基于三维金属混合衬底结构的低阈值亚波长近红外纳米线激光器的研究

Miniaturization and lowering threshold of semiconductor lasers play key roles in on-chip coherent light sources and ultra-high-density photonic integration. However, due to the limits of poor optical confinement and end-facet reflectivity, near-infrared nanowire lasers, the key device in on-chip optical communications and photonic computing systems, meet bottlenecks in reducing dimensions and threshold. The employment of plasmonics with optical confinement beyond the diffraction limit in nanowire lasers as well as enhanced end-facet reflectivity by the novel design of the resonant cavity structure is the key to overcome the bottlenecks. This project focuses on the theoretical and experimental research on the lowering threshold of subwavelength near-infrared nanowire lasers. Here, an innovative concept of 3-D hybrid metal substrate with surface nanostructure is proposed to be integrated with 1-D nanowire to compose 3-D hybrid metal cavity. The 2-D optical confinement, distributed feedback effect and the Purcell effect of 3-D hybrid metal nanocavity will be investigated in detail. The controllable growth of nanowire heterostructure and 3-D hybrid metal substrate will be experimentally investigated to realize lowering threshold of near-infrared nanowire lasers. The above research will have significant impact on the development of on-chip coherent sources and ultra-high photonic integrations.

缩小激光器尺寸和降低阈值在片上相干光源和超高密度光子集成中具有至关重要的意义。受制于光场限制能力和端面反射率的不足，作为片上光互联和光子计算系统核心器件的半导体纳米线激光器在上述方面还面临着诸多瓶颈。利用表面等离激元超越衍射极限的光场限制特性将纳米线激光器尺寸减小到亚波长尺度，并通过改进纳米线激光器的谐振腔结构增强其光场限制能力和端面反射率来降低阈值是克服上述瓶颈的关键。本项目拟围绕亚波长近红外纳米线激光器的阈值过高问题展开系统的理论和实验研究；创新地提出带有表面纳米结构的三维金属混合衬底结构并与一维纳米线结合构建三维金属混合谐振腔；深入研究其二维光场限制作用、光波分布反馈作用和Purcell效应；实验探索纳米线异质结构可控生长和三维金属混合衬底结构制备；最终实现亚波长近红外纳米线激光器的阈值降低。该研究将对片上相干光源及超高密度光子集成等领域的发展产生积极推动作用。

缩小激光器尺寸和降低阈值在片上相干光源和超高密度光子集成中具有至关重要的意义。受制于光场限制能力和端面反射率的不足，作为片上光互联和光子计算系统核心器件的半导体纳米线激光器在上述方面还面临着诸多瓶颈。本项目研究了短周期金属光栅三维金属混合衬底结构与纳米线内传导的光场之间的相互作用，尤其是新引入的与衬底方向平行的限制力与光场之间的相互作用，以及三维金属衬底结构对纳米线内传导的光场的反射增强作用。研究了三维金属混合结构来探索更强的光场限制因子、更小的纳米线截止直径和模式有效体积。根据腔量子电动力学中的原子与光子之间的弱耦合作用，研究了原子周围的波长尺度环境对光子自发和受激辐射速率的影响。提出了短周期金属光栅的三维衬底结构来增强纳米线端面的反射率，减小纳米线的尺寸。利用有限元数值仿真的方法，计算了集成金属光栅反射镜的纳米线激光器的光场传输特性和反射特性。理论计算结果显示，当光栅周期数为20时，直径为200纳米的纳米线激光器的端面反射率为77.6%。与没有金属光栅的纳米线端面反射率相比，其端面反射率增加了近3倍，阈值降低了约四分之三。在此工作的基础上，研究了基于三维金属混合衬底的对称金属光栅对纳米线内传导光场的限制作用和发射作用，以及对称金属结构对光子自发与受激辐射速率的影响及对纳米线激光器阈值增益的影响。提出了一种部分夹在双银光栅中的纳米线激光器的新结构，当周期数大于8时，可获得90%以上的高反射率。对于大纳米线直径，双光栅的反射率是纳米线端面的2.4倍。当纳米线的直径为为150 nm时，双光栅的反射率比纳米线端面的反射率大17倍，阈值增益和激光器尺寸也由于谐振腔的作用实现了降低。研究了基于表面等离激元诱导电磁透明的机理，以及基于非对称纳米谐振腔衬底结构产生表面等离激元诱导电磁透明的产生机理。提出了失谐共振的纳米谐振腔来控制腔内单光子发射器的发射速率。利用“亮”“暗”谐振器之间的耦合产生的表面等离激元诱导透明可以改变单光子发射器周围的电磁环境，进而产生Purcell效应，单光子发射器的发射速率可以被增强2000倍以上。研究了核-壳结构纳米线的制备，以及生长环境参数对纳米线异质结构的影响，及高质量光滑金属衬底结构的制备。利用混合衬底结构的谐振腔产生的高Purcell效应，实现了纳米线激光器的光子辐射增强。该研究将对片上相干光源及超高密度光子集成等领域的发展产生积极推动作用。