隨著通信行業(yè)的快速擴(kuò)張以及光互聯(lián)等技術(shù)的發(fā)展，人們對激光器等器件集成化、小型化的需求日益旺盛。將激光器尺寸推向微米乃至納米量級，是發(fā)展新一代激光器的必然選擇。

　　半導(dǎo)體納米線激光器因具有靈活的材料和帶隙調(diào)控性能，同時(shí)又可作為諧振腔和增益介質(zhì)的一維結(jié)構(gòu)，自2001年被提出后一直受到廣泛關(guān)注，已成為微納激光器領(lǐng)域的主要研究方向之一。

　　一、常用的半導(dǎo)體材料

　　納米線的自底向上的合成方式十分有利于開發(fā)新的半導(dǎo)體材料。

　　早期實(shí)現(xiàn)的半導(dǎo)體納米線激光器的發(fā)射波長主要集中在紫外和可見波段。紫外波段材料包括ZnO、GaN、ZnS等，可見光波段材料包括CdS、CdSe等。

　　工作在紅外波段的半導(dǎo)體材料包括GaSb、GaAs、InP等，然而材料自身的表面高密度缺陷態(tài)以及納米線對紅外光相對較弱的光場限制，使得利用這類材料制備的納米線激光器難以在室溫下實(shí)現(xiàn)激光輸出。近年來，利用GaAsP、AlGaAs等對GaAs表面進(jìn)行鈍化處理，可以有效降低表面缺陷態(tài)密度，成功將這類納米線激光器的工作溫度提高到了室溫水平。

　　此外，利用ZnxCd1-xS、CdS1-xSex、InxGa1-xAs及ZnxCd1-xSySe1-y等多元半導(dǎo)體材料的可調(diào)諧半導(dǎo)體納米線激光器在多波段均已實(shí)現(xiàn)激光輸出。

　　二、實(shí)現(xiàn)納米線激光器單模輸出的常用方法

　　實(shí)現(xiàn)單模激光器，需要同時(shí)限制橫模和縱模。對于半導(dǎo)體納米線激光器而言，利用納米線本身的橫向限制和模式競爭即可實(shí)現(xiàn)單橫輸出。若納米線直徑較大，則需要利用復(fù)合腔或引入額外損耗等附加手段，實(shí)現(xiàn)對橫模的模式選擇。相對于橫模，實(shí)現(xiàn)單縱模輸出受到了更廣泛的研究。

　　目前，實(shí)現(xiàn)納米線激光器單縱模輸出主要包括縮短腔長、耦合腔以及調(diào)節(jié)模式增益/損耗特性三種方式。

　　1、短腔長單模激光器

　　激光器縱模間隔主要取決于增益介質(zhì)的群折射率 和腔長 。

　　例如F-P模，相鄰縱模間的模式間隔(FSR)為

 ，c為光速。在腔長較長的情況下，F(xiàn)-P腔的FSR較小，在激光器增益閾值以上，往往具有多個(gè)可起振的諧振模式(縱模)，從而導(dǎo)致激光器多模輸出 [圖1(a)]。通過縮短腔長，可以使F-P腔的FSR增大，落在增益區(qū)內(nèi)的模式數(shù)減少，甚至只剩一個(gè)。相對于邊模，主模具有明顯的競爭優(yōu)勢，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)激光器單縱模輸出[圖1(b)]。

　　圖1 不同腔長情況下半導(dǎo)體納米線激光器輸出模式特性示意圖。(a)長腔情況下，激光器輸出模式特性示意圖，插圖為對應(yīng)腔結(jié)構(gòu);(b)短腔情況下，激光器輸出模式特性示意圖，插圖為對應(yīng)腔結(jié)構(gòu)

　　不過，單純縮短腔長會減少增益長度、增加腔內(nèi)損耗系數(shù)，導(dǎo)致激光器閾值功率上升，因此需要采取一定的措施提高增益或降低損耗。

　　桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室Wang等以干、濕法刻蝕相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了對納米線幾何參數(shù)的精確控制，制備了4.7μm長的高質(zhì)量GaN納米線諧振腔，實(shí)現(xiàn)了370nm的單縱模輸出。

　　澳大利亞國立大學(xué)的Saxena利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)制備了core-shell-cap結(jié)構(gòu)的(Al)GaAs納米線激光器，對GaAs納米線表面進(jìn)行鈍化處理，減少了表面復(fù)合。另外，在納米線的一端放置用于催化反應(yīng)的金納米顆粒，可顯著提面反射率。最終實(shí)現(xiàn)了室溫下了880nm近紅外波段的單縱模輸出。

　　浙江大學(xué)楊青課題組制備了表面具有納米尺度脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的CdSe納米帶激光器，這些脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)使得納米帶在橫向形成脊型波導(dǎo)，腔長約5μm。相比于納米線激光器，該結(jié)構(gòu)對光場的限制作用較弱，暴露在受激發(fā)射區(qū)域內(nèi)的增益材料更多，降低了激光輸出閾值，如圖2所示。

　　圖2 單模納米帶激光器及其輸出特性。(a)帶有明顯凸起的CdSe納米帶SEM圖;(b)納米帶橫向發(fā)射激光的光學(xué)顯微鏡圖像;(c)納米帶激光器橫向激光光譜;(d)激光發(fā)射強(qiáng)度和線寬隨泵浦功率變化曲線

