激光器作为现代光电子技术的重要基础器件,广泛应用于通信、传感、生物医学以及量子信息等领域。随着集成光电子技术的飞速发展,对于超紧凑、小体积且高性能激光器的需求日益增长。然而,传统微型化激光腔因侧漏和辐射损耗显著,导致其质量因子(Q因子)降低,从而限制了激光器的性能提升。近年来,一种基于多束缚态辅助的平带激光器设计(ultracompact multibound-state-assisted flat-band lasers)应运而生,有效克服了微腔激光器面临的挑战,展现出极具潜力的应用前景。 超紧凑多束缚态辅助平带激光器的核心理念源自光子连续谱中的"束缚态于连续谱中"(Bound States in the Continuum,BIC)。BIC是一种特殊的光学模式,具备在辐射连续谱内无限长寿命的特性,表现为零辐射损耗。
这种特性使其成为实现低阈值、高Q因子激光器的理想候选模式。传统上,BIC模式通常受到对称保护,位于布里渊区中心(Γ点),具备较小的群速度,但在有限尺寸的微腔中,连续的光子能带被量化为离散模式,BIC模式的位置相对偏离Γ点,导致其非辐射特性和低色散特性退化,Q因子和模式选择性出现明显下降。 此外,小型腔体中侧向泄漏及辐射损耗的加剧,使得常规模型难以维持高性能运行。为应对这些问题,科学家们提出了平带(flat-band)概念,结合多束缚态特征,通过巧妙设计光子晶体结构,实现几乎无色散的光学态,大幅提高群指数,增强腔内平面反馈和场强局域化,从根源上抑制侧漏损耗。此外,多束缚态助力在动量空间形成宽广的高Q区域,使得腔体整体对尺寸、结构扰动和制造缺陷的鲁棒性显著增强。 平带多束缚态激光器设计通常采用三维光子晶体技术,结合三井谐振声子激光量子级联结构,通过钻孔复合形状的光子晶格(如雏菊形状气孔阵列)形成六角晶格超单元,实现在布里渊区中通过强制偶然简并形成平带。
该平带与两个线性色散存在锥点(狄拉克锥)相交,特性类似拓扑光学中的极化奇点,赋予模式独特的非辐射态及极高的Q因子。通过调节晶格参数,设计者还能创造多个偶然束缚态,进一步拓宽高Q区域,形成多BIC态,大幅提升整体激光性能。 在实际应用中,超紧凑多束缚态辅助平带激光器展示出极低的阈值电流密度和优异的单模选择性。相关实验表明,尺寸仅约为三个工作波长的腔体,Q因子可达约1440,与传统BIC腔体相比提升近四十倍,有效抑制副模激射,实现近乎理想的单模输出,侧模式抑制比高达20分贝。同时,这种超紧凑设计显著减少能耗和热量产生,极大提高器件的集成度和实用性。 该设计不仅局限于特定波段的量子级联激光器,基于材料和工艺的通用光学调控原则,可以推广到近红外甚至可见光波段,满足光通信、光学传感、量子计算和生物医学成像等多样化需求。
在更大尺寸的腔体内,由于平带和多BIC带来的高Q和良好的模式选择性,激光器依然保持稳定的单模特性,显示出极佳的可扩展性。 此外,其面发射的激光输出具有良好的空间方向性和稳定光束质量,有助于构建紧凑型光学系统。相较于传统的拓扑边缘态激光器或带隙激光器,该平带多束缚态激光器在尺寸、阈值和模式纯度等方面都表现卓越。该创新方案为未来高效节能、超小型集成激光器的发展提供了有效路径,也为实现光电子芯片的高度集成化奠定了坚实基础。 研究人员采用数值模拟及有限元计算工具,结合实际器件结构参数进行了详尽的电磁场分析。结果表明,平带模式因其极低的群速度,场分布紧凑且集中,有效减少腔体边缘泄漏。
双金属量子级联激光结构中的顶部和底部金属电极不仅承担电流注入功能,更实现了垂直方向光场的强劲约束。周围未图案化区域借助氧化硅层作为吸收边界,进一步降低了旁瓣泄漏。此外,设计中的多BIC模式通过拓扑极化奇点的特性,实现了模式鲁棒性提升,应对制造过程中不可避免的微小误差。 从产业角度看,这种超紧凑高性能激光器适合嵌入复杂微电子和光子集成电路,助力高速光互连和芯片间通信,降低系统功耗。生物传感领域亦可凭借其小尺寸和高灵敏度优势,实现便携式高精度检测设备。量子信息应用中的单光子源和可信的量子态操控,也将受益于其优异的单模稳定性和低噪声特性。
未来,针对更宽频带的模式优化和多功能集成,如调制、非线性频率转换及拓扑保护机制联合,平带多束缚态激光技术仍有极大的提升空间。随制造工艺的成熟和材料平台的多样化,其应用将进一步扩展至激光显示、环境监测及医疗光疗领域。 综上所述,超紧凑多束缚态辅助平带激光器依托创新的光子晶体设计与拓扑光学原理,实现了微腔激光的高效光场约束和模式管理,显著提升腔体质量因子与单模输出性能。其微型化、低阈值、高鲁棒性的特点推动了激光技术向集成化、节能化方向迈进,成为现代光电子领域不可多得的突破性发展,为各种未来智能光学应用提供强大支持。 。
