纳米尺度高斯模式金属半导体激光器研究

基本信息
批准号:61604073
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:20.00
负责人:张柏富
学科分类:
依托单位:南京理工大学
批准年份:2016
结题年份:2019
起止时间:2017-01-01 - 2019-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:熊吉川,郝晶晶,Kaleem Ullah,周丽娟,崔璐,赵军
关键词:
表面等离激元金属谐振腔纳米激光器微纳光子器件
结项摘要

In recent years, metallic semiconductor lasers are proposed and investigated widely, and have been shrunk into subwavelength and even nano-scale sizes successfully. However, the cost of the miniaturization of such lasers is that the huge optical loss, such as the plasmonic loss, of the metallic semiconductor cavity increases the lasing threshold and energy consumption dramatically, and thus cannot meet the increasing demands for low energy consumption and ultra-small laser size, which impede the progress of ultra-large photonic integrated circuits and integrated optical communication technology. Those difficulties are needed to be overcome. In this project, we propose a novel topology for metallic semiconductor cavity, which is named “Gaussian mode-like” cavity. This new cavity structure introduces cylindrical reflective facets and curved sidewalls, and thus generate Gaussian resonant mode, which allows concentration of optical energy in the center of the cavity and reduction of the overlap of optical field distribution and metallic sidewalls. Thus the metallic loss, especially the plasmonic loss, can be reduced effectively, and both the cavity quality factor and the performance of the proposed laser can be improved. Besides, by asymmetrically designing the curvature of both reflective facets, the optical energy inside the cavity can be directionally coupled from the cavity substrate into a waveguide. This project aims at designing a novel type of metallic semiconductor laser with dimension smaller than half wavelength and low threshold (lower than 50-μA current or 100-μW optical pumping power), and then does both numerical and experimental demonstration. This project will introduce new schemes and methods to the academic research and industrial applications of nanolasers.

近年来,金属半导体激光器被发明和广泛研究,并成功将尺寸缩小到亚波长乃至纳米尺度。然而,金属半导体腔的巨大光学损耗如表面等离激元损耗等,使得激光器尺寸小型化的同时,阈值和功耗大为提高,从而不能满足不断增加的低功率和小型化需求,严重阻碍极大规模光子集成电路和集成化光通信技术的进步。这一问题亟待解决。本项目提出一种新型的金属半导体谐振腔结构——高斯型谐振腔。该结构引入圆柱形的反射端面和曲线形的侧壁,产生高斯谐振模式,可使光场能量集中在腔中心,减少光场在腔壁金属层的分布,从而有效降低金属损耗,特别是表面等离激元损耗,提高谐振腔的品质因子和激光器性能。通过两个反射端面曲率半径的非对称设计,实现光场能量从腔底部的定向波导耦合输出。本项目拟设计出尺寸小于半波长、低阈值(低于50微安电流或100微瓦泵浦光)的新型金属半导体激光器,并作数值模拟和实验验证,为纳米激光器的学术研究和工业应用提供新机制和新方法。

项目摘要

近年来,纳米尺度的金属半导体激光器被发明和广泛研究。然而,金属半导体腔的巨大光学损耗,使得激光器尺寸小型化的同时,阈值和功耗大为提高,严重阻碍极大规模光子集成电路和集成化光通信技术的进步。本项目提出并研究了一种高斯型金属半导体谐振腔结构,通过优化谐振模式的电磁场分布特性减小金属损耗,提升纳米激光器性能。主要研究内容包括:.(1)理论分析了高斯模式的金属半导体纳米激光器的物理特性,如谐振腔品质因子、谐振模式的电磁场分布、限制因子、阈值增益与阈值电流等,揭示了其物理性质随谐振腔结构变化的一般规律。证明了高斯型谐振腔对纳米激光器性能提升的有效性。.(2)通过电子束曝光与离子束刻蚀的微加工实验,制备出符合本项目设计要求的高斯型金属半导体谐振腔结构,并进行了扫描电子显微镜表征,验证了高斯模式的金属半导体纳米激光器的制备可行性。.(3)研究并优化了金属和介质结构的混合等离激元波导,实现了亚波长模式限制和低损耗特性。在此基础上研究了金属半导体谐振腔的波导耦合机制,并通过谐振腔反射端面曲率半径的非对称设计,实现光场能量的定向波导耦合输出。.(4)研究了纳米激光器相关的微纳尺度光场调控问题,通过设计金属或介质的人工微结构,在微纳尺度范围对入射光场进行传播、光束整形和聚焦等调控,拓宽了金属半导体纳米激光器的应用领域。.项目的研究结果阐明了具有高斯模式的新型金属半导体激光器的物理特性,为纳米激光器的学术研究及其在集成光子学中的应用提供新机制和新方法。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

基于一维TiO2纳米管阵列薄膜的β伏特效应研究

DOI:10.7498/aps.67.20171903
发表时间:2018
2

正交异性钢桥面板纵肋-面板疲劳开裂的CFRP加固研究

正交异性钢桥面板纵肋-面板疲劳开裂的CFRP加固研究

DOI:10.19713/j.cnki.43-1423/u.t20201185
发表时间:2021
3

小跨高比钢板- 混凝土组合连梁抗剪承载力计算方法研究

小跨高比钢板- 混凝土组合连梁抗剪承载力计算方法研究

DOI:10.19701/j.jzjg.2015.15.012
发表时间:2015
4

栓接U肋钢箱梁考虑对接偏差的疲劳性能及改进方法研究

栓接U肋钢箱梁考虑对接偏差的疲劳性能及改进方法研究

DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2020.03.007
发表时间:2020
5

F_q上一类周期为2p~2的四元广义分圆序列的线性复杂度

F_q上一类周期为2p~2的四元广义分圆序列的线性复杂度

DOI:10.11999/JEIT210095
发表时间:2021

张柏富的其他基金

相似国自然基金

1

一维贵金属纳米有序阵列的局域表面等离子共振模式的尺度效应

批准号:10804112
批准年份:2008
负责人:张俊喜
学科分类:A2206
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
2

多尺度高斯过程模型及其学习曲线研究

批准号:60972106
批准年份:2009
负责人:周亚同
学科分类:F0113
资助金额:22.00
项目类别:面上项目
3

双外腔可调谐半导体激光器Fabry-Perot干涉仪跨尺度纳米计量

批准号:51575311
批准年份:2015
负责人:李岩
学科分类:E0511
资助金额:65.00
项目类别:面上项目
4

纳米多孔金属变形机制的原位原子尺度研究

批准号:11704245
批准年份:2017
负责人:刘攀
学科分类:A2001
资助金额:31.00
项目类别:青年科学基金项目