一种输出波长双向可逆调谐的半导体纳米线激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体材料、微纳光学、电学元件和系统，尤其涉及一种输出波长双向可逆调谐的半导体纳米线激光器。
【背景技术】
[0002]光子器件的微型化和集成化日趋重要，微纳光源的集成也成为热门的研究问题。半导体纳米线激光器是十分理想的微纳光源，其出射波长取决于材料的禁带宽度。而在某些场合中需要波长可调激光器。改进谐振腔的设计可以在单根半导体纳米线基础上实现输出波长连续调谐，比如通过调节半导体纳米线的长度控制其出射激光波长，但是由于禁带宽度限制，其调谐范围非常窄。
[0003]另外，还有一种方法是利用改变纳米线的禁带宽度分布来实现宽谱波长调谐，在硕士论文《单根半导体纳米线中激光波长可控变化研究》中提出，通过移动源-VLS法，能够生长出光学质量好、带隙过渡较大的硫砸化镉纳米线。根据局域微光区荧光光谱，能够在单根渐变带隙硫砸化镉纳米线中实现宽范围的波长控制。通过正向截断纳米线(从砸化镉端到硫化镉端)，激射波长变化范围可达到119nm.但由于该种方法是通过截断纳米线的手段来实现激射波长调谐，所以是单向不可逆的，并没有实现双向可逆调谐。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种输出波长双向可逆调谐的半导体纳米线激光器，利用静电场控制粘连有高反射率材料的拉锥光纤的空间位置，进而控制其与渐变带隙半导体纳米线接触时产生的散射点的相对位置，通过改变电场有无以及强度，实现半导体纳米线激光器输出宽谱波长双向可逆调谐。
[0005]本发明解决其技术问题采用的技术方案是:
[0006]—种输出波长双向可逆调谐的半导体纳米线激光器，包括放置在氧化硅衬底上的渐变带隙半导体纳米线和拉锥光纤；
[0007]所述拉锥光纤的端面放置高反射率材料，所述高反射率材料与渐变带隙半导体纳米线接触形成散射点，且所述拉锥光纤的四周设有电极；
[0008]所述的半导体纳米线激光器通过脉冲激光栗浦半导体纳米线，并利用电极施加的静电场调节拉锥光纤与渐变带隙半导体纳米线的接触点的位置，接收到散射点处禁带宽度所对应的波长的输出光。
[0009]本发明中，在光学显微镜下，利用三维微调架操控渐变带隙半导体纳米线，将其放置于280nm厚的氧化硅(S12)衬底上。同样在光学显微镜下，将高反射率材料放置于均匀粗细的拉锥光纤端面。利用在拉锥光纤的上下左右四个方位施加静电场，来控制光纤的空间位置，调节光纤与纳米线接触点的位置，即高射率材料和纳米线间形成的散射点的位置，从而接收到散射点处禁带宽度所对应的波长的输出光。总结调节波长和所施加电压的规律关系，从而实现不用光学显微镜做观察和监测设备，将器件和电压调节设备进行封装，实现小型的可便携的宽范围波长可调输出。
[00?0] 本发明中，所述的渐变带隙纳米线直径均为200nm到700nm。
[0011]本发明中，所述的渐变带隙纳米线材料均为硫砸化镉(CdSSe)，其禁带宽度从一端的2.42eV(CdS)渐变为另一端的1.74eV(CdSe)，即从发出波长512nm的绿光渐变为另一端发出波长712nm的红光。
[0012]本发明中，所述的高反射率材料为CdS/CdSe纳米线、CdS/CdSe纳米带或者银纳米线。
[0013]本发明中，所述的拉锥光纤材料为S12,便于实现火焰熔融拉锥。
[0014]光纤上的高反射率材料和纳米线形成的散射点将与纳米线宽带隙端面之间形成新的增益腔和谐振腔。脉冲激光栗浦新增益腔的窄带隙部位，在新谐振腔端面得到散射点处带隙能量对应的激光波长。
[0015]本发明通过改变电场有无以及强度，在不损伤纳米线的前提下，可以实现约510nm到620nm之间任意波长的激光的输出，真正实现了半导体纳米线激光器输出宽谱波长双向可逆调谐。
【附图说明】
[0016]图1是本发明所使用的CdSSe渐变带隙半导体纳米线的扫描电镜照片。
[0017]图2a为基于电场控制波长可调激光器原理图；图2b为封装好的小型可便携宽范围波长可调输出激光器示意图。
[0018]图3为样品制作的测试的系统原理与结构图，在样品制作的初期，搭建显微物镜栗浦收集系统进行样品的操纵和测试。
[0019]图4图a为在某个有效散射点(散射点用白圈标记)下的激发照片，发光偏橙色；图b为在该散射点下的出射激光光谱图(中心光波长用红色虚线标记)，中心波长为593.4nm;图c为在另一个有效散射点(散射点用白圈标记)下的激发照片，发光偏黄色；图d为在该散射点下的出射激光光谱图(中心光波长用红色虚线标记)，中心波长为589.4nm。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，本实施例的半导体纳米线激光器包括放置在氧化硅衬底上的渐变带隙半导体纳米线和拉锥光纤，以银纳米线A作为高反射率材料并放置于半导体纳米线上，与半导体纳米线接触，制造有效散射点；其中半导体纳米线为硫砸化镉渐变带隙半导体纳米线B。
