熱壓法制備的碲酸鹽玻璃微盤*

胡博 吳越豪? 鄭雨璐 戴世勛

1) (寧波大學信息科學與工程學院, 寧波 315211)

2) (寧波大學高等技術研究院, 紅外材料及器件實驗室, 寧波 315211)

3) (浙江省光電探測材料及器件重點實驗室, 寧波 315211)

提出一種熱壓法制備微盤激光器的工藝, 僅使用實驗室常用電阻加熱爐具即可制備出不同直徑/厚度的微盤激光器.選用TeO2-ZnO-Na2O碲酸鹽玻璃為基質材料, 制備出直徑分布在100—400 μm范圍內、最小厚度可達8 μm、典型品質因數(Q值)約為105的微盤激光器.對碲酸鹽玻璃基質材料摻入稀土離子Nd3+和Tm3+, 通過光纖錐耦合法開展微盤的抽運耦合實驗, 即可在耦合系統的輸出光譜中獲得明顯的熒光回廊模式和激光模式.以一顆直徑為105.74 μm、厚度為10.4 μm的Nd3+摻雜微盤為例, 當抽運光功率提升至1.364 mW以上時, 即可在1.06 μm附近獲得激光峰.同樣實驗表明, 對Tm3+摻雜的微盤進行抽運耦合實驗可獲得1.9 μm附近的激光峰.

1 引 言

回廊模式諧振腔在低閾值激光器、窄帶光學濾波、生物化學傳感等領域有著重要應用[1-5].在各種類型的回廊模諧振腔中, 球形(spherical)諧振腔可實現極高的品質因數(Q值), 且其制備工藝較為簡單, 因而最先受到研究者的關注.現有球形回廊模諧振腔中可獲得的最高Q可達 1 09[6].可以采用多種性質各異的基質材料制作球形回廊模諧振腔, 例如以碲酸鹽玻璃、硫系玻璃為代表的新型紅外光學材料, 因其具有良好的紅外透過性和較好的稀土離子溶解性而被廣泛用于制備工作于近紅外和中波紅外波段的球形回廊模諧振腔/激光器[7-12].

隨著研究的深入, 研究者發現相比于常規的球形回廊模諧振腔, 環形(toroidal)或者盤形(disk)回廊模諧振腔具有更加扁長的橫截面形狀, 因而更有利于減小回廊模的模式體積(Vm).對于微腔量子電動力學來說, 較小的Vm值意味著較大的Q/Vm比值, 而較大的Q/Vm比值則意味著回廊模諧振腔可以更好地與微納光子器件耦合以及更容易在微腔中實現光學非線性效應[13,14].環形或者盤形諧振腔雖然具有更好的光學特性, 但是它們的制備工藝也遠比球形諧振腔復雜, 通常涉及到半導體沉積、光刻、刻蝕、激光熱回流等步驟[15-18].制備有源環形/盤形回廊模諧振腔則需使用離子注入工藝將有源摻雜物質注入到半導體基質材料中, 整個工藝流程更加昂貴費時.

為了降低微盤諧振腔的制備難度以及縮短制備時間, 提出一種基于玻璃粉料的熱壓法制作微盤諧振腔的工藝.這種熱壓法主要涉及到兩個加熱步驟：1)利用漂浮粉末熔融法的基本原理加熱玻璃粉料, 受熱軟化后的粉料在表面張力作用下成為微球狀; 2)將所制備的微球置于兩面平整光滑的硬物表面之間進行第二次加熱.第二次加熱時需對微球施加一定外部壓力, 使得受熱軟化后的微球在外部壓力作用下擠成盤狀.考慮到實驗室爐具的溫度限制 (＜ 450 ℃), 選用了一種組分為 TeO2-ZnONa2O的碲酸鹽玻璃為基質材料.此玻璃的軟化溫度較低(～370 ℃), 且在多次加熱的過程中不易出現析晶問題.實驗制備出的碲酸鹽玻璃微盤諧振腔直徑在 100—400 μm 范圍之內, 最小厚度約為 8 μm,典型Q值約為105.在基質材料中摻入Nd3+, Tm3+等稀土離子即可獲得有源微盤諧振腔.通過光纖錐耦合法對有源微盤微腔進行抽運耦合實驗, 即可在耦合系統的輸出光譜中觀測到周期分立的光學回廊模式.當抽運光功率超出諧振腔的激光閾值后,即可在輸出光譜中觀測到明顯的激光模式.上述實驗結果表明, 對于軟化溫度低且不易于析晶的玻璃基質材料, 本文提出的基于玻璃粉料的熱壓法可作為一種簡單可行的方法用于制備微盤諧振腔/激光器.

