小激光器的進(jìn)展

1、小激光器的進(jìn)展Martin T. Hill and Malte C. Gather摘要：小型激光器的尺寸或模尺寸接近或小于發(fā)射光的波長。近年來，在減少的大小和改善這些設(shè)備的性能方面有著明顯的進(jìn)步。這些進(jìn)展主要是由新材料和諧振腔設(shè)計的開創(chuàng)性使用導(dǎo)致的。本文總結(jié)了一些最新的進(jìn)展，特別是在金屬與等離子激元激光器，小型絕緣激光器的也取得了很大改進(jìn)，還有新興的小生物兼容和生物衍生的激光器領(lǐng)域。我們研究了所采用的不同方法，來減少大小，以及它們?nèi)绾螌?dǎo)致在最終的設(shè)備，特別是在金屬和電介質(zhì)諧振腔激光器的顯著差異。我們還提出了各種形式的小激光器的潛在應(yīng)用，并指出所要的深入研究。光子元件的小型化和集成化已經(jīng)改善了系

2、統(tǒng)，而且開辟了各種新的應(yīng)用領(lǐng)域，有點類似于電子產(chǎn)品的發(fā)展。激光器的小型化具有特別的前景，但也證明了特別具有挑戰(zhàn)性。更小的激光片的潛在應(yīng)用包括光通信和數(shù)據(jù)處理，從而使數(shù)據(jù)傳輸速率超過在電子工業(yè)1-3可行的領(lǐng)域。同時激光的持續(xù)小型化，可以使這種具有生物相容性和可植入性4,5的激光器在醫(yī)療成像和傳感等領(lǐng)域開辟了新的路徑。同樣，三維（3D）顯示和先進(jìn)的全息技術(shù)可以從緊湊的相干光源6極大地受益。1980s7,8，VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）的發(fā)明宣告著第一臺只有幾個發(fā)射光波長尺寸大小的微型激光器的誕生。在上世紀(jì)90年代，激光器的進(jìn)一步小型化的措施在微盤激光器9，光子晶體激光器10和自組裝納米激光器證

3、實。盡管這一開創(chuàng)性的工作依靠傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和由自上而下的光刻模式技術(shù)，但是使用新的增益材料如有機(jī)半導(dǎo)體12和納米量子點13使用更多bottom-up的制造激光器方法來和并且提供了額外的可塑性，例如，相對于諧振腔設(shè)計和發(fā)射波長。由于所有這些激光在電介質(zhì)的折射率的差異，把激光限制在空腔中，激光的整體大小遠(yuǎn)大于發(fā)射光的波長并且最小可能的光學(xué)模的大小是由衍射極限決定。最近，金屬基諧振腔結(jié)構(gòu)，使激光器的整體尺寸縮小到小于發(fā)射光的波長，光學(xué)模式尺寸小于衍射極限14-20。在過去幾十年中激光小型化的進(jìn)展總結(jié)在圖1中，從最初的激光概念證明似乎需要10 - 20年，激射，通常在低溫下進(jìn)行，直到獲得對設(shè)備有用的應(yīng)用

4、（圖1）。實用設(shè)備通常需要在室溫下連續(xù)波(CW)運行，理想的帶有直接的電泵，可獲得各種類型的激光器合理的長壽命和特定的特性，不能提供。在這篇綜述中，我們討論的最新進(jìn)展這些激光器的進(jìn)展，這些比以往更精小的激光器。每種類型的激光使用一個特定的方法，以解決所涉及的根本的挑戰(zhàn)，來減少激光器設(shè)備的大小。首先，我們測試由每種方法導(dǎo)致的最主要激光特性，并確定它最有力的特性。然后，我們討論未來的挑戰(zhàn)，主要是進(jìn)一步小型化和獲得對商業(yè)化有用的設(shè)備。用一個簡化的激光模型來說明激光的大小最終局限，利用這些特點以獲得小型化的每個激光類型的功能，以及這些功能如何影響設(shè)備的特性和最終的小型化的極限。圖2展示了一個廣義激光諧

5、振腔（在這種情況下，一個法布里波羅腔）的長度L，端鏡反射率R1和R2，諧振在自由空間波長0、傳播模式的有效折射率n和沿著中心波導(dǎo)的傳播損耗。注意，有效折射率n可能和波導(dǎo)核心指數(shù)明顯不同，尤其是在下面討論的電漿子結(jié)構(gòu)中。激光參數(shù)是當(dāng)電場振幅在腔中的任意一點E0返回到其原始值后， 這里，Gm是光學(xué)增益（見下）。在方程中的虛指數(shù)必須是2的整數(shù)倍，這是空腔長度的必要條件在這里m是一個整數(shù)?？赡艿淖疃糖婚L是半波長(m=1)。方程(1)的振幅分量引出另一個腔長的必要條件L，模態(tài)增益Gm必須克服內(nèi)部吸收損耗的損失i和腔內(nèi)鏡像往返的損失，由此得出在限制因子下，光學(xué)增益是典型的和有源區(qū)材料的材料增益Ga有關(guān)，它

