一种高偏振单模横向发光纳米带激光器及其制备方法与流程

本发明涉及有源光子器件领域，尤其是涉及一种高偏振单模横向发光纳米带激光器及其制备方法。

背景技术：

微纳光源是集成光子芯片的重要部分，并在高灵敏传感、高分辨检测、显示技术等领域有诸多应用，因此受到了广泛关注和大量研究。

目前，微电子技术的发展逐步达到其物理极限，光子技术成为信息科技突破发展瓶颈的重要途径。为提高信息处理效率和信息存储容量，光子器件的小型化和集成化是关键问题。其中，光源等有源光子器件的小型化与集成化是当前面临的主要难题，也是国际研究中的热点问题。半导体纳米带/线作为一种尺度在纳米级别的新型有源物质结构，是实现光源小型化、集成化极具潜力的选择。基于半导体纳米线、纳米带的纳米光源在诸多领域都有重要应用，如片上光通信系统、超分辨显微、高灵敏传感及高分辨率显示等。虽然，半导体纳米带/线光源的基本功能已经在国际上被成功实现，但其应用范围还十分有限。这主要由于目前这类纳米光源的发光特性如偏振、波长、模式、强度等难以像传统光源一样进行便捷的设计和调控，或调控手段相对复杂难以实现低成本的规模化生产。另一方面，国际上关于纳米光源发光特性的调控一般仅针对单一参量如模式或波长等进行设计，很难实现多参数同时调控。

纳米带/线光源作为有源增益介质及谐振腔，其结构对发光特性有直接影响。在国际研究中，有通过聚焦离子束刻蚀、模板外延生长等微纳加工方法实现对纳米带/线的结构设计，从而实现对其发光特性的控制。然而，这些方法存在着设备昂贵、工艺复杂等难题。发展一种低成本、可批量化制备，同时能实现参数可控的纳米带/线光源是目前纳米光源研究和应用的重要目标，也是促进纳米带/线光源实用化亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于一种高偏振单模横向发光纳米带激光器及其制备方法，采用化学气相沉积法，实现单步骤批量生长制备独特纳米带结构，利用荧光显微系统对纳米带结构进行泵浦激发，可获得同时具有高偏振特性、单模特性和低阈值特性的横向发射激光；该激光器可以作为高性能纳米光源或阵列纳米光源，在激光显示、传感等领域有重要应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种高偏振单模横向发光纳米带激光器，包括基底和放置在基底上的半导体纳米带；

所述的半导体纳米带表面具有用于横向发光的微结构。

其中，所述的微结构为间隔分布且平行的若干横向凸条，横向凸条的高度为5nm-200nm。

所述的半导体纳米带为ii-vi族或iii-v族半导体材料。

所述的基底应具有低折射率，具体可以为氧化硅、氟化镁或硅材料上沉积氧化硅层。

一种高偏振单模横向发光纳米带激光器的制备方法，包括：

通过化学气相沉积法制备半导体纳米带，

将制备的半导体纳米带放置于基底上，

将基底置于荧光显微镜光泵浦系统中，采用脉冲激光光源做为泵浦光对半导体纳米带进行激发，由所述半导体纳米带出射由低阈值横向光。

本发明中，在激发区域，半导体纳米带可以实现低阈值横向光发射，通过光纤收集系统或显微系统对出射光进行收集和测试，其光谱具有高偏振特性和单模特性，从而实现高偏振单模横向发光纳米带激光器，由于单根纳米带上具有大量横向发光结构，因此还可以作为高性能阵列激光器。

其中，通过化学气相沉积法制备半导体纳米带的具体工艺如下：

将半导体原料置于高温炉中心加热区，将镀有催化剂的基底材料放入腔室低温区域，向炉内通入惰性气体同时进行抽真空操作；

设定高温炉加热温度、加热持续时间以及降温持续时间，在生长过程中，调控炉内腔室气压呈周期变化；

经过设定的生长时间，即可获得半导体纳米带。

本发明使用的生长方法对生长条件进行了独创性地控制。如周期性改变腔室内的气压等。正是这些参数控制手段才能够生长出具有表面微结构的半导体纳米带。

优选的，所述半导体原料的纯度为99.999％，炉内腔室中心加热区的温度设定为880℃，腔室低温区域的温度范围为650℃—300℃，加热持续时间为60分钟，降温持续时间为2小时。

