硅基混合集成的微芯片激光器相关基础研究

Size can be done is small,the light source in the MOEMS system is mostly preferred the LD or LED. While the bad beam quality of LD make it difficult to be separately used as the laser source with the high brightness, high coherence, ultrashort pulses, sigle longitudinal mode. Micro-optical components made up of different materials are integrated in the silicon substrate by using the technology of free space hybrid integration that provide a viable solution for new MOEMS system. Using bulk silicon anisotropic etching technology and surface micromachining technology to produce silicon-based micro-optical substrate and micro-optics holder piece to build a repeatable assembly of miniature optical test platform and assembly platform. Based on this platform semiconductor lasers, micro-optical lens, volume Bragg grating, microchip laser crystal are firstly integrated with different types of holders, and then monolithically integrated to the micro-optical substrate. At a result we can achieve a new type of high-brightness laser light source in several hundreds mW level and the TEM00 mode output which can be integrated easily in the new MOEMS system.

由于尺寸可以做得很小， MOMES系统中的光源大都首选LD或LED。但LD的光.束质量差，使其难以单独发挥激光所具有的优势，比如高亮度、高相干性、超短脉冲、单纵.模等等。本项目基于一种将不同材料的微光学组件混合集成在硅基衬底上的自由空间硅基混.合集成技术，配合使用体硅各向异性腐蚀工艺和表面微加工工艺制作硅基的微型光学基板和.微光学夹持片，搭建一个可重复装配的、微型的、硅基的光学试验平台和操作平台，从而开.展微芯片激光器的硅基集成相关实验研究。主要包括将半导体激光器、微光学透镜、体Bragg.光栅、微芯片激光晶体首先分别与不同种类的微光学夹持片集成，然后再单片集成在微型光.学基板上，实现百mW级、TEM00模输出。微芯片激光器实现硅基集成，有望成为替代LD光.源的一种可行的解决方案，为获得一种新型的、可以和MOEMS系统兼容的高亮度激光光源奠.定研究基础。

本项目是在国家自然基金委的资助下开展的针对硅基混合集成的微芯片激光器的研究。.研究期限为五年。项目期间开展了硅基混合集成微芯片激光器方面的研究工作，在此基础上还对微光学元件—菲涅耳波带片的设计和制备开展了初步的研究。主要研究进展包括：首先，针对硅基混合集成的关键部件——微光学平台，包括微光学基板和微夹持片进行了设计和试验研究。从理论上采用Ansys软件和COMSOL有限元软件对于硅热沉和铜热沉的散热能力以及微夹持片的关键部件的应力问题进行了仿真。从工艺制备上，配合使用干法刻蚀和湿法腐蚀等微纳加工技术，制备出了满足要求的微光学基板和各种类型的微夹持片，为实现了硅基混和集成奠定了研究和试验基础。其次，对于硅、SiC热沉表面的金属化及焊料制备进行了深入的实验研究，为实现硅基混和集成奠定了基础。开发了一种双面烧结热沉散热结构，将chip芯片的P、N面双面烧结夹于镀有In焊料或者AuSn焊料的硅电极中间，然后将整个三明治结构再与微夹持片结构封装在一起，这种结构更有利于芯片的散热。固化了利用热蒸发工艺在硅表面上进行硬焊料蒸发的技术参数。搭建了满足使用要求的微装配和测试平台，可以实现10个自由度的平移及旋转调节,实现了混合集成在一起的微芯片激光器，最终得到了1064nm，功率输出最大为70mW的基横模基频光输出。在项目研究内容之外，为了进一步将微光学平台技术应用在试验系统中，设计了微型光谱仪的研究方案。配合使用电子束曝光和干法刻蚀等工艺，设计和制作了线形菲涅尔波带片，并进行了工艺误差分析，初步的分光试验研究。.总体来说,项目完成了预定研究内容,达到了预期目标,为硅基混和集成实现进一步应用奠定了研究基础。