6、描述了激光模體積V0與有源區(qū)VA體積分?jǐn)?shù)重疊Gm =Ga在沒有光學(xué)增益和激光的情況下，腔中光子壽命的P，通常由上述介紹的腔參數(shù)或由諧振腔更普遍適用的品質(zhì)因數(shù)Q參數(shù)的決定C是真空中光速。在激光閾值中，模增益因此和相關(guān)的光子壽命：我們不僅假設(shè)在腔內(nèi)光的相速度合群速度是相同的，而且可以從增益介質(zhì)的重疊部分的模電場能量得出。這兩者都是不真實的21,22。當(dāng)為波導(dǎo)的限制，它可以大于1 21,22，故使模態(tài)增益大于物質(zhì)增益，雖然需要達(dá)到閾值的物質(zhì)增益由于增加的群系數(shù)21n可能不會減小。然而，當(dāng)作為能量限制因子，它總是小于1的21。雖然最小的激光器可能不是基于傳播模式，但我們?nèi)匀豢梢苑峙湟粋€能量約束因素和光

7、子（或等離子）壽命以便于許多關(guān)鍵參數(shù)和小型激光器的各種類的概念可以通過簡化模型比較和說明。如何讓激光器和電子器件的尺寸兼容？這些電子器件尺寸可能只有幾十或幾百納米的大小。考慮到第一激光長度，L的下限由確定的相位限制（方程（2）和模態(tài)增益（方程(3)和(4)）決定。由于半導(dǎo)體的高折射率，半導(dǎo)體激光器L允許有幾百納米的相限制。正如后面的討論，這可以通過實踐中增加系數(shù)n進(jìn)一步減少，增益限制通常是L的最大約束，因為諧振腔必須足夠長，從而可以彌補(bǔ)鏡像損失。降低增益尺寸大小約束需要減小鏡像損失，需要通過增加和Ga來提高Q和改進(jìn)模態(tài)增。激光器的橫向尺寸也有基本的限制。對于基于介電波導(dǎo)激光器來說，降低波導(dǎo)的厚

8、度和改變金屬電極的位置。相反，金屬或金屬表面等離激元波導(dǎo)如金屬絕緣子-金屬（MIM）16結(jié)構(gòu)允許減少的橫向尺寸和波長的局部橫場，雖然在增加由于金屬的吸收14,16（圖2C）。一般來說，降低激光的橫向尺寸涉及，VA和之間的復(fù)雜的權(quán)衡，我將在后面討論?？s小的電子設(shè)備的尺寸往往會產(chǎn)生改進(jìn)的一些特性-特別是更高的速度。激光器的調(diào)制帶寬，這是由在關(guān)閉激光器和激光發(fā)射末尾之間產(chǎn)生的延遲決定的，最終受光子壽命P決定.在達(dá)到P極限23前，像非線性增益壓縮等因素限制了調(diào)制帶寬，特別是直接電調(diào)制，這將為未來通信應(yīng)用是重要的。小的激光諧振腔也能修改明顯調(diào)整了自發(fā)發(fā)射的發(fā)射速率17,19,20，從而提高調(diào)制帶寬，特別

9、是如果腔被用作LED上而不是用在激光上23-26。然而在光信號處理中的應(yīng)用中，光調(diào)制帶寬可以接近光子壽命極限27。實現(xiàn)更短P需要增加內(nèi)部和鏡像損失和由此再次要求較高的Gm（通過提高和Ga）。低功率運作通常需要一個更大的P和一個更高的，以此來減小所要達(dá)到激光閾值的物質(zhì)增益。結(jié)合一個小的活動介質(zhì)的體積和一系列的其他技術(shù)因素，這最大限度地減少了所要達(dá)到的絕對的泵能。同時，帶有小活性介質(zhì)和大的P的激光器的總輸出功率自然比許多傳統(tǒng)的激光器小。然而，隨著接下來的討論，對許多應(yīng)用來說，它是更相關(guān)的實現(xiàn)低功耗的操作，即，獲得低閾值和高轉(zhuǎn)換效率的泵浦和激光輸出（斜效率）。平衡閾值和斜率效率往往涉及內(nèi)部損失和鏡像

10、損失之間的權(quán)衡。光譜純度對于某些應(yīng)用可能是一個優(yōu)勢，在這種情況下，較高的Q是理想的因為激光線寬是與Q成反比（參考文獻(xiàn)26）小型激光器的活性材料與宏觀激光相比，小型激光器需要具有較大的物質(zhì)增益的活性材料，因為鏡像損耗必須在較短的時間內(nèi)得到補(bǔ)償，而內(nèi)部損耗往往較高。這限制了液體和固態(tài)增益介質(zhì)活性材料的選擇。圖3a比較了在不同種類增益介質(zhì)上可實現(xiàn)和小激光器相關(guān)的光學(xué)增益。無機(jī)固體材料-特別是半導(dǎo)體材料是最廣泛使用的小型激光增益材料。他們允許直接電泵并且提供從幾百厘米的體半導(dǎo)體21到5×10-4每厘米的量子點28的高的光增益。更大的光學(xué)增益-達(dá)到好幾百每厘米的半導(dǎo)體已經(jīng)從最近的關(guān)于金屬激光和

