專利名稱：一種納米線表面等離子體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納光子器件/激光領(lǐng)域，具體涉及一種納米線表面等離子體激光
O
背景技術(shù)：
納米線光子學(xué)技術(shù)在近年來得到了迅速發(fā)展。由于納米線具有優(yōu)良的光學(xué)和電學(xué) 特性，其已被廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)和光電器件，覆蓋范圍從導(dǎo)波到激發(fā)光輻射等。其中，半 導(dǎo)體納米線因其小尺寸、大折射率差的特點(diǎn)，已被用作穩(wěn)定的激光光源。隨著納米科技的興 起，納米激光器的研究成為一個(gè)嶄新的重要課題。納米激光器在諸多領(lǐng)域，包括電子通訊、 信息存儲(chǔ)、生化傳感器、納米光刻等方面都有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。另一方面，研究人員近年來嘗試將表面等離子體技術(shù)應(yīng)用到激光領(lǐng)域。表面等離 子體是由光和金屬表面自由電子的相互作用引起的一種電磁波模式，基于表面等離子體的 結(jié)構(gòu)可以將橫向光場(chǎng)限制在遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的尺寸范圍，從而突破衍射極限的限制。很多研究 者正利用表面等離子體突破衍射極限這一特點(diǎn)，致力于激光器元件的小型化。但是，為降低 激光器的工作閾值，需要同時(shí)滿足低損耗傳輸和增益介質(zhì)區(qū)域的較強(qiáng)場(chǎng)限制能力這兩個(gè)條 件，而這正是傳統(tǒng)表面等離子體激元光波導(dǎo)無法克服的問題。加州大學(xué)伯克利分校的張翔研究小組最新研究發(fā)現(xiàn)在低折射率介質(zhì)/金屬平面 結(jié)構(gòu)的附近添加一個(gè)高折射率介質(zhì)層，可將光場(chǎng)約束到高折射率介質(zhì)層和金屬界面之間的 低折射率介質(zhì)狹縫中傳輸，同時(shí)保持較低的傳輸損耗。該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)表面等離子 體激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)無法平衡模場(chǎng)限制能力和傳輸損耗這兩個(gè)物理量的問題?；谠摬▽?dǎo)結(jié) 構(gòu)，該研究小組開發(fā)出了小型半導(dǎo)體激光器。該激光器是在銀薄膜上通過厚5nm的氟化鎂 絕緣屬制作載有直徑約IOOnm的硫化鎘納米線的元件，對(duì)其照射激發(fā)光，使得銀層與納米 線之間產(chǎn)生表面等離子體，從而作為激光器振蕩。該激光器通過利用表面等離子體技術(shù)，將 發(fā)光部的尺寸降至發(fā)射光波長(zhǎng)的1/20以下，有利于大幅擴(kuò)大光通信的通信容量及電路光 化。上述表面等離子體激光器基于的是平面多層結(jié)構(gòu)。其加工過程包含金屬薄膜的蒸 鍍。這里，為了降低加工復(fù)雜度，我們引入金屬納米線結(jié)構(gòu)。金屬納米線表面由低折射率介 質(zhì)層包覆，并與增益介質(zhì)納米線相接，從而形成雙納米線結(jié)構(gòu)。雙納米線構(gòu)成激光器的諧振 腔，納米線之間顯著的耦合效應(yīng)產(chǎn)生混合表面等離子體模式。該激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了加工制 作過程，可以與各類光波導(dǎo)及器件很好的兼容，對(duì)于納米線有源表面等離子體器件和集成 光路具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為簡(jiǎn)化現(xiàn)有基于多層平面結(jié)構(gòu)的表面等離子體納米激光器加工 制作工藝，提出一種納米線表面等離子體激光器。本發(fā)明提供了一種納米線表面等離子體激光器結(jié)構(gòu)，包含金屬納米線(1)、增益介質(zhì)納米線O)、包覆金屬納米線的介質(zhì)層(3)、以及基底層(4)和包層(5)，其中包覆介質(zhì)層 的金屬納米線與位于其一側(cè)的增益介質(zhì)納米線沿長(zhǎng)度方向緊密相接，且兩者均位于基底層 上；金屬納米線的最大寬度為激光器輸出光的波長(zhǎng)的0. 04-0. 5倍，其最大高度為激光器輸 出光的波長(zhǎng)的0. 04-0. 5倍；包覆金屬納米線的介質(zhì)層與金屬納米線緊密相鄰且厚度均勻， 且其厚度為激光器輸出光的波長(zhǎng)的0. 01-0. 1倍；增益介質(zhì)納米線在激光器輸出光的波長(zhǎng) 上具有光學(xué)增益，其最大寬度為激光器輸出光的波長(zhǎng)的0. 04-0. 5倍，其最大高度為激光器 輸出光的波長(zhǎng)的0. 04-0. 