专利名称：一种深亚波长表面等离子体激光器的制作方法
技术领域：
本发明属于微纳光子和激光技术领域，特别涉及ー种表面等离子体半导体纳米线激光器。
背景技术：
激光具有相干性(即指两束具备一定条件的光汇聚在一起能产生干涉现象)，単色性好(即一束激光中主要有ー个波长或频率)，方向性好(即使传播到很远的地 方，能量还主要集中在一个很小的光束内)的优良性能。正因为有了以上这些特性，激光在エ业、通信、军事和医学上都有广泛的应用。特别是纳米激光器在诸多领域，包括电子通信、信息存储、生物传感器、纳米光刻等方面都具有很强的应用价值，并不断影响和改变着我们的生活。传统的基于氧化锌、硫化镉等ー些半导体纳米激光器的研究引起科学家广泛关注，通过引入半导体纳米线或纳米阵列来制作纳米尺度的激光器，其中半导体纳米线既是光増益介质，又是作为光学谐振腔。这种微型纳米激光器已经达到衍射极限的水平，但这种衍射极限也限制了半导体纳米激光器的最小尺寸，并没有真正意义上实现亚波长约束。为了解决上述这些问题，突破衍射极限的限制，使激光器的尺寸微型化，近年来兴起的基于表面等离子体技术的研究在克服这种限制的方面取得了很大的进展，逐渐成为研究热点。表面等离子体是由入射光和金属表面的自由电子相互作用引起的ー种电磁波模式，具有场增强、光场分布高度局域化、在界面两侧沿垂直于界面方向呈指数衰减传播的特点。在适当的金属-介质组成的表面等离子体激元光波导结构中，横向光场被限制在几十纳米甚至更小的范围内，能突破衍射极限，因此利用表面等离子体的这种特性，可以致カ于亚波长级别的波导结构，使激光器件小型化和集成化。同时它们满足低损耗传输和增益介质区域的高场强限制能力的条件，这可以降低激光器的工作阈值，而这正是传统表面等离子体激元光波导尚无法满足的条件。在“Plasmonlasers at deep subwavelength scale (深亚波长表面等离子体激光器)”(美国University of California, Berkeley的张翔等人于2009年发表于《Nature》第Vol. 461，PP. 629-632，)一文中公开了ー种小型半导体激光器，该激光器是在银薄膜表面蒸镀ー层厚为5nm的氟化镁绝缘介质层，然后在它上面通过载有直径约IOOnm硫化镉纳米线的制备而成。对其照射激发光，使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。但是，由于该激光器是基于平面多层结构，没法采用更低折射率的绝缘介质层(空气)来进ー步提高间隙区域的场增强效应、且增益阈值较高(3-10/iim)。公告号为CN 101882752B的专利文件中公开了《ー种表面等离子体纳米激光器》，该激光器包括基底层及设于其上的金属薄膜层、増益介质纳米线，増益介质纳米线位于金属薄膜层侧面边缘的ー侧、其轴线与金属薄膜层边缘平行且两者之间有一定的间隙区域，从而使得可利用两者之间的空气隙产生激光；但该结构必须使纳米线和金属介质之间保持几纳米到几十纳米的距离、其要求较高，且由于金属薄膜层与增益介质纳米线均设于基底层的上表面，因而极易因纳米材料表面效应的作用两者被吸引到一起而失效等弊端。在公告号为CN 102148476B的专利文件中公开了ー种《深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器》，该激光器是由深度亚波长表面等离子体激元谐振腔、双输出端直波导、和金属薄膜衬底构成，泵浦光源垂直于该表面等离子体激元谐振腔的端面进入，使深度亚波长表面等离子体激元谐振腔与双输出端直波导横向耦合从而产生激光。