深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器的製作方法
2023-06-04 11:11:26
專利名稱：深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器的製作方法
技術領域：
本發明屬於微納光電子及雷射技術領域，特別涉及一種深度亞波長表面等離子體 激元微腔雷射器。
背景技術：
光是自然界中能量存在的一種形式，而雷射是一種具有特殊性能的光。普通的 光不具有所謂的相干性。光的相干性是指兩束具備一定條件的光匯聚在一起能產生幹涉現 象。雷射除了具有相干性外，還有單色性好(即一束雷射中主要有一個波長或頻率)，方 向性好(即使傳播到很遠的地方，能量還主要集中在一個很小的光束內)的優良性能。正 因為有了以上這些特性，雷射在工業、民用和軍事中都有廣泛的應用。自從世界上第一臺 雷射器問世以來，雷射技術日新月異，並不斷影響和改變著我們的生活。雷射器是光電設備與系統裝備的關鍵器件。由於雷射器有體積小、重量輕、亮度 高、電光轉換效率高、功耗低、低壓工作、可直接調製等一系列優點，已廣泛應用於光電子 領域。在光電子應用中。雷射器的性能優劣決定了光電設備與系統的性能優劣。雷射器的 發展水平也決定了光電設備與系統的發展水平。通過引入半導體納米線和納米陣列，目前 的微型雷射器已經達到衍射極限的水平。為進一步減小尺寸，突破衍射極限，研究人員引入 新型的導光機制，因此新興的表面等離子體技術成為研究熱點。近年來，隨著納米科學和納電子學的發展，一種全新的波導結構一表面等離子體 激元(Surface Plasmon Polaritions — SPPs)波導成為集成光學領域的新興研究方向。表 面等離子體激元是一種在金屬表面傳播的並且被約束在此表面的一種非輻射電磁波。表面 等離子體激元被約束在波導表面是光和金屬的自由電子相互
作用的結果。表面等離子體激元波導具有普通光波導所不具備的特性如可以實 現在納米尺度上的信號傳輸；可保持信號長程傳輸過程中的單一偏振態，實現各 種尺寸下單模傳輸；表面等離子體激元波導的金屬芯層結構，不但能夠傳播光信號，還 可以傳播電信號，可實現在同一晶片上光電混合；金屬的介電常數為複數，其虛部代表金屬 吸收光的能力，通過對金屬芯層的設計實現信號的迅速衰減；可對表面等離子體激元波導 的金屬芯層直接調製以實現表面等離子體激元波導器件的高效調諧等。在適當的金屬與介 質組成的表面等離子體激元光波導機構中，橫向光場分布可被限制在幾十納米甚至更小的 範圍內，能突破衍射極限，因此利用這一特點，致力於雷射器元件的小型化和集成化。而且 基於表面等離子體激元波導的上述特性，表面等離子體激元波導器件可在光通信、光學傳 感領域發揮重要應用。
發明內容
技術問題本發明提出一種深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，採用納米 尺度表面等離子波導器件實現超小光斑雷射器，使光子元件和電子元件二者結合統一集成在納米尺度的晶片中成為可能，為納米集成晶片的實現提供了新型雷射光源——深度亞波 長表面等離子體回音壁模式雷射，具有輸出光斑小，強度大，工藝簡單等優點。技術方案本發明的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器由深度亞波長表面 等離子體激元諧振腔，雙輸出端直波導和金屬薄膜襯底構成；其位置關係為深度亞波長表 面等離子體激元諧振腔與雙輸出端直波導橫向耦合，並且，深度亞波長表面等離子體激元 諧振腔與雙輸出端直波導製備在金屬薄膜襯底之上，泵浦光源垂直於深度亞波長表面等離 子體激元諧振腔的端面進入。泵浦光源的波段為紫外到紅外波段。所述的深度亞波長表面等離子體激元諧振腔由表面等離子體激元波導製備而成， 從上到下由增益介質層、絕緣介質層，金屬層構成，深度亞波長表面等離子體激元諧振腔的 直徑為數百納米至數十微米之間。所述的增益介質層是指砷化鎵、磷化銦、硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、硒化鎘或硫化鋅 半導體材料，或是有光學增益的有機材料或無機材料，厚度為數十納米以上數量級，所述的 絕緣介質層是指氟化鎂或二氧化矽低折射率介質材料，厚度為數納米至數十納米之間，所 述的金屬層是指金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻材料，或是各自的合金，或是不同金屬層複合的材 料，厚度為數十納米以上數量級。所述的深度亞波長表面等離子體激元諧振腔形狀為碟形。雙輸出端直波導由表面等離子體激元波導製備而成，表面等離子體激元波導從上 到下由高折射率的介質材料的上包層、低折射率的介質材料的芯層，金屬材料的下包層和 金屬薄膜襯底組成。所述芯層厚度為數納米至數十納米之間，上包層厚度為數十納米以上數量級，下 包層厚度數十納米量級以上。所述上包層為矽、砷化鎵、磷化銦、硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、硒化鎘或硫化鋅材料， 或是有光學增益的有機材料或無機材料；下包層為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻金屬材料，或是 各自的合金，或是不同金屬層複合的材料；金屬薄膜襯底為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻，或是各 自的合金，或是不同金屬層複合的材料。本發明所提出的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器光路如下激發光
