CN114256737A - 一种窄线宽dfb纳米等离子体激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器及其制备方法，属于光电技术领域。该激光器包括衬底、纳米结构、绝缘层、金属膜、电极及电极引线、布拉格光栅结构。本发明通过在传统的纳米等离子体激光源器件上集成布拉格光栅结构，利用DFB线宽压缩技术，使激光器谐振腔内的有效折射率产生周期性的微扰，对激光器的纵向激射模式进行有选择性的正反馈，抑制其他模式，实现优质的窄线宽、单模、高稳定激光输出。本发明的窄线宽DFB纳米等离子体激光器在微纳传感、片上集成光源、激光雷达、泵浦光源、通信、光集成等领域有广泛的应用。

Description

一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种集成布拉格光栅的窄线宽DFB纳米等离子体激光器及其制备方法。
背景技术
自从上世纪60年代激光器发明以来，激光器和人类其它发明一样，对人类的日常生活和科学技术各个领域都发生了重大的影响。20世纪90年代起，纳米技术迅速发展，对军事、信息、材料等领域产生了深远的影响。激光被美国军方视为“自从原子弹出现以来，兵器领域的最大突破”，有望实现历史上人们憧憬的导引能量束的武器。而把纳米技术与激光充分结合起来，最具有代表性的例子是，2001年加州大学伯克利分校的一个小组展示了第一台半导体纳米线激光器。进而，2009年，加州大学伯克利分校的另外的一个小组发现了等离子体纳米激光器最吸引人的性质——利用表面等离子体的聚焦和局域场增强效应能做到在普通光波中做不到的事情。纳米等离子体激光器利用纳米线实现工作物质和谐振腔的集成，表面等离子体可突破光学衍射极限，因此纳米等离子体激光器具有体积小，单色性、方向性好，工作效率高，能量阈值低和响应时间短的优点，将广泛应用于微纳传感、片上集成光源、以及激光陀螺、激光制导跟踪、激光引信、激光通信和激光测距等。
然而，目前纳米等离子体激光器还存在着出射激光纵模、线宽较宽等基本问题亟待解决，距离实际应用还有很大的差距。当前，半导体激光器线宽压缩的主要方法主要有内腔光反馈法和外腔光反馈法。分布式反馈(DFB)激光器的研究开始于20世纪70年代。1971年，美国贝尔实验室提出了分布反馈激光器的概念，次年他们采用电磁场的耦合模理论分析DFB激光器的工作原理和特性。2016年，德国卡塞尔大学提出一种高质量量子点分布反馈(DFB)半导体激光器，成功将激光线宽降低至10kHz。随后，芬兰坦佩雷大学采用纳米压印技术制备出侧向耦合表面光栅DFB激光器，实现激光功率为28.9mW、线宽小于10kHz。随着半导体外延技术进步，各国研究人员不断开发新的光栅技术，研制出多种多样的新型DFB激光器。按照光栅构建方式不同，DFB激光器可分为两种：(1)在有源区附件构建光栅的二次外延分布反馈(RG-DFB)半导体激光器；(2)在外延芯片P面光波导表面或者侧壁直接刻蚀光栅，形成表面光栅分布反馈(SG-DFB)半导体激光器。
传统的纳米等离子体激光器利用纳米结构实现激射的谐振腔和工作物质的集成，实现了激光器腔体的小型化；利用表面等离子体来实现光场调控突破光学衍射极限；但是具有线宽较宽、多纵模激射等问题。因此，纳米等离子体激光器同样需要DFB技术进行线宽压缩和模式选择，以此进一步优化其激光性能。
本发明在纳米等离子体激光器谐振腔外面集成布拉格光栅结构形成DFB纳米等离子体激光器，能起到光反馈选模及增益的作用，实现优质的窄线宽、高稳定激光输出。
发明内容
针对传统的纳米等离子体激光器线宽较宽、多纵模激射等问题，本发明提供了一种集成布拉格光栅的窄线宽DFB纳米等离子体激光器及其制备方法，通过在传统的纳米等离子体激光器上集成布拉格光栅结构，利用DFB线宽压缩技术，使激光器谐振腔内的有效折射率产生周期性的微扰，对激光器的纵向激射模式进行有选择性的正反馈，抑制其他模式，实现优质的窄线宽、单模、高稳定激光输出。本发明的窄线宽DFB纳米等离子体激光器在微纳传感、片上集成光源、激光雷达、泵浦光源、通信、光集成等领域有广泛的应用。
本发明具体采用的技术方案如下：
一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器，包括衬底、纳米结构、绝缘层、金属膜、电极及电极引线；
所述纳米结构位于衬底上表面，构成P-N结；
所述绝缘层覆盖在纳米结构表面；
所述金属膜覆盖在绝缘层表面；
所述电极包括设置于衬底的正电极和设置于纳米结构的负电极；
所述电极引线的一端连接正电极，另一端连接负电极；
所述纳米结构-绝缘层-金属膜构成激光源谐振腔；
其特征在于，所述激光源谐振腔的表面或侧面集成有布拉格光栅结构，形成窄线宽DFB纳米等离子体激光器。
