CN101910935A - 改进辐射束准直的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种对辐射进行准直的设备可包括亚波长尺寸的孔以及在金属膜上限定的邻近的一组槽，该金属膜与发射辐射的有源或无源装置一体形成。在激光器或其他辐射发射装置的端面上集成光束准直仪提供了光束准直和极化选择。与现有激光器的输出相比，光束发散度可减小一个以上数量级。具有孔槽结构的有源光束准直仪可与多种光学装置集成，例如半导体激光器(例如量子级联激光器)、发光二极管、光纤以及光纤激光器。

Description

改进辐射束准直的方法和装置
政府资助的研究
与本文公开的内容相关的一些研究是由美国空军科学研究局根据第FA9550-04-1-0434号合约资助的，美国政府对部分公开内容具有一定权利。
背景技术
对于需要在远场将光以小角度集中的很多应用，例如，印刷(例如激光打印机)、自由空间光通信或遥感，准直光束辐射源都是期望的。对于将激光输出耦合到光纤和光波导中的应用，例如，光通信系统的互联，准直光源也很重要。通常利用庞大且通常昂贵的光学元件(例如透镜或抛物面镜)在外部实施光源准直。本文中，准直被定义为具有低发散角(例如几度或更少)，对于半导体激光器而言，准直包括充分小于未进行准直的原始装置的发散角度值(例如十至几十度)的发散角度。因为准直光源提供具有低发散角的输出光束，因此这样的光源一般不需要额外的准直透镜和精确的光学对准来得到期望的束剖面和/或方向性。在需要超准直光束(例如发散角远小于1度)的情况，准直光源仍然可能需要使用低数值孔径(NA)透镜，与直接使用高NA透镜相比较，这是有成本效益的解决方案。
对于很多现有技术的光源，其辐射的空间分布具有固有的大发散角度。例如，来自发光二极管(LED)的p-n结的辐射在装置内部几乎为全向的。如果考虑波导和装置封装对光输出的影响，则LED的发散角仍然非常大(例如至少几十度)。对于边发射半导体激光器，在材料生长方向的发散角度通常较大(例如几十度)。这是因为在材料生长方向的激光波导w通常与自由空间中的激光波导λ0相当或小于自由空间中的激光波导λ0。当激光辐射从这样受限的波导传播至自由空间时，激光辐射分散为可由λ0/w粗略估计的角度，从而生成1弧度或大约60度数量级的发散角。在半导体激光器中，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)被认为在光束准直中是优异的，因为VCSEL通常具有与边发射激光器相比较大的发射面积。商用VCSEL具有从5至30度范围的发散角，但是通常约为15度。然而，尽管通过VCSEL得到较小的发散角，但是VCESL具有不稳定的输出极化的内在问题。
之前，Lezec等人提出并证明了能对入射的可视光进行准直的无源孔槽结构[H.J.Lezec等人的“来自亚波长孔的光束(Beaming lightfrom a sub-wavelength aperture)”，《科学》(Science)297，820(2002)]。该孔槽结构被限定在悬浮金属膜上，且被包括在由周期性的槽环绕的中心孔中。Lezec的结论示出，适当地设计的无源孔槽结构可具有高的功率通量，且从该结构发出的光束可具有小的发散角度。然而，这些结论可认为是与违反直觉的，因为波动光学提出，从亚波长孔发出的光本质上在半空间中应是全向性的，并且单个亚波长孔的传输效率应该与(r/λ0)4是成比例的，(r/λ0)4＜＜1，其中r为孔的尺寸[H.A.Bethe“小孔发散理论(Theory of diffraction by small holes)”《物理评论》(Phys.Rev.)66，163(1944)]。
可以按照如下理解Lezec著作的光束准直现象。孔发出的光耦合到沿光栅传播的表面等离子体激元中。表面等离子体激元是受限于金属与电介质之间的界面并沿金属与电介质之间的界面传播的表面电磁波。这些表面等离子体激元通过周期性的栅槽散射入自由空间。来自孔的直接发射和源于表面等离子体激元散射的再发射彼此相长干涉，从而得到在远场的准直光束。
发明内容
发明人认识并了解到，很多现有光子装置的辐射发射特征相对于光束准直明显地改进。尤其是，发明人认识到，将称为等离子体准直仪的孔槽结构与有源光子装置或其他辐射发射装置集成，以产生与之前的系统相比具有减小的发散角和相当的功率通量级别的准直光束。可有效地利用具有亚波长的适合的金属结构，以直接设计半导体激光器的远场，并大大减小半导体激光器光束的发散角。利用等离子体结构或更一般的光子晶体的激光光束的波前工程学对激光科学和技术的进一步发展具有深远的影响。
综上所述，本公开旨在改进装置辐射的准直的方法和设备。本文描述的示例性的实施方式中，各种现有的有源和无源光学装置与被配置以改进从光学装置发射的辐射的准直的各种孔槽结合。在不同的示例性实施方式中，为了明显增加准直效果，发明人认识到，对于特定的光学装置和期望的输出参数(例如波长、方向、发散等)，可对金属结构(例如孔、槽等)的布置(例如方向、间距、数量等)以及尺寸进行特制。这样，此处描述的示例性实施方式说明了与各种现有光学装置集成的适合的孔槽布置，以提供具有改进的光束准直的改进的装置。
发明人还认识到在近场控制亚波长的光来实现远场的光束准直。因此，本文公开的不同方案提供了对传统光束准直方法的重大改进。孔槽结构的基础物理原则为将本公开应用到各种光学系统提供了相当的灵活性。例如，利用此处公开的方法和设备可实现宽广的应用范围，从极化可控的垂直腔表面发射激光器到低发散角的发光二极管，再到自由耦合的光纤。在下面详细描述的示例性实施方式中，在量子级联激光器的端面上集成孔槽结构，从而产生发散角比未改进的量子级联激光器输出光束的发散角小一个以上数量级的输出光束。可在一维(即与装置的材料生长方向平行的方向)或在二维(即与材料生长方向平行和垂直的方向)上实现减小光束发散。具有孔槽结构的装置的功率通量与未改进的量子级联激光器的功率通量相当。
