表面等離激元金屬-絕緣體-半導體波導激光器研究進展

何慶葉，李國輝，潘 登，冀 婷，王文艷，崔艷霞

（太原理工大學 物理與光電工程學院，山西 太原 030024）

1 引 言

激光的單色性好、強度高、方向性好等特點使其在工業(yè)、醫(yī)療、信息、軍事等領域得到了廣泛應用[1-5]。納米激光器是激光領域發(fā)展的一個重要方向，有望推動光通信、全息技術、生物醫(yī)療成像等領域向集成度更高、性能更優(yōu)的方向發(fā)展[6-12]。然而，由于衍射極限的限制，傳統(tǒng)激光器的尺寸通常遠大于光的波長。為了突破這一限制，研究者們提出了基于表面等離激元（Surface plasmon polariton，SPP）效應的納米激光器。SPP是一種沿著介質和導體界面方向傳播的電子疏密波，只允許在橫磁模式下激發(fā)。最簡單的金屬/介質界面上激發(fā)的SPP在界面處磁場強度最強，沿著界面法向向兩側逐漸衰減[13-16]?；赟PP效應可制成突破衍射極限的優(yōu)質相干激光器[17-18]，其光場被壓縮至深亞波長尺度，在擁有縮小的器件尺寸的同時，還有效減小了光模式體積，增強了Purcell效應，大幅度提高了自發(fā)輻射效率，十分有利于實現(xiàn)低閾值激光。

2009年，Hill等[19]報 道 了SPP激 光 器，Zhang等[20]報道了金屬-絕緣體-半導體（MIS）納米線結構的SPP激光器。迄今為止，已經(jīng)實現(xiàn)了MIS波導[21-23]、金屬-絕緣體-金屬（MIM）波導[24]、SPP納米陣列[25]等不同結構的SPP激光器。其中MIS波導結構的SPP激光器具有歐姆損耗低、模式約束力強、衰減動力學快等優(yōu)點[23,26]，這類納米激光器與芯片相結合的技術可促進半導體集成領域中電子器件納米化的發(fā)展。研究人員不僅利用Ⅱ-Ⅵ半導體[23,27-28]與Ⅲ-Ⅴ[29]半導體等傳統(tǒng)無機發(fā)光半導體材料制成了基于MIS波導結構的SPP激光器，還利用可溶液法制備的鈣鈦礦半導體材料實現(xiàn)了連續(xù)波泵浦SPP MIS波導激光器[30-32]。

2020年，Zhi等從增益介質、金屬種類和器件結構三方面對SPP半導體納米激光器進行了對比總結[22]，Gu等對增益介質為納米線的SPP激光器的工作原理和重要進展做了描述[33]。除此之外，MIS結構的SPP激光器可將光場限制在薄絕緣層內(nèi)，有利于微納激光器的實現(xiàn)，納米片形狀的激光器因具有回音壁模式的工作原理更具有研究意義。因此，本文圍繞基于MIS波導結構的SPP激光器展開綜述。首先，簡要介紹了SPP激光器的基本工作原理，指出了它們與傳統(tǒng)激光器在工作原理上的差異?；贛IS波導結構的SPP激光器主要包括納米片和納米線型兩類，前者是回音壁共振腔，而后者是法布里-玻羅（F-P）共振腔，本文詳細闡述了它們的工作原理。然后，本文依次介紹了激光增益介質分別為Ⅱ-Ⅵ半導體（以CdS、ZnO為代表）、Ⅲ-Ⅴ半導體（以GaN為代表）以及鈣鈦礦（以MAPbI3、CsPbBr3為代表）制成的SPP MIS波導激光器的研究進展，其中ZnO、GaN、CsPbBr3等材料的激光腔主要為納米線形式，MAPbI3激光腔主要為納米片形式，而基于CdS的兩類腔都有報道。最后，總結全文，并對基于MIS波導的SPP激光器未來的發(fā)展和挑戰(zhàn)做出了展望。

2 SPP激光器的基本原理

目前，人們普遍認為SPP激光器的產(chǎn)生是由于光學增益材料中的激子和SPP發(fā)生了耦合[34]。與傳統(tǒng)光子激光器中產(chǎn)生相干光子（頻率和相位與入射光子均一樣）的受激輻射一樣，SPP激光器可以產(chǎn)生SPP的受激輻射，激光的能量則以SPP的形式存儲在亞波長尺度的局域范圍內(nèi)。圖1（a）、（b）分別為傳統(tǒng)三能級激光系統(tǒng)[35]與SPP激光過程原理對比。如圖1（a）所示，在傳統(tǒng)的三能級激光系統(tǒng)中，當一個光子入射到被激發(fā)的原子時，基態(tài)能級E1上的電子被抽運到E3能級；E3能級上的電子壽命很短，會通過非輻射躍遷轉移到亞穩(wěn)態(tài)能級E2上；當滿足粒子數(shù)反轉條件時，處于E2的電子會躍遷至E1；同時向外輻射出激光，完成“受激輻射”過程。而從圖1（b）可以看出，SPP激光的產(chǎn)生過程首先是增益介質受到外部光子輻射激發(fā)出電子-空穴對，之后電子-空穴對會弛豫到激子狀態(tài)；當增益介質位于共振的金屬表面時，激子能量會通過共振耦合轉移到金屬層中的SPP模式中；當增益介質中被局域在SPP模式狀態(tài)的電子滿足粒子數(shù)反轉條件時，會輻射出激光。SPP激光器的本質是指在超越衍射極限的空間范圍內(nèi)實現(xiàn)金屬納米結構與半導體增益介質的能量交換與光學放大，是金屬的SPP模式與光學增益材料之間的雜化。SPP的參與使得這種激光具有超小集成的特點[36]。

圖1 （a）傳統(tǒng)的三能級激光系統(tǒng)產(chǎn)生激光過程示意圖［35］；（b）表面等離激元激光輻射過程示意圖［26］。Fig.1（a）Schematic diagram of laser generation process in a conventional three-level laser system［35］.（b）Schematic diagram of the radiation process of surface plasmon polariton lasers［26］.

