一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器及其制备方法，激光器以硅基氮化物外延片为载体，包括自下而上依次设置的硅衬底层、设置在硅衬底底层上表面的n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层、设置在p型氮化镓层上的二硫化钼层、p型电极、设置在n型氮化镓层上表面中心的n型电极；激光器具有圆环微腔结构，圆环微腔结构的下方由硅衬底层支撑。制备方法在硅衬底氮化物外延片上，利用光刻、ICP氮化物干法刻蚀、硅湿法刻蚀、电子束蒸镀工艺制备悬空圆环结构的氮化物微腔，将二维材料沉积在p型氮化镓表面，作为频梳的发光区，在圆环发光区和环形微腔增益区重合的表面蒸镀Ni/Au，在圆环中心的n型氮化镓表面蒸镀Ni/Au，最终制备电泵浦光频梳激光器。泵浦光频梳激光器。泵浦光频梳激光器。

【技术实现步骤摘要】
一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器及其制备方法


[0001]本专利技术属于激光
，具体涉及一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器及其制备方法。

技术介绍

[0002]微腔光频梳具有体积小、功耗低和宽光谱的优异特性，已在相干光通信、低噪声微波信号产生、光谱学、超快精密测距、天文学和量子密钥分发上展现出了前所未有的优势。随着半导体加工工艺发展，微腔的品质因子(Q)值也显著提高。科研人员先后在CaF2、MgF2微腔，AlN、AlGaAs、LiNbO3、Si3N4和Si片上波导微环谐振腔等多种材料平台实现了宽光谱微腔光频梳。但目前光频梳通常采用氮化硅，铌酸锂微盘等无源腔来实现，需要外在光源，这限制了光电器件的高密度光电集成。人们急需能够满足光学谐振器和本身增益条件的微腔来构建复合结构，这是下一代光频梳的发展方向。
[0003]到目前为止，研究者提出了将二维材料介入微盘等谐振腔来制备激光器的研究。二维材料与微腔的集成可以支持高质量的共振并作为光子光源。其中，Salehzadeh等基于在室温下工作的MoS2激光器设计并制备了第一个室温激光器。该设计中将四层MoS2放置在独立SiO2上形成的光学微盘上，利用微盘结构的高光场限域作用将二硫化钼的激子发光局域在微腔中，得到了激光输出。Ye等通过将单层WS2膜嵌入两个介质层(Si3N4/WS2/氢硅氧烷(HSQ))之间，用以增大光学约束，获得高模式增益，最终实现低阈值激光。Yang等利用化学气象沉积法在SiO2微球上制备了单层MoS2实现了650
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750nm范围内的WGM激光。但这些研究仅仅研究了二维材料的发光有源特性。将二维材料的有源特性和非线性结合起来研究鲜有报道。原因在于二维材料的非线性效率受固有厚度的限制，限制了光与物质相互作用的效率，因此将二维材料与光子结构(微腔或光子晶体)集成在一起，提供了一种增强光
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物质相互作用的解决方案。
[0004]综上所述，为了获得基于二维材料的有源光频梳激光器，申请人利用先进的微纳加工工艺，设计并制备横截面为圆环形状的氮化镓悬浮微腔激光器结构，提出了一种二维材料修饰的电泵氮化镓悬浮圆环复合微腔光频梳激光器。该结构具有以下三个优势：第一，圆环具有极高的光学增益和极小的光学损耗，并且能够形成闭合的激光谐振。第二，氮化镓能够发出紫外荧光，可以作为激发源对二维材料进行泵浦，同时二维材料借助氮化镓的圆环微腔，使光与物质充分作用，这样二维材料发光和非线性特性能够结合在一起。第三，采用悬浮微腔的上下面表面裸露在空气介质中，极大减少光学微腔的损耗，环状的结构设计有利于微腔中心高阶模消除，并且环形电极发光区和环形微腔区重合，更容易形成谐振。