通过该结构可提供的其他优点包括，当等离子体激元准直仪与光源集成时无需执行对准。另外，通过对等离子体激元准直仪进行调整，准直仪可安装在发射波长从可视光到远红外的宽范围内的任何类型的光源上。进一步，等离子体激元准直仪可实质上控制两个正交方向上的光束发散，这对于需要具有圆形截面的准直光束来减小沿光路的畸变的一些应用而言是有帮助的。
术语“光源”应该理解为指各种有源或无源的辐射发射装置中的任何一种或多种，包括但不限于，各种非相干光源(例如发光二极管)、各种类型的激光器、光纤等。给定的光源可被配置以生成在可视光谱内的辐射、可视光谱外的电磁辐射、或两者的结合。因此，术语“光”和“辐射”在本文可互换。
应该理解的是，上述方案以及下面将详述的其他方案的所有组合都视为本文公开发明主题的一部分。还应该理解的是，本文使用并还可能出现在通过引用而并入的任何公开文献中的术语应理解为与本文公开的特定方案的意义最一致。
附图描述
图1示出了等离子体激元准直的工作机理；
图2示出了等离子体激元准直仪的第一构造的横截面图，在该构造中，装置端面上的涂层包括绝缘薄膜和厚金属膜，其中，在厚金属膜中限定有孔和槽；
图3示出了等离子体激元准直仪的第二构造的横截面图，该构造是通过首先在裸露的装置端面直接刻槽、然后沉积绝缘层和金属层、再开孔而形成的；
图4示出了形成有一维(1D)等离子体激元准直仪图案的边发射激光器，其中，假设电场极化为垂直的；
图5示出了形成有一维(1D)等离子体激元准直仪图案的边发射激光器，其中，假设电场极化为水平的；
图6示出了形成有二维(2D)等离子体激元准直仪图案的边发射激光器；
图7示出了图5中装置的装置端面上表面等离子体激元的强度分布，其中，假设电场极化为垂直的；
图8示出了装置端面上槽间距的变化，以及端面上表面等离子体激元波长的变化，其中，两者随着远离孔径而稍微地增加；
图9示出了矩形孔，通过该矩形孔装置辐射出到端面表面上；
图10示出了C状孔，通过该C状孔装置辐射出到端面表面上；
图11示出了H状孔，通过该H状孔装置辐射出到端面表面上；
图12示出了螺旋孔，通过该螺旋孔装置辐射出到端面表面上；
图13示出了螺旋状孔的另一实施方式，通过该螺旋孔装置辐射出到端面表面上；
图14示出了边发射激光器，其具有在其端面上限定的孔阵列结构；
图15示出了边发射激光器，其具有在其端面上限定的孔阵列和一维(1D)光栅；
图16示出了垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其上形成有包括多个孔径和光栅的孔槽结构的图案；
图17示出了发光二极管(LED)，其上形成有包括被圆形光栅围绕的环形孔的环形孔槽结构；
图18示出了在光纤上的环形孔槽结构；
图19示出了光纤的包括多个孔径和光栅的孔槽结构；
图20示出了在λ0＝9.9μm的量子级联激光器上限定的第一构造(图2)的等离子体激元准直仪周围的强度分布的仿真结果，其中，假设有15个栅槽；
图21示出了对图20中进行仿真的装置计算出的垂直远场强度分布，其中的插入图是中央峰的放大视图；
图22示出了在λ0＝9.9μm的量子级联激光器上限定的第二构造(图3)的等离子体激元准直仪周围的强度分布的仿真结果，其中，假设有15个栅槽；
图23示出了对图22中进行仿真的结构计算出的垂直远场强度分布，其中的插入图是中央峰的放大视图；
图24示出了控制结构的强度分布的仿真结果，该控制结构即不具有等离子体激元准直仪的λ0＝9.9μm的原始量子级联激光器；
图25示出了对图24中进行仿真的结构计算出的垂直远场强度分布；
图26示出了等离子体激元准直仪的横截面图，该等离子体激元准直仪的孔被一片金属膜部分地覆盖；
图27示出了图26中的等离子体激元准直仪周围的强度分布的仿真结果，假设激光器波长是9.9μm且有11个栅槽(图中未全部示出)；
图28示出了对图27中进行仿真的结构计算出的垂直远场的强度分布，其中的插入图是中央峰的放大视图；
图29示出了具有双金属波导的等离子体激元准直仪的横截面图，其中，外金属层上形成有缝式孔阵列图案；
图30示出了图29中的等离子体激元准直仪周围的强度分布的仿真结果，假设激光器波长是9.9μm，且在外金属层上有55个缝式孔(图中未全部示出)；
图31示出了对图30中的仿真结构计算出的垂直远场的强度分布，其中的插入图是中央峰的移前视图；
图32示出了具有双金属波导的等离子体激元准直仪，其中，外金属层上形成有二维(2D)孔阵列图案；
图33示出了λ0＝9.9μm的原始脊形波导量子级联激光器的端面的扫描电子显微图像；
图34示出了在形成一维(1D)等离子体激元准直仪图案之后，图33中激光器的端面的扫描电子显微图像，其中，有24个栅槽；
图35示出了测得的图33中装置的远场发射概图；
图36示出了测得的图34中装置的远场发射概图；
图37示出了沿图35箭头的垂直线扫描；
图38示出了沿图36箭头的垂直线扫描，其中，左插入图是中央峰的放大视图，右插入图是计算出的模型概图，两个插入图彼此匹配良好；
图39示出了图33和图34(即，限定一维(1D)等离子体激元准直仪之前和之后)所示装置的光输出特征与电流(L1)特征的关系图，其中，虚线曲线和实线曲线分别用于原始未形成有图案的装置和形成有等离子体激元准直仪图案的装置，插入图是形成有图案的装置在1.5A驱动电流下的激光光谱；
图40示出了λ0＝8.06μm的原始隐埋式异质结量子级联激光器的端面的扫描电子显微图像；
图41示出了测得的图40所示装置的远场发射概图；
图42示出了形成二维(2D)等离子体激元准直仪图案之后，测得的图40所示装置的远场发射概图，其中，有20个圆形栅槽，插入图是放大视图；
