專利名稱：激光器及其形成方法、諧振腔及其形成方法
激光器及其形成方法、諧振腔及其形成方法技術領域
本發明屬于激光器領域，尤其是涉及應用在激光器內的諧振腔，及包含此諧振腔的激光器，以及諧振腔和激光器的形成方法。
背景技術：
隨著科學技術的發展，激光器的材料、性能、應用等都越來越豐富越廣泛，但其結構一般包括以下三個部分
1、激光工作介質
激光的工作介質是獲得激光的必要條件。它是可以實現粒子數反轉并產生光的受激輻射放大作用的物質體系。可以是氣體、液體、固體或半導體。現有工作介質近千種，可產生的激光波長包括從真空紫外到遠紅外。
2、激勵源
是指為使激光工作介質實現并維持粒子數反轉而提供能量來源的機構或裝置。一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動能的電子去激發介質原子，稱為電激勵；也可用脈沖光源來照射工作介質，稱為光激勵；還有熱激勵、化學激勵、核能激勵等。
3、光學諧振腔
所謂光學諧振腔，是使受激輻射在光學諧振腔內得到多次反饋而形成激光振蕩的結構。諧振腔的作用為①提供光學反饋能力，使受激輻射光子在腔內多次往返以形成相干的持續振蕩。通常是由組成腔的兩個反射鏡的幾何形狀(反射面曲率半徑)和相對組合方式所決定；②對腔內往返振蕩光束的方向和頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的定向性和單色性。是由給定共振腔型對腔內不同行進方向和不同頻率的光，具有不同的選擇性損耗特性所決定的。
諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優先的放大，而把其它頻率和方向的光加以抑制。
對于一般的激光器來說，諧振腔通常由兩塊與工作介質軸線垂直的平面或凹球面反射鏡構成。其中一塊幾乎全反射，另一塊讓光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而透射出，成為可利用的激光，而反射部分留在腔內繼續增殖光子。
對于半導體器件級別激光器來說，諧振腔是由半導體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質膜，如金屬膜，以增加反射率，而出光面鍍上減反膜，以減小反射率增大透光度。如半導體激光器的諧振腔就是利用與p-n結平面相垂直的自然解理面(110面)構成，它有35%的反射率，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95%以上的反射率。
傳統諧振腔無法實現激光器與光波導在同一平面的整合，嚴重影響光的使用效率，并且對光電器件的進一步整合起到阻礙作用，使得現有技術很難將半導體激光器直接應用于半導體制造領域。發明內容
為了解決上述問題，本發明的實施例提供了一種激光器，包括
工作介質區域；
諧振腔，包括分別緊鄰所述工作介質區域的相對兩側的兩個類光柵結構，每一類光柵結構由相鄰的單位厚度的第一介質與單位厚度的第二介質構成的子單元周期性重復排布而成，其排布方向與預設的激光傳出方向一致，其中第一介質和第二介質的折射率不同。
可選的，所述諧振腔位于SOI襯底的頂層硅層內，第一介質的材料為硅，第二介質的材料為氧化硅或氮化硅。
可選的，所述SOI的頂層硅層表面還形成有氧化硅層。
可選的，第一介質的單元厚度、第二介質的單元厚度與激光在真空內傳播的波長滿足以下關系
nlXa+n2Xb = k λ /2
其中，a為第一介質的單位厚度，b為第二介質的單位厚度，nl為第一介質的折射率，n2為第二介質的折射率，k為正整數，λ為激光在真空內的波長。
可選的，第一介質的材料為硅，第二介質的材料為氧化硅，所述第一介質的單位厚度a為0. 123um，所述第二介質的單位厚度b為0. 273um。
