專精一“頻”——單模半導體納米線激光器

更新時間：2025-06-06

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　　隨著通信行業的快速擴張以及光互聯等技術的發展，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，是發展新一代激光器的必然選擇。

　　半導體納米線激光器因具有靈活的材料和帶隙調控性能，同時又可作為諧振腔和增益介質的一維結構，自2001年被提出后一直受到廣泛關注，已成為微納激光器領域的主要研究方向之一。

　　一、常用的半導體材料

　　納米線的自底向上的合成方式十分有利于開發新的半導體材料。

　　早期實現的半導體納米線激光器的發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體材料包括GaSb、GaAs、InP等，然而材料自身的表面高密度缺陷態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現激光輸出。近年來，利用GaAsP、AlGaAs等對GaAs表面進行鈍化處理，可以有效降低表面缺陷態密度，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等多元半導體材料的可調諧半導體納米線激光器在多波段均已實現激光輸出。

　　二、實現納米線激光器單模輸出的常用方法

　　實現單模激光器，需要同時限制橫模和縱模。對于半導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現單橫輸出。若納米線直徑較大，則需要利用復合腔或引入額外損耗等附加手段，實現對橫模的模式選擇。相對于橫模，實現單縱模輸出受到了更廣泛的研究。

　　目前，實現納米線激光器單縱模輸出主要包括縮短腔長、耦合腔以及調節模式增益/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-P腔的FSR較小，在激光器增益閾值以上，往往具有多個可起振的諧振模式(縱模)，從而導致激光器多模輸出 [圖1(a)]。通過縮短腔長，可以使F-P腔的FSR增大，落在增益區內的模式數減少，甚至只剩一個。相對于邊模，主模具有明顯的競爭優勢，進而可實現激光器單縱模輸出[圖1(b)]。

　　圖1 不同腔長情況下半導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，插圖為對應腔結構;(b)短腔情況下，激光器輸出模式特性示意圖，插圖為對應腔結構

　　不過，單純縮短腔長會減少增益長度、增加腔內損耗系數，導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。

　　桑迪亞國家實驗室Wang等以干、濕法刻蝕相結合的方式實現了對納米線幾何參數的精確控制，制備了4.7μm長的高質量GaN納米線諧振腔，實現了370nm的單縱模輸出。

　　澳大利亞國立大學的Saxena利用金屬有機物化學氣相沉積法(MOCVD)制備了core-shell-cap結構的(Al)GaAs納米線激光器，對GaAs納米線表面進行鈍化處理，減少了表面復合。另外，在納米線的一端放置用于催化反應的金納米顆粒，可顯著提面反射率。最終實現了室溫下了880nm近紅外波段的單縱模輸出。

　　浙江大學楊青課題組制備了表面具有納米尺度脊狀結構的CdSe納米帶激光器，這些脊狀結構使得納米帶在橫向形成脊型波導，腔長約5μm。相比于納米線激光器，該結構對光場的限制作用較弱，暴露在受激發射區域內的增益材料更多，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)納米帶橫向發射激光的光學顯微鏡圖像;(c)納米帶激光器橫向激光光譜;(d)激光發射強度和線寬隨泵浦功率變化曲線

　　2、耦合腔單模激光器

　　實現單模激光器的另一種方法是采用耦合腔結構。基于游標效應，只有同時滿足所有子腔諧振條件，才能夠在激光腔內諧振，進而在維持一定腔長(足夠的增益長度)的情況下仍能實現單縱模輸出[圖3(a)]。

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

　　圖3 耦合腔游標效應示意圖以及典型的耦合腔結構。(a)游標效應原理示意圖;(b)環形鏡耦合腔;(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。浙江大學童利民課題組通過顯微操縱將CdSe的一端或兩端彎折成環形鏡，在700nm紅光波段實現了單縱模輸出。對于一端彎折成環形鏡的情況，激光器包括兩個子腔[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域，最終只有兩個耦合腔起振，從而實現激光器單縱模輸出。

　　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，顯微操縱較為復雜，可能會對納米線表面造成損傷或污染。

　　加州大學伯克利分校的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，其結構如圖3(d)所示，這類基于輻射波的耦合方式無需顯微操縱，結構更為簡單。

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

　　3、通過調節模式增益/損耗實現的單模激光器

　　實現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的情況下，通過在基底、端面引入特殊結構，或者改變泵浦條件，以調節不同模式的增益和損耗。最典型的結構為分布式反饋腔(DFB)，這是傳統半導體激光器中實現單模輸出的常用技術。

　　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構具有很大的挑戰，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，組成復合結構。利用這種方式，Wright等成功實現了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納米線激光器結構示意圖，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，還有更簡單的結構或方式以用于模式選擇。2012年，新墨西哥大學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)下實現了單橫模輸出。2017年，北京大學胡曉東課題組研究發現，GaN納米線中不同位置處、不同波長的導波自發輻射系數存在差異，故通過改變泵浦點位置，也可以實現模式選擇作用。

　　三、總結和展望

　　目前，雖已有多種實現單模半導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，主要包括：進一步降低激光器的閾值功率、實現納米線激光器在芯片上的集成等。

　　此外，目前已實現的單模半導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體納米線激光器還鮮有研究，其在單根納米線P-N結的構建與轉移、高質量電極觸點的制備以及低閾值輸出等方面均面臨著巨大的挑戰。

　　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、光譜學等領域發揮重要作用。

參考文獻：中國光學期刊網

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