[發(fā)明專利]一種ZnO量子阱微腔結(jié)構(gòu)的激子極化激元激光器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410291731.6
• 申請(qǐng)日: 2014-06-26
• 公開（公告）號(hào): CN104092097B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宿世臣;張紅艷;趙靈智;何苗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南師范大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S5/347
• 分類號(hào): H01S5/347;H01S5/125
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 邱奕才,汪曉東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光器領(lǐng)域，尤其涉及一種ZnO量子阱微腔結(jié)構(gòu)的激子極化激元激光器件。

背景技術(shù)

半導(dǎo)體及其光子微腔結(jié)構(gòu)中極化激元（polariton）的自發(fā)相干一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。早期人們對(duì)激子極化激元的研究主要集中在半導(dǎo)體體材料，薄膜，量子阱、量子線等低維材料。但是，由于這些體系都是單純的增益介質(zhì)，光場(chǎng)無法得到有效的限制，激子和光子的耦合效率低，導(dǎo)致激子極化激元激光的研究沒有較大的進(jìn)展。

1992年，Claude Weisbuch等人把半導(dǎo)體平板微腔引入激子極化激元的研究。由于微腔的引入，光場(chǎng)被有效地限制在介質(zhì)體系中，激子和光場(chǎng)的耦合效率顯著提高，激子-光學(xué)模式能級(jí)的反交叉在試驗(yàn)中被觀測(cè)到。在這個(gè)器件中，利用GaAlAs/AlAs分布式布拉格反射鏡(DBR)做為F-P平板腔的上下高反射鏡，中間用GaAs量子阱為增益介質(zhì)。利用反射譜觀測(cè)到激子和光場(chǎng)共振時(shí)所表現(xiàn)出來的激子極化激元的能級(jí)反交叉現(xiàn)象。因?yàn)樵谄桨逦⑶恢屑ぷ訕O化激元的波矢在垂直于量子阱方向是受限的，k在垂直方向只能取某些特定值，而在平行于量子阱的二維面內(nèi)，激子極化激元在平面內(nèi)的波矢k可以取任意值，這樣激子極化激元的本征頻率和平面內(nèi)平行的波矢k就構(gòu)成相應(yīng)的色散關(guān)系，被稱作做腔激子極化激元面內(nèi)色散。由此人們就可以通過角分辨光致發(fā)光譜來研究腔激子極化激元。由于激子極化激元的具有波色子特性，Imamoglu 等人第一次提出激子極化激元的波色子特性可以發(fā)生波色-愛因斯坦凝聚，得到相干性很好的激光。這種激光器的閾值比傳統(tǒng)的激光器的更低。2006年，關(guān)于激子極化激元發(fā)生波色-愛因斯坦凝聚的現(xiàn)象在CdTe微腔中得到全面的證實(shí)。

由于激子極化激元具有以上這些優(yōu)異的特性，極化激元光子器件已經(jīng)成為目前物理學(xué)及光電子學(xué)領(lǐng)域的前沿和研究熱點(diǎn)。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，目前人們主要致力以下兩方面研究：一是如何提高激子極化激元的穩(wěn)定性，克服室溫?zé)崮艿募せ钜约案呙芏葪l件下激子極化激元之間的相互碰撞離化，保證室溫條件下器件能夠穩(wěn)定的工作，二是實(shí)現(xiàn)電泵浦的激子極化激元LED以及激光器件。但是傳統(tǒng)的GaAs系列材料激子束縛能比較?。ǖ湫椭?6meV）遠(yuǎn)低于室溫激活能（26meV），激子不能在室溫下存在，所以人們考慮激子束縛能和激子振子強(qiáng)度更大的寬帶隙材料，如GaN，ZnO等。S. Christopoulos等人在GaN微腔中觀察到室溫下的激子極化激元的受激發(fā)射。Ayan Das等人在GaN納米線結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了室溫下激子極化激元受激發(fā)射。雖然國(guó)際上這些研究小組已經(jīng)在GaN材料中觀察到了光學(xué)泵浦的激子極化激元受激發(fā)射。然而在實(shí)現(xiàn)GaN材料電注入的激子極化激元受激發(fā)射方面研究仍然沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。目前GaN材料激子極化激元電注入激光的難點(diǎn)是高電流注入高密度的激子極化激元的穩(wěn)定性。

ZnO體材料同GaN體材料相比具有更大的激子束縛能（60meV）（E_GaN=25meV），振子強(qiáng)度更強(qiáng)，光學(xué)增益特性更好。有望實(shí)現(xiàn)室溫條件下光泵浦和電泵浦的激子極化激元激光。

近年來關(guān)于ZnO材料的激子極化激元研究也引起了人們的重視。M. Zamfirescu 模擬利用ZnO體材料作為微腔，ZnO/Mg_0.3Zn_0.7O作為上下層的DBRs結(jié)構(gòu)，得出該結(jié)構(gòu)的拉比能量為120meV，室溫下的激子極化激元的受激發(fā)射閾值為2mW。H. Morko?研究組在ZnO微腔結(jié)構(gòu)中觀察到了微腔中的激子極化激元的腔模式和激子的能量反交叉行為。接下來法國(guó)和德國(guó)的研究小組分別在120K和250K的情況下在ZnO體材料微腔中得到了ZnO激子極化激元的受激發(fā)射。上海復(fù)旦大學(xué)沈?qū)W礎(chǔ)院士的研究組針對(duì)ZnO納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了ZnO激子極化激元的相關(guān)的研究工作，在ZnO回音壁微腔結(jié)構(gòu)中，觀察到了激子極化激元的色散，室溫下激子極化激元的激射等現(xiàn)象，為研究室溫下激子極化激元器件另辟蹊徑。在接下來的一段時(shí)間中也有關(guān)于ZnO納米結(jié)構(gòu)中激子極化激元的研究，但是在激光器件方面都沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。在體材料微腔中實(shí)現(xiàn)激子極化激元激光是至關(guān)重要的，更有利于器件的實(shí)用化。但是目前在ZnO量子阱中還沒有關(guān)于室溫下激子極化激元激光的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種ZnO量子阱微腔結(jié)構(gòu)的激子極化激元激光器件，實(shí)現(xiàn)室溫條件下的超低閾值激子極化激元激光。

本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：