专利名称：一种表面等离子体纳米激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微纳光子器件/激光领域，具体涉及一种表面等离子体纳米激光器。
背景技术：
激光作为20世纪的三大发明之一，在近几十年内得到了迅速的发展。随着纳米科 技的兴起，纳米激光器的研究成为一个崭新的重要课题。纳米激光器在诸多领域，包括电子 通讯、信息存储、生化传感器、纳米光刻等方面都有很强的应用价值。近年来，基于氧化锌，硫化镉、氮化镓等半导体纳米线的激光器引起了研究者的广 泛关注。通过引入半导体纳米线和纳米阵列，目前的微型激光器已经达到衍射极限的水平。 在这些激光器中，半导体纳米线不仅作为增益介质，而且是激光谐振腔的主体。最早的纳米 激光器是由美国加州大学伯克利分校于2001年制造出来。采用氮化锌纳米线，可发射紫外 光，经调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光，但需要光泵浦。美国哈佛大学在2003年开 发出一种新型纳米激光器，它具备电子自动开关的性能，无需借助外力激活即可自动调控 开关。这种新型激光器是以半导体硫化镉为原料制成的纳米线。在一定的电压下，可获得 蓝绿色光。纳米线的两个解理端面作为反射镜面，构成法布里-珀罗光学腔。然而，上述这 类基于半导体纳米线的激光器由于受到衍射极限的影响，其尺寸无法进一步缩小。为解决 该问题，就需要突破衍射极限的限制，因此，研究人员开始尝试引入新的导光机制，其中，近 年来兴起的表面等离子体技术逐渐成为研究热点。表面等离子体是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式。这 种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直于 界面的方向呈指数式衰减。表面等离子体具有较强的场限制特性，可以将场能量约束在空 间尺寸远小于其自由空间传输波长的区域，且其性质可随金属表面结构变化而改变。在适 当的金属与介质组成的表面等离子体激元光波导结构中，横向光场分布可被限制在几十纳 米甚至更小的范围内，能够超过衍射极限的限制。很多研究者正利用表面等离子体突破衍 射极限这一特点，致力于激光器元件的小型化。但是，为降低激光器的工作阈值，需要同时 满足低损耗传输和增益介质区域的较强场限制能力这两个条件，而这正是传统表面等离子 体激元光波导无法克服的问题。加州大学伯克利分校的张翔研究小组最新研究发现在低折射率介质/金属结构 的附近添加一个高折射率介质层，可将光场约束到高折射率介质层和金属界面之间的低折 射率介质狭缝中传输，同时保持较低的传输损耗。该波导结构克服了传统表面等离子体激 元光波导结构无法平衡模场限制能力和传输损耗这两个物理量的问题。基于该波导结构， 该研究小组开发出了小型半导体激光器。该激光器是在银薄膜上通过厚5nm的氟化镁绝缘 层制作载有直径约IOOnm的硫化镉纳米线的元件，对其照射激发光，使得银层与纳米线之 间产生表面等离子体，从而作为激光器振荡。该激光器通过利用表面等离子体技术，将发光 部的尺寸降至发射光波长的1/20以下，有利于大幅扩大光通信的通信容量及电路光化。研究表明，对于上述表面等离子体激光器，选取更低折射率的绝缘层(例如空气)可以进一步提高间隙区域的场增强效应。但是，由于该激光器基于多层平面结构，因此 利用空气隙作为绝缘层在实际应用中并不可行。为解决该问题，本发明在上述表面等离子体激光器原有结构的基础上对其进行了 改进。通过引入边缘耦合的结构，打破了原有复杂的多层结构框架，构成激光器的核心元件 均铺设在低折射率介质的基底上，从而使得利用空气隙产生激光成为可能。从物理机制上 看，原有的多层结构基于的是整个金属/介质界面的表面等离子体模式和纳米线波导模式 的耦合，而边缘耦合的情形对应的是金属边角模式和纳米线模式的耦合，后者的耦合效果 更明显；此外，由于可采用空气间隙，场增强效应可得到显著增强。所提边缘耦合型激光器 基于单层平面结构，简化了加工制作过程。