专精一“频”——单模半导体纳米线激光器

　　随着通信行业的快速扩张以及光互联等技术的发展，人们对激光器等器件集成化、小型化的需求日益旺盛。将激光器尺寸推向微米乃至纳米量级，是发展新一代激光器的必然选择。

　　半导体纳米线激光器因具有灵活的材料和带隙调控性能，同时又可作为谐振腔和增益介质的一维结构，自2001年被提出后一直受到广泛关注，已成为微纳激光器领域的主要研究方向之一。

　　一、常用的半导体材料

　　纳米线的自底向上的合成方式十分有利于开发新的半导体材料。

　　早期实现的半导体纳米线激光器的发射波长主要集中在紫外和可见波段。紫外波段材料包括ZnO、GaN、ZnS等，可见光波段材料包括CdS、CdSe等。

　　工作在红外波段的半导体材料包括GaSb、GaAs、InP等，然而材料自身的表面高密度缺陷态以及纳米线对红外光相对较弱的光场限制，使得利用这类材料制备的纳米线激光器难以在室温下实现激光输出。近年来，利用GaAsP、AlGaAs等对GaAs表面进行钝化处理，可以有效降低表面缺陷态密度，成功将这类纳米线激光器的工作温度提高到了室温水平。

　　此外，利用ZnxCd1-xS、CdS1-xSex、InxGa1-xAs及ZnxCd1-xSySe1-y等多元半导体材料的可调谐半导体纳米线激光器在多波段均已实现激光输出。

　　二、实现纳米线激光器单模输出的常用方法

　　实现单模激光器，需要同时限制横模和纵模。对于半导体纳米线激光器而言，利用纳米线本身的横向限制和模式竞争即可实现单横输出。若纳米线直径较大，则需要利用复合腔或引入额外损耗等附加手段，实现对横模的模式选择。相对于横模，实现单纵模输出受到了更广泛的研究。

　　目前，实现纳米线激光器单纵模输出主要包括缩短腔长、耦合腔以及调节模式增益/损耗特性三种方式。

　　1、短腔长单模激光器

　　激光器纵模间隔主要取决于增益介质的群折射率 和腔长 。

　　例如F-P模，相邻纵模间的模式间隔(FSR)为

 ，c为光速。在腔长较长的情况下，F-P腔的FSR较小，在激光器增益阈值以上，往往具有多个可起振的谐振模式(纵模)，从而导致激光器多模输出 [图1(a)]。通过缩短腔长，可以使F-P腔的FSR增大，落在增益区内的模式数减少，甚至只剩一个。相对于边模，主模具有明显的竞争优势，进而可实现激光器单纵模输出[图1(b)]。

　　图1 不同腔长情况下半导体纳米线激光器输出模式特性示意图。(a)长腔情况下，激光器输出模式特性示意图，插图为对应腔结构;(b)短腔情况下，激光器输出模式特性示意图，插图为对应腔结构

　　不过，单纯缩短腔长会减少增益长度、增加腔内损耗系数，导致激光器阈值功率上升，因此需要采取一定的措施提高增益或降低损耗。

　　桑迪亚国家实验室Wang等以干、湿法刻蚀相结合的方式实现了对纳米线几何参数的精确控制，制备了4.7μm长的高质量GaN纳米线谐振腔，实现了370nm的单纵模输出。

　　澳大利亚国立大学的Saxena利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)制备了core-shell-cap结构的(Al)GaAs纳米线激光器，对GaAs纳米线表面进行钝化处理，减少了表面复合。另外，在纳米线的一端放置用于催化反应的金纳米颗粒，可显著提面反射率。最终实现了室温下了880nm近红外波段的单纵模输出。

　　浙江大学杨青课题组制备了表面具有纳米尺度脊状结构的CdSe纳米带激光器，这些脊状结构使得纳米带在横向形成脊型波导，腔长约5μm。相比于纳米线激光器，该结构对光场的限制作用较弱，暴露在受激发射区域内的增益材料更多，降低了激光输出阈值，如图2所示。

　　图2 单模纳米带激光器及其输出特性。(a)带有明显凸起的CdSe纳米带SEM图;(b)纳米带横向发射激光的光学显微镜图像;(c)纳米带激光器横向激光光谱;(d)激光发射强度和线宽随泵浦功率变化曲线

　　2、耦合腔单模激光器

　　实现单模激光器的另一种方法是采用耦合腔结构。基于游标效应，只有同时满足所有子腔谐振条件，才能够在激光腔内谐振，进而在维持一定腔长(足够的增益长度)的情况下仍能实现单纵模输出[图3(a)]。

　　近年来，基于耦合腔结构的单模半导体纳米线激光器被广泛研究，并形成了包括环形镜腔、X型腔、解理耦合腔(Cleaved-coupled cavities)在内的多种典型结构，如图3(b)-(d)所示。

　　图3 耦合腔游标效应示意图以及典型的耦合腔结构。(a)游标效应原理示意图;(b)环形镜耦合腔;(c)X型腔;(d)解理耦合腔

　　倏逝波耦合是耦合腔纳米线激光器中常见的形式。浙江大学童利民课题组通过显微操纵将CdSe的一端或两端弯折成环形镜，在700nm红光波段实现了单纵模输出。对于一端弯折成环形镜的情况，激光器包括两个子腔[图3(b)]。一种更简单的方法是直接将两根长度不同的纳米线靠在一起