半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器

摘要

一种半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器，主要由实心半导体纳米线，空心半导体纳米线，量子点，金属薄膜构成，采用密布着量子点的半导体纳米线-金属薄膜结构，在外激励下半导体纳米线发出高频激光，经由纳米线表面的量子点吸收，辐射出低频光，从而使激光的波长得到调制，并在金属薄膜表面激发表面等离子体激元模式。通过改变量子点半径，表面形貌和材料组成等，可以获得多个发光峰，成为宽光谱光源。与传统的纳米量级激光器相比，获得良好的纳米尺寸相干光的同时，能够对输出激光波长可调。具有尺寸小、光强密度高、波长可调节和宽光谱增益等优点。

权利要求

1. 一种半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器，其特征在于，该激光器包括半导体纳米线、量子点（2）和金属薄膜（3），所述量子点（2）分布于半导体纳米线表面，所述半导体纳米线与金属薄膜（3）之间：半导体纳米线紧贴在金属薄膜（3）表面上，其间无间隙；或者半导体纳米线与金属薄膜（3）表面之间有间隙，所述间隙中分布有量子点（2）。

2. 根据权利要求1所述的半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器，其特征在于，所述半导体纳米线构成的谐振腔的半径在500nm以内，所述金属薄膜（3）的厚度在100nm以上。

3. 根据权利要求1或2所述的半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器，其特征在于，所述的半导体纳米线为实心半导体纳米线（1），所述量子点（2）分布于实心半导体纳米线（1）的外表面。

4. 根据权利要求1或2所述的半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器，其特征在于，所述的半导体纳米线为空心半导体纳米线（4），所述量子点（2）分布于空心半导体纳米线（4）的外表面及内壁上。

说明书

半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器

技术领域

[0001] 本发明属于纳米光学领域，涉及一种表面等离子体激元激光器。

背景技术

[0002] 激光学领域已经能够研制出功率高，速度快，尺寸小的相干光源。目前的微激光器已经能够接近或者达到光学衍射极限，比如基于光子晶体、金属包腔和半导体微米线的微型激光器。然而，这些激光器均为微米尺度的激光器，受到传统光学衍射极限的限制，激光器的光斑均为波长量级，不管是在光场模式尺寸还是在物理器件尺寸上都超过了光场的半波长。为进一步提高激光器的集成度，为未来纳米尺度集成光学芯片提供光源，研究者开始研究具有纳米尺度光斑的激光器。

[0003] 目前有两种方法来制作纳米尺度激光器。一种是单独使用半导体纳米线作为增益介质的激光器，其中，纳米线既是光增益介质，又是光学谐振腔。半导体纳米线折射率高，与周围低折射率介质折射率差较大，因此可在一定程度上减小激光的光斑尺寸。然而，这种半导体纳米线激光器并非真正意义的亚波长激光器，当纳米线半径远小于波长量级时，纳米线对光场束缚能力将大幅减弱，无法形成激光。另一种能够真正意义上实现突破光学衍射极限的纳米激光器是传输表面等离子体激元模式的金属-纳米线结构的激光器。这种激光器可将光束缚在金属和纳米线的界面处，以突破光学衍射极限的表面等离子体激元模式传输光信号，并形成激光。但是，半导体纳米线本征激发波长一般在紫外波段，或高频可见光波段。在紫外波段，金属呈现“光学透明”，类似于一般介质材料，在该波段无法形成高束缚特性的表面等离子体激元模式。而在高频可见光波段，金属具有很高的欧姆损耗，很难达到激发激光所需要的阈值条件，因此，利用半导体纳米线作为增益介质，很难实现高品质的亚波长纳米激光器，也无法实现长波段可见光和红外波段的纳米激光谐振效应，尚无法满足未来纳米光通信领域的实际需求。

[0004] 量子点通常是一种由n-VI族或m-V族元素组成的纳米颗粒，直径在1-10nm之间的半导体纳米颗粒。理论分析表明，当材料的特征尺寸在三个维度上都与电子的德布罗意波长或电子平均自由程相比拟或更小时，电子在材料中的运动受到三维限制，也就是说电子的能量在三个维度上都是量子化的，故也称电子在三个维度上都受限制的材料为量子点。量子点可作为光学增益介质，也可通过控制量子点形貌、尺寸和材料组成等因素对其发光特性进行调节。