该激光器可以与各类平面光波导及器件很好的 兼容，对于实现平面有源表面等离子体器件和集成光路具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有的基于多层波导结构的表面等离子体纳米激光器加工 制作工艺相对复杂、难于实现与平面光波导集成的缺陷，提出一种边缘耦合型表面等离子 体纳米激光器。本发明提供了一种表面等离子体纳米激光器结构，包含金属薄膜层(1)、增益介质 纳米线(2)、位于金属薄膜层侧面边缘和增益介质纳米线之间的间隙区域(3)、基底层(4) 和包层(5)，其中金属薄膜层和增益介质纳米线均位于基底层上，且增益介质纳米线位于 金属薄膜层侧面边缘的一侧并与金属薄膜层的侧面边缘平行，增益介质纳米线可以位于金 属薄膜层的左侧或右侧；金属薄膜层的高度为激光器输出光的波长的0. 04-0. 5倍，金属薄 膜层的宽度与高度之比大于5 ；增益介质纳米线在激光器输出光的波长上具有光学增益， 其宽度为激光器输出光的波长的0. 04-0. 5倍，其高度为激光器输出光的波长的0. 04-0. 5 倍，且其高度不超过金属薄膜层高度的1.5倍；所述间隙区域的宽度为激光器输出光的波 长的0. 01-0. 1倍；金属薄膜层和增益介质纳米线的纵向长度不超过100微米，且两者长度 相等；在长度方向上，金属薄膜层、增益介质纳米线以及两者之间的间隙区域的横截面形 状和尺寸均保持不变；基底层的材料折射率不低于包层和间隙区域的材料折射率，包层和 间隙区域的材料可为相同材料或不同材料(例如包层为空气，间隙区域材料为低折射率二 氧化硅或者包层材料为二氧化硅，间隙区域为空气(这种情形可以通过化学刻蚀的方法实 现))，增益介质纳米线的材料折射率高于基底层、包层以及间隙区域材料的材料折射率，基 底层、包层以及间隙区域的材料折射率的最大值与增益介质纳米线的材料折射率的比值小 于0. 75，以保证较高的折射率差，从而使得激光器的输出光场很好的被限制在增益介质纳 米线和金属薄膜层之间的间隙区域中。所述表面等离子体纳米激光器结构中金属薄膜层的材料为能产生表面等离子体 的金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同金属层复合的材料。所述表面等离子体纳米激光器结构中增益介质纳米线的材料为硫化镉、氧化锌、 氮化镓、锑化镓、硒化镉、硫化锌半导体材料中的任何一种，或是有光学增益的有机材料，例 如掺杂染料的有机材料，或是有光学增益的无机材料，例如红宝石等掺杂离子或其它掺杂 染料的无机材料。所述表面等离子体纳米激光器结构中增益介质纳米线的截面形状为正方形、矩形、三角形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。本发明的边缘耦合型表面等离子体纳米激光器具有以下优点1.所提表面等离子体纳米激光器基于边缘耦合的单层平面结构，打破了原有复杂 的多层结构框架，构成激光器的核心元件均铺设在低折射率介质的基底上，从而使得利用 空气隙产生激光成为可能，并为进一步提高场增强效应奠定基础2.所提表面等离子体激光器基于金属边角模式和波导模式的耦合，可将辐射光场 限制在低折射率间隙中，从而实现对激光器输出光场的二维亚波长约束，同时仍能保持较 低的传输损耗3.所提表面等离子体激光器克服了现有基于多层波导结构的表面等离子体纳米 激光器加工制作工艺相对复杂、难于实现与平面光波导集成的缺陷，为平面集成有源表面 等离子体器件的实现提供可能。
图1是边缘耦合型表面等离子体激光器的结构示意图。区域1为金属薄膜层，其 宽度为I，高度为hm ；区域2为增益介质纳米线，其宽度为ww，高度为hw ；区域1和区域2的 纵向长度为L ；区域2左边缘到区域1右边缘的最小距离为Wg ；区域3为区域1和区域2之 间的间隙区域；区域4为基底层，区域5为包层。图2是实例所述表面等离子体激光器的横截面结构图。201为金属薄膜层，nffl为 其折射率，Wm为其宽度，hm为其高度；202为圆柱形增益介质纳米线(端面为圆形)，nw为其 折射率，ww为其宽度，hw为其高度；203为201和202之间的间隙区域，ng为其折射率；wg为 202左侧边缘到201右侧边缘的最小距离；204为基底层，ns为其折射率；205为包层，nc为 其折射率。图3是实例所述等离子体激光器对应输出光波长为490nm时归一化电场强度沿X 轴方向的分布曲线。图4是实例所述表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时的模式特性，其 中，图4(a)_(d)分别是有效折射率、有效传输损耗、归一化有效模场面积以及限制因子随 距离Wg的变化曲线。图5是实例所述表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时增益阈值有效折 射率随距离Wg的变化曲线。
