納米尺度高斯模式金屬半導體雷射器研究

《納米尺度高斯模式金屬半導體雷射器研究》是依託南京理工大學，由張柏富擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：納米尺度高斯模式金屬半導體雷射器研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張柏富
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

近年來，金屬半導體雷射器被發明和廣泛研究，並成功將尺寸縮小到亞波長乃至納米尺度。然而，金屬半導體腔的巨大光學損耗如表面等離激元損耗等，使得雷射器尺寸小型化的同時，閾值和功耗大為提高，從而不能滿足不斷增加的低功率和小型化需求，嚴重阻礙極大規模光子積體電路和集成化光通信技術的進步。這一問題亟待解決。本項目提出一種新型的金屬半導體諧振腔結構——高斯型諧振腔。該結構引入圓柱形的反射端面和曲線形的側壁，產生高斯諧振模式，可使光場能量集中在腔中心，減少光場在腔壁金屬層的分布，從而有效降低金屬損耗，特別是表面等離激元損耗，提高諧振腔的品質因子和雷射器性能。通過兩個反射端面曲率半徑的非對稱設計，實現光場能量從腔底部的定向波導耦合輸出。本項目擬設計出尺寸小於半波長、低閾值（低於50微安電流或100微瓦泵浦光）的新型金屬半導體雷射器，並作數值模擬和實驗驗證，為納米雷射器的學術研究和工業套用提供新機制和新方法。

結題摘要

近年來，納米尺度的金屬半導體雷射器被發明和廣泛研究。然而，金屬半導體腔的巨大光學損耗，使得雷射器尺寸小型化的同時，閾值和功耗大為提高，嚴重阻礙極大規模光子積體電路和集成化光通信技術的進步。本項目提出並研究了一種高斯型金屬半導體諧振腔結構，通過最佳化諧振模式的電磁場分布特性減小金屬損耗，提升納米雷射器性能。主要研究內容包括：（1）理論分析了高斯模式的金屬半導體納米雷射器的物理特性，如諧振腔品質因子、諧振模式的電磁場分布、限制因子、閾值增益與閾值電流等，揭示了其物理性質隨諧振腔結構變化的一般規律。證明了高斯型諧振腔對納米雷射器性能提升的有效性。（2）通過電子束曝光與離子束刻蝕的微加工實驗，製備出符合本項目設計要求的高斯型金屬半導體諧振腔結構，並進行了掃描電子顯微鏡表征，驗證了高斯模式的金屬半導體納米雷射器的製備可行性。（3）研究並最佳化了金屬和介質結構的混合等離激元波導，實現了亞波長模式限制和低損耗特性。在此基礎上研究了金屬半導體諧振腔的波導耦合機制，並通過諧振腔反射端面曲率半徑的非對稱設計，實現光場能量的定向波導耦合輸出。（4）研究了納米雷射器相關的微納尺度光場調控問題，通過設計金屬或介質的人工微結構，在微納尺度範圍對入射光場進行傳播、光束整形和聚焦等調控，拓寬了金屬半導體納米雷射器的套用領域。項目的研究結果闡明了具有高斯模式的新型金屬半導體雷射器的物理特性，為納米雷射器的學術研究及其在集成光子學中的套用提供新機制和新方法。