基于MIS波導結構的SPP激光器包括三層：位于上層的半導體層和位于下層的金屬層，以及位于金屬層和半導體層之間的絕緣材料層，如圖2所示。MIS波導結構所支撐的SPP模式沿著多層結構的界面?zhèn)鞑?，通過回音壁共振腔或F-P共振腔實現(xiàn)了對界面?zhèn)鞑ツＪ降倪x擇。半導體材料構成了MIS激光的增益介質，它們?yōu)樗ぐl(fā)的SPP模式提供放大的來源。金屬層通常選用貴金屬材料，如金、銀等，主要是因為這些材料在可見-近紅外區(qū)域內(nèi)可以激發(fā)SPP模式，可以與半導體腔內(nèi)的激子共振波段相重合。此外，這些貴金屬材料的介電常數(shù)虛部比其他金屬材料的要小很多。介電常數(shù)的虛部越小，波導傳播模式所對應的光學損耗也越小，因此用來彌補這些光學損耗所需要消耗的半導體增益就越少，從而更有利于激光的實現(xiàn)。中間插入的絕緣層可避免SPP對半導體發(fā)光過程造成的猝滅現(xiàn)象[37]，通常由二氧化硅、氟化鎂等折射率較低的材料構成。此外，基于MIS波導結構的SPP激光器通常都會輻射激光。

圖2 MIS波導結構表面等離激元激光器截面圖及基本原理示意圖Fig.2 Cross-section view of MIS waveguide based surface plasmon polariton lasers and the schematic diagram of their basic principle

3 MIS波導結構的SPP共振原理

基于MIS波導結構的SPP激光器根據(jù)增益介質的形狀不同，主要分為納米片和納米線兩類。針對三維（3D）納米片與納米線結構的仿真建模，可以采用兩步等效模型法進行，即分解為一維（1D）模型與二維（2D）模型的組合，依次進行本征模式的求解。該方法在大大減小了仿真計算量的同時，也有助于依據(jù)共振原理來提出優(yōu)化的設計方案。接下來，本文將從波導理論出發(fā)，對納米片MIS波導和納米線MIS波導的共振原理給出分析與討論。

3.1 納米片MIS結構波導

對于納米片MIS波導結構，可將其等效成一個1D MIS波導結構和一個2D回音壁共振腔結構的組合，如圖3所示。在仿真分析中，首先需要求解1D MIS波導所支撐的SPP波導模式在不同波長下的等效折射率，再將其導入到2D回音壁共振腔結構中進行本征模式的求解。

1D MIS波導結構是由金屬、絕緣間隙層、半導體介質層（仿真時只需考慮折射率的實部，因其虛部可借助增益獲得補償）、空氣包覆層構成的一個四層膜系統(tǒng)，如圖3（a）所示。該四層膜系統(tǒng)所支撐的SPP波導模式在間隙層足夠薄時，對應的模式電場強度在間隙層中急劇增大。由于有效模式長度（Lm）反比于模式分布中最大的電磁能量密度，因此急劇增大的模式電場會帶來有效模式體積的大幅度降低。有效模式體積對間隙層的厚度（t）十分敏感，隨著間隙層厚度的增大，其SPP波導模式的模式體積先減小后增加。通常情況下，模式體積最小時對應的間隙層厚度在5～20 nm范圍內(nèi)。圖3（b）中的兩組曲線分別給出了當間隙層厚度較小時，MIS波導結構所支撐的SPP模式的切向磁場分量（|Hz|2）的分布示意圖以及法向電場分量（|Ey|2）的分布示意圖，圖示中SPP模式的傳播方向為x。從圖中看出，該SPP模式的|Ey|2被有效束縛在低折射率絕緣間隙層內(nèi)部。這一特征與金屬導體、絕緣間隙層、半無限大介質層構成的三層膜Conductor-gap-dielectric（CGD）系統(tǒng)上所支撐的SPP間隙模十分相似。鑒于此，這一模式又可稱之為雜化SPP間隙模[38]。雜化SPP間隙?？蓪⒐廪D換為沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮诱袷?，但同時受到納米線（納米片）波導的引導。CGD結構中的絕緣層有截止厚度tmin，當t＜tmin時，CGD結構存在著TM和TE兩種波導模式。TM模式下在較薄的絕緣層內(nèi)有相對較高的電場值；TE模式下在半導體層內(nèi)分布著奇模和偶模波導，其分布情況與絕緣層的厚度沒有關系。當t＞tmin時，TM模式的電場模會發(fā)生泄露。MIS結構中也存在著TM和TE兩種波導模式。TM模式下，當絕緣層厚度較小時，在較薄的絕緣層內(nèi)有相對較高的電場值；當絕緣層厚度較大時，半導體層內(nèi)的電場值要高于絕緣層內(nèi)的電場值。TE模式下的分布情況與CGD結構的相同。SPP MIS波導激光器的單模、多模特性與品質因子Q密切相關。通過仿真分析可以得到，在MIS波導結構中，當絕緣層厚度小于20 nm時，Q值的數(shù)量級在107左右，納米腔內(nèi)也更容易激發(fā)出單模激光；當絕緣層厚度在20～40 nm之間時，Q值的數(shù)量級在105左右，納米腔內(nèi)也可以激發(fā)出單模激光；而當絕緣層厚度大于40 nm時，Q值僅為幾百，納米腔內(nèi)只能激發(fā)出多模激光。由此可知，SPP MIS波導激光器的絕緣層厚度在10 nm左右時，更容易激發(fā)出單模激光[39]。

