CN102148476A - 深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器 - Google Patents

Abstract

深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器由深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1），双输出端直波导（2）和金属薄膜衬底（3）构成；其位置关系为深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1）与双输出端直波导（2）横向耦合，并且，深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1）与双输出端直波导（2）制备在金属薄膜衬底（3）之上，泵浦光源（4）垂直于深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1）的端面进入。本发明采用纳米尺度表面等离子波导器件实现超小光斑激光器，使光子元件和电子元件二者结合统一集成在纳米尺度的芯片中成为可能，为纳米集成芯片的实现提供了新型激光光源-深度亚波长表面等离子体回音壁模式激光。具有输出光斑小，强度大，工艺简单等优点。

Description

深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器

技术领域

本发明属于微纳光电子及激光技术领域，特别涉及一种深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器。

背景技术

光是自然界中能量存在的一种形式, 而激光是一种具有特殊性能的光。普通的光不具有所谓的相干性。光的相干性是指两束具备一定条件的光汇聚在一起能产生干涉现象。激光除了具有相干性外, 还有单色性好（即一束激光中主要有一个波长或频率）, 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, 激光在工业、民用和军事中都有广泛的应用。自从世界上第一台激光器问世以来, 激光技术日新月异, 并不断影响和改变着我们的生活。

激光器是光电设备与系统装备的关键器件。由于激光器有体积小、重量轻、亮度高、电光转换效率高、功耗低、低压工作、可直接调制等一系列优点, 已广泛应用于光电子领域。在光电子应用中。激光器的性能优劣决定了光电设备与系统的性能优劣。激光器的发展水平也决定了光电设备与系统的发展水平。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。为进一步减小尺寸，突破衍射极限，研究人员引入新型的导光机制，因此新兴的表面等离子体技术成为研究热点。

近年来，随着纳米科学和纳电子学的发展，一种全新的波导结构--表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritions—SPPs）波导成为集成光学领域的新兴研究方向。表面等离子体激元是一种在金属表面传播的并且被约束在此表面的一种非辐射电磁波。表面等离子体激元被约束在波导表面是光和金属的自由电子相互

作用的结果。表面等离子体激元波导具有普通光波导所不具备的特性：如可以实

现在纳米尺度上的信号传输；可保持信号长程传输过程中的单一偏振态，实现各

种尺寸下单模传输；表面等离子体激元波导的金属芯层结构，不但能够传播光信号，还可以传播电信号，可实现在同一芯片上光电混合；金属的介电常数为复数，其虚部代表金属吸收光的能力，通过对金属芯层的设计实现信号的迅速衰减；可对表面等离子体激元波导的金属芯层直接调制以实现表面等离子体激元波导器件的高效调谐等。在适当的金属与介质组成的表面等离子体激元光波导机构中，横向光场分布可被限制在几十纳米甚至更小的范围内，能突破衍射极限，因此利用这一特点，致力于激光器元件的小型化和集成化。而且基于表面等离子体激元波导的上述特性，表面等离子体激元波导器件可在光通信、光学传感领域发挥重要应用。

发明内容

技术问题：本发明提出一种深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，采用纳米尺度表面等离子波导器件实现超小光斑激光器，使光子元件和电子元件二者结合统一集成在纳米尺度的芯片中成为可能，为纳米集成芯片的实现提供了新型激光光源——深度亚波长表面等离子体回音壁模式激光，具有输出光斑小，强度大，工艺简单等优点。

技术方案：本发明的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器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；其位置关系为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，并且，深度亚波长表面等离子体激元谐振腔与双输出端直波导制备在金属薄膜衬底之上，泵浦光源垂直于深度亚波长表面等离子体激元谐振腔的端面进入。泵浦光源的波段为紫外到红外波段。

所述的深度亚波长表面等离子体激元谐振腔由表面等离子体激元波导制备而成，从上到下由增益介质层、绝缘介质层，金属层构成，深度亚波长表面等离子体激元谐振腔的直径为数百纳米至数十微米之间。

所述的增益介质层是指砷化镓、磷化铟、硫化镉、氧化锌、氮化镓、硒化镉或硫化锌半导体材料，或是有光学增益的有机材料或无机材料，厚度为数十纳米以上数量级，所述的绝缘介质层是指氟化镁或二氧化硅低折射率介质材料，厚度为数纳米至数十纳米之间，所述的金属层是指金、银、铝、铜、钛、镍、铬材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料，厚度为数十纳米以上数量级。

