专利名称：亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器及制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别是指一种亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器及制备方法。
背景技术：
偏振状态作为光源的重要属性，在光传输以及光与物质相互作用过程中都有着至 关重要的影响。在广泛的应用领域里，研究人员已经对偏振状态的影响作了深入研究。然而，以前的研究主要是集中在偏振状态空间一致的条件(线性偏振，圆偏振，椭圆偏振)。近年来，偏振状态空间异性的光源(径向偏振和角向偏振)吸引了越来越多的关注。而径向偏振光束在高密度存储，高分辨率成像，生物探测，光学显微镜，激光加工以及表面等离子激元等领域都有着广泛的应用。径向偏振光的产生方法主要基于固体激光器和光纤激光器，这些方法都需要复杂的、体积较大的光学器件回路，大大限制了它的应用。我们提出将金属纳米结构和垂直腔面发射激光器相结合，通过金属纳米结构激发的表面等离子激元效应的调制实现亚波长自聚焦光斑的径向偏振光束输出。该设计具有结构紧凑，易于集成等特点。可以预见这种集成化的亚波长自聚焦光斑的径向偏振光束在光子集成，光电集成，生物检测芯片以及等离子激元等领域将会取得广泛的应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器及制备方法，具有以下优点结构紧凑，易于集成；制备工艺简单，可重复性好；器件阈值电流密度低；这样的径向偏振光束在光子集成，光电集成，生物检测芯片，光学操控以及表面等离子激元研究等领域将会取得广泛的应用。本发明一种亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器，包括一垂直腔面发射激光器，其一面制作有一 P面电极，该P面电极的环形部分的中间为出光面；一 N面电极，该N面电极制作在垂直腔面发射激光器的另一面；一介质膜，其制作在P面电极的出光面上；一环形光栅，其制作在介质膜上。本发明还提供一种亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤步骤I :在垂直腔面发射激光器的一面制作一 Ti/Au膜；步骤2 :采用光刻的方法，在Ti/Au膜上腐蚀出P面电极；步骤3 :在垂直腔面发射激光器的另一面制作一 N面电极；步骤4 :在有P面电极的垂直腔面发射激光器的一面生长一介质膜；步骤5 :在介质膜上生长金属膜；步骤6 :采用光刻的方法，腐蚀掉出光面以外的金属膜和介质膜；
步骤7 :在出光面上方的金属膜上，刻蚀出环形光栅，完成垂直腔面发射激光器的制备。
为进一步 明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本发明详细说明如后，其中图I为本发明的工艺流程图。图2为本发明亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器的结构示意图。
具体实施例方式请参阅图2，本发明提供一种亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器，包括一垂直腔面发射激光器2，其一面制作有一 P面电极3，该P面电极3的环形部分的中间为出光面31，电极的大小要根据激光器的氧化孔径大小设计，保证电流注入均匀；一 N面电极1，该N面电极I制作在垂直腔面发射激光器2的另一面；一介质膜4，其制作在P面电极3的出光面31上，所述介质膜4的材料为Si02、SiNx、Al2O3JiO2或ZrO2，厚度为激光波长的1/4，所生长的介质膜4厚度可以调制传输电场的相位，增强激光器透射。同时起到保护激光器腔面的作用；还可以作为金属膜和P面电极3之间的绝缘层。同时介质膜4和环形光栅41接触可以有效产生表面等离子体效应，增强出光效率，提高偏振度。一环形光栅41，其制作在介质膜4上，所述环形光栅41为亚波长的金属环形透射光栅。所述环形光栅41的材料为Ti/Au、Ti/Ag或Ti/Al，厚度为100_300nm，Ti的厚度比较薄，主要是为了提高金属层的黏附性，金属层不易剥落。溅射的金属膜厚度即环形光栅41的深度可以调制表面等离子体传输相位，实现透射调制。金属膜的组成和厚度是可选的，与环形光栅41参数相匹配，实现更高的偏振度和透射率。所述环形光栅41的中心与出光面31的中心要求对准。由于环形光栅41对透射的偏振调制，激光器的输出具有径向偏振特性。环形光栅41的周期近似为激光器激射波长激发的表面等离子体波长，各环形空气隙的透射光作为相干源，干涉使得激光器具有亚波长子聚焦光斑。环形光栅41的分布可以调制光斑的聚焦深度和大小，周期和占空比可以根据透射率和偏振度的要求调整。