基于飛秒激光直寫(xiě)的單向單模耦合微腔?

魏偉華 李木天 劉墨南

1)(吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130012)

2)(吉林大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理系,長(zhǎng)春 130012)

1 引 言

光學(xué)微腔具有小體積和高Q值等優(yōu)點(diǎn)[1?22],一直以來(lái)都是光與物質(zhì)相互作用的重點(diǎn)研究對(duì)象,具體涉及腔光力學(xué)[23,24]、腔量子電動(dòng)力學(xué)[25,26]和量子信息[27,28]等學(xué)科.而在應(yīng)用方面,光學(xué)微腔也是構(gòu)成微調(diào)制器[29,30]、微濾波器[31]和微傳感器[32,33]等眾多集成光子器件的基本元件.近年來(lái),回音壁模式微腔因其低損耗、高Q值和對(duì)介電環(huán)境的高敏感度而受到廣泛關(guān)注[34?38].回音壁模式可經(jīng)由具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的介電微腔產(chǎn)生,光在微腔邊緣經(jīng)歷多次全反射而最終形成分立的共振模式[34,39?41].用于產(chǎn)生回音壁模式的微腔,可以是微盤(pán)、微球等微結(jié)構(gòu)[42].除了上述光波段激發(fā)的微腔以外,人們發(fā)現(xiàn)通過(guò)特殊的腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),低頻波段(遠(yuǎn)紅外、微波和太赫茲)同樣能夠激發(fā)回音壁模式.這一系列腔結(jié)構(gòu)以褶皺圓盤(pán)為代表,其周期性的褶皺結(jié)構(gòu)支持低頻波激發(fā)人工等離激元(spoof surface plasmons)[8,21].在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步結(jié)合波導(dǎo)耦合[43]或破壞腔的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性[44,45]等手段,同樣可以激發(fā)回音壁模式.由于人工等離激元具有與局域性等離激元相似的場(chǎng)增強(qiáng)等效應(yīng)及獨(dú)特的多極模式,低頻波腔具有很大的應(yīng)用潛力.基于上述優(yōu)勢(shì),回音壁模式微腔在非線性光學(xué)[46]、量子電動(dòng)力學(xué)[47]、生物傳感[48]和低閾值激光[49]等方面有重要應(yīng)用.然而,上述應(yīng)用往往需要腔具有波長(zhǎng)可調(diào)的單模輸出[50].也就是說(shuō),為了更好地利用回音壁模式微腔獨(dú)特的光學(xué)特性,需要對(duì)其進(jìn)行模式篩選,以獲得單模激射.

目前,以光學(xué)微腔為例,對(duì)其進(jìn)行選模的方法主要有三種.第一種方法,利用分布式布拉格反射或分布反饋微腔結(jié)構(gòu)[51?53]來(lái)實(shí)現(xiàn)單模操作.如此獲得的單模微腔由于受到材料和制備方法的限制,難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波長(zhǎng)的靈活調(diào)控[54].第二種方法,對(duì)回音壁模式微腔可縮減其微腔尺寸以獲得單模激射,即擴(kuò)大自由光譜區(qū)(free spectral range,FSR)使其超出增益介質(zhì)的譜寬來(lái)獲得單模激射[55,56].其問(wèn)題在于獲得單模的Q值普遍較低(約103),因此不適用于各種高效率傳感器件的制備與集成[41,57?61].第三種方法,利用游標(biāo)效應(yīng)(vernier effect)制備耦合回音壁式微腔來(lái)獲得單模輻射.通過(guò)這種方法制備出的單模微腔有耦合微盤(pán)、光流環(huán)共振腔和二氧化硅/玻璃纖維等[62?66].利用游標(biāo)效應(yīng)進(jìn)行選模的原理即篩選耦合微腔所有模式中的共振模式.具體地,當(dāng)尺寸不同的兩個(gè)微腔互相耦合時(shí),共振模式會(huì)被限制在微腔內(nèi)部,因此損耗很低;而非共振模式則會(huì)在耦合中大量損耗.因此,微腔之間經(jīng)由耦合可以形成共振的單一模式輸出[65].這類耦合微腔的優(yōu)點(diǎn)在于能夠保持回音壁模式微腔的高Q值,而相應(yīng)地對(duì)微腔結(jié)構(gòu)的制備工藝有較高的要求.同時(shí),為了制備集成光子器件和生物傳感器等器件,除了對(duì)微腔進(jìn)行選模之外,使其輸出激光單向化也是亟需解決的重要問(wèn)題之一.研究表明,在具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的回音壁模式微腔結(jié)構(gòu)中適當(dāng)引入對(duì)稱破缺,能夠顯著改善輸出激光的方向性[67?71].于是,人們提出可將具有高Q值模式的微腔與具有輸出單向性的低Q值微腔進(jìn)行耦合,能夠獲得兼有高Q值和良好單向性的輸出[69].由此可見(jiàn),為了獲得同時(shí)具有單向單模輸出和高Q值的微腔,需要一種具有高精度和突出成型能力的加工技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)上述精細(xì)、復(fù)雜的耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