圖3 納米片MIS波導結構示意圖（a）及其兩步等效模型（（b）～（c））。（b）第一步等效模型：1D MIS波導；（c）第二步等效模型：2D回音壁共振腔。（b）圖中曲線展示了SPP間隙模的磁場分量（|Hz|2）與電場分量（|Ey|2）的強度分布示意圖。Fig.3 Schematic diagram of the nanoplatelet MIS waveguide（a）and its two-step equivalent models（（b）-（c））.（b）The first step equivalent model：1D MIS waveguide.（c）The second step equivalent model：2D whispering gallery resonator.The curve in（b）represents the distribution of magnetic field|Hz|2 and electric field|Ey|2 for the SPP gap mode.

通過仿真得到1D MIS波導所支撐的雜化SPP間隙模在不同波長下的等效折射率neff之后，可進一步依據(jù)納米片的水平剖面結構對其進行二維建模。常見的納米片水平剖面呈三角形、四邊形、六邊形、圓形等形式。水平傳播的SPP間隙?？稍谶@些幾何結構的內(nèi)壁發(fā)生全內(nèi)反射，特定的波長下發(fā)生相長干涉，使得光場被嚴格地限制在納米腔中，獲得了穩(wěn)定模式，這類模式統(tǒng)稱為回音壁模式（WGM）[40-41]。

接下來，本文以邊長為a的三角形腔為例，簡要說明WGM模式的工作原理[42-43]。圖4（a）～（b）給出了等邊三角形腔中支撐的兩類模式，假設它們的有效波矢分別為k1與k2。其中，圖4（a）所示模式具有循環(huán)路徑，共包含了三組平面波，每組平面波的路徑總是平行于三角形的一條邊，可以用平面波函數(shù)分別表示。圖4（b）所示模式呈駐波形式，也由三組平面波構成，它們的分路徑總是垂直于三角形的一條邊，可以用正弦函數(shù)分別表示。

圖4（a）所示的三組平面波與圖4（b）所示的平面波正好兩兩正交，可以將兩個正交模式按如圖4（c）所示進行疊加，總的波矢k滿足的條件。具體地，將相互正交的波函數(shù)兩兩相乘，然后進行線性疊加，便可得到三角形腔模的通解。接下來，進一步結合邊界條件，進行化解，可得k1=±2lπ/(3a)，，其中l(wèi)與m代表了兩種模式的模式數(shù)，l+m=4,6,8,…。可以借鑒類似波導中的定義，將波矢為k1的模式定義為縱模，縱模在腔內(nèi)往返一圈的長度為3a；將波矢為k2的模式定義為橫模，橫模在腔內(nèi)往返一個周期的長度為。對于有效折射率為neff的三角形腔，可以得到諧振模波長。橫模的基模對應m=0，此時腔內(nèi)傳播的只有縱模，即傳播的光線始終平行于三角形的某個邊。需要指出的是，縱模在三角形腔內(nèi)經(jīng)歷全內(nèi)反射，反射率較高。而橫模既有全內(nèi)反射的情形，也有正入射的情形。由于正入射時反射率較低，相應地光學損耗較高，因此，m=0時的純縱模更有利于激光的形成。

圖4 三角形腔內(nèi)傳播模式原理分解圖［42-43］。（a）波矢為k1的模式在腔內(nèi)循環(huán)，分路徑總與三角形的某一條邊平行；（b）波矢為k2的模式在腔內(nèi)形成駐波模式，分路徑總與三角形的某一條邊垂直；（c）波矢為k1（縱模）與波矢為k2（橫模）的模式正交疊加，形成三角形腔內(nèi)傳播的復合模式。Fig.4 Decomposition diagram of modes propagating in a triangular cavity［42-43］.（a）The mode with wave vector k1 circulates in the cavity and its segment path is always parallel to one side of the triangle.（b）The mode with wave vector k2 forms a standing wave mode in the cavity，and its segment path is always perpendicular to one side of the triangle.（c）Orthogonal superposition of modes with wave vector k1（longitudinal mode）and wave vector k2（transverse mode）to form a composite mode that propagates in a triangular cavity.

3.2 納米線MIS結構波導

當半導體納米線的端面是規(guī)則的四邊形時，對納米線MIS波導的建?？梢允褂门c上述納米片MIS結構波導完全相似的方法。首先，求解1D MIS波導所支撐的SPP波導模式在不同波長下的等效折射率，再將其導入到1D F-P共振腔結構中進行本征模式的求解。然而，當納米線的端面不是四邊形時，需對其建模方法做出調(diào)整。此時，需要先求出2D MIS波導所支撐的SPP波導模式在不同波長下的等效折射率，再將其導入到1D F-P共振腔結構中進行本征模式的求解。當然，該方法同樣也適用于端面為四邊形的半導體納米線構成的MIS波導。

