长波长半导体激光器波导层设计

长波长半导体激光器波导层设计! 高少文!，曹俊诚，封松林 （中国科学院上海微系统与信息技术研究所 信息功能国家重点实验室，上海 !"""#"） 摘要：研究了一种新型的，基于金属 $半导体界面等离子体激元的波导结构，从理论上对激射波长在 %&"’的 ()*+,*-()*+量子级联激光器的 波导层设计进行了讨论，分别研究了传统的递变低折射率波导设计和等离子体激元波导设计。结果表明，利用表面等离子体激元进行波导设 计，可以降低波导层厚度和提高光场限制因子，从而为长波段（如太赫兹频段）激光器提供了一种有效的波导设计方法。 关键词：量子级联激光器；波导；表面等离子体激元 中图分类号：./!0120；304%2% 文献标识码：* 文章编号："!#1 5 &"&6（!""0）"4 5 "#44 5 "4 自从 %770年 89--实验室研制出第一个量子级 联激光器以来，量子级联激光器在近红外和中红 外得到很好的研究和应用，但是在长波长波段，特 别是太赫兹（4""’ : 4 ’’）附近，研究仍然处于探 索阶段。对于长波长量子级联激光器的主要挑战 在于［%，!］：提高电流注入效率，增大电子跃迁的振 荡强度，增大光场在波导层的限制和减小载流子 对光的吸收［4］，研究也主要针对这些方面展开。对 于波导层，传统的递变低折射率波导设计［0］需要 波导层的厚度达到甚至超过外延生长设备（如分子 束外延）的生长极限厚度（ : %""’）。但是利用金属 $半导体界面等离子体激元的性质，可以大大减小 波导层的厚度，并且有效的提高波导对光场的限 制作用。 我们研究了金属钛和半导体材料 ()*+界面的 等离子体激元模式和其性质，讨论了对于激射波 长为 %&"’的 ()*+ $ *-()*+量子级联激光器传统的 递变低折射率波导设计和表面等离子体激元波导 设计。 % 表面等离子体激元模式 在金属和半导体界面存在一种电荷密度振荡, 表面等离子体激元振荡。图 %为笛卡儿坐标系下金 属和半导体的位置，!% 和!! 分别为金属和半导体 材料的介电常数，!"# 平面为两种材料的界面，$ 轴垂直于这个界面。 利用 ;)<=9-- 方程组理论，研究在界面处，并 且传播方向沿 ! 轴的电荷振荡。不考虑外加电荷 和电场的情况下，界面处电磁场满足 ;)<=9--方程 组及边界条件。从而得到电磁场即表面等离子体 激元模式。图 !为表面等离子体激元沿 $ 方向的电 场分布。这里，入射光波长为 %&"’，掺杂 ()*+材 料的电子浓度为 # 210 > %"%& =’5 4。由 ?@AB9模型得 到金属 .C和半导体 ()*+材料的复折射率分别为： %（.C）D &2 #1 E C4% 2 1，%（()*+）D 42 "6 E C" 2 "%!&。 介电系数!由材料相应复折射率得到。可以看到， 电场 &F沿 $ 方向在金属和半导体材料都是指数衰 减，并且电场在金属材料内的衰减比在半导体材 料中的衰减要强得多。 图 % 金属 $半导体界面图示 GCH2% I=J9’)KC= C--A+K@)KCLM LN CMK9@N)=9 O9KP99M ’9K)- )MB +9’C, =LMBA=KL@ ’)K9@C)-+ 第 !1卷 第 4期 QL-2!1 R 24 稀 有 金 属 STU/VIV W3XY/*Z 3G Y*YV ;V.*ZI !""0年 6月 WAM9 !""0 ! 收稿日期：!""0 5 "! 5 %#；修订日期：!""0 5 "0 5 "7 基金项目：国家重要自然科学基金（!""%SS*"!1""）；重大国家研究项目特别基金（(!""""614）和上海市科技发展基金,光专项 （"%%66%"&#）资助项目 作者简介：高少文（%7&6 5），男，湖北汉川市人，博士研究生；研究方向：太赫兹量子级联激光器设计 ! 通讯联系人（V,’)C-：+PH)L[’)C- 2 +C’2 )=2 =M） 万方数据 图 ! 电场 !"在 "#$ 平面界面附近的分布，亮的区域表示 电场具有较高的能量 #$%& ! ’()*+,$* -$)(. */01/2)2+ !" .$3+,$45+$/2 $2 "#$ 1(62) （4,$%7+ 6,)6 37/83 7$%7), -$)(. )2),%9） ! 长波长激光器波导设计 利用表面等离子体激元模式和传递矩阵法， 我们对激射波长为 :;!0的量子级联激光器进行 了波导设计。 表 :列出了 <种不同的波导结构，表中区间 = 为量子级联有源区，% 为每层厚度（!0），&)--为波 导结构的有效折射率的实部，"是波导结构的损耗 系数（!> <"# ’$），#为有效折射率虚部），%是限 制因子。（6）传统的递变低折射率波导结构，两个 ? &@!0厚低掺杂 A6B3波导层将有源层夹在中间， 以提高以有源层为中心的折射率。（4）和（*）分别为 单面和双面等离子激元模式限制的波导结构，限 制因子都比（6）结构高。