在此需求下,我們提出利用飛秒激光直寫(xiě)來(lái)制備具有三維耦合結(jié)構(gòu)和單向單模輸出的高Q值微腔.基于其特有的非線性特性,飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)具有高加工精度和高度三維圖案化水平,是一種理想的無(wú)掩膜快速成型技術(shù)[72?76].由于耦合微腔的輸出模式對(duì)微腔質(zhì)量、尺度、耦合效果、溫度和介電環(huán)境等條件均十分敏感,因此需要利用飛秒激光直寫(xiě)這種精加工技術(shù)對(duì)耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更多的耦合方式,并保證耦合微腔的加工質(zhì)量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微腔輸出的理想調(diào)制效果[23,77].本文基于近期工作,介紹通過(guò)飛秒激光直寫(xiě)獲得的一系列三維耦合微腔結(jié)構(gòu),內(nèi)容具體包括加工方法、結(jié)構(gòu)控制和激射表征.同時(shí),對(duì)這些耦合微腔作為微激光器的單模操作效果進(jìn)行比較與總結(jié),以期對(duì)耦合微腔的加工方法和進(jìn)一步集成光子器件提供新的啟示和平臺(tái).

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 飛秒激光直寫(xiě)系統(tǒng)

圖1為一個(gè)典型的飛秒激光直寫(xiě)加工系統(tǒng),依據(jù)功能可分為四個(gè)子系統(tǒng):激光光源和光束導(dǎo)向系統(tǒng)(左欄)、光束轉(zhuǎn)向和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(右欄)、計(jì)算機(jī)圖像生成和控制系統(tǒng)(圖中未包含)以及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(中間欄).在計(jì)算機(jī)的控制下,置于運(yùn)動(dòng)載物臺(tái)上的材料被聚焦的飛秒激光光點(diǎn)照射并發(fā)生局域材料性變,使得該處材料性質(zhì)與未曝光處截然不同.而這些性變中最為重要的就是相對(duì)于某種溶劑的溶解度的變化.據(jù)此,材料中無(wú)論是未照射還是未曝光的部分都會(huì)在后續(xù)的清洗環(huán)節(jié)被完全去除(即顯影)[73].此類加工系統(tǒng)所用的激光光源通常為T(mén)i:sapphire激光器,即以Ti摻雜的藍(lán)寶石作為增益介質(zhì),波長(zhǎng)通常在400或800 nm,脈沖寬度約為200 fs,重復(fù)頻率為76 MHz—1 kHz,脈沖能量在0.1—1000 nJ.

圖1 三維飛秒激光直寫(xiě)加工系統(tǒng)的示意圖[73]Fig.1.Schematic of three-dimensional femtosecond laser direct-writing system[73].

