激光技术作为现代光电子学的重要基石,经历了数十年的快速发展,应用领域涵盖通信、医疗、生物传感、量子信息等诸多前沿科技。在激光器的设计与制造过程中,体积小型化、低阈值、高品质因子以及稳定的单模工作状态一直是追求的目标。近日,超紧凑多束缚态辅助平带激光器成为研究焦点,为激光器小型化和性能提升提供了新的可能性,推动集成光电子设备迈向更高水平。 多束缚态辅助平带激光器基于光子晶体结构及其独特的光学态 - - 束缚态于连续谱(Bound States in the Continuum,简称BIC)。BIC模式是一类特殊的非辐射局域模式,理论上寿命无限,能够有效地抑制辐射损失,是实现单模激光及低阈值激光的理想候选。在传统大尺寸光子晶体腔中,BIC通常位于布里渊区的Γ点,具备低群速度和强场局域化能力,这意味着光可以在腔体中长时间共振而不易泄漏。
然而,当激光腔尺寸被大幅缩减时,离散化的动量空间效应使得模式特性发生转变,BIC模式会偏离Γ点,导致其非辐射性质与零色散特性退化,进而引发品质因子(Q值)下降和侧向漏光增多,这给制造高性能微型激光器带来了巨大挑战。为应对这一问题,科研团队提出了结合平带与多束缚态概念的创新结构设计。平带代表光子能带在一定区域内呈现几乎无色散的性质,显著降低群速度,增强腔内光的反馈机制。多束缚态则通过构造一系列偶然简并态,在动量空间周围形成高Q值的宽容许区域,从而增强对制造误差和有限尺寸效应的容忍度。 具体实现上,研究者采用三井共振声子结构的GaAs/AlGaAs材料体系,结合双金属层结构作为激光腔体的垂直光学限定手段。通过在激光活性区钻刻菊花形状的空气孔形成三角光子晶体阵列,精细调控光子能带出现特殊的平坦态和平带附近的多束缚态。
菊花形状的设计不仅提供了丰富的调节参数,还能实现束缚态的偶然简并,令平带模式在有限尺寸腔体中保持极强的场局域化和极高的Q值。 实验结果表明,该设计实现了边长约为三个波长的超紧凑光子晶体激光腔,报告的品质因子约为1440,约为普通单束缚态BIC模式的40倍。激光器在电流密度仅为0.19 kA/cm²的极低阈值下实现单模发射,侧模抑制比高达20 dB。光束呈现出良好的方向性和稳定的面发射特征。此外,器件具有良好的可扩展性,随着腔体尺寸扩大,Q值进一步提升,单模特性得以保持,极大拓展了其实用范围。 这种超紧凑多束缚态辅助平带激光器的设计优势在于有效消除了传统超小腔体激光器所面临的边界散射和模式串扰问题。
平带的极低群速度实现了强烈的面内光场反馈,防止模式扩散到腔体外部区域,而多束缚态的高Q区间则抵御了器件尺寸限制以及制程中不可避免的结构缺陷,确保了模式的高选择性和稳定性。通过双金属配置,垂直方向的光学约束极为紧密,进一步提高了激光的光学损耗阈值。 从应用角度看,这一技术为芯片级集成激光器的开发提供了强有力的支持。超小尺寸与低功耗的特点使其非常适用于高速光通讯、量子计算中的单光子源、医学成像设备以及生物传感传感器等。特别是在太赫兹波段,发光源的紧凑化和高性能是实现灵活成像及高速无线通信的关键,此激光器设计的成功有望推动相关应用的产业化进程。 未来,平带多束缚态设计理念可进一步推广至近红外和可见光频段,适配多种半导体材料体系及激光结构。
结合纳米制造技术的进步,有望实现更加精准的能带工程和模式控制,促进激光器向更高功率、更低阈值以及更强稳定性迈进。此外,基于该设计的激光器预计将在非线性光学、频率转换及调制器件中发挥重要作用,为光电子技术带来全新突破。 综上所述,超紧凑多束缚态辅助平带激光器以其创新的光子带结构设计,显著提升了微型激光器的品质因子和模式稳定性,克服了传统光子晶体腔体的局限,为集成光电子及相关领域注入了新的活力。该技术不仅促成了紧凑、高效激光平台的建立,同时也为未来多功能光器件集成、能源效率优化和智能光学系统开发奠定了坚实基础,具有广泛的研究价值和产业前景。 。