2 實 驗

將制備碲酸鹽玻璃的原材料混合置于剛玉坩堝中, 在 850 ℃ 的溫度下加熱 30 min, 之后將玻璃液倒入石墨模具中以350 ℃的溫度退火2 h.再將玻璃冷卻至室溫, 研磨成粉、清洗烘干后送入一臺自制的高溫垂直加熱爐, 進行第一次加熱.玻璃粉料在高溫垂直爐中軟化, 在表面張力作用下形成微球狀.第一次加熱的過程即為常用的漂浮粉末熔融微球制備法[9-12].數百枚高質量的碲酸鹽微球可以一次性地從這一次的加熱過程中獲得.圖1為一批實驗制備的碲酸鹽玻璃微球的顯微鏡照片圖.圖1的內插圖為一顆直徑為92.13 μm的典型微球的掃描電子顯微鏡(SEM)圖.

從圖1及其內插圖可見, 第一次加熱后獲得的微球具有良好的外觀形狀.從實驗獲得的微球中優選出表面平滑、球形度較好的微球放入兩片邊長為10 mm的正方形硅片之間, 再將其放入一臺箱式電爐 (Nabertherm, 型號：N60/45HA)中進行第二次加熱.通過反復調整加熱溫度、時間以及外界施壓的重物質量等實驗參數, 最終選定用于第二次加熱壓球的溫度為 370 ℃, 加熱時間為 15 min, 外界重物質量約為 40 g.在上述實驗條件下, 微球在電爐中逐漸軟化并在外界壓力作用下被壓制為盤狀.圖2為第二次加熱的實驗過程.

圖1 實驗制備的一批典型的碲酸鹽玻璃微球(內插圖為一顆直徑為92.13 μm的碲酸鹽玻璃微球的SEM圖)Fig.1.A typical batch of tellurite glass microspheres fabricated in this work.Inset：SEM image of a 92.13-μm diameter tellurite glass microdisk laser.

從圖2可以看出, 第二次加熱的過程分為置球、固定/壓球、冷卻、揭片4個操作流程.在置球流程中, 將微球置于兩片清潔干凈的硅片表面之間.硅片表面平整堅硬, 且不易在第二次加熱過程中產生破損或形變, 因此適合用作壓制微盤的模具.在固定/壓球流程中, 用銅片將硅片及置于其間的微球進行包裹固定, 以避免在壓球過程中由于上下硅片之間的相對滑動影響微盤的圓形度.將固定好的壓球裝置放入預熱好的電爐中(加熱溫度370 ℃, 加熱時間 15 min), 并放上質量合適的重物(40 g)以使得微球在合適的溫度和壓力條件下逐漸被硬質平整表面擠壓成扁平的盤型.前期實驗表明, 過高的加熱溫度、過長的加熱時間或者過重的外置重物都會造成受熱軟化后的碲酸鹽玻璃和硅片之間產生材料粘連, 導致后續的揭片流程難以開展; 而過低的加熱溫度、過短的加熱時間或者過輕的外置重物則會導致微球無法充分軟化變形, 容易形成過厚或者破損的微盤.圖3(a)為一個由半徑(Rsphere)為50.78 μm的微球壓出的半徑(Rdisk)為127.39 μm的微盤諧振腔的俯視圖SEM照片;圖3(b)為它的側視圖.圖4(a)和圖4(b)為一個由半徑為31.24 μm的微球壓出的半徑為50.76 μm、厚度為15.03 μm的微盤諧振腔SEM照片的俯視圖和側視圖.

