淺析半導(dǎo)體微納米線激光器研究進(jìn)展

劉青

摘? 要：在光傳感、通信工程與生物技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域，半導(dǎo)體微納米線激光器的應(yīng)用十分廣泛。該激光器可以將相干光源進(jìn)行集中，達(dá)到實驗研究的目的。本文就當(dāng)前微納米線激光器的波長調(diào)諧與半導(dǎo)體微納米線激光器的單模激射進(jìn)行研究。討論了該激光器的工作原理，為今后研究激射閾值較低的半導(dǎo)體微納米線激光器，提供了新的思路，并在最后闡述了當(dāng)前前沿的激光器的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：激光物理，半導(dǎo)體，單模

橫截面直徑介于幾微米到幾十微米間的線狀半導(dǎo)體，被稱為半導(dǎo)體微納米線。從上個世紀(jì)以來，各科研領(lǐng)域都可以制備出很多新型材料，其中包括異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體微納米線以及其他結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料。在探究光的產(chǎn)生、輸出、信號放大等相關(guān)問題給出了解決方案，并在生物傳感、光伏發(fā)電等重要領(lǐng)域開發(fā)出了很多微型器件。雖然可以通過光刻技術(shù)來制備出微納米線，但是化學(xué)合成的方法得到的微納米線其效果更好。比較優(yōu)良的制備方法是氣-液-固生長法，該方法制備出的半導(dǎo)體微納米線，可以不受到容器底部的制約，避免晶體的失配問題，該方法制備的半導(dǎo)體晶體擁有著較長的材料狀態(tài)以及很高的比表面積，這使得身晶體內(nèi)部缺陷大大減少，提高了材料的穩(wěn)定性。

1當(dāng)前微納米線激光器的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著科技的發(fā)展，微納米轉(zhuǎn)移技術(shù)有了更多的突破。該項技術(shù)可以對生長狀態(tài)下的微納米線進(jìn)行控制，通過技術(shù)手段研制出更高性能激光器。通過轉(zhuǎn)移后的微納米材料可以在生物科學(xué)，光電集成等相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行突破。還可以在電場或磁場的工作狀態(tài)下，來轉(zhuǎn)移金屬微納米線。如需要進(jìn)行大量的納米線轉(zhuǎn)移，可以采取微接觸式印刷技術(shù)。而進(jìn)行局部轉(zhuǎn)移時可以采取光鑷技術(shù)，也可以通過納米光鑷配合納米小球來進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。如果整個操作是處于電場中，可以采取光電技術(shù)，在較低的光照強度下可以同時對多個微納米線進(jìn)行控制。上述的技術(shù)手段在今后對于微納米線激光器的應(yīng)用和拓展領(lǐng)域上提供了技術(shù)支持，對于的半導(dǎo)體材料的微小化具有十分重要的現(xiàn)實意義。半導(dǎo)體電子行業(yè)就是將較大的電子晶體管集成到較小的芯片上，整個產(chǎn)業(yè)就是將產(chǎn)品小型化的過程，當(dāng)前的微納米線激光器也同樣需要這些進(jìn)一步的集成化，減少能源消耗，提高使用效率。在今后的集成光路中，全光晶體管使得微納米線激光器進(jìn)一步發(fā)展。在全光晶體管集成模板中，不需要通過電力進(jìn)行驅(qū)動，這就可以及時減少電阻的電力延時，這些優(yōu)勢產(chǎn)品都離不開微納米線激光器的高度發(fā)展。想要將微納米線激光器進(jìn)一步應(yīng)用到光通信領(lǐng)域，還需要繼續(xù)進(jìn)一步的研究當(dāng)前面臨的新問題。調(diào)整波長的諧振頻率是微納米線激光器領(lǐng)域一直以來的難題。傳統(tǒng)的激光器可以進(jìn)行色散調(diào)諧，在腔體內(nèi)就可以實現(xiàn)對于激光的頻率分離。但半導(dǎo)體線微納米激光器內(nèi)，擁有光學(xué)微腔的基礎(chǔ)上，不能再附加調(diào)整長度的功能，也不可以插入其他光學(xué)元件，所以對于微納米線激光器的波長調(diào)節(jié)需要進(jìn)一步探究。微納米線激光器的閾值和損耗，在應(yīng)用到集成光路上還會出現(xiàn)很多問題，這需要研究者繼續(xù)加強對于激光器的探索。

2微納米線激光器的波長調(diào)諧

與原子能級固體激光器不同，半導(dǎo)體激光器的帶寬較寬，可調(diào)諧范圍也較大，該特性在很多科研領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。可以通過調(diào)諧效應(yīng)來測量因為波長而發(fā)生影響的現(xiàn)象，可以作為PH傳感器的探頭。隨著我國科技的不斷發(fā)展，對于帶寬的要求越來越高，如果在光纖通訊中采用波長可調(diào)節(jié)的激光光源，就可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。在很多光譜測量中也需要進(jìn)行波長調(diào)節(jié)，基于該領(lǐng)域域的廣泛應(yīng)用，科研人員也研制出了光譜傳感器等相關(guān)器件。在探究了不同的影響發(fā)射波長的原因后，波長的調(diào)諧主要受限于增益和損耗關(guān)系之間的平衡。

