中大新聞網訊（通訊員林銳娜）中山大學電子與信息工程學院（微電子學院）、光電材料與技術國家重點實驗室喻穎、余思遠課題組基于小型化連續域束縛態（Miniaturized Bound State in Continuum, mini-BIC）的光學微腔，結合課題組自主外延生長的高性能InAs/GaAs量子點增益材料，成功制作出具有超小尺寸和超低閾值的室溫連續光泵浦的微納激光器，為研制新一代光子集成芯片的高密度集成光源提供了新方案。
相關成果以“Ultra-low threshold continuous-wave quantum dot mini-BIC lasers”為題，于2023年4月25日在線發表在Light: Science & Application上。
微納尺度的超低閾值半導體激光器對光通信、光傳感和量子信息等領域研制更大規模、更高性能的光子集成芯片（Photonic Integrated Circuits, PICs）具有重要的科學價值和應用意義。
實現微納激光器的一般方法是將增益材料嵌入高品質因子（Quality Factor, Q）和小模式體積的光學微腔中，從而實現對光與物質相互作用的增強。在具有缺陷態微腔或連續域束縛態（Bound States in Continuum, BICs）的平板光子晶體上已實現了超低閾值的激射。前者雖然具備超小的尺寸和極低的閾值，但是對結構的制作偏差非常敏感。后者表現出較強的魯棒性，并因其理論上高Q特性被大量關注和研究，然而為接近理想的無限邊界BIC，平板光子晶體通常需要上百個周期的結構單元，使得器件的尺寸無法進一步減小。同時，由于BIC只能夠實現垂直方向維度的光子強限制，缺乏其他維度的光子束縛，其閾值也難以進一步降低。
為了應對這一挑戰，研究團隊采用了小型化連續域束縛態（Mini-BIC）微腔的思路。Mini-BIC結構的核心設計思想結合了連續域束縛態（BIC）的垂直方向限制和光子晶體禁帶反射結構的平面內限制作用，通過對光子的三維強限制實現更小的結構尺寸。如圖1a所示，Mini-BIC結構由A和B兩套不同周期的光子晶體嵌套組成，其中A區域有限周期的光子晶體作為激光器微諧振腔。通過設計使得A區域的離散模式（例如M11模式）恰好處于B區域光子晶體的禁帶中（圖1b），從而實現對微腔模式的橫向強限制。這些離散模式是處于光錐以上（綠色區域）連續域中的諧振態，還可以通過精細調控光子晶體孔洞半徑和周期，使得“偶然BIC（Accidental BIC）”模式與其動量相匹配，進一步提升其垂直方向的光限制和Q值。在對載流子具有三維限制作用的InAs/GaAs自組裝半導體量子點薄膜增益材料中制作上述BIC結構，可實現對光子和載流子的同時強限制，從而大幅度降低激光器的閾值。
圖1 小型化連續域束縛態（mini-BICs）激光器的原理。(a) Mini-BICs激光器的示意圖；(b) 平板光子晶體的能帶圖：處于光線（Light Line）以上輻射域中有限光子晶體A的能態，位于區域B的帶隙中。
研究組采用微加工工藝制備上述微納結構，采用薄膜轉移技術將其轉移到玻璃襯底上，最后以紫外固化膠作粘結劑在其上方再覆蓋一層玻璃，形成Mini-BIC所需的在垂直方向對稱的平板三明治結構，最終成功制作出最小微腔尺寸約為2.5×2.5 μm2，模式體積約為1.16(λ/n)3的室溫連續光泵浦單模Mini-BIC激光器（圖2a）。該激光器的閾值功率僅17 μW，而且其閾值功率密度只是已報道的具有最佳特性的半導體BIC激光器的1/236。同時，器件最高工作溫度可達343 K (70 ℃)，擬合特征溫度高達93.9 K（圖2b）。通過改變光子晶體周期與尺寸，還能夠實現約80 nm范圍的激射波長調諧（圖2c）。
圖2 mini-BICs激光器的單模激射性能表征及波長調諧。(a, b) Mini-BIC激光器 (r = 208 nm, a = 499 nm, Na = 5) 在室溫條件下的變功率輻射譜 (a)；變溫測試結果(b)；(c)激射波長隨周期數及周期大小的變化。
本研究首次將半導體量子點與連續域束縛態微腔結合，在同一個結構中實現了對電子和光子的雙重三維強限制，成功研制出微米尺度的低閾值、波長可精確調控的光泵室溫連續波工作單模半導體激光器。采用薄膜轉移技術制備的Mini-BICs激光器具有工藝靈活性，可在不同的襯底（如硅或鈮酸鋰）上制備器件，這將大幅推動多波長的高性能微納激光器陣列在實際應用領域的發展。而在BIC腔內，同時對光子和載流子實現三維強限制的方法將為實現光與物質強相互作用研究提供了新途徑，這不僅為后續進一步實現電泵浦的BIC激光器打下了基礎，而且還為未來片上高密度光電集成光源提供了強有力的候選方案。
中山大學博士研究生鐘漢城為第一作者，喻穎副教授和余思遠教授為共同通訊作者。該工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、廣東省重點研發項目、廣州市重點研發項目、廣東省珠江人才計劃本土創新科研團隊項目以及中山大學光電材料與技術國家重點實驗室等的大力支持。
