CN102545050A

CN102545050A - 一种低阈值表面等离子体激光器

Info

Publication number: CN102545050A
Application number: CN2012100417650A
Authority: CN
Inventors: 郑铮; 卞宇生; 赵欣; 刘磊; 苏亚林; 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
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: CN102545050B

Abstract

本发明公开了一种低阈值表面等离子体激光器结构，包含基底层(1)、位于其上的金属区域(2)，包覆基底层和金属区域的介质缓冲层(3)、介质缓冲层上的增益介质区域(4)以及包层(5)。增益介质区域除了限制大部分光场外，其和金属区域的耦合还可显著的将光场约束在金属区域两侧的低折射率介质层中，同时保持较低的传输损耗。所提表面等离子体激光器具有较低的工作阈值，且易实现，可用于构建各类集成纳米有源器件。

Description

一种低阈值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，具体涉及一种低阈值表面等离子体激光器。

背景技术

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在增益介质区域内实现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。

为了进一步降低上述激光器的工作阈值，我们提出了一种基于由增益介质包裹的金属纳米线的新型激光器结构。与张翔研究组研究的经典混合型激光器相比，所提结构可以实现更强的模场限制以及更低的传输损耗，因而使得降低工作阈值成为可能。该激光器结构简单，加工方便，可兼容各类光波导及器件，从而为有源表面等离子体器件和集成光路奠定基础。

发明内容

本发明提供了一种低阈值表面等离子体激光器结构，包含基底层、位于基底层上的金属区域、包覆基底层和金属区域的介质缓冲层、介质缓冲层上的增益介质区域以及包层；所述金属区域下方与基底层相接，其上方及两侧均与介质缓冲层相接，金属区域的宽度范围为激光器输出光的波长的0.04-0.4倍，高度范围为激光器输出光的波长的0.04-0.4倍；介质缓冲层的厚度为激光器输出光的波长的0.004-0.04倍；增益介质区域在激光器输出光的波长上具有光学增益，金属区域和金属区域上方及两侧的介质缓冲层被增益介质区域包围，增益介质区域下方与介质缓冲层相接，增益介质区域外轮廓的宽度范围为激光器输出光的波长的0.25-0.7倍，增益介质区域外轮廓的高度范围为激光器输出光的波长的0.15-0.3倍，且增益介质区域外轮廓的宽度和高度分别大于金属区域的宽度和高度；金属区域、介质缓冲层以及增益介质区域的纵向长度不超过100微米，且三者长度相等；在长度方向上，金属区域、介质缓冲层以及增益介质区域的横截面形状和尺寸均保持不变；基底层的材料折射率不低于介质缓冲层和包层的材料折射率，介质缓冲层和包层的材料为相同材料或不同材料，增益介质区域的材料折射率高于基底层、介质缓冲层以及包层的材料折射率，基底层、介质缓冲层和包层的材料折射率的最大值与增益介质区域的材料折射率的比值小于0.75。

所述激光器结构中金属区域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介质区域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。

所述激光器结构中增益介质区域外轮廓的截面形状为矩形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

所述激光器结构中金属区域的截面形状为矩形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

本发明的低阈值表面等离子体激光器具有以下优点：

1.所提低阈值表面等离子体激光器基于增益介质和金属纳米线的表面等离子激元模式的耦合，可将辐射光场限制在纳米线两侧的低折射率介质层中，从而实现对激光器输出光场的二维亚波长约束，同时增益介质中还限制了较大部分的模场，且仍能保持较低的传输损耗，因而可实现激光器的低阈值工作。

2.所提低阈值表面等离子体激光器可与现有加工工艺相匹配，易用于构建各类集成有源表面等离子体器件。

附图说明

图1是低阈值表面等离子体激光器的结构示意图。区域1为基底层；区域2为金属区域，其宽度为w_m，高度为h_m；区域3为低折射率介质层，其厚度为t；区域4为增益介质区域，其宽度为w_h，高度为h_h；区域2、区域3和区域4的纵向(沿Z轴方向)长度为L；区域5为包层。

