专利摘要

本发明涉及微纳光电子与激光技术以及光电子集成领域，提出一种适用于片上集成的共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，包括半导体有源层、绝缘介质层、金属薄膜层，金属薄膜层与半导体有缘层之间间隔所述绝缘介质层，金属薄膜层上形成有金属条形波导，在半导体有源层上制作有半导体条形波导以及两个载流子注入区，金属条型波导与半导体条型波导相垂直，在交叉处的MIS结构中形成表面等离子体亚波长腔。两个载流子注入区位于所述金属条形波导的正上方，作为亚波长腔的一部分；半导体有源层上实现横向电注入进行泵浦。本发明以半导体大增益材料抵消金属吸收损耗实现微腔中光的激射，最终耦合进入半导体波导输出。

权利要求

1.一种共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，其特征在于，包括半导体有源层、绝缘介质层、金属薄膜层，

所述金属薄膜层与半导体有缘层之间间隔所述绝缘介质层；

所述金属薄膜层上形成有金属条形波导；

在所述半导体有源层上制作有半导体条形波导以及两个载流子注入区；

所述金属条型波导与半导体条型波导相垂直，在交叉处的金属-介质-半导体三层结构中形成表面等离子体亚波长腔；

所述两个载流子注入区位于所述金属条形波导的正上方，作为亚波长腔的一部分；

所述半导体有源层上实现横向电注入进行泵浦。

2.如权利要求1所述的共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，其特征在于，所述半导体波导以及载流子注入区的材料是注入发光的材料。

3.如权利要求1所述的共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，其特征在于，所述绝缘介质层材料为低折射率介质。

4.如权利要求1所述的共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，其特征在于，所述半导体波导的厚度为100～300nm，所述绝缘介质层的厚度为5～25nm，所述金属波导的厚度为200～300nm。

5.如权利要求1所述的共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，其特征在于，所述金属薄膜层材料为能产生表面等离子体的银、金、铝、铜或镍的任何一种。

6.如权利要求1所述的共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，其特征在于，所述衬底为硅或者蓝宝石。

7.如权利要求1所述的共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，其特征在于，所述半导体波导和金属波导宽度为1.5～2.5um。

8.如权利要求1所述的共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，其特征在于，所述载流子注入区是圆形、六角或者方形。

9.如权利要求1所述的共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，其特征在于，所述其特征尺寸与半导体波导宽度的比值为1.5～2。

说明书

技术领域

本发明属于微纳光电子与激光技术以及光电子集成领域，特别涉及一种共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源。

背景技术

在光通讯系统中，光电子集成器件，因其低功耗、超宽带和高调制速度等优点逐渐成为当今一大研究热点，并在近几年内取得了一定的进展。而传统的微电子技术经过几十年的高速发展，其特征尺寸已经接近物理极限。因此，随着半导体微纳加工技术的进步，人们更多的将研究热点转向光电子集成上。

片上集成光源是光通讯系统中最核心元件。而紧凑度和低功耗是对光电子集成中片上集成光源最为基本的要求。FP腔、DBR或DFB激光器以及vcsel等传统的激光光源因为其无法克服衍射极限的限制，物理尺寸和模体积都远大于波长。因此，光子晶体微腔和金属微腔激光器等低于衍射极限的微纳激光光源，成为人们关注的热点。尤其是表面等离子体激光器，因其可实现多个维度的超衍射极限光局域，而得到了国内外学者的广泛关注。

表面等离子体是光和金属表面自由电子相互作用，在电子在垂直于金属表面的光频的震荡模式。因为其沿振动方向指数衰减，将光局域在远小于波长的尺寸范围，实现超衍射极限的限制。到目前为止，将表面等离子体应用到激光器上通常都是通过外光泵浦来激发表面等离子体震荡。尚未看到文献中有任何适用于光电子集成的电泵浦表面等离子体激光器的相关报道。

在加州大学伯克利分校的张翔组2012年发表在NanoLetter的文章“Multiplexed and Electrically Modulated Plasmon Laser Circuit”中公开了一种光泵浦的CdS波导耦合定向输出的表面等离子体激光器。该激光器是在银条上生长一层5nm厚的MgF₂绝缘介质层，再在上面生长出垂直的CdS纳米线制备而成。通过将泵浦光聚焦在CdS纳米线和Ag条的交叉处，实现MgF₂薄层中的表面等离子体增强和局域，产生振荡。产生激光再耦合到CdS波导中定向输出，其中超过70％的光耦合进入波导从端口输出。

