專利名稱：改進輻射束準(zhǔn)直的方法和裝置的制作方法
改進輻射束準(zhǔn)直的方法和裝置政府資助的研究與本文公開的內(nèi)容相關(guān)的一些研究是由美國空軍科學(xué)研究局根據(jù)第 FA9550-04-1-0434號合約資助的，美國政府對部分公開內(nèi)容具有一定權(quán)利。
背景技術(shù)：
對于需要在遠場將光以小角度集中的很多應(yīng)用，例如，印刷(例如激光打印機)、 自由空間光通信或遙感，準(zhǔn)直光束輻射源都是期望的。對于將激光輸出耦合到光纖和光波 導(dǎo)中的應(yīng)用，例如，光通信系統(tǒng)的互聯(lián)，準(zhǔn)直光源也很重要。通常利用龐大且通常昂貴的光 學(xué)元件(例如透鏡或拋物面鏡)在外部實施光源準(zhǔn)直。本文中，準(zhǔn)直被定義為具有低發(fā)散 角(例如幾度或更少)，對于半導(dǎo)體激光器而言，準(zhǔn)直包括充分小于未進行準(zhǔn)直的原始裝置 的發(fā)散角度值(例如十至幾十度)的發(fā)散角度。因為準(zhǔn)直光源提供具有低發(fā)散角的輸出光 束，因此這樣的光源一般不需要額外的準(zhǔn)直透鏡和精確的光學(xué)對準(zhǔn)來得到期望的束剖面和 /或方向性。在需要超準(zhǔn)直光束(例如發(fā)散角遠小于1度)的情況，準(zhǔn)直光源仍然可能需要 使用低數(shù)值孔徑(NA)透鏡，與直接使用高NA透鏡相比較，這是有成本效益的解決方案。對于很多現(xiàn)有技術(shù)的光源，其輻射的空間分布具有固有的大發(fā)散角度。例如，來自 發(fā)光二極管(LED)的p-n結(jié)的輻射在裝置內(nèi)部幾乎為全向的。如果考慮波導(dǎo)和裝置封裝對 光輸出的影響，則LED的發(fā)散角仍然非常大(例如至少幾十度)。對于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光 器，在材料生長方向的發(fā)散角度通常較大(例如幾十度)。這是因為在材料生長方向的激 光波導(dǎo)w通常與自由空間中的激光波導(dǎo)Xci相當(dāng)或小于自由空間中的激光波導(dǎo)λ—當(dāng)激 光輻射從這樣受限的波導(dǎo)傳播至自由空間時，激光輻射分散為可由λ ^w粗略估計的角度， 從而生成1弧度或大約60度數(shù)量級的發(fā)散角。在半導(dǎo)體激光器中，垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL)被認為在光束準(zhǔn)直中是優(yōu)異的，因為VCSEL通常具有與邊發(fā)射激光器相比較大的 發(fā)射面積。商用VCSEL具有從5至30度范圍的發(fā)散角，但是通常約為15度。然而，盡管通 過VCSEL得到較小的發(fā)散角，但是VCESL具有不穩(wěn)定的輸出極化的內(nèi)在問題。之前，Lezec等人提出并證明了能對入射的可視光進行準(zhǔn)直的無源孔槽結(jié) 構(gòu)[H. J. Lezec 等人的“來自亞波長孔的光束(Beaming lightfrom a sub-wavelength aperture) ”，《科學(xué)》(Science) 297,820 (2002)]。該孔槽結(jié)構(gòu)被限定在懸浮金屬膜上，且被 包括在由周期性的槽環(huán)繞的中心孔中。Lezec的結(jié)論示出，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計的無源孔槽結(jié)構(gòu)可具 有高的功率通量，且從該結(jié)構(gòu)發(fā)出的光束可具有小的發(fā)散角度。然而，這些結(jié)論可認為是與 違反直覺的，因為波動光學(xué)提出，從亞波長孔發(fā)出的光本質(zhì)上在半空間中應(yīng)是全向性的，并 且單個亞波長孔的傳輸效率應(yīng)該與(r/λ J4是成比例的，(Γ/λ0)4<< 1，其中r為孔的尺 寸[H. A. Bethe “小孔發(fā)散理論(Theory of diffraction by small holes)”《物理評論》 (Phys. Rev.) 66,163(1944)]。可以按照如下理解Lezec著作的光束準(zhǔn)直現(xiàn)象?？装l(fā)出的光耦合到沿光柵傳播的 表面等離子體激元中。表面等離子體激元是受限于金屬與電介質(zhì)之間的界面并沿金屬與電 介質(zhì)之間的界面?zhèn)鞑サ谋砻骐姶挪ā＿@些表面等離子體激元通過周期性的柵槽散射入自由空間。來自孔的直接發(fā)射和源于表面等離子體激元散射的再發(fā)射彼此相長干涉，從而得到 在遠場的準(zhǔn)直光束。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明人認識并了解到，很多現(xiàn)有光子裝置的輻射發(fā)射特征相對于光束準(zhǔn)直明顯地 改進。尤其是，發(fā)明人認識到，將稱為等離子體準(zhǔn)直儀的孔槽結(jié)構(gòu)與有源光子裝置或其他輻 射發(fā)射裝置集成，以產(chǎn)生與之前的系統(tǒng)相比具有減小的發(fā)散角和相當(dāng)?shù)墓β释考墑e的準(zhǔn) 直光束?？捎行У乩镁哂衼啿ㄩL的適合的金屬結(jié)構(gòu)，以直接設(shè)計半導(dǎo)體激光器的遠場，并 大大減小半導(dǎo)體激光器光束的發(fā)散角。利用等離子體結(jié)構(gòu)或更一般的光子晶體的激光光束 的波前工程學(xué)對激光科學(xué)和技術(shù)的進一步發(fā)展具有深遠的影響。綜上所述，本公開旨在改進裝置輻射的準(zhǔn)直的方法和設(shè)備。本文描述的示例性的 實施方式中，各種現(xiàn)有的有源和無源光學(xué)裝置與被配置以改進從光學(xué)裝置發(fā)射的輻射的準(zhǔn) 直的各種孔槽結(jié)合。在不同的示例性實施方式中，為了明顯增加準(zhǔn)直效果，發(fā)明人認識到， 對于特定的光學(xué)裝置和期望的輸出參數(shù)(例如波長、方向、發(fā)散等)，可對金屬結(jié)構(gòu)(例如 孔、槽等)的布置(例如方向、間距、數(shù)量等)以及尺寸進行特制。這樣，此處描述的示例性 實施方式說明了與各種現(xiàn)有光學(xué)裝置集成的適合的孔槽布置，以提供具有改進的光束準(zhǔn)直 的改進的裝置。發(fā)明人還認識到在近場控制亞波長的光來實現(xiàn)遠場的光束準(zhǔn)直。因此，本文公開 的不同方案提供了對傳統(tǒng)光束準(zhǔn)直方法的重大改進。孔槽結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)物理原則為將本公開 應(yīng)用到各種光學(xué)系統(tǒng)提供了相當(dāng)?shù)撵`活性。