[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于半導(dǎo)體增益的低閾值Tamm態(tài)等離子激光器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110820386.0
• 申請(qǐng)日: 2021-07-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113659430B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王濤;楊杰;張浩然;常浩澤;王高峰
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01S5/10
• 分類(lèi)號(hào): H01S5/10;H01S5/30;H01S5/125
• 代理公司: 杭州君度專(zhuān)利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊舟濤

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于半導(dǎo)體增益的低閾值Tamm態(tài)等離子激光器，該激光器由襯底，布拉格反射鏡(DBRs)，有源增益層，金屬層和金屬圓柱陣列組成。在性能上與傳統(tǒng)的激光器相比，本發(fā)明的激光器諧振腔具有超窄線(xiàn)寬，進(jìn)而使得Q值很高，閾值很低。在制備上，在實(shí)際的器件制備中用銀層代替了傳統(tǒng)的上層DBR，減少了激光器的體積。且本發(fā)明采用半導(dǎo)體增益材料替代了傳統(tǒng)的增益，大大減小了制備工藝的復(fù)雜性，同時(shí)極大節(jié)約了激光器的制作成本，展示出了巨大的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微納激光器件領(lǐng)域，特別是對(duì)于半導(dǎo)體增益材料作為有源增益的Tamm態(tài)等離子體激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表征。

背景技術(shù)

Tamm態(tài)等離子是一種新型界面模式，電場(chǎng)局域在兩種不同材料的分界面處，強(qiáng)度達(dá)到最大值，在遠(yuǎn)離交界面后，強(qiáng)度呈指數(shù)性衰減，Tamm態(tài)等離子對(duì)于偏振沒(méi)有依賴(lài)性，且損耗更低，不需要特定的色散補(bǔ)償原件，制備要求也更加低。由于傳統(tǒng)的表面等離子體對(duì)偏振存在依賴(lài)性，且在長(zhǎng)距離傳輸能量方面性能不佳，因此Tamm態(tài)等離子成為了人們研究的一個(gè)新方向。在激光器的設(shè)計(jì)中，如何使激光器的閾值更低以及如何讓激光器更緊湊的集成在光電器件中，一直是激光器研究領(lǐng)域的重要問(wèn)題。因此，為了產(chǎn)生對(duì)激光效應(yīng)必要的光反饋，已經(jīng)發(fā)展出來(lái)不同幾何結(jié)構(gòu)的激光器，如分布反饋激光器，垂直腔面發(fā)射激光器或光子晶體諧振腔。但這些結(jié)構(gòu)仍然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件體積大等問(wèn)題，增加了激光器的制作難度及成本。

現(xiàn)如今隨著納米制備技術(shù)的發(fā)展，基于不同波段以及不同諧振腔結(jié)構(gòu)的激光器被逐一實(shí)現(xiàn)，其中1550nm波段的激光與其他波段相比對(duì)人眼安全性更高，具有良好的穿透能力，且該波段位于石英光纖的最低損耗傳輸窗口，是光纖通信的最佳工作波長(zhǎng)，在人眼安全激光測(cè)距、激光雷達(dá)、遙感探測(cè)、激光微加工、以及環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。但是1550nm波段的激光器目前制備技術(shù)還不成熟，需要設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)以及尋找合適的增益材料來(lái)解決這一問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決上述傳統(tǒng)激光器體積大，制備困難的問(wèn)題，提出了一種基于半導(dǎo)體增益的Tamm態(tài)等離子激光器，工作波段在1550nm，本發(fā)明具有低閾值，體積小，易集成，且制備成本低的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于半導(dǎo)體增益的低閾值Tamm態(tài)等離子激光器，所述激光器由金屬圓柱陣列組成激光器結(jié)構(gòu)，從下往上依次包括襯底，由不同折射率材料組成的布拉格反射鏡(DBRs),半導(dǎo)體增益層，金屬層和金屬圓柱陣列，圓柱的半徑定義為R，高度定義為H，陣列周期定義為D。

作為優(yōu)選，所述的襯底的材料為GaAs，折射率為3.34，其厚度為1.5μm。

作為優(yōu)選，所述的DBR由折射率有差異的材料組成，分別為GaAs/AlGaAs，其折射率分別為3.34/2.97，每一對(duì)DBR中高低折射率材料的厚度通過(guò)公式d＝λ/4n得出，因此GaAs/AlGaAs的厚度是114nm/130nm，DBR對(duì)數(shù)有30對(duì)。

作為優(yōu)選，所述的半導(dǎo)體增益層材料為InGaAsP，其增益譜在1450～1650nm，厚度為90nm。

作為優(yōu)選，所述的金屬層的材料為銀，厚度為20～40nm。

作為優(yōu)選，所述的金屬柱陣列所用的金屬是銀，銀柱的高度在100～170nm，半徑范圍在80～130nm；相鄰圓柱的圓心間距為D＝350nm。

作為優(yōu)選，所述的激光器工作在1550nm波段，且具有超窄線(xiàn)寬。

作為優(yōu)選，所述的激光器結(jié)構(gòu)單個(gè)周期單元橫截面為正方形四個(gè)角切除四個(gè)直角扇形后的形狀。

基于半導(dǎo)體增益的Tamm態(tài)等離子激光器的設(shè)計(jì)方法，具體采用一下步驟，

步驟一：通過(guò)Matlab利用傳輸矩陣法計(jì)算DBR的反射率，通過(guò)調(diào)節(jié)DBR的對(duì)數(shù)使其達(dá)到最優(yōu)參數(shù)，確定DBR的對(duì)數(shù)為30對(duì)；使其再1550nm具有高于99.5％的反射率；