表面等離子激元納米激光器的增益波導結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種表面等離子激元納米激光器的增益波導結構，該增益波導結構包括增益介質腔體、絕緣介質層、金屬層和基底層；增益介質腔體、絕緣介質層和金屬層均置于所述基底層的裸露表面上；所述增益介質腔體置于所述基底層表面的中部，所述增益介質腔體的兩側依次為所述絕緣介質層和所述金屬層。本實用新型在一定程度降低了激光器的閾值和損耗，并且解決了制備時增益介質腔體與金屬層之間的介質層與兩者的接觸問題，使制備更加容易。
【專利說明】
表面等離子激元納米激光器的増益波導結構
技術領域
[0001] 本實用新型涉及微納光子器件/激光領域，具體涉及一種納米線表面等離子體激 元激光器。
【背景技術】
[0002] 激光光源是光子電路和等離激元電路中重要的組成部分，一直是國際上的研究熱 點。近年來，隨著納米技術的發(fā)展和電路集成度的需求的提高，設計出集成度高、單色性好、 閾值低的激光光源成為科學界的發(fā)展方向。
[0003]對于表面等離子激元納米激光器來說，其激光小型化主要面臨著能量損耗與局域 模限制這兩個物理量的矛盾;局域性越好，能量損耗越大，反之，能量損耗越小。荷蘭埃因霍 芬理工大學的希爾小組通過利用金包裹半導體異質結腔體大大減少了增益介質振蕩模的 擴散，實現(xiàn)了亞波長的納米激光器。但是等離子激元模式和激光振蕩模式的交疊不可避免 的帶來較大的金屬熱損失，由于激光器的閾值影響，只能在低溫下實現(xiàn)激光激射。
[0004] 為了實現(xiàn)室溫下激光的激射，美國加利福尼亞圣地亞哥大學的奈奇小組在金屬與 增益腔體之間加入低折射率的隔離層，從而實現(xiàn)了室溫下亞波長激光器的濺射。但其物理 機理僅是利用等離子激元對激光振蕩模式擴散局域限制作用，其激光器尺寸的進一步縮小 仍然受到了限制，難于實現(xiàn)真正意義的納米激光器。
[0005] 另一方面，美國加州大學伯克利分校的張翔等人報道了一種納米線表面等離子體 激元激光器，其光學模式尺寸比衍射極限小近百倍，被稱為深亞波長表面等離子體激元激 光器。該器件通過在硫化鎘和銀金屬薄層之間插入一層5納米低折射率的氟化鎂介質層，利 用金屬界面等離子激元和納米線波導的耦合可以將激光光場很大程度的局域低折射率隔 離層氟化鎂之間，也在一定程度上減少金屬的熱損失，降低了激光器的閾值。該器件制備 難點在于如何實現(xiàn)納米線和氟化鎂介質層的良好接觸。研究表明較厚增益腔體振蕩模式和 金屬等離子激元的耦合在優(yōu)化后較厚的隔離層下會減弱，大部分能量會保留在增益介質腔 體中。而且耦合到低折射率隔離層中的等離子激元會因為隔離層厚度的增加有效折射率的 降低而不能很好的發(fā)生內全反射，產生等離子激元的泄露，從而使得激光閾值很高，大大限 制其在未來實際的應用。 【實用新型內容】
[0006] 本實用新型的實用新型目的，在于采用合理的設計，解決目前納米激光器的兩個 關鍵問題:能量損耗與局域模限制。
[0007] 本實用新型為達上述目的所采用的技術方案是：
[0008] 提供一種表面等離子激元納米激光器的增益波導結構，該增益波導結構包括增益 介質腔體、絕緣介質層、金屬層和基底層;增益介質腔體、絕緣介質層和金屬層均置于所述 基底層的裸露表面上；
[0009] 所述增益介質腔體置于所述基底層表面的中部，所述增益介質腔體的兩側依次為 所述絕緣介質層和所述金屬層。
[0010] 本實用新型所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構中，所述增益介質 腔體的材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘、氧化鋅中的任意一種。
[0011] 本實用新型所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構中，所述增益介質 腔體為球形、柱形；所述柱形增益介質腔體的水平截面形狀為正方形、三角形、圓形、六邊 形、五邊形、橢圓、梯形中任意一種。
[0012] 本實用新型所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構中，絕緣介質層和 基底層材料相同。