法国A.Bouhelier等人在2013年发表在PHYSICAL REVIEW LETTERS上的”Electrical Excitation of Surface Plasmons by an Individual Carbon Nanotube Transistor”一文中也提出了表面等离子体电激励的重要性。并首次通过在ITO材料上生长250nm二氧化硅作绝缘的衬底上生长碳纳米管，并在其两端制作钛金电极来制作成场效应管，首次实现了电激励的表面等离子体产生和金属波导传输。但是碳纳米管的生长主要是依靠一种随机沉积的方式，所以无法精确控制碳纳米管在衬底上的位置和方向。这对实现集成仍是一个不可回避的障碍。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的表面等离子体激光器需要外加光源激励的问题，以达到真正集成化等离子激光器的目的。

为此，本发明提出一种共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源，包括：半导体有源层、绝缘介质层、金属薄膜层。所述金属薄膜层与半导体有缘层之间间隔所述绝缘介质层；所述金属薄膜层上形成有金属条形波导；在所述半导体有源层上制作有半导体条形波导以及两个载流子注入区；所述金属条型波导与半导体条型波导相垂直，在交叉处的金属-介质-半导体三层结构中形成表面等离子体亚波长腔。所述两个载流子注入区位于所述金属条形波导的正上方，作为亚波长腔的一部分；所述半导体有源层上实现横向电注入进行泵浦。

根据本发明的具体实施方式，所述半导体波导以及载流子注入区的材料是注入发光的材料。

根据本发明的具体实施方式，所述绝缘介质层材料为低折射率介质。

根据本发明的具体实施方式，所述半导体波导的厚度为100～300nm，所述绝缘介质层的厚度为5～25nm，所述金属波导的厚度为200～300nm。

根据本发明的具体实施方式，所述金属薄膜层材料为能产生表面等离子体的银、金、铝、铜或镍的任何一种。

根据本发明的具体实施方式，所述衬底为硅或者蓝宝石。

根据本发明的具体实施方式，所述半导体波导和金属波导宽度为1.5～2.5um。

根据本发明的具体实施方式，所述载流子注入区是圆形、六角或者方形。

根据本发明的具体实施方式，所述其特征尺寸与半导体波导宽度的比值为1.5～2。

本发明在材料选择上都是最通用的金属和氧化物，其都有成熟的生长和后续加工技术。此外，激光器的制备工艺中除了整片生长材料之外，只需依靠半导体微纳加工技术就可以实现，无选择性生长以及电子束曝光等更复杂的工艺。因此，对实现集成的可批量生产提供了可能。

附图说明

图1为本发明的亚波长腔表面等离子体激光器结构示意图(斜视图)；

图2显示了本发明的等离子体激光器的金属条和半导体条交叉位置处深度方向各层的分布以及在薄层绝缘介质中电场的超高局域，充分说明了亚波长腔中的SPP共振的本质；

图3显示了本发明的实施例的模式电场各个分量的分布(左上为电场模、右上为电场Z分量、左下为电场X分量、右下为电场Y分量)；

图4显示了本发明的实施例的模式稳定之后最终的场分布，微腔中形成强震荡，耦合进入沿y方向的半导体波导输出；

图5显示了本发明的实施例的输出光在半导体波导里交叉传输过程中不同位置上的场的截图(从左至右分别是距离腔中心1550、2040、2230、2600以及2800nm位置)，说明了输出光主要是波导中WG2阶模；

图6显示了本发明的实施例的亚波长腔处的低阶MIS-SPP模式和波导中低阶WG模式对应的有效折射率随半导体波导宽度的变化；

图7显示了本发明的实施例的亚波长腔处的MIS-SPP0模式和波导中WG1模式的模场分布。

具体实施方式

本发明是针对背景技术中的缺陷进行改进，首次提出适用于片上集成的共面电极的电泵浦表面等离子体微纳结构波导输出激光器，其包含散热衬底、半导体条形波导、绝缘介质层、金属条形波导。利用半导体材料的离子注入技术分别实现横向载流子注入通道和侧向载流子注入的共面电极；半导体发光在金属与绝缘层界面激发表面等离子体模式，局域在超薄的绝缘层中形成表面等离子体震荡；最终耦合到半导体波导输出。

具体来说，本发明的激光器金属薄膜层与半导体有缘层之间间隔一层超薄的绝缘介质层。在金属薄膜上做金属条形波导；在半导体有源层上制作半导体条形波导以及两个圆形载流子注入区。在结构上是两个相互垂直的金属条和半导体波导条。在相交的位置处金属条和半导体条沿厚度方向上相距5～25nm，中间是超薄的绝缘介质层。在相交位置处纵向上形成金属-介质-半导体(MIS)的三层结构，其中形成表面等离子体亚波长腔。半导体有源层上半导体波导两侧的两个圆形载流子注入区位于金属波导的正上方，它是亚波长腔的一部分。半导体有源层上通过离子注入技术实现横向电注入进行泵浦。整个器件可通过键合技术转移到任何衬底上。