图43示出了测得的图42所示装置的远场发射概图；
图44示出了形成有20个圆形栅槽图案的装置的光输出特征与电流(L1)特征的关系图，其中，实线曲线用于原始未形成图案的装置(图40)，其他曲线用于形成有具有不同横向孔尺寸的准直仪的装置；
图45示出了具有二维(2D)等离子体激元准直仪的λ0＝9.9μm的原始脊形波导量子级联激光器的端面的扫描电子显微图像，其中，有10个环形栅槽，插入图是放大视图；以及
图46示出了测得的图45所示装置的远场发射概图。
具体实施方式
下面详细描述根据本发明公开的用于改进装置辐射准直的方法和装置的具有创造性的实施方式和不同的构思。应该理解的是，因为主题不受任何特定实施方式限制，因此以上介绍的和以下详细描述的主题的不同方案可以多种方式实施。所提供的特定实施和应用示例仅用作说明目的。
下述的论文中描述了发明人的相关工作：N.Yu等人的“具有集成等离子体激元天线阵列准直仪的量子级联激光器(Quantum cascadelasers with integrated plasmonic antenna-array collimators)”，OpticsExpress 16，19447(2008)；N.Yu等人的“具有二维等离子体激元准直仪的小发散度的边发射半导体激光器(Small divergence edge-emittingsemiconductor lasers with two-dimensional plasmonic collimators)”，Applied Physics Letters 93，181101(2008)；N.Yu等人的“采用等离子体激元准直仪的小发散度的半导体激光器(Small-divergencesemiconductor lasers by plasmonic collimation)”，Nature Photonics 2，564(2008)。
参照图1可描述等离子体激元准直仪的工作原理。等离子体激元准直仪包括在涂覆有金属的装置端面上形成的栅槽16和孔14。孔14设置在发出辐射的区域。孔14至少在一个维度上为亚波长。孔14将装置辐射的一部分耦合至表面等离子体激元28中。表面等离子体激元28传播通过栅槽16并被栅槽16散射，产生大量的辐射再发射4。将孔14和栅槽16的位置选择为使来自孔的直接发射2和来自栅槽16的所有再发射4同相，即，两者的相位差等于2π的整数倍。因此，由于直接发射2和再发射4之间的相长干涉(constructive interference)，装置输出的发散得以减小。等离子体激元准直仪中的孔14和槽16有效地用作相干光源阵列，类似于用于定向广播和空间通信的相控阵天线。理论上，光束发散角应该与栅槽的数量N成反比，并且小散度光束的峰值强度应该近似正比于N2。
根据本公开的不同实施方式，在辐射发射装置(例如激光器、发光二极管、光纤等)的端面上集成等离子体激元准直仪包括几个步骤。首先，可在装置端面涂覆电绝缘的电介质(例如铝或硅)层26和金属(例如金、铜或银)厚层29。其次，可使用聚焦离子束(FIB)铣削、光刻、或电子束蚀刻(EBL)在厚金属层中限定孔槽结构。孔14设置在辐射离开装置处的位置。孔14是贯穿金属膜的开口，而槽的深度小于金属膜的厚度。图2中示出了根据这些步骤得到的构造。下述为制造等离子体激元准直仪的另一方式：首先，可用FIB铣削、光刻或EBL在裸露的装置端面24上切割出槽16；然后，可沉积绝缘电介质层26和金属薄膜层；最后，可用FIB铣削开通孔14。图3示出了根据这些步骤得到的构造。图2和图3示出的两个构造就光束准直和功率通量而言是等价的。但是对于特定类型的辐射发射源，一种构造可能比另一种可更易制造。
软光刻技术，例如压印光刻[S.Y.Chou等人的“具有25nm分辨率的压印光刻(Imprint lithography with 25-nanometer resolution)”Science，272，85(1996)]，和微接触印刷[P.C.Hidber等人的“钯胶体的微接触印刷：采用铜化学沉积的微米尺寸图样设计(Microcontactprinting of Palladium colloids：micron-scale patterning by electrolessdeposition ofcopper)”Langmuir，12，1375(1996)]，也可用于形成等离子体激元准直仪。这些方法允许具有高通量和具有成本效益的处理。
在下文中，讨论用于设计等离子体激元准直仪的物理因素。然后，讨论对于具体的辐射光源选择正确类型的等离子体激元准直仪的问题。等离子体激元准直仪可分为两种类型：第一类型利用一维(1D)孔槽结构(图4和图5)仅在1D上对辐射进行准直；第二类型利用二维(2D)孔槽结构(图6)进行完整的或2D准直，即在装置发射端面的平面上的准直。
可优化等离子体激元准直仪的一些几何参数，以对于给定端面面积产生最小光束发散角和最高功率通量(例如，大于在其它方面相同的未形成图案的激光器的功率通量的一半)。相关参数的示例包括但是不限于，金属膜的厚度、孔的形状和尺寸、槽间距、孔和最近的槽之间的间距、槽的总数量、以及每个槽的宽度和深度。
金属膜的厚度最小可为在工作波长处的光学趋肤深度的数倍(此处的“数倍”可表示例如至少3倍)，例如，对于9.9μm波长而言约为120nm。这将防止表面等离子体激元传播穿过金属膜而导致不期望的结果。“趋肤深度”用于表征电磁场可穿入金属层多深，并被定义为电磁场幅度衰减至在金属层表面处的值的l/e(其中e为自然数，且e≈2.718)处的距离。
可对间距di(i＝1，2，3，...n)(图8)进行调节以为从孔14发出的辐射2和从始于栅槽16的再发射4提供正确的相位关系，从而在两者之间达到最大的相长干涉。在孔14周围的近区中的表面等离子体激元的波长λsp不是恒定的，[G.
