专精一“频”——单模半导体纳米线激光器

浙江大学 片思杰 杨青 马耀光

2020年第7期《中国激光》出版“半导体激光器”专题。浙江大学杨青教授、马耀光教授受邀撰写《单模半导体纳米线激光器》综述论文,并作为封底文章发表。论文介绍了半导体纳米线激光器的常用材料,并利用圆介质波导模型分析了其基本模式特性,详细阐述了半导体纳米线实现单模激光输出的主要方法以及发展现状,并对各方案面临的挑战进行了总结。

封底文章|片思杰,SalmanUllah,杨青,马耀光. 单模半导体纳米线激光器[J]. 中国激光, 2020, 47(7): 0701003

随着通信行业的快速扩张以及光互联等技术的发展,人们对激光器等器件集成化、小型化的需求日益旺盛。将激光器尺寸推向微米乃至纳米量级,是发展新一代激光器的必然选择。

半导体纳米线激光器因具有灵活的材料和带隙调控性能,同时又可作为谐振腔和增益介质的独特一维结构,自2001年被提出后一直受到广泛关注,已成为微纳激光器领域的主要研究方向之一。

一、常用的半导体材料

纳米线特有的自底向上的合成方式十分有利于开发新的半导体材料。

早期实现的半导体纳米线激光器的发射波长主要集中在紫外和可见波段。紫外波段材料包括ZnO、GaN、ZnS等,可见光波段材料包括CdS、CdSe等。

工作在红外波段的半导体材料包括GaSb、GaAs、InP等,然而材料自身的表面高密度缺陷态以及纳米线对红外光相对较弱的光场限制,使得利用这类材料制备的纳米线激光器难以在室温下实现激光输出。近年来,利用GaAsP、AlGaAs等对GaAs表面进行钝化处理,可以有效降低表面缺陷态密度,成功将这类纳米线激光器的工作温度提高到了室温水平。

此外,利用ZnxCd1-xS、CdS1-xSex、InxGa1-xAs及ZnxCd1-xSySe1-y等多元半导体材料的可调谐半导体纳米线激光器在多波段均已实现激光输出。

二、实现纳米线激光器单模输出的常用方法

实现单模激光器,需要同时限制横模和纵模。对于半导体纳米线激光器而言,利用纳米线本身的横向限制和模式竞争即可实现单横输出。若纳米线直径较大,则需要利用复合腔或引入额外损耗等附加手段,实现对横模的模式选择。相对于横模,实现单纵模输出受到了更广泛的研究。

目前,实现纳米线激光器单纵模输出主要包括缩短腔长、耦合腔以及调节模式增益/损耗特性三种方式。

1、短腔长单模激光器

激光器纵模间隔主要取决于增益介质的群折射率 和腔长 。

例如F-P模,相邻纵模间的模式间隔(FSR)为 ,c为光速。在腔长较长的情况下,F-P腔的FSR较小,在激光器增益阈值以上,往往具有多个可起振的谐振模式(纵模),从而导致激光器多模输出 [图1(a)]。通过缩短腔长,可以使F-P腔的FSR增大,落在增益区内的模式数减少,甚至只剩一个。相对于边模,主模具有明显的竞争优势,进而可实现激光器单纵模输出[图1(b)]。

图1 不同腔长情况下半导体纳米线激光器输出模式特性示意图。(a)长腔情况下,激光器输出模式特性示意图,插图为对应腔结构;(b)短腔情况下,激光器输出模式特性示意图,插图为对应腔结构

不过,单纯缩短腔长会减少增益长度、增加腔内损耗系数,导致激光器阈值功率上升,因此需要采取一定的措施提高增益或降低损耗。

桑迪亚国家实验室Wang等以干、湿法刻蚀相结合的方式实现了对纳米线几何参数的精确控制,制备了4.7μm长的高质量GaN纳米线谐振腔,实现了370nm的单纵模输出。

澳大利亚国立大学的Saxena利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)制备了core-shell-cap结构的(Al)GaAs纳米线激光器,对GaAs纳米线表面进行钝化处理,减少了表面复合。另外,在纳米线的一端放置用于催化反应的金纳米颗粒,可显著提高端面反射率。最终实现了室温下了880nm近红外波段的单纵模输出。

浙江大学杨青课题组制备了表面具有纳米尺度脊状结构的CdSe纳米带激光器,这些脊状结构使得纳米带在横向形成脊型波导,腔长约5μm。相比于纳米线激光器,该结构对光场的限制作用较弱,暴露在受激发射区域内的增益材料更多,降低了激光输出阈值,如图2所示。

图2 单模纳米带激光器及其输出特性。(a)带有明显凸起的CdSe纳米带SEM图;(b)纳米带横向发射激光的光学显微镜图像;(c)纳米带激光器横向激光光谱;(d)激光发射强度和线宽随泵浦功率变化曲线

