CN1832279A

CN1832279A - 近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器及制作方法

Info

Publication number: CN1832279A
Application number: CN 200510054470
Authority: CN
Inventors: 甘巧强; 宋国峰; 石岩; 杨国华; 钟源; 高建霞; 陈良惠
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2006-09-13

Abstract

本发明一种近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器，包括：在该激光器出射表面镀有能形成纳米微小孔径的金属膜层，该金属膜层上具有一个亚波长量级的微小孔径，其特征在于，其中，在微小孔径中填充有高折射率的物质。

Description

近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器及制作方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及近场光学、纳米光学、表面等离子体亚波长光学和纳米技术领域，特别涉及近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器及制作方法。

背景技术

纳米级微小光源是微区成像、微区探测、近场光存储和近场光刻等应用领域的关键器件之一，对于纳米光学、亚波长光学技术领域有巨大的应用前景。目前被广泛应用的带有纳米孔径的金属膜光纤探针通光效率很低，难以满足探测、光存储和光刻等领域的实际要求，大大限制了此类器件的应用。

为了突破纳米光源光强太弱的缺点，人们提出了微小孔径激光器的设计思路。即在半导体边发射和面发射激光器出光表面镀上不透光金属薄层，然后在此薄层上开通纳米级小孔出光，这种方法制造出来的小孔激光器的出光功率比相同孔径下的金属包层光纤探针高出约10⁴倍。最新的研究进展已经能在650nm波段的半导体边发射激光器上制造出孔径在300nm左右，出光远场功率达到0.4毫瓦左右的微小孔径激光器。但要使这种器件能满足近场光存储的要求，还需进一步增加出光功率，目标是要至少达到1毫瓦的输出功率。于是出现了围绕孔径形状设计增大通光效率的各种研究成果，虽然理论上可以推算出很多增大通光效率的异形孔径，但孔径形状越复杂，制作难度也就越大，这显然偏离了器件实用化的趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器及制作方法，具有简单易行，且切实有效的增大微小孔径激光器输出功率的方案，以克服目前此器件功率太小难以实用化的缺点。而且此方案可以和各种增强透射的孔径形状的设计连用，进一步增强孔径的通光效率。

本发明提出一种近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器，包括：在该激光器出射表面镀有能形成纳米微小孔径的金属膜层，该金属膜层上具有一个亚波长量级的微小孔径，其特征在于，其中，在微小孔径中填充有高折射率的物质。

其中所述微小孔径小于入射光波长的1/2。

其中所述微小孔径的形状包括方形、周期性方形孔阵、矩形、周期性矩形孔阵、圆形、周期性圆形孔阵、椭圆形、周期性椭圆形孔阵、三角形、周期性三角形孔阵、C形、周期性C形孔阵、半圆形、周期性半圆形孔阵、圆环形，该圆形孔被周期性圆形凹槽围绕、矩形孔两侧被周期性矩形凹槽包围的光栅形。

其中所述金属膜层包括金、银、铜、铝、钛金合金、钛铂金合金中的一种。

其中填充微小孔径的物质，包括固体、不挥发性油质，或者低挥发性液体，其中该物质的折射率为1.2-4，消光系数为0-0.5。

其中所述的激光器是半导体边发射激光器或者垂直腔面发射激光器，波长范围可以从紫外400nm到红外1550nm。

本发明一种近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：取一半导体激光器；

步骤2：在该半导体激光器的出射表面蒸镀一层能形成纳米微小孔径的金属膜层；

步骤3：采用聚焦离子束刻蚀法，或者电子束曝光法在金属膜层上形成一个亚波长量级的微小孔径；

步骤4：在该微小孔径内填充高折射率的物质。

其中填充的高折射率的物质为固体材料时采用电子回旋共振设备完成；不挥发性油质直接将器件浸到油质中进行填充；低挥发性液体采用纳米光源本身在出光孔径处对高折射率材料微粒产生的辐射吸引力来进行自组装式的填充。

其中所述微小孔径小于入射光波长的1/2。

本发明的特点：

本发明的固体浸墨型小孔激光器在孔径中填充高折射率物质后输出远场光功率显著增强，实验证明一个250nm×500nm的小孔激光器在填充高折射率低挥发性液体硅油之后，出光功率增大约25％，理论计算证明此增强不但不扩大近场光斑尺寸，在一定程度上还能使光斑尺寸减小。

