一种波长可切换的定向单模片上微型激光器实现方法
阅读说明：本技术 一种波长可切换的定向单模片上微型激光器实现方法 (Method for realizing directional single-mode on-chip micro laser with switchable wavelength ) 是由 金立敏 陈献 巫云开 刘伟松 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种波长可切换的定向单模片上微型激光器实现方法,即以镧系元素掺杂的核-壳-壳上转换纳米颗粒为光学增益介质,制备定向单模片上微型激光器。本发明的有益效果是：实现了在不同光激励下具有波长动态可切换功能的定向单模激光输出,波长位移长达300纳米。(The invention provides a method for realizing a wavelength-switchable directional single-mode on-chip micro laser, which is to prepare the directional single-mode on-chip micro laser by taking lanthanide-doped core-shell up-conversion nano particles as an optical gain medium. The invention has the beneficial effects that: the directional single-mode laser with the wavelength dynamic switchable function under different light excitations is output, and the wavelength displacement reaches 300 nanometers.)
技术领域
本发明涉及微型激光器，尤其涉及一种波长可切换的定向单模片上微型激光器实现方法。
背景技术
相干光源具有低噪声，良好的单色性和高输出功率的优势，在高通量的化学/生物传感、彩色激光显示、片上光通信和计算等领域中都具有重要作用。近年来，随着高度集成的光子器件中精度和信息密度需求的不断增长，对微型激光器提出了更高的要求，这就要求一种能够同时实现宽带输出、高光谱纯度的微型相干光源，即多色单模纳米激光器。由于缺乏适用于多波段的有效模式选择机制，现今的微激光器往往受限于其多色、多模输出，在很大程度上限制了它们的实际应用。
迄今为止，已经成功开发了几种技术来实现多色微纳激光器，包括在单个激光器件上集成多层具备不同带隙的增益介质的半导体激光器，有机光电材料掺杂的微球激光器，以无机镧系上转换纳米晶为增益介质的耳语回廊模微激光器，以及有机/无机钙钛矿杂化的微型激光器。其中，半导体激光器的发光波长取决于各层材料的基本带隙，但是，由于空间烧孔效应、自吸收效应、腔体不均匀性以及半导体能带结构的固定性，这种激光器多在多模态下工作且激光波长很难在较宽的范围内进行调谐，并且竞争模态的存在会造成虚假信号和时间上的波动，这严重限制了它们在各种光子器件中的实际应用。而有机染料和镧系元素掺杂的无机上转换纳米晶，由于具备丰富的能级和可定制的光学性能，显示出了巨大的调整增益区域(从紫外到近红外)的潜力。然而，该类自组装的微型激光器无法大规模生产，且与CMOS技术不兼容，难以在片装设备上实现，在应用中面临着严峻的挑战。此外，卤化铅类钙钛矿激光器具备非常低的激光阈值和高的量子产量，其发光颜色的化学量依赖可调谐性使得卤化铅类钙钛矿成为发展纳米光电子的理想材料，但是该类材料对氧气、湿度和光辐照非常敏感，其进一步的发展与应用大大受限于卤化铅类钙钛矿的材料寿命。并且，相比有机染料和无机稀土掺杂纳米晶材料，钙钛矿材料的可调范围有限，不能满足多色检测和多波段通信应用的要求。
在传统激光系统中，多通过添加腔内弥散元素、法布里-珀罗和滤波器等来产生单纵模激光，但是这些技术很难在芯片设备上实现。最近，为了进一步实现片上集成的单模微纳激光，研究者们提出了如下策略：(1)通过减小微腔的大小来操纵谐振模式。该制造工艺往往很复杂，并且会显著提高激光的阈值。(2)通过实时耦合和调制、分布式反馈光栅、空间上调制光泵浦条件方式。然而，这些单模激光器大多只在一个增益区域工作或仅限于特定的装置，不能同时作用于多个波段，且设计难度大，往往无法适用于多色单模微纳激光器。(3)通过宇称-时间对称微腔来实现。研究者将其应用到耦合激光元件的设计中并设计了微环腔，通过调控损耗和增益获得了单模激光。这种方法可以提高特定模式的增益，并在较宽的泵浦范围内保持稳定的单模运行。但是，这种机制的局限性在于其依赖于电子束刻蚀制备方法，对于较大的激光谐振腔难以实现单模激光，并且无法形成有效的单向出射，不利于片上集成应用。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种波长可切换的定向单模片上微型激光器实现方法。
本发明提供了一种波长可切换的定向单模片上微型激光器实现方法，即以镧系元素掺杂的多壳层上转换纳米颗粒为光学增益介质，制备定向单模片上微型激光器。
作为本发明的进一步改进，所述核-壳-壳上转换纳米颗粒为Nd-Yb-Ho-Tm复合掺杂多壳层稀土上转换纳米颗粒。