2.1 調(diào)節(jié)波長的損耗

微納米線激光器中出現(xiàn)波長損耗時，初始態(tài)的激發(fā)模式會因為波長的損耗而限制，使其他模塊能量增高，并形成強烈的激光，進(jìn)而實現(xiàn)波長調(diào)諧。通過對相關(guān)研究的探討，可以看出帶尾態(tài)除了吸收較高能量的光子外，整體激光腔體中的激化激子也可以進(jìn)一步發(fā)散到較低能級，這種特性對于較長的微納米線來講影響更大，可以有效促進(jìn)激發(fā)波長的紅移現(xiàn)象。在實際激光器的應(yīng)用中制造出特性相同、長度相等的納米線制作手段也較為成熟，需要對激發(fā)波長不同的微納米線激光器進(jìn)行組合調(diào)整，通過耦合效應(yīng)實現(xiàn)激發(fā)波長的有效切換。

2.2改變半導(dǎo)體的增益

雖然通過改變波長的損耗來實現(xiàn)波長調(diào)節(jié)，但是激發(fā)態(tài)的光通常是高閾值的，所以通過改變半導(dǎo)體的增益特性，可以實現(xiàn)更加高效的激光質(zhì)量。對于生長微納米線時，可以利用其生長機理改變微納米線的培養(yǎng)條件，在其材料中摻雜合金成分，進(jìn)一步改變其帶隙，就可以進(jìn)一步調(diào)整激發(fā)波長。

3單模微納米激光器

微納米激光器的衡量重要標(biāo)準(zhǔn)是光源的光譜純度是否達(dá)標(biāo)。與傳統(tǒng)的原子激光器相比，半導(dǎo)體微納米線激光器其帶寬更寬。在選模時性能較強，想要實現(xiàn)單模激射的最簡變的途徑是減少微納米線激光器中諧振腔的腔體長度，有效拓寬光譜范圍實現(xiàn)增益光學(xué)模式的減少，很多課題組進(jìn)一步研發(fā)出了變波長的單模微納米線激光器。這實現(xiàn)了波長的有效變化，提高了納米激光器的應(yīng)用價值。其原理是通過在篩選單模時取用了不同的波長模式，通過光學(xué)游標(biāo)效應(yīng)，在原子激光器腔體內(nèi)插入額外鏡面，來實現(xiàn)激光器的增益效應(yīng)與諧振腔的有效結(jié)合。

4激子極化基元基礎(chǔ)上的新型微納米激光器

激光是將受到激發(fā)的光進(jìn)行放大，產(chǎn)生高度的相干性。傳統(tǒng)原子激光器發(fā)出的激光整體的光損失較大，尺寸較小的激光器中，光的往返后獲得增益小，通過鏡面反射后光損失也沒有變低，使得整體激光器閾值過高。當(dāng)前的原子激光器的功耗較高，壽命也較短，無法作為集成光路的應(yīng)用光源。但通過研究發(fā)現(xiàn)了其他的解決路徑，即激子激化基元激光，這種激光不同于普通的激光，其不依賴于激發(fā)輻射，使其閾值幾乎為零。這種光源激發(fā)出的激子再通過凝聚后，會實現(xiàn)高度的相干性，可以作為今后實驗的理想激發(fā)光源。激子激化基元微納米線激光器，其激光的產(chǎn)生主要依靠下部支撐體向下凝聚，所以其工作溫度較低，但由于激子激化基元其具有半物質(zhì)半光的特點。實際在凝聚時不需要降低溫度，所以使得該激光器在常溫下可以進(jìn)行有效工作，進(jìn)而可以作為集成光路的有效光源。

結(jié)語

本文通過對于半導(dǎo)體微納米線激光器的研究，介紹了相關(guān)的波長調(diào)諧的條件方法以及單模機設(shè)的技術(shù)。提出了半導(dǎo)體微納米線激光器當(dāng)前存在的技術(shù)難題，也提出了相關(guān)的解決方法，在今后的激光器領(lǐng)域研究還需要加強進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1]于果，李俊超，溫培鈞，等.半導(dǎo)體微納米線激光器研究進(jìn)展[J].中國激光，2020，47（7）：128-142.

[2]片思杰，SALMAN ULLAH，楊青，等.單模半導(dǎo)體納米線激光器[J].中國激光，2020，47（7）：31-46.

[3]紀(jì)興啟，李國輝，崔艷霞，等.有機-無機雜化鈣鈦礦激光器的研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2018，43（6）：401-413，442.