Figure BPA00001177837700091
等人的“在亚波长槽发散的表面等离子体激元的顺势特性(Transient behavior of surface plasmonpolaritons scattered at a subwavelength groove)”，Phys.Rev.B，76，155418(2007)；P.Lalanne等人的“在金属电介质界面处的光学纳物体之间的相互作用(Interaction between optical nano-objects atmetallo-dielectric interfaces)”，Nat.Phys.2，551(2006)]。在孔附近的表面等离子体激元的波长λsp-near通常比远离孔处的表面等离子体激元的波长λsp-far小几个百分点。从λsp-near至λsp-far的过渡区为中红外辐射的自由空间波长λ0的十倍数量级，并小于可见光辐射的十倍自由空间波长。因此，理想的设计可将槽16设置在di处(i＝1，2，3...n)以匹配λsp的演化，从而使直接发射2和再发射4的相位差精确地为因子2πm(m为整数)。作为理想结构的一阶近似，可选择d1＜d2＝d3...＝dn＝∧的设计，其中d1是孔和最近的槽之间的间距，∧是光栅周期。可通过使准直光束的峰值强度最大化来在仿真中确定d1和∧。对于λ0＝9.9μm的量子级联激光器，得到优化的参数为d1＝7.3μm且∧＝8.9μm，对于λ0＝8.06μm的量子级联激光器，得到优化的参数为d1＝6.0μm且∧＝7.8μm。
由于激光器端面具有有限的面积，因此可仅在孔的基底侧(图1、2、3和4)限定光栅16。然而，在孔的另一侧，还可在孔14和顶部电触点18之间包括一个或多个槽16′(图1和图4)。这些附加的槽16′增加准直光束的强度并减小背景辐射。实质上，对于在孔14处生成并朝激光器顶部触点18传播的表面等离子体激元，这些附加的槽16′起到反射器的作用，从而减小在顶部触点18处的散射并将栅槽16的作用最大化。将反射器槽16′的位置选择为使被反射的表面等离子体激元和在孔14处生成并朝栅槽16传播的表面等离子体激元之间的相长干涉最大化。在图4所示的激光器的一个实施方式中，对于9.9μm波长的激光器，顶部的槽16′的中点在孔14中点上方3.5μm处。
选择窄槽使每个槽16仅在表面等离子体激元28的传播中引入小的干扰。在仿真中发现，宽槽通常提供太强的发散并因此限制表面等离子体激元28到前几个槽的传播。这将导致有限的准直，因为准直仪的有效运行取决于干涉再发射4的数量。
对槽深h进行调节以允许建立槽腔模式，即，生成沿槽16深度的驻波[G.
Figure BPA00001177837700101
等人的“在亚波长槽发散的表面等离子体激元的顺势特性(Transient behavior of surface plasmon polaritons scattered at asub-wavelength groove)”，Phys.Rev.B，76，155418(2007)；L.Martín-Moreno等人的“来自由表面波纹围绕的单个亚波长孔径的高定向发射的理论(Theory of highly directional emission from a singlesub-wavelength aperture surrounded by surface corrugations)”Phys.Rev.Lett.90，167401(2003)]。共振条件使在其它方面无效的散射器(即，窄槽16)有效地将表面等离子体激元28耦合入自由空间。
具有实际可行数量的大量栅槽16有利于减小发散角并增加准直功率。然而，增加槽将仅在表面等离子体激元28可到达这些槽的情况下才起作用。因此表面等离子体激元的传播距离是固有的限制。在等离子体激元准直仪中，通过栅槽16到自由空间的期望散射成为限制传播距离的主要因素。考虑此因素，表面等离子体激元28在中红外波长可传播超过几百微米(即，等于数十个自由空间波长的距离)。该传播距离允许形成至少数十个栅槽16，足以将装置辐射准直在几度以内。
取决于对于某个设计设定的栅槽数量N，可对槽宽w进行微调，以确保表面等离子体激元28的传播范围与栅槽16的范围一致。该微调将使光栅的效用达到最佳，提供最大功率通量和最小准直角度。在此方案中，具有大N的设计比具有小N的设计应具有稍窄的槽(即，在散射表面等离子体激元方面具有较低的效率)。
上述讨论了用于1D和2D等离子体激元准直仪的几个设计参数(即，金属厚度、栅槽位置、反射槽位置、槽深h和槽宽w、以及栅槽数量N)。1D和2D等离子体激元准直仪之间的差别在于它们的孔以及栅槽的形状。在1D准直仪中，光栅为一维的平行直栅槽(图4)；在2D准直仪中，光栅是一组同心的环形槽(图6)。
1D准直仪的孔14是缝隙(图4)。该缝隙在槽16的法向上长度为亚波长，以有效地将装置辐射耦合入表面等离子体激元28。通过仿真可确定最优缝隙宽度。较窄的缝隙对来自装置内部的辐射进行强力的反向散射，从而减小功率通量；较宽的缝隙在将装置辐射耦合入表面等离子体激元方面具有较低的效率，导致远场中的大背景。在图4所示的激光器的一个实施方式中，对于9.9μm波长的激光器，最佳缝隙宽度为大约2μm，接近于有源区(active region)的厚度。在平行于栅槽16的其它维度中，缝式孔14可尽可能宽以允许最大功率输出。1D准直仅提供在栅槽16法向上的准直。