图1为本发明的亚波长腔表面等离子体激光器结构示意图，该图为斜视图。如图1所示，区域1为半导体有源层上形成的半导体波导以及亚波长腔两侧的两个圆形载流子注入区；区域2为半导体有源层与金属薄膜层之间的绝缘介质层；区域3为金属薄膜层上形成的金属条形波导；区域4为将整个器件转移到衬底上的BCB键和层；区域5为用于集成的硅衬底或者其他散热衬底。

正因为半导体波导和金属波导相垂直，在交叉处形成表面等离子体微腔，而不用直接刻蚀出表面等离子体微腔，这大大的降低了微纳加工的制作难度。也使得通过普通光刻实现器件结构成为可能，对未来的大面积集成提供可能。

机理是表面等离子体共振，在纵向上金属-介质-半导体三层结构(MIS)中表面等离子体模式被很好地局域在超窄5～25nm的绝缘介质层中，而在横向上因为MIS中的表面等离子体模式的有效折射率远远高于金属和空气界面的SPP有效折射率而起到很好的限制作用。在超过一定的电注入水平之后，半导体有源材料的增益可以足够补偿表面等离子体模式在金属中的损耗，而横向的限制提供足够的反馈而形成表面等离子体共振。

半导体波导以及载流子注入区的材料是InGaAsP或AlGaInAs的4元系量子阱或GaAs/InAs量子点等注入发光的材料，绝缘介质层材料为氟化镁、二氧化硅或三氧化二铝等低折射率介质。

半导体波导的厚度为100～300nm，绝缘介质层的厚度为5～25nm，金属波导的厚度为200～300nm。

所述金属薄膜层材料为能产生表面等离子体的银、金、铝、铜或镍的任何一种。

衬底为硅或者蓝宝石等散热特性较好的材料。

半导体波导和金属波导宽度在1.5～2.5um，载流子注入区是圆形、六角或者方形，其特征尺寸与半导体波导宽度的比值为1.5～2。

下面通过实施例来进一步说明本发明。

实施例一

本实施例中，半导体有源材料和两个圆形离子注入区采用InGaAsP的多量子阱材料折射率为3.3，厚度为205nm波导宽度为1500nm；金属为Ag折射率为0.514-10.8i，Ag的厚度为250nm，银条条宽度为1500nm；绝缘层为MgF₂折射率为1.38，厚度为20nm。

本实施例采用COMOSL3D Eigenfrequency模块进行仿真实验，这里我们用空气代替了图1中区域4和5，以简化仿真实验的计算量，参数设置如上所述。在亚波长腔处沿深度Z方向电场被很强的局限在20nm的MgF₂层中，如图2所示，形成表面等离子体共振。仿真结果中电场及其各分量分布如图3所示，电场Z分量(即TM偏振)主要集中在亚波长腔位置处，而在半导体波导中主要是电场的X和Y分量。在亚波长腔的边界处发生模式转换，耦合进入205nm厚的InGaAsP条形波导输出如图4所示。在InGaAsP条形波导不同的位置处截图，可以看出光在波导中的交叉传输如图5所示。

为了解释本实例中在亚波长腔边界处产生模式转换的机理，我们对InGaAsP波导的宽度进行了扫描，得到相应在1500nm附近MIS-SPP的0阶和1阶模式以及波导中WG0、1、2阶模式的有效折射率(如图6)。在1500nm附近MIS-SPP0阶模式与WG1阶模式有比较接近的有效折射率，根据动量守恒在这两个模式之间容易发生模式转换。此外MIS-SPP0阶模式的有效折射率略高于WG1模式，因此MIS-SPP0阶模式可以更有效地耦合成WG1模式。(图7为两种模式的模场分布图)

本发明在材料选择上都是最通用的金属和氧化物，尤其半导体有源材料的选择上我们用4元系的InGaAsP或AlGaInAs量子阱材料或者GaAs/InAs量子点材料，都有成熟的生长和后续加工技术。此外，本发明的激光器的制备工艺中除了整片生长材料之外，只需依靠半导体微纳加工技术就可以实现，无选择性生长以及电子束曝光等更复杂的工艺。因此，对实现集成的可批量生产提供了可能。

一种共面电极电注入表面等离子微纳结构波导输出激光源专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。