进一步地，所述布拉格光栅结构的材料为磷化铟、氮化镓、氧化锌等半导体材料；所述布拉格光栅结构的周期为100-300nm，深度为50-200nm，占空比为0.4-0.6；周期及占空比由半导体材料的性质及激光源激射波长决定。
进一步地，所述衬底为氮化镓薄膜或透明玻璃基板，厚度为2-10um。
进一步地，所述纳米结构的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓或硫化锌等半导体材料；纳米结构的形式为纳米线、纳米带、纳米棒或纳米球等。
进一步地，所述绝缘层的材料为二氧化硅膜或氟化镁膜，厚度为5-50nm。
进一步地，所述金属膜的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、或镍等，厚度为50-150nm。
进一步地，所述电极材料为金、锗、镍或银。
上述窄线宽DFB纳米等离子体激光器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1.制备P型衬底；
步骤2.采用化学气相沉积法生长纳米结构；
步骤3.磁控溅射依次形成绝缘层和金属膜，构成激光源谐振腔；
步骤4.蒸镀电极并引线；
步骤5.制备布拉格光栅结构；
步骤5-1.采用金属有机化学气相沉积法，在外延片表面沉积一层二氧化硅掩膜层。
步骤5-2.在二氧化硅掩膜层-外延片上旋涂一层光刻胶，然后进行烘烤、曝光、显影、坚模处理，将布拉格光栅图案转移到光刻胶上。
步骤5-3.采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术对光刻胶-二氧化硅掩膜层-外延片进行刻蚀，将布拉格光栅图案近一步转移至二氧化硅掩膜层。
步骤5-4.去除光刻胶。
步骤5-5.采用ICP刻蚀技术刻蚀外延片，将布拉格光栅图案转移至外延片上。
步骤5-6.去除二氧化硅掩膜层，得到具有布拉格光栅图案的外延片。
步骤6.对制备的激光源谐振腔与布拉格光栅结构进行集成、封装，得到集成有布拉格光栅结构的窄线宽DFB纳米等离子体激光器。
本发明提供了一种集成布拉格光栅的窄线宽DFB纳米等离子体激光器及其制备方法，采用化学气相沉积法制备纳米结构，载流子在位于纳米结构激活区域内复合并产生激子发射，然后经过腔体结构与增益介质振荡放大后实现激光出射；采用磁控溅射法在纳米结构上依次溅射一层绝缘层和金属膜，绝缘层用来防止半导体与金属膜产生的荧光淬灭以及非辐射能转移引起的能量损失，金属膜用来对激光进一步调控，压缩谐振腔中的模场分布，实现突破光学衍射极限的激光模式调制；最后，在激光源谐振腔的表面或侧面集成布拉格光栅结构，使激光器谐振腔内的有效折射率产生周期性的微扰，对腔中产生的光产生多次的反馈作用，形成一种光学反射结构。在布拉格光栅结构中满足布拉格条件的波长经过多次反射最终将会形成相长干涉，使其对激光器的纵向激射模式进行有选择性的正反馈，抑制其他模式。最终使激光器得到单纵模窄线宽激光输出。本发明的激光器具有的小型化、方向性好、阈值低、高功率、窄线宽等优势。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2谐振腔的表面集成有布拉格光栅结构的窄线宽DFB纳米等离子体激光器模型图。
图3谐振腔的侧面集成有布拉格光栅结构的窄线宽DFB纳米等离子体激光器模型图。
图4为窄线宽DFB纳米等离子体激光器制备流程示意图。
图5为布拉格光栅示意图，其中布拉格光栅深度为80nm，周期为164nm，占空比为0.55。
图6(a)为DFB纳米等离子体激光器端口的二维模型场强分布仿真图，图6(b)为对应的场强分布线图。
图7(a)为DFB纳米等离子体激光器纵向截面的二维模型场强分布仿真图，图7(b)为对应的场强分布线图。
图8为传统纳米等离子体激光器在300-700nm的波长范围的全局电场能量仿真图。
图9为本实施例DFB纳米等离子体激光器在300-700nm的波长范围的全局电场能量仿真图。
图10为传统纳米等离子体激光器和本实施例集成布拉格光栅的DFB纳米等离子体激光器在500-520nm的波长范围的全局电场能量仿真图。
附图标记说明：1.银膜，2.二氧化硅绝缘层，3.硫化镉纳米带，4.氮化镓衬底，5.金电极，6.布拉格光栅。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
本实施例的一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器，包括衬底、纳米结构、绝缘层、金属膜、电极及电极引线、布拉格光栅结构。
所述衬底为厚度为4μm的氮化镓衬底。
所述纳米结构为5.5μm*500nm*200nm的硫化镉纳米带，位于衬底上表面，构成P-N结；
