中山大學發(fā)布超低閾值、室溫連續(xù)光泵浦Min-BIC量子點激光器

  01導讀

  中山大學電子與信息工程學院(微電子學院)、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室喻穎、余思遠課題組基于小型化連續(xù)域束縛態(tài)(Miniaturized Bound State in Continuum, mini-BIC)的光學微腔，結(jié)合課題組自主外延生長的高性能InAs/GaAs量子點增益材料，成功制作出具有超小尺寸和超低閾值的室溫連續(xù)光泵浦的微納激光器，為研制新一代光子集成芯片的高密度集成光源提供了新方案。

  相關成果以“Ultra-low threshold continuous-wave quantum dot mini-BIC lasers”為題，于04月25日在線發(fā)表在Light: Science & Application上。

  02研究背景

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

  實現(xiàn)微納激光器的一般方法是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微腔中，從而實現(xiàn)對光與物質(zhì)相互作用的增強。在具有缺陷態(tài)微腔或連續(xù)域束縛態(tài)(Bound States in Continuum, BICs)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)的制作偏差非常敏感。后者表現(xiàn)出較強的魯棒性，并因其理論上高Q特性被大量關注和研究，然而為接近理想的無限邊界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一步減小。同時，由于BIC只能夠?qū)崿F(xiàn)垂直方向維度的光子強限制，缺乏其他維度的光子束縛，其閾值也難以進一步降低。

  03研究創(chuàng)新點

  為了應對這一挑戰(zhàn)，研究團隊采用了小型化連續(xù)域束縛態(tài)(Mini-BIC)微腔的思路。Mini-BIC結(jié)構(gòu)的核心設計思想結(jié)合了連續(xù)域束縛態(tài)(BIC)的垂直方向限制和光子晶體禁帶反射結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)限制作用，通過對光子的三維強限制實現(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)域有限周期的光子晶體作為激光器微諧振腔。通過設計使得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)，從而實現(xiàn)對微腔模式的橫向強限制。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)，還可以通過精細調(diào)控光子晶體孔洞半徑和周期，使得“偶然BIC(Accidental BIC)”模式與其動量相匹配，進一步提升其垂直方向的光限制和Q值。在對載流子具有三維限制作用的InAs/GaAs自組裝半導體量子點薄膜增益材料中制作上述BIC結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)對光子和載流子的同時強限制，從而大幅度降低激光器的閾值。

  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。

  研究組采用微加工工藝制備上述微納結(jié)構(gòu)，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)，最終成功制作出最小微腔尺寸約為2.5×2.5 μm2，模式體積約為1.16(λ/n)3的室溫連續(xù)光泵浦單模Mini-BIC激光器(圖2a)。該激光器的閾值功率僅17 μW，而且其閾值功率密度只是已報道的具有最佳特性的半導體BIC激光器的1/236。同時，器件最高工作溫度可達343 K (70 ℃)，擬合特征溫度高達93.9 K(圖2b)。通過改變光子晶體周期與尺寸，還能夠?qū)崿F(xiàn)約80 nm范圍的激射波長調(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);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。

  04總結(jié)與展望

  本研究首次將半導體量子點與連續(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限制，成功研制出微米尺度的低閾值、波長可精確調(diào)控的光泵室溫連續(xù)波工作單模半導體激光器。采用薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)制備的Mini-BICs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，這將大幅推動多波長的高性能微納激光器陣列在實際應用領域的發(fā)展。而在BIC腔內(nèi)，同時對光子和載流子實現(xiàn)三維強限制的方法將為實現(xiàn)光與物質(zhì)強相互作用研究提供了新途徑，這不僅為后續(xù)進一步實現(xiàn)電泵浦的BIC激光器打下了基礎，而且還為未來片上高密度光電集成光源提供了強有力的候選方案。

  中山大學博士研究生鐘漢城為第一作者，喻穎副教授和余思遠教授為共同通訊作者。該工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金項目、廣東省重點研發(fā)項目、廣州市重點研發(fā)項目、廣東省珠江人才計劃本土創(chuàng)新科研團隊項目以及中山大學光電材料與技術(shù)國家重點實驗室等的大力支持。

  原文鏈接：

  中山大學成功研制出具有超低閾值、室溫連續(xù)光泵浦Min-BIC量子點激光器

  https://seit.sysu.edu.cn/article/2282