例如，利用此處公開的方法和設(shè)備可實現(xiàn)寬廣 的應(yīng)用范圍，從極化可控的垂直腔表面發(fā)射激光器到低發(fā)散角的發(fā)光二極管，再到自由耦 合的光纖。在下面詳細描述的示例性實施方式中，在量子級聯(lián)激光器的端面上集成孔槽結(jié) 構(gòu)，從而產(chǎn)生發(fā)散角比未改進的量子級聯(lián)激光器輸出光束的發(fā)散角小一個以上數(shù)量級的輸 出光束。可在一維(即與裝置的材料生長方向平行的方向)或在二維(即與材料生長方向 平行和垂直的方向)上實現(xiàn)減小光束發(fā)散。具有孔槽結(jié)構(gòu)的裝置的功率通量與未改進的量 子級聯(lián)激光器的功率通量相當(dāng)。通過該結(jié)構(gòu)可提供的其他優(yōu)點包括，當(dāng)?shù)入x子體激元準(zhǔn)直儀與光源集成時無需執(zhí) 行對準(zhǔn)。另外，通過對等離子體激元準(zhǔn)直儀進行調(diào)整，準(zhǔn)直儀可安裝在發(fā)射波長從可視光到 遠紅外的寬范圍內(nèi)的任何類型的光源上。進一步，等離子體激元準(zhǔn)直儀可實質(zhì)上控制兩個 正交方向上的光束發(fā)散，這對于需要具有圓形截面的準(zhǔn)直光束來減小沿光路的畸變的一些 應(yīng)用而言是有幫助的。術(shù)語“光源”應(yīng)該理解為指各種有源或無源的輻射發(fā)射裝置中的任何一種或多種， 包括但不限于，各種非相干光源(例如發(fā)光二極管)、各種類型的激光器、光纖等。給定的光 源可被配置以生成在可視光譜內(nèi)的輻射、可視光譜外的電磁輻射、或兩者的結(jié)合。因此，術(shù) 語“光”和“輻射”在本文可互換。應(yīng)該理解的是，上述方案以及下面將詳述的其他方案的所有組合都視為本文公開 發(fā)明主題的一部分。還應(yīng)該理解的是，本文使用并還可能出現(xiàn)在通過引用而并入的任何公 開文獻中的術(shù)語應(yīng)理解為與本文公開的特定方案的意義最一致。附圖描述


圖1示出了等離子體激元準(zhǔn)直的工作機理；圖2示出了等離子體激元準(zhǔn)直儀的第一構(gòu)造的橫截面圖，在該構(gòu)造中，裝置端面 上的涂層包括絕緣薄膜和厚金屬膜，其中，在厚金屬膜中限定有孔和槽；圖3示出了等離子體激元準(zhǔn)直儀的第二構(gòu)造的橫截面圖，該構(gòu)造是通過首先在裸 露的裝置端面直接刻槽、然后沉積絕緣層和金屬層、再開孔而形成的；圖4示出了形成有一維(ID)等離子體激元準(zhǔn)直儀圖案的邊發(fā)射激光器，其中，假 設(shè)電場極化為垂直的；圖5示出了形成有一維(ID)等離子體激元準(zhǔn)直儀圖案的邊發(fā)射激光器，其中，假 設(shè)電場極化為水平的；圖6示出了形成有二維(2D)等離子體激元準(zhǔn)直儀圖案的邊發(fā)射激光器；圖7示出了圖5中裝置的裝置端面上表面等離子體激元的強度分布，其中，假設(shè)電 場極化為垂直的；圖8示出了裝置端面上槽間距的變化，以及端面上表面等離子體激元波長的變 化，其中，兩者隨著遠離孔徑而稍微地增加；圖9示出了矩形孔，通過該矩形孔裝置輻射出到端面表面上；圖10示出了 C狀孔，通過該C狀孔裝置輻射出到端面表面上；圖11示出了 H狀孔，通過該H狀孔裝置輻射出到端面表面上；圖12示出了螺旋孔，通過該螺旋孔裝置輻射出到端面表面上；圖13示出了螺旋狀孔的另一實施方式，通過該螺旋孔裝置輻射出到端面表面上；圖14示出了邊發(fā)射激光器，其具有在其端面上限定的孔陣列結(jié)構(gòu)；圖15示出了邊發(fā)射激光器，其具有在其端面上限定的孔陣列和一維(ID)光柵；圖16示出了垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，其上形成有包括多個孔徑和光柵的 孔槽結(jié)構(gòu)的圖案；圖17示出了發(fā)光二極管(LED)，其上形成有包括被圓形光柵圍繞的環(huán)形孔的環(huán)形 孔槽結(jié)構(gòu)；圖18示出了在光纖上的環(huán)形孔槽結(jié)構(gòu)；圖19示出了光纖的包括多個孔徑和光柵的孔槽結(jié)構(gòu)；圖20示出了在λ。= 9.9 μπι的量子級聯(lián)激光器上限定的第一構(gòu)造(圖2)的等 離子體激元準(zhǔn)直儀周圍的強度分布的仿真結(jié)果，其中，假設(shè)有15個柵槽；圖21示出了對圖20中進行仿真的裝置計算出的垂直遠場強度分布，其中的插入 圖是中央峰的放大視圖；圖22示出了在λ。= 9.9 μπι的量子級聯(lián)激光器上限定的第二構(gòu)造(圖3)的等 離子體激元準(zhǔn)直儀周圍的強度分布的仿真結(jié)果，其中，假設(shè)有15個柵槽；圖23示出了對圖22中進行仿真的結(jié)構(gòu)計算出的垂直遠場強度分布，其中的插入 圖是中央峰的放大視圖；圖24示出了控制結(jié)構(gòu)的強度分布的仿真結(jié)果，該控制結(jié)構(gòu)即不具有等離子體激 元準(zhǔn)直儀的λo= 9. 9 μ m的原始量子級聯(lián)激光器；圖25示出了對圖24中進行仿真的結(jié)構(gòu)計算出的垂直遠場強度分布；圖26示出了等離子體激元準(zhǔn)直儀的橫截面圖，該等離子體激元準(zhǔn)直儀的孔被一片金屬膜部分地覆蓋；圖27示出了圖26中的等離子體激元準(zhǔn)直儀周圍的強度分布的仿真結(jié)果，假設(shè)激 光器波長是9. 9μπι且有11個柵槽(圖中未全部示出)；圖28示出了對圖27中進行仿真的結(jié)構(gòu)計算出的垂直遠場的強度分布，其中的插 入圖是中央峰的放大視圖；圖29示出了具有雙金屬波導(dǎo)的等離子體激元準(zhǔn)直儀的橫截面圖，其中，外金屬層 上形成有縫式孔陣列圖案；圖30示出了圖29中的等離子體激元準(zhǔn)直儀周圍的強度分布的仿真結(jié)果，假設(shè)激 光器波長是9.9 μ m，且在外金屬層上有55個縫式孔(圖中未全部示出)；圖31示出了對圖30中的仿真結(jié)構(gòu)計算出的垂直遠場的強度分布，其中的插入圖 是中央峰的移前視圖；圖32示出了具有雙金屬波導(dǎo)的等離子體激元準(zhǔn)直儀，其中，外金屬層上形成有二 維(2D)孔陣列圖案；圖33示出了 λ^ = 9.9μπι的原始脊形波導(dǎo)量子級聯(lián)激光器的端面的掃描電子顯 微圖像；圖34示出了在形成一維(ID)等離子體激元準(zhǔn)直儀圖案之后，圖33中激光器的端 面的掃描電子顯微圖像，其中，有24個柵槽；圖35示出了測得的圖33中裝置的遠場發(fā)射概圖；圖36示出了測得的圖34中裝置的遠場發(fā)射概圖；圖37示出了沿圖35箭頭的垂直線掃描；圖38示出了沿圖36箭頭的垂直線掃描，其中，左插入圖是中央峰的放大視圖，右 插入圖是計算出的模型概圖，兩個插入圖彼此匹配良好；圖39示出了圖33和圖34( S卩，限定一維(ID)等離子體激元準(zhǔn)直儀之前和之后) 所示裝置的光輸出特征與電流(Li)特征的關(guān)系圖，其中，虛線曲線和實線曲線分別用于原 始未形成有圖案的裝置和形成有等離子體激元準(zhǔn)直儀圖案的裝置，插入圖是形成有圖案的 裝置在1. 