2.2 飛秒激光直寫(xiě)制備微腔

制備微腔腔體所用的樹(shù)脂材料為SU-8 2025負(fù)光刻膠(MicroChem Corp.),使用前以環(huán)戊酮以1:1的體積比進(jìn)行稀釋.所用微腔增益材料為羅丹明B染料分子,使用前先將其溶于乙醇得到8%體積濃度的溶液.隨后,將所得羅丹明B溶液與SU-8光刻膠均勻混合,得到羅丹明B摻雜質(zhì)量濃度為1%的染料-光刻膠混合物.然后,將染料-光刻膠混合物滴涂至玻璃或窄帶濾光片(narrow band filter,NBF;購(gòu)于Fushen Guangdian Comp.)襯底上,在95°C下前烘2 h成膜,置于加工平臺(tái)待用.所用飛秒激光直寫(xiě)加工系統(tǒng)的細(xì)節(jié)描述詳見(jiàn)2.1節(jié).其中加工平臺(tái)為一個(gè)三維移動(dòng)平臺(tái),其三維移動(dòng)具體通過(guò)光軸角和高度兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制,即平臺(tái)光軸角由一個(gè)二維掃描鏡系統(tǒng)控制,而平臺(tái)高度(平行于光軸)則由一個(gè)壓電微型板控制.加工所用光源的高強(qiáng)度脈沖由飛秒振蕩器(Tsunami,Spectra Physics)產(chǎn)生,波長(zhǎng)為790 nm,脈沖寬度為120 fs,重復(fù)頻率為80 MHz.飛秒激光脈沖經(jīng)由高數(shù)值孔徑的油浸物鏡(NA=1.35,倍數(shù)100×)聚焦到待加工的染料-光刻膠混合物上.加工時(shí),各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的耦合微腔都通過(guò)點(diǎn)掃描的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),其光聚合過(guò)程均為雙光子聚合.曝光時(shí)所用激光功率為8—12 mW,曝光時(shí)間為300μs.加工完畢后,對(duì)曝光后的光刻膠膜進(jìn)行后烘30 min,并在丙酮中顯影3 min,最終得到所需耦合微腔結(jié)構(gòu).

3 結(jié)果與討論

3.1 耦合微盤(pán)

單個(gè)圓盤(pán)微腔具有對(duì)應(yīng)不同角量子數(shù)的多個(gè)回音壁模式.當(dāng)激光垂直入射到微盤(pán)上時(shí),這些模式能夠被同時(shí)激發(fā).同時(shí),不同尺寸的微盤(pán)往往具有不同的FSR.如果把兩個(gè)不同直徑的微盤(pán)按照邊緣某點(diǎn)相切的方式進(jìn)行堆疊,二者之間將會(huì)形成某些共振激射模式,從而實(shí)現(xiàn)單模篩選.具體地,對(duì)于大小兩個(gè)微盤(pán),其分別具有FSR1和FSR2,那么將二者進(jìn)行相切堆疊后的FSR12滿足FSR12=N1FSR1=N2FSR2其中N1和N2為互質(zhì)整數(shù).可見(jiàn),兩個(gè)微盤(pán)耦合后的FSR大于任一單個(gè)微盤(pán),即耦合顯著增大了微腔的有效FSR(即游標(biāo)效應(yīng)),而增大的FSR最終使得耦合微盤(pán)在增益區(qū)呈現(xiàn)單模激射.值得注意的是,無(wú)論是微腔的尺寸還是周?chē)橘|(zhì)的折射率的微小變化,均會(huì)引起其模式的顯著變化.這點(diǎn)對(duì)于集成光電子器件的設(shè)計(jì)極為有用[77].

