近日，上海交通大学物理与天文学院的陈险峰教授和陈玉萍教授团队首次演示了高Q掺铒薄膜铌酸锂（TFLN）光子晶体纳米谐振器，这也是TFLN光子晶体纳米激光器的首次演示: 基于纳米梁光子晶体微腔增强的Purcell因子和β因子，该光子晶体激光实现了极低的激光阈值(1.19μW)。相关研究成果以“Ultralow-Threshold Lithium Niobate Photonic Crystal Nanocavity Laser”为题，于2025年4月11日在线发表在Nano Letters上。
薄膜铌酸锂（TFLN）光子集成电路（PIC）近年来引起了人们极大的兴趣，在过去的几年里，人们展示了许多有趣的功能器件。TFLN平台被光子学界广泛认为是下一代集成光子学最有前途的平台。光学增益对TFLN PIC的可扩展性至关重要，稀土离子掺杂是实现这一目标的理想选择。陈玉萍，陈险峰教授团队在这个方向上是先驱，在TFLN激光器和放大器方面进行了一系列开创性的工作【Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 64(3): 234262 (2021)(自发表以来每年ESI高被引)；arXiv:2105.00214 (2021)；Optics Letters, 46(21), 5505(2021)】。
尽管世界各地的研究人员已经做出了巨大的努力，但考虑到随着激光介质的体积显著减少和潜在的热和光折变干扰，目前尚不清楚激光作用是否能在纳米级TFLN结构中持续存在；然而，纳米级的激光/放大作用对于TFLN PIC器件的小型化和该平台上光子集成度的提高是必不可少的。本论文工作清楚地解决了这个问题，提供了TFLN纳腔中超低阈值激光作用的有力证据。这篇论文工作在纳米级别TFLN光子器件研制实现上取得了飞跃，它对TFLN PIC的未来发展和集成光子学的发展将产生重要的影响。
该课题组在掺铒铌酸锂薄膜上用聚焦离子束刻蚀制备了纳米梁光子晶体纳腔，并首次实现铌酸锂光子晶体激光。光子晶体激光的示意图如图1(a)所示。器件的线性与非线性相应如图2所示。光子晶体微腔中的铒离子在泵浦光的激发下跃迁到更高能级，并经过非辐射跃迁发射通信波段的激光。该光子晶体微腔的仿真模式体积为
。得益于光子晶体微腔较高的
和
，激光的阈值被显著降低。该课题组在向微腔注入泵浦光后得到的激光光谱和输入-输出曲线如图2所示。该激光器的阈值功率为1.19μW，为目前掺铒铌酸锂平台上实现的最低的激光阈值。
图1 光子晶体激光的概念和结构。(a-b) 光子晶体激光的示意图和界面图。(c-d) 光子晶体微腔的空气孔位置参数、能带图和本征模式电场分布。(f)样品SEM图
图2 (a) (b)光子晶体微腔的线性与非线性响应。
图3 IAL 光子晶体微腔的激光性能。(a)激光光谱。(b-c)激光的输入-输出曲线，该激光实现1.19μW的激光阈值，其β因子约为0.23。
该论文工作在铌酸锂平台上首次展示了TFLN光子晶体微腔激光，该激光器体积在纳米级别、能耗低，具有热稳定性，可实现超低激光阈值。该紧凑光源在实现铌酸锂上高密度光子集成回路上有应用前景，有望与光通信、量子发射等应用相结合。
论文的第一作者为上海交通大学物理与天文学院博士生刘翔敏，陈承渝，通讯作者为上海交通大学陈玉萍教授，论文合作者为上海交通大学陈险峰教授。该工作得到国家自然科学基金重点项目、上海交通大学先进电子材料与器件校级平台和上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的大力支持，在此深表感谢。
论文链接：
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c06696