本文以如圖5（a）所示的圓形端面半導體納米線加載的MIS結構波導為例進行說明，它可以分解為如圖5（b）所示的半導體區(qū)域為圓形的MIS波導結構與圖5（c）所示的1D F-P共振腔結構的組合。對于圖5（b）所示2D MIS波導，其本征模式的等效折射率可通過數(shù)值方法直接求得，亦可通過耦合模型對其進行建模分析[34]。從原理上來看，間隙層厚度t較小的情形中，半導體納米線介質波導模對SPP間隙模的雜化作用可以忽略，該2D結構所支撐的模式可近似為SPP間隙模的一種變形，圖5（b）箭頭所指的區(qū)域繪制了其電場矢量（|Ey|2）的強度分布圖。由于SPP間隙模存在一個截止厚度tmin，這直接決定了該2D MIS波導結構在水平方向的模場約束力。納米線的最底端對應的t為最小，向兩側演化過程中，復合間隙層（包含了絕緣間隙層與空氣間隙層兩部分）的厚度逐漸增大。當該厚度增大到一定程度，使得其模式等效折射率逼近半導體的折射率時，SPP間隙模截止。因此，圓形端面納米線表現(xiàn)出非常高的模式約束力，相應的有效模式面積可以比衍射極限面積小百倍甚至千倍。

圖5 納米線MIS波導結構示意圖（a）及其兩步等效模型（（b）～（c）），其納米線端面以圓形為例。（b）第一步等效模型：2D MIS波導；（c）第二步等效模型：FP共振腔。（b）圖中給了所支撐變形SPP間隙模式的電場強度分布示意圖（|Ey|2）；（c）圖中曲線展示了FP共振腔不同級次駐波的強度分布示意圖。Fig.5 Schematic diagram of the nanowire MIS waveguide（a）and its two-step equivalent models（（b）-（c））.（b）The first step equivalent model：2D MIS waveguide.（c）The second step equivalent model：F-P resonant cavity.The map in（b）represents the distribution of electric field（|Ey|2）for the distorted SPP gap mode.The curve in（c）represents the distribution of different orders of standing waves in the F-P resonator.

數(shù)值仿真得到2D MIS波導所支撐的變形SPP間隙模在不同波長下的等效折射率neff之后，可進一步對1D F-P共振腔結構進行建模。圖5（c）所示的F-P共振腔模型中，納米線的端面天然構成了兩個反射鏡，光在納米線的兩個端面之間來回反射，發(fā)生相長干涉，形成駐波。由于光線在納米線端面正入射，因此反射不完美，存在相對較高的光學損耗。對比納米片與納米線兩類MIS波導結構，顯然前者由于可以支撐全內(nèi)反射的單縱模，所以更有利于輸出高性能激光。對于腔體長度為L的F-P腔，如果忽略端面的反射相位，光線往返腔體一周的有效長度2neffL是其共振波長λ的整數(shù)（m）倍，圖5（c）中分別給出m=1，2，3時的共振模式分布。F-P腔的品質因子（Q）可以表示F-P腔存儲電磁能量的能力，它與腔體中光子的壽命（τc）成正比[44]。然而，端面處所發(fā)生的不完美反射會在一定程度上縮短τc，從而降低Q值。為了提升納米線MIS波導結構的品質因子，需要首先保證納米線的端面盡可能平整，其次還需要盡可能提高圖5（b）所示2D MIS波導模式的有效折射率，以提高SPP間隙模在納米端面處的反射率。

4 SPP MIS波導激光器研究進展

目前，已經(jīng)報道的SPP MIS波導激光器所使用的增益介質包括Ⅱ-Ⅵ半導體、Ⅲ-Ⅴ半導體以及鈣鈦礦等。Ⅱ-Ⅵ半導體和Ⅲ-Ⅴ半導體因其寬禁帶、波長可調(diào)特性成為最早作為SPP MIS波導激光器的增益介質材料[45-47]。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波導激光器增益介質材料[48-50]。

4.1 基于Ⅱ-Ⅵ半導體的SPP MIS波導激光器

用于SPP MIS波導激光器的Ⅱ-Ⅵ半導體主要包括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、直接躍遷的能帶結構等特點[51-53]，研究者們以這些材料為增益介質，研發(fā)出了低閾值、Purcell因子高、超快動力學等性能的MIS結構激光器。

