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光学前沿:基于表面等离子体激元的硅基激光器

2008-03-19 23:26
雷本祖
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光电新闻网 陈国军

    2008年3月18日,光学前沿——2008激光技术论坛暨“中国光学重要成果”发布会在上海新国际博览中心E6-M37会议室成功召开。

    中国科学院上海光学精密机械研究所所长朱健强先生首先为会议致欢迎词,并邀请中国工程院范滇元院士、《激光与光电子学进展》主编为获“2007中国光学重要成果奖”的获奖代表及个人颁发奖品及证书。随后,来自华中科技大学武汉光电国家实验室的周治平教授为本次大会作首场学术报告。

    周治平教授的报告主题为“基于表面等离子体激元的硅基激光器”。主要介绍了一种超薄硅单层/金属薄膜/硅衬底型硅基激光器结构。利用表面等离子体激元局域增强效应提升了硅基增益介质材料在1.54um波长点的光学增益特性。通过优化金属材料厚度、铒离子极化方向和铒离子位置等参量,减小表面等离子体激元所带来的光学损耗。

    周治平教授向大会介绍说,由于硅材料本身特有的间接带隙特性导致发光效率极低,很难得到高效的硅基光源,进而制约了硅材料在光子学领域的应用。1990年,L.T.Canhan等发现了低维硅材料中明显增强的光致发光光谱,从而开拓了硅基发光研究的新领域。表面等离子体激元是一种存在于金属表面的电磁波形式,它的能量分布随着远离金属表面距离而指数衰减,并且在金属表面能量达到最大值。在有源光学材料附近随着金属结构,在金属结构表面等离子体激元,使得有源光学材料周围的光子态密度发生显著变化,从而改变有源光学材料的自发辐射寿命,减弱非辐射过程对于其发光过程的影响,进而提高发光效率。借助微纳金属结构,能够调控硅基材料的自发辐射寿命,显著增强硅基发光材料的发光效率。

    周治平教授并在会议现场演示了由他自行设计的SEMS型硅基激光器结构图。超薄硅单层与掺铒单层交织叠加的多层结构作为硅基激光器的增益材料,并处于在表面刻有光栅结构的金属膜上方。硅基激光器的衬底材料为硅,通过引入表面刻有光栅结构的金属薄膜结构。选择铒离子极化方向,受到外部光激发的铒离子能够有效诱导产生表面等离子体激元,结果表明多层掺铒硅单层的平均自发辐射寿命缩短了,相应SEMS型硅基激光器在1.54um波长处的增益系数提高了24%。

    由于表面等离子体激元在光波波段存在较大损耗佳影响硅基激光器的净增益输出,因此需将表面等离子体激元的损耗降至最低。SEMS型硅基激光器结构的材料折射率具备对称性,在忽略短程表面等离子体激元光学损耗的情况下,长程表面等离子体激光的光学损耗随着金属金薄膜厚度的减小而迅速降低,当金属薄膜厚度小于10nm时,长程表面等离子体激元的光学损耗可以忽略不计。

    周治平教授的研究结果表明,在金薄膜厚度小于20nm的情况下,SEMS型硅基激光器的净增益系数范围为1-36cm。最后,周治平教授进一步强调指出,应用上述物理机制及设计方案制作硅基激光器,将有助于提高器件的增益特性及与其它硅基电子器件的兼容性。

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