具体实施例方式表面等离子体波的模式特性以及增益阈值是表征表面等离子体纳米激光器的重 要指标。其中模式特性主要包括有效折射率实部和虚部、模场限制因子和归一化有效模场 面积。有效折射率虚部表征模式的有效传输损耗，模场限制因子表征增益介质纳米线的 场强限制能力，在此定义为增益介质中所含电场能量占波导总电场能量的比例。有效模场面积的计算表达式如下Aeff = ( f f E (x, y) 2dxdy)2/ f f E (χ, y) |4dxdy(1)其中，Arff为有效模场面积，E(x，y)为表面等离子体波的电场。归一化有效模场面积为(1)式计算得到的有效模场面积与衍射极限小孔面积之比。衍射极限小孔的面积定义 如下A0 = λ 2/4(2)其中，Atl为衍射极限小孔面积，λ为激光器输出光的波长。因此，归一化有效模场 面积A为A = Aeff/A0(3)归一化有效模场面积的大小表征模式的模场约束能力，该值小于1的情形对应亚 波长的尺寸约束，当该值远小于1时对应深亚波长的光场约束。激光器的增益阈值的计算式如下gth= (k0aeff+ln(l/R)/L)/r · (neff/nwire)(4)其中Ictl表示光在真空中的波数，且1^ = 2π/λ，λ为激光器输出光的波长；Cieff 为模式的有效折射率虚部，R为端面反射率，L为增益介质纳米线的纵向长度，Γ为限制因 子，neff为模式的有效折射率实部，nwire为增益介质纳米线的折射率。端面反射率R的表达式如下R= (neff-l)/(neff+l)(5)实例图2是实例所述表面等离子体激光器的横截面结构图。201为金属薄膜层，nm为其 折射率，wm为其宽度，hm为其高度；202为圆柱形纳米线(端面为圆形)，位于201右侧(即 沿X轴正方向)边缘的一侧并与201右侧边缘平行，nw为其折射率，Ww为其宽度，hw为其高 度；203为201和202之间的间隙区域，ng为其折射率；wg为202左侧边缘到201右侧边缘 的最小距离；204为基底层，ns为其折射率；205为包层，nc为其折射率。在本实例中，激光器输出光的波长为490nm，201的材料为金，在490nm波长处的折 射率实部为-9. 2，虚部为0. 3 ；202的材料为硫化镉，折射率实部为2. 4 ；203和205的材料 均为空气，其折射率实部为1 ；204的材料为氟化镁，其折射率实部为1.4。在本实例中，高度hm = hw= IOOnm ；201 的宽度 Wm= 1 μ m ;202 的宽度 ww = IOOnm ； 距离wg的取值范围为2-30nm ；201和202的纵向长度L = 30 μ m。使用全矢量有限元方法对本实施例中的上述表面等离子体纳米激光器结构进行 仿真，计算得到490nm波长处表面等离子体激元模式的模式特性及增益阈值。图3是实例所述表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时归一化电场强度 沿X轴方向的分布曲线。由图3可见，纳米级的空气间隙部分产生了巨大的场增强效应，激 光器输出的光场可以被较好的约束在空气间隙中。图4是实例所述表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时的模式特性。图 4(a)-(d)分别是有效折射率、有效传输损耗、归一化有效模场面积以及限制因子随距离wg 的变化曲线。由图可知，随着距离Wg的增加，模式的有效折射率、有效传输损耗以及增益介 质的限制能力均呈下降趋势。而模式的有效模场面积则随距离Wg的增加不断增大，但在Wg 从2nm到30nm整个变化范围内，该结构始终能保持对光场的深亚波长约束。图5是实例所述表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时增益阈值随距离 Wg的变化曲线。