用于2D准直的孔14在垂直方向和横向方向上都为亚波长(图6)。这些亚波长的尺寸使在二维上将装置辐射有效地耦合入在装置端面上传播的表面等离子体激元28。表面等离子体激元28被2D栅槽16散射，这导致在远场中完整的或二维的准直。再者，在装置功率通量和光束准直之间存在平衡。如果孔14的尺寸为比自由空间波长λ0小很多的深亚波长，则装置辐射到表面等离子体激元28的耦合是高效的，但是功率传输被小孔尺寸严重限定；另一方面，如果孔14太大，即，相对于λ0太大，辐射则在孔14处受到有限的衍射，并几乎直接射入远场，这提供了较差的光束准直。在图6所示的量子级联激光器的一个实施方式中，因为量子级联激光器与垂直电场横磁(TM)极化，所以表面等离子体激元优先在垂直方向上传播。为了使表面等离子体激元28在横向方向上也能达到宽的传播，孔的横向尺寸应为亚波长。对于8.06μm波长的激光器，功率通量与光束准直之间的良好平衡是垂直尺寸约2μm且横向尺寸约4～6μm的孔。图7示出λ0＝8μm的量子级联激光器的装置端面上表面等离子体激元分布的仿真，该量子级联激光器具有由2×4μm2的孔和20个栅槽构成的2D准直仪。
激光器端面上的孔14可具有多种构造中的任意构造。在图6和图9所示的简易构造中，孔14具有矩形形状。在其他布置中，可使用图10中的C形、图11中的H形、以及图12和图13中的螺旋形。缝隙天线理论预言了，与相同面积的矩形孔相比，更复杂的孔可允许更多的功率通量[R.Azadegan等人的“缝隙天线小型化的新方法(A novelapproach for miniaturization of slot antennas)”IEEE Trans.AntennasPropag.51，421(2003)]。也可使用其他曲线形状(例如S形)。
基于光源的特征和最终准直光束的期望性能，不同的光源可使用不同的等离子体激元准直仪设计。
例如，对于具有已知电场极化12的边发射半导体激光器(例如激光二极管或量子级联激光器)，如果仅需要1D准直，则具有孔14和且每个槽16均与场极化方向12垂直(如图4和图5所示)的等离子体激元准直仪可为适合的选择。对于量子级联激光器，场极化为垂直方向(图4)；对于激光二极管，场为水平方向(图5)。因此，这两种装置的孔槽结构的方向是不同的。如图4和图5所示，激光器进一步包括顶部电触点18(由导电材料形成，例如金)、有源区22(由半导体量子阱形成，并且具有如图所示垂直测量近似等于孔14的垂直宽度的宽度)、基底24(例如由磷化铟形成)、绝缘的电介质26(例如由铝形成)、以及背部电触点20(由导电金属形成，例如金)。
在图4所示的激光器的一个实施方式中，对于具有不同波长的两种类型量子级联激光器，基于仿真，我们使用表1中列出的优化参数。相似的设计程序将得出对于在其他波长的边发射半导体激光器的优化设计。
表1
  光栅周期∧(μm)   槽宽w(μm)   槽深h(μm)  孔径与第一栅槽之间的距离d1(μm)
  λ0＝8.06μm的隐埋异质结QCL   7.8   0.6   1.0   6.0
  λ0＝9.95μm的脊形QCL   9.4   0.8   1.5   7.2
对于边发射半导体激光器，如果假设2D准直，则可使用具有矩形孔14和圆形光栅16的等离子体激元准直仪(图6)。表1中列出的相同的优化参数可用于相应的激光波长。
对于边发射半导体激光器，还可通过使用如图14所示的在装置端面上限定的孔阵列结构42来实现横向(即与材料生长方向垂直的方向)的光束准直。孔阵列42设置在激光横模上电场具有相同极化的部分。通过示例的方法，图14中的放大视图示出了量子级联激光器的TM04模式的不同波瓣的极化，以及孔阵列42如何阻止具有向下极化的两个波瓣。通过消除该模式的反极化分量的作用，可生成远场中具有横向低发散角的单光束。
上述设计结构的组合可以其他方式用于对光束进行准直。例如，对于边发射半导体激光器，可如图15所示通过将图4和图14描绘的结构元件进行组合而得到2D的准直。
对于垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，尤其是具有不稳定极化的VCSEL，如图16所示的多孔槽结构可以是适合的选择。当与VCSEL结合时，该多孔槽结构提供很多优点。例如，该结构仅允许极化方向垂直于孔/槽的场分量通过，产生具有明确限定的极化方向的激光输出。另外，由于与边发射激光器相比，VCSEL具有大得多的发射面积，所以具有多孔的等离子体激元结构可允许大的功率通量。图16的VCSEL包括在有源区22两侧的上布拉格反射器30和下布拉格反射器32。
对于输出的光不具有特定极化方向的发光二极管(LED)，可使用如图17所示的环形孔槽结构，该环形孔槽结构包括中央环孔34以及一组同心槽16。该结构的优点包括适合与具有任何极化方向的光源一起使用，并且与包括洞孔(hole-aperture)和一组同心槽的孔槽结构相比具有较高的通量。图17的LED进一步包括位于顶部触点18和背部触点20之间的p型掺杂区域36和n型掺杂区域38。
对于光纤40，取决于期望的输出光极化，可采用环形孔槽结构(图18)或多孔槽结构(图19)。光纤可为有源光纤装置(例如光纤激光器、掺铒光纤放大器)或用于将光耦合入其他光学元件的无源光纤。