本发明的这种固体浸墨型微小孔径激光器可以作为近场有源探针应用于微区成像、微区探测、近场光存储和近场光刻和生物、化学分子微操作等领域。

附图说明：

为详细了解本发明的内容，结合实施例及附图说明如后，其中：

图1为普通微小孔径激光器的扫描电子显微镜照片。

图2a为光波通过金属膜上小孔中不填充SiO2的情况的理论计算模型示意图。

图2b为光波通过金属膜上小孔中填充SiO2的情况的理论计算模型示意图。

图3a1和3b1为光波通过未填充介质孔径时X和Y两个方向上的光场分布。

图3a2和3b2为光波通过填充介质孔径时X和Y两个方向上的光场分布。

图4为理论计算的各种孔径大小的光波透过率。

图5a为微小孔径激光器孔径中填充硅油的情况。

图5a1为孔径中填充硅油的微小孔径激光器前腔面远场输出功率的实验结果。

图5b为微小孔径激光器孔径中不填充硅油的情况。

图5b1为孔径中不填充硅油的微小孔径激光器前腔面远场输出功率的实验结果。

具体实施方式

请参阅图1及图2，本发明一种近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器，包括：在该激光器出射表面镀有能形成纳米微小孔径的金属膜层4，该金属膜层4上具有一个亚波长量级的微小孔径6，其特征在于，其中，在微小孔径6中填充有高折射率的物质，该填充微小孔径6的物质，包括固体、不挥发性油质，或者低挥发性液体，其中该物质的折射率为1.2-4，消光系数为0-0.5。

其中所述微小孔径6小于入射光波长的1/2，该微小孔径6的形状包括方形、周期性方形孔阵、矩形、周期性矩形孔阵、圆形、周期性圆形孔阵、椭圆形、周期性椭圆形孔阵、三角形、周期性三角形孔阵、C形、周期性C形孔阵、半圆形、周期性半圆形孔阵、圆环形，该圆形孔被周期性圆形凹槽围绕、矩形孔两侧被周期性矩形凹槽包围的光栅形；。

其中所述金属膜层4包括金、银、铜、铝、钛金合金、钛铂金合金中的一种。

其中所述的激光器7是半导体边发射激光器或者垂直腔面发射激光器，波长范围可以从紫外400nm到红外1550nm。

再结合参阅图1及图2，本发明一种近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：取一半导体激光器7；

步骤2：在该半导体激光器7的出射表面蒸镀一层能形成纳米微小孔径的金属膜层4，该金属膜层4包括金、银、铜、铝、钛金合金、钛铂金合金中的一种；

步骤3：采用聚焦离子束刻蚀法，或者电子束曝光法在金属膜层上形成一个亚波长量级的微小孔径6，该微小孔径6小于入射光波长的1/2；该微小孔径6的形状包括方形、周期性方形孔阵、矩形、周期性矩形孔阵、圆形、周期性圆形孔阵、椭圆形、周期性椭圆形孔阵、三角形、周期性三角形孔阵、C形、周期性C形孔阵、半圆形、周期性半圆形孔阵、圆环形，该圆形孔被周期性圆形凹槽围绕、矩形孔两侧被周期性矩形凹槽包围的光栅形；

步骤4：在该微小孔径6内填充高折射率的物质，其中填充微小孔径6的物质，包括固体、不挥发性油质，或者低挥发性液体，其中该物质的折射率为1.2-4，消光系数为0-0.5；其中填充的高折射率的物质为固体材料时，采用电子回旋共振设备完成；不挥发性油质直接将器件浸到油质中进行填充；低挥发性液体采用纳米光源本身在出光孔径处对高折射率材料微粒产生的辐射吸引力来进行自组装式的填充。

实例

本发明的固体浸墨型微小孔径激光器结合微小孔径内填充低挥发性硅油的实施例详细描述如下：

图1是普通微小孔径激光器的出光腔面的扫描电子显微镜照片。图中包括：微小孔径6，其大小为250nm×500nm；金膜薄层4，厚度为100nm；半导体边发射激光器7的脊形波导8。微小孔径6是采用聚焦离子束刻蚀的方法制造而成，开孔位置对应于半导体激光器的有源区，也就是激光激射的位置，刻蚀深度以打穿金属膜层4为限。

对于微小孔径6内填充高折射率材料对出光效率所产生的影响，理论计算模型如图2所示，图2a是孔径内不填充介质的模型，图2b是孔径内填充介质的模型。其入射光波的波长设定为650nm，高斯光束1/e半径设定为0.8微米，偏振方向设定为沿x方向；金属膜层4上方区域5为高折射率二氧化硅；微小孔径6设定为边长300纳米的正方形孔；半导体边发射激光器7；半导体激光器的脊形波导8。利用时域有限差分算法对通过微小孔径6的光场分布进行模拟计算，如图3所示，无论入射光的偏振方向在哪个方向，微小孔径6内填充有高折射率的孔径出光的光场分布在近场区域强度要高于孔径内没有填充材料的孔径(图中不同黑度代表光场的相对强度，)。这种增强效应在孔径达到波长量级时几乎可以忽略，这是因为和传播模式相比，隧穿模式的作用可以忽略，当微小孔径6大于入射波长的1/2后，传播模式就开始存在，孔径越大，传播模式的作用就越大，因而由于固体浸墨透镜所带来的将隧穿模式转变为传播模式的作用就可以忽略(如图4所示)。