5倍，且其高度不超過金屬納米線高度的1. 5倍；金屬納米線和增 益介質(zhì)納米線的縱向長(zhǎng)度不超過100微米，且兩者長(zhǎng)度相等；在長(zhǎng)度方向上，金屬納米線、 包覆金屬納米線的介質(zhì)層以及增益介質(zhì)納米線橫截面形狀和尺寸均保持不變；包覆金屬納 米線的介質(zhì)層的材料折射率不低于1. 4，基底層的材料折射率不低于包層和包覆金屬納米 線的介質(zhì)層的材料折射率，包層和包覆金屬納米線的介質(zhì)層的材料可為相同材料或不同材 料，增益介質(zhì)納米線的材料折射率高于基底層、包層以及包覆金屬納米線的介質(zhì)層的材料 折射率，基底層、包層以及包覆金屬納米線的介質(zhì)層的材料折射率的最大值與增益介質(zhì)納 米線的材料折射率的比值小于0. 75。所述納米線表面等離子體激光器結(jié)構(gòu)中金屬納米線的材料為能產(chǎn)生表面等離子 體的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種、或是各自的合金、或是上述金屬構(gòu)成的復(fù)合 材料。所述納米線表面等離子體激光器結(jié)構(gòu)中增益介質(zhì)納米線的材料為硫化鎘、氧化 鋅、氮化鎵、銻化鎵、硒化鎘、硫化鋅半導(dǎo)體材料中的任何一種，或是有光學(xué)增益的有機(jī)材 料，例如摻雜染料的有機(jī)材料，或是有光學(xué)增益的無機(jī)材料，例如紅寶石等摻雜離子或其它 摻雜染料的無機(jī)材料。所述納米線表面等離子體激光器結(jié)構(gòu)中金屬納米線和增益介質(zhì)納米線的截面形 狀為正方形、矩形、三角形、六角形、圓形、橢圓形或梯形中的任何一種。本發(fā)明的邊緣耦合型表面等離子體納米激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)1.所提納米線表面等離子體激光器基于金屬納米線和介質(zhì)納米線模式的耦合，可 將輻射光場(chǎng)限制在低折射率介質(zhì)層中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出光場(chǎng)的二維亞波長(zhǎng)約束，同 時(shí)仍能保持較低的傳輸損耗2.所提納米線表面等離子體激光器簡(jiǎn)化了現(xiàn)有基于多層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的表面等離子 體納米激光器相對(duì)復(fù)雜的加工制作工藝，為集成有源表面等離子體器件的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。


圖1是納米線表面等離子體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。區(qū)域1為金屬納米線，其寬度 為I，高度為hm ；區(qū)域2為增益介質(zhì)納米線，其寬度為wg，高度為hg ；區(qū)域3為包覆金屬納米 線的介質(zhì)層，其厚度為hd ；區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3的縱向(沿Z向)長(zhǎng)度為L(zhǎng) ；區(qū)域4為基 底層，區(qū)域5為包層。圖2是實(shí)例所述表面等離子體激光器的橫截面結(jié)構(gòu)圖。201為圓柱形金屬納米線 (端面為圓形)，nm為其折射率，Wffl為其寬度，hm為其高度；202為圓柱形增益介質(zhì)納米線 (端面為圓形)，ng為其折射率，Wg為其寬度，hg為其高度；203為2包覆金屬納米線的介質(zhì) 層，nd為其折射率，hd為其厚度；204為基底層，ns為其折射率；205為包層，nc為其折射率。
圖3是實(shí)例所述表面等離子體激光器對(duì)應(yīng)輸出光波長(zhǎng)為490nm時(shí)歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度 沿X軸(圖3(a))和Y軸方向的分布曲線(圖3(b))。圖4是實(shí)例所述表面等離子體激光器對(duì)應(yīng)輸出光波長(zhǎng)為490nm時(shí)的模式特性，其 中，圖4(a)_(d)分別是有效折射率、有效傳輸損耗、歸一化有效模場(chǎng)面積以及限制因子隨 厚度hd的變化曲線。圖5是實(shí)例所述表面等離子體激光器對(duì)應(yīng)輸出光波長(zhǎng)為490nm時(shí)增益閾值有效折 射率隨厚度hd的變化曲線。
