CN113659430B - 一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器 - Google Patents

一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器，该激光器由衬底，布拉格反射镜(DBRs)，有源增益层，金属层和金属圆柱阵列组成。在性能上与传统的激光器相比，本发明的激光器谐振腔具有超窄线宽，进而使得Q值很高，阈值很低。在制备上，在实际的器件制备中用银层代替了传统的上层DBR，减少了激光器的体积。且本发明采用半导体增益材料替代了传统的增益，大大减小了制备工艺的复杂性，同时极大节约了激光器的制作成本，展示出了巨大的应用前景。

Description

一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器
技术领域
本发明涉及微纳激光器件领域，特别是对于半导体增益材料作为有源增益的Tamm态等离子体激光器的结构设计和表征。
背景技术
Tamm态等离子是一种新型界面模式，电场局域在两种不同材料的分界面处，强度达到最大值，在远离交界面后，强度呈指数性衰减，Tamm态等离子对于偏振没有依赖性，且损耗更低，不需要特定的色散补偿原件，制备要求也更加低。由于传统的表面等离子体对偏振存在依赖性，且在长距离传输能量方面性能不佳，因此Tamm态等离子成为了人们研究的一个新方向。在激光器的设计中，如何使激光器的阈值更低以及如何让激光器更紧凑的集成在光电器件中，一直是激光器研究领域的重要问题。因此，为了产生对激光效应必要的光反馈，已经发展出来不同几何结构的激光器，如分布反馈激光器，垂直腔面发射激光器或光子晶体谐振腔。但这些结构仍然存在结构复杂，器件体积大等问题，增加了激光器的制作难度及成本。
现如今随着纳米制备技术的发展，基于不同波段以及不同谐振腔结构的激光器被逐一实现，其中1550nm波段的激光与其他波段相比对人眼安全性更高，具有良好的穿透能力，且该波段位于石英光纤的最低损耗传输窗口，是光纤通信的最佳工作波长，在人眼安全激光测距、激光雷达、遥感探测、激光微加工、以及环境检测等领域具有广泛应用，是当前研究的热点领域。但是1550nm波段的激光器目前制备技术还不成熟，需要设计新的结构以及寻找合适的增益材料来解决这一问题。
发明内容
本发明为了解决上述传统激光器体积大，制备困难的问题，提出了一种基于半导体增益的Tamm态等离子激光器，工作波段在1550nm，本发明具有低阈值，体积小，易集成，且制备成本低的优点。本发明采用的技术方案如下：
一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器，所述激光器由金属圆柱阵列组成激光器结构，从下往上依次包括衬底，由不同折射率材料组成的布拉格反射镜(DBRs),半导体增益层，金属层和金属圆柱阵列，圆柱的半径定义为R，高度定义为H，阵列周期定义为D。
作为优选，所述的衬底的材料为GaAs，折射率为3.34，其厚度为1.5μm。
作为优选，所述的DBR由折射率有差异的材料组成，分别为GaAs/AlGaAs，其折射率分别为3.34/2.97，每一对DBR中高低折射率材料的厚度通过公式d＝λ/4n得出，因此GaAs/AlGaAs的厚度是114nm/130nm，DBR对数有30对。
作为优选，所述的半导体增益层材料为InGaAsP，其增益谱在1450～1650nm，厚度为90nm。
作为优选，所述的金属层的材料为银，厚度为20～40nm。
作为优选，所述的金属柱阵列所用的金属是银，银柱的高度在100～170nm，半径范围在80～130nm；相邻圆柱的圆心间距为D＝350nm。
作为优选，所述的激光器工作在1550nm波段，且具有超窄线宽。
作为优选，所述的激光器结构单个周期单元横截面为正方形四个角切除四个直角扇形后的形状。
基于半导体增益的Tamm态等离子激光器的设计方法，具体采用一下步骤，
步骤一：通过Matlab利用传输矩阵法计算DBR的反射率，通过调节DBR的对数使其达到最优参数，确定DBR的对数为30对；使其再1550nm具有高于99.5％的反射率；
步骤二：利用FDTD(Finite Difference Time Domain)得到反射谱，根据反射谱找到谐振腔模式，设计腔模式为1550nm，与增益谱重叠。
本发明将半导体增益材料InGaAsP作为有源增益层，两侧分别利用DBR和带银柱阵列的银层作为高反镜实现了Tamm态等离子激光器的设计。一方面银柱阵列的存在，极大降低了激光器的阈值，并且半导体增益的制备并不困难，降低了器件的制备难度；另一方面用银层替代了上层DBR作为高反镜，降低了激光器体积及制作成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器的横截面结构示意图；
图2为本发明一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器的单个周期结构横截面图；
图3为本发明一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器的DBR反射镜的反射谱；
图4为本发明一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器的反射谱；