依據(jù)上述圖象和設(shè)計(jì),可利用飛秒激光直寫(xiě)加工出相切堆疊微盤(pán),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單模操作,如圖2所示.圖2(a)和圖2(c)分別為兩個(gè)相切堆疊的耦合微盤(pán)的俯視顯微鏡照片和側(cè)視掃描電子顯微鏡(SEM)照片,圖2(b)和圖2(d)則分別為三個(gè)相切堆疊的耦合微盤(pán)的俯視顯微鏡照片和側(cè)視SEM照片(兩個(gè)小微盤(pán)中間夾著大微盤(pán),直徑依次為24,30,24μm).其中,在微盤(pán)結(jié)構(gòu)下方加工錐形底座,是為了支撐耦合微盤(pán)使其懸空,從而保證了形成回音壁模式所需的腔體內(nèi)外具有較大反射率差.由圖2可見(jiàn),飛秒激光直寫(xiě)加工的高加工精度和高度三維圖案化能力能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)相切堆疊的耦合方式和多個(gè)微腔的耦合,使得不同尺寸微盤(pán)邊緣嚴(yán)格重合于一點(diǎn).圖2(e)和圖2(f)分別為三個(gè)相切堆疊的耦合微盤(pán)和單個(gè)大微盤(pán)(直徑30μm)的激光光譜.以三個(gè)相切堆疊的耦合微盤(pán)為例,通過(guò)與單個(gè)微盤(pán)的激光光譜的比較,可以看出耦合微盤(pán)的顯著單模篩選效果.即單個(gè)微盤(pán)被激發(fā)后呈現(xiàn)出多個(gè)模式,而經(jīng)過(guò)相切堆疊耦合后,只有單一模式被激發(fā)[77].

進(jìn)一步地,可通過(guò)分析多耦合微盤(pán)的多模激射譜對(duì)選模機(jī)理(即游標(biāo)效應(yīng))進(jìn)行驗(yàn)證.以兩個(gè)相切堆疊微盤(pán)構(gòu)成的耦合微腔為例,取大小兩個(gè)微盤(pán)的直徑尺寸分別為60μm和36μm,對(duì)其進(jìn)行激發(fā),可獲得包含多個(gè)模式的激射譜.其中,強(qiáng)度較強(qiáng)的激射峰為峰位在639.1 nm和645.3 nm處的兩個(gè)峰,說(shuō)明經(jīng)過(guò)多個(gè)模式的競(jìng)爭(zhēng)和篩選,這兩個(gè)模式最終與兩個(gè)微盤(pán)處于共振狀態(tài).同時(shí),通過(guò)多模激射譜可以計(jì)算出相鄰模式之間的波長(zhǎng)差(即FSR12)約為6.2 nm,而這個(gè)耦合后的FSR12恰好為大微盤(pán)的FSR1的5倍,小微盤(pán)的FSR2的3倍.這一結(jié)果與作為選模依據(jù)的游標(biāo)效應(yīng)完全一致.

3.2 光柵-微盤(pán)耦合

回音壁模式微腔通常具有m個(gè)共振模式λm,由公式2πnr=m·λm決定,其中,n為回音壁模式微腔的介質(zhì)折射率(本文中加工腔體所用的樹(shù)脂材料n值約1.6),r為微腔半徑.而FSR即為相鄰模式λm和λm?1之間的差值,其大小依賴于微腔半徑r.因此,諸如本文合成的直徑為30μm的微盤(pán)共振腔,其輸出模式為由FSR篩出的多個(gè)模式,不能作為需要單色輸出的微激光器.為了對(duì)其進(jìn)行選模,除了像3.1小節(jié)中那樣將多個(gè)微盤(pán)進(jìn)行相切堆疊耦合之外,還可以考慮直接將光柵結(jié)構(gòu)與微盤(pán)進(jìn)行耦合,以獲得單模輸出,如圖3所示.我們知道,當(dāng)光在微腔中傳播時(shí),在微腔表面處會(huì)形成縱深十幾到幾百納米的消逝場(chǎng).因此,只要在微盤(pán)邊緣嵌入一小段光柵結(jié)構(gòu),光便會(huì)通過(guò)消逝場(chǎng)從光柵處向外耦合[78].也就是說(shuō),嵌入的這段光柵結(jié)構(gòu)可作為集成濾波器,直接從微盤(pán)的眾多模式中選出某個(gè)模式通過(guò),如圖3(a)和圖3(b)所示.所選模式由光柵濾波方程d·n(sinθin+sinθout)=m′·λm′決定,其中d為光柵周期,θin和θout分別為入射角和出射角(此處均為π/2),m′為光柵級(jí)數(shù),λm′為光柵共振波長(zhǎng).由此可知,只有恰當(dāng)選擇光柵周期d值,使得d,m′和λm′滿足上述方程時(shí),才能實(shí)現(xiàn)選模.按照上述設(shè)計(jì),所制備的光柵-微盤(pán)耦合微腔結(jié)構(gòu)如圖3(c)和圖3(d)所示.其中,所加工微盤(pán)直徑為30μm,厚度為1.2μm,位于一個(gè)高7μm的去頂?shù)怪缅F形底座上(上表面直徑8.5μm,下表面直徑5μm);所加工光柵結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度占微盤(pán)總周長(zhǎng)的1/3,周期約為1.6μm.具體的選模結(jié)果則由圖3(e)給出.圖3(e)為圖3(c)和圖3(d)中光柵周期為1.6μm的光柵-微盤(pán)耦合微腔的激光光譜,譜中約641.6 nm出現(xiàn)單模激射,與不含光柵結(jié)構(gòu)的同樣規(guī)格的微盤(pán)的約641.7 nm模式基本一致.針對(duì)圖3(e)中光柵-微盤(pán)耦合微激光器的激射峰進(jìn)行表征,其半峰寬為0.23 nm.利用高斯擬合可計(jì)算出耦合微腔的Q值為2790,表明光柵-微盤(pán)耦合的方式在獲得單模輸出的同時(shí)能夠保證高Q值[54].