首先，介紹最早出現(xiàn)的以CdS為增益介質的MIS結構激光器。2009年，美國加州大學伯克利分校Zhang等報道了一種CdS基納米線SPP MIS波導激光器[20]，納米線加載在MgF2/Ag膜上。由于該結構所支撐的雜化SPP間隙模具有強的模式約束能力，在端面處對應的模式面積小至λ2/400，所以靠近間隙的CdS納米線區(qū)域具有較高的激子復合速率，這一特征有利于獲得高性能激光。該器件在波長為405 nm（脈寬為100 fs，重復頻率為80 MHz）泵浦源作用下，在490 nm波長附近獲得了閾值為50 MW·cm-2的多模激光出射。進一步，他們基于輻射壽命測試結果，推算出該器件的Purcell因子大于6。該研究還表明，當納米線直徑小于140 nm時，光子模式會截止，而SPP MIS波導激光器在納米線直徑小于52 nm時仍可激發(fā)。2010年，Zhang等報道了一種CdS基納米片SPP MIS波導激光器[28]，其中納米片的水平剖面呈正方形，納米片位于加載了MgF2的Ag膜上。對于該結構，只有TM偏振（磁場平行于金屬平面）下的雜化SPP間隙模能夠在方形納米片內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射進而產(chǎn)生激光。而TE偏振下的光子模波在傳播過程中會發(fā)生泄露，無法產(chǎn)生激光。在波長為405 nm（脈寬為100 fs，重復頻率為10 kHz）泵浦源的作用下，由正方形CdS納米片構成的MIS波導腔中實現(xiàn)了閾值為3 074 MW·cm-2的多模（波長范圍為485～510 nm）激光出射。由于SPP MIS波導激光器具有高品質因子以及強模式約束能力，其Purcell因子被大幅度提高，相應地，其自發(fā)輻射壽命縮短為參比器件（制作在石英基底上的CdS納米片）的1/14。隨著納米片邊長的減小，CdS基SPP MIS波導激光器的Purcell因子呈增加的趨勢，邊長為2 mm的器件具有高達18的Purcell因子。研究還表明，若CdS納米片的形狀從正方形變?yōu)槌实蛯ΨQ特性的不規(guī)則形狀，MIS波導腔內(nèi)只能激發(fā)單一模式，他們基于此觀測到了單模激光的出射。這一現(xiàn)象為基于SPP MIS波導的單模激光器的開發(fā)提供了指導。2017年，Zhang等利用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波導激光器[54]，其具體結構如圖6（a）所示，絕緣層為SiO2，金屬層為Ag。由于一維納米線半導體中存在強的激子-聲子耦合，導致其能帶發(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。該帶尾位于吸收截止邊附近，其能量較光吸收截止邊的能量更低。當有限長度的CdS納米線輻射出光（光譜覆蓋了Urbach帶尾區(qū)域）時，其輻射光中能量較高的部分會因納米線共振腔效應被其自身吸收掉，使得能量較低的光譜在輻射譜中占主導地位，該效應可稱之為自吸收效應。隨著納米線的長度從5.2μm變化到26.4μm，其共振峰的波長發(fā)生紅移，輻射光譜中被吸收掉的高能部分跟著發(fā)生紅移，從而在發(fā)射光譜中留下一個發(fā)生了紅移的主峰（從465 nm變化到491 nm），具體性能如圖6（b）所示。該發(fā)射主峰的FWHM為3.3 nm，已實現(xiàn)激射，為單模激光。其激射時所對應的泵浦源條件為：波長400 nm，脈寬120 fs，重復頻率1 kHz，閾值110μJ·cm-2。隨著納米線長度減小，CdS基SPP MIS波導激光器的Purcell因子呈增加的趨勢，長度為2.2μm的器件Purcell因子為4.25。

圖6 （a）～（b）基于CdS納米線/SiO2/Ag SPP激光結構示意圖及激光光譜［54］；（c）～（d）基于ZnO納米線-Al2O3-Al（Ag）SPP激光結構示意圖及四種不同結構的激光器閾值泵浦功率密度統(tǒng)計結果［56］。Fig.6（a）-（b）Schematic diagram of SPP laser and laser spectra based on CdS NW-SiO2-Ag［54］.（c）-（d）Schematic diagram of SPP laser based on ZnO NW-Al2O3-Ag and the statistical results of threshold pumping power density of four different laser structures［56］.

接下來，介紹以ZnO為增益介質的MIS結構激光器。2014年，英國帝國理工學院Oulton等報道了一種ZnO基納米線SPP MIS波導激光器[23]，其中的金屬層為Ag膜，絕緣層為LiF。在激射閾值以上，單純的ZnO基納米線產(chǎn)生的激光在3.19～3.25 eV之間，對應的波長范圍為385～387 nm；而ZnO基納米線SPP MIS波導所產(chǎn)生的激光位于3.27～3.35 eV之間，對應的波長范圍為375～380 nm，均屬于多模激光。其泵浦條件為：波長355 nm、脈寬150 fs、重復頻率800 kHz。他們采用雙泵浦超快動力學表征手段對激光產(chǎn)生的非線性過程進行了測試，結果表明SPP MIS波導產(chǎn)生的激光脈沖寬度小于800 fs。實驗中，他們對直徑在120 nm以下的ZnO基納米線SPP MIS波導結構進行泵浦，卻未觀察到激光產(chǎn)生。他們分析，這是由于SPP器件中載流子的復合過程過快導致坍塌。2020年，Zou等報道了一種ZnO基納米線SPP MIS波導激光器[55]。他們首先采用化學氣相沉積法，以Au納米顆粒為催化劑，在SiO2基底上制備了ZnO納米線陣列。接著，從基底上將ZnO納米線刮下后分散到加載了Al2O3的Ag膜上。該工作深入探究了由直徑為165 nm的ZnO納米線構成的MIS波導結構的發(fā)光特性。研究表明，當泵浦光功率從0.39μW到1.62μW增加時，該結構的發(fā)射光譜會先從寬變窄，后再增寬。其中，當泵浦光功率為0.66μW時，發(fā)射光譜最窄，F(xiàn)WHM達到0.8 nm，在波長316 nm附近產(chǎn)生了激光（泵浦條件：波長325 nm，脈寬100 fs，重復頻率1 kHz）。他們認為此時系統(tǒng)進入了強耦合狀態(tài)，SPP MIS波導中增強的局域電場是強耦合狀態(tài)產(chǎn)生的原因，此時出射的光為激子極化激元激光。若泵浦光功率從1.62μW起繼續(xù)增加時，該結構的發(fā)射光譜會發(fā)生一定程度的窄化，但其FWHM明顯大于激子極化激元激光的FWHM。他們認為此時由于載流子屏蔽效應的存在，系統(tǒng)中激子與光子之間的耦合作用較弱。2019年，Lu等報道了一種ZnO基納米線SPP MIS波導激光器[56]，其具體結構如圖6（c）所示，絕緣層是Al2O3，在氧化鋁與半導體之間引入了一層石墨烯，底部的金屬層為Al或Ag。該結構中石墨烯的引入會改變金屬的電子密度，從而影響金屬的體等離激元頻率，進一步會對SPP MIS波導模的損耗產(chǎn)生影響。Al的功函數(shù)為4.22，位于石墨烯功函數(shù)之下（4.6），因此Al表面的電子密度增大，使得Al的體等離激元頻率增大，所激發(fā)的SPP MIS波導模的損耗得到有效抑制，為激光的產(chǎn)生提供了一個良好的平臺。而Ag的功函數(shù)為4.65，位于石墨烯功函數(shù)之上，受石墨烯的影響，Ag表面的電子密度會降低，無法形成SPP MIS波導模損耗降低的效果，不利于激光性能的改善。他們分別對Al基底器件和Ag基底器件在引入石墨烯前后進行光泵浦下的發(fā)光特性測試，對比了其閾值。如圖6（d）所示，在波長為355 nm（脈寬為0.5 ns，重復頻率為1 kHz）泵浦源的作用下，含石墨烯的Al基底器件獲得了閾值為18.5 MW·cm-2的單模激光（中心波長372 nm），其FWHM為0.4 nm。與不加石墨烯的器件相比，含石墨烯的Al基底器件的閾值降低了50%。相比而言，Ag基底器件反而會由于引入石墨烯導致激射閾值升高。

