本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全硅分布式反饋（distributedfeedback，簡(jiǎn)稱dfb）激光器。

背景技術(shù)：

20世紀(jì)中有兩項(xiàng)偉大的發(fā)明：電子計(jì)算機(jī)以及激光。此兩種發(fā)明造成了巨大的社會(huì)影響，推進(jìn)了產(chǎn)業(yè)革命。將兩者相結(jié)合的光電集成技術(shù)更是可能產(chǎn)生計(jì)算能力的爆發(fā)式增長(zhǎng)。又由于目前成熟的集成電路技術(shù)均基于硅的工藝平臺(tái)，因此光電集成的有限方案便是基于成熟的硅集成技術(shù)。因此，作為此技術(shù)中的另一組成部分，硅基的光源就成了亟待解決的問題。上世紀(jì)90年代，多孔硅的發(fā)光被發(fā)現(xiàn)并引發(fā)了研究熱潮。然而然而多孔硅本身的機(jī)械脆弱性和發(fā)光不穩(wěn)定性，使得它無法勝任作為硅光源的基礎(chǔ)材料。包裹于介質(zhì)中的硅納米晶因?yàn)槠鋱?jiān)固的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的發(fā)光得到了大家的青睞，同時(shí)也具有通過調(diào)節(jié)尺寸改變其發(fā)光峰位的性質(zhì)。有多種方法可以制備硅納米晶。其中，離子注入方法是將能量上千電子伏的硅離子入射到熱的氧化硅中，并經(jīng)過高溫退火形成硅納米晶。離子濺射方法是真空中用離子轟擊硅靶材，形成厚度可控的硅膜，經(jīng)高溫退火形成硅納米晶。等離子體輔助化學(xué)氣相沉積方法是使用等離子體激發(fā)硅烷與氧氣反應(yīng)，形成富硅的二氧化硅，通過控制氣體流速控制硅含量，經(jīng)高溫退火形成硅納米晶。激光燒蝕法是使用脈沖激光燒蝕硅靶材，通入反應(yīng)氣體可形成富硅氧化硅層，通過高溫退火形成硅納米晶。在氣溶膠技術(shù)中，將硅烷在高溫下熱解形成氣溶膠，納米晶體逐漸成核并形成小于5nm的硅納米晶顆粒，再通過高溫反應(yīng)區(qū)后燒結(jié)成膜。

雖然納米尺度的硅晶粒具備發(fā)光能力，但想做成高亮度的硅光源乃至于硅激光器，還需取決于材料自身的增益能力。2000年意大利特倫托大學(xué)發(fā)現(xiàn)鑲嵌于二氧化硅的硅納米晶具備光增益。但由于硅納米晶具有較低光增益和較寬的發(fā)射光譜，因此，一直以來很難將硅納米晶作為激光增益材料來實(shí)現(xiàn)全硅激光器。硅納米晶材料激光產(chǎn)生遭遇瓶頸。為了實(shí)現(xiàn)硅基激光產(chǎn)生，目前最常用的手段是將具有高光增益的半導(dǎo)體材料，如gan，inp等，制備在硅襯底上來實(shí)現(xiàn)硅基激光器。然而，半導(dǎo)體材料始終是作為一種外來材料，它的引入與傳統(tǒng)的全硅工藝并不兼容，導(dǎo)致該技術(shù)的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本昂貴。

本發(fā)明提出一種新型的全硅的片上激光器。該方案制備出具有和半導(dǎo)體材料光增益相當(dāng)?shù)墓杓{米晶；同時(shí)利用納米壓印技術(shù)直接在硅納米晶薄膜上制備dfb諧振腔，從而實(shí)現(xiàn)了全硅激光器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有高光增益的全硅分布式反饋激光器。

本發(fā)明提出的分布式反饋激光器，包括：高光增益的硅納米晶薄膜，在硅納米晶薄膜上通過電子束曝光或納米壓印方法制備的布拉格光柵，構(gòu)成激光器的諧振腔，該激光器的諧振腔為dfb結(jié)構(gòu)；通過光泵浦方式產(chǎn)生激光輸出。其中，作為激光增益材料的硅納米晶薄膜，由光刻膠hsq通過熱退火制備，并且經(jīng)過高壓氫鈍化處理而得到，其具有很高的光增益，可與常規(guī)激光半導(dǎo)體增益材料相當(dāng)。

本發(fā)明提出的分布式反饋激光器，激光波長(zhǎng)滿足二階布拉格條件，因此激光不僅可以在光柵表面來回振蕩，并且在垂直與光柵表面方向具有較強(qiáng)的衍射效率，從而實(shí)現(xiàn)激光的垂直出射。

該激光器的諧振腔為dfb結(jié)構(gòu)，通過合理參數(shù)設(shè)計(jì)并采用納米壓印技術(shù)制備形成，方便快捷，易于批量生產(chǎn)，并且可重復(fù)性好。