5Α驅(qū)動電流下的激光光譜；圖40示出了 λ ^ = 8. 06 μ m的原始隱埋式異質(zhì)結(jié)量子級聯(lián)激光器的端面的掃描 電子顯微圖像；圖41示出了測得的圖40所示裝置的遠場發(fā)射概圖；圖42示出了形成二維(2D)等離子體激元準(zhǔn)直儀圖案之后，測得的圖40所示裝置 的遠場發(fā)射概圖，其中，有20個圓形柵槽，插入圖是放大視圖；圖43示出了測得的圖42所示裝置的遠場發(fā)射概圖；圖44示出了形成有20個圓形柵槽圖案的裝置的光輸出特征與電流(Li)特征的 關(guān)系圖，其中，實線曲線用于原始未形成圖案的裝置(圖40)，其他曲線用于形成有具有不 同橫向孔尺寸的準(zhǔn)直儀的裝置；圖45示出了具有二維(2D)等離子體激元準(zhǔn)直儀的λ ^ = 9. 9 μ m的原始脊形波導(dǎo) 量子級聯(lián)激光器的端面的掃描電子顯微圖像，其中，有10個環(huán)形柵槽，插入圖是放大視圖； 以及圖46示出了測得的圖45所示裝置的遠場發(fā)射概圖。
具體實施例方式下面詳細描述根據(jù)本發(fā)明公開的用于改進裝置輻射準(zhǔn)直的方法和裝置的具有創(chuàng) 造性的實施方式和不同的構(gòu)思。應(yīng)該理解的是，因為主題不受任何特定實施方式限制，因此 以上介紹的和以下詳細描述的主題的不同方案可以多種方式實施。所提供的特定實施和應(yīng) 用示例僅用作說明目的。下述的論文中描述了發(fā)明人的相關(guān)工作N. Yu等人的“具有集成等離子體 激元天線陣列準(zhǔn)直儀的量子級聯(lián)激光器(Quantum cascadelasers with integrated plasmonic antenna-array collimators)", OpticsExpress 16,19447 (2008) ；N. Yu 等人的“具有二維等離子體激元準(zhǔn)直儀的小發(fā)散度的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器(Small divergence edge-emittingsemiconductor lasers with two-dimensional plasmonic collimators) ”，Applied Physics Letters 93,181101(2008) ；N. Yu 等人的“釆用等離子 體激元準(zhǔn)直儀的小發(fā)散度的半導(dǎo)體激光器(Small-divergencesemiconductor lasers by plasmonic collimation) ”，Nature Photonics 2,564(2008)。參照圖1可描述等離子體激元準(zhǔn)直儀的工作原理。等離子體激元準(zhǔn)直儀包括在涂 覆有金屬的裝置端面上形成的柵槽16和孔14?？?4設(shè)置在發(fā)出輻射的區(qū)域?？?4至少在 一個維度上為亞波長?？?4將裝置輻射的一部分耦合至表面等離子體激元28中。表面等離 子體激元28傳播通過柵槽16并被柵槽16散射，產(chǎn)生大量的輻射再發(fā)射4。將孔14和柵槽 16的位置選擇為使來自孔的直接發(fā)射2和來自柵槽16的所有再發(fā)射4同相，即，兩者的相 位差等于的整數(shù)倍。因此，由于直接發(fā)射2和再發(fā)射4之間的相長干涉(constructive interference)，裝置輸出的發(fā)散得以減小。等離子體激元準(zhǔn)直儀中的孔14和槽16有效地 用作相干光源陣列，類似于用于定向廣播和空間通信的相控陣天線。理論上，光束發(fā)散角應(yīng) 該與柵槽的數(shù)量N成反比，并且小散度光束的峰值強度應(yīng)該近似正比于N2。根據(jù)本公開的不同實施方式，在輻射發(fā)射裝置(例如激光器、發(fā)光二極管、光纖 等)的端面上集成等離子體激元準(zhǔn)直儀包括幾個步驟。首先，可在裝置端面涂覆電絕緣的 電介質(zhì)(例如鋁或硅)層26和金屬(例如金、銅或銀)厚層29。其次，可使用聚焦離子束 (FIB)銑削、光刻、或電子束蝕刻(EBL)在厚金屬層中限定孔槽結(jié)構(gòu)?？?4設(shè)置在輻射離 開裝置處的位置。孔14是貫穿金屬膜的開口，而槽的深度小于金屬膜的厚度。圖2中示出 了根據(jù)這些步驟得到的構(gòu)造。下述為制造等離子體激元準(zhǔn)直儀的另一方式首先，可用FIB 銑削、光刻或EBL在裸露的裝置端面24上切割出槽16 ；然后，可沉積絕緣電介質(zhì)層26和金 屬薄膜層；最后，可用FIB銑削開通孔14。圖3示出了根據(jù)這些步驟得到的構(gòu)造。圖2和 圖3示出的兩個構(gòu)造就光束準(zhǔn)直和功率通量而言是等價的。但是對于特定類型的輻射發(fā)射 源，一種構(gòu)造可能比另一種可更易制造。軟光刻技術(shù)，例如壓印光刻[S. Y. Chou等人的“具有25nm分辨率的壓印光刻 (Imprint lithography with 25-nanometer resolution)，，Science,272,85 (1996)],禾口 微接觸印刷[P. C. Hidber等人的“鈀膠體的微接觸印刷采用銅化學(xué)沉積的微米尺寸圖樣 設(shè)計(Microcontactprinting of Palladium colloids :micron-scale patterning by electrolessdeposition ofcopper)，，Langmuir, 12，1375 (1996)]，也可用于形成等離子體 激元準(zhǔn)直儀。這些方法允許具有高通量和具有成本效益的處理。
在下文中，討論用于設(shè)計等離子體激元準(zhǔn)直儀的物理因素。然后，討論對于具體的 輻射光源選擇正確類型的等離子體激元準(zhǔn)直儀的問題。等離子體激元準(zhǔn)直儀可分為兩種類 型第一類型利用一維(ID)孔槽結(jié)構(gòu)(圖4和圖5)僅在ID上對輻射進行準(zhǔn)直；第二類型 利用二維(2D)孔槽結(jié)構(gòu)(圖6)進行完整的或2D準(zhǔn)直，即在裝置發(fā)射端面的平面上的準(zhǔn)直?？蓛?yōu)化等離子體激元準(zhǔn)直儀的一些幾何參數(shù)，以對于給定端面面積產(chǎn)生最小光束 發(fā)散角和最高功率通量(例如，大于在其它方面相同的未形成圖案的激光器的功率通量的 一半)。相關(guān)參數(shù)的示例包括但是不限于，金屬膜的厚度、孔的形狀和尺寸、槽間距、孔和最 近的槽之間的間距、槽的總數(shù)量、以及每個槽的寬度和深度。金屬膜的厚度最小可為在工作波長處的光學(xué)趨膚深度的數(shù)倍(此處的“數(shù)倍”可 表示例如至少3倍)，例如，對于9. 9 μ m波長而言約為120nm。