4.2 基于Ⅲ-Ⅴ半導體的SPP MIS波導激光器

用于SPP MIS波導激光器的Ⅲ-Ⅴ半導體主要 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[46,51]。研究者們以這些材料為增益介質，研發(fā)出了低閾值、波長可調(diào)的SPP MIS波導激光器。

Ⅲ-Ⅴ半導體材料均以納米線的形式充當SPP MIS波導激光器的增益介質。2012年，Lu等報道了一種以InGaN為核、GaN為殼（簡稱為In-GaN@GaN）的六邊形納米線SPP MIS波導激光器[57]，納米線位于加載了SiO2的Ag膜上。為了獲得原子級平滑的Ag膜，他們首先在90 K低溫下沉積了Ag納米團簇，然后在室溫下對其進行退火。InGaN@GaN納米線結構的生長方法為MBE（分子束外延法），所獲得的結構具有十分平整的側壁。進一步將核長170 nm、殼長480 nm的In-GaN@GaN納米線轉移到Ag/SiO2膜上后，實現(xiàn)了完美的幾何接觸，該結構所支撐的雜化SPP間隙模的損耗極低?；诖?，實現(xiàn)了閾值為3.7 kW·cm-2的多模激光出射，波長范圍為500～550 nm，所使用的激發(fā)光源為波長405 nm的連續(xù)激光。2014年，該課題組在上述實驗方案的基礎上，進一步實現(xiàn)了單模可調(diào)的SPP MIS波導激光器[24]，具體結構如圖7（a）所示。他們在Al2O3/Ag膜上加載了納米線，通過調(diào)節(jié)InxGa1-xN@GaN中x的比例可實現(xiàn)發(fā)光光譜可調(diào)。如圖7（b）所示，通過調(diào)整InxGa1-xN中In和Ga的不同比例可以實現(xiàn)468～642 nm范圍內(nèi)的調(diào)諧，而且該特性的變化與納米線直徑?jīng)]有關系。2014年，Zhang等報道了一種GaN基納米線SPP MIS波導激光器[29]，所使用的絕緣層為SiO2，金屬層為Al。他們制備的GaN納米線具有規(guī)整的三角形截面且表面可以達到原子級的光滑，基于此，GaN納米線與基底形成了低散射損耗的面接觸，有利于激子將能量傳遞給SPP，使得GaN納米線產(chǎn)生的增益得到了充分利用，提高了該結構的各項激光性能。在波長為355 nm（脈寬為10 ns，重復頻率為100 kHz）泵浦源的作用下，該激光器在中心波長370 nm處獲得了閾值為3.5 MW·cm-2的單模激光，F(xiàn)WHM為0.8 nm。2020年，Liu等報道了一種Ⅲ族氮化物基納米線SPP MIS波導激光器[58],其結構如圖7（c）所示。他們制備了兩種不同增益介質和金屬的SPP MIS波導激光器，并比較了其閾值性能。第一種是將In-GaN@GaN納米線轉移到加載了SiO2的Ag膜上，第二種是將AlGaN@GaN納米線轉移到加載了SiO2的Al膜上。在SPP MIS波導結構中，電磁場局域化提供了很強的SPP耦合，提高了半導體中光生載流子轉變成輻射更快的SPP模式的比例，促進了激子-SPP的耦合極化，該器件的性能因此得到了大幅改善。如圖7（d）所示，在波長為365 nm電泵浦的作用下，InGaN@GaN/SiO2/Ag結構的SPP MIS波導激光器可在450～550 nm波長之間獲得閾值為8 kW·cm-2的多模激光出射，與參比器件（制作在SiO2基底上的InGaN納米線）相比，SPP MIS波導激光器的輻射壽命可縮短到123 ps。而AlGaN@GaN/SiO2/Al結構的SPP MIS波導激光器在270 nm波長處實現(xiàn)了閾值為13 kW·cm-2的單模激光出射。

圖7 （a）～（b）基于InxGa1-xN@GaN納米線/Al2O3/Ag SPP激光結構示意圖及激光光譜［24］；（c）～（d）基于InGaN/GaN（Al-GaN/GaN）納米線/SiO2/Ag（Al）SPP激光結構示意圖及激光光譜［58］。Fig.7（a）-（b）Schematic of SPP laser and laser spectra based on InxGa1-xN@GaN NW/SiO2/Ag［24］.（c）-（d）Schematic of SPP laser and laser spectra based on InGaN@GaN（AlGaN@GaN）NW/SiO2/Ag［58］.

