[发明专利]一种低阈值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，具体涉及一种低阈值表面等离子体激光器。

背景技术

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在增益介质区域内实现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。

为了进一步降低上述激光器的工作阈值，我们提出了一种基于由增益介质包裹的金属纳米线的新型激光器结构。与张翔研究组研究的经典混合型激光器相比，所提结构可以实现更强的模场限制以及更低的传输损耗，因而使得降低工作阈值成为可能。该激光器结构简单，加工方便，可兼容各类光波导及器件，从而为有源表面等离子体器件和集成光路奠定基础。

发明内容

本发明提供了一种低阈值表面等离子体激光器结构，包含基底层、位于基底层上的金属区域、包覆基底层和金属区域的介质缓冲层、介质缓冲层上的增益介质区域以及包层；所述金属区域下方与基底层相接，其上方及两侧均与介质缓冲层相接，金属区域的宽度范围为激光器输出光的波长的0.04-0.4倍，高度范围为激光器输出光的波长的0.04-0.4倍；介质缓冲层的厚度为激光器输出光的波长的0.004-0.04倍；增益介质区域在激光器输出光的波长上具有光学增益，金属区域和金属区域上方及两侧的介质缓冲层被增益介质区域包围，增益介质区域下方与介质缓冲层相接，增益介质区域外轮廓的宽度范围为激光器输出光的波长的0.25-0.7倍，增益介质区域外轮廓的高度范围为激光器输出光的波长的0.15-0.3倍，且增益介质区域外轮廓的宽度和高度分别大于金属区域的宽度和高度；金属区域、介质缓冲层以及增益介质区域的纵向长度不超过100微米，且三者长度相等；在长度方向上，金属区域、介质缓冲层以及增益介质区域的横截面形状和尺寸均保持不变；基底层的材料折射率不低于介质缓冲层和包层的材料折射率，介质缓冲层和包层的材料为相同材料或不同材料，增益介质区域的材料折射率高于基底层、介质缓冲层以及包层的材料折射率，基底层、介质缓冲层和包层的材料折射率的最大值与增益介质区域的材料折射率的比值小于0.75。

所述激光器结构中金属区域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介质区域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。

所述激光器结构中增益介质区域外轮廓的截面形状为矩形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

所述激光器结构中金属区域的截面形状为矩形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

本发明的低阈值表面等离子体激光器具有以下优点：

1.所提低阈值表面等离子体激光器基于增益介质和金属纳米线的表面等离子激元模式的耦合，可将辐射光场限制在纳米线两侧的低折射率介质层中，从而实现对激光器输出光场的二维亚波长约束，同时增益介质中还限制了较大部分的模场，且仍能保持较低的传输损耗，因而可实现激光器的低阈值工作。

2.所提低阈值表面等离子体激光器可与现有加工工艺相匹配，易用于构建各类集成有源表面等离子体器件。

附图说明