CN109830889A

CN109830889A - 复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器

Info

Publication number: CN109830889A
Application number: CN201910210012.XA
Authority: CN
Inventors: 关宝璐; 杨悦; 张成龙
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2019-05-31

Abstract

复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器。属于微纳光学领域。该结构主要包括金属、低折射率层、有源增益介质层、渐变锥形一维光子晶体、均匀一维光子晶体和波导结构。本发明利用表面等离子体的近场增强和局域特性，以及复合一维光子晶体对光的限制与反馈特性，增强单个表面等离子体谐振腔与复合一维光子晶体纳米梁腔之间的相互作用，结合两者谐振腔的优势，设计Q值较大、模体积较小、激光定向耦合输出效率高的谐振腔结构，这对于研究更加紧凑、速率更快、光束耦合效率高的新型光源具有重要的意义。

Description

复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器

技术领域

本发明涉及微纳光子器件/半导体激光器领域，尤其涉及复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器。

背景技术

快速发展的信息技术要求更快计算和更大数据量，因此需要密度更大的组件和更小的尺寸，光互联作为未来信息技术的解决方案，具有大数字容量和带宽，由于存在衍射极限，使器件的尺寸不可能无限小，表面等离子体具有近场局域增强的特性，而且其分布深度可小于波长量级，可以突破衍射极限，有利于光电子集成器件的制作。表面等离子激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射。随着纳米技术和纳米光子学的发展，紧凑微型化激光器在光互连、生物医疗、纳米光刻、数据存储等领域应用前景引人关注。

传统激光器结构由于受到衍射极限的限制，结构尺寸都在波长量级，而表面等离子体纳米激光器尺寸可以突破光的衍射限制，但是由于存在金属层，谐振腔损耗较大，Q值较低，且对于单个表面等离子体谐振腔实现定向高耦合输出困难。

通过结合复合一维光子晶体纳米梁腔，利用复合一维光子晶体纳米梁腔的光反馈与光局域作用，研究两者的耦合腔结构，可以结合两者谐振腔的优势，设计Q值较大、模体积较小、激光定向耦合输出效率高的谐振腔结构，这对于研究更加紧凑、速率更快、光束耦合效率高的新型光源具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器结构设计方法，研究两种腔的强相互作用，在满足超小型光源尺寸下，结合一维光子晶体对光的限制和反馈作用，设计出可以达到较高Q因子、Purcell因子、较小模体积和较高耦合输出效率的激光器性能。

本发明复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，包括表面等离子体谐振腔、复合一维光子晶体纳米梁腔和波导结构(图1)，所述的激光器主体为长条的轴对称结构，中间对称点为表面等离子体谐振腔，表面等离子体谐振腔相对的两侧对称，分别依次为复合一维光子晶体纳米梁腔和波导结构，整体形成长条结构；

结构如图1所示，表面等离子体谐振腔包括：最上层作为金属电极和产生表面等离子体的金属层(100)，位于金属层下方的依次是缓冲接触层(102)、提供足够光放大的有源增益介质层(104)；

复合一维光子晶体纳米梁腔(106)为在光子晶体高折射率层(112)中设有空气孔，自表面等离子体谐振腔沿长条结构向外依次包括半径和周期逐渐增大的离散的第一圆柱空气通孔部分(108)、半径和周期不变的均匀得离散的第二圆柱空气通孔部分(110)，所述的圆柱空气孔轴垂直于表面等离子体谐振腔的各层。

本发明结构中表面等离子体谐振腔的俯视截面结构可以是正方形或长方形，截面尺寸在100nm-1000nm，腔高度范围在100nm-1000nm。

本发明结构中金属层(100)的金属材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍中的任意一种，金属层厚度在50nm-300nm范围之间。

本发明结构中有源增益介质层为多量子阱层，量子阱材料为不同组分的砷化镓、铝钾砷、磷化铟、铟镓砷磷等Ⅲ-Ⅴ族材料，其厚度在100-1000nm之间。

本发明结构中在金属层与有源增益介质层之间存在低折射率的缓冲接触层(102)，一方面作为电泵浦的欧姆接触层，另一方面作为金属与增益介质之间的缓冲层，提供一种表面等离子体和光子混合模式，将光场主要集中在低折射率介质层，有效减少金属损耗。其厚度在5-50nm之间，其材料为为二氧化硅、氟化镁以及折射率较低的Ⅲ-Ⅴ族材料。