源產生的泵浦光垂直入射於深度亞波長表面等離子體激元諧振腔上，增益介質層中形 成粒子數反轉，實現雷射產生的光泵浦過程；同時，垂直入射的泵浦光在諧振腔中激勵形成 表面等離子體模式，符合諧振條件的表面等離子體模式在諧振腔中產生諧振，由於表面等 離子體波導的導光機制及波導結構本身的特點，大部分模式光被限制在波導芯層中傳輸， 在光泵浦條件下，增益介質層不斷形成粒子數反轉，完成受激輻射，因此處於芯層的表面等 離子體模式(倏逝波)被不斷增益，使諧振腔中諧振的表面等離子體模式能量不斷增大；諧 振腔中的表面等離子體模式按照一定的耦合比耦合到直波導芯層中，從直波導芯層的一端 出射形成超小光斑的雷射。有益效果本發明與現有的技術相比具有以下的優點
1、本發明所提出的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器和傳統雷射器 相比較，突破衍射極限，其微腔回音壁模式尺寸是光學衍射極限的幾百分之一；
2、本發明所提出的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器和傳統雷射器 相比較，能夠產生深度亞波長的輸出光斑，光斑強度增大；3、本發明所提出的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器和傳統雷射器 相比較，具有雙輸出埠，有效減少集成光路中雷射器的數量；
4、本發明所提出的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器和傳統雷射器
相比較，工藝與微電子工藝相容，由於本發明結構層數較少，工藝簡單，成本低，成品率
尚ο
圖1是深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器整體結構示意圖。圖2是深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器橫截面示意圖。圖3是深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器俯視圖。圖4是深度亞波長表面等離子體激元諧振腔回音壁模式能量分布等位圖。圖5是深度亞波長表面等離子體激元直波導橫截面能量分布等位圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的技術方案作進一步描述。本發明的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，從結構上看，該雷射器 是由深度亞波長表面等離子體激元諧振腔，雙輸出端直波導和金屬薄膜襯底構
成；其位置關係為深度亞波長表面等離子體激元諧振腔位於雙輸出端直波導中部前 方，深度亞波長表面等離子體激元諧振腔邊緣與雙輸出端直波導邊緣間隔為數納米數量 級，使諧振腔滿足最佳諧振條件，其中，深度亞波長表面等離子體激元諧振腔由表面等離子 體激元波導製備而成，從上到下由增益介質層、絕緣介質層，金屬層構成，其中，增益介質層 是指砷化鎵、磷化銦、硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、硒化鎘、硫化鋅等半導體材料，或是有光學增 益的有機材料或無機材料，厚度為數十納米以上數量級，絕緣介質層是指氟化鎂、二氧化矽 等低折射率介質材料，厚度為數納米至數十納米之間，金屬層是指金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻 等貴金屬材料，或是各自的合金，或是不同金屬層複合的材料，厚度為數十納米以上數量 級。表面等離子體激元諧振腔的直徑為數百納米至數十微米之間。深度亞波長表面等離子 體激元諧振腔形狀為碟形的。雙輸出端直波導由表面等離子體激元波導製備而成，表面等 離子體激元波導由上包層、芯層，下包層和金屬薄膜襯底組成，其芯層為低折射率的介質材 料，厚度為數納米至數十納米之間，上包層為高折射率的介質材料如矽、砷化鎵、磷化銦、硫 化鎘、氧化鋅、氮化鎵、硒化鎘、硫化鋅等材料，或是有光學增益的有機材料或無機材料，厚 度為數十納米以上數量級，下包層為指金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻等貴金屬材料，或是各自的 合金，或是不同金屬層複合的材料，厚度為數十納米以上數量級。金屬薄膜襯底為指金、銀、 鋁、銅、鈦、鎳、鉻等貴金屬材料，或是各自的合金，或是不同金屬層複合
的材料，厚度為數十納米以上數量級。深度亞波長表面等離子體激元諧振腔，雙輸出端 直波導同時製備在金屬薄膜襯底之上(圖1)。根據麥克斯韋方程組及其邊界條件可知，只有TM橫磁模可以垂直於金屬與介質 的分界面傳播，能耦合激發表面等離子體激元，產生表面等離子體激元，而TE橫電模不能 產生耦合激發的現象。光在深度亞波長表面等離子體激元直波導中傳輸時，光被很好的限制在中間絕緣介質層(圖5)。本發明所提出的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器原理如下
激發光源產生的泵浦光垂直入射於深度亞波長表面等離子體激元諧振腔上，增益介質 層中形成粒子數反轉，實現雷射產生的光泵浦過程；同時，垂直入射的泵浦光在諧振腔中激 勵形成表面等離子體模式，符合諧振條件的表面等離子體模式在諧振腔中產生諧振，由於 表面等離子體波導的導光機制及波導結構本身的特點，大部分模式光被限制在波導芯層中 傳輸，在光泵浦條件下，增益介質層不斷形成粒子數反轉，完成受激輻射，因此處於芯層的 表面等離子體模式(倏逝波)被不斷增益，使諧振腔中諧振的表面等離子體模式能量不斷增 大；諧振腔中的表面等離子體模式按照一定的耦合比耦合到直波導芯層中，從直波導芯層 的一端出射形成超小光斑的雷射。本發明所提出的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，我們通過數值模擬來 驗證，我們採用表面等離子體激元微腔直徑為1微米，波導芯層厚度為5納米，上、下包層厚 度為200納米；直波導波導芯層厚度為5納米，上、下包層厚度為200納米，寬度為150納 米，模擬結果為深度亞波長表面等離子體激元諧
