专利名称：一种纳米线表面等离子体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微纳光子器件/激光领域，具体涉及一种纳米线表面等离子体激光
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背景技术：
纳米线光子学技术在近年来得到了迅速发展。由于纳米线具有优良的光学和电学 特性，其已被广泛应用于各类光学和光电器件，覆盖范围从导波到激发光辐射等。其中，半 导体纳米线因其小尺寸、大折射率差的特点，已被用作稳定的激光光源。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。另一方面，研究人员近年来尝试将表面等离子体技术应用到激光领域。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，基于表面等离子体的 结构可以将横向光场限制在远小于波长的尺寸范围，从而突破衍射极限的限制。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/金属平面 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 绝缘属制作载有直径约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。上述表面等离子体激光器基于的是平面多层结构。其加工过程包含金属薄膜的蒸 镀。这里，为了降低加工复杂度，我们引入金属纳米线结构。金属纳米线表面由低折射率介 质层包覆，并与增益介质纳米线相接，从而形成双纳米线结构。双纳米线构成激光器的谐振 腔，纳米线之间显著的耦合效应产生混合表面等离子体模式。该激光器结构简化了加工制 作过程，可以与各类光波导及器件很好的兼容，对于纳米线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
本发明的目的是为简化现有基于多层平面结构的表面等离子体纳米激光器加工 制作工艺，提出一种纳米线表面等离子体激光器。本发明提供了一种纳米线表面等离子体激光器结构，包含金属纳米线(1)、增益介质纳米线O)、包覆金属纳米线的介质层(3)、以及基底层(4)和包层(5)，其中包覆介质层 的金属纳米线与位于其一侧的增益介质纳米线沿长度方向紧密相接，且两者均位于基底层 上；金属纳米线的最大宽度为激光器输出光的波长的0. 04-0. 5倍，其最大高度为激光器输 出光的波长的0. 04-0. 5倍；包覆金属纳米线的介质层与金属纳米线紧密相邻且厚度均勻， 且其厚度为激光器输出光的波长的0. 01-0. 1倍；增益介质纳米线在激光器输出光的波长 上具有光学增益，其最大宽度为激光器输出光的波长的0. 04-0. 5倍，其最大高度为激光器 输出光的波长的0. 04-0. 5倍，且其高度不超过金属纳米线高度的1. 5倍；金属纳米线和增 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，金属纳米线、 包覆金属纳米线的介质层以及增益介质纳米线横截面形状和尺寸均保持不变；包覆金属纳 米线的介质层的材料折射率不低于1. 4，基底层的材料折射率不低于包层和包覆金属纳米 线的介质层的材料折射率，包层和包覆金属纳米线的介质层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、包层以及包覆金属纳米线的介质层的材料 折射率，基底层、包层以及包覆金属纳米线的介质层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。所述纳米线表面等离子体激光器结构中金属纳米线的材料为能产生表面等离子 体的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合 材料。所述纳米线表面等离子体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。所述纳米线表面等离子体激光器结构中金属纳米线和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.所提纳米线表面等离子体激光器基于金属纳米线和介质纳米线模式的耦合，可 将辐射光场限制在低折射率介质层中，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2.所提纳米线表面等离子体激光器简化了现有基于多层波导结构的表面等离子 体纳米激光器相对复杂的加工制作工艺，为集成有源表面等离子体器件的实现提供基础。
图1是纳米线表面等离子体激光器的结构示意图。区域1为金属纳米线，其宽度 为I，高度为hm ；区域2为增益介质纳米线，其宽度为wg，高度为hg ；区域3为包覆金属纳米 线的介质层，其厚度为hd ；区域1、区域2和区域3的纵向(沿Z向)长度为L ；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为圆柱形金属纳米线 (端面为圆形)，nm为其折射率，Wffl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)，ng为其折射率，Wg为其宽度，hg为其高度；203为2包覆金属纳米线的介质 层，nd为其折射率，hd为其厚度；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(图3(a))和Y轴方向的分布曲线(图3(b))。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 厚度hd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 射率随厚度hd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1 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为圆柱形金属纳米线 (端面为圆形)，nm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)，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，ng为其 折射率，Wg为其宽度，hg为其高度；203为2包覆金属纳米线的介质层，且与202紧密相连， nd为其折射率，hd为其厚度；204为基底层，ns为其折射率；205为包层，nc为其折射率图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204的材料 均为氟化镁，其折射率实部为1. 4 ；205的材料均为空气，其折射率实部为1。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轴和Y轴方向的分布曲线。由图3(a)和(b)可见，金属纳米线和增益介质纳米线之 间的介质层间隙部分存在显著的场增强效应，激光器输出的光场可以被较好的约束在间隙 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厚度hd 的变化曲线。由图可知，随着厚度hd的增加，模式的有效折射率和有效传输损耗先下降后上 升，增益介质的限制能力呈下降趋势，而模式的有效模场面积则随厚度hd的增加不断增大， 但在厚度hd从2nm到20nm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时增益阈值随厚度 hd的变化曲线。由图可见，厚度hd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，需要尽量缩小距离厚度hd。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纳米线表面等离子 体激光器，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
1.一种纳米线表面等离子体激光器结构，包含金属纳米线、增益介质纳米线、包覆金属 纳米线的介质层、以及基底层和包层，其中包覆介质层的金属纳米线与位于其一侧的增益 介质纳米线沿长度方向紧密相接，且两者均位于基底层上；金属纳米线的最大宽度为激光 器输出光的波长的0. 04-0. 5倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0. 04-0. 5倍；包覆 金属纳米线的介质层与金属纳米线紧密相邻且厚度均勻，且其厚度为激光器输出光的波长 的0. 01-0. 1倍；增益介质纳米线在激光器输出光的波长上具有光学增益，其最大宽度为激 光器输出光的波长的0. 04-0. 5倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0. 04-0. 5倍，且 其高度不超过金属纳米线高度的1. 5倍；金属纳米线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，金属纳米线、包覆金属纳米线的介质层以及增 益介质纳米线横截面形状和尺寸均保持不变；包覆金属纳米线的介质层的材料折射率不低 于1. 4，基底层的材料折射率不低于包层和包覆金属纳米线的介质层的材料折射率，包层和 包覆金属纳米线的介质层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、包层以及包覆金属纳米线的介质层的材料折射率，基底层、包层以及包覆金属 纳米线的介质层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，所述结构中金属纳米线的材料为 能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、或是各自的合金、或是上 述金属构成的复合材料。
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，所述结构中金属纳米线和增益介 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
本发明公开了一种纳米线表面等离子体激光器，该激光器包含一种纳米线表面等离子体激光器结构，包含基底层(4)、位于其上方的被介质层(3)包覆的金属纳米线(1)和与其紧密相连的增益介质纳米线(2)以及包层(5)。金属纳米线和增益介质纳米线的耦合，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。所述纳米线表面等离子体激光器与现有的纳米线加工工艺相匹配，简化了基于多层结构表面等离子体激光器相对复杂的加工过程，为平面集成纳米有源器件的实现提供可能。
文档编号H01S5/20GK102130422SQ20111003013
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者刘娅, 卞宇生, 朱劲松, 郑铮 申请人:北京航空航天大学