所述绝缘层为厚度为10nm的二氧化硅绝缘层，覆盖在硫化镉纳米带结构表面；
所述金属膜为厚度为50nm的银膜，覆盖在二氧化硅绝缘层表面；
所述电极包括设置于衬底的金正电极和设置于纳米结构的负电极；所述电极引线的一端连接正电极，另一端连接负电极；
所述硫化镉纳米带-二氧化硅绝缘层-银膜构成激光源谐振腔；
所述谐振腔的表面集成有布拉格光栅结构，形成DFB纳米等离子体激光器；
所述布拉格光栅结构材料为氧化锌，光栅深度为80nm，周期为164nm，占空比为0.55。
本实施例集成有布拉格光栅结构的窄线宽DFB纳米等离子体激光器的制备方法，其流程图如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1.制备P型氮化镓衬底
步骤1-1.在蓝宝石基底上采用蒸镀的方法制备4μm厚的P型氮化镓薄膜层作为衬底。
步骤1-2.清洗衬底：将氮化镓衬底浸泡于装有丙酮溶液的烧杯中，设置水浴温度为60℃，水浴加热10分钟，接下来将氮化镓衬底浸泡于无水乙醇溶液中，设置水浴温度80℃，同样水浴加热10分钟，最后将氮化镓衬底置于去离子水中超声振荡10分钟，完成清洗过程。
步骤2.采用化学气相沉积法生长硫化镉纳米带
步骤2-1.在氮化镓衬底上热蒸发10nm厚金薄膜作为催化剂，然后将衬底放在电热鼓风干燥箱内，干燥箱温度设为30℃，时间设为20min，得到干燥后的衬底。
步骤2-2.取硫化镉粉末放在石英舟中间，并把装有硫化镉粉末的石英舟放在小管中间，再把制备好的带有金薄膜催化剂的衬底放在另一石英舟上置于气流下方，距装有硫化镉粉末石英舟18cm处，然后封闭炉管。
步骤2-3.打开氩气瓶往管式炉中通入一段时间氩气，用于清洗管内杂质气体，接下来开启真空泵直至真空计显示压强低于50Pa。然后通过气体流量监控仪控制氩气流量为60sccm，此时管式炉中的压力保持在300Torr。
步骤2-4.开启CVD管式炉，设置CVD管式炉在室温25℃下通过30min升温至800℃，当炉内温度上升至800℃，保温120min使得硫化镉粉末形成硫化镉纳米带沉积在氮化镓衬底上。待保温结束后，静置管式炉，使其温度恢复到室温。至此，硫化镉纳米带生长制备完毕。
步骤3.磁控溅射依次形成二氧化硅绝缘层和银膜
在制备的硫化镉纳米带上，先磁控溅射一层10nm厚的二氧化硅绝缘层，再溅射一层50nm厚的银膜，构成激光器谐振腔。
步骤4.蒸镀金电极并引线
在氮化镓衬底的未生长硫化镉纳米带的区域蒸镀金电极；然后对金电极和硫化镉纳米结构分别进行压线，两电极引线分别与电压-电流源的正负极相接。
步骤5.制备布拉格光栅结构
步骤5-1.使用去离子水，以及有机溶剂在水浴锅中对外延片进行清洗，清洗完成后用热板将外延片烘干。采用金属有机化学气相沉积法，在外延片表面沉积一层二氧化硅掩膜层。
步骤5-2.首先在二氧化硅掩膜层-外延片上旋涂一层光刻胶，然后进行烘烤、曝光、显影、坚模处理，将布拉格光栅图案转移到光刻胶上。
步骤5-3.采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术对光刻胶-二氧化硅掩膜层-外延片进行刻蚀，将光栅图案进一步转移至二氧化硅掩膜层。
步骤5-4.使用水浴锅，把装有去胶液的烧杯放在50℃的水中，然后把二氧化硅掩膜层放入去胶液中进行水浴去胶，使用热板把二氧化硅掩膜层烘干，最后再使用等离子体去胶方式对二氧化硅掩膜层综合去胶；然后采用有机溶剂在水浴锅中对二氧化硅掩膜层进行清洗，用热板加热。
步骤5-5.采用ICP刻蚀技术刻蚀二氧化硅掩膜层-外延片结构，将布拉格光栅图案转移至外延片上。
步骤5-6.去除二氧化硅材料，得到具有布拉格光栅图案的外延片。
把剩余的二氧化硅材料去除干净，并采用有机溶剂在水浴锅中对外延片进行清洗，清洗完成后使用热板把外延片烘干，得到具有布拉格光栅图案的外延片。
步骤6.对制备的激光源谐振腔与布拉格光栅进行集成、封装，得到集成有布拉格光栅结构的窄线宽DFB纳米等离子体激光器。
图6为模拟仿真得到的纳米等离子谐振腔端口的二维模型场强分布图和场强分布线图，仿真结果可知电场能量被限制在硫化镉纳米带中心区域，能量密度从中心区域向外逐级降低，能量主要集中在TE01的基膜。表现出了极好的谐振效果。
图7为模拟仿真得到的DFB纳米等离子体激光器纵向截面的二维模型场强分布图和场强分布线图。可以看出，金属表面产生的表面等离子体耦合进入硫化镉纳米带，激光振荡，场强得到极大的增强后从纳米带两端面发射。光场能量主要集中在纳米带与绝缘层交界处。起到约束、调控、耦合、增强光场模式的效果。
图8为模拟仿真得到的传统纳米等离子体激光器在300-700nm的波长范围的全局电场能量图。由图可知，激光器在波长为505nm时出现了激射。在低于505nm和高于505nm的两个方向上出现了远场双瓣，激射波长有多个模式。