所述的深度亚波长表面等离子体激元谐振腔形状为碟形。

双输出端直波导由表面等离子体激元波导制备而成，表面等离子体激元波导从上到下由高折射率的介质材料的上包层、低折射率的介质材料的芯层，金属材料的下包层和金属薄膜衬底组成。

所述芯层厚度为数纳米至数十纳米之间，上包层厚度为数十纳米以上数量级，下包层厚度数十纳米量级以上。

所述上包层为硅、砷化镓、磷化铟、硫化镉、氧化锌、氮化镓、硒化镉或硫化锌材料，或是有光学增益的有机材料或无机材料；下包层为金、银、铝、铜、钛、镍、铬金属材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料；金属薄膜衬底为金、银、铝、铜、钛、镍、铬，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料。

本发明所提出的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器光路如下：激发光

源产生的泵浦光垂直入射于深度亚波长表面等离子体激元谐振腔上，增益介质层中形成粒子数反转，实现激光产生的光泵浦过程；同时，垂直入射的泵浦光在谐振腔中激励形成表面等离子体模式，符合谐振条件的表面等离子体模式在谐振腔中产生谐振，由于表面等离子体波导的导光机制及波导结构本身的特点，大部分模式光被限制在波导芯层中传输，在光泵浦条件下，增益介质层不断形成粒子数反转，完成受激辐射，因此处于芯层的表面等离子体模式（倏逝波）被不断增益，使谐振腔中谐振的表面等离子体模式能量不断增大；谐振腔中的表面等离子体模式按照一定的耦合比耦合到直波导芯层中，从直波导芯层的一端出射形成超小光斑的激光。

有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：

1、本发明所提出的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器和传统激光器

相比较，突破衍射极限，其微腔回音壁模式尺寸是光学衍射极限的几百分之一；

2、本发明所提出的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器和传统激光器

相比较，能够产生深度亚波长的输出光斑，光斑强度增大；

3、本发明所提出的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器和传统激光器

相比较，具有双输出端口，有效减少集成光路中激光器的数量；

4、本发明所提出的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器和传统激光器

相比较，工艺与微电子工艺相容，由于本发明结构层数较少，工艺简单，成本低，成品率高。

附图说明

图1是深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器整体结构示意图。

图2是深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器横截面示意图。

图3是深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器俯视图。

图4是深度亚波长表面等离子体激元谐振腔回音壁模式能量分布等位图。

图5是深度亚波长表面等离子体激元直波导横截面能量分布等位图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，从结构上看，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；其位置关系为深度亚波长表面等离子体激元谐振腔位于双输出端直波导中部前方，深度亚波长表面等离子体激元谐振腔边缘与双输出端直波导边缘间隔为数纳米数量级，使谐振腔满足最佳谐振条件，其中，深度亚波长表面等离子体激元谐振腔由表面等离子体激元波导制备而成，从上到下由增益介质层、绝缘介质层，金属层构成，其中，增益介质层是指砷化镓、磷化铟、硫化镉、氧化锌、氮化镓、硒化镉、硫化锌等半导体材料，或是有光学增益的有机材料或无机材料，厚度为数十纳米以上数量级，绝缘介质层是指氟化镁、二氧化硅等低折射率介质材料，厚度为数纳米至数十纳米之间，金属层是指金、银、铝、铜、钛、镍、铬等贵金属材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料，厚度为数十纳米以上数量级。表面等离子体激元谐振腔的直径为数百纳米至数十微米之间。深度亚波长表面等离子体激元谐振腔形状为碟形的。双输出端直波导由表面等离子体激元波导制备而成，表面等离子体激元波导由上包层、芯层，下包层和金属薄膜衬底组成，其芯层为低折射率的介质材料，厚度为数纳米至数十纳米之间，上包层为高折射率的介质材料如硅、砷化镓、磷化铟、硫化镉、氧化锌、氮化镓、硒化镉、硫化锌等材料，或是有光学增益的有机材料或无机材料，厚度为数十纳米以上数量级，下包层为指金、银、铝、铜、钛、镍、铬等贵金属材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料，厚度为数十纳米以上数量级。金属薄膜衬底为指金、银、铝、铜、钛、镍、铬等贵金属材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合