特別地,利用光柵-微腔耦合進(jìn)行集成濾波具有靈活的輸出可調(diào)性和良好的單向性.依據(jù)光柵濾波方程d·n(sinθin+sinθout)=m′·λm′,改變嵌入集成至微盤(pán)邊緣的光柵結(jié)構(gòu)的周期d,便可從微盤(pán)的多個(gè)回音壁模式中篩選出對(duì)應(yīng)的模式λm′,如圖3(e)所示. 圖3(e1)為直徑約30μm的微盤(pán)的多模式激光光譜,其中FSR為2.6 nm.而在此微盤(pán)邊緣嵌入光柵結(jié)構(gòu)后,上述每個(gè)模式都能被獨(dú)自篩選出來(lái),如圖3(e2)—(e6)所示.其中,經(jīng)由光柵集成濾波后篩出的模式峰位依次約為636.1,637.9,641.6,644.5和647.2 nm,分別對(duì)應(yīng)原微盤(pán)的多模激射譜(圖3(e1))中的約636.4,638.8,641.6,644.2和646.9 nm峰位,表明所選出的模式與原多模中的模式偏差很小,在誤差允許范圍之內(nèi).此外,根據(jù)圖3(e1)可計(jì)算出濾波前的微盤(pán)的多模平均Q值為1280,遠(yuǎn)小于濾波后的單模Q值2790,說(shuō)明光柵的引入同時(shí)縮減了峰寬.而對(duì)光柵-微盤(pán)耦合微腔的激射光強(qiáng)分布探測(cè)也表明,其輸出具有良好的單向性,即針對(duì)621.27,628.15和641.60 nm三個(gè)激射模式進(jìn)行探測(cè)時(shí),其輸出光強(qiáng)均沿“微盤(pán)中心→光柵所在圓弧”的方向分布[54].這種定向輻射很可能源自耦合耗散.也就是說(shuō),當(dāng)光經(jīng)過(guò)光柵場(chǎng)時(shí),耦合耗散使得向外耦合發(fā)光的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)光柵的情形.進(jìn)一步結(jié)合有限單元法對(duì)耦合結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布進(jìn)行理論模擬,能夠直觀地對(duì)光柵選模進(jìn)行證實(shí).通過(guò)點(diǎn)探測(cè)對(duì)光柵側(cè)面的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行模擬,可得到一個(gè)主強(qiáng)峰(頻率為4.7744×1014Hz)和兩個(gè)次強(qiáng)峰(頻率分別為4.7534×1014Hz和4.7974×1014Hz). 通過(guò)比較主強(qiáng)峰與次強(qiáng)峰的放大電場(chǎng)分布圖可以發(fā)現(xiàn),兩個(gè)次強(qiáng)峰所對(duì)應(yīng)的模式在光柵位置處均有嚴(yán)重耗散,使得二者無(wú)法穿過(guò)光柵結(jié)構(gòu).而主強(qiáng)峰所對(duì)應(yīng)的模式能夠輕易穿過(guò)光柵結(jié)構(gòu),即為最終被篩選出的模式.