发明内容

[0005] 技术问题：本发明提供了一种光场模式尺寸在纳米量级的半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器，本发明作为纳米尺寸的光学集成光源，应用于纳米光学领域，具有尺寸小、光强密度高、波长可调节和宽光谱增益等优点。

[0006] 技术方案：本发明的半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器，包括半导体纳米线、量子点和金属薄膜，所述量子点分布于半导体纳米线表面，所述半导体纳米线与金属薄膜之间：半导体纳米线紧贴在金属薄膜表面上，其间无间隙；或者半导体纳米线与金属薄膜表面之间有间隙，所述间隙中分布有量子点。

[0007] 本发明中，半导体纳米线构成的谐振腔的半径在500nm以内，所述金属薄膜的厚度在100nm以上。

[0008] 本发明的一种方案中，半导体纳米线为实心半导体纳米线，量子点分布于实心半导体纳米线的外表面。

[0009] 本发明的一种方案中，半导体纳米线为空心半导体纳米线，所述量子点分布于空心半导体纳米线的外表面及内壁上。

[0010] 本发明的表面等离子体激元激光器集成了谐振腔、增益介质和光场传输波导，其中谐振腔是由半导体纳米线实现得，增益介质是由半导体纳米线和量子点实现的，光场传输波导是由半导体纳米线和金属薄膜实现的。量子点颗粒的半径在1~100nm之间。

[0011] 本发明提出的半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器工作原理如下：激励方式可为光泵浦或电泵谱，激光器在激励下，在纳米线中电子发生能级跃迁，受激辐射出高频光，而无机半导体纳米线既可以作为光增益介质又可以作为光谐振腔，辐射出的高频光（波长与纳米线材料有关）获得增益并谐振输出，从而输出激光。由于半导体纳米线自身直径是纳米级的，外包层介质（本发明中为空气）的折射率相对纳米线自身较小，半导体纳米线作为光波导将激发出的激光约束在很小的范围内，大部分能量集中于纳米线表面。半导体纳米线表面分布着量子点，而量子点是一种多能级物质，半导体纳米线激发出来的高频光入射到量子点中，量子点中的电子发生能级跃迁，并辐射出低频的光，从而使激光的波长得到调制，输出不同波长的激光。激光波长取决于量子点半径，表面形貌和材料组成等。经过量子点调制发出的低频光，在半导体纳米线-金属构成的波导界面传播，由于光场的激励，金属中产生集群电子振动，光场与集群电子振动相互耦合，形成电磁场沿着金属和电介质界面处向前传播，即表面等离子体激元，产生表面等离子体激元模式光场，其能量集中于金属薄膜与半导体纳米线界面处。这样就得到了一个能够调节（主要通过改变量子点半径，表面形貌和材料组成等）输出激光波长的表面等离子体激元激光器，可以有多个发光峰，成为宽光谱光源。

[0012] 有益效果：本发明与现有技术相比具有以下的优点：

[0013] 1.本发明提出的半导体纳米线-金属薄膜结构的激光器，通过量子点对半导体纳米线激发出的激光进行波长调制，获得长波长激光（波长在500nm以上）输出，是长波段激光器，这是传统半导体激光器难以获得的激光波段。传统半导体激光器基于电子受激辐射的原理，辐射出得光的波长由半导体导带和价带能级之间的能量差决定，也就是由半导体材料决定，而目前用于半导体激光器的半导体材料，其导带与价带能级之间的能量差较大，受激辐射出的光子能量较高，对应的光波长较短（一般在400nm以下或者更低），而在该波段，金属材料呈现光学透明特性，无法形成突破衍射极限的表面等离子体激元模式，因此无法实现真正意义上的纳米激光，更无法实现长波段的纳米激光器。而量子点是多能级结构介质，其中间能级与导带能级和价带能级间的能量差相对较小，故而半导体激光器辐射出的激光作为激励源时，量子点能够辐射出能量较低的光子，所对应的光波长相对较长，因而能够实现长波段激光器。

