一种用于纳米激光器的双凹型金属半导体谐振腔的制作方法

本发明属于半导体纳米激光器技术领域，特别是一种用于纳米激光器的双凹型金属半导体谐振腔。

背景技术：

金属半导体纳米激光器作为超小尺寸的光源被广泛研究，它在光子集成回路、片上光互联、光通信等领域具有广泛应用。随着谐振腔的体积减小，激光器的损耗也迅速增加，这阻碍了激光器的进一步小型化。目前流行的金属半导体纳米激光器包括两种模式，一种是回音壁模式(whispering-galleymode)，一种是法布里-佩罗模式，前者具有较高的品质因子，但不利于波导耦合，后者由于谐振腔的反射损耗，通常品质因子较低，但具有模式能量易于耦合到集成波导中的优势。

法布里-佩罗模式的金属半导体激光器有两种类型，一类是矩形腔结构，另一类是胶囊型谐振腔结构。矩形谐振腔结构的端面和侧壁都是直壁结构，表面等离激元损耗通过垂直于金属-介质界面的电场来激发，矩形腔端面和侧壁的直壁结构给谐振腔带来了巨大的金属损耗。胶囊型谐振腔结构在矩形腔的基础上引入了曲率端面，曲率端面将谐振腔模式推向腔中心，降低辐射损耗；同时曲率端面减小了垂直于谐振腔端面的电场分量，有效降低了谐振腔端面区域的金属损耗。然而胶囊型谐振腔的侧壁依然是直壁结构，尤其是接近曲率端面处的侧壁仍然存在较大的金属损耗。此外这两类谐振腔的模式相对分散，谐振模式未集中在谐振腔的中心，存在较大的辐射损耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够降低金属半导体谐振腔的能量损耗的用于纳米激光器的双凹型金属半导体谐振腔。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于纳米激光器的双凹型金属半导体谐振腔，包括由内到外依次设置的半导体层、绝缘层和金属层；

所述半导体层包括ingaas核心层、p掺杂的inp材料层、n掺杂的inp材料层和p参杂的ingaas顶上接触层；所述ingaas核心层的下层为p掺杂的inp材料层，ingaas核心层的上层为n掺杂的inp材料层，n掺杂的inp材料层上面为p参杂的ingaas顶上接触层；

所述绝缘层由绝缘体材料sio2构成，包裹在半导体层侧壁和端面；

所述金属层由金属材料ag构成，包裹绝缘层外部并和顶部的半导体层相接触。

进一步地，所述金属半导体谐振腔是双凹型的结构，该结构端面具有设定的曲率，侧壁具有设定内凹弯曲程度，端面曲率和侧壁弯曲程度独立可调。

进一步地，所述双凹型金属半导体谐振腔的尺寸量级在亚波长级别。

进一步地，所述双凹型金属半导体谐振腔对应的纳米激光器的激光模式为法布里-佩罗模式，能够形成多阶横电模式。

进一步地，所述侧壁具有设定内凹弯曲程度，具体采用三次函数谐振腔弯曲侧壁曲线，公式为：

y＝a·x³+w0/2

其中，y表示侧壁曲线在y方向上的宽度，随坐标x变化，a表示侧壁曲线内凹曲线弯曲程度，w0表示谐振腔内凹曲线的束腰宽度。

进一步地，谐振腔的腔长l＝700nm，谐振腔的最大宽度w＝520nm，谐振腔内凹曲线的束腰宽度w0＝0.8w，l/r＝1.43，r表示曲率端面的曲率。

进一步地，所述半导体层的各材料层之间具有相同的双凹型形状，核心层为ingaas材料，厚度为300nm，折射率为3.53；核心层的上下层分别为n参杂和p参杂的inp材料，厚度都为500nm，折射率为3.17，顶上接触层为使用p参杂的ingaas材料，厚度为100nm，折射率为3.6。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)利用谐振腔的曲率端面将谐振模式集中在腔的中心，从而降低辐射损耗，并使谐振模式远离金属材料层来减小模式的金属表面等离激元损耗；(2)谐振腔的双凹型侧壁曲线是独立可调的，可以灵活调控谐振腔的辐射损耗，为金属半导体谐振腔的设计以及实验等相关领域提供了技术参考；(3)结构简单、制作容易，且有效降低了激发谐振腔的阈值电流。

附图说明

图1是本发明一种用于纳米激光器的双凹型金属半导体谐振腔的结构示意图。

图2是本发明实施例中双凹型金属半导体谐振腔和胶囊型金属半导体谐振腔的平面光强分布图，其中(a)分别为双凹型金属半导体谐振腔x-y平面(核心层)、x-z平面、y-z平面光强分布图；(b)分别为胶囊型金属半导体谐振腔x-y平面(核心层)、x-z平面、y-z平面光强分布图。