圖3 光柵-微盤(pán)耦合 (a)具有各向同性的多個(gè)模式分布的微盤(pán)和(b)具有定向單模的嵌入光柵的微盤(pán)的結(jié)構(gòu)模型;嵌入光柵的微盤(pán)的(c)側(cè)視SEM照片和(d)俯視SEM照片;(e)多模微盤(pán)和光柵-微盤(pán)耦合的各個(gè)單模的激光光譜[54]Fig.3.Grating-coupled microdisk:Structural models of(a)an original microdisk with isotropic multi-mode distribution and(b)a grating-implanted microdisk with a directional single mode;(c)side-view and(d)top-view SEM image of the grating-implanted microdisk;(e)lasing spectra of the multi-mode microdisk and selected single-mode of the grating-coupled microdisk[54].

3.3 螺旋環(huán)-圓環(huán)與螺旋環(huán)-圓盤(pán)耦合

除了前文所述的圓盤(pán)微腔,圓環(huán)微腔也是一種具有高Q值的光學(xué)微腔,并且同樣具有各向同性輸出.在考慮了對(duì)圓環(huán)微腔結(jié)構(gòu)引入對(duì)稱破缺后,人們提出了螺旋環(huán)微腔[67,79],即在圓環(huán)微腔外邊緣某處引入一個(gè)微小槽口.其二維螺旋環(huán)圖形可由極坐標(biāo)方程r(φ)=r0+εφ/(2π)定義,其中r0為φ=0時(shí)的半徑(此處為螺旋環(huán)內(nèi)徑),ε為形變因子(決定槽口寬度).研究表明,以螺旋環(huán)為代表的非對(duì)稱類共振腔均能顯著改善激射的方向性[67,79].基于前文對(duì)于將微腔進(jìn)行三維堆疊耦合來(lái)獲得單模輸出的工作,進(jìn)一步地,可以考慮在耦合體系中引入螺旋環(huán),從而獲得同時(shí)具有單模輸出和高度單向性的微激光器.根據(jù)上述方案,設(shè)計(jì)加工了三維的圓環(huán)與螺旋環(huán)耦合微腔激光器,如圖4所示.圖4(a)—(c)依次為所加工的對(duì)比樣品微腔的SEM俯視圖,即單個(gè)微盤(pán)、圓環(huán)和螺旋環(huán)微腔,其中,微盤(pán)直徑和圓環(huán)微腔外徑均約為30.2μm,圓環(huán)內(nèi)徑約為12.1μm,螺旋環(huán)的r0為12μm,ε為0.083(所致槽口寬約為1.0μm).圖4(d)和圖4(e)為所加工的兩種螺旋環(huán)耦合微腔,分別為螺旋環(huán)-圓環(huán)耦合微腔和螺旋環(huán)-圓盤(pán)耦合微腔,結(jié)構(gòu)均為螺旋環(huán)相切堆疊在圓環(huán)/圓盤(pán)上方.為了方便與圖4(a)—(c)中的樣品進(jìn)行比較,耦合結(jié)構(gòu)中的螺旋環(huán)尺寸均與圖4(c)完全相同,而耦合結(jié)構(gòu)中的圓盤(pán)和圓環(huán)的尺寸也分別與圖4(a)和圖4(b)中的樣品一致.圖4(f)為所加工的微腔與NBF襯底交界處的SEM截面圖,可以看到二者之間緊密貼合.這里采用NBF襯底來(lái)提供合適的折射率環(huán)境,主要是因?yàn)槿绻隈詈辖Y(jié)構(gòu)下方繼續(xù)加工前文所述的支撐底座結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)塌陷.同時(shí),采用NBF襯底來(lái)替換微腔底座也使得微激光器結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化,更利于其集成和應(yīng)用[23].