可選的，所述第一介質的單位寬度a和第二介質的單位寬度b的和的范圍為 30nm 999nm。
可選的，兩側的類光柵結構完全擋住所述工作介質區域沿預設的激光傳出方向的投影；兩側的類光柵結構中，子單元的重復次數不同。
可選的，所述工作介質區域一側的類光柵結構中沿預設的激光傳出方向留有縫隙以形成一條激光的通路，另一側的類光柵結構完全擋住所述工作介質區域沿預設的激光傳出方向的投影。
本發明的實施例還提供了一種激光器的形成方法，包括
提供一半導體基底；
在所述半導體基底中形成工作介質區域；
利用光刻膠做掩模在所述工作介質區域兩側刻蝕出沿其中軸線往兩邊周期性延伸的等距間隔的等寬的多個槽；
沉積氧化硅或者氮化硅填充所述槽。
可選的，所述半導體基底為SOI襯底，所述工作介質區域形成在所述SOI襯底的頂層硅層中。
本發明的實施例也提供了一種諧振腔，應用于激光器的工作介質區域兩端，包括 緊鄰工作介質區域的相對兩側的兩個類光柵結構，每一類光柵結構由單位寬度的第一介質與單位寬度的第二介質構成的子單元周期性重復排布而成，其排布的方向與預設的激光傳出方向一致，其中第一介質和第二介質的折射率不同。
可選的，第一介質的材料為硅，第二介質的材料為氧化硅或氮化硅。
可選的，第一介質的單元厚度、第二介質的單元厚度與激光在真空內傳播的波長滿足以下關系
nlXa+n2Xb = kA /2,
其中，a為第一介質的單位厚度，b為第二介質的單位厚度，nl為第一介質的折射率，n2為第二介質的折射率，k為正整數，λ為激光在真空波長。
可選的，包括第一介質的材料為硅，第二介質的材料為氧化硅；所述第一介質的單位寬度a為0. 123um，所述第二介質的單位寬度b為0. 273um。
可選的，所述第一介質的單位寬度a和第二介質的單位寬度b的和的范圍為 30nm 999nm。
可選的，兩側的類光柵結構完全擋住所述工作介質區域沿預設的激光傳出方向的投影；兩側的類光柵結構中，子單元的重復次數不同。
可選的，所述諧振腔在工作介質區域某一側的類光柵結構中沿預設的激光傳出方向留有縫隙以使第一介質形成一條通路，另一側的類光柵結構完全擋住所述工作介質區域沿預設的激光傳出方向的投影。
本發明的實施例另提供了一種諧振腔的形成方法，包括
提供一半導體基底，在所述半導體基底中形成有工作介質區域；
利用光刻膠做掩模在所述工作介質區域兩側刻蝕出沿其中軸線往兩邊周期性延伸的等距間隔的等寬的細長的槽；
沉積氧化硅或者氮化硅。
可選的，所述半導體基底為SOI襯底，工作介質區域形成在所述SOI襯底的頂層硅層中。
與現有技術相比較，本發明的激光器中的諧振腔結構有如下優點
1.可使用標準的半導體生產工藝，尤其適用于在硅基底上制作，工藝簡單、穩定、 方便易行；
2.類光柵結構的子單元中的兩種介質材料可以選擇折射率相差較大的材料，有利于制備出高效率的諧振腔；
3.光柵的子單元重復次數可以精確控制，以實現對特定的波長的激光的選擇，以使激光具有好的單色性；
4.有利于將光源與光波導進行整合，進而可以實現更好的光電整合，提高了光的使用效率。
且具有本發明的諧振腔的激光器也尤其適用于在硅基底上制作，可以與硅基底的器件集成在一塊芯片上，與半導體制程兼容，可與電器件實現很好的整合，可以制備出電光調制器件以及光-光調制器件。提高了半導體器件與激光器的集成度，也擴大了激光器的應用范圍。對于未來高速芯片的發展具有潛在的意義。
圖1為本發明激光器的結構示意圖。
圖2為具有類光柵結構的諧振腔的結構示意圖。
圖3為諧振腔兩側的類光柵結構子單元重復次數不同的示意圖。
圖4、圖5為諧振腔的某一側的第二介質留有第一介質的通路的示意圖。
具體實施方式
在以下描述中闡述了具體細節以便于充分理解本發明。但是本發明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施方式