该激光器虽然具有光斑小、強度大的特点，但是由于该激光器的谐振腔和直波导双层结构在金属薄膜衬底上制备而成，其加工过程包含金属薄膜的蒸镀等，因而存结构复杂，エ艺要求高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计ー种深亚波长表面等离子体 激光器，以利用空气间隙产生激光、提高场增强效应及与各类光波导及器件的兼容性，光强高，阈值低同时简化其结构和加工エ艺，以及满足小型化、集成化等目的。本发明的解决方案是在背景技术金属薄膜上的绝缘介质层中平行于器件面开设一深度为绝缘介质层厚度的空气槽，在该空气槽口上沿空气槽长度(轴线)方向设置一作为增益介质的纳米线、纳米线的外柱面嵌于槽口上并与作为槽底的金属薄膜之间保持ー间隙，以构成由纳米线/空气/金属薄膜/基片组成的表面等离子体激光器。因此，本发明深亚波长表面等离子体激光器包括基片，金属薄膜层，绝缘介质层，纳米线以及透明壳体；关键在于在绝缘介质层中还开设有一深度与该绝缘介质层厚度相同、且将其分为两部分的空气槽，纳米线沿空气槽嵌于槽口上、纳米线的下柱面与作为槽底的金属薄膜之间还设有一含空气的间隙；空气槽两侧的绝缘介质层蒸镀于金属薄膜层上表面，纳米线则直接嵌于空气槽的槽口上，透明壳体罩于纳米线及绝缘介质层上、其下ロ部则与基底密封固定成一体。上述绝缘介质层的材料为氟化镁或ニ氧化硅、且绝缘介质层与纳米线的折射率之比小于0. 75。在绝缘介质层中还开设有一深度与其厚度相同的空气槽，绝缘介质层的厚度及空气槽的深度均为3-10nm，空气槽的宽度为10-50nm，长为与绝缘介质层的长度相等的通槽。空气槽的中轴线与绝缘介质层两侧边中任一侧边的距离不低于绝缘介质层总宽的1/4。所述纳米线的直径为50-500nm、*<空气槽的长度，材质为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓、硒化镉或硫化锌半导体材料中的任何ー种。所述纳米线的下柱面与作为槽底的金属薄膜之间还设有一含空气的间隙，其空气间隙为> Inm至< 10nm。所述金属薄膜层的材质为能产生表面等离子体的金或银、铝、铜、镍、铬中的任何ー种。基片材料为硅或蓝宝石。本发明由于在绝缘介质层中平行于器件面开设ー深度为绝缘介质层厚的空气槽，在该空气槽口上沿空气槽长度方向设置一作为增益介质的纳米线、纳米线的外柱面嵌于槽口上并与作为槽底的金属薄膜之间保持一含空气的间隙，以构成由纳米线/空气/金属薄膜/基片结构组成的表面等离子体激光器，该激光器电场强度变化范围为 .斗父川”父川ヤ/^半导体纳米线增益阈值范围为〗^/^!!!。因而本发明表面等离子体激光器具有体积小、结构及加工エ艺简单、可靠性高，可利用空气间隙产生激光，提高了电场增强效应及与各类光波导及器件的兼容性，且电场強度高、阈值低，并可满足小型化、集成化的需求等特点。
图I为深亚波长表面等离子体激光器实体结构示意图(轴测图)；图2为图I的剖视图；图3为实施例I仿真实验中半导体纳米线与金属表面耦合后激发的光场分布图；图4为实施例I中归ー化电场强度沿Y轴方向的分布曲线。图中1.金属薄膜层，2.绝缘介质层，3.空气槽，4.(半导体)纳米线，5.基片。
具体实施方式
实施例I :本实施例以直径为200nm的氧化锌纳米线为例，金属薄膜层I材料为银，其折射率为-4. 49+0. 2i,宽度为550nm、高度为IOOnm ;绝缘介质层2材料为氟化镁，其折射率为I. 38，厚度为5nm ;空气槽3厚度与绝缘介质层厚度相同、宽度为10nm、槽的纵向长度20 u m,该空气槽利用焦离子束技术(FIB)刻蚀；半导体纳米线4材料为氧化锌，折射率为2. 45，直径为200nm、长度为20 y m，纳米线在该空气槽口上沿空气槽轴向放置，其外柱面嵌于槽口上、与槽底的金属薄膜之间的最小距离为4. 87nm ;基片5的材质为娃,体积为(长X宽X ,)20iimX550nmX100iim。