基于波导耦合的金属覆盖介质构成表面等离激元谐振腔激光器的研究

Surface plasmon polariton nanolaser is a key component for on-chip optical interconnects system, exhibiting the advantage of ultra-compact footprint due to beyond optical diffraction limit. Towards solving the issues of non-planar directional output of cavity lasing light or challenge of coupling light to optical waveguide for those existing nanolasers, two types of structures of waveguide integrated surface plasmon nanolasers are proposed here, including surface plasmon cavity consisting of metal-clad dielectric materials embedded in a strip waveguide and one dimensional photonic cryatal nanobeam (1D PCNB) cavity, respectively. Both configurations possess the features of beyond diffraction limit and planar directional output of lasing light simultaneously. In addition, a novel combo cavity is formed by surface plasmon cavity embedded in the 1D PCNB cavity, where the interaction strength of light-matter in the combo cavity can enable the significantly increased Purcell effect for the plasmon nanolasers, resulting in dramatically lowering the pumping threshold. This project investigates the transition mechanism and coupling efficiency between a surface plasmon mode and an optical propagation mode at the metal-dielectric interface, while explores the smooth and steep side-wall quality improvement through micro-fabrication technology for InP-based square structure with submicron and micron size. This investigation can provide a new idea and new method for practical plasmonic laser light sources potentially applied in InP-based hybrid photonic or photonic integrated circuits.

表面等离激元激光器具备超越衍射极限的尺寸优势，是片上光互连系统的关键器件。针对目前此类激光器普遍存在腔内激射光非平面定向输出或者耦合光波导较为困难的问题，本项目提出两种利于光子集成的波导耦合表面等离激元激光器新型结构，即由金属覆盖增益介质的表面等离激元谐振腔分别嵌入直条波导和一维光子晶体纳米梁腔而构成。两种集成结构同时具备突破衍射极限的表面等离激元和激射光平面定向输出的特性。其中表面等离激元腔嵌入一维光子晶体纳米梁腔构成了新颖的双腔结构，双腔内光与物质相互作用增强机制使得激光器的珀塞耳效应显著增大，从而大幅度地降低泵浦阈值成为可能。本项目理论上通过金属-介质交界面表面等离激元模式与光波导传播模式的相互作用,研究两者的转换机理和耦合效率。同时探索InP基亚微米和微米尺度方体的平滑陡直侧壁的制备原理及工艺技术。本课题为InP基光子集成或者混合光子集成芯片提供了一种实用化激光源的新思路和新方法。

随着生成的信息量不断增加，高速传输和处理信息变得至关重要。光互连作为一种新的互连方式，具有极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性等优点。实现激光在芯片上的光互连要求激光器的特征尺度接近电子器件，传统的光学激光器尺寸受光学衍射极限限制，每个维度最小的尺度均要大于半个波长。基于表面等离子体技术的表面等离激元激光器具备超越衍射极限的尺寸优势，可以使激光器突破衍射极限，满足片上光源的需求，是片上光互连系统的关键器件。针对目前此类激光器普遍存在腔内激射光非平面定向输出或者耦合光波导较为困难的问题，提出并实现两种利于光子集成的波导耦合表面等离激元激光器新型结构设计，即由金属覆盖增益介质的表面等离激元谐振腔分别嵌入直条波导和一维光子晶体纳米梁腔而构成。两种集成结构同时具备突破衍射极限的表面等离激元和激射光平面定向输出的特性。其中表面等离激元腔嵌入一维光子晶体纳米梁腔构成了新颖的双腔结构，双腔内光与物质相互作用增强机制使得激光器的珀塞耳效应显著增大，从而大幅度地降低泵浦阈值成为可能。其中，一维光子晶体纳米梁腔具有较优秀的性能，其模式体积仅为0.15(λR/n)3，并实现了808的Q因子、106的Purcell因子和75%的波导耦合效率。此外，实现了InP基材料亚波长深宽比高达16:1的微纳沟槽的制备工艺，掌握了基于HBr气体的70 nm至300 nm范围开口深槽的刻蚀技术，此关键技术为深亚微米和纳米尺度光电子器件的进一步发展奠定基础。最终，我们设计的纳米激光器工作在1535nm波长下，在阈值泵浦率下的3dB带宽为134GHz，并在17μA的注入电流下产生了大于10μW的输出功率。通过项目的实施，在理论上通过金属-介质交界面表面等离激元模式与光波导传播模式的相互作用，研究两者的转换机理和耦合效率。同时获得InP基亚微米和微米尺度方体的平滑陡直侧壁的制备工艺技术。本课题相关成果为InP基光子集成或者混合光子集成芯片提供了一种实用化激光源的新思路和新方法。