[發明專利]一種多腔耦合增強的納米等離子體激光器陣列及其制備方法

有效

• 申請號: 201910209417.1
• 申請日: 2019-03-19
• 公開（公告）號: CN109830886B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 關寶璐;張成龍;楊悅;吳宇辰
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01S5/022
• 分類號: H01S5/022;H01S5/40;H01S5/30;H01S5/10;H01S5/04;H01S5/042
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種多腔耦合增強的納米等離子體激光器陣列及其制備方法，屬于光學技術領域。包括半導體襯底，半導體增益諧振腔，絕緣介質層(3)，金屬包裹層，在半導體襯底上有半導體增益諧振腔陣列，即在半導體襯底和半導體增益諧振腔陣列的表面設有絕緣介質層，絕緣介質層將每個半導體增益諧振腔包裹，同時絕緣介質層還保持半導體增益諧振腔陣列的圖形，即形成半導體增益諧振腔?絕緣介質層陣列，在絕緣介質層上設有金屬包裹層，同時金屬包裹層還填充了絕緣介質層上的陣列圖形。本發明相鄰諧振腔之間的表面等離子模式(倏逝波)相互之間可以進行互相耦合，從而提高了納米激光器的性能，并實現超高密度等離子體激光器面陣輸出。

技術領域

本發明涉及納米激光器陣列及其制備，具體涉及一種多腔耦合增強的納米等離子體激光器陣列及其制備方法，屬于光學技術領域。主要用于光電集成、光通訊、光信息存儲、光學顯微、超分辨等領域。

背景技術

表面等離激元提供了一種在納米尺度下處理光的方式，即光波與金屬表面的自由電子共振耦合從而產生沿著金屬表面傳播的近場電磁波，它具有很強的光場限制能力，是克服光學衍射極限及實現局域電磁場增強的最有效的方式之一。基于表面等離激元的納米激光器通過介質周圍的增益材料對表面等離激元進行放大，并在納米尺度的諧振腔中諧振，產生強烈的局域表面等離子體共振，因此其物理尺寸比常規激光器小很多，可以突破傳統的衍射極限尺寸限制，實現納米尺度上的光電集成。

目前，基于金屬-介質-半導體結構等離子體激光器引起了研究人員的廣泛關注，通過金屬包裹半導體增益腔，使金屬-介質界面的等離子體與高增益介質半導體諧振腔模式耦合，從而使場增強效應得到顯著增強。然而該結構納米等離子體激光器存在金屬帶來的高損耗問題，限制了激光器的品質因子，導致激光器的閾值偏高，并且由單個納米激光器的輸出光功率低，僅在納瓦級別。

發明內容

本發明的目的在于提供一種多腔耦合增強的金屬-介質-半導體激光器陣列及其制備方法，通過相鄰諧振腔之間的倏逝波近場耦合，提高激光器的品質因子(Q factor)，并且通過陣列方式大大增加了激光器的輸出功率，實現超高密度等離子激光器面陣輸出。

本發明提供一種納米等離子體激光器陣列，其結構如圖1所示，包括半導體襯底(1)，半導體增益諧振腔(2)，絕緣介質層(3)，金屬包裹層(4)，在半導體襯底(1)上有半導體增益諧振腔(2)陣列，即在半導體襯底(1)和半導體增益諧振腔(2)陣列的表面設有絕緣介質層(3)，絕緣介質層(3)將每個半導體增益諧振腔(2)包裹，同時絕緣介質層(3)還保持半導體增益諧振腔(2)陣列的圖形，即形成半導體增益諧振腔-絕緣介質層陣列，在絕緣介質層(3)上設有金屬包裹層(4)，金屬包裹層(4)，同時金屬包裹層(4)還填充了絕緣介質層(3)上的陣列圖形。

陣列中相鄰半導體增益諧振腔-絕緣介質層單元的間距為D(5)。

所述半導體增益諧振腔(2)材料包含但不限于鎵砷/鋁鎵砷、銦磷/銦鎵砷磷等半導體材料，諧振腔形狀包含但不限于正方形、菱形、圓形、蝶形、六角形，諧振腔邊長/直徑等為數百納米數量級。半導體襯底及外延材料可以根據所需求的激射光波段選用不同的半導體材料體系，如用GaAs/AlGaAs材料體系可以獲得激射波長為850nm的激光器陣列，此時相對應的半導體諧振腔寬度為200nm-300nm；用InP/InGaAsP材料體系可以獲得激射波長為1550nm的激光器陣列，此時相對應在半導體諧振腔寬度為350nm-500nm。

所述絕緣介質層(3)是指二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、氟化鎂等低折射率介質材料，厚度為數納米至數十納米之間。

所述的金屬包裹層(4)是指金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻材料，或是各自的合金，或是不同金屬層復合的材料，厚度大于100nm。

所述的各增益腔之間的距離D(5)為包裹諧振腔的陣列絕緣層(3)之間的間距，距離為不大于140nm。