11、納米線激光器17,18,20,29,30實驗推斷出。雖然這些數(shù)據(jù)沒有通過直接放大測量證實，在校的等離子體波導(dǎo)激光器18,20的高載密度21和很低的光的群速度，這一點上理論模型和預(yù)測一致。特別是高增益已被在低溫下運行的設(shè)備發(fā)現(xiàn)。然而，大約940每厘米的散裝材料增益甚至被在室溫下的電泵浦激光器推出來，盡管由于高注入電流31導(dǎo)致設(shè)備壽命有限。高電流注入可引起顯著的設(shè)備升溫，從而限制增益。然而，表面發(fā)射金屬激光器的實驗已經(jīng)推斷量子阱增益超過8400每厘米，即使在室溫下連續(xù)的電泵32。對于量子點和量子阱結(jié)構(gòu)，可達(dá)到增益往往是顯著低于材料的增益，因為有限的帶有小量子點的模的重疊。然而，精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)，如高

12、密度量子點23或量子阱27可提供在小金屬激光器的在塊狀半導(dǎo)體方面的一些優(yōu)勢。調(diào)整常規(guī)半導(dǎo)體的發(fā)射波長，并將它們與其他材料整合（例如，金屬納米結(jié)構(gòu)）通常需要復(fù)雜的沉積和光刻工藝。可替代材料的種類，提供了一種倒置的設(shè)備制造方法，包括有機(jī)染料，有機(jī)半導(dǎo)體和膠體量子點納米晶體。這些材料可以通過基于溶液的工藝很容易被用來制備成薄膜（例如，與厚度為小于等于1m）的。在某些情況下，能夠提供光學(xué)反饋的結(jié)構(gòu)甚至可以通過自組3335形成。此外，這些材料的增益可以通過化學(xué)結(jié)構(gòu)的組成和特征尺寸針對性修飾來調(diào)整（圖3b）。此外，增益譜通常是很寬的，因此激光波長可在不更換材料的情況下大范圍內(nèi)調(diào)整36。歷史上有機(jī)染料的方法

13、已經(jīng)用在宏觀的，工作在可見光和近紅外波段的波長的可調(diào)諧染料激光器上。近年來，微流控芯片領(lǐng)域，已經(jīng)能夠把這樣的方法應(yīng)用在小激光中3740。這些射流激光器一個獨特的優(yōu)點是，折射率和有源介質(zhì)的增益光譜可以在設(shè)備中通過交換溶劑或染料來調(diào)節(jié)可調(diào)。另外，有機(jī)染料可以嵌入在一個透明的和富有機(jī)械柔性的固體基質(zhì)中，一般是在有機(jī)聚合物中41,42。有機(jī)半導(dǎo)體與有機(jī)染料一樣，是具有很強(qiáng)的光學(xué)躍遷的烴類化合物。此外，他們的大共軛電子系統(tǒng)賦予的半導(dǎo)體一些性質(zhì)，從而允許電流的直接注入，雖然有機(jī)半導(dǎo)體材料的載流子遷移率低，至今阻礙激光通過在這些材料中直接的電泵浦。獲得這些經(jīng)過改善的載流子遷移率的和高光增益材料的方法牽涉到微

14、調(diào)共軛聚合材料主鏈的高分子材料或引入長范圍序列43,44。光泵浦有機(jī)半導(dǎo)體激光器的配置已經(jīng)探索了相當(dāng)詳細(xì)。除了代表邁向電泵浦有機(jī)激光器的一個中間步驟，這些設(shè)備也發(fā)現(xiàn)一些直接的應(yīng)用，例如，當(dāng)和廉價的二極管泵浦源45進(jìn)行一個耦合。在高激發(fā)條件下，有機(jī)材料可以表現(xiàn)出熒光的光致漂白和光學(xué)增益，在高功率密度時，長期運行的穩(wěn)定性是一個值得關(guān)注的問題。無機(jī)膠體量子點保留了許多有機(jī)材料引人注意的特性如基于溶液的可加工性和發(fā)射的良好的可調(diào)性（圖3b）46，與此同時可提供更好的穩(wěn)定性。與外延生長量子點相比，膠體量子點通常更小（半徑為1nm-4 nm）并且經(jīng)常使用CdSe 、CdTe或PBS芯和ZnS或CdZnS殼

