CN205646434U - 表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构，该增益波导结构包括增益介质腔体、绝缘介质层、金属层和基底层；增益介质腔体、绝缘介质层和金属层均置于所述基底层的裸露表面上；所述增益介质腔体置于所述基底层表面的中部，所述增益介质腔体的两侧依次为所述绝缘介质层和所述金属层。本实用新型在一定程度降低了激光器的阈值和损耗，并且解决了制备时增益介质腔体与金属层之间的介质层与两者的接触问题，使制备更加容易。

Description

表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构

技术领域

本实用新型涉及微纳光子器件/激光领域，具体涉及一种纳米线表面等离子体激元激光器。

背景技术

激光光源是光子电路和等离激元电路中重要的组成部分，一直是国际上的研究热点。近年来，随着纳米技术的发展和电路集成度的需求的提高，设计出集成度高、单色性好、阈值低的激光光源成为科学界的发展方向。

对于表面等离子激元纳米激光器来说，其激光小型化主要面临着能量损耗与局域模限制这两个物理量的矛盾；局域性越好，能量损耗越大，反之，能量损耗越小。荷兰埃因霍芬理工大学的希尔小组通过利用金包裹半导体异质结腔体大大减少了增益介质振荡模的扩散，实现了亚波长的纳米激光器。但是等离子激元模式和激光振荡模式的交叠不可避免的带来较大的金属热损失，由于激光器的阈值影响，只能在低温下实现激光激射。

为了实现室温下激光的激射，美国加利福尼亚圣地亚哥大学的奈奇小组在金属与增益腔体之间加入低折射率的隔离层，从而实现了室温下亚波长激光器的溅射。但其物理机理仅是利用等离子激元对激光振荡模式扩散局域限制作用，其激光器尺寸的进一步缩小仍然受到了限制，难于实现真正意义的纳米激光器。

另一方面，美国加州大学伯克利分校的张翔等人报道了一种纳米线表面等离子体激元激光器，其光学模式尺寸比衍射极限小近百倍，被称为深亚波长表面等离子体激元激光器。该器件通过在硫化镉和银金属薄层之间插入一层5纳米低折射率的氟化镁介质层，利用金属界面等离子激元和纳米线波导的耦合可以将激光光场很大程度的局域低折射率隔离层氟化镁之间，也在一 定程度上减少金属的热损失，降低了激光器的阈值。该器件制备难点在于如何实现纳米线和氟化镁介质层的良好接触。研究表明较厚增益腔体振荡模式和金属等离子激元的耦合在优化后较厚的隔离层下会减弱，大部分能量会保留在增益介质腔体中。而且耦合到低折射率隔离层中的等离子激元会因为隔离层厚度的增加有效折射率的降低而不能很好的发生内全反射，产生等离子激元的泄露，从而使得激光阈值很高，大大限制其在未来实际的应用。

实用新型内容

本实用新型的实用新型目的，在于采用合理的设计，解决目前纳米激光器的两个关键问题：能量损耗与局域模限制。

本实用新型为达上述目的所采用的技术方案是：

提供一种表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构，该增益波导结构包括增益介质腔体、绝缘介质层、金属层和基底层；增益介质腔体、绝缘介质层和金属层均置于所述基底层的裸露表面上；

所述增益介质腔体置于所述基底层表面的中部，所述增益介质腔体的两侧依次为所述绝缘介质层和所述金属层。

本实用新型所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构中，所述增益介质腔体的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。

本实用新型所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构中，所述增益介质腔体为球形、柱形；所述柱形增益介质腔体的水平截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。

本实用新型所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构中，绝缘介质层和基底层材料相同。

本实用新型所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构中，金属层材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。

本实用新型所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构中，所述增益介质腔体的结构为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构。

本实用新型所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构中，所述 增益介质腔体和所述金属层界面的等离子激元之间发生耦合，在所述绝缘介质层中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场。

本实用新型还提供一种表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，该激光器包括上述增益波导结构。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构在一定程度降低了激光器的阈值和损耗，并且解决了制备时增益介质腔体与金属层之间的介质层与两者的接触问题，使制备更加容易。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例的表面等离子激元纳米激光器增益波导结构的立体结构示意图；

图2是本实用新型实施例的表面等离子激元纳米激光器增益波导结构的平面结构示意图；

图3是本实用新型实施例中阈值与增益腔体的半径和绝缘介质层厚度的关系示意图；

图4是本实用新型实施例中局域区域尺寸(局域性情况)与增益腔体的半径和绝缘介质层厚度的关系示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