這將防止表面等離子體激元 傳播穿過金屬膜而導(dǎo)致不期望的結(jié)果?！摆吥w深度”用于表征電磁場可穿入金屬層多深，并 被定義為電磁場幅度衰減至在金屬層表面處的值的Ι/e (其中e為自然數(shù)，且e 2. 718) 處的距離?？蓪﹂g距CliG = 1，2，3，...η)(圖8)進行調(diào)節(jié)以為從孔14發(fā)出的輻射2和 從始于柵槽16的再發(fā)射4提供正確的相位關(guān)系，從而在兩者之間達到最大的相長干 涉。在孔14周圍的近區(qū)中的表面等離子體激元的波長Xsp不是恒定的，[g. Levesque 等人的“在亞波長槽發(fā)散的表面等離子體激元的順勢特性(Transient behavior of surface ρlasmonpoIaritons scattered at a subwavelength groove)，，，Phys. Rev. B， 76,155418(2007) ；P. Lalmne等人的“在金屬電介質(zhì)界面處的光學(xué)納物體之間的相互作用 (Interaction between optical nano-objects atmetallo-dielectric interfaces)，，， Nat. Phys. 2，551 (2006)]。在孔附近的表面等離子體激元的波長λ sp_ne 通常比遠離孔處的 表面等離子體激元的波長Xsp_fa^j、幾個百分點。從至的過渡區(qū)為中紅外輻 射的自由空間波長λ ^的十倍數(shù)量級，并小于可見光輻射的十倍自由空間波長。因此，理想 的設(shè)計可將槽16設(shè)置在Cli處(i = 1，2，3. . . η)以匹配λ sp的演化，從而使直接發(fā)射2和再 發(fā)射4的相位差精確地為因子2 π m(m為整數(shù))。作為理想結(jié)構(gòu)的一階近似，可選擇Cl1 < d2 =d3. . . = dn = Λ的設(shè)計，其中Cl1是孔和最近的槽之間的間距，Λ是光柵周期。可通過使準(zhǔn) 直光束的峰值強度最大化來在仿真中確定Cl1和八。對于λ。= 9.9 μπι的量子級聯(lián)激光器， 得到優(yōu)化的參數(shù)為Cl1 = 7. 3 μ m且Λ = 8. 9 μ m，對于λ Q = 8. 06 μ m的量子級聯(lián)激光器，得 到優(yōu)化的參數(shù)為Cl1 = 6. 0 μ m且Λ = 7. 8 μ m。由于激光器端面具有有限的面積，因此可僅在孔的基底側(cè)(圖1、2、3和4)限定光 柵16。然而，在孔的另一側(cè)，還可在孔14和頂部電觸點18之間包括一個或多個槽16'(圖 1和圖4)。這些附加的槽16'增加準(zhǔn)直光束的強度并減小背景輻射。實質(zhì)上，對于在孔14 處生成并朝激光器頂部觸點18傳播的表面等離子體激元，這些附加的槽16'起到反射器 的作用，從而減小在頂部觸點18處的散射并將柵槽16的作用最大化。將反射器槽16'的 位置選擇為使被反射的表面等離子體激元和在孔14處生成并朝柵槽16傳播的表面等離子 體激元之間的相長干涉最大化。在圖4所示的激光器的一個實施方式中，對于9. 9 μ m波長 的激光器，頂部的槽16'的中點在孔14中點上方3. 5μπι處。選擇窄槽使每個槽16僅在表面等離子體激元28的傳播中引入小的干擾。在仿真 中發(fā)現(xiàn)，寬槽通常提供太強的發(fā)散并因此限制表面等離子體激元28到前幾個槽的傳播。這將導(dǎo)致有限的準(zhǔn)直，因為準(zhǔn)直儀的有效運行取決于干涉再發(fā)射4的數(shù)量。對槽深h進行調(diào)節(jié)以允許建立槽腔模式，即，生成沿槽16深度的駐波 [G. L0vSsque等人的“在亞波長槽發(fā)散的表面等離子體激元的順勢特性(Transient behavior of surface ρlasmon polaritons scattered at asub-wavelength groove)”， Phys. Rev. B，76，155418(2007) ；L. Martin-Moreno等人的“來自由表面波紋圍繞的單個 亞波長孔徑的高定向發(fā)射的理論(Theory of highly directional emission from a singlesub-wavelength aperture surrounded by surface corrugations)” Phys. Rev. Lett. 90，167401 (2003)]。共振條件使在其它方面無效的散射器(即，窄槽16)有效地將表 面等離子體激元28耦合入自由空間。具有實際可行數(shù)量的大量柵槽16有利于減小發(fā)散角并增加準(zhǔn)直功率。然而，增加 槽將僅在表面等離子體激元28可到達這些槽的情況下才起作用。因此表面等離子體激元 的傳播距離是固有的限制。在等離子體激元準(zhǔn)直儀中，通過柵槽16到自由空間的期望散射 成為限制傳播距離的主要因素?？紤]此因素，表面等離子體激元28在中紅外波長可傳播超 過幾百微米(即，等于數(shù)十個自由空間波長的距離)。該傳播距離允許形成至少數(shù)十個柵槽 16，足以將裝置輻射準(zhǔn)直在幾度以內(nèi)。取決于對于某個設(shè)計設(shè)定的柵槽數(shù)量N，可對槽寬w進行微調(diào)，以確保表面等離子 體激元28的傳播范圍與柵槽16的范圍一致。該微調(diào)將使光柵的效用達到最佳，提供最大 功率通量和最小準(zhǔn)直角度。在此方案中，具有大N的設(shè)計比具有小N的設(shè)計應(yīng)具有稍窄的 槽(即，在散射表面等離子體激元方面具有較低的效率)。上述討論了用于ID和2D等離子體激元準(zhǔn)直儀的幾個設(shè)計參數(shù)(即，金屬厚度、柵 槽位置、反射槽位置、槽深h和槽寬W、以及柵槽數(shù)量N)。ID和2D等離子體激元準(zhǔn)直儀之間 的差別在于它們的孔以及柵槽的形狀。在ID準(zhǔn)直儀中，光柵為一維的平行直柵槽(圖4)； 在2D準(zhǔn)直儀中，光柵是一組同心的環(huán)形槽(圖6)。ID準(zhǔn)直儀的孔14是縫隙(圖4)。該縫隙在槽16的法向上長度為亞波長，以有效 地將裝置輻射耦合入表面等離子體激元28。通過仿真可確定最優(yōu)縫隙寬度。較窄的縫隙對 來自裝置內(nèi)部的輻射進行強力的反向散射，從而減小功率通量；較寬的縫隙在將裝置輻射 耦合入表面等離子體激元方面具有較低的效率，導(dǎo)致遠場中的大背景。在圖4所示的激光 器的一個實施方式中，對于9. 9 μ m波長的激光器，最佳縫隙寬度為大約2 μ m，接近于有源 區(qū)(active region)的厚度。在平行于柵槽16的其它維度中，縫式孔14可盡可能寬以允 許最大功率輸出。ID準(zhǔn)直僅提供在柵槽16法向上的準(zhǔn)直。用于2D準(zhǔn)直的孔14在垂直方向和橫向方向上都為亞波長(圖6)。這些亞波長的 尺寸使在二維上將裝置輻射有效地耦合入在裝置端面上傳播的表面等離子體激元28。