纳米激光器外量子效率

纳光电子集成芯片是目前信息技术领域的核心挑战之一，而低能耗的纳米激光器则是实现真正意义的光子集成芯片的“瓶颈”技术之一。等离激元纳米激光器是一种三维物理尺度可同时小于出射波长的新型激光器，有望同时实现高于100 GHz的高速调制和低于10 fJ 量级的单位比特功耗，从而对芯片上光互联、激光雷达、无线光通讯等技术产生推动，受到工业界和学术界的关注。然而金属微腔利用等离激元效应所带来的电磁场空间局域化伴随着寄生损耗，激光器的能量会转化成热，不但会降低外量子效率，还会让器件退化。但是因为体积小、功率低、有大发散角等原因，致使对纳米激光器外量子效率的表征一直未能实现。

在该工作中，研究人员提出了一种表征等离激元纳米激光器外量子效率的方法：激光器激射模式必须是激光器的本征模式；纳米激光器的小体积使得只有很少的本征模式可与增益谱线重合从而实现激射；特别是对于单模激射的激光器而言，如果确定了实验中的激射模式，就可以通过三维全波模拟确定其全部辐射特征（图1a），这样就可以通过测量一部分的辐射能量得到纳米激光器的所有辐射能量的大小（图1b）。

图1等离激元纳米激光器辐射场。a.辐射场示意图；b.辐射场角分辨示意图，粉色扇形部分为实验上可以被收集到的部分。

纳米激光器的外量子效率可表示为内量子效率和萃取效率的乘积，通过降低纳米激光器的辐射品质因子可以提高其萃取效率，进而提高其外量子效率，但是激光器辐射品质因子的降低会同时降低激光器的性能。为了在实现高的外量子效率的同时保持纳米激光器的高性能，研究人员优化了纳米激光器的增益材料，使得纳米激光器的内量子效率可以达到100%；同时优化了纳米激光器中的金属材料和反馈机制；因此在实现了一个高的萃取效率的同时，仍然可以拥有一个较高的辐射品质因子，从而保证了高性能室温激射（图2）。

研究人员在自发辐射阶段观测到了明显的微腔模式，其中位于710 纳米的模式的品质因子为178（图2b），模式体积仅为0.058波长立方。在自发辐射阶段观测到微腔模式不仅显示了激光腔的较高品质因子，同时表明增益材料辐射有效的耦合到了微腔模式中。随着泵浦功率的增高，通过归一化的光谱可以看到明显的从自发辐射到受激辐射的转变过程（图2c），对应的激射阈值为3.5 毫瓦。在高于阈值的激射阶段，可以看到明显的单模输出，激射线宽仅为0.28纳米（图2d）。

图2等离激元纳米激光器性能。a. 纳米激光器的原子力显微镜扫描图; b. 自发辐射下的光谱图；c. 归一化光谱图；d. 激射光谱图。

图3给出了纳米激光器辐射图样随泵浦功率变化：在自发辐射阶段，辐射图样来自于多个微腔本征模式的叠加，观测到的辐射图样是沿着微腔边缘均匀出射（图3a）；当泵浦功率达到阈值附近时，辐射图样开始出现特定分布（图3b）；当完全激射时，激射模式占主导（图3c）。通过与模拟计算进行对比，可以确定该激射的本征模式（图3d）。

图3 等离激元纳米激光器辐射图样 a. 低于阈值时自发辐射图样； b. 阈值附近辐射图样；c. 完全激射时辐射图样；d. 计算得到的该本征模式辐射图样。

利用得到的激射本征模式场分布，通过Stratton-Chu公式，可以计算得到纳米激光器激射模式的远场分布 (图4)。实验中直接测量的为图4中圆锥形区域的出射功率。在3.6倍阈值功率下，可以得到等离激元纳米激光器的外量子效率为11.9%，对应的微分外量子效率为13.4%。当纳米激光器处于激射状态时，其微分外量子效率在测量泵浦范围内保持不变，如图4c所示。进一步的提高纳米激光器的外量子效率可以通过降低微腔辐射品质因子或者利用波导耦合增强辐射速率等方法来实现。

图4 等离激元纳米激光器外量子效率 a. 等离激元纳米激光器激射模式的远场分布； b. 极坐标下激射模式的远场分布； c.纳米激光器微分外量子效率随泵浦功率变化图。