本发明结构中复合一维光子晶体纳米梁腔部分的设计原则可以不同，其可以是如图1所示，从腔中心到两侧包括半径、周期逐渐增大(或者周期不变，空气孔半径逐渐增大)的锥形部分以及空气孔半径与周期不变的反射镜部分；如图3所示，从腔中心到两侧周期不变，空气孔半径逐渐减小；如图4，所示周期与半径不变。每侧空气孔对数对于不同的设计要求进行优化与确定。

本发明结构中复合一维光子晶体纳米梁腔的材料可以是与表面等离子体谐振腔增益介质材料相匹配的折射率较低或相同材料的磷化铟、铝钾砷以及氮化硅等。

本发明结构中输出波导材料复合一维光子晶体纳米梁腔的材料相同。

本发明结构为悬空结构，但根据不同的设计需求，可以将其转移到磷化铟衬底或与CMOS工艺兼容的硅基衬底上。

附图说明

图1：表面等离子体谐振腔和一维光子晶体纳米梁腔的耦合腔整体结构示意图，包含金属层(100)，金属层下方的缓冲接触层(102)，提供足够光放大的增益介质(104)；半径逐渐增大的空气孔部分(106)，空气孔半径和光子晶体周期不变的反射镜部分(108)，光子晶体高折射率层(110)以及作为耦合输出的波导(112)。

图2a，2b：表面等离子体谐振腔和一维光子晶体纳米梁腔的耦合腔的xy、xz截面图。

图3：周期不变，空气孔半径逐渐减小的耦合腔结构示意图，与图1不同的是，光子晶体周期不变，空气孔半径逐渐减小(202)；

图4：周期与空气孔半径不变的耦合腔结构示意图，与图1不同的是，光子晶体周期与空气孔半径不变(302)；

图5：带有波导结构的表面等离子体方腔xy、xz平面电场图；

图6：一维光子晶体纳米梁腔xy、xz平面电场图；

图7：表面等离子体谐振腔和一维光子晶体纳米梁腔的耦合腔xy、xz平面电场图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例：

实施例1

图1是实例所描述的表面等离子体谐振腔和一维光子晶体纳米梁腔的耦合腔结构三维示意图。100为金材料金，h1为金属的厚度，L为其长度，w为其宽度；102为金属与增益介质之间的接触层，材料为磷化铟，h2为其厚度，L为其长度，w为其宽度；104为有源增益介质层,即多量子阱层，势阱层材料为5nm InGaAsP(Eg＝0.816)，势垒层为10nm InGaAsP(Eg＝1.04)，厚度为H-h1，L为其长度，w为其宽度；106为复合一维光子晶体纳米梁腔，包括周期和空气孔逐渐变大的锥形部分(108)，a1为空气孔的最小周期；110为周期和变径不变的反射镜部分，a为空气孔周期；112为一维光子晶体的高折射率材料磷化铟，厚度为H；114为输出耦合光的波导部分，厚度为H，材料为磷化铟。

本实例中，h1＝100nm，h2＝20nm，H＝600nm，L＝w＝684nm，a＝410nm，a1＝180nm，空气孔半径r＝0.23a，锥形部分的周期以等差数列逐渐增大，d＝(a-a1)/12，器件横向尺寸在数十微米范围内。锥形部分空气孔对数12对，反射镜部分空气孔对数16对。

本实例中，金折射率为0.53+10.8i，磷化铟折射率为3.17，量子阱材料折射率为分别为3.46、3.24，空气孔折射率为1，背景折射率为1。

使用时域有限差分方法对上述本实例中的耦合腔结构进行仿真，首先设计所需谐振波长1550nm附近的表面等离子体腔尺寸，确定等离子体谐振腔的宽与高，在此基础上确定谐振波长1550nm附近的一维光子晶体纳米梁腔锥形部分与反射镜部分的周期、半径以及对数。最后计算耦合腔的特性参数。

图5为带有波导结构的表面等离子体方腔xy、xz平面电场图，虚线部分为方形谐振腔轮廓。由电场图可知，金属与增益介质之间的低折射率层中电场强度最强，光场被强烈限制在厚度为20nm的缓冲层中。这样的结构实现了在亚波长尺度对光场的限制，而且由于缓冲层的存在，有效降低了光波在金属界面传播的损耗，而且缓冲层的存在可以作为电泵浦时的接触层。此结构尺寸下的Q因子为23，Purcell因子为26，模体积为0.0084μm³。