图2是实例所述低阈值表面等离子体激光器的横截面结构图。201为基底层，n_s为其折射率；202为金属区域，其宽度为w_m，高度为h_m，n_m为其折射率；203为低折射率介质层，n_b为其折射率，其厚度为t；204为增益介质区域，n_h为其折射率，w_h为其宽度，h_h为其高度；205为包层，n_c为其折射率；202、203和204的纵向(沿Z轴方向)长度为L。

图3是实例所述低阈值表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时电场强度分布图。

图4是实例所述低阈值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)-(c)分别是有效折射率、有效传输损耗以及限制因子随高度h_h的变化曲线。

图5是实例所述低阈值表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时增益阈值随高度h_h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和203的材料为氟化镁，其折射率实部为1.4；202的材料为银，在490nm波长处的折射率实部为-9.2，虚部为0.3；204的材料为硫化镉，折射率实部为2.4；205的材料为空气，其折射率实部为1。

在本实例中，202的宽度w_m＝30nm，高度h_m＝30nm；203的厚度t＝10nm，204的宽度w_h＝290nm，高度h_h的取值范围为60-120nm；202、203以及204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低阈值表面等离子体激光器结构进行仿真，计算得到490nm波长处表面等离子激元模式的模式特性及增益阈值。

图3是实例所述低阈值表面等离子体激光器(h_h＝100nm)对应输出光波长为490nm时归一化电场强度分布图。由场强分布图可知，在低折射率的介质缓冲层区域都有明显的场增强效应。

图4是实例所述低阈值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)-(c)分别是有效折射率、有效传输损耗以及限制因子随高度h_h的变化曲线。由图可知，随着高度h_h的增加，模式的有效折射率、以及限制因子均呈单调上升趋势，而有效传输损耗则逐渐下降。

图5是实例所述低阈值表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时增益阈值随高度h_h的变化曲线。由图可知，激光器的阈值非常低，且该阈值随高度h_h的增加而进一步减小。但是需要注意的是，与此同时，h_h越大，激光器的结构尺寸越大，且其所支持的模式会增多，其它模式可能会混合模式造成干扰。因此，要实现激光器在低阈值条件下工作，不易选择过大的h_h。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，同时模场面积的结算结果表明该模式的归一化有效模场面积远小于1，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

1.一种低阈值表面等离子体激光器结构，包含基底层、位于基底层上的金属区域、包覆基底层和金属区域的介质缓冲层、介质缓冲层上的增益介质区域以及包层；所述金属区域下方与基底层相接，其上方及两侧均与介质缓冲层相接，金属区域的宽度范围为激光器输出光的波长的0.04-0.4倍，高度范围为激光器输出光的波长的0.04-0.4倍；介质缓冲层的厚度为激光器输出光的波长的0.004-0.04倍；增益介质区域在激光器输出光的波长上具有光学增益，金属区域和金属区域上方及两侧的介质缓冲层被增益介质区域包围，增益介质区域下方与介质缓冲层相接，增益介质区域外轮廓的宽度范围为激光器输出光的波长的0.25-0.7倍，增益介质区域外轮廓的高度范围为激光器输出光的波长的0.15-0.3倍，且增益介质区域外轮廓的宽度和高度分别大于金属区域的宽度和高度；金属区域、介质缓冲层以及增益介质区域的纵向长度不超过100微米，且三者长度相等；在长度方向上，金属区域、介质缓冲层以及增益介质区域的横截面形状和尺寸均保持不变；基底层的材料折射率不低于介质缓冲层和包层的材料折射率，介质缓冲层和包层的材料为相同材料或不同材料，增益介质区域的材料折射率高于基底层、介质缓冲层以及包层的材料折射率，基底层、介质缓冲层和包层的材料折射率的最大值与增益介质区域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，所述结构中金属区域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，所述结构中增益介质区域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，所述结构中增益介质区域外轮廓的截面形状为矩形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

5.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述结构中金属区域的截面形状为矩形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。