本發(fā)明提出的分布式反饋激光器的制備方法，具體步驟如下：

（一）、制備壓印模版，具體操作流程為：

（1）使用電子束刻蝕制作周期為505nm占空比0.25~0.75的硅光柵模板；

（2）使用氣相沉積方法在硅光柵模板上自組裝形成單分子防粘層；

（3）用丙酮、異丙醇進(jìn)行超聲處理，再經(jīng)烘烤、干燥，紫外臭氧處理；

（4）然后防粘層上旋涂ormoprime（普萊姆膠）作為增粘層；

（5）經(jīng)置烘烤干燥后，在光柵模板上滴上ormostamp（印記膠），基片上粘附少量同種材料；將基片貼合在光柵模板上，利用毛細(xì)作用使ormostamp鋪開；

（6）使用紫外固化燈將膠體紫外固化；然后剝離stamp與光柵模板，確保光柵形貌完整轉(zhuǎn)移；

（7）使用氣相沉積方法在stamp上沉積單分子防粘層。

本步驟的流程（2）中，所述的自組裝材料可以選用：

1h,1h,2h,2h-perfluorooctyltrichlorosilane。

本步驟的流程（4）中，所述的旋涂增粘層，旋涂速度宜為4000~2000轉(zhuǎn)/分，旋涂時(shí)間1~2min。

（二）、制備激光介質(zhì)與諧振腔層，具體流程為：

（1）選取兩面拋光的石英基片作為襯底，精貴清洗去除襯底表面雜質(zhì)；

（2）在襯底上旋涂增益介質(zhì)材料hsq（氫化倍半硅氧烷）薄膜；

（3）將旋涂好的hsq薄膜放置于液壓壓片機(jī)中，把步驟1制備的stamp壓印模板正置于其上，并確保模板光柵部分與hsq薄膜完好接觸并保持水平；然后，緩慢均勻加壓至6~16mpa，保持5~20min；

（4）剝離stamp與hsq薄膜；可以觀察到hsq薄膜表面完整轉(zhuǎn)移了光柵形貌；

（5）將轉(zhuǎn)移了光柵形貌的hsq薄膜置于恒溫加熱爐中烘烤固化，完成hsq壓印。

本步驟的流程（1）中，所述石英片襯底的體積可為10×10×0.1mm³~20×20×0.2mm³。

本步驟的流程（2）中，旋涂增益介質(zhì)材料hsq薄膜的操作如下：取hsq光刻膠60~100微升，設(shè)定旋涂參數(shù)為：第一階段轉(zhuǎn)速400rpm~800rpm，持續(xù)時(shí)間為5s~15s；第二階段轉(zhuǎn)速200rpm~500rpm，持續(xù)時(shí)間為4s~40s；旋涂參數(shù)確定主要取決于當(dāng)下旋涂原料的溶質(zhì)含量以及粘度確定。

本步驟的流程（5）中，所述恒溫加熱爐中烘烤固化，溫度為140-156℃，時(shí)間30~120min。

（三）、介質(zhì)層相變與增益提升，具體操作流程為：

（1）將帶有光柵的hsq薄膜基片置于經(jīng)過清洗的石英基板上，然后將其放入石英退火爐中，通入h2、n2混合氣體；

（2）將退火爐由室溫升溫至1000~1150℃，升溫時(shí)間為40~60min，在1000~1150℃溫度下保持50~90min；

（3）取出經(jīng)退火處理的樣品，置于恒溫高壓釜內(nèi)，密封高壓釜；打開機(jī)械泵抽取高壓釜內(nèi)空氣，隨后打開通氣閥充入高純氫氣到5~15bar，設(shè)置加熱溫度為100~300℃，升溫時(shí)間為1~3h；

本步驟的流程（1）中，所述石英基板需推至退火爐恒溫區(qū)中央，以保證樣品均勻受熱；所使用混合氣體比例宜為h2:n2=5%:95%；

本步驟的流程（3）中，加熱后高壓釜內(nèi)氣壓將增加到10~30bar，并維持該溫度和氣壓24~240h，隨后停止加熱，放氣，取出樣品。

本方法中，使用設(shè)備包括，超聲清洗機(jī)，紫外臭氧清洗機(jī)，超凈工作臺(tái)，臺(tái)式勻膠機(jī)，管式電阻爐，恒溫烘箱，紫外固化燈，液壓壓片機(jī)，電子束曝光系統(tǒng)，反應(yīng)離子刻蝕平臺(tái)等。

