微盤激光器的模式理論及器件制作研究.pdf

1、回音壁型光學微腔由于其極高的品質因數(shù)和超小的模式體積等特性近些年來倍受人們的廣泛關注，已成為現(xiàn)代微光學器件和腔量子電子學等研究領域的新課題。微腔的表面等離子體波回音壁模式由于其在生物大分子探測等方面的潛在應用，也受到人們的重視，因此將作為本文的重點討論內容之一。本文通過理論模擬計算和實驗兩方面對微盤激光器進行了研究，主要研究工作及結論如下:
　　 首先，設計出一種新的以半導體材料為核心結構的金屬-電介質約束的微盤激光器，采用有限

2、元法基本思想對該器件的回音壁模式進行理論計算和分析。該器件以InGaAsP材料為核心，在其表面鍍二氧化硅電介質膜，再鍍貴金屬金膜構成一種復合式腔體結構。這種設計結構降低了器件的損耗，改善了其參數(shù)特性。采用有限元法求解描述腔體模式分布的弱項形式全矢量亥姆霍茲方程，獲得了該器件回音壁電介質光學模式和表面等離子體波模式的磁場分布;較為詳細的分析了其品質因數(shù)、模式體積等參數(shù)與其各個結構參數(shù)的關系。計算結果表明，模式指數(shù)與諧振頻率和品質因數(shù)在很大

3、范圍內有很好的線性關系;諧振波長與有效折射率也在很寬的波長范圍內有很好的線性關系;對于表面等離子體波模式其模式指數(shù)與模式體積呈現(xiàn)二次曲線關系，在模指數(shù)M為65時對應模式體積極小值為1.6×10-18m3。同時，計算結果表明該器件的品質因數(shù)要比相同尺度下的其他結構的器件的品質因數(shù)高2～3倍，在1500nm附近最高達到5400，并且具有極小的模式體積，達10-18m3量級。此外，計算表明，只有特定厚度的電介質膜層和金屬膜層才對提高器件的品質

4、因數(shù)有顯著影響。
　　 其次，本文實驗方面的工作主要包括兩個方面的內容，第一，采用濕法刻蝕工藝技術制作了二氧化硅微盤腔體，對整個制作流程做了詳細的論述和討論，經(jīng)過反復試驗，制得了較為理想的器件。制得的微盤腔，其盤面半徑R為18.8mm，盤面厚度T為2.6mm，盤面支柱的平均直徑D為5.0mm，支柱的高度H為8.6mm。第二，為了獲得對制得的器件性能的具體認識，測試了其耦合特性。測試結果表明，理論計算得到的品質因數(shù)與實際測得的品質

5、因數(shù)之間有較大的差距，通過對于該尺度下的微盤腔體的耦合特性的測試推算出其品質因數(shù)為4.7×103量級，而相同尺度下的器件的理論計算值為3.8×106。這個差距主要來自于器件表面，尤其是其邊緣的粗糙造成的散射損耗和盤面對稱性的不均勻性造成的逃逸損耗。高質量的微盤激光器的制作依然是一個很大的技術挑戰(zhàn)。
　　 綜上所述，本文的亮點在于提出一種新的腔體設計結構，它具有比相同尺度下其它器件高2～3倍的品質因數(shù)。它的表面等離子體波模式在很寬