專利名稱：Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器領(lǐng)域，特別涉及Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源。
背景技術(shù)：
隨著納米微加工技術(shù)的發(fā)展 和成熟，激光器面臨著小型化發(fā)展的趨勢。基于表面等離子激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)的激光光源有靈敏度高、體積小、能量集中等優(yōu)點，因而在生物探測器、信息存儲、光計算、近場光學(xué)成像、納米光刻技術(shù)和分子操縱技術(shù)等領(lǐng)域擁有者廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景；并且，隨著科技的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域?qū)Ρ砻娴入x子體激光光源的需求不斷增長。為了制作出可以直接應(yīng)用的表面等離子體激光光源，在某個維度上實現(xiàn)更小的電磁場能量壓縮，由金屬所引入的表面等離子體被廣泛研究。表面等離子體使得電場強度在金屬的兩個方向上急劇衰減，并且形成只能沿著金屬表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子波，是目前限制光場分布的最佳手段。由于表面等離子體波的波矢跟真空中的波矢不匹配，因而不能被直接激發(fā)。表面等離子體波的光學(xué)激發(fā)方式主要有棱鏡激發(fā)的Kretchmann結(jié)構(gòu)和Otto結(jié)構(gòu),但是由于對材料和入射光角度的苛刻要求，使得工藝上不容易在半導(dǎo)體器件的生長制備中直接實現(xiàn)，并且集成困難，限制了表面等離子體激光光源的直接應(yīng)用。因此如何解決該問題，設(shè)計一種制作工藝簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易推廣的表面等離子體激光光源勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源，該光源可以有效解決現(xiàn)有光致激發(fā)困難、制作工藝難度大、成本高、集成困難等問題。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下Bragg反射鏡稱合表面等離子體激光光源，該光源包括n面電極、襯底、Bragg反射鏡、波導(dǎo)層、量子阱、全反射層、P面電極、低折射率介質(zhì)和金屬層；襯底上面依次生長Bragg反射鏡、波導(dǎo)層、量子阱、全反射層和P面電極，襯底下面生長η面電極，襯底側(cè)面依次生長低折射率介質(zhì)和金屬層，低折射率介質(zhì)依次與η面電極、襯底、Bragg反射鏡、波導(dǎo)層、量子阱、全反射層和P面電極連接。發(fā)明原理η面電極和P面電極提供載流子的注入所需要的歐姆接觸，襯底提供器件整體材料生長所需要的晶格條件，光束傳輸?shù)臅r候，Bragg反射鏡篩選特定角度的光線，光線傳輸能量集中在波導(dǎo)層中，電子和空穴的復(fù)合產(chǎn)生光子，量子阱提供光源的光增益和放大，由全反射層全反射，將所有由Bragg反射鏡篩選的特定角度的光線全部反射回諧振腔之中，這里的諧振腔指的是激光在端面反射形成振蕩時由襯底、Bragg反射鏡、波導(dǎo)層、量子阱和全反射層的半導(dǎo)體部分組成的光波導(dǎo)腔體。波導(dǎo)層、低折射率介質(zhì)和金屬層還將構(gòu)成類似Otto結(jié)構(gòu)的物理模型使得激光能夠在金屬層表面附近耦合從而形成表面等離子體激光光源輸出。如圖I所示，根據(jù)Bragg反射鏡的基本理論，只有滿足特定角度的光線可以在波導(dǎo)層中傳播和諧振；其他不滿足傳輸角度的光線會被很快耗散掉，因而不會在激光器的諧振腔中產(chǎn)生諧振。滿足條件的諧振光通過量子阱的增益和諧振腔的諧振，會在表面的低折射率介質(zhì)中以兩個方向進行出射。由于波導(dǎo)層、低折射率介質(zhì)和金屬層構(gòu)成了類似Otto結(jié)構(gòu)的物理模型，滿足特定角度的光線可以直接在金屬表面附近耦合成為SPPs，從而形成表面等離子體激光光源而輸出。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明制作工藝相對簡單、性能穩(wěn)定、成本低、容易集成和推廣。


圖I本發(fā)明Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源原理示意圖。圖2本發(fā)明Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源的結(jié)構(gòu)圖。
圖中1、η面電極,2、襯底,3、Bragg反射鏡,4、波導(dǎo)層,5、量子講,6、全反射層,7、蓋層，8、P面電極,9、低折射率介質(zhì)，10、金屬層和11、諧振腔。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。如圖2所示Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源，包括η面電極I、襯底2、Bragg反射鏡3、波導(dǎo)層4、量子講5、全反射層6、蓋層7、ρ面電極8、低折射率介質(zhì)9和金屬層10 ;襯底2上面依次生長Bragg反射鏡3、波導(dǎo)層4、量子阱5、全反射層6、蓋層7、ρ面電極8，襯底下面鍍有η面電極1，襯底2側(cè)面依次生長低折射率介質(zhì)9和金屬層10，所述低折射率介質(zhì)9依次與η面電極I、襯底2、Bragg反射鏡3、波導(dǎo)層4、量子阱5、全反射層6和p面電極8連接。所述Bragg反射鏡3和全反射層6要提供光源工作波段TM模式給定設(shè)計角度的激光全反射，這就要求針對給定的設(shè)計角度，Bragg反射鏡3的結(jié)構(gòu)以及全反射層6的厚度和折射率能夠滿足全反射條件。所述波導(dǎo)層4、低折射率介質(zhì)9和金屬層10構(gòu)成類似Otto模型，這就要求低折射率介質(zhì)9的折射率小于波導(dǎo)層4的折射率。