表面等離激元MIS波導(dǎo)激光器研究進(jìn)展

納米激光器在光通信、全息技術(shù)、生物醫(yī)療成像等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。表面等離激元（Surface plasmon polariton，SPP）沿著金屬表面?zhèn)鞑ィ谠撎匦钥芍瞥赏黄蒲苌錁O限的低閾值納米激光器。它們不但具有小尺寸特征，同時還能激發(fā)Purcell效應(yīng)，表現(xiàn)出更高的自發(fā)輻射效率。近年來，金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SPP激光器因具有超強(qiáng)的模式約束能力被大量報道。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，太原理工大學(xué)崔艷霞教授、李國輝副教授及其團(tuán)隊圍繞MIS波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SPP激光器主題進(jìn)行了綜述研究，在《發(fā)光學(xué)報》期刊發(fā)表了題為“表面等離激元金屬-絕緣體-半導(dǎo)體波導(dǎo)激光器研究進(jìn)展”的綜述文章，介紹了SPP MIS波導(dǎo)激光器的工作原理、增益介質(zhì)材料以及研究進(jìn)展，并對其未來發(fā)展和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

基于MIS波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SPP激光器包括三層：位于上層的半導(dǎo)體層和位于下層的金屬層，以及位于金屬層和半導(dǎo)體層之間的絕緣材料層。半導(dǎo)體材料構(gòu)成了MIS激光的增益介質(zhì)，它們?yōu)樗ぐl(fā)的SPP模式提供放大的來源。基于MIS波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SPP激光器根據(jù)增益介質(zhì)的形狀不同，主要分為納米片和納米線兩類。

MIS波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面等離激元激光器截面圖及基本原理示意圖

納米片MIS波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖（a）及其兩步等效模型（（b）~（c））

目前，已經(jīng)報道的SPP MIS波導(dǎo)激光器所使用的增益介質(zhì)包括Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體、Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體以及鈣鈦礦等。Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體和Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體因其寬禁帶、波長可調(diào)特性成為最早作為SPP MIS波導(dǎo)激光器的增益介質(zhì)材料。最近幾年來，鈣鈦礦因制備成本低、發(fā)光性能好等特性成為一種新型的SPP MIS波導(dǎo)激光器增益介質(zhì)材料。

基于Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體的SPP MIS波導(dǎo)激光器

用于SPP MIS波導(dǎo)激光器的Ⅱ-Ⅵ半導(dǎo)體主要包括CdS、CdSe、ZnO，這些材料具有覆蓋可見光波段到紫外光波段的禁帶寬度、直接躍遷的能帶結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，研究者們以這些材料為增益介質(zhì)，研發(fā)出了低閾值、Purcell因子高、超快動力學(xué)等性能的MIS結(jié)構(gòu)激光器。例如，2017年，Zhang等研究人員利用CdS材料的自吸收特性，開發(fā)了一種波長可調(diào)的CdS基納米線SPP MIS波導(dǎo)激光器，其絕緣層為SiO2，金屬層為Ag。由于一維納米線半導(dǎo)體中存在強(qiáng)的激子-聲子耦合，導(dǎo)致其能帶發(fā)生波動，產(chǎn)生了位于Urbach帶尾區(qū)域的光吸收與光發(fā)射。

基于CdS納米線/SiO2/Ag SPP激光結(jié)構(gòu)示意圖及激光光譜

基于Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體的SPP MIS波導(dǎo)激光器

用于SPP MIS波導(dǎo)激光器的Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體主要包括GaN、InGaN、AlGaN、GaAs/AlGaAs、In-GaAsP，這些材料具有波長可調(diào)、禁帶寬、熱穩(wěn)定性好等性能。研究者們以這些材料為增益介質(zhì)，研發(fā)出了低閾值、波長可調(diào)的SPP MIS波導(dǎo)激光器。例如，2020年，Liu等研究人員報道了一種Ⅲ族氮化物基納米線SPP MIS波導(dǎo)激光器。在SPP MIS波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，電磁場局域化提供了很強(qiáng)的SPP耦合，提高了半導(dǎo)體中光生載流子轉(zhuǎn)變成輻射更快的SPP模式的比例，促進(jìn)了激子-SPP的耦合極化，該器件的性能因此得到了大幅改善。

基于InGaN/GaN（Al-GaN/GaN）納米線/SiO2/Ag（Al）SPP激光結(jié)構(gòu)示意圖及激光光譜

基于鈣鈦礦的SPP MIS波導(dǎo)激光器

Ⅱ-Ⅵ、Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體材料均是通過氣相沉積法制備得到的，該工藝相對復(fù)雜、成本較高。而鈣鈦礦材料可通過溶液法制備，成本相對較低。用于SPP MIS波導(dǎo)激光器的鈣鈦礦材料主要包括MAPbX3（X為I、Br、Cl）、CsPbX3（X為I、Br、Cl），這些材料在寬光譜范圍內(nèi)具有吸收系數(shù)高、光致發(fā)光量子產(chǎn)率高、缺陷態(tài)密度低、俄歇復(fù)合速率低等良好的光學(xué)性能。研究者們以鈣鈦礦為增益介質(zhì)材料，研發(fā)出了低閾值、高品質(zhì)因子的SPP MIS波導(dǎo)激光器。例如，2018年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)肖淑敏團(tuán)隊制備出了MAPbX3基納米片SPP MIS波導(dǎo)激光器，其納米片位于加載了SiO2的Au膜上，成功地實(shí)現(xiàn)了發(fā)光峰位可來回調(diào)整100 nm以上的SPP MIS波導(dǎo)激光器。

基于MAPbI3/SiO2/Au SPP激光結(jié)構(gòu)示意圖及激光光譜

目前，SPP MIS波導(dǎo)激光器已經(jīng)在突破衍射極限、實(shí)現(xiàn)激光器小型化、降低激光器閾值等方面取得了顯著成果，然而，SPP MIS波導(dǎo)激光器在機(jī)理、材料、結(jié)構(gòu)、電泵浦等方面仍面臨著一些新的挑戰(zhàn)。

隨著半導(dǎo)體集成電路發(fā)展趨勢呈指數(shù)型增長，電子器件也在摩爾定律的驅(qū)動下朝著微型化的方向發(fā)展，SPP MIS波導(dǎo)激光器將突破衍射極限，使得該激光器光源的物理尺寸與電子器件的大小不相上下，因此以納米激光為光源的芯片光互聯(lián)技術(shù)有助于填補(bǔ)半導(dǎo)體領(lǐng)域的空白。在SPP MIS波導(dǎo)激光器的探索中，更低閾值、更小型化的激光器一直是科學(xué)家們不斷追求的更高目標(biāo)。在未來，如何將SPP MIS波導(dǎo)激光器應(yīng)用在生物傳感、信息傳輸、數(shù)據(jù)存儲等方面，將是科學(xué)家們探索的另一個熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

審核編輯：劉清