[0013] 本實用新型所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構中，金屬層材料為 金、銀、錯、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。
[0014] 本實用新型所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構中，所述增益介質 腔體的結構為通過元素摻雜形成的量子阱結構或超晶格結構。
[0015] 本實用新型所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構中，所述增益介 質腔體和所述金屬層界面的等離子激元之間發(fā)生耦合，在所述絕緣介質層中形成亞波長限 制的等離子激元雜化振蕩光場。
[0016] 本實用新型還提供一種表面等離子激元納米激光器，其特征在于，該激光器包括 上述增益波導結構。
[0017] 本實用新型產生的有益效果是:本實用新型表面等離子激元納米激光器的增益波 導結構在一定程度降低了激光器的閾值和損耗，并且解決了制備時增益介質腔體與金屬層 之間的介質層與兩者的接觸問題，使制備更加容易。
【附圖說明】
[0018] 下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中：
[0019] 圖1是本實用新型實施例的表面等離子激元納米激光器增益波導結構的立體結構 示意圖；
[0020] 圖2是本實用新型實施例的表面等離子激元納米激光器增益波導結構的平面結構 示意圖；
[0021] 圖3是本實用新型實施例中閾值與增益腔體的半徑和絕緣介質層厚度的關系示意 圖；
[0022] 圖4是本實用新型實施例中局域區(qū)域尺寸(局域性情況)與增益腔體的半徑和絕緣 介質層厚度的關系不意圖。
【具體實施方式】
[0023] 為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本 實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0024]表征納米激光器的兩個重要指標:模式特性和增益閾值。其中模式特性主要依靠 模式的傳播損耗和模式場的區(qū)域尺寸來表征。模式的傳播損耗由模式的有效折射率的虛部 aeff來表征。
[0025]模式場區(qū)域尺寸的物理定義：
[0027] JJW(r)d2r是對橫截面內的傳播的電磁能量密度的積分，W(r)是橫截面內的最大 能量密度。A m越小，說明波導模式場的局域程度越高。理想情況下，高品質的納米激光器的 模式特性需要同時具備低損耗和高局域化的傳播場，但是實際上，模式特性的這兩個衡量 標準是不能同時取最優(yōu)值的，兩者是矛盾的。這是因為當波的傳播場局域在金屬的表面，傳 播場局域程度的提高必然會導致更多的傳播能量滲透到金屬內部，然而金屬損耗是納米激 光器面對的主要損耗，這樣損耗就會增加。由此可見，要想獲得優(yōu)良的模式特性，必須處理 好兩者之間的平衡關系。閾值水平是衡量納米激光器工作品質的一個重要的指標。一般來 說，激光器的閾值水平就是使得設計的激光器達到受激輻射所需要的光學增益的多少或是 大小。設計激光器的閾值水平越低，達到受激輻射所需要的光學增益就越少，其工作品質就 越高。激光器的閾值可以表示為：
[0028] gth= (koaeff+ln(l/R)/L)/(neff/nwire)
[0029] 其中，真空中的波數(shù) nwire為增益介質納米線的折射率，nrff為模式的有 ，. 效折射率實部，比例因子nrff/nwire3為模式有效折射率的增強部分，端面反射率R=(n rff-1)/ (Ileff+1 ) 〇
[0030] 為了提高激光器的閾值水平，對等離子激元納米激光器實施例的增益波導結構進 行了特殊設計，如圖1和圖2所示，該增益波導結構主要包括增益介質腔體1、絕緣介質層2、 基底層4和金屬層3,增益介質腔體1、絕緣介質層2和金屬層3均置于基底層4的裸露表面上。
[0031] 增益介質腔體1置于基底層4表面的中部，增益介質腔體1的兩側依次為絕緣介質 層2和金屬層3。
