金属同轴纳米激光器的科技进展

文 | 黛月白

编辑 | 黛月白

引言

随着科技的飞速发展，人类对于更加高效、精确的光学器件的需求也日益增长，在这个领域，金属同轴纳米激光器，作为一项革命性的突破，引起了广泛关注。

现代社会中，处理大量数据的需求不断增加，许多新的网络配置出现，这就使得，这些系统中的通信变得非常重要，然而，研究发现，传统的电线对于高速数据传输来说，存在功耗和干扰的限制，并不能很好地满足需求。

金属基纳米激光器

历史上，构建超小型光源的大部分努力，都集中在介电质配置上，在这方面，人们尝试了不同的结构，包括垂直布拉格镜面发射腔、微盘和光子晶体，从而产生了一些广泛应用的激光光源，如垂直腔面发射激光器。

然而，在这些全部由介电质构成的腔体中，由于衍射效应的基本限制，腔体的最小尺寸受到限制，因此，上述结构，最多只能在一两个维度上，实现亚波长尺寸缩小。

由于金属在光学频率下的等离子性质，金属纳米腔，能够支持高度集束的亚波长模式，研究者们首次演示了，一种金属纳米激光器，它简单地由一个活性纳米线组成，周围包围着薄的隔离层，并涂覆了金属。

从那时起，涌现出了大量的金属纳米激光器，然而，其中大多数支持的共振模式，与非金属对应物中出现的光子模式，略有不同。

这主要是因为，这些准光子模式与金属结构，几乎没有相互作用，因此它们对金属的耗散损耗影响微乎其微。

支持亚波长光子模式配置的例子，有金属-介电材料和纳米贴片激光器，虽然这些配置能够达到亚波长尺寸，但随着它们尺寸的缩小，模式迅速接近其相应的截止频率。

这导致，品质因子显著下降，最终使得这些配置中的激光操作，变得完全不可行。

为了实现深度亚波长激光器，腔模式必须属于能够和金属强烈相互作用的类型，乍一看，金属损耗似乎是这些结构中，达到激光阈值的一个难以逾越的障碍。

然而这类谐振腔独特的超小模式体积，在纳米激光器设计的几个方面，具有重要影响，包括高模式约束、大的波尔赛尔因子，以及在某些情况下接近于1的自发辐射耦合因子。

在这些谐振腔中，增强的原子-场相互作用，可以在低腔Q因子的情况下，促进激光作用，研究团队先前使用这种策略，在支持横向电磁-类似模式的同轴结构中，展示了无阀值激光。

值得注意的是，虽然在上述大多数示例中，激光发生在近红外光谱范围，但在可见光范围内，也已经证明了，靠近金属表面等离子体极化子共振的激光作用。

金属同轴激光

同轴腔，是在微波频段中广泛使用的结构，本质上，它是一个在空气中，终止的同轴波导的短段，接口处的特性，阻抗不匹配会产生虚拟镜面，从而形成一个谐振腔，同轴几何结构支持TEM模式，该模式没有截止频率。

因此其横截面可以无限地缩小，同时仍保持一个受限模式，值得注意的是，在射频领域，这种模式，允许在深度亚波长的同轴电缆中传输能量。

在微波频段，由于金属对于完美导体的近似成立，同轴波导的有效折射率，等于其构成介电环的折射率。

这使得进一步减小谐振腔的轴向尺寸，在根本上是不可能的，然而，在光学频率下，由于金属的等离子性质，TEM模式的有效折射率，随着横截面的减小而增加。

这种特性，使得同轴腔可以同时在三个维度上缩小，这种独特的可扩展性行为，为基于同轴腔的高效高速纳米尺度光源，开辟了新的途径。

一个同轴激光谐振腔，在腔体的核心是一个同轴波导，支持等离子体模式，由金属杆包围，内部有一个金属包覆的半导体环。

这个纳米激光器，在顶部和底部，分别使用了薄的二氧化硅介质和空气塞，以及额外的金属封盖，以提高同轴谐振腔中的模式约束，SiO塞的作用，是防止在金属和增益介质之间的顶部界面上，形成不良的等离子体模式。

下方的空气塞，用于将泵浦能量引入腔体，并从中耦合出产生的辐射，金属直接与半导体接触，提供了电磁场与分布在增益介质体积内，其发射体之间的大重叠。

上述的同轴腔体，展示了实现理想纳米激光器，所必需的几个有前途的特性。

这些特性，可以巧妙地融入纳米激光器的设计中，从而降低阈值，并增加弛豫振荡频率，潜在地消除了对额外独立芯片调制器的需求，最后，由于较高的Purcell因子，辐射寿命缩短，可以降低载流子的总数，否则这些载流子，会通过非辐射通道重新组合。

因此，预计同轴纳米激光器，对半导体及其界面固有非辐射复合过程的敏感性较低。

半导体的增益带宽中，存在多个竞争模式，这通常被认为是不可取的，在激光阈值以下，这将使引发激光过程的自发辐射功率，分散到几个通道中。

在阀值以上，特别是在更高的泵浦水平下，激光器变成了多模态的状态，这可能会引起功率波动和不稳定性。

减小谐振腔尺寸的一个优点，是其模式谱变得稀疏，因此，在亚波长腔体中，更容易实现单模操作。

腔体尺寸微小变化，是如何影响纳米尺度同轴激光器的模式内容，该模式内容，展现了两种不同的结构。

一种具有内部核心圆柱体、增益介质以及下部和上部高度，分别为 (h_1) 和 (h_2) 的插头，第二种结构与插头和增益介质的高度相同，但直径较小，为 (D_2) 和 (D_1)。