表 面等離子體激元28被2D柵槽16散射，這導(dǎo)致在遠場中完整的或二維的準(zhǔn)直。再者，在裝 置功率通量和光束準(zhǔn)直之間存在平衡。如果孔14的尺寸為比自由空間波長λo、很多的 深亞波長，則裝置輻射到表面等離子體激元28的耦合是高效的，但是功率傳輸被小孔尺寸 嚴(yán)重限定；另一方面，如果孔14太大，即，相對于λ o太大，輻射則在孔14處受到有限的衍 射，并幾乎直接射入遠場，這提供了較差的光束準(zhǔn)直。在圖6所示的量子級聯(lián)激光器的一個 實施方式中，因為量子級聯(lián)激光器與垂直電場橫磁(TM)極化，所以表面等離子體激元優(yōu)先 在垂直方向上傳播。為了使表面等離子體激元28在橫向方向上也能達到寬的傳播，孔的橫向尺寸應(yīng)為亞波長。對于8. 06 μ m波長的激光器，功率通量與光束準(zhǔn)直之間的良好平衡是 垂直尺寸約2μπι且橫向尺寸約4 6μπι的孔。圖7示出λ。= 8μπι的量子級聯(lián)激光器 的裝置端面上表面等離子體激元分布的仿真，該量子級聯(lián)激光器具有由2X4 μ m2的孔和20 個柵槽構(gòu)成的2D準(zhǔn)直儀。激光器端面上的孔14可具有多種構(gòu)造中的任意構(gòu)造。在圖6和圖9所示的簡易構(gòu) 造中，孔14具有矩形形狀。在其他布置中，可使用圖10中的C形、圖11中的H形、以及圖 12和圖13中的螺旋形?？p隙天線理論預(yù)言了，與相同面積的矩形孔相比，更復(fù)雜的孔可允 許更多的功率通量[R. Azadegan等人的“縫隙天線小型化的新方法(A novelapproach for miniaturization of slot antennas)" IEEE Trans· AntennasPropag· 51，421(2003)]。也 可使用其他曲線形狀(例如SB)?；诠庠吹奶卣骱妥罱K準(zhǔn)直光束的期望性能，不同的光源可使用不同的等離子體 激元準(zhǔn)直儀設(shè)計。例如，對于具有已知電場極化12的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器(例如激光二極管或量 子級聯(lián)激光器)，如果僅需要ID準(zhǔn)直，則具有孔14和且每個槽16均與場極化方向12垂直 (如圖4和圖5所示)的等離子體激元準(zhǔn)直儀可為適合的選擇。對于量子級聯(lián)激光器，場極 化為垂直方向(圖4)；對于激光二極管，場為水平方向(圖5)。因此，這兩種裝置的孔槽結(jié) 構(gòu)的方向是不同的。如圖4和圖5所示，激光器進一步包括頂部電觸點18(由導(dǎo)電材料形 成，例如金)、有源區(qū)22(由半導(dǎo)體量子阱形成，并且具有如圖所示垂直測量近似等于孔14 的垂直寬度的寬度)、基底24 (例如由磷化銦形成)、絕緣的電介質(zhì)26 (例如由鋁形成)、以 及背部電觸點20(由導(dǎo)電金屬形成，例如金)。在圖4所示的激光器的一個實施方式中，對于具有不同波長的兩種類型量子級聯(lián) 激光器，基于仿真，我們使用表1中列出的優(yōu)化參數(shù)。相似的設(shè)計程序?qū)⒌贸鰧τ谠谄渌?長的邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器的優(yōu)化設(shè)計。表 1 對于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，如果假設(shè)2D準(zhǔn)直，則可使用具有矩形孔14和圓形光柵 16的等離子體激元準(zhǔn)直儀(圖6)。表1中列出的相同的優(yōu)化參數(shù)可用于相應(yīng)的激光波長。對于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器，還可通過使用如圖14所示的在裝置端面上限定的孔 陣列結(jié)構(gòu)42來實現(xiàn)橫向(即與材料生長方向垂直的方向)的光束準(zhǔn)直?？钻嚵?2設(shè)置在激光橫模上電場具有相同極化的部分。通過示例的方法，圖14中的放大視圖示出了量子級 聯(lián)激光器的TMtl4模式的不同波瓣的極化，以及孔陣列42如何阻止具有向下極化的兩個波 瓣。通過消除該模式的反極化分量的作用，可生成遠場中具有橫向低發(fā)散角的單光束。上述設(shè)計結(jié)構(gòu)的組合可以其他方式用于對光束進行準(zhǔn)直。例如，對于邊發(fā)射半導(dǎo) 體激光器，可如圖15所示通過將圖4和圖14描繪的結(jié)構(gòu)元件進行組合而得到2D的準(zhǔn)直。對于垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，尤其是具有不穩(wěn)定極化的VCSEL，如圖16所 示的多孔槽結(jié)構(gòu)可以是適合的選擇。當(dāng)與VCSEL結(jié)合時，該多孔槽結(jié)構(gòu)提供很多優(yōu)點。例 如，該結(jié)構(gòu)僅允許極化方向垂直于孔/槽的場分量通過，產(chǎn)生具有明確限定的極化方向的 激光輸出。另外，由于與邊發(fā)射激光器相比，VCSEL具有大得多的發(fā)射面積，所以具有多孔 的等離子體激元結(jié)構(gòu)可允許大的功率通量。圖16的VCSEL包括在有源區(qū)22兩側(cè)的上布拉 格反射器30和下布拉格反射器32。對于輸出的光不具有特定極化方向的發(fā)光二極管(LED)，可使用如圖17所示的環(huán) 形孔槽結(jié)構(gòu)，該環(huán)形孔槽結(jié)構(gòu)包括中央環(huán)孔34以及一組同心槽16。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點包括適合 與具有任何極化方向的光源一起使用，并且與包括洞孔(hole-aperture)和一組同心槽的 孔槽結(jié)構(gòu)相比具有較高的通量。圖17的LED進一步包括位于頂部觸點18和背部觸點20 之間的P型摻雜區(qū)域36和η型摻雜區(qū)域38。對于光纖40，取決于期望的輸出光極化，可采用環(huán)形孔槽結(jié)構(gòu)(圖18)或多孔槽結(jié) 構(gòu)(圖19)。光纖可為有源光纖裝置(例如光纖激光器、摻鉺光纖放大器)或用于將光耦合 入其他光學(xué)元件的無源光纖?；诳撞劢Y(jié)構(gòu)的量子級聯(lián)激光器的光束準(zhǔn)直的仿真結(jié)果有助于說明設(shè)計的可行 性和等離子體激元準(zhǔn)直儀的顯著影響(圖20至圖23)。圖20示出了 λ^ = 9.9μπι的量子 級聯(lián)激光器周圍強度分布的仿真結(jié)果，該量子級聯(lián)激光器具有根據(jù)圖2所示的構(gòu)造在其端 面上限定的優(yōu)化的ID等離子體激元準(zhǔn)直儀。圖21示出了計算出的該裝置的遠場強度分布。圖22和圖23分別示出了 λ ^ = 9. 