圖2 第二次加熱示意圖Fig.2.Schematic drawing of the second heating procedure.

圖3 由一個直徑為 101.56 μm 的微球壓出的直徑為 254.78 μm 的微盤諧振腔的 SEM 照片 (a)俯視圖; (b)側視圖Fig.3.(a) Top-view and (b) side-view of a 254.78-μm-diameter microdisk fabricated with a 101.56-μm-diameter microsphere.

圖4 由一個直徑為 62.48 μm 的微球壓出的直徑為 101.52 μm 的微盤諧振腔的 SEM 照片 (a)俯視圖; (b)側視圖Fig.4.(a) Top-view and (b) side-view of a 101.52-μm-diameter microdisk fabricated with a 62.48-μm-diameter microsphere.

從圖3和圖4可見, 上述二次加熱法制備的微盤俯視圖呈標準圓形, 側視圖呈扁平型.微盤側壁光滑且為圓弧形, 與一般經過激光熱回流處理的盤型或者環形諧振腔側壁的形態特征一致[15,16].微盤側壁在第二次加熱過程中并未與硅片有直接接觸,因此硅片不會影響微盤側壁的質量.微盤上表面較為平整, 但存在局部缺陷或雜質.然而對于微盤型或者微環型回廊模諧振腔而言, 內部傳輸的光束主要通過側壁/空氣界面的全反射而被限制在諧振腔內.微盤的上下表面并不參與到回廊模的形成中,因此它們的質量并不是影響微盤品質因數的主要因素.后續工作中可通過改進揭片的工藝流程來改善微盤上下表面的形貌質量.

3 回廊模與激光模式表征

將壓制好的微盤取出與光纖錐進行抽運耦合實驗.微盤的抽運耦合實驗與以往報道的其他形式的回廊模諧振腔的抽運耦合實驗相類似[19-21].使用一臺1520—1570 nm波段可調諧激光器(EXFO,型號：FLS-2600)和一臺 808 nm 半導體激光器(LEO, 型號：LE-LS-808) 分別作為無源和有源微盤諧振腔的抽運光源.圖5(a)給出了一個直徑為105.74 μm的微盤和一根錐腰直徑(光纖錐最細處直徑)為1.83 μm的光纖錐近場耦合的顯微鏡圖.對于無源微盤, 主要觀測諧振腔對各個波長光的諧振吸收情況, 測量吸收峰的寬度并計算出微盤在該諧振波長的Q值.例如圖5(b)展示了一個在1551.0058 nm 處的諧振峰, 它的寬度為 2.5 pm,從而可計算得出微盤在此諧振波長所體現的Q值為 6.2 × 105.

在不同批次的微盤諧振腔中, 在碲酸鹽基質玻璃中分別摻入了Nd3+和Tm3+離子作為有源摻雜物質.對于有源微盤諧振腔, 主要觀測微盤受到抽運光激發產生的熒光是否可在諧振腔的模式選擇作用下產生周期起伏的諧振峰以及是否可以在一定的抽運功率下將某一個回廊模式諧振峰轉變成為激光模式.圖6(a)為從一片Nd3+摻雜的直徑為105.74 μm、厚度為 10.4 μm 的微盤中以不同抽運功率(圖中不同顏色的曲線)獲取的輸出光譜.圖中黑色短劃線代表了塊狀基質玻璃中Nd3+離子的4F3/2—4I11/2自發輻射躍遷產生的熒光光譜.從圖6(a)可見, 對比于塊狀基質材料的光譜, 從微盤/光纖錐耦合系統中獲取的輸出光譜呈現出典型的周期分立的回廊模諧振結構, 且回廊模的高度隨著抽運功率的提升而增高.圖6(b)展示了位于1061.72 nm處諧振峰功率與抽運功率之間的關系.從圖6(b)可見, 當抽運光功率超過1.364 mW之后, 諧振峰功率和抽運峰功率之間的斜率關系有一個明顯提升, 這是典型的激光閾值現象.圖6(b)的內插圖為當抽運功率為1.177 mW (黑色曲線)和1.364 mW (紅色曲線)時從耦合系統中獲取的輸出光譜.可見當抽運功率從 1.177 mW提升到1.364 mW 后, 在 1061.72 nm 處的回廊模諧振峰轉變成了一處激光峰.