表征纳米激光器的两个重要指标:模式特性和增益阈值。其中模式特性主要依靠模式的传播损耗和模式场的区域尺寸来表征。模式的传播损耗由模式的有效折射率的虚部a_eff来表征。

模式场区域尺寸的物理定义：

$A_m=\frac{1}{\max \[W\left(r\right)\]}W\left(r\right)d^{2}r$

∫∫W(r)d²r是对横截面内的传播的电磁能量密度的积分，W(r)是横截面内的最大能量密度。A_m越小，说明波导模式场的局域程度越高。理想情况下，高品质的纳米激光器的模式特性需要同时具备低损耗和高局域化的传播场，但是实际上，模式特性的这两个衡量标准是不能同时取最优值的，两者是矛盾的。这是因为当波的传播场局域在金属的表面，传播场局域程度的提高必然会导致更多的传播能量渗透到金属内部，然而金属损耗是纳米激光器面对的主要损耗，这样损耗就会增加。由此可见，要想获得优良的模式特性，必须处理好两者之间的平衡关系。阈值水平是衡量纳米激光器工作品质的一个重要的指标。一般来说，激光器的阈值水平就是使得设计的激光器达到受激辐射所需要的光学增益的多少或是大小。设计激光器的阈值水平越低，达到受激辐射所需要的光学增益就越少，其工作品质就越高。激光器的阈值可以表示为：

g_th＝(k₀a_eff+ln(1/R)/L)/(n_eff/n_wire)

其中,真空中的波数n_wire为增益介质纳米线的折射率，n_eff为模式的有效折射率实部,比例因子n_eff/n_wire为模式有效折射率的增强部分，端面反射率R＝(n_eff-1)/(n_eff+1)。

为了提高激光器的阈值水平，对等离子激元纳米激光器实施例的增益波导结构进行了特殊设计，如图1和图2所示，该增益波导结构主要包括增益介质腔体1、绝缘介质层2、基底层4和金属层3，增益介质腔体1、绝缘介质层2和金属层3均置于基底层4的裸露表面上。

增益介质腔体1置于基底层4表面的中部，增益介质腔体1的两侧依次为绝缘介质层2和金属层3。

具体地，增益介质腔体1与基底层4的裸露表面接触，绝缘介质层2置于增益介质腔体1的侧壁，且与基底层4的裸露表面接触；金属层3置于基底层4的裸露表面上。

增益介质腔体1和金属层3界面的等离子激元之间发生耦合，在绝缘介 质层2中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场。绝缘介质层2能够有效减少等离子激元振荡中的金属热损失。金属层3和增益介质腔体1振荡模的耦合能够将光局域到绝缘介质层2中。当绝缘介质层厚度不变时，增益腔体半径的增大有益于阈值的减小，但是局域状况变差，如图3和图4所示。若对于两者均有要求，则应选取增益腔体r＝80nm，绝缘介质层2为20nm,此时，综合状况为最好。

金属层3的材料为支持激光器出射激光频率下的等离子激元振荡的金属材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种；增益介质腔体1的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉中任意一种；增益介质腔体1的结构为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构；增益介质腔体1的水平截面形状可以为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。

本实施例中，增益介质腔体1的水平截面形状采用圆形；增益介质腔体半径取60至100纳米，这是因为，半径越小，阈值越大，综合性能越差，半径越大，局域性越差，综合性能越差。

绝缘介质层2的材料采用MgF2材料，折射率的实部为1.38。

在本实例中，可将上述增益波导结构应用在激光器中，出射激光波长可为489nm。

使用了上述增益波导结构的激光器具有以下特点：1)相对于一般的纳米激光器，更加便于实现；2)相对一般的纳米激光器，尺寸更小，实现真正程度上的亚波长；3)相对于一般的纳米激光器，阈值更低。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构，其特征在于，该增益波导结构包括增益介质腔体、绝缘介质层、金属层和基底层；增益介质腔体、绝缘介质层和金属层均置于所述基底层的裸露表面上；

所述增益介质腔体置于所述基底层表面的中部，所述增益介质腔体的两侧依次为所述绝缘介质层和所述金属层。

2.根据权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构，其特征在于，所述增益介质腔体的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构，其特征在于，所述增益介质腔体为球形、柱形；所述柱形增益介质腔体的水平截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种 。

4.根据权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构，其特征在于，绝缘介质层和基底层材料相同。

5.根据权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构，其特征在于，所述增益介质腔体的结构为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构。

6.根据权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器的增益波导结构，其特征在于，所述增益介质腔体和所述金属层界面的等离子激元之间发生耦合，在所述绝缘介质层中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场。

7.一种表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，该激光器包括如权利要求1-6中任一项所述的增益波导结构。