图6为一维光子晶体纳米梁腔谐振波长处的xy、xz平面电场图，其中区域1为方形谐振腔的轮廓，区域2、3为一维光子晶体锥形部分，区域4、5为周期不变的反射镜部分，区域7、8为波导部分。由电场图可知，光场主要集中在两侧光子晶体周期逐渐变大的锥形部分之间，大大地增强了光的反馈作用。也可以通过改变别的相关参数，设计高透射率纳米梁腔。本结构参数下的Q因子约为37000，Purcell因子为29，模体积为1.37μm³。

图7为耦合腔的谐振波长处的xy、xz平面电场图，其中区域1为方形谐振腔的轮廓，区域2、3为一维光子晶体锥形部分，区域4、5为周期不变的反射镜部分，区域7、8为波导部分。由图7电场图可知，在周期逐渐变化的锥形区，电场分布与一维光子晶体纳米梁腔电场分布相似，但是在周期不变的反射镜区，电场主要集中在高折射率材料区域中，由于金属的作用，产生的表面等离子体波主要沿金属与介质平面传播，进一步增强腔对光的限制作用，且在波导部分有明显的光输出。本结构参数下的Q因子为211，Purcell因子为48，模体积为0.73μm³。相比表面等离子体谐振腔的Q因子增大9倍，且两种腔的相互作用增强了，体现在耦合腔的Purcell因子最大，且耦合腔的模体积相对一维光子纳米梁腔缩小一倍。耦合腔的性能还可以通过优化得到进一步的提高。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，包括表面等离子体谐振腔、复合一维光子晶体纳米梁腔和波导结构，所述的激光器主体为长条的轴对称结构，中间对称点为表面等离子体谐振腔，表面等离子体谐振腔相对的两侧对称，分别依次为复合一维光子晶体纳米梁腔和波导结构，整体形成长条结构；

表面等离子体谐振腔包括：最上层作为金属电极和产生表面等离子体的金属层(100)，位于金属层下方的依次是缓冲接触层(102)、提供足够光放大的有源增益介质层(104)；

复合一维光子晶体纳米梁腔(106)为在光子晶体高折射率层(112)中设有空气孔，自表面等离子体谐振腔沿长条结构向外依次包括半径和周期逐渐增大的离散的第一圆柱空气通孔部分(108)、半径和周期不变的均匀的离散的第二圆柱空气通孔部分(110)，所述的圆柱空气孔轴垂直于表面等离子体谐振腔的各层。

2.按照权利要求1所述的一种复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，表面等离子体谐振腔的俯视截面结构是正方形或长方形，截面尺寸在100nm-1000nm，腔高度范围在100nm-1000nm。

3.按照权利要求1所述的一种复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，金属层(100)的金属材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍中的任意一种，金属层厚度在50nm-300nm范围之间。

4.按照权利要求1所述的一种复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，有源增益介质层为多量子阱层，量子阱材料为不同组分的砷化镓、铝钾砷、磷化铟、铟镓砷磷等Ⅲ-Ⅴ族材料，其厚度在100-1000nm之间。

5.按照权利要求1所述的一种复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，结构中在金属层与有源增益介质层之间存在低折射率的缓冲接触层(102)，一方面作为电泵浦的欧姆接触层，另一方面作为金属与增益介质之间的缓冲层，提供一种表面等离子体和光子混合模式，将光场主要集中在低折射率介质层，有效减少金属损耗；其厚度在5-50nm之间，其材料选自二氧化硅、氟化镁以及折射率较低的Ⅲ-Ⅴ族材料。

6.按照权利要求1所述的一种复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，复合一维光子晶体纳米梁腔部分替换为：从中心到两侧包括半径、周期逐渐增大或者周期不变，空气孔半径逐渐增大)的锥形部分以及空气孔半径与周期不变的反射镜部分；或者替换为周期与半径不变；或替换为从中心到两侧周期不变，空气孔半径逐渐减小。

7.按照权利要求1所述的一种复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，复合一维光子晶体纳米梁腔的材料是与表面等离子体谐振腔增益介质材料相匹配的折射率较低或相同材料的磷化铟、铝钾砷以及氮化硅。

8.按照权利要求1所述的一种复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，输出波导材料复合一维光子晶体纳米梁腔的材料相同。

9.按照权利要求1所述的一种复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，为悬空结构，根据不同的设计需求，将其转移到磷化铟衬底或与CMOS工艺兼容的硅基衬底上。