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電泵浦半導(dǎo)體激光器是光通信、光傳感和量子信息等領(lǐng)域不可或缺的核心器件；緊湊型半導(dǎo)體激光器對超大規(guī)模集成的高性能光子芯片具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用意義。

實(shí)現(xiàn)緊湊型激光器根本在于減小光學(xué)腔內(nèi)光學(xué)模式的體積模量的同時(shí)保持該光學(xué)模式的品質(zhì)因子。平板光子晶體缺陷態(tài)形成于光子晶體帶隙中，具備極小的體積模量，被廣泛應(yīng)用于低閾值半導(dǎo)體激光器。然而，光子晶體缺陷態(tài)容易受結(jié)構(gòu)偏差影響，且輸出功率普遍較低。具有連續(xù)譜中的束縛態(tài)（極高品質(zhì)因子的光子晶體帶邊模式）的平板光子晶體能夠有效提升激光器的輸出功率，并具備一定的魯棒性，然而其器件尺寸通常需要幾十上百個(gè)周期，以增強(qiáng)光學(xué)模式的面內(nèi)局域性。

近年來，具備能帶拓?fù)涮匦缘墓庾泳w結(jié)構(gòu)是光子學(xué)的研究熱點(diǎn)。對具有特殊拓?fù)湫再|(zhì)的光子結(jié)構(gòu)而言，空間上的缺陷和無序只會引起局部參數(shù)變化，不影響該空間的全局性質(zhì)。因此，集成光子拓?fù)鋺B(tài)的半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了前所未有的魯棒性。然而，就電泵浦半導(dǎo)體激光器而言，在保證器件光學(xué)模式魯棒性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對激光器性能的提升，如光束賦形、極化調(diào)控、高功率輸出、大面積單模輸出等，一直是該領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。

近日，新加坡南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的Qi Jie Wang教授團(tuán)隊(duì)及其合作者們通過構(gòu)建拓?fù)淠軒ХD(zhuǎn)的體態(tài)連續(xù)譜中的束縛態(tài)（Bound states in the continuum，或BICs），在量子級聯(lián)激光芯片中同時(shí)實(shí)現(xiàn)全動態(tài)范圍內(nèi)單模和矢量光場輸出的太赫茲量子級聯(lián)激光器。

相關(guān)成果以“Electrically-pumped compact topological bulk lasers driven by band-inverted bound states in the continuum”為題發(fā)表于Light: Science & Applications。新加坡南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院博士后韓松(現(xiàn)為浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心和浙江大學(xué)信電學(xué)院研究員)為論文第一作者，博士后崔潔圓和博士研究生Yunda Chua為共同第一作者；南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院Qi Jie Wang教授為論文第一通訊作者，韓松為共同通訊作者。這項(xiàng)工作同時(shí)得到武漢大學(xué)曾永全教授，南洋理工大學(xué)虎良省博士和Chuan Sen Tan教授，英國利茲大學(xué)Lianhe Li博士、Alexander Giles Davies教授、和Edmund Harold Linfield教授，澳大利亞國立大學(xué)Yuri Kivshar教授等的支持。

如圖1a所示，拓?fù)潴w態(tài)BIC量子級聯(lián)激光器由拓?fù)浞瞧接构庾泳w結(jié)構(gòu)作為光學(xué)諧振腔，外圍包覆拓?fù)淦接构庾泳w結(jié)構(gòu)。由于不同的拓?fù)湎?，非平庸光子晶體結(jié)構(gòu)中的光學(xué)模式不能跨越拓?fù)浣缑?，形成光子晶體板面內(nèi)模場局域。該光子晶體激光器單元結(jié)構(gòu)在正六邊形晶格的中心和六個(gè)頂角刻蝕圓柱空氣孔洞。由于級聯(lián)量子阱上下覆蓋金屬，該拓?fù)涔庾泳w激發(fā)TM極化（面外電場）的能帶。拓?fù)浞瞧接构庾泳w呈現(xiàn)能帶翻轉(zhuǎn)，其正交簡并的兩個(gè)四極子模式出現(xiàn)在低頻，如圖1d所示。