请参阅图I及图2，本发明还提供一种亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤步骤I (图I中S10):在垂直腔面发射激光器2的一面制作一 Ti/Au膜；步骤2 (图I中S20):采用光刻的方法，在Ti/Au膜上腐蚀出P面电极3 ;步骤3 (图I中S30):在垂直腔面发射激光器2的另一面制作一 N面电极I ;步骤4(图I中S40):在有P面电极3的垂直腔面发射激光器2的一面生长一介质膜4，所述介质膜4的材料为Si02、SiNx, A1203、TiO2或ZrO2,厚度为激光波长的1/4 ；步骤5 (图I中S50):在介质膜4上生长金属膜，所述金属膜的材料为Ti/Au、Ti/Ag 或 Ti/Al，厚度为 100-300nm ；步骤6(图I中S60):采用光刻的方法，腐蚀掉出光面31以外的金属膜和介质膜4;要求金属膜腐蚀干净，以避免漏电现象。然后腐蚀掉出光面31以外的介质膜4，介质膜4作为绝缘层必须腐蚀干净，否则P面电极3将会出现开路现象。
步骤7(图I中S70):在出光面31上方的金属膜上，刻蚀出环形光栅41，所述环形光栅41为亚波长的金属环形光栅，所述环形光栅41的中心与出光面31的中心对准，完成垂直腔面发射激光器的制备。刻蚀时可以通过调节离子束流密度、驻留时间、束斑重和距离、离子束流扫描时间等条件来实现精确控制，得到较好的表面平整度。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器，包括一垂直腔面发射激光器，其一面制作有一 P面电极，该P面电极的环形部分的中间为出光面；一 N面电极，该N面电极制作在垂直腔面发射激光器的另一面；一介质膜，其制作在P面电极的出光面上；一环形光栅，其制作在介质膜上。
2.如权利要求I所述的亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器，其中介质膜的材料为Si02、SiNx, A1203、TiO2或ZrO2,厚度为激光波长的1/4。
3.如权利要求I所述的亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器，其中环形光栅为亚波长的金属环形透射光栅。
4.如权利要求3所述的亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器，其中环形光栅的材料为 Ti/Au、Ti/Ag 或 Ti/Al，厚度为 100-300nm。
5.如权利要求4所述的亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器，其中环形光栅的中心与出光面的中心对准。
6.一种亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤步骤I :在垂直腔面发射激光器的一面制作一 Ti/Au膜；步骤2 :采用光刻的方法，在Ti/Au膜上腐蚀出P面电极；步骤3 :在垂直腔面发射激光器的另一面制作一N面电极；步骤4 :在有P面电极的垂直腔面发射激光器的一面生长一介质膜；步骤5 :在介质膜上生长金属膜；步骤6 :采用光刻的方法，腐蚀掉出光面以外的金属膜和介质膜；步骤7 :在出光面上方的金属膜上，刻蚀出环形光栅，完成垂直腔面发射激光器的制备。
7.如权利要求6所述的亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器的制备方法，其中介质膜的材料为Si02、SiNx, A1203、TiO2或ZrO2,厚度为激光波长的1/4。
8.如权利要求6所述的亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器的制备方法，其中环形光栅为亚波长的金属环形光栅。
9.如权利要求6所述的亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器的制备方法，其中金属膜的材料为Ti/Au、Ti/Ag或Ti/Al，厚度为100-300nm。
10.如权利要求8所述的亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器的制备方法，其中环形光栅的中心与出光面的中心对准。
全文摘要
一种亚波长自聚焦的径向偏振垂直腔面发射激光器，包括一垂直腔面发射激光器，其一面制作有一P面电极，该P面电极的环形部分的中间为出光面；一N面电极，该N面电极制作在垂直腔面发射激光器的另一面；一介质膜，其制作在P面电极的出光面上；一环形光栅，其制作在介质膜上。本发明是通过亚波长环形金属光栅的偏振选择特性获得径向偏振输出，同时通过各环形槽的相干作用获得自聚焦亚波长光斑。
文档编号H01S5/183GK102637999SQ201210112700
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月17日 优先权日2012年4月17日
发明者宋国峰, 王青, 蔡利康, 韦欣 申请人:中国科学院半导体研究所