一種可重構(gòu)的莫爾相干納米激光陣列

北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、納光電子前沿科學(xué)中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室馬仁敏教授課題組成功實現(xiàn)了莫爾相干納米激光陣列，突破了納米激光僅能實現(xiàn)單個或固定陣列相干激射的限制，展示了納米激光能夠以“P”“K”“U”和“中”“國”等圖形生成可重構(gòu)的陣列化相干激射。研究成果以《相位同步可重構(gòu)莫爾納米激光陣列》(“Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization”)為題，于北京時間2023年12月14日在《自然》(Nature)雜志上發(fā)表?！蹲匀弧吠诳l(fā)了以《轉(zhuǎn)角系統(tǒng)使納米激光共同閃耀》(“Twisted system makes nanolasers shine together”)為題的專題評述文章，認(rèn)為該工作“為探索更小、更智能、更強(qiáng)大的激光光源開辟了道路”(“open an avenue for exploring smaller, smarter and more powerful laser sources”)。

半導(dǎo)體激光因體積小、能耗低、速度快等特性成為了現(xiàn)代信息技術(shù)的基石。近年來，可將光場極端局域化于分子尺度的納米激光為新一代信息技術(shù)和研究強(qiáng)光場局域下的光與物質(zhì)相互作用帶來了新的機(jī)遇。納米激光研究的核心目標(biāo)之一是實現(xiàn)可重構(gòu)的相控陣納米激光陣列。通過對各個納米激光進(jìn)行相位鎖定和控制，可獲得任意形狀的相干激射，從而開拓納米激光在激光雷達(dá)、激光顯示、相干計算和通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。然而由于缺乏相應(yīng)的物理機(jī)制，目前已報道的納米激光器只能實現(xiàn)單個或固定陣列的相干激射。

馬仁敏課題組利用莫爾超晶格中平帶局域波函數(shù)可重構(gòu)的特性，實現(xiàn)了可重構(gòu)且相位可調(diào)諧的相控陣納米激光陣列。這項工作基于課題組之前提出的魔角納米激光原理與技術(shù)。2021年，馬仁敏課題組提出并實現(xiàn)了魔角納米激光，利用在單個莫爾原胞內(nèi)的平帶波函數(shù)局域化，實現(xiàn)了高性能的納米激光(Nature Nanotechnology 16，1099—1105，2021)。隨后，該課題組又運用這一原理，成功構(gòu)建了硅基轉(zhuǎn)角納腔，其品質(zhì)因子超過1百萬(Fundamental Research 3，537—543，2023)。最新的研究工作取得了莫爾納米激光陣列的相位鎖定和控制，使其能夠生成任意形狀的陣列化相干激射。

課題組通過將兩套扭轉(zhuǎn)的光子晶體晶格加工在同一層半導(dǎo)體薄膜，得到光學(xué)莫爾超晶格結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中的非局域Bloch模式通過莫爾倒格矢產(chǎn)生耦合，形成實空間局域的本征模式。在能帶中這些局域的本征模式對應(yīng)于莫爾平帶。納米激光陣列的實空間和動量空間電場強(qiáng)度分布由傅里葉變換相互聯(lián)系，動量空間分布通過能帶結(jié)構(gòu)對應(yīng)出頻率分布，莫爾平帶保證了頻率的簡并性，使得任意形狀納米激光陣列的相干激射成為可能(如圖2、圖3)。

圖2. 莫爾平帶的本征能量簡并特性使得任意形狀納米激光陣列的相干激射成為可能。納米激光陣列的實空間和動量空間電場強(qiáng)度分布由傅里葉變換相互聯(lián)系，動量空間分布通過能帶結(jié)構(gòu)對應(yīng)出頻率分布，莫爾平帶保證了頻率的簡并性

圖3. 莫爾納米激光陣列以“P”“K”“U”和 “中”“國”圖形生成陣列化相干激射。由于莫爾平帶的本征能量簡并特性，任意形狀的莫爾納米激光陣列均能夠通過自發(fā)相位鎖定產(chǎn)生相干激射。圖中標(biāo)尺均為10微米

以U形狀納米激光陣列為例，通過自發(fā)相位鎖定產(chǎn)生相干激射的U形狀納米激光陣列具有更高的空間和頻譜相干性，表現(xiàn)為動量空間更為局域的方向性出射和頻譜空間良好的單模激射等非相干激射陣列所不具有的特性(如圖4)。

圖4. U形莫爾納米激光陣列相干特性。(a)掃描電子顯微鏡照片，橙色六邊形標(biāo)出了構(gòu)成U形的17個莫爾納米激光;(b)相干陣列的二階強(qiáng)度關(guān)聯(lián)函數(shù)隨泵浦功率變化圖;(c)輸出

功率隨輸入功率變化圖;(d—f)相干陣列激射的實空間圖案(d)、動量空間圖案(e)和光譜(f);(g—i)作為對比器件的非相干陣列激射的實空間圖案(g)、動量空間圖案(h)和光譜(i)

課題組還進(jìn)一步對納米激光的相對相位進(jìn)行控制，實現(xiàn)了相控陣納米激光陣列。圖5展示了具有不同相對相位分布的4個納米激光陣列實空間和動量空間圖案。圖中標(biāo)“+”和“-”的納米激光之間相差180度的相位，這些相位分布決定了4個納米激光器陣列具有不同的出射方向分布。

圖5. 相控陣納米激光陣列。(a—d)基模(a)、一階模(b)、二階模(c)、三階模(d)的實空間激射圖案，標(biāo)“+”和“-”的納米激光之間相差180度的相位;(e)基模、一階模、二階模、三階模中心Г點的角分辨強(qiáng)度分布圖 北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所2020級博士研究生欒弘義、歐陽云浩、趙紫薇為共同第一作者，論文作者還包括凝聚態(tài)物理與材料物理研究所2021級博士研究生毛文志。馬仁敏為通訊作者。 上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、新基石科學(xué)基金會等支持。(來源：北京大學(xué))

審核編輯：湯梓紅