的材料，厚度为数十纳米以上数量级。深度亚波长表面等离子体激元谐振腔，双输出端直波导同时制备在金属薄膜衬底之上（图1）。

根据麦克斯韦方程组及其边界条件可知,只有TM横磁模可以垂直于金属与介质的分界面传播，能耦合激发表面等离子体激元，产生表面等离子体激元，而TE横电模不能产生耦合激发的现象。光在深度亚波长表面等离子体激元直波导中传输时，光被很好的限制在中间绝缘介质层（图5）。

本发明所提出的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器原理如下：

激发光源产生的泵浦光垂直入射于深度亚波长表面等离子体激元谐振腔上，增益介质层中形成粒子数反转，实现激光产生的光泵浦过程；同时，垂直入射的泵浦光在谐振腔中激励形成表面等离子体模式，符合谐振条件的表面等离子体模式在谐振腔中产生谐振，由于表面等离子体波导的导光机制及波导结构本身的特点，大部分模式光被限制在波导芯层中传输，在光泵浦条件下，增益介质层不断形成粒子数反转，完成受激辐射，因此处于芯层的表面等离子体模式（倏逝波）被不断增益，使谐振腔中谐振的表面等离子体模式能量不断增大；谐振腔中的表面等离子体模式按照一定的耦合比耦合到直波导芯层中，从直波导芯层的一端出射形成超小光斑的激光。

本发明所提出的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，我们通过数值模拟来验证，我们采用表面等离子体激元微腔直径为1微米，波导芯层厚度为5纳米，上、下包层厚度为200纳米；直波导波导芯层厚度为5纳米，上、下包层厚度为200纳米，宽度为150纳米，模拟结果为深度亚波长表面等离子体激元谐

振腔回音壁模式能量分布等位图（图4）显示光在微腔中形成了回音壁模式，深度亚波长表面等离子体激元直波导能量分布等位图（图5）验证了光被很好的限制在波导芯层传输。

Claims (10)

1.一种深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，其特征在于：该激光器由深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1），双输出端直波导（2）和金属薄膜衬底（3）构成；其位置关系为深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1）与双输出端直波导（2）横向耦合，并且，深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1）与双输出端直波导（2）制备在金属薄膜衬底（3）之上，泵浦光源（4）垂直于深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1）的端面进入。

2.根据权利要求1所述的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，其特征在于所述的深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1）由表面等离子体激元波导制备而成，从上到下由增益介质层(11)、绝缘介质层(12)，金属层（13）构成，深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1）的直径为数百纳米至数十微米之间。

3.根据权利要求2所述的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，其特征在于所述的增益介质层(11)是指砷化镓、磷化铟、硫化镉、氧化锌、氮化镓、硒化镉或硫化锌等半导体材料，或是有光学增益的有机材料或无机材料，厚度为数十纳米以上数量级。

4.根据权利要求2所述的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，其特征在于所述的绝缘介质层(12)是指氟化镁或二氧化硅等低折射率介质材料，厚度为数纳米至数十纳米之间。

5.根据权利要求2所述的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，其特征在于所述的金属层（13）是指金、银、铝、铜、钛、镍、铬材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料，厚度为数十纳米以上数量级。

6.根据权利要求1所述的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，其特征在于所述的深度亚波长表面等离子体激元谐振腔（1）形状为碟形。

7.根据权利要求1所述的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，其特征在于双输出端直波导（2）由表面等离子体激元波导制备而成，表面等离子体激元波导从上到下由高折射率的介质材料的上包层(22)、低折射率的介质材料的芯层(23)，金属材料的下包层（24）和金属薄膜衬底（3）组成。

8.根据权利要求7所述的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，其特征在于所述芯层（23）厚度为数纳米至数十纳米之间，上包层（22）厚度为数十纳米以上数量级，下包层（24）厚度数十纳米量级以上。

9.根据权利要求7所述的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，其特征在于所述上包层（22）为硅、砷化镓、磷化铟、硫化镉、氧化锌、氮化镓、硒化镉或硫化锌材料，或是有光学增益的有机材料或无机材料；下包层（24）为金、银、铝、铜、钛、镍、铬金属材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料；金属薄膜衬底（3）为金、银、铝、铜、钛、镍、铬，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料。

10.根据权利要求1所述的深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器，其特征在于泵浦光源（4）的波段为紫外到红外波段。

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