基于孔槽结构的量子级联激光器的光束准直的仿真结果有助于说明设计的可行性和等离子体激元准直仪的显著影响(图20至图23)。图20示出了λ0＝9.9μm的量子级联激光器周围强度分布的仿真结果，该量子级联激光器具有根据图2所示的构造在其端面上限定的优化的1D等离子体激元准直仪。图21示出了计算出的该装置的远场强度分布。
图22和图23分别示出了λ0＝9.9μm的量子级联激光器的强度分布的仿真结果和计算出的远场强度分布，该量子级联激光器具有根据图3所示构造在其端面上限定的优化的1D等离子体激元准直仪。在该仿真和计算结果(图20至图23)中，在激光器端面上形成有15个栅槽。应注意的是，与不具有等离子体激元准直仪的激光器(图24和图25)相比，上述示出的两种设计中材料层法向上的光束发散角降低了一个以上的数量级。对于控制仿真，图24和图25分别示出了对于未改型的λ0＝9.9μm的量子级联激光器的强度分布的2D仿真以及计算出的远场强度分布。
图26示出了具有由金属膜部分覆盖的孔14的可选的设计。在该实施方式中，例如由铝、硅或硫化物玻璃形成的透明电介质层48被设置在孔14上。然后将金属层46设置在电介质层48上。金属层46将来自孔14的全部辐射传入将朝栅槽16传播的表面等离子体激元。图27示出了该结构的强度分布仿真，图28示出了计算出的该装置的远场强度分布。在仿真和计算中假设有11个栅槽。
图29示出了具有双金属波导结构的可选设计。在该实施方式中，例如由铝、硅或硫化物玻璃形成的透明电介质层48被设置在孔14上并临近有源区22。透明电介质层48被夹在外金属层46和内金属层50之间。来自有源区22的光通过孔14传入透明电介质层48。与其他实施方式中相同，光通过外金属层46中的一组缝式孔47射出透明电介质层48并发生相长干涉以产生准直的光输出。缝式孔47之间的间距近似等于金属-电介质-金属波导模式的波长。利用与对单金属膜等离子体激元准直仪执行的优化程序相似的计算机仿真，可进一步优化缝式孔的精确间距和各孔的宽度。图30示出了该结构的强度分布仿真，图31示出了计算出的该装置的远场强度分布。在此仿真和计算中假设有55个缝式孔。
因为其外金属层46形成有1D缝式孔阵列47，所以上一段中的双金属波导结构仅在一个方向准直。如果外金属层46形成孔49(例如矩形孔、圆形孔、环形孔、C或H形孔、螺旋孔等)的2D阵列，参照图32，则该结构能够在两个方向准直。孔49之间的横向和纵向间距近似等于金属-电介质-金属波导模式的波长。
实验
我们采用量子级联激光器作为模型系统来验证等离子体激元准直仪。在脊形量子级联激光器上制造1D等离子体激元准直仪。该脊形装置发射大约λ0＝9.9μm的辐射并通过分子束外延生长。该脊形装置具有2.1μm的有源区厚度和不同的有源区宽度。
制造过程从在量子级联激光器的磷化铟基底中进行栅槽的聚焦粒子束铣削开始。然后，利用电子束蒸发将200nm厚的铝膜沉积在激光器端面上用于电绝缘，并利用热蒸发沉积600nm厚的金膜。执行多角度沉积，从而使槽壁还被铝膜和金膜覆盖。最后，二次利用聚焦粒子束铣削以在激光器有源核的前端开通贯穿金膜的孔。由于金属微晶尺寸大因而在金属中铣削通常导致明显的粗糙，我们选择在任何沉积之前在半导体中切割出槽(图2)，而不是首先沉积厚金膜然后在厚金膜中切槽(图3)，这是因为聚焦光束在半导体中铣削具有平滑的特征，而在金属中铣削通常由于金属中的大晶粒而导致明显的粗糙度。
为绘出装置的2D远场发射图样，使用两个机动转动台。将被测试的装置固定在一个转动台上并可在垂直平面上转动。中红外汞镉碲检测器固定在另一个平台上，并可以在水平方向扫描。该装置和检测器之间的距离保持恒定约15cm。用0.25°的分辨率进行测试。用标准功率计执行功率测定。将具有6.5mm直径的金属接收管的功率计置于激光器内2mm处，从而在与激光器法向成近似±60°的角度范围内收集发射的功率。用傅里叶变换红外光谱仪进行光谱测量。
图33和图34分别示出了在形成包括缝式孔和具有24个槽的光栅的1D等离子体激元准直仪之前以及之后，λ0＝9.9μm量子级联激光器的扫描电子显微图像。图35和图36分别示出了在形成等离子体激元结构之前和之后测得的2D远场强度分布，证明了垂直方向上光束发散的显著下降。图37和图38分别提供了激光器极化方向(沿着图35和图36的箭头)上2D远场发射图样的行扫描，示出了发散角(此处参照，以半值全宽度进行测量)从原始装置的63度减至具有形成1D准直仪的装置的2.4度。行扫描还示出具有准直仪装置的背景平均强度小于中心瓣峰值的10％。图39示出了限定1D等离子体激元准直仪之前以及之后光输出与电流特性的对比，证明了约为100mW的最大输出功率。形成图案的装置的光输出对比电流特性的斜率效率主要由用以将表面等离子体激元耦合入自由空间的等离子体激元光栅的效率确定。我们发现大的斜率效率与具有大量槽的光栅相关；图34示出的具有24个槽的装置具有约180mWA-1的斜率效率，这是不具备准直仪的原始激光器的斜率效率的90％。
在脊形量子级联激光器和隐埋异质结量子级联激光器上都制造了2D等离子体激元准直仪。该脊形装置发射大约λ0＝9.9μm并通过分子束外延生长的辐射；隐埋异质结装置发射大约λ0＝8.06μm并被金属有机气相外延生长的辐射。该脊形装置具有2.1μm的有源区厚度和不同的有源区宽度。所有隐埋异质结装置的有源区分别在垂直方向和横向上具有2.1μm和9.7μm的尺寸。