作为本发明的进一步改进，通过共沉淀外延生长方法，合成了所述Nd-Yb-Ho-Tm复合掺杂多壳层稀土上转换纳米颗粒，所述Nd-Yb-Ho-Tm复合掺杂多壳层稀土上转换纳米颗粒在980nm和808nm光激励下会产生不同的多色荧光输出。
作为本发明的进一步改进，通过旋涂和标准光刻工艺，将上述纳米颗粒与准宇称-时间对称结构腔体相结合，制备以所述Nd-Yb-Ho-Tm复合掺杂多壳层稀土上转换纳米颗粒为光学增益介质的定向单模片上微型激光器。
本发明的有益效果是：通过上述方案，实现了在不同光激励下具有波长可切换功能的定向单模激光输出。
附图说明
图1是本发明多壳层纳米晶体的结构示例图及其在980nm和808nm激光泵浦下的荧光光谱图。
图2是本发明器件结构设计与基于理论计算的选模原理示例图。
图3是本发明器件光学特性实验论证图。
图4是本发明器件单模激光定向输出的实验论证图。
图5是本发明器件性能均一性论证图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明提出了一种具备波长动态可切换功能的定向单模片上微激光器实现策略，即将镧系元素掺杂的上转换纳米晶集成在准宇称-时间对称结构腔体上，通过外部耦合机制，实现了发射光输出方向、波长和模式的精准可控。从而，该片上微激光器以多壳层上转换纳米颗粒为光学增益介质，以具备一定尺寸差的耦合双盘为谐振腔，在不同光激励条件下，实现了具有波长可切换功能的定向单模激光输出。此外，通过调谐稀土掺杂离子种类，这种方法可以实现发光波长任意可调谐(紫外-可见-近红外)的定向单模激光输出。
该类微型单模激光器件设计方法如下：
1、通过共沉淀外延生长方法，合成了一种Nd-Yb-Ho-Tm复合掺杂多壳层稀土上转换纳米颗粒，该颗粒在980nm和808nm光激励下会产生两组不同的多色荧光输出。该上转换颗粒可以作为单模激光器的有效增益介质，其在不同光激励条件下的荧光光谱图如1所示。
图1为多壳层纳米晶体的结构示例图，及其在980nm(上)和808nm(下)激光泵浦下的荧光光谱图。
2、对该微型单模激光器件结构进行仿真计算。图2a给出了器件结构设计图，该类器件由两个相切的均匀耦合微盘组成，其中选择性泵浦的微盘充当增益腔，未泵浦的微盘充当损耗腔。我们对该结构的选模机理进行了仿真计算，如图2b和2c。计算时，我们固定左(损耗)谐振器的半径为5.27μm，并不断调整右(损耗)谐振腔的半径，以改变两个耦合微盘的尺寸偏差。基于两个微盘不同的模式间距和外部耦合机制，在不对称激励下，具有给定尺寸差异的PM在808nm(980nm)光激励下表现为647.0nm(347.2nm)处的单模激光输出。其他竞争峰与模式将被有效抑制，以增强单模激光性能。
图2为本发明微型单模激光器件结构设计与基于理论计算的选模原理示意图。其中，(a)基于步骤1中上转换纳米晶掺杂的器件结构设计图；在(b)980nm和(c)808nm右泵浦光激励条件下的模式调制仿真计算图。在理论计算中，两个耦合腔的直径分别为5.27μm(左微盘)和6.76μm(右微盘)。
3、通过旋涂和标准光刻工艺，我们将镧系元素掺杂的上转换纳米晶集成在准宇称-时间对称结构腔体相结合，制备了以步骤1中上转换纳米颗粒为增益介质的片上微型光子器件，并对其光学特性进行了实验论证。结果表明，通过外部控制泵浦波长(808/980nm)，该器件可在非对称泵浦下，在宽范围(～300nm)内支持双波长单模激光(647.0/347.2nm)动态切换，其消光比高达11dB(图3)。并且，该器件能够在很宽的泵浦功率范围内保持定向(图4，Φ＝180°)单模激光输出，其发散角在30度以内。
图3为本发明器件光学特性实验论证图。包含该器件在(a)808nm和(c)980nm右侧腔泵浦、不同功率条件下的激光光谱图，及其相对应的(b，d)主要发射峰阈值曲线和消光比数据。
图4是本发明器件单模激光定向输出的实验论证图。
考虑到标准光刻技术引起的制造误差问题，我们对该光子器件的均一性进行了测试表征，结果如图5所示。随机选测器件阵列均显示出单模激光特性，仅在激光发射波长和阈值方面稍有波动。即该单模激光器件对光刻工艺的参数波动并不敏感。
图5为本发明器件性能均一性论证图。其中，在(a)808nm和(b)980nm右侧腔泵浦条件下不同PM器件的归一化激光发射谱，及其对应的(c)单模激光波长，与(d)阈值变化图。
此外，本发明提供的一种波长可切换的定向单模片上微型激光器实验方法，采用二氧化硅为基底材料，兼容于传统CMOS工艺，可以大规模生产并应用于集成光电子电路、光学通信、光学传感等领域。
本发明提供的一种波长可切换的定向单模片上微型激光器实现方法，具有以下优点：
(1)提出了一种基于稀土上转换纳米晶的单模激光器件，设计简单易懂。
(2)可通过化学计量掺杂和结构设计来实现稀土掺杂上转换纳米晶的增益区间和发光颜色的任意可调谐。
(3)可在大范围的泵浦功率下获得增强的单模激光发射，消光比高达11dB。
(4)可定向输出，易与其它片上单元集成。
(5)在外部光激励调控下，可获得波长动态可切换的单模片上微激光输出。
(6)可通过标准光刻工艺制备，对光刻工艺的参数波动并不敏感，造价低廉，可大规模制备。
(7)与CMOS工艺兼容。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
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