其中，激光模式表示求和，涵盖了所有模式，包括受限腔模式以及自由空间辐射模式。

通过增加与激光模式相关的Purcell因子、减少与增益谱相重合的腔模式的数量，以及通过使用金属包层阻断与辐射模式的耦合，可以将自发辐射耦合因子，接近理论极限值1。

可以通过在活动区域中，放置许多随机分布的偶极子，并计算它们在不同波长下的辐射功率，然后，可以通过激光模式光谱与偶极子总辐射功率之比，来估算自发辐射耦合因子。

按照这个方法，研究人员发现，单模腔显示出接近于1的自发辐射耦合因子，这种情况通常被称为无阀值激光。

换句话说，通过优化谐振腔的设计，使得激光模式与增益谱重合，提高激光模式的Purcell因子，并通过金属包层阻断与辐射模式的耦合，可以使得自发辐射耦合因子接近于1，从而实现无阀值激光。

这样的设计，使得激光器能够在更低的泵浦水平下启动和工作，并提供更高效、更稳定的激光输出。

乍看之下，谐振腔的低Q因子，可能意味着纳米尺度的同轴腔体，需要较高的泵浦功率，才能达到激光起始阀值。

这样的结构，实际上，可以同时显示出低阈值和前所未有的宽调制带宽，而这两个特性通常是相互矛盾的，在这里，引入一个简化的速率方程模型，可以进一步阐明，这种结构中的激光动力学。

一个发光装置，被认为是激光器，如果受激辐射主导输出功率，通常情况下，对于激光器，光注入或光-光曲线，在对数-对数尺度上，预计包含三个明显的区域，在低泵浦强度下，该装置处于光致发光状态，作为发光二极管运行，L-I或L-L曲线的斜率为1。

在较高的泵浦水平下，它将未来的激光模式的功率突然增加，形成一个非线性的拐点，称为放大的自发辐射状态，此时log-log曲线的斜率大于1，通过进一步增加泵浦能量，曲线的斜率最终恢复到1，该装置进入激光模式。

通过两个激光器的光电流曲线图，研究人员发现，一个是呈现的同轴纳米激光器，其自发辐射耦合因子为1，另一个是典型的微尺度激光器，虽然在模拟中，自发和受激辐射曲线的轨迹，可以确定阈值功率，但总输出功率中没有明显的拐点。

纳米尺度同轴激光器的制作和特性测试

光泵浦的纳米尺度同轴腔体，可以使用标准的纳米制造技术来制作，增益介质由六个量子阱组成，总高度为200纳米，每个量子阱，由一个10纳米厚的屏障层夹，在两个20纳米厚的屏障层之间。

量子阱生长在p型InP基片上，并由一个10纳米厚的InP覆盖层保护，氢硅氧烷溶液在甲基异丁基酮中，用作负型无机电子束光刻胶。

使用电子束，曝光写入不同内径和宽度的环， 曝光的HSQ，用作随后反应离子刻蚀过程的掩膜。

经过干法刻蚀，样品在扫描电子显微镜下进行研究，随后，采用电子束蒸发技术，沉积一层银涂层，然后，使用银胶，将样品倒置粘贴在一片玻璃上，并浸泡在盐酸中，以去除InP基片并打开空气塞孔。

同轴纳米激光器，在连续波和脉冲激励下，进行特性测试，显微镜物镜被用于聚焦泵浦光束，并收集样品的输出光。

使用单色仪与冷却的InGaAs探测器，获取输出光谱，如果需要，CW和脉冲模式测量，将进行适当重叠，以确保两组数据在进行缩放后保持一致性。

从三种不同纳米尺度同轴激光器，在室温、77K和4.5K下的发射特性，可以观察到，这三个器件的归一化演化光谱，且随着泵浦功率增加，而明显变窄的发射线宽。

对光-光曲线的仔细观察，揭示了两个激光器标准的激光行为，在较低的泵浦功率下，自发辐射占主导，而在较高的泵浦功率下，受激辐射占主导，PL区和激光区，通过一个明显的ASE瞬态区连接。

然而对于它们的结构来说，情况发生了显著变化，因为图中显示的光-光曲线呈直线，没有明显的拐点，这与电磁分析预测的无阀值激光操作相吻合，在增益介质带宽内，只存在一个非简并腔模式。

光谱演化也清楚地表明了无阀值行为，整个泵浦功率范围内，只得到一个窄的洛伦兹样发射峰，对上述器件最近进行的二阶相干度测量，进一步确认了，这种纳米尺度同轴结构中的激光行为。

结语

同轴纳米激光器的演示，仅限于光泵浦器件，为了实现电泵浦，必须修改半导体层结构，以加入合适的p-n结，此外，还必须考虑从内部和外部金属包层中，电隔离器件的机制。

金属同轴纳米激光器，作为一种新型微型光源，其出色的性能和广阔的应用前景令人期待，它将推动现代科技实现更小、更高效的光学设备，并为各行各业带来创新和进步。

参考文献

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