一种稀土离子掺杂的铌酸锂微环激光器及其制备方法

1.本发明涉及一种微纳集成光子学器件及其制备技术领域，特别是一种利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术制备的铌酸锂微环激光以及制备方法。


背景技术：

2.与氧化铝和二氧化硅等薄膜材料相比，铌酸锂具有更高的折射率，更大的电光、声光和非线性光学系数，所以，薄膜铌酸锂已成为一种很有前途的制备高性能集成光电子器件的材料平台。此外，由于铌酸锂晶体被证明是稀土离子的一种非常合适的基质材料，因此，可以在掺稀土离子的薄膜铌酸锂上实现片上微激光器的制造。【参见文献：p.klopp,et al,phd.dissertation(university of berlin,2006)；y.q.hu,et al,opt.express 29,25663(2021)；d.zhu,et al,adv.opt.photon.13,242-352(2021)】。
3.微盘谐振器必须与一个离散的锥形光纤耦合泵浦注入和信号激光提取，这需要复杂的对准技术，因此基于微盘谐振器的激光器很难与其他光电子器件集成，将将微环激光器与其他光电子器件耦合在同一芯片中，能解决这个问题。目前已有科学家利用电子束光刻和干式刻蚀技术制作了掺稀土离子的微环激光器，但是这种方式制备工艺复杂，需要及其严格的制备环境，存在写场较小，加工效率较低，成本较高的问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于设计一种掺稀土离子的薄膜铌酸锂微环耦合波导结构，并利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术，实现铌酸锂片上微环激光器的低成本大规模生产。
5.为达到上述目的，实现本发明目的的具体技术方案是：
6.一种稀土离子掺杂的铌酸锂微环激光器，包括掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料及在所述薄膜材料上刻蚀的微环和耦合波导结构，通过改变掺稀土离子的种类和浓度实现不同波段的多模激光、并通过模式竞争实现单模激光；其中，所述的掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料包括：第一层是沿z方向掺稀土离子的铌酸锂薄膜，厚度为50nm-10μm；第二层是二氧化硅薄膜层，厚度为2μm-5μm；第三层是厚硅衬底，厚度为400μm-600μm；并在第一层即掺稀土离子的铌酸锂薄膜上利用磁控溅射技术镀上铬膜层；
7.所述微环和耦合波导结构，是利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术将所述的铌酸锂薄膜刻蚀而成，其微环，是使用四个四分之一的bezier曲线构成的环状；
8.所述掺稀土离子的种类为三价镱离子即yb
3+
和三价铒离子即er
3+
，其浓度为0.01mol％-2mol％。
9.一种上述的铌酸锂微环激光器的制备方法，该方法包括下列步骤：
10.步骤1：掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料并镀铬膜
11.首先制备掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料，该材料包括：第一层是沿z方向掺稀土离子的铌酸锂薄膜，厚度为50nm-10μm；第二层是二氧化硅薄膜层，厚度为2μm-5μm；第三层是
厚硅衬底，厚度为400μm-600μm；并在第一层即掺稀土离子的铌酸锂薄膜上利用磁控溅射技术镀上铬膜层；
12.步骤2：飞秒激光直写
13.将所述掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料固定在空气轴承三维纳米位移平台上，利用物镜将飞秒激光聚焦到铬膜上，驱动位移平台运动并启动飞秒激光直写，在铬膜上将图案化为微环和耦合波导形状；
14.步骤3：化学机械抛光
15.将飞秒激光直写后的掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料固定在一台化学机械抛光机上，使用化学抛光液对其表面进行化学机械抛光；铌酸锂薄膜表面被飞秒激光直写去除了铬膜的铌酸锂薄膜被刻蚀，剩下二氧化硅支撑层，剩余部分被铬膜保护住不被刻蚀，从而得到微环和耦合波导结构；