9 μ m的量子級聯(lián)激光器的強度分布的仿真結(jié) 果和計算出的遠場強度分布，該量子級聯(lián)激光器具有根據(jù)圖3所示構(gòu)造在其端面上限定的 優(yōu)化的ID等離子體激元準(zhǔn)直儀。在該仿真和計算結(jié)果(圖20至圖23)中，在激光器端面 上形成有15個柵槽。應(yīng)注意的是，與不具有等離子體激元準(zhǔn)直儀的激光器(圖24和圖25) 相比，上述示出的兩種設(shè)計中材料層法向上的光束發(fā)散角降低了一個以上的數(shù)量級。對于 控制仿真，圖24和圖25分別示出了對于未改型的λ ^ = 9. 9 μ m的量子級聯(lián)激光器的強度 分布的2D仿真以及計算出的遠場強度分布。圖26示出了具有由金屬膜部分覆蓋的孔14的可選的設(shè)計。在該實施方式中，例 如由鋁、硅或硫化物玻璃形成的透明電介質(zhì)層48被設(shè)置在孔14上。然后將金屬層46設(shè)置 在電介質(zhì)層48上。金屬層46將來自孔14的全部輻射傳入將朝柵槽16傳播的表面等離子 體激元。圖27示出了該結(jié)構(gòu)的強度分布仿真，圖28示出了計算出的該裝置的遠場強度分 布。在仿真和計算中假設(shè)有11個柵槽。圖29示出了具有雙金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的可選設(shè)計。在該實施方式中，例如由鋁、硅或 硫化物玻璃形成的透明電介質(zhì)層48被設(shè)置在孔14上并臨近有源區(qū)22。透明電介質(zhì)層48 被夾在外金屬層46和內(nèi)金屬層50之間。來自有源區(qū)22的光通過孔14傳入透明電介質(zhì)層 48。與其他實施方式中相同，光通過外金屬層46中的一組縫式孔47射出透明電介質(zhì)層48并發(fā)生相長干涉以產(chǎn)生準(zhǔn)直的光輸出。縫式孔47之間的間距近似等于金屬-電介質(zhì)-金屬 波導(dǎo)模式的波長。利用與對單金屬膜等離子體激元準(zhǔn)直儀執(zhí)行的優(yōu)化程序相似的計算機仿 真，可進一步優(yōu)化縫式孔的精確間距和各孔的寬度。圖30示出了該結(jié)構(gòu)的強度分布仿真， 圖31示出了計算出的該裝置的遠場強度分布。在此仿真和計算中假設(shè)有55個縫式孔。因為其外金屬層46形成有ID縫式孔陣列47，所以上一段中的雙金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)僅 在一個方向準(zhǔn)直。如果外金屬層46形成孔49 (例如矩形孔、圓形孔、環(huán)形孔、C或H形孔、 螺旋孔等)的2D陣列，參照圖32，則該結(jié)構(gòu)能夠在兩個方向準(zhǔn)直。孔49之間的橫向和縱向 間距近似等于金屬_電介質(zhì)_金屬波導(dǎo)模式的波長。實驗我們采用量子級聯(lián)激光器作為模型系統(tǒng)來驗證等離子體激元準(zhǔn)直儀。在脊形量子 級聯(lián)激光器上制造ID等離子體激元準(zhǔn)直儀。該脊形裝置發(fā)射大約λ ^ = 9. 9 μ m的輻射并 通過分子束外延生長。該脊形裝置具有2. 1 μ m的有源區(qū)厚度和不同的有源區(qū)寬度。制造過程從在量子級聯(lián)激光器的磷化銦基底中進行柵槽的聚焦粒子束銑削開始。 然后，利用電子束蒸發(fā)將200nm厚的鋁膜沉積在激光器端面上用于電絕緣，并利用熱蒸發(fā) 沉積600nm厚的金膜。執(zhí)行多角度沉積，從而使槽壁還被鋁膜和金膜覆蓋。最后，二次利用 聚焦粒子束銑削以在激光器有源核的前端開通貫穿金膜的孔。由于金屬微晶尺寸大因而在 金屬中銑削通常導(dǎo)致明顯的粗糙，我們選擇在任何沉積之前在半導(dǎo)體中切割出槽(圖2)， 而不是首先沉積厚金膜然后在厚金膜中切槽(圖3)，這是因為聚焦光束在半導(dǎo)體中銑削具 有平滑的特征，而在金屬中銑削通常由于金屬中的大晶粒而導(dǎo)致明顯的粗糙度。為繪出裝置的2D遠場發(fā)射圖樣，使用兩個機動轉(zhuǎn)動臺。將被測試的裝置固定在一 個轉(zhuǎn)動臺上并可在垂直平面上轉(zhuǎn)動。中紅外汞鎘碲檢測器固定在另一個平臺上，并可以在 水平方向掃描。該裝置和檢測器之間的距離保持恒定約15cm。用0.25°的分辨率進行測 試。用標(biāo)準(zhǔn)功率計執(zhí)行功率測定。將具有6. 5mm直徑的金屬接收管的功率計置于激光器內(nèi) 2mm處，從而在與激光器法向成近似士60°的角度范圍內(nèi)收集發(fā)射的功率。用傅里葉變換 紅外光譜儀進行光譜測量。圖33和圖34分別示出了在形成包括縫式孔和具有24個槽的光柵的ID等離子體 激元準(zhǔn)直儀之前以及之后，λ。= 9.9 μπι量子級聯(lián)激光器的掃描電子顯微圖像。圖35和圖 36分別示出了在形成等離子體激元結(jié)構(gòu)之前和之后測得的2D遠場強度分布，證明了垂直 方向上光束發(fā)散的顯著下降。圖37和圖38分別提供了激光器極化方向(沿著圖35和圖 36的箭頭)上2D遠場發(fā)射圖樣的行掃描，示出了發(fā)散角(此處參照，以半值全寬度進行測 量)從原始裝置的63度減至具有形成ID準(zhǔn)直儀的裝置的2. 4度。行掃描還示出具有準(zhǔn)直 儀裝置的背景平均強度小于中心瓣峰值的10%。圖39示出了限定ID等離子體激元準(zhǔn)直儀 之前以及之后光輸出與電流特性的對比，證明了約為IOOmW的最大輸出功率。形成圖案的 裝置的光輸出對比電流特性的斜率效率主要由用以將表面等離子體激元耦合入自由空間 的等離子體激元光柵的效率確定。我們發(fā)現(xiàn)大的斜率效率與具有大量槽的光柵相關(guān)；圖34 示出的具有24個槽的裝置具有約lSOmWA—1的斜率效率，這是不具備準(zhǔn)直儀的原始激光器的 斜率效率的90%。在脊形量子級聯(lián)激光器和隱埋異質(zhì)結(jié)量子級聯(lián)激光器上都制造了 2D等離子體激 元準(zhǔn)直儀。該脊形裝置發(fā)射大約λ。= 9. 9μπι并通過分子束外延生長的輻射；隱埋異質(zhì)結(jié)裝置發(fā)射大約λ ^ = 8. 06 μ m并被金屬有機氣相外延生長的輻射。該脊形裝置具有2. 1 μ m 的有源區(qū)厚度和不同的有源區(qū)寬度。所有隱埋異質(zhì)結(jié)裝置的有源區(qū)分別在垂直方向和橫向 上具有2. 1 μ m禾口 9. 7 μ m的尺寸。對于2D等離子體激元準(zhǔn)直儀，制造程序和遠場測試設(shè)置實質(zhì)上與ID等離子體激 元準(zhǔn)直儀的制造程序和遠場測試設(shè)置相同。對形成有2D等離子體激元準(zhǔn)直儀圖案的λ ^ = 8. 06 μ m的隱埋異質(zhì)結(jié)量子級聯(lián) 激光器進行詳盡的研究。具有未形成圖案的端面的原始裝置(圖40)在橫向和垂直方向上 分別具有θ 〃 = 42度、θ ±= 74度的發(fā)散角(圖41)。代表性的隱埋異質(zhì)結(jié)量子級聯(lián)激光 器上形成有包括20個圓形槽和2. 