15、作為核心殼結(jié)構(gòu)。在亞皮秒的光激發(fā)下，量子點薄膜的光學(xué)增益可達(dá)幾百每厘米，并且激光在大范圍波長內(nèi)13,47已被不同的激光配置論證。小激光類型及其特點圖3ce總結(jié)了不同類型的小型激光器數(shù)個關(guān)鍵參數(shù)的。首先，激光的一個主要的最小尺寸被標(biāo)示來的，如激光器的VCSEL腔的長度或布拉格光柵大小，這表明設(shè)備可以有多小。其次，給出了激光的整體體積。為了一個公平的比較，兩個參數(shù)統(tǒng)一用標(biāo)準(zhǔn)化的自由空間波長，并且也激光在此空間發(fā)射。作為性能指標(biāo)，Q因子和激光閾值也被不同的例子所列舉?？梢钥闯觯饘俸碗娊橘|(zhì)諧振腔激光器之間在激光器尺寸和Q因子方面分別有明顯的區(qū)別。垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL。VCSEL解決了小激光器

16、的很多問題，采用很高的反射率布拉格鏡像（r1,2 0.99）和低的內(nèi)部損失，以便只需要很少量的增益材料。高反射率的反射鏡提供了一個高的Q因子和幾個皮秒長的光子壽命（圖3d）。然而，布拉格鏡子的使用導(dǎo)致了幾微米厚的整體裝置（圖3C）。橫向尺寸往往是幾種波長為了保持高和限制內(nèi)部損失，而這些是由表面粗糙引起的損失。花了十多年，從最初的VCSEL7的在低溫下的論證到CW電泵浦裝置室溫設(shè)備被發(fā)明一個涉及到相關(guān)制造技術(shù)重大的改進(jìn)的過程（例如，活性材料整體的增長和布拉格鏡）。然而，自從達(dá)到這個里程碑，發(fā)展立刻加速和有用的商業(yè)設(shè)備也在1990s48。由于長的光子壽命和小的VA，研究人員取得了約10A的較小的閾

17、值電流的（參考文獻(xiàn)49）。垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL也被用有機(jī)半導(dǎo)體12,50，膠體量子點47和和產(chǎn)生熒光蛋白的細(xì)菌生物膜51實現(xiàn)了。此外，VCSEL結(jié)構(gòu)經(jīng)常被用來研究激子極化激元（框1）凝結(jié)。概念上小的納米線激光器和VCSEL激光器是相似的，由于反饋是由短的（幾微米）法布里波羅腐型諧振器。然而，其橫向尺寸通常更小-只有幾百納米或更小。因為這些空腔大概0.9 的 R值沒有VCSEL高激光增益介質(zhì)占據(jù)了大部分的空腔，從而給出大（參考文獻(xiàn)22）。小的納米線激光器只有在出很強(qiáng)的光泵浦下被證實，最近的例子表現(xiàn)出復(fù)雜的納米線增長29,30。自組裝的有機(jī)半導(dǎo)體納米線激光器也取得了小激光器（直徑為300

18、nm，6米長）不需要光刻模式33。以類似的方式，在有機(jī)半導(dǎo)體微晶反射已被用來定義法布里-波羅腔35。微盤激光器這些激光器包含一個薄的半導(dǎo)體磁盤，其中回音壁模式在磁盤的邊緣環(huán)繞。一是微盤有足夠大的尺寸，特別是回音壁模式下的Q可以很高（通常在103左右，但高達(dá)107也已被證明）52，這也導(dǎo)致光子壽命的只有幾個皮秒。同樣，實現(xiàn)一個長的光子壽命（相當(dāng)于之前在模型中引入的高的R值）能夠讓激光的尺寸有所減小。最小的CW電泵浦裝置的腔在橫向方向上大小約3M 53。該裝置可能只有幾百納米厚，雖然電泵所需的支柱增加了的電子泵的高度。光泵設(shè)備甚至可以更小，當(dāng)微盤直徑下降到亞微米水平54，雖然減小直徑一般增加輻射損

19、失因此降低了值。微盤激光器最初的在1990s之前9已被論證。在上世紀(jì)90年代后期，已改進(jìn)的制造技術(shù)使CW電泵的出現(xiàn)，在2000年之后研究人員證明了這些設(shè)備在芯片通信方面55首次實驗性的應(yīng)用。并且，由于小的VA和長得光子壽命，理論上已經(jīng)獲得了較小的閾值電流(100)53。最高的Q因子通常在由熔體流動過程52制作的SiO2基環(huán)形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的。在光抽運下也可以使用三維微球幾何體而不是二維微盤機(jī)構(gòu)。球形微腔激光器已實現(xiàn)了，基于硅材料的56拉曼增益、染料摻雜微球體42和微滴液增益材料38。對于后者，可以利用微流來調(diào)整激光的特性適應(yīng)微滴的大小和成分。光子晶體激光器首次證明了光子晶體激光器在1998年10。這

