[发明专利]一种纳米管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，具体涉及一种纳米管表面等离子体激光器。

背景技术

近年来，纳米线光子学技术的相关研究得到了国内外学者的广泛关注。由于纳米线具有优良的光学和电学特性，其已被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。其中，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。

另一方面，表面等离子体技术和激光技术的结合也成为当今一大研究热点。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。

这里，为了进一步降低上述混合型波导的传输损耗，我们这里采用增益介质纳米管结构，纳米管的中心由低折射率介质填充(如空气)。高折射率增益介质纳米管与金属基底的耦合，可将光场有效的分布在低折射率的介质缓冲层中，使其仍能保持较强的模场限制能力。该激光器结构加工方便，可兼容各类光波导及器件，为纳米线有源表面等离子体器件和集成光路奠定基础。

发明内容

本发明提供了一种纳米管表面等离子体激光器结构，包含金属基底层、位于金属基底层上的介质缓冲层、介质缓冲层上的增益介质纳米管、增益介质纳米管中心的填充区域以及包层；其中，介质层缓冲层的宽度不小于所传输的光信号的波长的0.1倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍；增益介质纳米管在激光器输出光的波长上具有光学增益，其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；增益介质纳米管中心的填充区域的最大宽度为激光器输出光的波长的0.02-0.48倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.02-0.48倍，且增益介质纳米管中心的填充区域的最大宽度和最大高度分别小于增益介质纳米管的最大宽度和最大高度；增益介质纳米管及其中心的填充区域的纵向长度不超过100微米，且两者长度相等；在长度方向上，增益介质纳米管及其中心的填充区域的横截面形状和尺寸均保持不变；介质缓冲层的材料折射率不低于包层和增益介质纳米管中心的填充区域的材料折射率，包层和增益介质纳米管中心的填充区域的材料可为相同材料或不同材料，增益介质纳米管的材料折射率高于基底层、包层以及增益介质纳米管中心的填充区域的材料折射率，介质缓冲层、包层以及增益介质纳米管中心的填充区域的材料折射率的最大值与增益介质纳米管的材料折射率的比值小于0.75。

所述纳米管表面等离子体激光器结构中金属基底层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。

所述纳米管表面等离子体激光器结构中增益介质纳米管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。

所述纳米管表面等离子体激光器结构中增益介质纳米管和增益介质纳米管中心的填充区域的外轮廓的截面形状为矩形、三角形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

本发明的纳米管表面等离子体激光器具有以下优点：