由图可见，距离Wg的增加直接导致增益阈值的增大。因此，要实现激光器 在低阈值条件下工作，需要尽量缩小距离WgO当泵浦条件达到增益介质纳米线的增益阈值时，激光便可产生，从而实现深亚波长的表面等离子体激光器。 最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的表面等离子体纳米 激光器，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当 理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范 围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
一种表面等离子体纳米激光器结构，包含金属薄膜层、增益介质纳米线、位于金属薄膜层侧面边缘和增益介质纳米线之间的间隙区域、基底层和包层，其中金属薄膜层和增益介质纳米线均位于基底层上，且增益介质纳米线位于金属薄膜层侧面边缘的一侧并与金属薄膜层的侧面边缘平行；金属薄膜层的高度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍，金属薄膜层的宽度与高度之比大于5；增益介质纳米线在激光器输出光的波长上具有光学增益，其宽度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍，其高度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍，且其高度不超过金属薄膜层高度的1.5倍；所述间隙区域的宽度为激光器输出光的波长的0.01-0.1倍；金属薄膜层和增益介质纳米线的纵向长度不超过100微米，且两者长度相等；在长度方向上，金属薄膜层、增益介质纳米线以及两者之间的间隙区域的横截面形状和尺寸均保持不变；基底层的材料折射率不低于包层和间隙区域的材料折射率，包层和间隙区域的材料可为相同材料或不同材料，增益介质纳米线的材料折射率高于基底层、包层以及间隙区域的材料折射率，基底层、包层以及间隙区域的材料折射率的最大值与增益介质纳米线的材料折射率的比值小于0.75。
2.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述结构中金属薄膜层的材料为 能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同 金属层复合的材料。
3.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述结构中增益介质纳米线的材 料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓、硒化镉、硫化锌半导体材料中的任何一种，或是有光 学增益的有机材料或无机材料。
4.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述结构中增益介质纳米线的截 面形状为正方形、矩形、三角形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。
全文摘要
本发明公开了一种边缘耦合型表面等离子体纳米激光器，该激光器包含基底层(4)、位于其上方的金属薄膜层(1)和金属薄膜层侧面边缘的一侧与其平行的增益介质纳米线(2)、金属薄膜层侧面边缘与增益介质纳米线之间的间隙区域(3)以及包层(5)。增益介质纳米线(2)和金属薄膜层(1)侧面边缘的耦合，可显著地限制光场分布，实现对激光器输出光场的二维亚波长约束，同时仍能保持较低的传输损耗。所述表面等离子体纳米激光器克服了现有基于多层结构的表面等离子体纳米激光器加工制作工艺相对复杂、难以实现与平面光波导集成的缺陷，为平面集成纳米有源器件的实现提供可能。
文档编号H01S4/00GK101882752SQ201010210400
公开日2010年11月10日 申请日期2010年6月28日 优先权日2010年6月28日
发明者刘娅, 卞宇生, 郑铮 申请人:北京航空航天大学