（.）采用一面金属层和一面 高掺杂 A6B3层作为波导结构。在金属与有源层之 间加入了一层低掺杂层，可以减小等离子激元模 式与激光光场模式的耦合。较窄的高掺杂 A6B3层 可以代替金属层产生等离子体层，同时让其两边 的激光场通过趋肤效应交叠。图 =则给出了以上结 构的激光近场分布。可以看出，与传统的递变低折 射率波导结构设计相比，利用等离子体激元可以 提高激光光场的限制因子，减小波导层的厚度，但 是，这些结构同时也增大了光场的损耗。 图 = <种不同波导结构的光场分布 （6）传统的波导结构；（4）单面等离子体激元波导结构；（*）双面等离子激元波导结构；（.）单面金属 C高掺杂层波导结构 #$%&= D/.) 1,/-$()3 /- -/5, .$--),)2+ 86E)%5$.) 3+,5*+5,)3 <=@ 稀 有 金 属 !F卷 万方数据 表 ! "种量子级联激光器波导结构（!# !$!%） &’()* ! +,-. /011*.*23 4’5*6-0/* /*7062 ,1 89 )’7*.7 *%033026 4’5*)*263: ’3 !$!% 材料层 （!） （"） （#） （$） ! % &’ " ! % &’ " ! % &’ " ! % &’ " ( )*+ ( *,- . /*(0) # /*) , *+1 . 0(*1 # ) /*+ 0 *2 . / *///0-+ # /*) ( *+1 . 0(*13 / *) , *+1 . 0( *1 # /*+ 0 */- . /*/(), # 0 - 0 *)2 . /*//0 # - 0*)2 . /*//0 # - 0*)2 . /*//0 # - 0*)2 . /*//0 # 2 /*+ 0 *2 . / *///0-+ # /*+ 0 *2 . / *///0-+ # / *) , *+1 . 0(*1 # /*) / *)40 . 2*,1 # + )*+ ( *,- . /*(0) # )*+ ( *,- . /*(0) # )*+ ( *,- . /*(0) # 重掺杂 5!67衬底（掺杂浓度 +812 9 (/(, #’: 0，（#）中不包含） ";<< 0 */+ 0 *))4 0 *)40 0 *(1 != -, *10 ()) */0 ((4 *+ (02 *4 " /*40 / *44 !( /*44（包括第二层） 0 结 语 从 >!?#;@@方程组出发，理论上研究了金属 %半 导体材料界面的电磁场分布，证明了等离子激元 模式为一种横向磁场波（A>），存在于有相对介电 系数的金属 %半导体材料的界面处。利用等离子体 激元模式的性质，设计了# B (,!’ 的 5!67 % 6@C 5!67量子级联激光器的波导层。结果表明，利用 等离子激元设计长波长激光器的波导层，可以减 小波导层厚度，提高波导结构的限制因子，但是产 生较大的损耗因子。 参考文献： ［(］ 5!D E F，G!D H G，I;&J E K* F!L;JM3$; $;73J& D< @D&J =!L;@;&JNO 7;’3#D&$M#NDP @!7;P "!7;$ D& 7MPM@N3QODND&C!7737N;$ !"7DPQN3D& D< N;P!O;PNY P!$3!C N3D& 3& V&67 % 6@E" O;N;PDZM&#N3D&7［H］* ROS7* [;L* T*，)//0，-,： /1+0/4 * ［2］ 5!D E F，G!D H G，I;&J E K* \M’;P3#!@ !&!@S737 D< ’M@N3@!S;P =!L;JM3$; M73&J ;<<;#N3L; P;*%0?,2/-?3,. =’7*. @’7*/ ,2 >-.1’?* A)’7%,27 5!D EO!D=;&"，G!D HM&#O;&J，I;&J ED&J@3&（ $%&%’ (’) *&+,-&%,-) ,. /012%#,1&3 4&%’-#&35 .,- 61.,-7&%#25，$8&198&# 615%#%0%’ ,. 4#2-,5)5%’7 &1! 61.,-7&%#,1 :’281,3,9)，;8#1’5’ <2&!’7) ,. $2#’12’5， $8&198&# =>>>?>，;8#1&） B(73.’?3：]Q;P!N3D& D< ! ^M!&NM’ #!7#!$;（UG）@!7;P !N @D&J =!L;@;&JNO7（ _ (+!’）P;^M3P;7 ! JDD$ DQN3#!@ #D&C <3&;’;&N D< @3JON 3& NO; =!L;JM3$;，=3NODMN P;7DPN3&J ND NO; QPDO3"3N3L;@S NO3#‘ =!L;JM3$; @!S;P7 * AO; &;= NSQ; D< =!L;JM3$; #D&#;QN "!7;$ D& 7MP