振腔回音壁模式能量分布等位圖(圖4)顯示光在微腔中形成了回音壁模式，深度亞波 長表面等離子體激元直波導能量分布等位圖(圖5)驗證了光被很好的限制在波導芯層傳 輸。
權利要求
1.一種深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，其特徵在於該雷射器由深度亞波 長表面等離子體激元諧振腔(1)，雙輸出端直波導(2)和金屬薄膜襯底(3)構成；其位置關 係為深度亞波長表面等離子體激元諧振腔(1)與雙輸出端直波導(2)橫向耦合，並且，深度 亞波長表面等離子體激元諧振腔(1)與雙輸出端直波導(2 )製備在金屬薄膜襯底(3 )之上， 泵浦光源(4)垂直於深度亞波長表面等離子體激元諧振腔(1)的端面進入。
2.根據權利要求1所述的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，其特徵在於所述 的深度亞波長表面等離子體激元諧振腔(1)由表面等離子體激元波導製備而成，從上到下 由增益介質層(11)、絕緣介質層(12)，金屬層(13)構成，深度亞波長表面等離子體激元諧 振腔(1)的直徑為數百納米至數十微米之間。
3.根據權利要求2所述的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，其特徵在於所述 的增益介質層(11)是指砷化鎵、磷化銦、硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、硒化鎘或硫化鋅等半導 體材料，或是有光學增益的有機材料或無機材料，厚度為數十納米以上數量級。
4.根據權利要求2所述的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，其特徵在於所述 的絕緣介質層(1 是指氟化鎂或二氧化矽等低折射率介質材料，厚度為數納米至數十納 米之間。
5.根據權利要求2所述的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，其特徵在於所述 的金屬層(13)是指金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻材料，或是各自的合金，或是不同金屬層複合的 材料，厚度為數十納米以上數量級。
6.根據權利要求1所述的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，其特徵在於所述 的深度亞波長表面等離子體激元諧振腔(1)形狀為碟形。
7.根據權利要求1所述的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，其特徵在於雙 輸出端直波導(2)由表面等離子體激元波導製備而成，表面等離子體激元波導從上到下由 高折射率的介質材料的上包層(22)、低折射率的介質材料的芯層(23)，金屬材料的下包層 (24)和金屬薄膜襯底(3)組成。
8.根據權利要求7所述的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，其特徵在於所述 芯層(23)厚度為數納米至數十納米之間，上包層(22)厚度為數十納米以上數量級，下包層 (24)厚度數十納米量級以上。
9.根據權利要求7所述的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，其特徵在於所述 上包層(22)為矽、砷化鎵、磷化銦、硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、硒化鎘或硫化鋅材料，或是有光 學增益的有機材料或無機材料；下包層(24)為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻金屬材料，或是各自 的合金，或是不同金屬層複合的材料；金屬薄膜襯底(3)為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻，或是各 自的合金，或是不同金屬層複合的材料。
10.根據權利要求1所述的深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器，其特徵在於泵 浦光源(4)的波段為紫外到紅外波段。
全文摘要
深度亞波長表面等離子體激元微腔雷射器由深度亞波長表面等離子體激元諧振腔(1)，雙輸出端直波導(2)和金屬薄膜襯底(3)構成；其位置關係為深度亞波長表面等離子體激元諧振腔(1)與雙輸出端直波導(2)橫向耦合，並且，深度亞波長表面等離子體激元諧振腔(1)與雙輸出端直波導(2)製備在金屬薄膜襯底(3)之上，泵浦光源(4)垂直於深度亞波長表面等離子體激元諧振腔(1)的端面進入。本發明採用納米尺度表面等離子波導器件實現超小光斑雷射器，使光子元件和電子元件二者結合統一集成在納米尺度的晶片中成為可能，為納米集成晶片的實現提供了新型雷射光源-深度亞波長表面等離子體回音壁模式雷射。具有輸出光斑小，強度大，工藝簡單等優點。
文檔編號H01S5/04GK102148476SQ20111005469
公開日2011年8月10日 申請日期2011年3月8日 優先權日2011年3月8日
發明者屈蓓蓓, 張彤, 張曉陽, 雷威 申請人:東南大學