图3是本发明实施例中双凹型金属半导体谐振腔的谐振腔品质因子q、辐射品质因子qrad和耗散品质因子qdiss随双凹型束腰宽度w0的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1，本发明一种用于纳米激光器的双凹型金属半导体谐振腔包括由内到位依次设置的半导体层、绝缘层和金属层；

所述半导体层包括ingaas核心层、p掺杂的inp材料层、n掺杂的inp材料层和p参杂的ingaas顶上接触层；所述ingaas核心层的下层为p掺杂的inp材料层，ingaas核心层的上层为n掺杂的inp材料层，n掺杂的inp材料层上面为p参杂的ingaas顶上接触层；

所述绝缘层由绝缘体材料sio2构成，包裹在半导体层侧壁和端面；

所述金属层由金属材料ag构成，包裹绝缘层外部并和顶部的半导体层相接触。

进一步地，所述金属半导体谐振腔是双凹型的结构，该结构端面具有一定的曲率，侧壁具有一定内凹弯曲程度，端面曲率和侧壁弯曲程度独立可调。

进一步地，所述双凹型金属半导体谐振腔的尺寸量级在亚波长级别。

进一步地，所述双凹型金属半导体谐振腔对应的纳米激光器的激光模式为法布里-佩罗模式，可以形成多阶横电模式。

实施例1

图1是本实施例一种用于纳米激光器的双凹型金属半导体谐振腔的三维示意图，金属半导体谐振腔侧壁的弯曲侧壁形状适用于任意内凹曲线，本实施例的三次函数谐振腔弯曲侧壁曲线为：

y＝a·x³+w0/2

其中，y表示侧壁曲线在y方向上的宽度，随坐标x变化，a表示侧壁曲线内凹曲线弯曲程度，w0表示谐振腔内凹曲线的束腰宽度。

以三次函数曲线为例，其中所给函数构成了双凹型侧壁内凹曲线，谐振腔的腔长l＝700nm，谐振腔的最大宽度w＝520nm，谐振腔内凹曲线的束腰宽度w0＝0.8w，l/r＝1.43。半导体材料层具有相同的双凹型形状，核心层为ingaas材料，厚度为300nm，折射率为3.53。核心层的上下层分别为n参杂和p参杂的inp材料，厚度都为500nm，折射率为3.17，顶上层为使用p参杂的ingaas材料，厚度为100nm，折射率为3.6。

如图2所示分别为双凹型(以三次函数曲线为例)和胶囊型金属半导体谐振腔的光强分布图，仿真软件为lumericalfdtdsolutions。双凹型的谐振腔的腔长为0.7μm，束腰半径为0.416μm；胶囊型腔的x-y平面为胶囊形状，除双凹型侧壁曲线外，其结构和材料与双凹型半导体谐振腔一致，胶囊型腔的腔长为0.7μm，宽为0.52μm。经过数值仿真计算，双凹型和胶囊型的谐振腔激发波长都在1.55μm附近，双凹型谐振腔的品质因子为173，胶囊型腔的品质因子为141。对比图2(a)和(b)可以看出，胶囊型腔的金属侧壁壳层上有表面等离激元损耗，双凹型的谐振腔的能量集中在腔内，具有较小的金属表面等离激元损耗，有效的降低了阈值电流。

进一步的，根据数值仿真结果，计算和比较双凹型以及胶囊型谐振腔的阈值增益(gth)以及阈值电流(ith)，公式为：

可得双凹型谐振腔的限制因子为0.43，阈值增益为1940/cm，阈值电流为344μa；胶囊型腔的限制因子为0.46，阈值增益为2190/cm，阈值电流为800μa。双凹型的限制因子略低于胶囊型腔，是因为谐振腔体积更小，模式被挤压到离金属侧壁较近的位置；阈值增益明显小于胶囊型腔，说明从实验角度对材料要求更低，更容易实现；阈值电流也比胶囊型腔要低，降低了57％左右。

如图3所示，这里w/w0＝1时对应了直线侧壁的胶囊型谐振腔。当w/w0>1时，谐振腔的侧壁内凹形成弯曲侧壁，谐振腔体积相比于胶囊型谐振腔变小，耗散品质因子qdiss的总体趋势是先增大再减小。另一方面，随着束腰宽度的减小，谐振模式受到调制，辐射损耗在引入弯曲侧壁的几何结构后先增大再减小，辐射品质因子qrad值相应的先减小再迅速增大。在qdiss和qrad的共同作用下，双凹腔结构实现更小谐振腔体积下的品质因子q的提升。

由此实施例可以看出，本发明提出的用于纳米激光器的双凹型金属半导体谐振腔结构简易，尺寸量级在亚波长级别，同时可以有效的减少谐振模式辐射损耗。独立可调的双凹型侧壁曲线可以灵活调控谐振腔的辐射损耗，有效提升了激光器的性能。