑在30 μ m的環(huán) 形諧振腔3，納米帶的一端作為環(huán)形諧振腔3的輸出端4 ；調(diào)節(jié)環(huán)形諧振腔3的耦合區(qū)I (參 見圖幻使其對(duì)在其內(nèi)部傳輸?shù)墓馄鸬胶芎檬`作用。如圖1和圖2所示，將第一錐形光纖1的尖端與環(huán)形諧振腔3相對(duì)，環(huán)形諧振腔3 置于第一錐形光纖1的出射光光錐范圍內(nèi)(如圖1和圖2中虛線所示)，第一錐形光纖1的 中心軸線與環(huán)形諧振腔3的中心軸線形成一夾角α，夾角α為10°。其中，第一錐形光纖 1的尖端的端面直徑為2 μ m。使用時(shí)，將環(huán)形諧振腔3的輸出端4與第二錐形光纖2的尖端接觸，如圖7所示，第 二錐形光纖1的尖端的端面直徑d2為0. 5 μ m。然后用第一錐形光纖1激發(fā)CdS環(huán)形諧振 腔3，并不斷增加輸入功率，測(cè)量CdS環(huán)形諧振腔3的輸出光的光學(xué)特性如圖8所示。圖11 表示本實(shí)施例獲得的激光器在其閾值附近的泵浦與輸出關(guān)系，出現(xiàn)了拐點(diǎn)證明其輸出光為 激光。當(dāng)CdS納米帶吸收泵浦光時(shí)，由于自發(fā)和受激輻射會(huì)輻射出520nm附近范圍的熒光， 而產(chǎn)生的熒光將在環(huán)形諧振腔內(nèi)發(fā)生共振，當(dāng)增益大于損耗時(shí)產(chǎn)生受激光放大而獲得激光 輸出。實(shí)例2 參見圖3、圖5、圖6和圖7，本實(shí)施例中，環(huán)形諧振腔3為圓形，其直徑Dl為5μπι ； 環(huán)形諧振腔3的腔壁的橫截面寬a為0. 1 μ m，高h(yuǎn)為0. 3 μ m ；參見圖6，第一錐形光纖1的 尖端的端面直徑dl為0. 2 μ m，第二錐形光纖2的尖端的端面直徑d2為0. 2 μ m。本實(shí)施例中的環(huán)形腔激光器的制作方法如下首先用高溫氣相沉積法制備CdS半導(dǎo)體納米帶；再將其制備為直徑在5微米的環(huán) 形諧振腔3，納米帶的一端作為環(huán)形諧振腔3的輸出端4 ；調(diào)節(jié)環(huán)形諧振腔3的耦合區(qū)I (參 見圖幻使其對(duì)在其內(nèi)部傳輸?shù)墓馄鸬胶芎檬`作用。如圖1和圖2所示，將第一錐形光纖1的尖端與環(huán)形諧振腔3相對(duì)，環(huán)形諧振腔置 于第一錐形光纖1的出射光光錐范圍(如圖中虛線所示)內(nèi)，第一錐形光纖1的中心軸線 與環(huán)形諧振腔3的中心軸線形成一夾角α，夾角α為80°。其中，第一錐形光纖的尖端的 端面直徑dl為0. 2 μ m。將環(huán)形諧振腔3的輸出端4與第二錐形光纖2的尖端接觸。使用時(shí)，如圖1和圖2所示，用第一錐形光纖1激發(fā)CdS環(huán)形諧振腔3，并不斷增加 輸入功率，測(cè)量CdS環(huán)形諧振腔3的輸出光的光學(xué)特性如圖9所示。圖12表示本實(shí)施例獲 得的激光器在其閾值附近的泵浦與輸出關(guān)系，出現(xiàn)了拐點(diǎn)證明其輸出光為激光。當(dāng)CdS納 米帶吸收泵浦光時(shí)，由于自發(fā)和受激輻射會(huì)輻射出520nm附近范圍的熒光，而產(chǎn)生的熒光將在環(huán)形諧振腔內(nèi)發(fā)生共振，當(dāng)增益大于損耗時(shí)產(chǎn)生受激光放大而獲得激光輸出。實(shí)例3 參見圖4至圖7所示，本實(shí)施例中，環(huán)形諧振腔為橢圓形，其長軸長Dl為13μπι。 環(huán)形諧振腔的腔壁的橫截面寬a為0. M μ m，高h(yuǎn)為0. 8 μ m。第一錐形光纖的尖端的端面 直徑dl為0.4 μ m。本實(shí)施例中的環(huán)形腔激光器的制作方法如下首先用高溫氣相沉積法制備CdS半導(dǎo)體納米帶；制備出長軸長在13微米的環(huán)形諧 振腔3，納米帶的一端作為環(huán)形諧振腔3的輸出端4 ；調(diào)節(jié)環(huán)形諧振腔3的耦合區(qū)I (參見圖 4)使其對(duì)在其內(nèi)部傳輸?shù)墓馄鸬胶芎檬`作用。如圖1和圖2所示，將第一錐形光纖1的尖端與環(huán)形諧振腔3相對(duì)，環(huán)形諧振腔3 置于第一錐形光纖1的出射光光錐范圍(如圖中虛線所示)內(nèi)，第一錐形光纖1的中心軸 線與環(huán)形諧振腔3的中心軸線形成一夾角α，夾角α為45°。其中，第一錐形光纖的尖端 的端面直徑為0.4μπι。