16.步骤4：湿法化学腐蚀
17.将经过飞秒激光直写和化学机械抛光后的薄膜材料浸入化学腐蚀溶液中，除去表面的铬膜，得到掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料片上微环和耦合波导即为所述的铌酸锂微环激光器。
18.所述化学抛光液为含有直径10-60nm二氧化硅小球抛光液，抛光液偏碱性。
19.所述化学腐蚀溶液为5％-10％的氢氟酸缓冲腐蚀液。
20.与现有技术相比较，本发明的优点在于：
21.1、通过化学机械抛光工艺制备的掺稀土离子的铌酸锂薄膜微环激光器表面平均粗糙度可达0.1nm，同时使用四分之一的bezier曲线的设计，提高了质量因数，使微腔的q值可达106。
22.2、通过化学机械抛光工艺制备铌酸锂微环激光器的制备工艺与传统的电子束光刻结合离子束刻蚀的半导体工艺相比，具有更高的产率和更低的成本。
23.3、本发明基于薄膜铌酸锂微环的激光器在多个波段附近产生多模激光，同时还能产生单模激光。
附图说明
24.图1为制得本发明激光器的流程示意图；
25.图2为本发明铌酸锂微环激光器的俯视图；
26.图3为本发明中掺三价镱离子(yb
3+
)铌酸锂微环激光器的实验测得的多模图谱；
27.图4为本发明中掺三价镱离子(yb
3+
)铌酸锂微环激光器的实验测得的单模图谱；
28.图5为本发明中掺三价铒离子(er
3+
)铌酸锂微环激光器的实验测得的多模图谱；
29.图6为本发明中掺三价铒离子(er
3+
)铌酸锂微环激光器的实验测得的单模图谱。
具体实施方式
30.下面结合具体实施方法和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
31.实施例1
32.参阅图1，掺yb
3+
的铌酸锂微环激光器的制备方法包括下列步骤：
33.步骤1：准备掺yb
3+
的铌酸锂薄膜材料并镀铬膜
34.首先制备掺yb
3+
的铌酸锂薄膜材料，该材料包括：第一层是厚度为500nm的沿z方向掺yb
3+
的铌酸锂薄膜1，其中yb
3+
离子的浓度为0.5mol％；第二层是厚度为4.7μm的二氧化硅薄膜层2；第三层是厚度为500μm的厚硅衬底3；并在制备完成的掺yb
3+
的铌酸锂薄膜1上利用磁控溅射技术镀上铬膜层4，厚度为200nm；
35.步骤2：飞秒激光直写
36.将所述表面镀铬膜的掺yb
3+
的铌酸锂薄膜材料固定在空气轴承三维纳米位移平台上，利用物镜将飞秒激光聚焦到铬膜上，驱动位移平台运动并启动飞秒激光直写，在铬膜上将图案化为微环5和耦合波导6形状，其中微环5的半径为200μm；
37.步骤3：化学机械抛光
38.将飞秒激光直写后的掺yb
3+
的铌酸锂薄膜材料固定在一台化学机械抛光机上，使用化学抛光液对其表面进行化学机械抛光；铌酸锂薄膜表面被飞秒激光直写去除了铬膜的铌酸锂薄膜被刻蚀，剩下二氧化硅支撑层7，剩余部分被铬膜保护住不被刻蚀，从而得到微环8和耦合波导9结构其中微环8结构使用四分之一的bezier曲线的设计。
39.步骤4：湿法化学腐蚀
40.参阅图2，将飞秒激光直写后的抛光结构浸入化学腐蚀液中，除去表面的铬膜图案10，最后得到掺yb
3+
的铌酸锂薄膜材料片上微环和耦合波导，进而得到所述铌酸锂微环激光器。波导8和微环9之间的耦合间隙为2μm，耦合长度为80μm，顶部宽度为2μm，底部宽度为7μm；
41.参阅图3，是制备完毕的掺yb
3+
铌酸锂微环激光器在实验中在波长1022nm-1028nm间的多模激光功率。
42.实施例2
43.按实施例1所述，采用模式竞争，产生单模激光，参阅图4，是制备完毕的掺yb
3+
铌酸锂微环激光器在实验中在波长1023nm-1027nm间的激光功率。
44.实施例3
45.按实施例1所述制备方法，在铌酸锂薄膜中沿z方向掺er
3+
,其中er
3+
离子的浓度为1mol％，波导8和微环9之间的耦合间隙为4.8μm，宽度为1μm。
46.参阅图5，是制备完毕的掺er
3+
铌酸锂微环激光器在实验中在波长1548nm-1554nm间的多模激光功率。
47.实施例4
48.按实施例3所述，采用模式竞争，产生单模激光，参阅图6，是制备完毕的掺er
3+
铌酸锂微环激光器在实验中在波长1500nm-1570nm间的激光功率。