1 X 1. 9 μ m2孔的等離子體激元準(zhǔn)直儀(圖42)。與未形 成圖案的裝置相比，形成有2D準(zhǔn)直儀圖案的激光器表現(xiàn)出明顯減小了的發(fā)散角(圖43)，其 中θ// = 3.7度、θ ±= 2.7度，與原始裝置相比，在橫向和垂直方向上分別減小約10倍和 30倍。雖然等離子體激元準(zhǔn)直儀設(shè)計用于單激光波長，例如λ0 = 8. 06 μ m，但是對于激 光光譜擴展，環(huán)形準(zhǔn)直儀設(shè)計為魯棒的。例如，對于上段中討論的形成有包括20個柵槽圖 案的裝置，激光光譜寬度Δ λ在驅(qū)動電流Itfc = 500mA處近似等于0. 1 μ m ；在Itt = 600mA 處Δ λ迅速增加至約0.3μπι。我們發(fā)現(xiàn)，測得的遠場發(fā)散角在不同的驅(qū)動電流處相對穩(wěn) 定。例如，在Idr = 500mA和600mA處，θ丄=2. 6和2. 7度，θ “保持3. 7度。利用聚焦粒子束銑削，逐漸增加上述裝置的橫向孔徑尺寸Wl(參照圖6的定義)， 以研究該參數(shù)對θ ” θ〃以及功率輸出的影響。垂直孔尺寸W2 = 1.9μπι保持恒定。如預(yù) 期地，裝置的斜率效率隨孔寬增加而增加，導(dǎo)致較高的最大功率(圖44)。同時，橫向發(fā)散角 θ 〃增加，而θ ±幾乎穩(wěn)定(表2)。θ 〃的這種性質(zhì)是由于在橫向與表面等離子體激元的 耦合效率隨著橫向孔徑尺寸的增加而降低。對于在該工作中研究的最寬孔(8. Ιμπι)，最大 輸出功率大于原始未形成圖案的激光器的50%，而發(fā)散角(θ ±=2. 4度、θ〃 = 4.6度) 與原始未形成圖案的激光器相比仍顯著減小。表2中總結(jié)了最大功率和發(fā)散角對橫向孔徑 尺寸W1的依賴性。表2 與需要半絕緣側(cè)包層再生長的隱埋異質(zhì)結(jié)量子級聯(lián)激光器相比，可容易地對脊形 量子級聯(lián)激光器進行處理。因此，有利地示出了 2D等離子體激元準(zhǔn)直儀還用于具有脊形波 導(dǎo)的裝置。如圖45和46所示，在λ。= 9.9 μπι的脊形量子級聯(lián)激光器上成功地證明了 2D準(zhǔn)直。對于λ。= 8.06 μπι的隱埋異質(zhì)結(jié)裝置，對優(yōu)化設(shè)計參數(shù)的簡單調(diào)整對脊形裝置基 本給出了正確的參數(shù)。表1中總結(jié)了優(yōu)化設(shè)計參數(shù)的列表。該裝置的實驗性能與用具有相 同數(shù)量的槽的隱埋異質(zhì)結(jié)裝置獲得的性能相當(dāng)；對于具有10個柵槽的脊形裝置，其發(fā)散角 為 θ 丄=5.0度、θ" = 8· 1 度。最后，該系統(tǒng)實驗和仿真證明了，在量子級聯(lián)激光器的端面上集成適當(dāng)設(shè)計的ID 或2D等離子體激元準(zhǔn)直儀將ID準(zhǔn)直儀的垂直方向上或在2D準(zhǔn)直儀的垂直方向和橫向上 的發(fā)散角減小了大于10倍。優(yōu)化的裝置保留了與未形成圖案的激光器的輸出功率相當(dāng)?shù)?高輸出功率。在此所示的2D等離子體激元準(zhǔn)直儀設(shè)計適用于隱埋異質(zhì)結(jié)裝置和脊形裝置。在所描述的本發(fā)明的實施方式中，為清晰起見而使用特定術(shù)語。為描述的目的， 每個特定術(shù)語旨在至少包括以相似方式實施相似目的的所有技術(shù)和功能的等同。另外，在 本發(fā)明的特定實施方式包括多個系統(tǒng)元件或方法步驟，這些元件或步驟可由單個元件或步 驟進行替換；相似的，單個元件或步驟也可由用作相同目的的多個元件或步驟替換。而且， 本發(fā)明的實施方式還指定了各種特征的參數(shù)，這些參數(shù)可以按照1/20、1/10、1/5、1/3、1/2 等、或化整為其近似值來上調(diào)或下調(diào)，除非另有規(guī)定。而且，雖然本發(fā)明參照其特定實施方 式進行描述和示出，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在未脫離本發(fā)明范圍的情況下仍可在 形式和細節(jié)上進行不同的替換和修改；而且，其他方案、功能和優(yōu)點仍然屬于本發(fā)明的范 圍。另外，本文討論的與一個實施方式相關(guān)的步驟、元件和特征可結(jié)合其他實施方式使用。 所有參考的內(nèi)容，包括本申請全文中引用的專利和專利申請，都通過引用全文引用并入本 文?？蔀楸景l(fā)明和其實施方式選擇這些參考的適合的部件和方法。進一步，本發(fā)明背景技 術(shù)部分說明的部件和方法與本公開是個整體，并可在本發(fā)明范圍內(nèi)結(jié)合或代替本文其它部 分描述的部件和方法。
權(quán)利要求
一種生成準(zhǔn)直輻射的設(shè)備，包括輻射發(fā)射裝置，其包括電介質(zhì)材料形成的端面，所述輻射發(fā)射裝置限定輻射發(fā)射的通道；以及金屬膜，其涂覆在所述電介質(zhì)材料上，所述金屬膜限定至少一個孔和與所述孔間距遞增地間隔的一組槽，來自所述通道的輻射能夠穿過所述孔，并且表面等離子體激元能夠在所述孔處生成，所述孔與最近的槽之間的距離與連續(xù)間隔的槽之間的距離不同，并且所述槽被配置為使表面等離子體激元散射以產(chǎn)生輻射再發(fā)射，從而使來自所述孔的直接發(fā)射和來自所述槽的輻射再發(fā)射相長干涉以產(chǎn)生在遠場的準(zhǔn)直輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述槽與所述孔間隔為使得每個連續(xù)間隔的槽之間 的距離大于之前的連續(xù)間隔的槽之間的距離。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述一組槽設(shè)置在所述孔的一側(cè)，且至少一個刻設(shè) 置在所述孔的相對側(cè)，其中在所述孔徑的所述相對側(cè)設(shè)置的槽更少。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述金屬膜涂覆在電介質(zhì)基底中的槽上，所述電介 質(zhì)基底在所述金屬膜中提供所述槽的輪廓。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述金屬膜的厚度至少與趨膚深度相同，以防止電 磁輻射傳播穿過所述金屬膜。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述孔沿非直路徑延伸穿過所述金屬膜。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中所述孔具有基本上一致的寬度，并經(jīng)過具有轉(zhuǎn)彎的 路徑穿過所述金屬膜。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述孔的形狀選自C形、H形以及螺旋形。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述槽位于所述金屬膜上背對所述電介質(zhì)材料的表 面上。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述輻射發(fā)射裝置選自半導(dǎo)體激光器；發(fā)光二極管；光纖；光纖放大器；以及光纖激光器。