[0032] 具體地，增益介質腔體1與基底層4的裸露表面接觸，絕緣介質層2置于增益介質腔 體1的側壁，且與基底層4的裸露表面接觸;金屬層3置于基底層4的裸露表面上。
[0033] 增益介質腔體1和金屬層3界面的等離子激元之間發(fā)生耦合，在絕緣介質層2中形 成亞波長限制的等離子激元雜化振蕩光場。絕緣介質層2能夠有效減少等離子激元振蕩中 的金屬熱損失。金屬層3和增益介質腔體1振蕩模的耦合能夠將光局域到絕緣介質層2中。當 絕緣介質層厚度不變時，增益腔體半徑的增大有益于閾值的減小，但是局域狀況變差，如圖 3和圖4所示。若對于兩者均有要求，則應選取增益腔體r = 80nm，絕緣介質層2為20nm，此時， 綜合狀況為最好。
[0034]金屬層3的材料為支持激光器出射激光頻率下的等離子激元振蕩的金屬材料為 金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種;增益介質腔體1的材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化 鎵、硒化鎘中任意一種;增益介質腔體1的結構為通過元素摻雜形成的量子阱結構或超晶格 結構；增益介質腔體1的水平截面形狀可以為正方形、三角形、圓形、六邊形、五邊形、橢圓、 梯形中任意一種。
[0035]本實施例中，增益介質腔體1的水平截面形狀采用圓形;增益介質腔體半徑取60至 100納米，這是因為，半徑越小，閾值越大，綜合性能越差，半徑越大，局域性越差，綜合性能 越差。
[0036]絕緣介質層2的材料采用MgF2材料，折射率的實部為1.38。
[0037]在本實例中，可將上述增益波導結構應用在激光器中，出射激光波長可為489nm。
[0038] 使用了上述增益波導結構的激光器具有以下特點：1)相對于一般的納米激光器， 更加便于實現(xiàn);2)相對一般的納米激光器，尺寸更小，實現(xiàn)真正程度上的亞波長;3)相對于 一般的納米激光器，閾值更低。
[0039] 應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換， 而所有這些改進和變換都應屬于本實用新型所附權利要求的保護范圍。
【主權項】
1. 一種表面等離子激元納米激光器的增益波導結構，其特征在于，該增益波導結構包 括增益介質腔體、絕緣介質層、金屬層和基底層;增益介質腔體、絕緣介質層和金屬層均置 于所述基底層的裸露表面上； 所述增益介質腔體置于所述基底層表面的中部，所述增益介質腔體的兩側依次為所述 絕緣介質層和所述金屬層。2. 根據權利要求1所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構，其特征在于，所 述增益介質腔體的材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘、氧化鋅中的任意一種。3. 根據權利要求1所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構，其特征在于，所 述增益介質腔體為球形、柱形;所述柱形增益介質腔體的水平截面形狀為正方形、三角形、 圓形、六邊形、五邊形、橢圓、梯形中任意一種。4. 根據權利要求1所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構，其特征在于，絕 緣介質層和基底層材料相同。5. 根據權利要求1所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構，其特征在于，所 述增益介質腔體的結構為通過元素摻雜形成的量子阱結構或超晶格結構。6. 根據權利要求1所述的表面等離子激元納米激光器的增益波導結構，其特征在于，所 述增益介質腔體和所述金屬層界面的等離子激元之間發(fā)生耦合，在所述絕緣介質層中形成 亞波長限制的等離子激元雜化振蕩光場。7. -種表面等離子激元納米激光器，其特征在于，該激光器包括如權利要求1-6中任一 項所述的增益波導結構。
【文檔編號】H01S5/20GK205646434SQ201620268264
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】李芳 , 魏來
【申請人】武漢工程大學