[發(fā)明專利]二維等離子激光裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810475426.0
• 申請日: 2018-05-17
• 公開（公告）號: CN110071423B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 果尚志;王俊元
• 申請（專利權(quán)）人: 果尚志
• 主分類號: H01S5/06
• 分類號: H01S5/06;H01S5/10
• 代理公司: 北京中原華和知識產(chǎn)權(quán)代理有限責任公司 11019
• 代理人: 壽寧;張華輝

一種二維等離子激光裝置，包含表面等離子共振腔，以及半導體原子單層所構(gòu)成的增益介質(zhì)。該增益介質(zhì)位于等離子共振腔上。經(jīng)由光激發(fā)或電激發(fā)，該表面等離子共振腔提供激光回饋機制，其表面等離子耦合增益介質(zhì)中的電子電洞對，使激光由二維等離子激光裝置的表面射出。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是有關(guān)于一種半導體激光，特別是一種面射型激光元件與方法。

背景技術(shù)

因為過渡金屬硫族化物(transition metal dichalcogenide，TMDC)由多層轉(zhuǎn)為單層時會由間接能隙變成直接能隙的特性，使其成為發(fā)展半導體發(fā)光裝置深具前途的材料[1]。最近，此類半導體發(fā)光裝置一重要的發(fā)展是將高Q值(high Q，Q大約1000至5000)的光子共振腔模態(tài)，例如光子晶體[2,4]的缺陷模態(tài)(defect modes)以及微盤(microdisk)[3]的回音壁模態(tài)(whispering-galley modes)，耦合二維(two-dimensional)半導體單層而發(fā)出激光[2-4]。然而，在這些光子共振腔激光的設(shè)計中，單層過渡金屬硫族化物的二維材料特性還沒有被完全探究。特別是，單層過渡金屬硫族化物開啟了基于半導體面射型激光(semiconductor-based surface-emitting laser)的可能性。與現(xiàn)有習知的邊射型半導體激光元件相反，面射型激光元件具有好的光取出效率并可用于制作低閾值(lasingthreshold)的二維激光陣列，可望應(yīng)用在高速光通信、顯示、發(fā)光、感應(yīng)，以及影像等領(lǐng)域的裝置上。現(xiàn)今，范德瓦爾(ven der Waals)單層(如過渡金屬硫族化物、石墨烯(graphene)、氮化硼(hexagonal boron nitride，BN))為天然鈍化(naturally passivated)，導致形成裝置時有許多例外的變化，例如，經(jīng)由堆疊形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及與相異材料(如金屬、氧化物等)輕易形成整合。

垂直共振腔邊射型激光(vertical-cavity surface-emitting laser)是一種半導體激光二極管，其激光方向垂直于元件的頂表面。此類型的激光共振器是由兩面布拉格反射鏡(DBR)相夾一個由一到數(shù)個量子井所構(gòu)成的晶元主動反應(yīng)區(qū)，使激光帶存在于其中。而平面的布拉格反射鏡是由交替不同高低折射率的透鏡所組成，其中每層透鏡的厚度為四分之一的激光波長。迄今，由于布拉格反射鏡材料的光、電、熱性質(zhì)不佳，許多波長范圍無法做到激光，特別是可見光與長波長的紅外線波長區(qū)段，使得此類型激光在應(yīng)用上受到很大的限制。

為了實踐半導體單層面射型激光，激子(exciton)的二維幾何與橫向(in-planeorientation)偶極矩需要一個設(shè)計完美的激光共振腔。基于金屬的極子(Surface PlasmonPolaritons)共振腔，因其可集結(jié)傳播極子沿著金屬與介電物質(zhì)的界面，使與緊緊局限于腔內(nèi)的激子偶極矩近場耦合而特別受到注目。單層過渡金屬硫族化物作為新興二維光子材料[6]的初始即注意到此優(yōu)點。最近的研究報告[7]提到其光致發(fā)光(PL)可增加幾個量階。然而，由于十分嚴格要求的共振腔設(shè)計與低損耗等離子材料，表面等離子共振激光迄今仍未被實踐。