20、些結(jié)構(gòu)使用二維或三維布拉格光柵把光限制在的衍射極限體積中，二維光柵器件通過全內(nèi)反射提供三維限制。雖然通常只有幾百納米厚，但他們在橫向方向上通常達(dá)到幾個微米來容納具有高反射率的反射鏡的布拉格層。最初設(shè)備，在低溫和脈沖光泵浦下運行，Q值有低至幾個百。然而在過去的十年中，技術(shù)的進(jìn)步大大改善了光子晶體腔的Q因子值。第一件器件展示了不光在室溫下的光泵浦運作而且脈沖電泵大約的Q因子達(dá)到了3000左右（參考文獻(xiàn)57）。最近，全帶隙的三維光子晶體結(jié)構(gòu)Q因子達(dá)到40000（參考文獻(xiàn)58）。許多光子晶體激光設(shè)計的懸浮膜結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致有源區(qū)散熱不良，使電觸頭更難。因此，直到最近，CW室溫電泵的運行在這樣的激光器上59實

21、現(xiàn)。對于室溫下的任何的CW半導(dǎo)體激光器來說，在這些最新的激光器件上這些小得多的有源區(qū)論證了最低的閾值電流。在有機(jī)材料領(lǐng)域，基于一維布拉格光柵激光器是非常受歡迎的，小于50 PJ閾值（參考文獻(xiàn)60）和小于 1千瓦每平方厘米（參考文獻(xiàn)45）脈沖光泵浦激光已經(jīng)制出來了。電子束或干涉光刻技術(shù)可以把分布式反饋結(jié)構(gòu)寫進(jìn)這些增益材料中甚至在某些材料上重寫模式從而容許諧振波長41,61加工后的調(diào)整?；诙S光子晶體結(jié)構(gòu)62的有機(jī)激光器和三維反蛋白石結(jié)構(gòu)34構(gòu)成小染料激光器也已經(jīng)被證實。微激光器也從光子晶體中受益；圓光柵和光子帶隙纖維已被用來減少激光拖尾37,39。非等離子模式的小金屬激光器第一個小的金屬諧振腔

22、激光器采用橫向電場或混合電子模式的金屬結(jié)構(gòu)，它具有非等離激元或非漸逝的橫向場。這些設(shè)備的小型化被衍射極限所限制；這種最小的設(shè)備在2007被報告，橫向尺寸有260 nm（圖4A）17。一種通行的結(jié)構(gòu)是由一個高增益材料構(gòu)成的金屬封裝17,63。然而，其他幾種形式已經(jīng)被證實，如納米通道設(shè)備64，最大尺寸僅僅達(dá)到500 nm，或垂直行波核心殼結(jié)構(gòu)由布拉格柵65終止。非金屬激光等離子體模式Q因子往往低至100200，但根據(jù)模式的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有時Q可以達(dá)到幾千63。這些激光器的方法和小的介質(zhì)激光器完全不同：金屬層用于提高從而獲得一個很小的Va值。雖然這限制了設(shè)備的橫向尺寸，但由于金屬吸收造成很大的內(nèi)部損失。

23、根據(jù)設(shè)計，非常高的泵的密度可能是必需的，從而激光只能接近所使用的材料可能的最大增益。然而，金屬提供了良好的散熱性65，且電接觸性更好。此外，一個小的Va值，在理論上的結(jié)果，導(dǎo)致了更低的絕對閾值電流。它花了不到六年的時間，從第一臺激光器的論證到室溫下的電氣泵CW激光器31的報告。等離小金屬激光器這些都是基于表面等離子激子（SPP）模式的金屬設(shè)備。SPPs被限定在電介質(zhì)和導(dǎo)體界面，因此衰減指數(shù)遠(yuǎn)離這一區(qū)域。到目前為止，大多數(shù)的論證已經(jīng)開發(fā)出了避免金屬共振普及化的SPP模，從而允許在很寬的波長范圍內(nèi)的限制，隨著傳輸波長明顯不同于電解質(zhì)中的光。傳播SPP模式可以發(fā)生在單金屬-介質(zhì)界面，如裝有一個增益材

24、料20,25的金屬表面，或在雙界面MIN16,18和絕緣體-金屬-絕緣體16波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。絕緣體-金屬-絕緣體結(jié)構(gòu)可以支持遠(yuǎn)程SPPs66，嵌在機(jī)增益材料的中的絕緣子金屬絕緣體波導(dǎo)傳輸損耗的補(bǔ)償已使用光放大器裝置研究了，且是在沒有光反饋的情況下67,68。第一個小等離子模激光器在2009年面世，由法布里波羅腔構(gòu)成，兒法布里波羅腔有MIM部分和加載等離子體模波導(dǎo)構(gòu)成，并在較低的溫度下運行（圖4B）18，20。其他形式的腔體，如等離子體光子晶體腔（圖4c）69或回音壁模腔（圖4d）70,71，可以通過模仿介質(zhì)附近的金屬界面或金屬本身獲得。對于等離子子模腔，在橫向方向的電磁場迅速消失了從而光學(xué)模和裝置的