图5所示是初步试验证明孔径浸没低挥发性硅油后出光功率增加的实验结果。将微小孔径6的出光光头在盛有低挥发性硅油的容器中稍沾一点，取出后就可能使孔径浸没硅油。图5b所示，孔径没有被硅油膜层9浸没，出光功率在25mA的驱动电流下为0.38mW(图5b1)；图5a所示，孔径被硅油膜层9浸没，出光功率在同样25mA驱动电流下达到0.48mW(图5a1)，比原先增加了约25％。这说明原先不能透过小孔传播出来的激光在孔径浸没高折射率硅油后能够传播出来，基于固体浸墨透镜原理能够大大增加微小孔径激光器的输出功率，这对器件的实用具有十分重要的意义。

本发明的工作原理是基于高折射率介质中光波波长小于空气介质中同频率光波的波长，因此微小孔径6若处于高折射率环境下，孔径与波长的比值要大于在空气中的比值，光通过率也就随之增大，出光功率得到增强。这种增强出现在孔径小于波长的条件下，无论是局域在微小孔径6周围的近场信号或是远场传播信号都将得到一定的增强。微小孔径激光器应用于纳米光学的前景在于它能突破经典光学的衍射分辨率极限(约入射光波长的1/2)，人们将可以通过改变孔径大小而任意控制出光光斑的尺寸。但是根据亚波长光学的原理，微小孔的孔径若小于入射波长的1/2，则孔径不允许传播模式存在，只有隧穿模式存在，通光效率很低；若微小孔的孔径大于入射波长的1/2，通光效率会显著提高，但这又不能突破经典光学的衍射分辨率极限，无法体现出近场光学器件的优势。因此如果能保持传播模式又使孔径小于入射光波长的1/2而突破空气介质中经典光学的衍射分辨率极限，则将对器件的实用化又十分重要的意义。在固体浸墨透镜的概念中就是利用光波在高折射率介质环境中波长减小，从而使光波在高折射率介质中所能达到的最小尺寸进一步减小。

Claims

1、一种近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器，包括：在该激光器出射表面镀有能形成纳米微小孔径的金属膜层，该金属膜层上具有一个亚波长量级的微小孔径，其特征在于，其中，在微小孔径中填充有高折射率的物质。

2、根据权利要求1所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器，其特征在于，其中所述微小孔径小于入射光波长的1/2。

3、根据权利要求1所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器，其特征在于：其中所述微小孔径的形状包括方形、周期性方形孔阵、矩形、周期性矩形孔阵、圆形、周期性圆形孔阵、椭圆形、周期性椭圆形孔阵、三角形、周期性三角形孔阵、C形、周期性C形孔阵、半圆形、周期性半圆形孔阵、圆环形，该圆形孔被周期性圆形凹槽围绕、矩形孔两侧被周期性矩形凹槽包围的光栅形。

4、根据权利要求1所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器，其特征在于，其中所述金属膜层包括金、银、铜、铝、钛金合金、钛铂金合金中的一种。

5、根据权利要求1所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器，其特征在于，其中填充微小孔径的物质，包括固体、不挥发性油质，或者低挥发性液体，其中该物质的折射率为1.2-4，消光系数为0-0.5。

6、根据权利要求1所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器，其特征在于，其中所述的激光器是半导体边发射激光器或者垂直腔面发射激光器，波长范围可以从紫外400nm到红外1550nm。

7、一种近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：取一半导体激光器；

步骤4：在该微小孔径内填充高折射率的物质。

8、根据权利要求7所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器的制造方法，其特征在于，其中填充的高折射率的物质为固体材料时采用电子回旋共振设备完成；不挥发性油质直接将器件浸到油质中进行填充；低挥发性液体采用纳米光源本身在出光孔径处对高折射率材料微粒产生的辐射吸引力来进行自组装式的填充。

9、根据权利要求7所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器的制造方法，其特征在于，其中所述微小孔径小于入射光波长的1/2。

10、根据权利要求8所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器的制造方法，其特征在于，其中所述微小孔径的形状包括方形、周期性方形孔阵、矩形、周期性矩形孔阵、圆形、周期性圆形孔阵、椭圆形、周期性椭圆形孔阵、三角形、周期性三角形孔阵、C形、周期性C形孔阵、半圆形、周期性半圆形孔阵、圆环形，该圆形孔被周期性圆形凹槽围绕、矩形孔两侧被周期性矩形凹槽包围的光栅形。

11、根据权利要求8所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器的制造方法，其特征在于，其中所述金属膜层包括金、银、铜、铝、钛金合金、钛铂金合金中的一种。

12、根据权利要求8所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器的制造方法，其特征在于，其中填充微小孔径的物质，包括固体、不挥发性油质，或者低挥发性液体，其中该物质的折射率为1.2-4，消光系数为0-0.5。

13、根据权利要求8所述的近场光学固体浸墨透镜型微小孔径激光器的制造方法，其特征在于，其中所述的激光器是半导体边发射激光器或者垂直腔面发射激光器，波长范围可以从紫外400nm到红外1550nm。