研究提出超低阈值连续波量子点迷你BIC激光器

图1：a，迷你BIC腔（区域A）被光子带隙边界（区域B）包围形成光子异质结构的示意图。b，无限PhC板的计算带图：无限大PhC的连续带（TE A，由黑色虚线表示）在光线上方分裂成一系列离散模式，其中M11位于区域B的带隙中（TE B，由蓝色实线表示）。资料来源：钟汉良、余英、郑子阳、丁正清、赵学博、杨嘉伟、魏玉明、陈迎新、余思远

具有超低阈值和紧凑尺寸的激光器是光子集成电路中非常理想的元件，旨在应用于光通信、芯片级固态激光雷达和量子信息。实现这种激光器的一般方法是通过将增益材料嵌入到具有高质量（Q）因子和/或小模式体积（V型）的数个或亚波长尺度的光腔中，从而有效地捕获光并促进光-物质的相互作用。

通过引入缺陷型PhC模式或连续体中的光子束缚态（BICs）模式，在平面光子晶体上实现了低阈值激光。对于激光作用，所报道的缺陷型PhC激光器虽然表现出极小的V型模式，因而具有超低的阈值，但由于对结构无序的敏感性而遭受不稳定。

在这方面，可能受益于拓扑稳健性的BIC激光器是最有希望的替代架构之一。然而，PhC板或光栅中具有高Q因子的辐射BIC（准BIC）模式的实现往往需要扩展的横向周期性结构，以减少平面内的光泄漏，因此内在地限制了它们的足迹到数百个单元格。此外，BICs只能限制垂直方向的光，使其阈值难以进一步降低。

中山大学的余英和余思远研究小组通过将O波段InAs/GaAs外延QD增益材料与微型BIC腔相结合，实现了具有低阈值和小V型的CW操作BIC激光器。受益于迷你BIC腔和QD提供的光和载流子的三维约束，实现了低于20μW的超低阈值和约2.5×2.5μm2的小尺寸。该研究发表在《光》杂志上： 科学与应用》杂志。

图2：a，室温下不同泵浦功率下的辐射光谱。b，激光器阈值的温度依赖性，蓝线代表实验数据的指数拟合（黑点），揭示了93.9K的特征温度T0。插图显示了303K时激光器的测量L-L曲线，表明阈值为17μW。c，不同尺寸和不同周期的腔体中M11模式的典型测量激光波长与理论共振波长非常一致。实现了近80纳米的宽调谐范围，具有高度可预测的波长。资料来源：钟汉良、余英、郑子阳、丁正清、赵学博、杨嘉伟、魏玉明、陈迎新、余思远
与传统的BIC不同，迷你BIC不仅在垂直方向上限制光线，而且通过横向异质结构的光子带隙在横向上捕获光线。因此，它对长距离的周期性没有要求，从而允许更小的结构尺寸。迷你BIC结构由两组具有不同周期的光子晶体A和B组成，如图1a所示。模腔A作为激光器的谐振微腔。

由于它是一个有限的光子晶体，它的模式以k空间的离散状态Mpq存在（其中p和q是正整数，如M11）。通过将A的状态Mpq设计成正好在B的带隙中，光可以被横向捕获。如图1b所示，M11和M12/M21是光锥上方连续体中的谐振态。为了进一步加强垂直光禁锢，可以通过微调区域A的晶格常数和孔的半径，将离散状态设计成与k空间中的意外BIC模式相融合。首选发光模式的Q因子也可以进一步提高。

实验中，研究人员首先在InAs/GaAs QD有源膜上用微机械加工制作了迷你BIC结构，然后将有源膜转移到玻璃衬底上。最后，用紫外线固化胶在膜的表面覆盖一层玻璃，以确保PhC板的镜像翻转对称性。通过设计，在腔体尺寸缩小到5×5个单元格（约2.5×2.5μm2，模式体积为1.16(λ/n)3）的情况下，实现了连续波、单模式照明。

如图2a所示，该装置表现出17 μW（0.074 kW cm-2）的超低单模激光阈值。进一步的温度依赖性激光器性能测试表明，最高工作温度可以达到343K（70℃），特征温度被拟合为93.9K，如图2b所示。通过对结构参数的精心设计，迷你BIC激光器还在80纳米的波长范围内进行了调谐（图2c）。

总之，研究人员通过在外延QD增益膜中制造一个小型化的BIC腔，展示了一种能够在所有三个维度有效捕获光和载流子的结构。他们成功地实现了高效、高光谱质量、精确波长工程的微型激光器，波长范围为1310纳米的O波段。通过膜转移技术制造的微型BIC激光器，可以灵活地在不同的基底上实现，如硅或LiNbO3。

迷你BIC激光器具有占地面积小、超低阈值和适应性强、精确波长工程等优点，为未来旨在实现大容量光通信、传感和量子信息的PICs提供了一个视角光源。

参考资料

Hancheng Zhong et al, Ultra-low threshold continuous-wave quantum dot mini-BIC lasers, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01130-5