浅析半导体微纳米线激光器研究进展

刘青

摘  要：在光传感、通信工程与生物技术等相关领域，半导体微纳米线激光器的应用十分广泛。该激光器可以将相干光源进行集中，达到实验研究的目的。本文就当前微纳米线激光器的波长调谐与半导体微纳米线激光器的单模激射进行研究。讨论了该激光器的工作原理，为今后研究激射阈值较低的半导体微纳米线激光器，提供了新的思路，并在最后阐述了当前前沿的激光器的进展。

关键词：激光物理，半导体，单模

横截面直径介于几微米到几十微米间的线状半导体，被称为半导体微纳米线。从上个世纪以来，各科研领域都可以制备出很多新型材料，其中包括异质结半导体微纳米线以及其他结构的半导体材料。在探究光的产生、输出、信号放大等相关问题给出了解决方案，并在生物传感、光伏发电等重要领域开发出了很多微型器件。虽然可以通过光刻技术来制备出微纳米线，但是化学合成的方法得到的微纳米线其效果更好。比较优良的制备方法是气-液-固生长法，该方法制备出的半导体微纳米线，可以不受到容器底部的制约，避免晶体的失配问题，该方法制备的半导体晶体拥有着较长的材料状态以及很高的比表面积，这使得身晶体内部缺陷大大减少，提高了材料的稳定性。

1当前微纳米线激光器的发展现状

随着科技的发展，微纳米转移技术有了更多的突破。该项技术可以对生长状态下的微纳米线进行控制，通过技术手段研制出更高性能激光器。通过转移后的微纳米材料可以在生物科学，光电集成等相关领域进行突破。还可以在电场或磁场的工作状态下，来转移金属微纳米线。如需要进行大量的纳米线转移，可以采取微接触式印刷技术。而进行局部转移时可以采取光镊技术，也可以通过纳米光镊配合纳米小球来进行进一步调整。如果整个操作是处于电场中，可以采取光电技术，在较低的光照强度下可以同时对多个微纳米线进行控制。上述的技术手段在今后对于微纳米线激光器的应用和拓展领域上提供了技术支持，对于的半导体材料的微小化具有十分重要的现实意义。半导体电子行业就是将较大的电子晶体管集成到较小的芯片上，整个产业就是将产品小型化的过程，当前的微纳米线激光器也同样需要这些进一步的集成化，减少能源消耗，提高使用效率。在今后的集成光路中，全光晶体管使得微纳米线激光器进一步发展。在全光晶体管集成模板中，不需要通过电力进行驱动，这就可以及时减少电阻的电力延时，这些优势产品都离不开微纳米线激光器的高度发展。想要将微纳米线激光器进一步应用到光通信领域，还需要继续进一步的研究当前面临的新问题。调整波長的谐振频率是微纳米线激光器领域一直以来的难题。传统的激光器可以进行色散调谐，在腔体内就可以实现对于激光的频率分离。但半导体线微纳米激光器内，拥有光学微腔的基础上，不能再附加调整长度的功能，也不可以插入其他光学元件，所以对于微纳米线激光器的波长调节需要进一步探究。微纳米线激光器的阈值和损耗，在应用到集成光路上还会出现很多问题，这需要研究者继续加强对于激光器的探索。

2微纳米线激光器的波长调谐

与原子能级固体激光器不同，半导体激光器的带宽较宽，可调谐范围也较大，该特性在很多科研领域得到了广泛应用。可以通过调谐效应来测量因为波长而发生影响的现象，可以作为PH传感器的探头。随着我国科技的不断发展，对于带宽的要求越来越高，如果在光纤通讯中采用波长可调节的激光光源，就可以进一步降低系统成本。在很多光谱测量中也需要进行波长调节，基于该领域域的广泛应用，科研人员也研制出了光谱传感器等相关器件。在探究了不同的影响发射波长的原因后，波长的调谐主要受限于增益和损耗关系之间的平衡。

2.1 调节波长的损耗

微纳米线激光器中出现波长损耗时，初始态的激发模式会因为波长的损耗而限制，使其他模块能量增高，并形成强烈的激光，进而实现波长调谐。通过对相关研究的探讨，可以看出带尾态除了吸收较高能量的光子外，整体激光腔体中的激化激子也可以进一步发散到较低能级，这种特性对于较长的微纳米线来讲影响更大，可以有效促进激发波长的红移现象。在实际激光器的应用中制造出特性相同、长度相等的纳米线制作手段也较为成熟，需要对激发波长不同的微纳米线激光器进行组合调整，通过耦合效应实现激发波长的有效切换。

2.2改变半导体的增益

虽然通过改变波长的损耗来实现波长调节，但是激发态的光通常是高阈值的，所以通过改变半导体的增益特性，可以实现更加高效的激光质量。对于生长微纳米线时，可以利用其生长机理改变微纳米线的培养条件，在其材料中掺杂合金成分，进一步改变其带隙，就可以进一步调整激发波长。

3单模微纳米激光器

微纳米激光器的衡量重要标准是光源的光谱纯度是否达标。与传统的原子激光器相比，半导体微纳米线激光器其带宽更宽。在选模时性能较强，想要实现单模激射的最简变的途径是减少微纳米线激光器中谐振腔的腔体长度，有效拓宽光谱范围实现增益光学模式的减少，很多课题组进一步研发出了变波长的单模微纳米线激光器。这实现了波长的有效变化，提高了纳米激光器的应用价值。其原理是通过在筛选单模时取用了不同的波长模式，通过光学游标效应，在原子激光器腔体内插入额外镜面，来实现激光器的增益效应与谐振腔的有效结合。

4激子极化基元基础上的新型微纳米激光器

激光是将受到激发的光进行放大，产生高度的相干性。传统原子激光器发出的激光整体的光损失较大，尺寸较小的激光器中，光的往返后获得增益小，通过镜面反射后光损失也没有变低，使得整体激光器阈值过高。当前的原子激光器的功耗较高，寿命也较短，无法作为集成光路的应用光源。但通过研究发现了其他的解决路径，即激子激化基元激光，这种激光不同于普通的激光，其不依赖于激发辐射，使其阈值几乎为零。这种光源激发出的激子再通过凝聚后，会实现高度的相干性，可以作为今后实验的理想激发光源。激子激化基元微纳米线激光器，其激光的产生主要依靠下部支撑体向下凝聚，所以其工作温度较低，但由于激子激化基元其具有半物质半光的特点。实际在凝聚时不需要降低温度，所以使得该激光器在常温下可以进行有效工作，进而可以作为集成光路的有效光源。

结语

本文通过对于半导体微纳米线激光器的研究，介绍了相关的波长调谐的条件方法以及单模机设的技术。提出了半导体微纳米线激光器当前存在的技术难题，也提出了相关的解决方法，在今后的激光器领域研究还需要加强进步。

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