图5为本发明一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器的输入-输出曲线；
图6为本发明一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器通过FDTDSolution仿真的光谱图；
图7为本发明一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器通过FDTDSolution仿真的侧面场分布。
具体实施方案
为使本发明的技术方案、理论设计方法和器件优势更加清晰，下面结合附图对本发明进一步的详细介绍说明；
本发明提供了一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器；器件的整体结构如图1，2所示，从下往上依次包括衬底1，由不同折射率材料组成的DBR2,半导体增益层3，金属层4和金属柱阵列5；所述衬底1的材料为GaAs，其具有较高的折射率可以增加底部的反射率，其厚度为1.5μm；所述的DBR 2由折射率有差异的材料组成，分别为GaAs/AlGaAs，其折射率分别为3.34/2.97，30对DBR提供了超过99.5％的反射率，其阻带宽度有150nm；如图3所示；所述半导体增益材料是InGaAsP，其增益谱在1450～1550nm，厚度为90nm；在DBR和金属层中间填充半导体增益材料作为增益层，在制作上降低了难度和成本；所述的金属柱阵列5所用的金属是银，半径为R＝100nm，高度为h＝150nm，相邻圆柱的圆心间距为D＝350nm，金属柱阵列根据阵列周期填满；所述的激光器单个周期的结构横截面为正方形四个角切除四个直角扇形后的形状，其中正方形边长为350nm，直角扇形半径为110nm。
所述的一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器的设计具体步骤如下：首先通过Matlab利用传输矩阵法计算DBR的反射率如图3所示，通过调节DBR对数优化使其达到最优参数，确定DBR的对数为30对；然后再利用FDTD得到反射谱，根据反射谱找到谐振腔模式，找到的谐振腔模式如图4，设计腔模式为1550nm，与增益谱重叠；最后利用FDTD方法通过Lumrical软件上按照上述的最优参数进行三维建模，仿真中选用平面波进行泵浦，泵浦波长为1065nm，脉冲宽度为4ps；通过设置时间监视器、功率监视器来监视光谱、透射谱以及场分布情况；图5为利用FDTD Solution建模仿真结果得出的一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器的输入-输出曲线图；仿真结果如图6，7所示，分别为光谱图和侧面电场分布图，可以看到本发明设计的一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器，其线宽为0.72nm，Q值达到2153；
综上，本发明是一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器的设计，所设计的结构简单，体积小，在实际的器件制备中用银层代替了传统的上层DBR,避免了复杂的制备工艺，降低了器件的制备成本，展示出了巨大的应用前景。

Claims (6)

1.一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器，其特征在于：所述激光器由金属圆柱阵列组成激光器结构，从下往上依次包括衬底(1)，由不同折射率材料组成的布拉格反射镜(2),半导体增益层(3)，金属层(4)和金属圆柱阵列(5)，单个周期单元横截面为正方形四个角切除四个直角扇形后的形状；所述的激光器工作在1550nm波段，且具有超窄线宽。
2.根据权利要求1所述的一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器，其特征在于：所述的衬底(1)材料为GaAs，折射率为3.34，其厚度为1.5μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器，其特征在于：所述的布拉格反射镜(2)的高低折射率材料分别为GaAs/AlGaAs，其折射率分别为3.34/2.97，GaAs/AlGaAs的厚度是114nm/130nm，对数是30对。
4.根据权利要求1所述的一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器，其特征在于：所述的半导体增益层(3)的材料为InGaAsP，其增益谱在1450～1650nm，厚度为90nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器，其特征在于：所述的金属层(4)的材料为银，厚度为20～40nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于半导体增益的低阈值Tamm态等离子激光器，其特征在于：所述的金属圆柱阵列(5)的材料为银，银柱的高度在100～170nm，半径范围在80～130nm，相邻圆柱的圆心间距为D＝350nm。
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