25、橫向尺寸可以比02n小得多。圖2b說明這一點，及支撐等離子間隙模的MIM波導(dǎo)；也就是在該模式中，電磁場被擠進(jìn)兩金屬層之間的介質(zhì)間隙，是最低階的對稱橫向磁模。雖然02n長度限制仍然適用于傳播方向，但是其實際價值也可能比介質(zhì)結(jié)構(gòu)小，由于等離子體模有效系數(shù)可能比介質(zhì)波導(dǎo)模的有效系數(shù)更高。為了說明涉及通過等離子體模使用降低激光的橫向尺寸的一個平衡，我們認(rèn)為支持等離子體間隙模式在MIN波導(dǎo)中的一維約束。銀作為這種金屬、絕緣體體積指數(shù)是3.6，厚度d是0.050，真空波長0 = 1.55m的。從圖2可以看出，H場的空間廣度16是117 nm，這明顯小于同等尺寸的介質(zhì)波導(dǎo)（346 nm）。然而，傳播損耗為1

26、，每厘米就發(fā)生在這種結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生最大的達(dá)到192的最大的Q因子（假設(shè)為R=1，組指數(shù)為4.8）。較小的橫向尺寸將產(chǎn)生更大的傳輸損耗，從而Q更低。事實上，由于表面粗糙度引起的散射導(dǎo)致的損耗進(jìn)一步增加，優(yōu)化粗糙度有助于管控?fù)p耗72,73。雖然等離子體模式激光器的相對較高，大的損失往往會對泵浦又更嚴(yán)苛的要求。雖然最初的工作往往集中在光泵和/或需要較低的溫度，但自那以后，18,74,75得到迅速提高。再次，接近金屬的增益介質(zhì)和光學(xué)模式有助于散熱，這些熱來源于高注入電流和高光密度。我們進(jìn)行了一個光子晶體半導(dǎo)體空氣膜激光器59和封閉銀半導(dǎo)體MIM結(jié)構(gòu)簡單的熱模型（采用CoventorWare軟件）。我們發(fā)

27、現(xiàn)，來自一個小的有源區(qū)到散熱器的熱阻可以是一到兩個數(shù)量級，小于MIM結(jié)構(gòu)的量級。未來，這個重要的金屬設(shè)備的熱優(yōu)勢，應(yīng)該有更詳細(xì)的實驗。 金屬納米顆粒是另一種形式的諧振器,使用本地化的非傳播的等離激元模式,而不是傳播SPP 模19,76。由于金屬納米粒子的尺寸比發(fā)射光的波長小得多，因此粒子與光的相互作用可以通過準(zhǔn)靜態(tài)近似描述。表面等離子體激元的受激輻射可以達(dá)到的，如果由媒體圍繞納米顆?；蚓钟虮砻娴入x子體提供預(yù)期足夠的光增益。局域表面等離子體器件的增益克服系統(tǒng)的損失，通常被稱為spasers（表面等離子體放大和受激輻射）76。關(guān)于局部等離子激光器的論證19,77。這些設(shè)備是基于嵌入染料加載聚合物基

28、體的染料納米金（圖1e）或銀納米棒，實驗需要許多設(shè)備的整合（> 106）。單一孤立裝置的實驗論證尚未出現(xiàn)。關(guān)于類似配置其他研究表明，等離子體模式增益材料具有強(qiáng)耦合性（激發(fā)態(tài)壽命大幅度的減小）但尚未等離激子激光器。在這些局域表面等離子體諧振腔的金屬損失是非常高的，Q因子僅僅幾十所需的材料增益因素所需克服的損失因此期望值大約是105每厘米（參考文獻(xiàn)79）。人們已經(jīng)注意到，它可能很難在等離激子激光器腔內(nèi)觀察到一個明顯的閾值因為非常高的珀塞爾效應(yīng)降低了增益介質(zhì)的80自發(fā)發(fā)射壽命。此外，事實上對于等離激子激光器的電泵浦波長，電流密度會超過1毫安沒平方厘米，從而對它們的實用性產(chǎn)生懷疑80。另外，強(qiáng)耦

29、合等離子體納米諧振腔陣列可以利用一些局部表面等離子體的優(yōu)點，如急劇增加的自發(fā)輻射率，同時當(dāng)減少所需達(dá)到的激射閾值到這樣一個程度，就是和從有機(jī)染料中獲得的81,82增益是兼容的。類似的共振效應(yīng)也已在涂有光增益媒介的金屬納米顆粒的隨機(jī)組合中觀察到83。然而，這種激光器的全尺寸有明顯在數(shù)量級上大于基于單個納米粒子或納米腔的激光器。應(yīng)用小型激光器的短距離通信應(yīng)用，甚至在集成電路方面也引起了顯著的興趣。在這一背景下激光發(fā)射器目標(biāo)能量達(dá)到10 FJ*bit1（參考文獻(xiàn)1）。似乎在這方面光子晶體激光器提供了一個可接受的解決方案，因為他們有適度的有源區(qū)體積，提供高Q因子，從而允許低閾值電流，可直接耦合到波導(dǎo)，