[0014] 2.本发明提出的基于量子点波长调制的半导体纳米线-金属薄膜结构的激光器，在半导体纳米线激发出激光的基础上，用量子点进行光波长调制，在器件制备中，可以通过改变量子点半径，表面形貌和材料组成等，获得具有不同发光峰的激光器，甚至可以实现同时具有多个发光峰的宽光谱光源。量子点的能级结构由子点半径，表面形貌和材料组成等因素决定，可以通过改变工艺的参数，获得需要的能级结构，也就能获得需要的激光波长，相较于传统半导体激光器，对输出激光波长的调制能力更强，更易于实现。而通过引入不同类型的量子点或者其他方法，能够获得多个发光峰的宽光谱光源，具有广阔的应用前景。

[0015] 3.本发明提出的半导体纳米线-金属薄膜结构的激光器中，利用半导体增益介质激发高频光信号，并将能量传递给量子点增益介质，激发出低频光信号，进而形成激光。这种独特的能量传递方式，扩展了现在激光增益材料的使用范围，使得一些性能更好的增益介质能够应用到激光器中。例如，氧化锌纳米线是一种研究非常广泛，具有良好光电特性的半导体纳米材料，但其本征发光峰为390nm附近，在该波段，金属呈现光学透明特性，在氧化锌内传输的光信号为光模式，无法形成表面等离子激元模式，所以氧化锌无法用于制备具有突破衍射极限的纳米表面等离子体激元激光器。而本发明所提出的结构，利用量子点修饰氧化锌纳米线，利用能量专递的方法，使得氧化锌本征激发光信号传递给量子点，激发出长波段的表面等离子体激元模式，并形成激光，即可利用氧化锌纳米线制备出长波段的纳米激光器，这无疑是对传统技术限制的重要突破。

[0016] 4.本发明提出的半导体纳米线-金属薄膜结构的激光器，通过半导体纳米线-金属薄膜的结构，将光场束缚在纳米线表面和金属与纳米线的界面处，光场能够与密着的量子点充分接触，是量子点与光模式充分重叠，获得很高的波长调制效率。理论上，光调制介质与光模式的重叠越充分，调制效率越高，本发明中，量子点与光模式完全重叠，这样量子点的参数的改变，能够很灵敏得获得输出激光波长的改变，使得工艺难度降低，更容易实现量子点对输出激光波长的调制。

附图说明

[0017] 图1为实施例1中实心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器结构图；

[0018] 图2为实施例1中空心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器结构图；

[0019] 图3为实施例1中实心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器平面结构图；

[0020] 图4为实施例1中空心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器平面结构图；

[0021] 图5为本发明的半导体纳米线-金属薄膜结构激光器俯视图；

[0022] 图6a为实施例1中实心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器的纳米线本征激发光模式分布示意图；

[0023] 图6b为实施例1中实心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器量子点激发的表面等离子体激元模式分布示意图；

[0024] 图7a为实施例1中空心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器的纳米线本征激发光模式分布示意图；

[0025] 图7b为实施例1中空心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器量子点激发的表面等离子体激元模式分布示意图；

[0026] 图8为实施例2中实心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器结构图；

[0027] 图9为实施例2中空心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器结构图；

[0028] 图10为实施例2中实心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器平面结构图；

[0029] 图11为实施例2中空心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器平面结构图；

[0030] 图12a为实施例2中实心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器的纳米线本征激发光模式分布示意图；

[0031] 图12b为实施例2中实心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器量子点激发的表面等离子体激元模式分布示意图；

[0032] 图13a为实施例2中空心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器的纳米线本征激发光模式分布示意图；

[0033] 图13b为实施例2中空心半导体纳米线-金属薄膜结构激光器量子点激发的表面等离子体激元模式分布示意图

[0034] 图中有：实心纳米线1、量子点2、金属薄膜3、空心半导体纳米线4。

具体实施方式

[0035] 以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

[0036] 实施例1：

[0037] 本实施例的半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器，主要有图1、图2两种结构，结构1中包括实心半导体纳米线1、量子点2和金属薄膜3，实心半导体纳米线1紧贴在金属薄膜3表面上，其间无间隙，量子点2分布于实心半导体纳米线1表面。

