小型化連續(xù)域束縛態(tài)量子點激光器

微納尺度的超低閾值半導(dǎo)體激光器對光通信、光傳感和量子信息等領(lǐng)域研制更大規(guī)模、更高性能的光子集成芯片（Photonic Integrated Circuits, PICs）具有重要的科學(xué)價值和應(yīng)用意義。

實現(xiàn)微納激光器的一般方法是通過將增益材料嵌入高品質(zhì)因子（Quality Factor, Q）和小模式體積的光學(xué)微腔中，實現(xiàn)對光與物質(zhì)相互作用的增強(qiáng)。在具有缺陷態(tài)或連續(xù)域束縛態(tài)（Bound States in Continuum, BIC）的平板光子晶體上已實現(xiàn)了超低閾值的激射。前者雖然具備超小的尺寸和極低的閾值，但是對結(jié)構(gòu)的偏差非常敏感。后者表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性，并因其理論上奇特的高Q特性被大量關(guān)注和研究，然而為接近理想的BIC，平板光子晶體通常需要上百個周期的結(jié)構(gòu)單元，使得器件的尺寸無法進(jìn)一步減小；由于BIC只能夠?qū)崿F(xiàn)垂直方向維度的光子強(qiáng)限制，其閾值也難以進(jìn)一步降低。

Mini-BIC結(jié)構(gòu)的核心設(shè)計思想結(jié)合了連續(xù)域束縛態(tài)的垂直方向限制和光子晶體禁帶反射結(jié)構(gòu)的橫向限制作用，通過對光子的三維強(qiáng)限制實現(xiàn)更小的結(jié)構(gòu)尺寸。如圖1a所示，Mini-BIC結(jié)構(gòu)由A和B兩套不同周期的光子晶體嵌套組成。其中A區(qū)域的有限光子晶體作為激光器的諧振微腔。通過設(shè)計使得A區(qū)域的離散模式（例如M11模式）恰好處于B區(qū)域光子晶體的禁帶中（圖1b），可實現(xiàn)對微腔模式的橫向強(qiáng)限制。這些離散模式是處于光錐以上（綠色區(qū)域）連續(xù)域中的諧振態(tài)，還可以通過精細(xì)調(diào)控光子晶體孔洞半徑和周期，使得所謂“偶然BIC（accidental BIC）”模式與其動量相匹配，進(jìn)一步提升其垂直方向的光限制、增加其Q值。通過在實驗室自主外延生長的對電子具有三維限制的InAs/GaAs量子點薄膜增益材料中加工上述BIC結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對光子和載流子的同時強(qiáng)限制。

圖1 小型化連續(xù)域束縛態(tài)（mini-BICs）激光器的原理。(a) Mini-BICs激光器的示意圖；(b) 平板光子晶體的能帶圖：處于光線（Light Line）以上輻射域中有限光子晶體A的能態(tài)，位于區(qū)域B的帶隙中。

研究人員采用微加工工藝制備上述微納結(jié)構(gòu)，然后采用薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)將其轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上，最后以紫外固化膠作粘結(jié)劑在其上方再覆蓋一層玻璃，形成mini-BIC所需的在垂直方向?qū)ΨQ的平板三明治結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了最小微腔尺寸約為2.5×2.5 μm2，模式體積約為1.16(λ/n)3、閾值功率僅17 μW（圖2a）的室溫連續(xù)光泵浦單模mini-BIC激光器，器件最高工作溫度可達(dá)343 K(70 ℃)，擬合特征溫度高達(dá)93.9 K（圖2b）。通過改變光子晶體周期與尺寸，實現(xiàn)了約80 nm范圍內(nèi)的激射波長調(diào)諧（圖2c）。

圖2 mini-BICs激光器的單模激射性能表征及波長調(diào)諧。(a-b)Mini-BIC激光器 (r= 208 nm,a= 499 nm,Na= 5)在室溫條件下的變功率輻射譜(a)和變溫測試結(jié)果(b)。(c)激射波長隨周期數(shù)及周期大小的變化。

將半導(dǎo)體量子點與連續(xù)域束縛態(tài)微腔結(jié)合，在同一個結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了對電子和光子的雙重三維強(qiáng)限制，成功實現(xiàn)了微米尺度的低閾值、波長可精確調(diào)控的光泵單模半導(dǎo)體激光器。采用薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)制備的mini-BIC激光器具有工藝靈活性，可在不同的襯底（如硅或鈮酸鋰）上制備器件。在BIC腔內(nèi)對光子和載流子同時實現(xiàn)三維強(qiáng)限制的機(jī)制為實現(xiàn)光與物質(zhì)強(qiáng)相互作用提供了新途徑，為后續(xù)進(jìn)一步實現(xiàn)電泵浦的BIC激光器打下了基礎(chǔ)，也為未來片上高密度光電集成光源提供了新思路。

審核編輯 ：李倩