优选的，炉内腔室气压呈周期变化的气压大小为430mbar—450mbar，变化周期为30秒。

本发明中，周期性的生长条件变化可以改变纳米带的生长状态和形貌，使纳米带表面出现微结构。

所述的惰性气体为氮气或氩气。

所述脉冲激光光源为355nm脉冲激光器、405nm脉冲激光器或532nm脉冲激光器。

本发明通过化学气相沉积法生长制备具有表面微结构的纳米带，从而实现高偏振单模横向发光的低阈值纳米带激光器，提供了一种可批量制备、能同时实现多参数调控的纳米激光光源的实现方法。

附图说明

图1为纳米带激光器中半导体纳米带的结构图；

图2为图1中半导体纳米带的俯视图；

图3为图1中半导体纳米带的侧视图，a为横向微结构。

图4为本发明用于对高偏振单模纳米带激光器进行激发测试的系统示意图；其中，1为显微物镜，2为放置样品的衬底，3为滤光片，4为二向色镜，5为检偏器，6为ccd相机，7为激发光激光器，8为光谱仪，9为半透半反镜。

图5是本发明中的纳米带激光器测试光谱图，光谱呈现单模特性。

图6是本发明中的纳米带激光器偏振测试结果图，呈现高偏振特性。

图7是本发明中的纳米带激光器内部光模式分布图，其中微结构对光模式有极强的约束作用。

具体实施方式

实施例1

本实施例中的纳米带激光器，包括基底和放置在基底上的半导体纳米带。

其中，基底应具有低折射率，具体可以为氧化硅、氟化镁或硅材料上沉积氧化硅层。

如图1～3所示的半导体纳米带，表面具有阵列的横向发光微结构a。

半导体纳米带为ii-vi族或iii-v族半导体材料，横向发光微结构a高度为5nm-200nm，具体可设置的高度为5nm、50nm、100nm和200nm。

实施例2

本实施例中的纳米带激光器，包括基底和放置在基底上的半导体纳米带，具体制备过程如下：

(1)采用化学气相沉积(cvd)法在特定温度、气压、气流、生长时间等条件下制备半导体纳米带。

炉内腔室中心加热区的温度设定为880℃，腔室低温区域的温度范围为650℃—300℃，加热持续时间为60分钟，降温持续时间为2小时。炉内腔室气压呈周期变化的气压大小为430mbar—450mbar，变化周期为30秒。

(2)采用微纳操作方法，从批量样品中选择单个半导体纳米带样品并转移到低折射率的基底上。

(3)将基底置于荧光显微系统中，搭建外部激发系统，通过显微装置对半导体样品进行光泵浦。

如图4所示的荧光显微系统，包括显微物镜1，放置有半导体纳米带样品的基底2，滤光片3，二向色镜4，检偏器8，ccd相机6，激发光激光器7，光谱仪8和半透半反镜8。

(4)通过光纤收集系统或显微镜系统对发光信号进行收集，并使用光谱仪及检偏器对信号进行检测。

检测结果如图5和图6所示。图5为纳米带激光器测试光谱图，光谱呈现单模特性。图6为纳米带激光器偏振测试结果图，呈现高偏振特性。

图7为纳米带激光器内部光模式分布图，可知微结构对光模式有极强的约束作用。

本实施例中的高偏振单模横向发光纳米带激光既可以做为单个激光器进行使用，也可以作为激光器阵列进行使用。

本发明高性能纳米光源可以实现与光子芯片的集成，还可以与微纳光纤进行耦合，将纳米级激光光源用于传感测试系统，提高系统集成度、促进器件小型化。同时，本发明所述的激光光源在光通信及三维显示等领域均有重要应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。