[0021]图2a为本实施例中半导体纳米线激光器的原理图，图中包括银纳米线A、硫砸化镉渐变带隙半导体纳米线B、硅1、氧化硅衬底2、拉锥光纤3、电压源4、电极5、电极6、电极7、栗浦光8和出射光9;银纳米线A粘在拉锥光纤3上，与放置于氧化硅衬底2上的硫砸化镉渐变带隙半导体纳米线B接触，形成有效散射点，355nm脉冲激光(即栗浦光8)栗浦半导体纳米线，在纳米线一端收集出射光9，氧化硅层下方的硅I与其它三个由金属构成的电极共同连入外部电压源4，通过电压调节控制拉锥光纤与半导体纳米线的接触点的位置，达到宽谱调节出射光波长的目的。b图为封装好的半导体纳米线激光器示意图，激光器上方为栗浦光8的入射口，前方小孔为出射光9的出口，前方面板右上角四个电源接口对应图a中的四个电极，夕卜接电压源。
[0022]本实施例中，利用基于电场控制的渐变带隙半导体纳米线激光器实现输出宽谱波长双向可逆调谐的具体过程如下:
[0023](I)利用移动源的VLS(Vaper-Liquid-Solid)方法，在生长的过程中逐渐把砸化镉粉末推到高温区，同时把硫化镉粉末推离高温区，这样不断增加蒸汽中砸化镉的浓度和减少硫化镉的浓度，使纳米线中后来生长的部分砸元素的比例不断增加，硫元素的比例不断降低。所得纳米线的禁带宽度从一端的2.42eV(CdS)逐渐变为另一端的1.74eV(CdSe);
[0024](2)在光学显微镜下，利用三维调节架和自ffjljtaper将生长好的渐变带隙半导体纳米线放置于280nm厚的S12衬底上；
[0025](3)利用机械拉锥方法将光纤拉锥成合适直径的拉锥光纤；
[0026](4)在光学显微镜下，利用三维调节架和自制taper将高反射率材料放置于拉锥光纤表面;利用在拉锥光纤的上下左右四个方位施加静电场，来控制光纤的空间位置，调节光纤与纳米线接触点的位置，即高反射率材料和纳米线间形成的散射点的位置。
[0027]如图3所示，光纤上的高反射率材料和纳米线形成的散射点将与纳米线宽带隙端面之间形成新的增益腔和谐振腔，355nm脉冲激光器13发出的激光栗浦新增益腔的窄带隙部位，在新谐振腔端面得到散射点处带隙能量对应的激光波长，既可通过自由光路栗浦样品15，也可米用光纤栗浦样品。
[0028]得到的激光在新端头处通过自由光路的Zeiss100倍放大率的物镜14接收，或可通过拉锥光纤接收，经透镜12输入到CCDlO和光谱仪11，得到对应的真彩照明图和即时光谱图，如图4所示，其中，图a为在某个有效散射点(散射点用白圈标记)下的激发照片，发光偏橙色；图b为在该散射点下的出射激光光谱图(中心光波长用红色虚线标记)，中心波长为593.4nm;图c为在另一个有效散射点(散射点用白圈标记)下的激发照片，发光偏黄色；图d为在该散射点下的出射激光光谱图(中心光波长用红色虚线标记)，中心波长为589.4nm。
[0029](5)总结调节波长和所施加电压的规律关系，从而实现不用光学显微镜做观察和监测设备，将器件和电压调节设备进行封装，实现小型的可便携的宽范围波长可调输出。
[0030]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。
【主权项】
1.一种输出波长双向可逆调谐的半导体纳米线激光器，其特征在于，包括放置在氧化硅衬底上的渐变带隙半导体纳米线和拉锥光纤； 所述拉锥光纤的端面放置高反射率材料，所述高反射率材料与渐变带隙半导体纳米线接触形成散射点，且所述拉锥光纤的四周设有电极； 所述的半导体纳米线激光器通过脉冲激光栗浦半导体纳米线，并利用电极施加的静电场调节拉锥光纤与渐变带隙半导体纳米线的接触点的位置，接收到散射点处禁带宽度所对应的波长的输出光。2.如权利要求1所述的半导体纳米线激光器，其特征在于，所述的渐变带隙半导体纳米线的直径均为200nm到700nmo3.如权利要求1或2所述的半导体纳米线激光器，其特征在于，所述的渐变带隙半导体纳米线的材料均为硫砸化镉CdSSe，其禁带宽度从一端CdS的2.42eV渐变为另一端CdSe的1.74eVo4.如权利要求1所述的半导体纳米线激光器，其特征在于，所述的高反射率材料为CdS/QlSe纳米线、CdS/CMSe纳米带或者银纳米线。5.如权利要求1所述的半导体纳米线激光器，其特征在于，所述的拉锥光纤材料为S12。6.如权利要求5所述的半导体纳米线激光器，其特征在于，所述脉冲激光的波长为355nm0
【专利摘要】本发明公开一种输出波长双向可逆调谐的半导体纳米线激光器，包括放置在氧化硅衬底上的渐变带隙半导体纳米线和拉锥光纤；所述拉锥光纤的端面放置高反射率材料，所述高反射率材料与渐变带隙半导体纳米线接触形成散射点，且所述拉锥光纤的四周设有电极；所述的半导体纳米线激光器通过脉冲激光泵浦半导体纳米线，并利用电极施加的静电场调节拉锥光纤与渐变带隙半导体纳米线的接触点的位置，接收到散射点处禁带宽度所对应的波长的输出光。本发明利用静电场控制粘连有高反射率材料的拉锥光纤的空间位置，进而控制其与渐变带隙半导体纳米线接触时产生的散射点的相对位置，通过改变电场有无以及强度，实现半导体纳米线激光器输出宽谱波长双向可逆调谐。
【IPC分类】H01S5/30, H01S5/10, H01S5/04
【公开号】CN105633794
【申请号】CN201610112643
【发明人】杨青, 诸葛明华, 杨宗银, 王德龙, 刘旭, 李海峰
【申请人】浙江大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2016年2月29日