本实施方式在整个实体结构上面采用一透明的玻璃罩将其密封固定，玻璃罩置于纳米线及绝缘介质层上、其下ロ部则与基底密封固定；本实施例表面等离子体激光器体积为(长X宽X厚)20 ii mX550nmX 150. 405 u m。本实例采用波长为390nm的入射光激励进行仿真实验，附图3即为本实例半导体纳米线与金属表面耦合后激发的光场仿真分布图，光场主要分布于空气槽处；附图4为本实例归一化电场强度沿Y轴方向的分布曲线，其中以半导体纳米线的中心为圆心，在距离圆心100-104.87nm范围内的空气槽中产生了巨大的场增强效应，其最大场强位于104. 80nm处、为I. O X 109V/m，且输出的光场被较好地约束在空气槽内。实施例2 :本实施例以直径为400nm的氧化锌纳米线为例，纳米线4长度为10 u m,空气槽3的宽度为50nm、长度为20 y m，基片5的材质为蓝宝石；其余均与实施例I相同，本实施例因半导体纳米线4的底部与金属薄膜层I上表面的距离只有3. 43nm，最大电场强度达到3X109V/m、对应激光的强度更高。
权利要求
1.一种深亚波长表面等离子体激光器，包括基片，金属薄膜层，绝缘介质层，纳米线以及透明壳体；其特征在于在绝缘介质层中还开设有一深度与该绝缘介质层厚度相同、且将其分为两部分的空气槽，纳米线沿空气槽嵌于槽口上、纳米线的下柱面与作为槽底的金属薄膜之间还设有一含空气的间隙；空气槽两侧的绝缘介质层蒸镀于金属薄膜层上表面，纳米线则直接嵌于空气槽的槽口上，透明壳体罩于纳米线及绝缘介质层上、其下口部则与基底密封固定成一体。
2.按权利要求I所述深亚波长表面等离子体激光器，其特征在于所述绝缘介质层的材料为氟化镁或二氧化硅、且绝缘介质层与纳米线的折射率之比小于O. 75。
3.按权利要求I所述深亚波长表面等离子体激光器，其特征在于所述绝缘介质层的厚度及空气槽的深度均为3-10nm，空气槽的宽度为10_50nm，长为与绝缘介质层的长度相等的通槽。
4.按权利要求I或2所述深亚波长表面等离子体激光器，其特征在于所述空气槽的中轴线与绝缘介质层两侧边中任一侧边的距离不低于绝缘介质层总宽的1/4。
5.按权利要求I所述深亚波长表面等离子体激光器，其特征在于所述纳米线的直径为50-500nm、长 < 空气槽的长度，材质为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓、硒化镉或硫化锌半导体材料中的任何一种。
6.按权利要求I所述深亚波长表面等离子体激光器，其特征在于所述纳米线的下柱面与作为槽底的金属薄膜之间还设有一含空气的间隙，其空气间隙为> 111!11至< 10nm。
7.按权利要求I所述深亚波长表面等离子体激光器，其特征在于所述金属薄膜层的材质为能产生表面等离子体的金或银、铝、铜、镍、铬中的任何一种。
8.按权利要求I所述深亚波长表面等离子体激光器，其特征在于所述基片材料为硅或蓝宝石。
全文摘要
该发明属于一种表面等离子体半导体纳米线激光器，包括基片，金属薄膜层，绝缘介质层及在该绝缘介质层中开设的空气槽，嵌于空气槽上口部且其下柱面与作为槽底的金属薄膜之间还设有一含空气的间隙的纳米线。该发明采用纳米线/空气/金属薄膜/基片结构组成的表面等离子体激光器，其电场强度变化范围为0.4×109-3×109V/m，半导体纳米线增益阈值范围为2-5/μm。因而该发明具有体积小、结构及加工工艺简单、可靠性高，可利用空气间隙产生激光，提高了电场增强效应及与各类光波导及器件的兼容性，且电场强度高、阈值低，并可满足小型化、集成化的需求等特点。
文档编号H01S4/00GK102957086SQ20121041195
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者赵青, 黄洪, 黄小平, 焦蛟 申请人:电子科技大学