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(shí)驗(yàn)研究的目的。本文就當(dāng)前微納米線激光器的波長(zhǎng)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(gè)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(hào)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(zhǎng)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(zhǎng)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(xiàng)技術(shù)可以對(duì)生長(zhǎng)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(chǎng)或磁場(chǎng)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(shí)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(gè)操作是處于電場(chǎng)中，可以采取光電技術(shù)，在較低的光照強(qiáng)度下可以同時(shí)對(duì)多個(gè)微納米線進(jìn)行控制。上述的技術(shù)手段在今后對(duì)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(duì)于的半導(dǎo)體材料的微小化具有十分重要的現(xiàn)實(shí)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(gè)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(dòng)，這就可以及時(shí)減少電阻的電力延時(shí)，這些優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)度的功能，也不可以插入其他光學(xué)元件，所以對(duì)于微納米線激光器的波長(zhǎng)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(huì)出現(xiàn)很多問題，這需要研究者繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)于激光器的探索。

2微納米線激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧

與原子能級(jí)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?？梢酝ㄟ^調(diào)諧效應(yīng)來測(cè)量因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)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(duì)于帶寬的要求越來越高，如果在光纖通訊中采用波長(zhǎng)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(cè)量中也需要進(jìn)行波長(zhǎng)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(zhǎng)的原因后，波長(zhǎng)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(zhǎng)的損耗

微納米線激光器中出現(xiàn)波長(zhǎng)損耗時(shí)，初始態(tài)的激發(fā)模式會(huì)因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)的損耗而限制，使其他模塊能量增高，并形成強(qiáng)烈的激光，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。通過對(duì)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(jí)，這種特性對(duì)于較長(zhǎng)的微納米線來講影響更大，可以有效促進(jìn)激發(fā)波長(zhǎng)的紅移現(xiàn)象。在實(shí)際激光器的應(yīng)用中制造出特性相同、長(zhǎng)度相等的納米線制作手段也較為成熟，需要對(duì)激發(fā)波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)激發(fā)波長(zhǎng)的有效切換。

2.2改變半導(dǎo)體的增益

雖然通過改變波長(zhǎng)的損耗來實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)更加高效的激光質(zhì)量。對(duì)于生長(zhǎng)微納米線時(shí)，可以利用其生長(zhǎng)機(jī)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(zhǎng)。

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(shí)性能較強(qiáng)，想要實(shí)現(xiàn)單模激射的最簡(jiǎn)變的途徑是減少微納米線激光器中諧振腔的腔體長(zhǎng)度，有效拓寬光譜范圍實(shí)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(zhǎng)的單模微納米線激光器。這實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)的有效變化，提高了納米激光器的應(yīng)用價(jià)值。其原理是通過在篩選單模時(shí)取用了不同的波長(zhǎng)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(shí)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(huì)實(shí)現(xiàn)高度的相干性，可以作為今后實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。實(shí)際在凝聚時(shí)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(duì)于半導(dǎo)體微納米線激光器的研究，介紹了相關(guān)的波長(zhǎng)調(diào)諧的條件方法以及單模機(jī)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(qiáng)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(jī)-無機(jī)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.