圖1. a、b 拓?fù)潴w態(tài)BIC激光器加工樣品圖和c 器件構(gòu)造示意圖。a中N為非平庸光子晶體腔的橫向周期數(shù)。d 通過調(diào)節(jié)光子晶體六方晶格的孔洞大小，其體態(tài)帶邊模式呈現(xiàn)翻轉(zhuǎn)（即四極子模式出現(xiàn)在低頻），為拓?fù)浞瞧接瓜啵籩 反之則為拓?fù)淦接瓜?。值得注意的是，該四極子模式在布里淵中心顯示出無窮大的品質(zhì)因子。

值得注意的是，無論是拓?fù)淦接够蚍瞧接鼓軒В渌臉O子模式在布里淵中心顯示出無窮大的品質(zhì)因子，即連續(xù)譜中的束縛態(tài)。設(shè)計(jì)拓?fù)淦接构庾泳w結(jié)構(gòu)包覆非平庸光子晶體諧振腔，主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

1. 拓?fù)淦接?非平庸拓?fù)湎嗟牟顒e使得諧振腔內(nèi)的光學(xué)模式在面內(nèi)維度實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度局域；

2. 體態(tài)BIC使得諧振腔內(nèi)的光學(xué)模式在面外維度實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度局域，結(jié)合第一點(diǎn)，使得體態(tài)BIC具備最大化的增益競爭，保證激光器的單模輸出特性；

3. 光子晶體BIC具有遠(yuǎn)場極化拓?fù)浜?，使得激光輻射光場因此具備非平庸的矢量光斑特性?/p>

4. 能帶翻轉(zhuǎn)的體態(tài)BIC出現(xiàn)在低頻處，可以進(jìn)一步減小器件的尺寸。

圖2為拓?fù)潴w態(tài)BIC量子級聯(lián)激光器的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)加工器件N=7，激光頻率在2.93 THz附近，激光器件的泵浦區(qū)域的橫向尺寸約為3個(gè)激光波長，如圖2b所示。激光器在全動態(tài)范圍內(nèi)保持良好的單模輸出：在最大輸出條件下，其邊模抑制比可達(dá)20 dB，如圖2b、2c所示。實(shí)驗(yàn)測得的遠(yuǎn)場光斑具備矢量特性，即光場中心能量最弱，且在激光器和探測器中間插入線偏振片，光斑呈現(xiàn)穩(wěn)定的隨偏振角變化的瓣?duì)罘植?，如圖2d所示。

圖2. a 實(shí)驗(yàn)測量的光強(qiáng)-電流密度-電壓的連續(xù)變化曲線（L-I-V curves）。b 拓?fù)潴w態(tài)BIC激光器的單模特性，其在最強(qiáng)輸出時(shí)邊模抑制比可達(dá)20 dB。c 全動態(tài)泵浦范圍內(nèi)的單模輸出。d 遠(yuǎn)場光斑分布與矢量光場分析。

該研究有效地結(jié)合能帶翻轉(zhuǎn)的BIC和平庸-非平庸拓?fù)湎嗤瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)垂直和水平方向維度的光場局域，從而獲得緊湊型的電泵浦太赫茲量子級聯(lián)激光器。由于能帶翻轉(zhuǎn)的體態(tài)BIC模式的品質(zhì)因子最大且遠(yuǎn)場具備極化拓?fù)涮匦?，該激光器呈現(xiàn)全動態(tài)范圍內(nèi)的單模激光和矢量光場輸出。此外，文章還探討了拓?fù)潴w態(tài)BIC在大尺度條件下的模場均一性、高功率單模輸出、以及高純度柱狀矢量光場輻射等特性。該成果有望成為6G無線通信中的核心有源器件，并在太赫茲超分辨成像、太赫茲激光雷達(dá)、和太赫茲生物化學(xué)傳感等相關(guān)領(lǐng)域有著重要的作用。

| 論文信息 |

Han, S., Cui, J., Chua, Y. et al. Electrically-pumped compact topological bulk lasers driven by band-inverted bound states in the continuum. Light Sci Appl 12, 145 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01200-8

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