　　2、耦合腔單模激光器

　　實(shí)現(xiàn)單模激光器的另一種方法是采用耦合腔結(jié)構(gòu)。基于游標(biāo)效應(yīng)，只有同時(shí)滿足所有子腔諧振條件，才能夠在激光腔內(nèi)諧振，進(jìn)而在維持一定腔長(足夠的增益長度)的情況下仍能實(shí)現(xiàn)單縱模輸出[圖3(a)]。

　　近年來，基于耦合腔結(jié)構(gòu)的單模半導(dǎo)體納米線激光器被廣泛研究，并形成了包括環(huán)形鏡腔、X型腔、解理耦合腔(Cleaved-coupled cavities)在內(nèi)的多種典型結(jié)構(gòu)，如圖3(b)-(d)所示。

　　圖3 耦合腔游標(biāo)效應(yīng)示意圖以及典型的耦合腔結(jié)構(gòu)。(a)游標(biāo)效應(yīng)原理示意圖;(b)環(huán)形鏡耦合腔;(c)X型腔;(d)解理耦合腔

　　倏逝波耦合是耦合腔納米線激光器中常見的形式。浙江大學(xué)童利民課題組通過顯微操縱將CdSe的一端或兩端彎折成環(huán)形鏡，在700nm紅光波段實(shí)現(xiàn)了單縱模輸出。對于一端彎折成環(huán)形鏡的情況，激光器包括兩個(gè)子腔[圖3(b)]。一種更簡單的方法是直接將兩根長度不同的納米線靠在一起，形成橫向的X形耦合腔[圖3(c) ]，通過合理控制泵浦區(qū)域，最終只有兩個(gè)耦合腔起振，從而實(shí)現(xiàn)激光器單縱模輸出。

　　然而，基于倏逝波的橫向耦合單模激光器，其輸出的激光對納米線間距、耦合長度、尺寸等參數(shù)具有高度敏感性，這使得激光器的輸出波長、模式等不易控制。此外，顯微操縱較為復(fù)雜，可能會對納米線表面造成損傷或污染。

　　加州大學(xué)伯克利分校的Yang等人利用聚焦離子束刻蝕，將單根GaN納米線切割成兩段長度不同的納米線，通過端面輻射縱向耦合，形成解理耦合腔，其結(jié)構(gòu)如圖3(d)所示，這類基于輻射波的耦合方式無需顯微操縱，結(jié)構(gòu)更為簡單。

　　除了物理切割的方式，2018年Weman等通過控制反應(yīng)時(shí)間和注入材料，成功在同一根納米線上生長了六個(gè)GaAsSb超晶格結(jié)構(gòu)，利用納米線中不同材料的腔的模式濾波作用，成功實(shí)現(xiàn)了近紅外波段的單縱模輸出。

　　3、通過調(diào)節(jié)模式增益/損耗實(shí)現(xiàn)的單模激光器

　　實(shí)現(xiàn)單模輸出的另一種思路是，在不改變諧振腔本身的幾何參數(shù)的情況下，通過在基底、端面引入特殊結(jié)構(gòu)，或者改變泵浦條件，以調(diào)節(jié)不同模式的增益和損耗。最典型的結(jié)構(gòu)為分布式反饋腔(DFB)，這是傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器中實(shí)現(xiàn)單模輸出的常用技術(shù)。

　　對于納米線激光器而言，在納米線上直接生長或刻蝕周期性結(jié)構(gòu)具有很大的挑戰(zhàn)，因此需要在基底上制備周期性布拉格光柵，將納米線放在光柵上，組成復(fù)合結(jié)構(gòu)。利用這種方式，Wright等成功實(shí)現(xiàn)了GaN納米線激光器的單縱模輸出，其閾值功率為~300kW/cm2.邊模抑制比為17dB，如圖4所示。

　　圖4 DFB納米線激光器。(a)DFB納米線激光器結(jié)構(gòu)示意圖，其中納米線有三種不同的角度取向;(b)放置在DFB基底上的單根納米線SEM圖;(c)不同角度取向納米線輸出激光光譜特性。

　　此外，還有更簡單的結(jié)構(gòu)或方式以用于模式選擇。2012年，新墨西哥大學(xué)Xu等將一根GaN納米線放置在Au基底上，利用金基底引入的模式依賴損耗成功在大納米線直徑(~300nm)下實(shí)現(xiàn)了單橫模輸出。2017年，北京大學(xué)胡曉東課題組研究發(fā)現(xiàn)，GaN納米線中不同位置處、不同波長的導(dǎo)波自發(fā)輻射系數(shù)存在差異，故通過改變泵浦點(diǎn)位置，也可以實(shí)現(xiàn)模式選擇作用。

　　三、總結(jié)和展望

　　目前，雖已有多種實(shí)現(xiàn)單模半導(dǎo)體納米線激光器的方法，但是這些方法也面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)，主要包括：進(jìn)一步降低激光器的閾值功率、實(shí)現(xiàn)納米線激光器在芯片上的集成等。

　　此外，目前已實(shí)現(xiàn)的單模半導(dǎo)體納米線激光器都是基于光泵浦的，單根集成的電泵浦半導(dǎo)體納米線激光器還鮮有研究，其在單根納米線P-N結(jié)的構(gòu)建與轉(zhuǎn)移、高質(zhì)量電極觸點(diǎn)的制備以及低閾值輸出等方面均面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

　　相信隨著制備工藝、集成方式等方面的不斷完善，這類激光器未來會在通信、探測、光譜學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

     參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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