导 读
近日, 西安交通大学电子与信息工程学院固态照明中心云峰教授课题组与物理电子与光电子技术研究所李峰教授课题组合作，利用氮化物晶体双薄膜的应力作用使其向上翘曲，首次实现了具有三维回音壁模式(Whispering-Gallery mode, WGM)的光学微腔 (microcavity)结构，并观测到光学模式沿角向分布的非对称性以及单模激光输出。相关研究成果以“Three-Dimensional Anisotropic Microlaser from GaN-Based Self-Bent-Up Microdisk”为题发表在国际著名期刊ACS Photonics 上。论文第一作者为固态照明中心李虞锋教授，李峰教授、云峰教授为论文共同通讯作者。
回音壁微腔通过连续全反射原理实现高品质因数的光学谐振，在微纳激光、光学传感、拓扑光学、光与物质相互作用等领域具有广泛的应用。早期的回音壁微腔通常具有对称的圆形结构，如微盘、微环等，其光学模式沿圆周传播并沿切向输出。为了提高激光输出的方向性以及与外置波导的光学耦合性能，各种形态的非对称回音壁微腔也先后被设计研究。然而迄今为止，回音壁微腔的模式都是局限在腔体所在二维平面内，难以通过简单易行的制备方法实现垂直激射的光学器件。
论文首先研究了自翘曲微盘的制备。通过在蓝宝石衬底上生长n+-GaN薄膜和GaN/AlGaN应力双薄膜，并通过电化学方法把n+-GaN薄膜选择性腐蚀掉，使得GaN/AlGaN双薄膜的应力得到释放，在形成悬空微盘的同时向上翘曲。翘曲微盘的曲率与微盘尺寸、厚度以及合金材料成分比有直接关系，可通过调节这些参数控制微盘的形状【图1（a）-(f)】。尽管微盘的厚度只有50nm并存在高度的三维空间曲率，仍可以在其中观测到Q值较高（~1300，激光阈值以下，发射光谱）的回音壁模式【图1（g）】。由于模式的三维分布特征，当用显微镜从正上方收集时，收集到的光强体现出非对称性，腔模光子动量垂直分量大的空间点处收集到的光强最强，反之则弱【图2】，这为设计在三维空间内具有方向性激射特征的回音壁微腔创造了有利条件。同时，微盘的卷曲形状引入了额外的模式选择机制，使得自由光谱范围较小的翘曲微盘实现了单模激射【图3】，并通过实验方法验证了这种单模激射存在于全空间【图4】。自翘曲微盘腔增加了腔模光子在垂直方向的自由度，可在未来集成光学芯片中作为连接来自不同高度的集成光路的有源器件。
(a-c) 直径5μm微盘SEM图；
(d-f) 直径12μm微盘SEM图；
(g) 直径12μm微盘在激光阈值之下，不同泵浦功率的荧光谱。
（a）翘曲微盘示意图；
（b）FDTD模拟出的（a）中3个monitors截面处的模式光场分布，说明模式确实分布于微盘边缘；
（c）阈值之下从微盘正上方收集到的荧光图像。其中P2点由于模式的垂直分量最大因而收集到的荧光最强。
(a) 微盘辐射强度随泵浦强度的变化，呈现激射式非线性特征；
(b) 激射的空间光强分布，具有非对称特征，仍然P2处最强；
(c) 在不同空间位置测到的激射谱，波长与线宽都一致，证明空间中只存在一个激射模式。
用光纤从微盘侧面收集出射光，其激射波长与线宽同微盘上方收集保持一致，证明在全空间中只存在一个激射模式。
文章链接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.8b01061
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