圖4 螺旋環(huán)-圓環(huán)與螺旋環(huán)-圓盤(pán)耦合 (a)圓盤(pán)、(b)圓環(huán)、(c)螺旋環(huán)、(d)螺旋環(huán)-圓環(huán)耦合和(e)螺旋環(huán)-圓盤(pán)耦合微腔的俯視掃描電鏡照片;(f)耦合螺旋環(huán)[(d)圖中]的放大傾斜視角掃描電鏡照片;(g)螺旋環(huán)-圓環(huán)耦合微腔的FDTD模擬結(jié)果,插入圖為594.6 nm模式的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)角分布;(h)和(i)分別為耦合微腔中圓環(huán)和螺旋環(huán)的模式強(qiáng)度分布,比例尺條為5μm[23]Fig.4.Sipral-ring-coupled ring and disk:Top-view SEM images of(a)a disk,(b)a ring,(c)a spiral-ring,(d)a spiralring-coupled ring and(e)a spiral-ring-coupled disk microcavities;(f)magni fied tilt-view SEM image of the spiral-ring microcavity coupled to a ring microcavity in(d);(g)FDTD simulation results of the spiral-ring microcavity,and the inset illustrates the far- field intensity angular distribution of the mode at 594.6 nm from the stacked cavity;(h)and(i)mode intensity distributions in underneath circular-ring cavity and the top spiral-ring cavity,respectively;the scale bar is 5 m[23].

利用532 nm的抽運(yùn)光依次對(duì)上述五種微腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行激發(fā)并獲得激光光譜(所用光學(xué)參數(shù)一致).通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),相對(duì)于單個(gè)圓盤(pán)、圓環(huán)的多個(gè)模式,單個(gè)螺旋環(huán)和兩種耦合微腔的輸出模式均顯著減少,其中單個(gè)螺旋環(huán)微腔和螺旋環(huán)-圓環(huán)耦合微腔均實(shí)現(xiàn)了單模輸出.其中,單個(gè)螺旋環(huán)微腔獲得單模輸出源自于其顯著縮小的模體積,但同時(shí)也一定程度上損耗了Q值,導(dǎo)致其激射閾值激增至110μJ/cm2(為圓盤(pán)和圓環(huán)微腔的兩倍以上).而通過(guò)相切堆疊進(jìn)行耦合的兩種微腔,均顯示出與單個(gè)圓盤(pán)/圓環(huán)微腔相近的激射閾值,其中螺旋環(huán)-圓環(huán)耦合微腔的激射閾值約為60μJ/cm2,螺旋環(huán)-圓盤(pán)耦合微腔的激射閾值約為70μJ/cm2,說(shuō)明三維的相切堆疊的耦合方式在獲得單向單模輸出的同時(shí)能夠保證Q值.進(jìn)一步地,為了證實(shí)耦合的存在,針對(duì)圖4(d)中的螺旋環(huán)-圓環(huán)微腔進(jìn)行了三維時(shí)域有限差分(FDTD)模擬.雖然因?yàn)橛?jì)算能力的限制在模擬時(shí)不得不將所模擬的微腔直徑減半,但得到的結(jié)果在定性分析方面仍然很有價(jià)值,并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠較好地符合,如圖4(g)—(i)所示.在模式輸出方面,圖4(g)為模擬的單個(gè)圓環(huán)微腔和螺旋環(huán)-圓環(huán)堆疊微腔的電磁場(chǎng)譜.由圖4(g)可知:單個(gè)圓環(huán)微腔在590—600 nm的區(qū)間呈現(xiàn)多個(gè)銳利峰,對(duì)應(yīng)著多個(gè)高Q值的模式輸出;而當(dāng)螺旋環(huán)與該圓環(huán)進(jìn)行相切堆疊時(shí),其旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的破壞使得多數(shù)高Q值回音壁模被抑制,而僅剩一個(gè)位于594.6 nm處的單峰.圖4(g)內(nèi)插圖所示的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)角分布圖同時(shí)印證了耦合微腔的單向輸出.在模式分布方面,圖4(h)和圖4(i)分別為堆疊微腔中位于上方的螺旋環(huán)微腔和位于下方的圓環(huán)微腔的模分布圖,通過(guò)比較分析可證實(shí)耦合的猜想.一般地,位于下方的圓環(huán)微腔邊緣整體呈現(xiàn)近回音壁模式的場(chǎng)強(qiáng)分布,說(shuō)明在594.6 nm處存在一個(gè)高Q值模;而在二者相切堆疊位置處,結(jié)構(gòu)對(duì)稱破缺的存在引發(fā)了非共振.也就是說(shuō),能量從具有高Q值的圓環(huán)微腔耦合至螺旋環(huán)微腔時(shí),會(huì)因邊界散射而耗散,導(dǎo)致微腔模式的高Q值受損.然而,在圖4(i)的情形下,能量又從上方的螺旋環(huán)微腔重新耦合至下方的圓環(huán)微腔,于此同時(shí)僅有小部分能量從螺旋環(huán)槽口出射.因此,此種情形下微腔的Q值和單向性才能夠同時(shí)得到保障.進(jìn)一步地,所加工的耦合微腔的Q值均由計(jì)算給出,分別為螺旋環(huán)-圓環(huán)耦合微腔Q=6.1×103,螺旋環(huán)-圓盤(pán)耦合微腔Q=7.3×103,表明三維堆疊耦合的方式能夠獲得兼具良好單向性和高Q值的微激光器[23].