对于2D等离子体激元准直仪，制造程序和远场测试设置实质上与1D等离子体激元准直仪的制造程序和远场测试设置相同。
对形成有2D等离子体激元准直仪图案的λ0＝8.06μm的隐埋异质结量子级联激光器进行详尽的研究。具有未形成图案的端面的原始装置(图40)在横向和垂直方向上分别具有θ//＝42度、θ⊥＝74度的发散角(图41)。代表性的隐埋异质结量子级联激光器上形成有包括20个圆形槽和2.1×1.9μm2孔的等离子体激元准直仪(图42)。与未形成图案的装置相比，形成有2D准直仪图案的激光器表现出明显减小了的发散角(图43)，其中θ//＝3.7度、θ⊥＝2.7度，与原始装置相比，在横向和垂直方向上分别减小约10倍和30倍。
虽然等离子体激元准直仪设计用于单激光波长，例如λ0＝8.06μm，但是对于激光光谱扩展，环形准直仪设计为鲁棒的。例如，对于上段中讨论的形成有包括20个栅槽图案的装置，激光光谱宽度Δλ在驱动电流Idr＝500mA处近似等于0.1μm；在Idr＝600mA处Δλ迅速增加至约0.3μm。我们发现，测得的远场发散角在不同的驱动电流处相对稳定。例如，在Idr＝500mA和600mA处，θ⊥＝2.6和2.7度，θ//保持3.7度。
利用聚焦粒子束铣削，逐渐增加上述装置的横向孔径尺寸w1(参照图6的定义)，以研究该参数对θ⊥、θ//以及功率输出的影响。垂直孔尺寸w2＝1.9μm保持恒定。如预期地，装置的斜率效率随孔宽增加而增加，导致较高的最大功率(图44)。同时，横向发散角θ//增加，而θ⊥几乎稳定(表2)。θ//的这种性质是由于在横向与表面等离子体激元的耦合效率随着横向孔径尺寸的增加而降低。对于在该工作中研究的最宽孔(8.1μm)，最大输出功率大于原始未形成图案的激光器的50％，而发散角(θ⊥＝2.4度、θ//＝4.6度)与原始未形成图案的激光器相比仍显著减小。表2中总结了最大功率和发散角对横向孔径尺寸w1的依赖性。
表2
Figure BPA00001177837700181
与需要半绝缘侧包层再生长的隐埋异质结量子级联激光器相比，可容易地对脊形量子级联激光器进行处理。因此，有利地示出了2D等离子体激元准直仪还用于具有脊形波导的装置。如图45和46所示，在λ0＝9.9μm的脊形量子级联激光器上成功地证明了2D准直。对于λ0＝8.06μm的隐埋异质结装置，对优化设计参数的简单调整对脊形装置基本给出了正确的参数。表1中总结了优化设计参数的列表。该装置的实验性能与用具有相同数量的槽的隐埋异质结装置获得的性能相当；对于具有10个栅槽的脊形装置，其发散角为θ⊥＝5.0度、θ//＝8.1度。
最后，该系统实验和仿真证明了，在量子级联激光器的端面上集成适当设计的1D或2D等离子体激元准直仪将1D准直仪的垂直方向上或在2D准直仪的垂直方向和横向上的发散角减小了大于10倍。优化的装置保留了与未形成图案的激光器的输出功率相当的高输出功率。在此所示的2D等离子体激元准直仪设计适用于隐埋异质结装置和脊形装置。
在所描述的本发明的实施方式中，为清晰起见而使用特定术语。为描述的目的，每个特定术语旨在至少包括以相似方式实施相似目的的所有技术和功能的等同。另外，在本发明的特定实施方式包括多个系统元件或方法步骤，这些元件或步骤可由单个元件或步骤进行替换；相似的，单个元件或步骤也可由用作相同目的的多个元件或步骤替换。而且，本发明的实施方式还指定了各种特征的参数，这些参数可以按照1/20、1/10、1/5、1/3、1/2等、或化整为其近似值来上调或下调，除非另有规定。而且，虽然本发明参照其特定实施方式进行描述和示出，但是本领域技术人员应该理解，在未脱离本发明范围的情况下仍可在形式和细节上进行不同的替换和修改；而且，其他方案、功能和优点仍然属于本发明的范围。另外，本文讨论的与一个实施方式相关的步骤、元件和特征可结合其他实施方式使用。所有参考的内容，包括本申请全文中引用的专利和专利申请，都通过引用全文引用并入本文。可为本发明和其实施方式选择这些参考的适合的部件和方法。进一步，本发明背景技术部分说明的部件和方法与本公开是个整体，并可在本发明范围内结合或代替本文其它部分描述的部件和方法。

Claims (23)

1.一种生成准直辐射的设备，包括：
辐射发射装置，其包括电介质材料形成的端面，所述辐射发射装置限定辐射发射的通道；以及
金属膜，其涂覆在所述电介质材料上，所述金属膜限定至少一个孔和与所述孔间距递增地间隔的一组槽，来自所述通道的辐射能够穿过所述孔，并且表面等离子体激元能够在所述孔处生成，所述孔与最近的槽之间的距离与连续间隔的槽之间的距离不同，并且所述槽被配置为使表面等离子体激元散射以产生辐射再发射，从而使来自所述孔的直接发射和来自所述槽的辐射再发射相长干涉以产生在远场的准直辐射。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述槽与所述孔间隔为使得每个连续间隔的槽之间的距离大于之前的连续间隔的槽之间的距离。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述一组槽设置在所述孔的一侧，且至少一个刻设置在所述孔的相对侧，其中在所述孔径的所述相对侧设置的槽更少。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述金属膜涂覆在电介质基底中的槽上，所述电介质基底在所述金属膜中提供所述槽的轮廓。