的限制。
其次，本發明利用示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便于說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實例，其在此不應限制本發明保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度，寬度及深度的三維空間尺寸。
本發明提供的用于激光器的光學諧振腔的結構示意圖如圖1至圖2所示，其中，圖 1為其俯視圖，圖2是顯示各層結構的剖視圖。如圖1所示，緊鄰工作介質區域1相對兩側的是激光器的諧振腔，此諧振腔包括兩個類光柵結構，每一類光柵結構由相鄰的單位厚度的第一介質A與單位厚度的第二介質B構成的子單元周期性重復排布而成，其排布所延伸的方向與預設的激光傳出方向一致。其中，工作介質區域1在一定外加激勵條件下能夠發生粒子數反轉并產生光的受激輻射。
如圖2所示，類光柵結構中L1、L2中，相鄰的單元厚度的第一介質A和第二介質B 為子單元AB，類光柵結構Li、L2就按照子單元AB重復性排布延伸。其中第一介質A和第二介質B的折射率不同。
當工作介質區域1在外加激勵下，發生粒子數反轉同時產生光的受激輻射，會有各個方向的激光產生，其中會有沿著緊貼著工作介質區域1的類光柵結構中的第一介質A 傳播的激光。在第一、第二介質A、B的交界面，由于第一介質A和第二介質B的折射率不同，光會在界面處發生反射和透射，而部分光被透射就繼續沿著第二介質B、第一介質A傳播，到達下一個第一介質A和第二介質B的交界面，部分光被反射而返回。透射的光在每個界面按照相位干涉疊加，最后傳出諧振腔。反射回去的光在每個界面按照相位干涉疊加，并返回到工作介質區域1去激發新的受激輻射產生新的激光。這樣就形成了光在兩側類光柵結構之間的反復震蕩。也即構成了激光器的諧振腔結構。
本發明中的類光柵結構是由第一介質A和第二介質B間隔排布而形成以AB子單元為最小重復單元重復疊加排列的周期性的結構。已有理論表明，當光在介質中傳播時，其在每個不同介質的交界面處都會產生反射和透射，其中反射率R和透射率T與兩種介質的折射率有關，也與入射光的偏振及角度有關。具體為
如果入射光的電場垂直于入射光線及折射光線所在的平面，則為S-偏振，其反射系數為
如果入射光的電場在入射光線及折射光線的平面內，則為P-偏振，其反射系數為
權利要求
1.一種激光器，其特征在于，包括工作介質區域；諧振腔，包括分別緊鄰所述工作介質區域的相對兩側的兩個類光柵結構，每一類光柵結構由相鄰的單位厚度的第一介質與單位厚度的第二介質構成的子單元周期性重復排布而成，其排布方向與預設的激光傳出方向一致，其中第一介質和第二介質的折射率不同。
2.如權利要求1所述的激光器，其特征在于，所述諧振腔位于SOI襯底的頂層硅層內， 第一介質的材料為硅，第二介質的材料為氧化硅或氮化硅。
3.如權利要求2所述的激光器，其特征在于，所述SOI的頂層硅層表面還形成有氧化硅層。
4.如權利要求1所述的激光器，其特征在于，第一介質的單元厚度、第二介質的單元厚度與激光在真空內傳播的波長滿足以下關系nlXa+n2Xb = kA /2,其中，a為第一介質的單位厚度，b為第二介質的單位厚度，nl為第一介質的折射率，n2 為第二介質的折射率，k為正整數，λ為激光在真空內的波長。
5.如權利要求4所述的激光器，其特征在于，第一介質的材料為硅，第二介質的材料為氧化硅，所述第一介質的單位厚度a為0. 123um，所述第二介質的單位厚度b為0. 273um。
6.如權利要求4所述的激光器，其特征在于，所述第一介質的單位寬度a和第二介質的單位寬度b的和的范圍為30nm 999nm。