具體實(shí)施例方式表面等離子體波的模式特性以及增益閾值是表征表面等離子體納米激光器的重 要指標(biāo)。其中模式特性主要包括有效折射率實(shí)部和虛部、模場(chǎng)限制因子和歸一化有效模場(chǎng) 面積。有效折射率虛部表征模式的有效傳輸損耗，模場(chǎng)限制因子表征增益介質(zhì)納米線的 場(chǎng)強(qiáng)限制能力，在此定義為增益介質(zhì)中所含電場(chǎng)能量占波導(dǎo)總電場(chǎng)能量的比例。有效模場(chǎng)面積的計(jì)算表達(dá)式如下Aeff = ( f f E (x, y) 2dxdy)2/ f f E (χ, y) |4dxdy(1)其中，Arff為有效模場(chǎng)面積，E(x，y)為表面等離子體波的電場(chǎng)。歸一化有效模場(chǎng)面 積為(1)式計(jì)算得到的有效模場(chǎng)面積與衍射極限小孔面積之比。衍射極限小孔的面積定義 如下A0 = λ 2/4(2)其中，Atl為衍射極限小孔面積，λ為激光器輸出光的波長(zhǎng)。因此，歸一化有效模場(chǎng) 面積A為A = Aeff/A0(3)歸一化有效模場(chǎng)面積的大小表征模式的模場(chǎng)約束能力，該值小于1的情形對(duì)應(yīng)亞 波長(zhǎng)的尺寸約束，當(dāng)該值遠(yuǎn)小于1時(shí)對(duì)應(yīng)深亞波長(zhǎng)的光場(chǎng)約束。激光器的增益閾值的計(jì)算式如下gth= (k0aeff+ln(l/R)/L)/r · (neff/nwire)(4)其中1 表示光在真空中的波數(shù)，且1^ = 2π/λ，λ為激光器輸出光的波長(zhǎng)；Cieff 為模式的有效折射率虛部，R為端面反射率，L為增益介質(zhì)納米線的縱向長(zhǎng)度，Γ為限制因 子，neff為模式的有效折射率實(shí)部，nwire為增益介質(zhì)納米線的折射率。 端面反射率R的表達(dá)式如下R= (neff-l)/(neff+l)(5)實(shí)例圖2是實(shí)例所述表面等離子體激光器的橫截面結(jié)構(gòu)圖。201為圓柱形金屬納米線 (端面為圓形)，nm為其折射率，wm為其寬度，hm為其高度；202為圓柱形增益介質(zhì)納米線(端 面為圓形)，位于201右側(cè)(即沿X軸正方向)邊緣的一側(cè)并與201右側(cè)邊緣平行，ng為其 折射率，Wg為其寬度，hg為其高度；203為2包覆金屬納米線的介質(zhì)層，且與202緊密相連， nd為其折射率，hd為其厚度；204為基底層，ns為其折射率；205為包層，nc為其折射率圖2是實(shí)例所述表面等離子體激光器的橫截面結(jié)構(gòu)圖。201為金屬薄膜層，nm為其折射率，wm為其寬度，hm為其高度；202為圓柱形納米線(端面為圓形)，位于201右側(cè)(即 沿X軸正方向)邊緣的一側(cè)并與201右側(cè)邊緣平行，nw為其折射率，Ww為其寬度，hw為其高 度；203為201和202之間的間隙區(qū)域，ng為其折射率；wg為202左側(cè)邊緣到201右側(cè)邊緣 的最小距離；204為基底層，ns為其折射率；205為包層，nc為其折射率。在本實(shí)例中，激光器輸出光的波長(zhǎng)為490nm，201的材料為金，在490nm波長(zhǎng)處的折 射率實(shí)部為-9. 2，虛部為0. 3 ；202的材料為硫化鎘，折射率實(shí)部為2. 4 ；203和204的材料 均為氟化鎂，其折射率實(shí)部為1. 4 ；205的材料均為空氣，其折射率實(shí)部為1。在本實(shí)例中，高度hm = hw= IOOnm ；201 的寬度 Wm= 1 μ m ;202 的寬度 ww = IOOnm ； 距離wg的取值范圍為2-30nm ；201和202的縱向長(zhǎng)度L = 30 μ m。使用全矢量有限元方法對(duì)本實(shí)施例中上述表面等離子體納米激光器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿 真，計(jì)算得到490nm波長(zhǎng)處表面等離子體激元模式的模式特性及增益閾值。圖3是實(shí)例所述表面等離子體激光器對(duì)應(yīng)輸出光波長(zhǎng)為490nm時(shí)歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度 沿X軸和Y軸方向的分布曲線。由圖3(a)和(b)可見，金屬納米線和增益介質(zhì)納米線之 間的介質(zhì)層間隙部分存在顯著的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，激光器輸出的光場(chǎng)可以被較好的約束在間隙 中。圖4是實(shí)例所述表面等離子體激光器對(duì)應(yīng)輸出光波長(zhǎng)為490nm時(shí)的模式特性。圖 4 (a)-(d)分別是有效折射率、有效傳輸損耗、歸一化有效模場(chǎng)面積以及限制因子隨厚度hd 的變化曲線。由圖可知，隨著厚度hd的增加，模式的有效折射率和有效傳輸損耗先下降后上 升，增益介質(zhì)的限制能力呈下降趨勢(shì)，而模式的有效模場(chǎng)面積則隨厚度hd的增加不斷增大， 但在厚度hd從2nm到20nm整個(gè)變化范圍內(nèi)，該結(jié)構(gòu)始終能保持對(duì)光場(chǎng)的深亞波長(zhǎng)約束。圖5是實(shí)例所述表面等離子體激光器對(duì)應(yīng)輸出光波長(zhǎng)為490nm時(shí)增益閾值隨厚度 hd的變化曲線。