11. 一種生成準(zhǔn)直輻射的設(shè)備，包括輻射發(fā)射裝置，其包括電介質(zhì)材料形成的端面，所述輻射發(fā)射裝置限定輻射發(fā)射的通 道；以及金屬膜，其涂覆在所述電介質(zhì)材料上，所述金屬膜限定至少一個孔和一組槽，發(fā)射自所 述通道的輻射能夠穿過所述孔，并且表面等離子體激元能夠在所述孔處生成，其中所述孔 具有基本上一致的寬度并經(jīng)過具有轉(zhuǎn)彎的路徑穿過所述金屬膜，并且所述槽被配置為使表 面等離子體激元散射以產(chǎn)生輻射再發(fā)射，來自所述孔的直接發(fā)射和來自所述槽的輻射再發(fā) 射相長干涉以產(chǎn)生在遠場的準(zhǔn)直輻射。
12.一種生成準(zhǔn)直輻射的設(shè)備，包括輻射發(fā)射裝置，其包括電介質(zhì)材料形成的端面，所述輻射發(fā)射裝置限定輻射發(fā)射的通 道；以及金屬膜，其涂覆在所述電介質(zhì)材料上，所述金屬膜限定至少一個孔、位于所述孔的一側(cè) 的一組槽、以及位于所述孔的另一側(cè)的較少數(shù)量的槽，來自所述通道的輻射能夠穿過所述 孔，并且表面等離子體激元能夠在所述孔處生成，其中所述一組槽被配置為使所述孔處生 成的表面等離子體激元散射以產(chǎn)生輻射再發(fā)射，來自所述孔的直接發(fā)射和來自所述槽的輻 射再發(fā)射相長干涉以產(chǎn)生在遠場的準(zhǔn)直輻射。
13.—種生成準(zhǔn)直輻射的設(shè)備，包括輻射發(fā)射裝置，其包括第一電介質(zhì)材料形成的端面，所述輻射發(fā)射裝置限定輻射發(fā)射 的通道；第一金屬膜，涂覆在所述第一電介質(zhì)材料上，所述第一金屬膜限定至少一個孔，來自所 述通道的輻射能夠穿過所述孔；透明電介質(zhì)層，其涂覆在所述第一金屬膜上所述第一電介質(zhì)材料的相對側(cè)上，其中，發(fā) 射的輻射能夠穿過所述透明電介質(zhì)層從所述第一金屬膜中的所述孔發(fā)出；以及第二金屬膜，其限定一維的孔光柵或二維的孔陣列，發(fā)射的輻射能夠通過所述一維的 孔光柵或二維的孔陣列穿過所述透明電介質(zhì)層，其中所述孔間隔設(shè)置以允許多個輻射發(fā)射 相長干涉，從而產(chǎn)生遠場中的準(zhǔn)直輻射。
14.一種生成準(zhǔn)直輻射的方法，包括在涂覆有金屬膜的輻射發(fā)射裝置的通道中生成輻射，其中所述金屬膜限定用于發(fā)射輻 射的孔以及與所述孔間距遞增地間隔設(shè)置的一組槽，其中所述孔與最近的槽之間的距離與 連續(xù)間隔的槽之間的距離不同；以及將輻射傳輸穿過所述金屬膜的所述孔，產(chǎn)生自所述孔傳播的發(fā)射的輻射以及穿過所 述槽的表面等離子體激元，所述槽使所述表面等離子體激元散射以產(chǎn)生輻射再發(fā)射，從而 使來自所述孔的直接發(fā)射和來自所述槽的輻射再發(fā)射相長干涉，從而產(chǎn)生在遠場的準(zhǔn)直輻 射。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中由所述裝置發(fā)射的輻射在與所發(fā)射的輻射的傳播 方向垂直的一維上或在與所發(fā)射的輻射的傳播方向垂直的平面中具有小于10°的半值寬 度發(fā)散角。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中從所述裝置發(fā)射的輻射在與所發(fā)射的輻射的傳播 方向垂直的一維上或在與所發(fā)射的輻射的傳播方向垂直的平面中具有小于5°的半值寬度 發(fā)散角。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述槽具有生成所述表面等離子體激元的諧振槽 腔模式的深度。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述輻射發(fā)射裝置發(fā)射具有自由空間波長λ。的 輻射，且所述槽具有λ。的20%或更小的寬度。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述一組槽設(shè)置在所述孔的一側(cè)，且至少一個附 加槽設(shè)置在所述孔的相對側(cè)，所述附加槽用于將表面等離子體激元反射穿過所述孔到達所述一組槽。
20.一種制造生成準(zhǔn)直輻射的設(shè)備的方法，包括在包括激光器有源核的半導(dǎo)體基底上沉積電介質(zhì)膜；在所述電介質(zhì)膜上沉積金屬膜；在所述金屬膜中銑削一組間隔遞增的槽，其中所述槽的深度小于沉積的所述金屬膜的 厚度；以及在所述激光器有源核的前方銑削貫穿所述金屬膜的孔。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中通過選自聚焦離子束銑削、光刻、電子束蝕刻、微 接觸印刷以及壓印光刻中的方法銑削所述間隔遞增的槽。
22.一種制造生成準(zhǔn)直輻射的設(shè)備的方法，包括在包括激光器有源核的半導(dǎo)體基底上銑削一組間隔遞增的槽； 在經(jīng)銑削的半導(dǎo)體基底上沉積電介質(zhì)膜；在所述電介質(zhì)膜上沉積金屬膜，其中所述金屬膜具有與下面的半導(dǎo)體基底中的所述槽 一致的輪廓；以及在所述激光器有源核的前方銑削貫穿所述金屬膜的孔。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中通過選自聚焦離子束銑削、光刻、電子束蝕刻、微 接觸印刷以及壓印光刻中的方法銑削所述間隔遞增的槽。
全文摘要
一種對輻射進行準(zhǔn)直的設(shè)備可包括亞波長尺寸的孔以及在金屬膜上限定的鄰近的一組槽，該金屬膜與發(fā)射輻射的有源或無源裝置一體形成。在激光器或其他輻射發(fā)射裝置的端面上集成光束準(zhǔn)直儀提供了光束準(zhǔn)直和極化選擇。與現(xiàn)有激光器的輸出相比，光束發(fā)散度可減小一個以上數(shù)量級。具有孔槽結(jié)構(gòu)的有源光束準(zhǔn)直儀可與多種光學(xué)裝置集成，例如半導(dǎo)體激光器(例如量子級聯(lián)激光器)、發(fā)光二極管、光纖以及光纖激光器。
文檔編號G02F1/29GK101910935SQ200880123844
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月19日
發(fā)明者喬納森·凡, 虞南方, 費德里科·卡帕索 申請人:哈佛大學(xué)的校長及成員們