30、并可能提供合理的調(diào)制帶寬，至少為幾十兆赫。最近，電泵浦光子晶體激光器已超過10FJ*bit1的能量目標(biāo)59 。金屬納米諧振腔器件是另一種有前途的候選者84因為他們比介質(zhì)腔激光器可以有更小的活動區(qū)域。盡管他們較低Q因子通常會導(dǎo)致更高的閾值電流，但是一些研究人員預(yù)測，耦合波導(dǎo)金屬結(jié)構(gòu)可以給這種應(yīng)用提供高效的非常小腳設(shè)備（圖5a）84。此外，據(jù)預(yù)測，由于其亞波長大小的低Q品質(zhì)腔，金屬設(shè)備可以提供最高的調(diào)制帶寬的可能。數(shù)字光學(xué)信息處理是另一個領(lǐng)域，其中小激光器可以發(fā)現(xiàn)大量潛在的應(yīng)用價值2。由于其小尺寸和低Q，小等離激元激光器固有的帶寬預(yù)計將有至少達(dá)到1 THz24,25當(dāng)需要穩(wěn)定的功率，從而為高速電子

31、提供了潛在的優(yōu)勢。然而，即使這些激光器可用，很多問題也必須解決，如操作的穩(wěn)定性和制造誤差，定向流動信息和數(shù)字設(shè)備的輸入和輸出之間的隔離。最近波導(dǎo)嵌入納米激光器表明此類的問題可在適當(dāng)?shù)臅r候85解決。一個要求不太嚴(yán)格相關(guān)的應(yīng)用的是其他小型等離子設(shè)備的使用，如探測器的使用，波導(dǎo)和性能提高了的集成光學(xué)平臺調(diào)制的應(yīng)用，大大減少尺寸和更低的功耗3。高效的等離子亞波長放大器和激光器是任何復(fù)雜的等離子集成電路的前提，因為被金屬吸收必須得到補(bǔ)償（圖5b）。尺寸小小，功耗低，高效率的激光源也有助于傳感應(yīng)用，特別是集成光學(xué)諧振腔耦合。等離子體諧振腔提供一個自發(fā)輻射增強(qiáng)的寬的帶寬，由于空腔體積小，而介質(zhì)諧振器更大但提

32、供更窄的帶寬。小型激光器也被直接用作傳感器。微盤激光器的高靈敏度隨著環(huán)境折射率的變化，例如，使檢測單個病毒顆粒附著在摻鉺硅微盤激光器的表面（圖5c）86。另一項研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)的吸附力可以用改善了的信噪比的測量，當(dāng)時用基于熒光高分子微球的回音壁模式諧振器和操作這些上述激光閾值87?；谏飩鞲?、生物材料如綠色熒光蛋白4,51或熒光維生素88的激光器是唯一適合在生物體產(chǎn)生激光（圖5d）。使用上面討論的小的激光設(shè)備，在沒有外部諧振器的情況下可以實現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的激光，這可能使新的非線性成像計劃或密集的波分復(fù)用?；诎褵晒鈽?biāo)記的DNA作為增益介質(zhì)的激光器，可應(yīng)用于光學(xué)DNA測序。未來趨勢和挑戰(zhàn)經(jīng)過數(shù)組的5

33、7,90,91大量嘗試，最近的工作表明，采用改進(jìn)的散熱光子晶體激光器很適合電泵浦的應(yīng)用，雖然復(fù)雜的主動/被動再生技術(shù)能夠形成波長尺度特征是必須的59。然而，我們應(yīng)該期望，建立了被動的光子晶體，如腔和波導(dǎo)的概念，將很快被應(yīng)用到光子晶體激光器。像小介質(zhì)激光，最近開發(fā)的小金屬與金屬表面等離激元激光器可以用不同范圍的激光諧振腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，從等離子體光子晶體的結(jié)構(gòu)和開放介質(zhì)加載波導(dǎo)20,69-71,74,81,92,93到小封裝的器件或金屬納米粒子諧振器17-19,63-65。發(fā)展不同形式的金屬波導(dǎo)是很有潛力的，進(jìn)一步小體積和金屬引起的損失獲得更好的平衡。更先進(jìn)的增益材料，如應(yīng)變量子阱，也可以提供顯著改善