4 結(jié) 論

綜上所述,本文利用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)加工出一系列三維耦合微腔,成功地實(shí)現(xiàn)了具有低激射閾值和高度單向型的單模激光輸出.飛秒激光的強(qiáng)大三維圖案化能力能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的三維耦合微腔結(jié)構(gòu),包括相切堆疊的耦合微盤(pán)、集成濾波光柵的微盤(pán)和螺旋環(huán)耦合微環(huán)等.通過(guò)對(duì)激射閾值、Q值的比較以及理論模擬,可以證實(shí)上述微腔之間、微腔-光柵之間存在耦合.對(duì)于耦合微盤(pán)而言,耦合使得兩微盤(pán)的模式之間形成了游標(biāo)效應(yīng),進(jìn)而能夠篩選出某一共振模式;對(duì)于光柵耦合微盤(pán)和螺旋環(huán)耦合微環(huán)而言,耦合結(jié)構(gòu)中的二者則分別充當(dāng)濾波器和輸出端口,形成一個(gè)初步集成的微激光器.之前所提出的加工耦合微腔激光器的方法主要針對(duì)無(wú)機(jī)材料或無(wú)機(jī)-有機(jī)混合材料,而本文提出的飛秒激光直寫(xiě)快速成型技術(shù)能夠針對(duì)聚合物類材料進(jìn)行高效而精準(zhǔn)的加工.通過(guò)結(jié)構(gòu)控制來(lái)有效調(diào)控耦合效果和折射率環(huán)境,為單片式單向單模聚合物微激光器的加工和集成提供了有力支持.在未來(lái)的工作中,一方面將會(huì)致力于進(jìn)一步提高Q值及相關(guān)腔光力學(xué)方面的研究,另一方面也會(huì)逐步將微激光器集成至生物探測(cè)器等相關(guān)器件中,針對(duì)材料兼容性和探測(cè)靈敏度等問(wèn)題進(jìn)行探索與解決.與仿生材料和有機(jī)二極管技術(shù)等進(jìn)行交叉,我們期待有機(jī)聚合物類微腔能夠?qū)崿F(xiàn)突破性的進(jìn)展和應(yīng)用.

感謝吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院孫洪波教授和王磊博士的指導(dǎo)與幫助.

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