[发明专利]一种多腔耦合增强的纳米等离子体激光器阵列及其制备方法

说明书

一种多腔耦合增强的纳米等离子体激光器阵列及其制备方法，属于光学技术领域。包括半导体衬底，半导体增益谐振腔，绝缘介质层(3)，金属包裹层，在半导体衬底上有半导体增益谐振腔阵列，即在半导体衬底和半导体增益谐振腔阵列的表面设有绝缘介质层，绝缘介质层将每个半导体增益谐振腔包裹，同时绝缘介质层还保持半导体增益谐振腔阵列的图形，即形成半导体增益谐振腔‑绝缘介质层阵列，在绝缘介质层上设有金属包裹层，同时金属包裹层还填充了绝缘介质层上的阵列图形。本发明相邻谐振腔之间的表面等离子模式(倏逝波)相互之间可以进行互相耦合，从而提高了纳米激光器的性能，并实现超高密度等离子体激光器面阵输出。

技术领域

本发明涉及纳米激光器阵列及其制备，具体涉及一种多腔耦合增强的纳米等离子体激光器阵列及其制备方法，属于光学技术领域。主要用于光电集成、光通讯、光信息存储、光学显微、超分辨等领域。

背景技术

表面等离激元提供了一种在纳米尺度下处理光的方式，即光波与金属表面的自由电子共振耦合从而产生沿着金属表面传播的近场电磁波，它具有很强的光场限制能力，是克服光学衍射极限及实现局域电磁场增强的最有效的方式之一。基于表面等离激元的纳米激光器通过介质周围的增益材料对表面等离激元进行放大，并在纳米尺度的谐振腔中谐振，产生强烈的局域表面等离子体共振，因此其物理尺寸比常规激光器小很多，可以突破传统的衍射极限尺寸限制，实现纳米尺度上的光电集成。

目前，基于金属-介质-半导体结构等离子体激光器引起了研究人员的广泛关注，通过金属包裹半导体增益腔，使金属-介质界面的等离子体与高增益介质半导体谐振腔模式耦合，从而使场增强效应得到显著增强。然而该结构纳米等离子体激光器存在金属带来的高损耗问题，限制了激光器的品质因子，导致激光器的阈值偏高，并且由单个纳米激光器的输出光功率低，仅在纳瓦级别。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多腔耦合增强的金属-介质-半导体激光器阵列及其制备方法，通过相邻谐振腔之间的倏逝波近场耦合，提高激光器的品质因子(Q factor)，并且通过阵列方式大大增加了激光器的输出功率，实现超高密度等离子激光器面阵输出。

本发明提供一种纳米等离子体激光器阵列，其结构如图1所示，包括半导体衬底(1)，半导体增益谐振腔(2)，绝缘介质层(3)，金属包裹层(4)，在半导体衬底(1)上有半导体增益谐振腔(2)阵列，即在半导体衬底(1)和半导体增益谐振腔(2)阵列的表面设有绝缘介质层(3)，绝缘介质层(3)将每个半导体增益谐振腔(2)包裹，同时绝缘介质层(3)还保持半导体增益谐振腔(2)阵列的图形，即形成半导体增益谐振腔-绝缘介质层阵列，在绝缘介质层(3)上设有金属包裹层(4)，金属包裹层(4)，同时金属包裹层(4)还填充了绝缘介质层(3)上的阵列图形。

阵列中相邻半导体增益谐振腔-绝缘介质层单元的间距为D(5)。

所述半导体增益谐振腔(2)材料包含但不限于镓砷/铝镓砷、铟磷/铟镓砷磷等半导体材料，谐振腔形状包含但不限于正方形、菱形、圆形、蝶形、六角形，谐振腔边长/直径等为数百纳米数量级。半导体衬底及外延材料可以根据所需求的激射光波段选用不同的半导体材料体系，如用GaAs/AlGaAs材料体系可以获得激射波长为850nm的激光器阵列，此时相对应的半导体谐振腔宽度为200nm-300nm；用InP/InGaAsP材料体系可以获得激射波长为1550nm的激光器阵列，此时相对应在半导体谐振腔宽度为350nm-500nm。

所述绝缘介质层(3)是指二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁等低折射率介质材料，厚度为数纳米至数十纳米之间。

所述的金属包裹层(4)是指金、银、铝、铜、钛、镍、铬材料，或是各自的合金，或是不同金属层复合的材料，厚度大于100nm。

所述的各增益腔之间的距离D(5)为包裹谐振腔的阵列绝缘层(3)之间的间距，距离为不大于140nm。