34、的性能，與大多數(shù)最初的實驗中使用的塊材料相比。對光子晶體和金屬納米激光器來說，設(shè)備壽命短是一個關(guān)鍵問題，是有待解決的。它們的小增益區(qū)域?qū)е麓蟮谋砻骟w積比，并且制造過程中往往涉及蝕刻，這可以引入表面缺陷和表面復(fù)合，這加速裝置老化。對于最小的納米激光器的技術(shù)等離激子激光器-在全尺寸上比發(fā)射光的波長小得多，研究人員證實了被限制在樣品中的共振，包含多個小的共振器。然而，等離激子激光器一個單一的局部的共振器尚未實現(xiàn)。理論上，可以探測單個諧振器的輸出，既可以通過掃描近場顯微鏡或創(chuàng)建分離阱的單個諧振器。帶有深亞波長約束模和增益介質(zhì)的個體的激光器還沒有被研制出來，即使只有一維約束。有些應(yīng)用程序可能已從金屬/等

35、離子激光器提供的優(yōu)點中受益，特別他們的極限局部化和高強(qiáng)度領(lǐng)域。然而，更多的傳統(tǒng)應(yīng)用如通信、計算和光源，金屬納米激光器需要實質(zhì)性的改進(jìn)室溫下的閾值：（1）室溫下的閾值電流，目前只有幾毫安但理論上可以更低21,23；（2）設(shè)備壽命；和（3）高效的光耦合或等離子體進(jìn)入自由空間或（等離子體）的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。結(jié)論最近幾年已經(jīng)出現(xiàn)了由小的金屬結(jié)構(gòu)激光器，以及改進(jìn)了的介質(zhì)腔的激光器，并開始滲透到新的應(yīng)用領(lǐng)域，如生物激光器的出現(xiàn)。通過考慮一個簡單的激光模型，我們已經(jīng)看到，基于電介質(zhì)和金屬腔的小激光器通過使用不同的方法，來減少激光器的大小。在一般情況下，小介電激光器采用光子壽命長的腔體，以減少對激光增益介質(zhì)的要求。

36、相比之下，金屬諧振腔通常有更短的光子壽命，往往是由于在金屬中的吸收。增加增益介質(zhì)的光模限制提供了一個設(shè)計窗口，其中激光可以發(fā)生在金屬結(jié)構(gòu)中，雖然增益介質(zhì)仍然經(jīng)常達(dá)到它的極限。介質(zhì)小激光器的腔的Q因子通常1000，尺寸和體積比發(fā)射光波長大，而金屬小型激光器Q因子1000，比發(fā)射光的波長要小。除了提供嚴(yán)格的限制，在金屬與等離激元激光器的金屬結(jié)構(gòu)也提供了良好的散熱和電泵通道，這有助于在室溫下運行的電泵浦裝置快速發(fā)展。此外，這些有史以來規(guī)模較小的激光器在接下來的領(lǐng)域激發(fā)了有益的討論：（1）在小損耗色散結(jié)構(gòu)的光的傳播和增益；（2）自發(fā)發(fā)射與受激發(fā)射，腔尺寸遠(yuǎn)低于衍射極限的激光的特點；（3）從不同的增益介

37、質(zhì)中，增加最大的光增益。介電小激光器的發(fā)展也取得了明顯的進(jìn)展，特別是CW電泵浦光子晶體激光器的實現(xiàn)。這些器件具有所有室溫電泵浦激光器下的最低的閾值，并因此可能引起在光子集成電路方面更廣泛的使用光子晶體結(jié)構(gòu)。另一個顯著的和令人興奮的是，最近小型激光器在生物學(xué)方面的應(yīng)用和小型激光器在生物結(jié)構(gòu)方面的成就。對于激光在這方面的蓬勃發(fā)展，要權(quán)衡各種性能和制造參數(shù)，尤其是在光通信或數(shù)據(jù)處理方面。例如，診斷應(yīng)用可能需要大量的小型激光器，從而降低制造成本并且長期運行的穩(wěn)定性要求不太嚴(yán)格的激光器是很必要的。激光在生物結(jié)構(gòu)的應(yīng)用的最大尺寸是由自身特性決定，不同的情況有不同應(yīng)用；例如，哺乳動物細(xì)胞尺寸達(dá)到1050m，

38、毛細(xì)血管直徑為幾微米，負(fù)責(zé)運輸分子和微粒，且要穿過細(xì)胞膜的囊泡通常是亞微米級別的。當(dāng)激光的概念接近傳統(tǒng)衍射極限時，對于激光的小型化的興趣并沒有被阻止，相反，制造越來越小，低功率激光器的熱度近幾年來已經(jīng)明顯升溫。具體的高強(qiáng)度的應(yīng)用，在此小尺寸和低功耗很關(guān)鍵，特別是在短距離通信領(lǐng)域已經(jīng)開始出現(xiàn)。以理論為基礎(chǔ)的其他的應(yīng)用，就其基本性質(zhì)和組成材料，依靠小型激光器和光放大器相關(guān)研究領(lǐng)域，如表面等離子體光子學(xué)和納米光子學(xué)，持續(xù)的研究對于小型激光器是必要的。參考文獻(xiàn)1. Miller, D. A. B. Device requirements for optical interconnects to sil

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