图1 准连续体束缚态光子晶体激光器的结构和测试系统示意图
1.导读
具有高光束质量和低阈值的超紧凑激光器一直是纳米光子学领域长期追求的目标。然而传统的光学谐振腔结构存在占地面积大，束缚光能力有限，难以定向光输出等问题。连续体中的束缚态（BIC）已被证明是一种有效的捕获光的方法，近年来引起了广泛的关注。理论上，具有无穷大品质因子（Q）的理想BIC只存在于对称或周期结构中，也称之为对称-保护BIC。基于此原理能设计出低阈值激光器，但存在输出功率有限的问题。
为解决这一问题，有两种可行的方法。一是将理想BIC转化为准BIC，二是进一步缩小有源区，以提高激光阵列的密度。基于此，近日西湖大学李兰研究团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一个六边形异质结构光子晶体腔，具有绕z轴60°的旋转对称。激光模式工作在由不同占空比的异质区域形成的模隙中，该模隙与布里渊区中心点（Γ点）略有偏离，并作用于准BIC的状态（见图2）。
图2 准连续体束缚态光子晶体激光腔的设计、仿真与计算
2.研究背景
利用光子带隙的可控性，尺寸为光学波长数量级的光子晶体为超紧凑谐振腔的设计提供了良好的平台。特别是一维光子晶体纳米梁和光子晶体缺陷腔具有理论上接近衍射极限的模式体积（V）且理论Q超过107。但是，由于光场被局限于很小的区域，它们的发射功率通常不足且发散角通常很大，这限制了它们实际的应用。最近，BIC的概念被证明是一种令人信服的设计，它可以抑制面外辐射，从而增加平面光学谐振器的Q因子。理论上，具有无限Q因子的理想BIC只存在于对称或周期性结构中，这与工作在带边模式下的无缺陷光子晶体腔非常吻合。由于Γ点的对称-保护BIC在法向上具有较强的辐射抑制作用，理论上可以实现具有低阈值、高定向的垂直腔面出射激光器。然而，这种优势是以有限的输出功率为代价的。
基于上述问题，有两种优化策略。第一种是通过破坏对称或截断无限尺寸将理想BIC转换为准BIC，从而产生高输出功率和高光束质量激光，同时保持较低的激光阈值。第二种是缩小有源区域，以提高纳米激光器阵列的密度。人们探索了各种技术来实现侧向约束，如空气悬浮光子晶体，用布拉格反射镜包围光子晶体，以及使用异质结构设计等等。考虑到制作难度和实际性能，异质结构的光子晶体腔具有明显的优势，比如通过调整周期或占空比，可以容易地形成不同晶格类型的带隙。此外，由于异质结构光子晶体的带边和色散对称点处的慢光效应，延长了光场与增益材料的相互作用时间，增强了光学增益。
3.创新研究
针对上述挑战，研究人员提出了一个六边形异质结构光子晶体腔，具有绕z轴60°旋转对称。激光模式工作在由不同占空比的异质区域形成的模隙中（见图2）。包层区在频域上的带结构是整体下移的，在Γ点附近产生模隙（图2d右图中的阴影区域）。理论上，第二边带上Γ点的模式是无限均匀六边形光子晶体晶格的对称保护BIC（也称为“暗模式”）。然而，在我们的设计中，激光模式形成于模式间隙，其中暗模式的特性被保留。这些腔模在结构中被垂直限制在具有长寿命的法诺谐振态，也可以称为准BIC。虽然所设计的光子晶体不能在目标波长范围内支持完整的面内带隙，但可以预计，模隙内的核心模式与相同频率的高阶包层模式之间的耦合将会很小。
进一步的，研究人员制备了准BIC激光器件，并且表征了其性能。图3a是周期为435 nm的器件的归一化功率相关光致发光（PL）光谱，展示了从自发发射到激光的转变。激光器的阈值功率密度为216.75 μJ/cm2，自发辐射因子为9.64 × 10−5，线宽为0.33 nm。图3e给出了五个不同周期的光子晶体腔的激光光谱，其单模激光波长范围为588.4 ~ 611.9 nm，覆盖了23.5 nm。
最后，研究人员测量了激光的发散角，仿真和测试结果拟合良好，展示了在法线方向上±1.85°的发散角（见图4）。
4.应用与展望
研究团队开发了一个可溶液加工的，具有高鲁棒性的氧化硅/量子点异质集成平台，可用于实现低阈值小发散角的准BIC激光器。在此基本设计原理下，通过使用合适的增益介质，可以将激发波长从可见光调谐到红外波段。由于单个光子晶体谐振腔的占地面积非常小，可以将其做成阵列，做一些有趣的单色甚至多色的显示应用。此外，氧化硅的折射率接近于大多数聚合物，可以将这种设计转移到柔性基板上，这可以实现各种有趣的应用，如通过机械拉伸调谐波长和生物特征信息识别等等。
通过不断的优化增益介质，特别是在抑制胶体量子点中的俄歇复合损失，可以实现更低的阈值和更宽松的抽运条件，如用连续波激光作为抽运源。基于理论上无限大的Q和设计的多样性，我们相信随着材料工程的不断发展，基于氧化硅/量子点异质集成平台的准BIC光子晶体激光器将在空腔量子电动力学、非线性光学和集成光子学等方面具有广阔的应用前景。
该研究成果以“Two-dimensional heterostructure quasi-BIC photonic crystal surface-emitting laser with low divergence”为题在线发表在Nanophotonics。
本文的第一作者是西湖大学博士生唐仁杰，通讯作者是西湖大学李兰研究员。该研究得到国家自然科学基金（62175202,12104375）和浙江省创新创业领军人才引进计划（2020R01005）基金的支持。
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