2、耦合腔单模激光器

实现单模激光器的另一种方法是采用耦合腔结构。基于游标效应,只有同时满足所有子腔谐振条件,才能够在激光腔内谐振,进而在维持一定腔长(足够的增益长度)的情况下仍能实现单纵模输出[图3(a)]。

近年来,基于耦合腔结构的单模半导体纳米线激光器被广泛研究,并形成了包括环形镜腔、X型腔、解理耦合腔(Cleaved-coupled cavities)在内的多种典型结构,如图3(b)-(d)所示。

图3 耦合腔游标效应示意图以及典型的耦合腔结构。(a)游标效应原理示意图;(b)环形镜耦合腔;(c)X型腔;(d)解理耦合腔

倏逝波耦合是耦合腔纳米线激光器中常见的形式。浙江大学童利民课题组通过显微操纵将CdSe的一端或两端弯折成环形镜,在700nm红光波段实现了单纵模输出。对于一端弯折成环形镜的情况,激光器包括两个子腔[图3(b)]。一种更简单的方法是直接将两根长度不同的纳米线靠在一起,形成横向的X形耦合腔[图3(c) ],通过合理控制泵浦区域,最终只有两个耦合腔起振,从而实现激光器单纵模输出。

然而,基于倏逝波的横向耦合单模激光器,其输出的激光对纳米线间距、耦合长度、尺寸等参数具有高度敏感性,这使得激光器的输出波长、模式等不易控制。此外,显微操纵较为复杂,可能会对纳米线表面造成损伤或污染。

加州大学伯克利分校的Yang等人利用聚焦离子束刻蚀,将单根GaN纳米线切割成两段长度不同的纳米线,通过端面辐射纵向耦合,形成解理耦合腔,其结构如图3(d)所示,这类基于辐射波的耦合方式无需显微操纵,结构更为简单。

除了物理切割的方式,2018年Weman等通过控制反应时间和注入材料,成功在同一根纳米线上生长了六个GaAsSb超晶格结构,利用纳米线中不同材料的腔的模式滤波作用,成功实现了近红外波段的单纵模输出。

3、通过调节模式增益/损耗实现的单模激光器

实现单模输出的另一种思路是,在不改变谐振腔本身的几何参数的情况下,通过在基底、端面引入特殊结构,或者改变泵浦条件,以调节不同模式的增益和损耗。最典型的结构为分布式反馈腔(DFB),这是传统半导体激光器中实现单模输出的常用技术。

对于纳米线激光器而言,在纳米线上直接生长或刻蚀周期性结构具有很大的挑战,因此需要在基底上制备周期性布拉格光栅,将纳米线放在光栅上,组成复合结构。利用这种方式,Wright等成功实现了GaN纳米线激光器的单纵模输出,其阈值功率为~300kW/cm2,边模抑制比为17dB,如图4所示。

图4 DFB纳米线激光器。(a)DFB纳米线激光器结构示意图,其中纳米线有三种不同的角度取向;(b)放置在DFB基底上的单根纳米线SEM图;(c)不同角度取向纳米线输出激光光谱特性。

此外,还有更简单的结构或方式以用于模式选择。2012年,新墨西哥大学Xu等将一根GaN纳米线放置在Au基底上,利用金基底引入的模式依赖损耗成功在大纳米线直径(~300nm)下实现了单横模输出。2017年,北京大学胡晓东课题组研究发现,GaN纳米线中不同位置处、不同波长的导波自发辐射系数存在差异,故通过改变泵浦点位置,也可以实现模式选择作用。

三、总结和展望

目前,虽已有多种实现单模半导体纳米线激光器的方法,但是这些方法也面临着诸多问题和挑战,主要包括:进一步降低激光器的阈值功率、实现纳米线激光器在芯片上的集成等。

此外,目前已实现的单模半导体纳米线激光器都是基于光泵浦的,单根集成的电泵浦半导体纳米线激光器还鲜有研究,其在单根纳米线P-N结的构建与转移、高质量电极触点的制备以及低阈值输出等方面均面临着巨大的挑战。

相信随着制备工艺、集成方式等方面的不断完善,这类激光器未来会在通信、探测、光谱学等领域发挥重要作用。
 

课题组简介

浙江大学光电学院马耀光研究员课题组依托于现代光学仪器国家重点实验室和之江实验室,主要从事介观尺度的光与物质的相互作用,及其在光子学、电子学及能量输运系统中的应用,研究内容涉及纳米光子学器件、超构材料器件与辐射制冷,计算成像。

浙江大学光电学院杨青教授课题组依托于现代光学仪器国家重点实验室和之江实验室,主要研究方向基于微纳光子器件的智能传感和成像,包括微纳材料、微纳器件、微纳传感和成像系统,以及基于上述新型材料和器件的应用。课题组研发了波长可调微纳激光器、高灵敏微纳探测器、压电调控微纳LED、片上集成超分辨显微、超细径多方位光纤内窥镜等,提出移频新机理,首次实现无标记样品的超分辨成像,产学研结合,推进其在生物、医疗、材料和集成光电子等方面的应用。
 

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