[发明专利]一种同心纳米线表面等离子体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及微纳光子器件/激光领域，具体涉及一种同心纳米线表面等离子体激光器。

背景技术

纳米线具有优良的光学和电学特性，其已被广泛应用于各类光学和光电器件，覆盖范围从导波到激发光辐射等。纳米线光子学技术在近年来得到了迅速发展。其中的半导体纳米线因其小尺寸、大折射率差的特点，已被用作稳定的激光光源。随着纳米科技的兴起，纳米激光器的研究成为一个崭新的重要课题。纳米激光器在诸多领域，包括电子通讯、信息存储、生化传感器、纳米光刻等方面都有很强的应用价值。

此外研究人员近年来还尝试将表面等离子体技术应用到激光领域。表面等离子体是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式，基于表面等离子体的结构可以将横向光场限制在远小于波长的尺寸范围，从而突破衍射极限的限制。很多研究者正利用表面等离子体突破衍射极限这一特点，致力于激光器元件的小型化。但是，为降低激光器的工作阈值，需要同时满足低损耗传输和增益介质区域的较强场限制能力这两个条件，而这正是传统表面等离子体激元光波导无法克服的问题。

加州大学伯克利分校的张翔研究小组最新研究发现在低折射率介质/金属平面结构的附近添加一个高折射率介质层，可将光场约束到高折射率介质层和金属界面之间的低折射率介质狭缝中传输，同时保持较低的传输损耗。该波导结构克服了传统表面等离子体激元光波导结构无法平衡模场限制能力和传输损耗这两个物理量的问题。基于该波导结构，该研究小组开发出了小型半导体激光器。该激光器是在银薄膜上通过厚5nm的氟化镁绝缘层制作载有直径约100nm的硫化镉纳米线的元件，对其照射激发光，使得银层与纳米线之间产生表面等离子体，从而作为激光器振荡。该激光器通过利用表面等离子体技术，将发光部的尺寸降至发射光波长的1/20以下，有利于大幅扩大光通信的通信容量及电路光化。

上述表面等离子体激光器基于的是平面多层结构，其加工过程包含金属薄膜的蒸镀，有些复杂的结构还需要采用光刻等加工工艺。这里，为了降低加工复杂度，我们引入金属纳米线结构。金属纳米线表面由低折射率/高折射率组成的介质层包覆。高折射率介质层和金属纳米线之间显著的耦合效应产生环形混合表面等离子体模式。该激光器结构加工制作过程比较简单，且可以与多种光波导及器件很好的兼容，对于纳米线有源表面等离子体器件和集成光路的发展具有一定意义。

发明内容

本发明提供了一种同心纳米线表面等离子体激光器结构，包含金属纳米线、包覆金属纳米线的介质缓冲层和增益层、以及基底层和包层，其中包覆有介质缓冲层和增益层的金属纳米线位于基底层上，介质缓冲层位于金属纳米线和增益层之间；金属纳米线的最大宽度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍；金属纳米线和其包覆的介质缓冲层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度为激光器输出光的波长的0.05-0.7倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.05-0.7倍，且金属纳米线和其包覆的介质缓冲层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度和最大高度分别大于金属纳米线的最大宽度和最大高度；包覆金属纳米线的增益层在激光器输出光的波长上具有光学增益，金属纳米线和其包覆的介质缓冲层、增益层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度为激光器输出光的波长的0.2-1.5倍，最大高度为激光器输出光的波长的0.2-1.5倍，且金属纳米线和其包覆的介质缓冲层、增益层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度和最大高度分别大于金属纳米线和其包覆的介质缓冲层共同构成的区域的外轮廓的最大宽度和最大高度；金属纳米线以及包覆金属纳米线的介质缓冲层和增益层的纵向长度不超过100微米；在长度方向上，金属纳米线、包覆金属纳米线的介质缓冲层以及增益层横截面形状和尺寸均保持不变；包覆金属纳米线的介质缓冲层的材料折射率不低于1.4，基底层的材料折射率不低于包层和包覆金属纳米线的介质缓冲层的材料折射率，包层和包覆金属纳米线的介质缓冲层的材料为相同材料或不同材料，增益层的材料折射率高于基底层、包层以及包覆金属纳米线的介质缓冲层的材料折射率，基底层、包层以及包覆金属纳米线的介质缓冲层的材料折射率的最大值与增益层的材料折射率的比值小于0.75。

所述激光器结构中金属纳米线的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。

所述激光器结构中增益层的材料为有光学增益的有机材料或无机材料中的任何一种。