本發(fā)明原理如下：對(duì)于dfb結(jié)構(gòu)，能夠在腔內(nèi)振蕩的模式波長(zhǎng)需滿足布拉格反射條件：

2neffλ=mλ

λ代表dfb的周期寬度，neff為模式有效折射率，m代表布拉格階數(shù)。本發(fā)明中采用的光柵周期為505nm，滿足其二階布拉格共振條件（m=2）的波長(zhǎng)在770nm附近，正對(duì)應(yīng)于納米晶的增益峰位置。因此該波長(zhǎng)的光會(huì)被限制在光柵內(nèi)來回振蕩，形成激光諧振腔。而對(duì)于滿足諧振條件的波長(zhǎng)，二階布拉格光柵在沿著垂直于光柵表面方向具有較強(qiáng)的衍射，從而實(shí)現(xiàn)了激光的垂直出射，便于對(duì)激光的收集。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種全硅材料的片上激光器，該激光器結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，避免了基于半導(dǎo)體增益材料的硅基激光器與傳統(tǒng)硅工藝不兼容的弊端。

附圖說明

圖1本發(fā)明所述激光器結(jié)構(gòu)示意圖。其中，上層為具有dfb光柵的增益材料，下層為襯底。

圖2本發(fā)明所述的納米壓印技術(shù)示意圖。

圖3本發(fā)明所用的布拉格光柵的電子顯微鏡（sem）照片。其中，(a)頂視圖，(b)側(cè)視圖。布拉格光柵的周期為505nm，光柵深度為126nm。

圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的激光光譜。激光波長(zhǎng)約為770nm。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例用以說明本發(fā)明，但不用于限制本發(fā)明。

1、原料和配方：

襯底：雙面拋光的，體積為20×20×0.2mm³的耐高溫石英基片；

模板自組裝防粘層：1h,1h,2h,2h-perfluorooctyltrichlorosilane，microresisttechnology公司；

模板增粘層：ormoprime，microresisttechnology公司；

模板光柵層：ormostamp，microresisttechnology公司；

增益材料：dowcorningfox-1x以及fox-2xflowableoxides，道康寧公司；

基底清洗液：酒精（分析純），丙酮（分析純），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

2、工藝參數(shù)設(shè)定：

制備條件：室溫，潔凈環(huán)境；

退火溫度：1100℃；

退火時(shí)長(zhǎng)：60分鐘；

后續(xù)冷卻參數(shù)：斷電后的管內(nèi)冷卻，2小時(shí)；

鈍化溫度：200℃；

鈍化時(shí)長(zhǎng)：120小時(shí)；

3、生產(chǎn)裝置：

vd650超凈工作臺(tái)，蘇州蘇潔凈化設(shè)備有限公司；

sk2-4-12程控管式電阻爐，上海實(shí)研電爐有限公司；

kw4a臺(tái)式勻膠機(jī)，中科院微電子研究所；

wuv01620紫外臭氧清洗機(jī)，novascantechnologies有限公司；

hy-12紅外壓片機(jī)，天津天光光學(xué)儀器有限公司；

200-00a型恒溫干燥箱，滬鑫電爐電箱廠；

4、工藝過程：

（1）使用電子束刻蝕技術(shù)生產(chǎn)占空比0.5的硅片光柵模板；

（2）使用1h,1h,2h,2h-perfluorooctyltrichlorosilane自組裝材料在模板上氣相沉積單分子防粘層；

（3）基片預(yù)處理，清洗烘烤以及臭氧處理保證表面潔凈，例如，丙酮，異丙醇依次超聲15分鐘，在氮?dú)饬髦写蹈桑?00℃烘烤10~25min，結(jié)束烘烤后使用高速氣流迅速冷卻；紫外臭氧處理10~20min。之后旋涂ormoprime增粘層，轉(zhuǎn)速為3000rpm，時(shí)間為1min，并在150℃下烘烤1min，冷卻至室溫；

（4）在光柵模板上滴10微升ormostamp，將基片貼合在光柵模板上，紫外固化一段時(shí)間后用刀片剝離stamp；

（5）在石英襯底上旋涂hsq溶液，溶液體積為80微升，旋涂參數(shù)為10s轉(zhuǎn)速500rpm，隨后變?yōu)?0s轉(zhuǎn)速4000rpm；

（6）立即置于壓片機(jī)實(shí)行壓印，壓印壓強(qiáng)為6mpa，持續(xù)時(shí)間為5min；

（7）將壓好的樣品剝離模板并置于烘箱后烘，烘烤參數(shù)為150℃，持續(xù)60min；

（8）取出烘烤完成樣品置于管式退火爐進(jìn)行高溫退火，保護(hù)氣為5%h2的氫氮混合氣升溫時(shí)間50min，1100℃下維持60min，隨后冷卻2h，取出；

（9）將樣品置于高壓釜中通入10bar高純氫氣，設(shè)置爐溫為200℃，持續(xù)240h，隨后關(guān)閉加熱設(shè)備冷卻取樣。