4.3 基于鈣鈦礦的SPP MIS波導激光器

上述Ⅱ-Ⅵ、Ⅲ-Ⅴ半導體材料均是通過氣相沉積法制備得到的，該工藝相對復雜、成本較高。而鈣鈦礦材料可通過溶液法制備，成本相對較低[59-62]。用于SPP MIS波導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、俄歇復合速率低等良好的光學性能[63-70]。研究者們以鈣鈦礦為增益介質材料，研發(fā)出了低閾值、高品質因子的SPP MIS波導激光器。

首先，介紹以MAPbX3為增益介質的SPP MIS波導激光器。2012年，Yu等報道了一種MAPbI3基納米線SPP MIS波導激光器[21]，納米線位于加載了MgF2的Ag膜上。他們在玻璃/聚苯乙烯磺酸鹽基底上制備出了端面呈扁平矩形的納米線，高質量MAPbI3納米線和MgF2表面之間的大面積接觸減少了散射損耗，確保了激子-SPP的強耦合，這一特征有利于激光性能的改善。該器件在波長為400 nm（脈寬為120 fs，重復頻率為1 KHz）泵浦源的作用下，在770 nm波長處獲得了閾值為13.5μJ·cm-2的單模激光出射。另外，該器件在43.6℃下仍可發(fā)出激光。2018年，哈爾濱工業(yè)大學肖淑敏團隊制備出了MAPbX3基納米片SPP MIS波導激光器[30]，其具體結構如圖8（a）所示，納米片位于加載了SiO2的Au膜上。調(diào)節(jié)MAPbX3中X鹵素的組分可實現(xiàn)發(fā)光峰位的移動，他們通過蒸汽輔助的熱退火法，將MAPbI3鈣鈦礦置于CH3NH3Br蒸汽環(huán)境中，實現(xiàn)了其PL光譜的發(fā)光峰位從MAPbI3的～770 nm移動到MAPbBr3的～550 nm，而且鹵化鉛鈣鈦礦的發(fā)光峰位變化是可逆的。當MAPbI3在CH3NH3I蒸汽環(huán)境中進一步退火時，其發(fā)光峰位可逐漸回到770 nm，成功地實現(xiàn)了發(fā)光峰位可來回調(diào)整100 nm以上的SPP MIS波導激光器。在波長為400 nm（脈寬為100 fs，重復頻率為1 kHz）泵浦源的作用下，SPP MIS波導激光器的發(fā)光峰位可從779 nm逐漸變化到740 nm（15 min）、710 nm（30 min）、680 nm（50 min）和662 nm（60 min）。2021年，Jin等報道了一種MAPbBr3基納米線SPP MIS波導激光器[71]，絕緣層為MgF2，金屬層為Ag膜。該結構所支撐的雜化SPP間隙模具有超強的模式約束能力，在間隙層內(nèi)產(chǎn)生了超小的模區(qū)，而參比器件（制作在SiO2基底上的MAPbBr3納米線）的模式主要集中分布在納米線內(nèi)。該器件在波長為400 nm（脈寬為130 fs，重復頻率為1 kHz）泵浦源的作用下，在540 nm波長處獲得了閾值為300μJ·cm-2的單模激光出射。2021年，Lu等報道了一種MAPbBr3基納米晶體SPP MIS波導激光器[72]，納米晶體位于加載了Al2O3的TiN膜上。通過雙光子吸收測試手段，近紅外光子可激發(fā)MAPbBr3納米晶體中的電子-空穴對，弛豫電子-空穴對的復合在可見光波長內(nèi)會發(fā)射光子，這些光子可以耦合到可調(diào)諧TiN納米腔的SPP模式中，使得激光性能得到大幅改善。該器件在波長為800 nm（脈寬為100 fs，重復頻率為80 MHz）泵浦源的作用下，在555 nm波長處獲得了閾值為10μJ·cm-2的單模激光出射。

圖8 （a）～（b）基于MAPbI3/SiO2/Au SPP激光結構示意圖及激光光譜［30］；（c）～（d）基于CsPbBr3/SiO2/Ag SPP激光結構示意圖及激光光譜［73］。Fig.8（a）-（b）Schematic of SPP laser and laser spectra based on MAPbI3/SiO2/Au［30］.（c）-（d）Schematic of SPP laser and laser spectra based on CsPbBr3/SiO2/Ag［73］.