49.上述实施例表明，本发明基于飞秒激光直写结合化学机械抛光工艺的掺稀土离子铌酸锂微环激光器，通过化学机械抛光改善了激光器表面平均粗糙度，同时使用四分之一的bezier曲线的设计，提高了质量因数，并且具有成本低生产效率高的。同时，通过掺入不同种类稀土离子和模式对抗，从而得到多个波段的单模和多模激光。尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权力要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种稀土离子掺杂的铌酸锂微环激光器，其特征在于，包括掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料及在所述薄膜材料上刻蚀的微环和耦合波导结构，通过改变掺稀土离子的种类和浓度实现不同波段的多模激光、并通过模式竞争实现单模激光；其中，所述的掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料包括：第一层是沿z方向掺稀土离子的铌酸锂薄膜，厚度为50nm-10μm；第二层是二氧化硅薄膜层，厚度为2μm-5μm；第三层是厚硅衬底，厚度为400μm-600μm；并在第一层即掺稀土离子的铌酸锂薄膜上利用磁控溅射技术镀上铬膜层；所述微环和耦合波导结构，是利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术将所述的铌酸锂薄膜刻蚀而成，其微环，是使用四个四分之一的bezier曲线构成的环状；所述掺稀土离子的种类为三价镱离子即yb
3+
和三价铒离子即er
3+
，其浓度为0.01mol％-2mol％。2.一种权利要求1所述的铌酸锂微环激光器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：步骤1：掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料并镀铬膜首先制备掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料，该材料包括：第一层是沿z方向掺稀土离子的铌酸锂薄膜，厚度为50nm-10μm；第二层是二氧化硅薄膜层，厚度为2μm-5μm；第三层是厚硅衬底，厚度为400μm-600μm；并在第一层即掺稀土离子的铌酸锂薄膜上利用磁控溅射技术镀上铬膜层；步骤2：飞秒激光直写将所述掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料固定在空气轴承三维纳米位移平台上，利用物镜将飞秒激光聚焦到铬膜上，驱动位移平台运动并启动飞秒激光直写，在铬膜上将图案化为微环和耦合波导形状；步骤3：化学机械抛光将飞秒激光直写后的掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料固定在一台化学机械抛光机上，使用化学抛光液对其表面进行化学机械抛光；铌酸锂薄膜表面被飞秒激光直写去除了铬膜的铌酸锂薄膜被刻蚀，剩下二氧化硅支撑层，剩余部分被铬膜保护住不被刻蚀，从而得到微环和耦合波导结构；步骤4：湿法化学腐蚀将经过飞秒激光直写和化学机械抛光后的薄膜材料浸入化学腐蚀溶液中，除去表面的铬膜，得到掺稀土离子的铌酸锂薄膜材料片上微环和耦合波导即为所述的铌酸锂微环激光器。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述化学抛光液为含有直径10-60nm二氧化硅小球抛光液，抛光液偏碱性。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述化学腐蚀溶液为5％-10％的氢氟酸缓冲腐蚀液。

技术总结
本发明公开了一种稀土离子掺杂的铌酸锂微环激光器及其制备方法，利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术在掺入稀土离子的铌酸锂薄膜表面制备出微环和耦合波导形状，进而实现铌酸锂片上微环激光器。本发明可以实现片上微环激光器的低成本大规模生产，在光通信、光子集成电路、精密计量和大规模传感等方面都有重要意义，同时本发明基于薄膜铌酸锂微环的激光器可在多个波段附近产生多模激光，是光通信和生物传感器中具有广阔应用前景的多波长通道光源。光源。光源。


技术研发人员：任嫄 程亚 方致伟 张海粟 刘招祥
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/12