工作波段的激光由Bragg反射鏡3和全反射層6提供的給定設(shè)計角度，可以在這個類似的Otto模型中耦合成為表面等離子體沿著金屬表面?zhèn)鞑?。所述金屬?0的厚度(圖中X方向長度)要大于金屬在該工作波段的趨膚深度，使得光子不會透過金屬層產(chǎn)生不必要的泄露。所述金屬層10的材料要能在該光源工作波段提供表面等離子體，這就要求給定的金屬材料在工作波段的折射率虛部是負值。為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清晰，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步說明，應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本實施例中，Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源結(jié)構(gòu)利用材料外延生長技術(shù)和鍍膜技術(shù)加工而成。所述的襯底2是GaAs材料，Bragg反射鏡3由9對138nm的n-Al0 3Ga0.7As/173nm 的 n_Al0.5Ga0.5As 構(gòu)成,波導(dǎo)層 4 是 294nm 的 n_Al0.3Ga0.7As,量子講 5 是IOnm Al0 25Ga0 75As/4nm GaAs/1Onm Ala25Gaa75As 或 GaAs 的多量子講結(jié)構(gòu)組成，全反射層 6是2μηι的P-Ala9GaaiAs,蓋層7是50nm的p-GaAs 上述諧振腔11結(jié)構(gòu)均由外延生長完成，這將提供電致發(fā)光波長為808nm,給定全反射角為63. 97°的TM模式偏振激光。生長之后按照需求進行解理，隨后制作η面電極I和P面電極2。最后在解理出來的出光腔面鍍I. 5 μ m的SiO2作為低折射率介質(zhì)9，和IOOnm的Au作為金屬層10。根據(jù)需要可以在制備電極之前將半導(dǎo)體部分進行脊形或錐形的加工，也可以根據(jù)需要對金屬層的形狀進行加工。波導(dǎo)層4是294nm的n-Ala3Gaa7As，并且確定SiO2作為低折射率介質(zhì)9，和Au作為金屬層10的情況下，在給定全反射角63. 97°時，808nm的激光耦合進成為表面等離子體的效率比較高，至少大于 60%。9 對 138nm 的 n_Ala 3GaQ. 7As/173nm 的 η_Α1α 5GaQ. 5As 構(gòu)成的 Bragg反射鏡3可以提供這個反射角。在808nm波段，全反射層6是2μ m的P-Alci9GatllAs,可以在這個角度下提供足夠的全反射。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，材料常見，工藝較為成熟，容易集成和推廣，將會得到更加廣泛 的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源，其特征在于，該光源包括n面電極(I)、襯底(2)、Bragg反射鏡(3)、波導(dǎo)層(4)、量子阱(5)、全反射層(6)、p面電極(8)、低折射率介質(zhì)(9)和金屬層(10);所述襯底(2)上面依次生長Bragg反射鏡(3)、波導(dǎo)層(4)、量子阱(5 )、全反射層(6 )和P面電極(8 )，所述襯底(2 )下面生長η面電極(I)，所述襯底(2 )側(cè)面依次生長低折射率介質(zhì)(9)和金屬層(10)，所述低折射率介質(zhì)(9)依次與η面電極(I)、襯底(2)、Bragg反射鏡(3)、波導(dǎo)層(4)、量子阱(5)、全反射層(6)和p面電極(8)連接。
2.如權(quán)利要求I所述的Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源，其特征在于，該光源還包括蓋層(7);所述蓋層(7)位于全反射層(6)和P面電極(8)之間。
3.如權(quán)利要求I所述的Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源，其特征在于，所述波導(dǎo)層(4)的折射率高于低折射率介質(zhì)(9)的折射率。
4.如權(quán)利要求I所述的Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源，其特征在于，金屬層(10)的材料折射率虛部小于零。
5.如權(quán)利要求I所述的Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源，其特征在于，金屬層(10)的厚度大于在工作波段的金屬趨膚深度。
6.如權(quán)利要求I所述的Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源，其特征在于，全反射層(6)的厚度和折射率滿足該激光的全反射條件。
7.如權(quán)利要求I所述的Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源，其特征在于，襯底(2)、Bragg反射鏡(3)、波導(dǎo)層(4)、量子阱(5)和全反射層(6)的形狀為脊形半導(dǎo)體激光器或錐形半導(dǎo)體激光器。
全文摘要
Bragg反射鏡耦合表面等離子體激光光源屬于激光器領(lǐng)域，該光源可以有效解決現(xiàn)有光致激發(fā)困難、制作工藝難度大、成本高、集成困難等問題。該光源包括n面電極、襯底、Bragg反射鏡、波導(dǎo)層、量子阱、全反射層、p面電極、低折射率介質(zhì)和金屬層；襯底上面依次生長Bragg反射鏡、波導(dǎo)層、量子阱、全反射層、蓋層、p面電極，襯底下面生長n面電極，襯底側(cè)面依次生長低折射率介質(zhì)和金屬層，低折射率介質(zhì)依次與n面電極、襯底、Bragg反射鏡、波導(dǎo)層、量子阱、全反射層和p面電極連接。本發(fā)明制作工藝相對簡單、性能穩(wěn)定、成本低、容易集成和推廣。
文檔編號H01S5/10GK102931580SQ201210487839
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者王立軍, 陳泳屹, 秦莉, 佟存住, 寧永強 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所