[发明专利]复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器

说明书

复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器。属于微纳光学领域。该结构主要包括金属、低折射率层、有源增益介质层、渐变锥形一维光子晶体、均匀一维光子晶体和波导结构。本发明利用表面等离子体的近场增强和局域特性，以及复合一维光子晶体对光的限制与反馈特性，增强单个表面等离子体谐振腔与复合一维光子晶体纳米梁腔之间的相互作用，结合两者谐振腔的优势，设计Q值较大、模体积较小、激光定向耦合输出效率高的谐振腔结构，这对于研究更加紧凑、速率更快、光束耦合效率高的新型光源具有重要的意义。

技术领域

本发明涉及微纳光子器件/半导体激光器领域，尤其涉及复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器。

背景技术

快速发展的信息技术要求更快计算和更大数据量，因此需要密度更大的组件和更小的尺寸，光互联作为未来信息技术的解决方案，具有大数字容量和带宽，由于存在衍射极限，使器件的尺寸不可能无限小，表面等离子体具有近场局域增强的特性，而且其分布深度可小于波长量级，可以突破衍射极限，有利于光电子集成器件的制作。表面等离子激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射。随着纳米技术和纳米光子学的发展，紧凑微型化激光器在光互连、生物医疗、纳米光刻、数据存储等领域应用前景引人关注。

传统激光器结构由于受到衍射极限的限制，结构尺寸都在波长量级，而表面等离子体纳米激光器尺寸可以突破光的衍射限制，但是由于存在金属层，谐振腔损耗较大，Q值较低，且对于单个表面等离子体谐振腔实现定向高耦合输出困难。

通过结合复合一维光子晶体纳米梁腔，利用复合一维光子晶体纳米梁腔的光反馈与光局域作用，研究两者的耦合腔结构，可以结合两者谐振腔的优势，设计Q值较大、模体积较小、激光定向耦合输出效率高的谐振腔结构，这对于研究更加紧凑、速率更快、光束耦合效率高的新型光源具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器结构设计方法，研究两种腔的强相互作用，在满足超小型光源尺寸下，结合一维光子晶体对光的限制和反馈作用，设计出可以达到较高Q因子、Purcell因子、较小模体积和较高耦合输出效率的激光器性能。

本发明复合一维光子晶体纳米梁腔表面等离子体激光器，其特征在于，包括表面等离子体谐振腔、复合一维光子晶体纳米梁腔和波导结构(图1)，所述的激光器主体为长条的轴对称结构，中间对称点为表面等离子体谐振腔，表面等离子体谐振腔相对的两侧对称，分别依次为复合一维光子晶体纳米梁腔和波导结构，整体形成长条结构；

结构如图1所示，表面等离子体谐振腔包括：最上层作为金属电极和产生表面等离子体的金属层(100)，位于金属层下方的依次是缓冲接触层(102)、提供足够光放大的有源增益介质层(104)；

复合一维光子晶体纳米梁腔(106)为在光子晶体高折射率层(112)中设有空气孔，自表面等离子体谐振腔沿长条结构向外依次包括半径和周期逐渐增大的离散的第一圆柱空气通孔部分(108)、半径和周期不变的均匀得离散的第二圆柱空气通孔部分(110)，所述的圆柱空气孔轴垂直于表面等离子体谐振腔的各层。

本发明结构中表面等离子体谐振腔的俯视截面结构可以是正方形或长方形，截面尺寸在100nm-1000nm，腔高度范围在100nm-1000nm。

本发明结构中金属层(100)的金属材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍中的任意一种，金属层厚度在50nm-300nm范围之间。

本发明结构中有源增益介质层为多量子阱层，量子阱材料为不同组分的砷化镓、铝钾砷、磷化铟、铟镓砷磷等Ⅲ-Ⅴ族材料，其厚度在100-1000nm之间。