超低阈值连续波量子点Mini-BIC激光器你都知道哪些？

　　超低阈值和紧凑尺寸的激光器在光子集成电路中非常受欢迎，旨在实现光通信、芯片级固态激光雷达和量子信息的应用。实现此类激光器的一般方法是通过将增益材料嵌入具有高质量因子和/或小模式体积的少波长或亚波长尺度光学腔中来有效捕获光并增强光与物质的相互作用。

　　通过在连续介质模式中引入缺陷型 PhC 模式或光子束缚态，在平面光子晶体上实现了低阈值激光发射。对于激光作用，所报道的缺陷型 PhC 激光器虽然表现出极小的 V 模式，因此具有超低的阈值，但由于对结构紊乱的敏感性而导致不稳定。在这方面，可能受益于拓扑稳健性的 BIC 激光器是最有前途的替代架构之一。然而，具有高 Q 因子的 PhC 板或光栅中的辐射 BIC模式通常需要扩展的横向周期性结构来减少面内漏光，因此本质上将其占地面积限制为数百个单位单元。此外，BIC只能限制垂直方向的光，

　　中山大学余英和余思源研究组提出，通过将O波段InAs/GaAs外延QD增益材料与微型BIC腔相结合，实现了低阈值、小V模的连续波操作BIC激光器。受益于mini BIC腔和QD提供的光和载流子的三维限制，实现了低于20μW的超低阈值和~2.5×2.5μm 2 的小尺寸。与传统的BIC不同，mini BIC不仅限制垂直方向的光，还利用横向异质结构的光子带隙捕获横向的光。因此，它不需要长程周期性，从而允许更小的结构尺寸。Mini BIC结构由两组不同周期的光子晶体A和B组成，如图1a所示。腔体 A 用作激光器的谐振微腔。由于它是有限光子晶体，因此它的模式以k空间中的离散态M pq存在。通过将 A 的状态 M pq设计为恰好位于 B 的带隙内，能横向捕获光。如图1b所示，M 11M 12 /M 21是光锥上方连续谱中的谐振态。为了进一步增强垂直光限制，通过微调区域 A 的晶格常数和孔半径，能将离散态设计为与 k 空间中的偶然 BIC 模式收敛。优选激光模式的品质因数也能进一步提高。

　　实验上，研究人员首先通过微加工在InAs/GaAs QD活性膜上制作了mini BIC结构，然后将活性膜转移到玻璃基板上。最终，使用紫外固化粘合剂在膜表面覆盖一层玻璃，以保证PhC板的镜面翻转对称性。通过设计，可实现连续波、单模激光，腔尺寸小至 5×5 晶胞。如图2a所示，该器件表现出17 μW。进一步的温度相关激光器性能测试表明，最高工作温度可达343 K，拟合特征温度为93.9 K，如图2b所示。通过仔细设计结构参数，98迷科，迷你 BIC 激光器的波长范围也已调整为 80 nm。

　　总之，研究人员通过在外延 QD 增益膜中创造小型化 BIC 腔，展示了一种能够在所有三个维度上有效捕获光和载流子的结构。他们成功地在 1310 nm O 波段波长范围内实现了高效、高光谱质量、精确波长设计的微型激光器。采纳膜转移技术创造的微型BIC激光器能灵活地实现在不同的衬底上，例如硅或LiNbO 3。凭借占地面积小、超低阈值和集成适应性、精确波长工程等优势，迷你 BIC 激光器为未来面向高容量光通信、传感和量子信息的 PIC 提供了透视光源。