[0038] 图2的结构包括空心半导体纳米线4、量子点2和金属薄膜3，空心半导体纳米线4紧贴在金属薄膜3表面上，其间无间隙，量子点2分布于空心半导体纳米线4的外表面及内壁上。图2的结构是使用如电子束穿透等技术在半导体纳米线上打出空心，就形成了空心半导体纳米线4，空心内壁表面分布着量子点。

[0039] 本发明中，由半导体纳米线构成的谐振腔的半径在500nm以内，金属薄膜3的厚度在100nm以上，量子点2颗粒的半径在1~100nm之间，空心半导体纳米线的空心内半径为50~300nm之间。

[0040] 纳米线材料是具有光增益的无机半导体材料，如氧化锌（ZnO）、氮化镓（GaN）、磷化铟（InP）等。其中氧化锌是一种具有压电和光电特性的直接带隙宽禁带半导体材料，制备工艺较为简单而且可控性较好。金属薄膜材料包括金、银、铜等重金属。量子点材料包括砷化铟（InAs）、磷化铟（InP）、铟镓砷（InGaAs）、铟镓氮（InGaN）、含镉的化合物CdX（X为硫、硒、碲等）等材料。

[0041] 本发明提出的基于量子点波长调制的半导体纳米线-金属薄膜结构的表面等离子体激元激光器的两种几何结构的光场模式的分布有所不同。用图6a、图6b分别表示图1结构半导体纳米线激发的光场分布与金属表面耦合出得表面等离子体激元模式分布，图6a所示光场主要分布于半导体纳米线内，图6b所示表面等离子体激元模式主要分布于半导体纳米线与金属薄膜3表层的界面处，在上下方向渗透，透入到金属薄膜3与半导体纳米线材料中；用图7a、图7b分别表示图2结构半导体纳米线激发的光场分布与表面等离子体激元模式分布，图7a所示光场能量主要分布在半导体纳米线外空心和外表面处，图7b所示其表面等离子体激元模式主要分布于半导体纳米线与金属薄膜3表层的界面处，在上下方向渗透，透入到金属薄膜3与半导体纳米线材料中,而在金属与半导体中表面等离子体激元模式很弱。对比图6与图7的光场模式分布可以发现，空心半导体纳米线对光场的束缚能力更强，更容易获得高能量密度激光；而实心纳米线输出的激光能量密度相对低一些。

[0042] 实施例2：

[0043] 本实施例有图8、图9两种结构，图8的结构中包括实心半导体纳米线1、量子点2和金属薄膜3，量子点2分布于实心半导体纳米线1表面，实心半导体纳米线1与金属薄膜3表面之间有间隙，间隙中分布有至少一层量子点2。

[0044] 图9的结构包括空心半导体纳米线4、量子点2和金属薄膜3，量子点2分布于空心半导体纳米线4的外表面及内壁上，空心半导体纳米线4与金属薄膜3表面之间有间隙，间隙中分布有至少一层量子点2。图9的结构是使用如电子束穿透等技术在半导体纳米线上打出空心，就形成了空心半导体纳米线4，空心内壁表面分布着量子点。

[0045] 用图12a、图12b分别表示图8结构半导体纳米线激发的光场分布与金属表面耦合出得表面等离子体激元模式分布，图12a所示光场主要分布于半导体纳米线内，图12b所示表面等离子体激元模式主要分布于半导体纳米线与金属薄膜表层之间的间隙处，在上下方向渗透，透入到金属薄膜3与半导体纳米线材料中；用图13a、图13b分别表示图9结构半导体纳米线激发的光场分布与表面等离子体激元模式分布，图13a所示光场能量主要分布在半导体纳米线外空心和外表面处，图13b所示其表面等离子体激元模式主要分布于半导体纳米线与金属薄膜表层之间的间隙处，由于空心半导体纳米线对光模式的束缚能力很强，光模式在上下方向透入到金属薄膜与半导体纳米线材料中的模式很弱。对比图12与图13的光场模式分布可以发现，空心半导体纳米线对光场的束缚能力更强，更容易获得高能量密度激光；而实心纳米线输出的激光能量密度相对低一些。而对比图6与图12的光场模式分布可以发现，半导体纳米线-间隙-金属薄膜结构的激光器可以将光模式更好的束缚在半导体纳米线与金属薄膜之间的间隙当中，获得更密集的光模式。