使用時(shí)，將環(huán)形諧振腔3的輸出端4與第二錐形光纖2的尖端接觸，第二錐形光纖 2的尖端的端面直徑d2為0. 3 μ m。然后用第一錐形光纖1激發(fā)CdS環(huán)形諧振腔3，并不斷 增加輸入功率，測(cè)量CdS環(huán)形諧振腔3的輸出光的光學(xué)特性如圖10所示。圖13表示本實(shí) 施例獲得的激光器在其閾值附近的泵浦與輸出關(guān)系，出現(xiàn)了拐點(diǎn)證明其輸出光為激光。當(dāng) CdS納米帶吸收泵浦光時(shí)，由于自發(fā)和受激輻射會(huì)輻射出520nm附近范圍的熒光，而產(chǎn)生的 熒光將在環(huán)形諧振腔內(nèi)發(fā)生共振，當(dāng)增益大于損耗時(shí)產(chǎn)生受激光放大而獲得激光輸出。上述具體實(shí)施方式
用來解釋說明本實(shí)用新型，而不是對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行限制，在 本實(shí)用新型的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本實(shí)用新型作出的任何修改和改變，都落 入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形腔激光器，其特征在于包括半導(dǎo)體納米帶制成的環(huán) 形諧振腔和第一錐形光纖，所述第一錐形光纖的尖端與所述環(huán)形諧振腔相對(duì)，所述環(huán)形諧 振腔置于所述第一錐形光纖的出射光光錐范圍內(nèi)，所述第一錐形光纖的中心軸線與所述環(huán) 形諧振腔的中心軸線形成一夾角，所述夾角為10 80°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形腔激光器，其特征在于它還包括 第二錐形光纖，所述第二錐形光纖的尖端與所述環(huán)形諧振腔的輸出端接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形腔激光器，其特征在于所述 環(huán)形諧振腔的腔壁的橫截面的寬度為0. 1 0. 3 μ m、高度為0. 3 2 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形腔激光器，其特征在于所述 環(huán)形諧振腔為圓環(huán)形，所述環(huán)形諧振腔的外徑為5 30μπι。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形腔激光器，其特征在于所述 環(huán)形諧振腔為橢圓形，所述環(huán)形諧振腔的長軸為5 30 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形腔激光器，其特征在于所述第一 錐形光纖的尖端的端面直徑為0. 2-2 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形腔激光器，其特征在于所述第一 錐形光纖和/或第二錐形光纖的尖端的端面直徑為0. 2-0. 5 μ m。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于半導(dǎo)體納米帶的環(huán)形腔激光器，包括半導(dǎo)體納米帶制成的環(huán)形諧振腔和第一錐形光纖，所述第一錐形光纖的尖端與所述環(huán)形諧振腔相對(duì)，所述環(huán)形諧振腔置于所述第一錐形光纖的出射光光錐范圍內(nèi)，所述第一錐形光纖的中心軸線與所述環(huán)形諧振腔的中心軸線形成一夾角，所述夾角為10～80°。本實(shí)用新型首次使用半導(dǎo)體納米帶制備環(huán)形諧振腔激光器，具有小型化、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、易于控制和調(diào)節(jié)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)線偏振的單縱?；蚨嗫v模輸出；有效避免振動(dòng)等效應(yīng)對(duì)微型結(jié)構(gòu)帶來的損害；易與其它光路集成。
文檔編號(hào)H01S5/10GK201829810SQ20102025797
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者李西遠(yuǎn), 楊宗銀, 童利民, 馬耀光 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)