Science:超快调控的微型激光- 大数跨境

两江科技评论

2020-02-29

导读：近日，哈尔滨工业大学、纽约城市大学和澳大利亚国立大学联合研究团队发现拓扑保护的BIC具有其特殊的优势。

导读

BIC概念最初由冯·诺伊曼（Von Neumann）和魏格纳（Wigner）在量子力学中提出，最近在光学里得到重新的研究，尤其是更具鲁棒性的Accidental BIC受到了非常大的关注。近日，哈尔滨工业大学、纽约城市大学和澳大利亚国立大学联合研究团队发现拓扑保护的BIC具有特殊的优势。即这类BIC对于对称性的局部微扰非常敏感，使结构的对称性成为一个新的调控维度。此维度结合BIC模式远场相干相消的发射特性以及增益对折射率虚部的改变，可以实现激光发射的超快调控。

研究背景

全光开关是一种用光来操控光的设备，是现代光计算和信息处理的基石。创造一种高效、超快且紧凑的全光开关已经成为下一代光计算和量子计算的关键。原理上来说，低能线性状态下的光子之间并不会直接产生相互作用，通常需要引入腔体，使光子在其中产生谐振，从而增强光场以提升光子间的相互作用。在早期的工作中，研究者们已经通过优化微环或光子晶体等谐振器的方法实现了全光开关性能的迅速提升。然而在进一步提升性能的过程中碰到了瓶颈——超低能耗和超短切换时间难以达到一个令人满意的平衡。这是因为传统的超快全光开关利用非线性折射率或非线性吸收来产生一个光比特。这些技术或者需要很高的激发能量以实现波长偏移或者饱和吸收等。利用高品质因子的谐振腔可以降低对激发能量的要求，然而高品质因子模式的长寿命又限制了高速的开关。为了解决这个问题，人们也尝试使用等离子体纳米结构，但这类结构存在非常大的插入损耗和传输损耗，信号需要的二次放大的能量往往被忽略。而拓扑保护的连续域中的束缚态（BIC）的激光特性有望最终解决这一长期的挑战。

创新研究

为了证实这一观点，研究者将MAPbBr³钙钛矿薄膜制备成了正方形周期排列的纳米结构并将其光泵浦。对称保护的BICs实现了单模激光出射。出射激光在垂直方向表现为环形光束，带有2°的发散角。偏振测试和自相干图样表明出射激光光束是带有轨道角动量（OAM）和径向偏振。具有OAM的定向激光发射已经由加州大学伯克利分校的B. Kante观察并解释过了。它与BIC处的极化涡旋和实际样品引起的横向自旋角动量有关。也可以通过圆偏振光激发来实现。相较而言，BIC微型激光器在全光切换方面更具吸引力。研究表明，泵浦形貌可以有效地控制BIC激光。通过第二道光束部分增加光学增益，可破坏系统的四重旋转对称性，BIC激光出射将退化为普通的光栅发射。最终，环形光束变为两个线性旁瓣光，反之亦然。这种转变发生在1-1.5 ps的时间内。同时还可以在2-3 ps内实现从环形光束到两个旁瓣光再回到环形光束的完整过渡（见图1）。这种切换时间比BIC微激光器的寿命快一个数量级以上，清楚地表明激光器寿命对切换时间的限制已被打破。

激光阈值约为4.2 µJ /cm²，单比特能耗类似于当前的全光开关。这是因为目前的钙钛矿纳米结构质量较差，不能支持BIC点上的超高品质因子。在将来，利用BIC的超高品质因子可以进一步将阈值降低几个数量级，从而打破全光开关的所有局限性。同时，这种机理不受光激发的限制。具有超快调控的电驱动BIC微激光器也是有望实现的，并且这种超快调控的BIC激光器的级联片上集成对于未来的光计算和量子计算将起到重要作用。

图1：准BIC微型激光器的超快控制。（A）两束泵浦光的实验示意图。两个光束在空间d <2R处失谐，在时间上延迟了τ。插图显示了在对称和非对称激发下钙钛矿超表面的远场发射模式。（B）从BIC微型激光器到线性偏振激光器的过渡。 I_1,2是插入物（A）中标记区域的强度。插图显示了相应的光束轮廓。（C）（B）的逆过程。（D）从环形波束到旁瓣波束的转换，并在几皮秒内返回。红色曲线是过渡时间计算的引导线。

总结

该结果发表于2020年2月28日Science（Science 367, 1018-1021 (2020）上。论文第一作者为黄灿，第一完成单位为哈尔滨工业大学，由哈尔滨工业大学、纽约城市大学、和澳大利亚国立大学合作完成。通讯作者是宋清海教授、Yuri Kivshar教授和葛力教授。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、深圳市科创委、发改委、可调谐激光技术国家重点实验室、微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室、极端光学协同创新中心等的支持。