7.如權利要求4所述的激光器，其特征在于，兩側的類光柵結構完全擋住所述工作介質區域沿預設的激光傳出方向的投影；兩側的類光柵結構中，子單元的重復次數不同。
8.如權利要求4所述的激光器，其特征在于，所述工作介質區域一側的類光柵結構中沿預設的激光傳出方向留有縫隙以形成一條激光的通路，另一側的類光柵結構完全擋住所述工作介質區域沿預設的激光傳出方向的投影。
9.一種激光器的形成方法，其特征在于，包括提供一半導體基底；在所述半導體基底中形成工作介質區域；利用光刻膠做掩模在所述工作介質區域兩側刻蝕出沿其中軸線往兩邊周期性延伸的等距間隔的等寬的多個槽；沉積氧化硅或者氮化硅填充所述槽。
10.如權利要求9所述的激光器的形成方法，其特征在于，所述半導體基底為SOI襯底， 所述工作介質區域形成在所述SOI襯底的頂層硅層中。
11.一種諧振腔，應用于激光器的工作介質區域兩端，其特征在于，包括緊鄰工作介質區域的相對兩側的兩個類光柵結構，每一類光柵結構由單位寬度的第一介質與單位寬度的第二介質構成的子單元周期性重復排布而成，其排布的方向與預設的激光傳出方向一致，其中第一介質和第二介質的折射率不同。
12.如權利要求11所述的諧振腔，其特征在于，第一介質的材料為硅，第二介質的材料為氧化硅或氮化硅。
13.如權利要求11所述的諧振腔，其特征在于，第一介質的單元厚度、第二介質的單元厚度與激光在真空內傳播的波長滿足以下關系nlXa+n2Xb = kA /2,其中，a為第一介質的單位厚度，b為第二介質的單位厚度，nl為第一介質的折射率，n2 為第二介質的折射率，k為正整數，λ為激光在真空波長。
14.如權利要求13所述的諧振腔，其特征在于，包括第一介質的材料為硅，第二介質的材料為氧化硅；所述第一介質的單位寬度a為0. 123um,所述第二介質的單位寬度b為 0. 273um。
15.如權利要求13所述的諧振腔，其特征在于，所述第一介質的單位寬度a和第二介質的單位寬度b的和的范圍為30nm 999nm。
16.如權利要求13所述的諧振腔，其特征在于，兩側的類光柵結構完全擋住所述工作介質區域沿預設的激光傳出方向的投影；兩側的類光柵結構中，子單元的重復次數不同。
17.如權利要求13所述的諧振腔，其特征在于，所述諧振腔在工作介質區域某一側的類光柵結構中沿預設的激光傳出方向留有縫隙以使第一介質形成一條通路，另一側的類光柵結構完全擋住所述工作介質區域沿預設的激光傳出方向的投影。
18.一種諧振腔的形成方法，其特征在于，包括提供一半導體基底，在所述半導體基底中形成有工作介質區域；利用光刻膠做掩模在所述工作介質區域兩側刻蝕出沿其中軸線往兩邊周期性延伸的等距間隔的等寬的細長的槽；沉積氧化硅或者氮化硅。
19.如權利要求18所述的諧振腔的形成方法，其特征在于，所述半導體基底為SOI襯底，工作介質區域形成在所述SOI襯底的頂層硅層中。
全文摘要
本發明公開了一種激光器及其制作方法、諧振腔及其制作方法，其中所述激光器包括工作介質區域；諧振腔，包括分別緊鄰所述工作介質區域的相對兩側的兩個類光柵結構，每一類光柵結構由相鄰的單位厚度的第一介質與單位厚度的第二介質構成的子單元周期性重復排布而成，其排布所延伸的方向與預設的激光傳出方向一致，其中第一介質和第二介質的折射率不同。本發明的激光器中的諧振腔結構制作簡單，并且尤其適用于在硅基底上制作，可以與硅基底的器件集成在一塊芯片上，而本發明的激光器，由于其內的諧振腔可以與硅基底的器件集成在一塊芯片上，因而也提高了激光器與半導體器件的集成度，擴大了激光器的應用范圍。
文檔編號H01S5/12GK102496851SQ201110379490
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年11月24日
發明者唐文濤 申請人:上海宏力半導體制造有限公司