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述金属膜的厚度至少与趋肤深度相同，以防止电磁辐射传播穿过所述金属膜。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述孔沿非直路径延伸穿过所述金属膜。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述孔具有基本上一致的宽度，并经过具有转弯的路径穿过所述金属膜。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述孔的形状选自C形、H形以及螺旋形。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述槽位于所述金属膜上背对所述电介质材料的表面上。
10.如权利要求1所述的设备，其中所述辐射发射装置选自：
半导体激光器；
发光二极管；
光纤；
光纤放大器；以及
光纤激光器。
11.一种生成准直辐射的设备，包括：
辐射发射装置，其包括电介质材料形成的端面，所述辐射发射装置限定辐射发射的通道；以及
金属膜，其涂覆在所述电介质材料上，所述金属膜限定至少一个孔和一组槽，发射自所述通道的辐射能够穿过所述孔，并且表面等离子体激元能够在所述孔处生成，其中所述孔具有基本上一致的宽度并经过具有转弯的路径穿过所述金属膜，并且所述槽被配置为使表面等离子体激元散射以产生辐射再发射，来自所述孔的直接发射和来自所述槽的辐射再发射相长干涉以产生在远场的准直辐射。
12.一种生成准直辐射的设备，包括：
辐射发射装置，其包括电介质材料形成的端面，所述辐射发射装置限定辐射发射的通道；以及
金属膜，其涂覆在所述电介质材料上，所述金属膜限定至少一个孔、位于所述孔的一侧的一组槽、以及位于所述孔的另一侧的较少数量的槽，来自所述通道的辐射能够穿过所述孔，并且表面等离子体激元能够在所述孔处生成，其中所述一组槽被配置为使所述孔处生成的表面等离子体激元散射以产生辐射再发射，来自所述孔的直接发射和来自所述槽的辐射再发射相长干涉以产生在远场的准直辐射。
13.一种生成准直辐射的设备，包括：
辐射发射装置，其包括第一电介质材料形成的端面，所述辐射发射装置限定辐射发射的通道；
第一金属膜，涂覆在所述第一电介质材料上，所述第一金属膜限定至少一个孔，来自所述通道的辐射能够穿过所述孔；
透明电介质层，其涂覆在所述第一金属膜上所述第一电介质材料的相对侧上，其中，发射的辐射能够穿过所述透明电介质层从所述第一金属膜中的所述孔发出；以及
第二金属膜，其限定一维的孔光栅或二维的孔阵列，发射的辐射能够通过所述一维的孔光栅或二维的孔阵列穿过所述透明电介质层，其中所述孔间隔设置以允许多个辐射发射相长干涉，从而产生远场中的准直辐射。
14.一种生成准直辐射的方法，包括：
在涂覆有金属膜的辐射发射装置的通道中生成辐射，其中所述金属膜限定用于发射辐射的孔以及与所述孔间距递增地间隔设置的一组槽，其中所述孔与最近的槽之间的距离与连续间隔的槽之间的距离不同；以及
将辐射传输穿过所述金属膜的所述孔，产生自所述孔传播的发射的辐射以及穿过所述槽的表面等离子体激元，所述槽使所述表面等离子体激元散射以产生辐射再发射，从而使来自所述孔的直接发射和来自所述槽的辐射再发射相长干涉，从而产生在远场的准直辐射。
15.如权利要求14所述的方法，其中由所述装置发射的辐射在与所发射的辐射的传播方向垂直的一维上或在与所发射的辐射的传播方向垂直的平面中具有小于10°的半值宽度发散角。
16.如权利要求14所述的方法，其中从所述装置发射的辐射在与所发射的辐射的传播方向垂直的一维上或在与所发射的辐射的传播方向垂直的平面中具有小于5°的半值宽度发散角。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述槽具有生成所述表面等离子体激元的谐振槽腔模式的深度。
18.如权利要求14所述的方法，其中所述辐射发射装置发射具有自由空间波长λ0的辐射，且所述槽具有λ0的20％或更小的宽度。
19.如权利要求14所述的方法，其中所述一组槽设置在所述孔的一侧，且至少一个附加槽设置在所述孔的相对侧，所述附加槽用于将表面等离子体激元反射穿过所述孔到达所述一组槽。
20.一种制造生成准直辐射的设备的方法，包括：
在包括激光器有源核的半导体基底上沉积电介质膜；
在所述电介质膜上沉积金属膜；
在所述金属膜中铣削一组间隔递增的槽，其中所述槽的深度小于沉积的所述金属膜的厚度；以及
在所述激光器有源核的前方铣削贯穿所述金属膜的孔。
21.如权利要求20所述的方法，其中通过选自聚焦离子束铣削、光刻、电子束蚀刻、微接触印刷以及压印光刻中的方法铣削所述间隔递增的槽。
22.一种制造生成准直辐射的设备的方法，包括：
在包括激光器有源核的半导体基底上铣削一组间隔递增的槽；
在经铣削的半导体基底上沉积电介质膜；
在所述电介质膜上沉积金属膜，其中所述金属膜具有与下面的半导体基底中的所述槽一致的轮廓；以及
在所述激光器有源核的前方铣削贯穿所述金属膜的孔。
23.如权利要求22所述的方法，其中通过选自聚焦离子束铣削、光刻、电子束蚀刻、微接触印刷以及压印光刻中的方法铣削所述间隔递增的槽。
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