由圖可見，厚度hd的增加直接導(dǎo)致增益閾值的增大。因此，要實(shí)現(xiàn)激光器 在低閾值條件下工作，需要盡量縮小距離厚度hd。當(dāng)泵浦條件達(dá)到增益介質(zhì)納米線的增益 閾值時(shí)，激光便可產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)深亞波長(zhǎng)的表面等離子體激光器。最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中的實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的納米線表面等離子 體激光器，但非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范 圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種納米線表面等離子體激光器結(jié)構(gòu)，包含金屬納米線、增益介質(zhì)納米線、包覆金屬 納米線的介質(zhì)層、以及基底層和包層，其中包覆介質(zhì)層的金屬納米線與位于其一側(cè)的增益 介質(zhì)納米線沿長(zhǎng)度方向緊密相接，且兩者均位于基底層上；金屬納米線的最大寬度為激光 器輸出光的波長(zhǎng)的0. 04-0. 5倍，其最大高度為激光器輸出光的波長(zhǎng)的0. 04-0. 5倍；包覆 金屬納米線的介質(zhì)層與金屬納米線緊密相鄰且厚度均勻，且其厚度為激光器輸出光的波長(zhǎng) 的0. 01-0. 1倍；增益介質(zhì)納米線在激光器輸出光的波長(zhǎng)上具有光學(xué)增益，其最大寬度為激 光器輸出光的波長(zhǎng)的0. 04-0. 5倍，其最大高度為激光器輸出光的波長(zhǎng)的0. 04-0. 5倍，且 其高度不超過金屬納米線高度的1. 5倍；金屬納米線和增益介質(zhì)納米線的縱向長(zhǎng)度不超過 100微米，且兩者長(zhǎng)度相等；在長(zhǎng)度方向上，金屬納米線、包覆金屬納米線的介質(zhì)層以及增 益介質(zhì)納米線橫截面形狀和尺寸均保持不變；包覆金屬納米線的介質(zhì)層的材料折射率不低 于1. 4，基底層的材料折射率不低于包層和包覆金屬納米線的介質(zhì)層的材料折射率，包層和 包覆金屬納米線的介質(zhì)層的材料可為相同材料或不同材料，增益介質(zhì)納米線的材料折射率 高于基底層、包層以及包覆金屬納米線的介質(zhì)層的材料折射率，基底層、包層以及包覆金屬 納米線的介質(zhì)層的材料折射率的最大值與增益介質(zhì)納米線的材料折射率的比值小于0. 75。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中金屬納米線的材料為 能產(chǎn)生表面等離子體的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種、或是各自的合金、或是上 述金屬構(gòu)成的復(fù)合材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中增益介質(zhì)納米線的材 料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、銻化鎵、硒化鎘、硫化鋅半導(dǎo)體材料中的任何一種，或是有光 學(xué)增益的有機(jī)材料或無機(jī)材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中金屬納米線和增益介 質(zhì)納米線的截面形狀為正方形、矩形、三角形、六角形、圓形、橢圓形或梯形中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米線表面等離子體激光器，該激光器包含一種納米線表面等離子體激光器結(jié)構(gòu)，包含基底層(4)、位于其上方的被介質(zhì)層(3)包覆的金屬納米線(1)和與其緊密相連的增益介質(zhì)納米線(2)以及包層(5)。金屬納米線和增益介質(zhì)納米線的耦合，可顯著地限制光場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出光場(chǎng)的二維亞波長(zhǎng)約束，同時(shí)仍能保持較低的傳輸損耗。所述納米線表面等離子體激光器與現(xiàn)有的納米線加工工藝相匹配，簡(jiǎn)化了基于多層結(jié)構(gòu)表面等離子體激光器相對(duì)復(fù)雜的加工過程，為平面集成納米有源器件的實(shí)現(xiàn)提供可能。
文檔編號(hào)H01S5/20GK102130422SQ20111003013
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者劉婭, 卞宇生, 朱勁松, 鄭錚 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)