图9为模拟仿真得到的集成布拉格光栅的DFB纳米等离子体激光器在300-700nm的波长范围的全局电场能量图。由图可知，激光器在波长为510nm时出现了激射，且为单模输出。
图10为模拟仿真得到的传统纳米等离子体激光器和集成布拉格光栅的DFB纳米等离子体激光器在500-520nm的波长范围的全局电场能量图。由图可知，布拉格光栅有电场增强及压缩线宽的作用，DFB纳米等离子体激光器谐振腔在激发波长505nm处线宽为1.1nm，布拉格光栅激发波长为510nm处线宽为0.29nm。实现了优质的窄线宽、单模、高稳定激光输出。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，
除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合；本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器，包括衬底、纳米结构、绝缘层、金属膜、电极及电极引线；
所述纳米结构位于衬底上表面，构成P-N结；
所述绝缘层覆盖在纳米结构表面；
所述金属膜覆盖在绝缘层表面；
所述电极包括设置于衬底的正电极和设置于纳米结构的负电极；
所述电极引线的一端连接正电极，另一端连接负电极；
所述纳米结构-绝缘层-金属膜构成激光源谐振腔；
其特征在于，所述激光源谐振腔的表面或侧面集成有布拉格光栅结构，形成窄线宽DFB纳米等离子体激光器。
2.如权利要求1所述的一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器，其特征在于，所述布拉格光栅结构的材料为磷化铟、氮化镓或氧化锌。
3.如权利要求1或2所述的一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器，其特征在于，所述布拉格光栅结构的周期为100-300nm，深度为50-200nm，占空比为0.4-0.6。
4.如权利要求3所述的一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器，其特征在于，所述衬底为氮化镓薄膜或透明玻璃基板，厚度为2-10um。
5.如权利要求3所述的一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器，其特征在于，所述纳米结构的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓或硫化锌；纳米结构的形式为纳米线、纳米带、纳米棒或纳米球。
6.如权利要求3所述的一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器，其特征在于，所述绝缘层的材料为二氧化硅膜或氟化镁膜，厚度为5-50nm。
7.如权利要求3所述的一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器，其特征在于，所述金属膜的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、或镍，厚度为50-150nm。
8.如权利要求1所述的一种窄线宽DFB纳米等离子体激光器，其特征在于，所述电极的材料为金、锗、镍或银。
9.一种如权利要求1所述的窄线宽DFB纳米等离子体激光器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1.制备P型衬底；
步骤2.采用化学气相沉积法生长纳米结构；
步骤3.磁控溅射依次形成绝缘层和金属膜，构成激光源谐振腔；
步骤4.蒸镀电极并引线；
步骤5.制备布拉格光栅结构；
步骤5-1.采用金属有机化学气相沉积法，在外延片表面沉积一层二氧化硅掩膜层；
步骤5-2.在二氧化硅掩膜层-外延片上旋涂一层光刻胶，然后进行烘烤、曝光、显影、坚模处理，将布拉格光栅图案转移到光刻胶上；
步骤5-3.采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀技术对光刻胶-二氧化硅掩膜层-外延片进行刻蚀，将布拉格光栅图案近一步转移至二氧化硅掩膜层；
步骤5-4.去除光刻胶；
步骤5-5.采用ICP刻蚀技术刻蚀外延片，将布拉格光栅图案转移至外延片上；
步骤5-6.去除二氧化硅掩膜层，得到具有布拉格光栅图案的外延片；
步骤6.对制备的激光源谐振腔与布拉格光栅结构进行集成、封装，得到集成有布拉格光栅结构的窄线宽DFB纳米等离子体激光器。
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