CN102545049A

CN102545049A - 一种同心纳米线表面等离子体激光器

Info

Publication number: CN102545049A
Application number: CN2012100417646A
Authority: CN
Inventors: 郑铮; 卞宇生; 赵欣; 苏亚林; 刘磊; 刘建胜
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明公开了一种同心纳米线表面等离子体激光器，包含基底层(4)、位于其上方的包覆有介质缓冲层(2)和增益层(3)的金属纳米线(1)以及包层(5)。金属纳米线和增益层的耦合，可将光场显著地限制在环形的介质缓冲层中，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。所述同心纳米线表面等离子体激光器与现有成熟的纳米线加工工艺相匹配，为基于纳米线的有源器件的实现提供了基础。

Description

一种同心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，具体涉及一种同心纳米线表面等离子体激光器。

背景技术

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。纳米线光子学技术在近年来得到了迅速发展。其中的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。

此外研究人员近年来还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的氟化镁绝缘层制作载有直径约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，有些复杂的结构还需要采用光刻等加工工艺。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/高折射率组成的介质层包覆。高折射率介质层和金属纳米线之间显著的耦合效应产生环形混合表面等离子体模式。该激光器结构加工制作过程比较简单，且可以与多种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的发展具有一定意义。

发明内容

本发明提供了一种同心纳米线表面等离子体激光器结构，包含金属纳米线、包覆金属纳米线的介质缓冲层和增益层、以及基底层和包层，其中包覆有介质缓冲层和增益层的金属纳米线位于基底层上，介质缓冲层位于金属纳米线和增益层之间；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；金属纳米线和其包覆的介质缓冲层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度为激光器输出光的波长的0.05-0.7倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.05-0.7倍，且金属纳米线和其包覆的介质缓冲层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度和最大高度分别大于金属纳米线的最大宽度和最大高度；包覆金属纳米线的增益层在激光器输出光的波长上具有光学增益，金属纳米线和其包覆的介质缓冲层、增益层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度为激光器输出光的波长的0.2-1.5倍，最大高度为激光器输出光的波长的0.2-1.5倍，且金属纳米线和其包覆的介质缓冲层、增益层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度和最大高度分别大于金属纳米线和其包覆的介质缓冲层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度和最大高度；金属纳米线以及包覆金属纳米线的介质缓冲层和增益层的纵向长度不超过100微米；在长度方向上，金属纳米线、包覆金属纳米线的介质缓冲层以及增益层横截面形状和尺寸均保持不变；包覆金属纳米线的介质缓冲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缓冲层的材料折射率，包层和包覆金属纳米线的介质缓冲层的材料为相同材料或不同材料，增益层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缓冲层的材料折射率，基底层、包层以及包覆金属纳米线的介质缓冲层的材料折射率的最大值与增益层的材料折射率的比值小于0.75。

所述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。

所述激光器结构中增益层的材料为有光学增益的有机材料或无机材料中的任何一种。

所述激光器结构中金属纳米线的截面形状为三角形、矩形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种；所述结构中介质缓冲层和增益层的截面形状与金属纳米线的截面形状相对应，为三角形环、矩形环、五边形环、六角形环、圆形环、椭圆形环或梯形环中的任何一种。

本发明的同心纳米线表面等离子体激光器具有以下优点：

1.所提表面等离子体激光器基于金属纳米线和高折射率介质纳米线模式的耦合，可将较大部分的辐射光场限制在环形低折射率介质层中，在适当的结构参数条件下，该激光器可实现对输出光场的亚波长约束，且仍能保持较低的传输损耗

2.所提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是同心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w₁，高度为h₁；区域2为包覆金属纳米线的介质缓冲层，其宽度为w₂，高度为h₂；区域3为增益层、其宽度为w₃，高度为h₃；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为介质缓冲层(端面为圆环形)，n_i为其折射率，w_i为其宽度，h_i为其高度；203为增益层(端面为圆环形)，n_g为其折射率，w_g为其宽度，h_g为其高度；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宽度w_g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宽度w_g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：

在本实例中，激光器输出光的波长为490nm，201的材料为银，在490nm波长处的折射率实部为-9.2，虚部为0.3；203的材料为硫化镉，折射率实部为2.4；202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，金属纳米线201的尺寸：w_m＝h_m＝100nm；202的尺寸：w_i＝h_i＝120nm；203的尺寸w_w＝h_w，且取值范围为200nm-320nm；201、202以及203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，金属纳米线和增益层之间的圆环形介质缓冲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宽度w_g的变化曲线。由图可知，随着宽度w_g的增加，模式的有效折射率和限制因子逐渐上升，而传输损耗以及模式的有效模场面积则随宽度w_g的增加不断减小，且在整个变化范围内，该结构始终能保持对输出光场的深亚波长约束并保持较低的传输损耗。

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时增益阈值随宽度w_g的变化曲线。由图可见，增益层尺寸的增加直接导致增益阈值的降低。因此，要实现激光器在低阈值条件下工作，可以在适当范围内增加增益层的厚度。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

1.一种同心纳米线表面等离子体激光器结构，包含金属纳米线、包覆金属纳米线的介质缓冲层和增益层、以及基底层和包层，其中包覆有介质缓冲层和增益层的金属纳米线位于基底层上，介质缓冲层位于金属纳米线和增益层之间；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；金属纳米线和其包覆的介质缓冲层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度为激光器输出光的波长的0.05-0.7倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.05-0.7倍，且金属纳米线和其包覆的介质缓冲层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度和最大高度分别大于金属纳米线的最大宽度和最大高度；包覆金属纳米线的增益层在激光器输出光的波长上具有光学增益，金属纳米线和其包覆的介质缓冲层、增益层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度为激光器输出光的波长的0.2-1.5倍，最大高度为激光器输出光的波长的0.2-1.5倍，且金属纳米线和其包覆的介质缓冲层、增益层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度和最大高度分别大于金属纳米线和其包覆的介质缓冲层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度和最大高度；金属纳米线以及包覆金属纳米线的介质缓冲层和增益层的纵向长度不超过100微米；在长度方向上，金属纳米线、包覆金属纳米线的介质缓冲层以及增益层横截面形状和尺寸均保持不变；包覆金属纳米线的介质缓冲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缓冲层的材料折射率，包层和包覆金属纳米线的介质缓冲层的材料为相同材料或不同材料，增益层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缓冲层的材料折射率，基底层、包层以及包覆金属纳米线的介质缓冲层的材料折射率的最大值与增益层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，所述结构中增益层的材料为有光学增益的有机材料或无机材料中的任何一种。

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的截面形状为三角形、矩形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种；所述结构中介质缓冲层和增益层的截面形状与金属纳米线的截面形状相对应，为三角形环、矩形环、五边形环、六角形环、圆形环、椭圆形环或梯形环中的任何一种。