圖5 (a)一顆直徑為 105.74 μm 的微盤與一根錐腰直徑為 1.83 μm 的光纖錐耦合圖; (b)在 1551.0058 nm 處獲取的吸收峰 (Q 值為 6.2 × 105)Fig.5.(a) A 105.74-μm-diameter microdisk coupled with a 1.83-μm-waist-diameter fiber taper; (b) a typical absorption peak at 1551.0058 nm, representing a Q-factor of 6.2 × 105.

圖6 (a)從一顆摻Nd3+的有源微盤諧振腔中獲取的不同抽運功率下的回廊模; (b)微盤諧振腔的激光閾值現象(內插圖為微盤諧振腔在抽運閾值附近(1.177 mW和1.364 mW)出現的激光峰)Fig.6.(a) Whispering gallery mode patterns obtained with a Nd3+-doped tellurite glass microdisk at different pump powers;(b) threshold behavior of the microdisk laser.Inset in panel (b) shows the transmission spectra of the coupling system at pump powers of 1.177 mW and 1.364 mW.

類似地, 也選用Tm3+離子作為摻雜材料制備了微盤諧振腔.Tm3+離子在808 nm抽運光(LEO,型號：LE-LS-808)作用下的3F4—3H6能級躍遷可形成1.9 μm附近的熒光, 因此在合適的諧振腔結構內可形成位于1.9 μm附近的激光模式.圖7展示了從一個Tm3+離子摻雜微盤(直徑為104.34 μm、厚度為15.86 μm)測得的激光閾值現象.圖7內插圖為此微盤在抽運光功率達到激光閾值附近(1.306 mW)時出現的位于1908.63 nm的激光峰.

圖7 從一顆摻 Tm3+微盤 (直徑為 104.34 μm, 厚度為15.86 μm)中測得的激光閾值現象(內插圖為微盤諧振腔在抽運閾值 (0.928 mW 和 1.306 mW)附近出現的位于1908.63 nm處的激光峰)Fig.7.Threshold behavior of a Tm3+-doped microdisk laser(diameter：104.34 μm, thickness：15.86 μm).Inset：transmission spectra of the coupling system at pump powers of 0.928 mW and 1.306 mW.

4 結 論

介紹了一種簡單便利的用于制備微盤諧振腔的熱壓法工藝.這種工藝包括了兩個加熱步驟.第一個加熱步驟將基質玻璃從粉料的形態轉變成為微球的形態; 第二個加熱步驟將微球置于兩個硬質光滑的表面之間, 在外界加熱加壓的條件下將微球擠壓成扁平的微盤形態.選用碲酸鹽玻璃作為基質材料, 制備出直徑分布在 100—400 μm 之間, 厚度最小約為8 μm, 典型Q值約為105的微盤諧振腔.在基質玻璃材料中摻入Nd3+或Tm3+離子等有源摻雜物質, 即可制備出有源微球諧振腔.將制備出的一顆直徑為 105.74 μm, 厚度為 10.4 μm 的 Nd3+摻雜微盤與自制的光纖錐進行抽運耦合實驗, 從耦合系統的輸出光譜中可觀測到周期分立的熒光回廊模式.當抽運功率超過1.364 mW時, 可以從耦合系統的輸出光譜中觀測到明顯的位于1061.72 nm附近的激光峰.采用同樣的工藝制備了一顆Tm3+摻雜微盤 (直徑為 104.36 μm, 厚度為 15.86 μm)用于抽運耦合實驗, 驗證了當抽運功率達到1.306 mW時, 可以在 1.9 μm 附近獲得明顯的激光峰.實驗結果表明, 上述熱壓法工藝可用于處理碲酸鹽玻璃等軟化溫度較低且不易于在多次加熱過程中析晶的基質材料, 并將其制作成微盤結構用于低閾值激光器、生物化學傳感等應用領域.