CN102130422B

CN102130422B - 一种纳米线表面等离子体激光器

Info

Publication number: CN102130422B
Application number: CN 201110030134
Authority: CN
Inventors: 郑铮; 卞宇生; 刘娅; 朱劲松
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: CN102130422A

Abstract

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。

Description

一种纳米线表面等离子体激光器

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器。

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100nm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(2)、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匀，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。

附图说明

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w_m，高度为h_m；区域2为增益介质纳米线，其宽度为w_g，高度为h_g；区域3为包覆金属纳米线的介质层，其厚度为h_d；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)，n_m为其折射率，w_m为其宽度，h_m为其高度；202为圆柱形增益介质纳米线(端面为圆形)，n_g为其折射率，w_g为其宽度，h_g为其高度；203为2包覆金属纳米线的介质层，n_d为其折射率，h_d为其厚度；204为基底层，n_s为其折射率；205为包层，n_c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h_d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h_d的变化曲线。

具体实施方式

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：

A_eff＝(∫∫|E(x，y)|²dxdy)²/∫∫|E(x，y)|⁴dxdy (1)

其中，A_eff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＝λ²/4 (2)

其中，A₀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＝A_eff/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：

g_th＝(k₀α_eff+ln(1/R)/L)/Γ·(n_eff/n_wire) (4)

其中k₀表示光在真空中的波数，且k₀＝2π/λ，λ为激光器输出光的波长；α_eff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，n_eff为模式的有效折射率实部，n_wire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＝(n_eff-1)/(n_eff+1) (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)，n_m为其折射率，w_m为其宽度，h_m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，n_g为其折射率，w_g为其宽度，h_g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，n_d为其折射率，h_d为其厚度；204为基底层，n_s为其折射率；205为包层，n_c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，n_m为其折射率，w_m为其宽度，h_m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，n_w为其折射率，w_w为其宽度，h_w为其高度；203为201和202之间的间隙区域，n_g为其折射率；w_g为202左侧边缘到201右侧边缘的最小距离；204为基底层，n_s为其折射率；205为包层，n_c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h_m＝h_w＝100nm；201的宽度w_m＝1μm；202的宽度w_w＝100nm；距离w_g的取值范围为2-30nm；201和202的纵向长度L＝30μm。

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h_d的变化曲线。由图可知，随着厚度h_d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h_d的增加不断增大，但在厚度h_d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h_d的变化曲线。由图可见，厚度h_d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h_d。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。

Claims

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匀，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；金属纳米线的材料为金,增益介质纳米线的材料为硫化镉,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和增益介质纳米线的截面形状为矩形、三角形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。