現(xiàn)階段，以CsPbX3（X為I、Br、Cl）為增益介質的SPP MIS波導激光器均是CsPbBr3。2018年，Wu等報道了一種CsPbBr3基納米線SPP MIS波導激光器[73]，其具體結構如圖8（c）所示，絕緣層為SiO2，金屬層為Ag。他們利用SPP間隙模的強模式約束能力，提高了激子-SPP之間的能量傳遞效率，進而改善了激光的性能。如圖8（d）所示，在波長800 nm（重復頻率1 kHz，脈沖寬度100 fs）泵浦源的作用下，該激光器在535 nm波長處產(chǎn)生了閾值為6.5μJ·cm-2的單模激光出射，而且激射閾值隨著CsPbBr3納米線長度的增加而增大。另外，與參比器件（制作在SiO2基底上的CsPbBr3納米線）相比，SPP MIS波導激光器的自發(fā)輻射壽命縮短了6倍。2021年，Zhang等報道了一種CsPbBr3基納米晶體SPP MIS波導激光器[74]，納米晶體位于加載了SiO2的Ag膜上。該結構中，CsPbBr3輻射的光子與Ag的SPP相互雜化后，將電磁能存儲在間隙區(qū)（＜λ/100），這不僅實現(xiàn)了有效的光約束，還降低了金屬損耗?；诖?，激光性能得到了改善。該器件在波長為470 nm（脈寬為190 fs，重復頻率為80 MHz）泵浦源的作用下，在538 nm波長處獲得了閾值為26μJ·cm-2的單模激光出射。隨著SiO2層厚度的減小，CsPbBr3基SPPMIS波導激光器的Purcell因子呈增加的趨勢，厚度為5 nm的器件具有高達209的Purcell因子。同年，Liu等也報道了一種CsPbBr3基納米晶體SPP MIS波導激光器[75]，納米晶體位于加載了SiO2的Ag膜上。他們將0.2 mol·L-1CsBr和PbBr2溶液以1∶1的比例混合在DMF（N-二甲基甲酰胺）中，輕輕搖動直至完全溶解，最終形成表面光滑、規(guī)則形狀的高質量CsPbBr3納米晶體。進一步將CsPbBr3納米晶體轉移到加載了不同厚度SiO2（10，30，60 nm）的Ag膜上。隨著SiO2厚度的減小，CsPbBr3基SPP MIS波導激光器的閾值呈減小的趨勢，厚度為10 nm的器件激射閾值為0.138μW（激發(fā)光源為波長405 nm的連續(xù)激光），Q值高達3 907。

為了更好地反映SPP MIS波導激光器的研究進展，本文列舉了一些激光器的性能，如表1所示，其中給出了激光器結構、激光閾值、工作環(huán)境溫度、有效模式體積/面積/長度等性能。

表1 不同材料MIS結構表面等離激元激光器性能Tab.1 Performance of MIS surface plasmon lasers of different materials

5 總結與展望

綜上所述，SPP MIS波導激光器絕緣層內(nèi)的雜化SPP間隙模具有強模式約束能力，有利于實現(xiàn)突破衍射極限，該類激光器具有閾值低、Q值高、Purcell因子高、物理尺寸小等優(yōu)良性能。而且這些物理量之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。激光器的閾值越低代表整個系統(tǒng)的損耗越小、越容易實現(xiàn)激射，Purcell因子F可以衡量激光器諧振腔內(nèi)載流子自發(fā)輻射率增加的比例，F(xiàn)值越大，代表著整個激光系統(tǒng)的增益越好，相應的激發(fā)閾值也較小。F與品質因子Q和模式體積V滿足以下的比例關系：F～Q/V，可以看到Q值較大、V值較小時，F(xiàn)值較大。

盡管SPP MIS波導激光器在突破衍射極限、實現(xiàn)激光器小型化、降低激光器閾值方面取得了顯著成果，但是該種激光器在以下幾方面也面臨著一些新的挑戰(zhàn)。（1）機理：分子中的激子與光子發(fā)生強耦合時會形成激子極化激元（Exciton polariton，EP），EP激光的產(chǎn)生不需要粒子數(shù)反轉，使得其閾值遠低于光子模式激光。鈣鈦礦材料激子束縛能高[32]的特性使其成為EP激光良好的增益介質材料，但是該激光的形成需要將鈣鈦礦材料置于高導熱的襯底上（如藍寶石），而MIS波導結構激光器中的絕緣層導熱性能較差，因此還暫未制備出EP MIS波導激光器。（2）材料:目前SPP MIS波導激光器的增益介質材料均為單一的納米線或者納米片，周期性納米線陣列[76-78]結構中相鄰納米線的耦合可實現(xiàn)對激光方向的調(diào)控，周期性陣列還可以加強SPP的近場耦合作用。這些特性使得納米線或納米片陣列可能在未來成為SPP MIS波導激光器新穎的增益介質材料。（3）結構:當SPP MIS波導激光器中金屬的功函數(shù)值比石墨烯小時，在絕緣層中引入石墨烯后，金屬的電子密度會發(fā)生改變，進而影響了金屬的體等離激元頻率，使得激光器的閾值等性能發(fā)生改變。因此，在絕緣層中引入其他功函數(shù)比金屬大的材料能否有效改善激光性能具有很大的研究意義。（4）電泵浦：SPP MIS波導激光器體積小，難以在器件上面引入電極進行電泵浦，而且由于金屬固有的歐姆損耗使得該類激光器的損耗值較高，這些缺陷都限制了其在電泵浦激勵下的應用[8,33]。但是，由高折射率材料組成的激光器可以激發(fā)Mie共振，與SPP共振類似，Mie共振也可以突破衍射極限，實現(xiàn)納米級別的局域光場，只是這種共振模式的歐姆損耗值較低?，F(xiàn)階段對Mie共振激光的報道相對較少，若是MIS波導結構可以在Mie共振下產(chǎn)生激光，那么該類激光器有望實現(xiàn)電泵浦激光。

近幾年，半導體集成電路發(fā)展趨勢呈指數(shù)型增長，摩爾定律意味著電子器件要朝著微型化的方向發(fā)展，SPP MIS波導激光器可突破衍射極限，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)技術有助于填補半導體領域的空白。在SPP MIS波導激光器的探索中，更低閾值、更小型化的激光器一直是科學家們不斷追求的更高目標。在未來，如何將SPP MIS波導激光器應用在生物傳感、信息傳輸、數(shù)據(jù)存儲等方面，將是科學家們探索的另一個熱點和重點。

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