技术实现思路

[0005]为克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种氮化物悬空圆环结构电泵光频梳激光器及其制备方法，以解决上述至少一个技术问题。
[0006]根据本专利技术说明书的一方面，提供一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器，所述
激光器以硅基氮化物外延片为载体，包括自下而上依次设置的硅衬底层、设置在硅衬底底层上表面的n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层、设置在所述p型氮化镓层上的二硫化钼层、p型电极、设置在所述n型氮化镓层上表面中心的n型电极；所述激光器具有圆环微腔结构，所述圆环微腔结构的下方由硅衬底层支撑。
[0007]上述技术方案利用先进的微纳加工工艺，设计了横截面为圆环形状的氮化镓悬浮微腔激光器结构，其中，圆环设计具有极高的光学增益和极小的光学损耗，并且能够形成闭合的激光谐振；并且，氮化镓能够发出紫外荧光，可以作为激发源对二维材料进行泵浦，同时二维材料借助氮化镓的圆环微腔，使光与物质充分作用，这样二维材料发光和非线性特性能够结合在一起；此外，采用悬浮微腔的上下面表面裸露在空气介质中，极大减少光学微腔的损耗，环状的结构设计有利于微腔中心高阶模消除，并且环形电极发光区和环形微腔区重合，更容易形成谐振。
[0008]作为进一步的技术方案，所述圆环微腔结构由从下至上依次设置的n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层和沉积在圆环微腔上表面的二硫化钼层构成。氮化镓可以直接加电发光，并且氮化镓的紫外波段能够作为激发源对二维材料进行泵浦，同时二维材料借助氮化镓的悬空圆环微腔，使光与物质充分作用，实现二维材料自发辐射的四波混频，受激辐射四波混频，获得频率梳。
[0009]作为进一步的技术方案，所述n型氮化镓层呈圆盘形状，所述量子阱层、p型氮化镓层与二硫化钼层呈圆环形状。
[0010]作为进一步的技术方案，所述p型电极为环形电极，所述n型电极位于p型电极的中心。
[0011]作为进一步的技术方案，所述硅衬底层形成有硅柱，所述硅柱位于n型氮化镓层下方的中心位置。
[0012]根据本专利技术说明书的一方面，提供一种制备所述电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器的方法，所述方法包括：
[0013]在硅基氮化物外延片的P型氮化镓的上表面定义圆环微腔结构的图形；
[0014]向下刻蚀氮化物层，直至n型氮化镓层的上表面，将定义出的圆环微腔结构的图形向下转移至硅基氮化镓晶片的p型氮化镓层、量子阱层中；
[0015]在硅基氮化物外延片的上表面的中心区域定义n型区电极图形；
[0016]在定义的n型区电极图形上蒸镀Ni/Au，获得n型区电极；
[0017]在圆环微腔结构的上表面定义出p型区图形；
[0018]将单层二硫化钼沉积到p型区图形上表面；
[0019]在p型氮化镓层与二硫化钼形成的复合微腔上表面定义出p型区电极图形；
[0020]在定义的p型区电极图形上表面蒸镀Ni/Au，使得p型氮化镓层与二硫化钼形成的复合微腔上表面镀上正电极，获得p型区电极；
[0021]刻蚀硅衬底层，在硅衬底层中形成硅柱，用于支撑圆环微腔结构。
[0022]上述技术方案在硅衬底氮化物外延片上，利用光刻、ICP氮化物干法刻蚀、硅湿法刻蚀工艺、电子束蒸镀工艺制备悬空圆环结构的氮化物微腔，将二维材料沉积在p型氮化镓表面，作为频梳的发光区，在圆环发光区和环形微腔增益区重合的表面蒸镀Ni/Au，在圆环中心的n型氮化镓表面蒸镀Ni/Au，最终制备电泵浦光频梳激光器。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：
[0024](1)本专利技术提供一种悬空圆环光频梳激光器，该激光器通过氮化镓材料制备，利用氮化镓的紫外波段作为激发源对沉积在微腔表面的二维材料进行泵浦，同时二维材料借助氮化镓的微腔，使光与物质充分作用，实现二维材料自发辐射的四波混频，受激辐射四波混频，获得频率梳；该激光器具有光学增益高、光学损耗小的优势。
[0025](2)本专利技术的悬浮微腔的上下面表面裸露在空气介质中，极大减少光学微腔的损耗，而环状的结构设计有利于微腔中心高阶模消除，且环形电极发光区和环形微腔区重合，更容易形成谐振，另外，氮化镓可以直接加电发光，进而实现电泵频梳激光器，有利于探索基于二维材料的高速、高密度集成电泵光频梳。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器，其特征在于，所述激光器以硅基氮化物外延片为载体，包括自下而上依次设置的硅衬底层(1)、设置在硅衬底底层(1)上表面的n型氮化镓层(2)、量子阱层(3)、p型氮化镓层(4)、设置在所述p型氮化镓层(4)上的二硫化钼层(5)、p型电极(6)、设置在所述n型氮化镓层(2)上表面中心的n型电极(7)；所述激光器具有圆环微腔结构，所述圆环微腔结构的下方由硅衬底层(1)支撑。2.根据权利要求1所述一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器，其特征在于，所述圆环微腔结构由从下至上依次设置的n型氮化镓层(2)、量子阱层(3)、p型氮化镓层(4)和沉积在圆环微腔上表面的二硫化钼层(5)构成。3.根据权利要求1所述一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器，其特征在于，所述n型氮化镓层(2)呈圆盘形状，所述量子阱层(3)、p型氮化镓层(4)与二硫化钼层(5)呈圆环形状。4.根据权利要求3所述一种电泵氮化物悬空圆环光频梳激光器，其特征在于，所述p型电极(6)为环形电极，所述n型电极(7)位于p型电极(6)的中心。5.根据权利要求1所述一种电...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱刚毅，李猛，秦飞飞，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：