近日，人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”胡小永教授和龚旗煌院士与合作者在基于非厄米奇异面的片上集成微纳激光器研究中取得重要进展。他们提出了一种由非厄米奇异面调制的片上集成可见光微纳激光器的方案，证明了片上集成可见光微纳激光器的性能随非厄米奇异面阶数的增加而提高。此工作为片上集成高速可见光通信和信号处理系统的发展奠定了基础，为非厄米光子学的基础研究提供了新的平台。2023年4月12日，相关研究成果以“片上集成非厄米奇异面微纳激光器”（On-Chip Integrated Exceptional-Surface Microlaser）为题，在线发表于《科学进展》（Science Advances）。
移动互联网和大数据服务的快速发展对通信网络的信息能力提出了巨大挑战。5G/ B5G通信技术的标准化和产业化，以及B5G/6B通信架构的进一步提出使高速可见光通信技术因其低成本、大带宽成为无线通信蓝图的重要组成部分之一。片上集成可见光微纳激光器是可见光通信和信息处理系统的核心单元，其具有四个重要指标：强鲁棒性、窄线宽、低阈值以及支持面内发射。
目前已提出的在非厄米系统中微纳激光器的方案包括：宇称时间（PT）对称微环激光器中基于PT破缺产生的单模激光；由两个瑞利散射体调制在奇异点（EP）的微腔激光器；由周期性复折射率调制在EP的微腔激光器等。这些非厄米微纳激光器方案中有的能消除空间烧孔效应，这将提高激光效率，但没有进一步讨论压缩线宽的同时降低阈值的能力。此外，由于对加工误差的敏感性，在实现具有严格简并条件的孤立EP方案通常需要对结构进行精细的参数调整，这在一定程度上限制了此类微纳激光器的鲁棒性和实用性。关于微纳激光器的其他方案：得益于等离子体纳米结构的强光限制效应，等离子体纳米激光器具有紧凑的器件面积和降低的阈值，但具有相对较宽的线宽；基于连续体中的束缚态（BIC）的微纳激光器可以通过激发泄漏共振来降低阈值，但不具备线宽压缩和面内发射；基于BIC的法诺微纳激光器可以通过形成法诺共振来压缩激光线宽，但不具备阈值降低。拓扑涡旋微纳激光器在单自旋动量锁定边界模式下工作时具有良好的鲁棒性，但它们不具备线宽压缩和面内发射。因此，现有的微纳激光器方案不能同时满足可见光通信和信息处理系统的四项重要指标。
研究团队提出了一种可扩展的方案，以构建一种具有强鲁棒性的片上集成微纳激光器，该激光器基于不同阶数的非厄米奇异面（ES）能同时实现面内发射、压缩线宽和提高对泵浦光能量的利用率。该方案由增益微腔和非对称放置的损耗调制波导（MW）（微腔下方侧耦合直波导或微腔中未闭合环）组成（图1）。MW引起非对称反射，微腔中实现激光的单向发射，该发射被耦合到传输波导（TW）。与通过控制瑞利散射体、构建螺旋或变形微腔等偶然简并EP方案相比，此方案具有更强的鲁棒性且更容易实现。为了便于演示，在实验中采用了微腔下方侧耦合直波导构型。尽管MW的两个端口都作为反射端，但由于材料损耗，只有MW的短端口才能有效工作，从而在微腔中实现行波模式的单向传播，因而形成ES。
图1.所提出的基于ES调制的微纳激光系统的方案。（A）所提出的系统示意图，其中MW相对于微腔（构型i和ii）不对称放置，以实现逆时针（CCW）行波模式的单向传播。（B）对照系统示意图，其中MW相对于微腔（构型i和ii）对称放置，在微腔中同时存在CCW和顺时针（CW）分量。（C）通过本征频率模拟获得的ES调制的系统的本征模电场分布（微腔半径为1.5 μm）。（D）所制备的CsPbBr3微腔-MW-TW耦合系统的SEM图像。
在实验中，CsPbBr3单晶钙钛矿薄膜被用作增益/损耗材料（无外部泵浦的情况下表现为损耗态），它具有高光学增益系数、低成本且易于制备。实验证明，与对照系统相比，二阶ES调制的微纳激光器激光线宽为0.8 nm，泵浦阈值为2.4 µJ/cm2，线宽和阈值同时分别降低到67%和44%（图2）。
图2.基于ES调制的微纳激光器的激光实验。（A）ES调制的CsPbBr3微腔-MW-TW耦合系统的实验示意图。（B）i.对照系统的俯视SEM图像，ii.对照系统的PL图像，由高于泵浦阈值的400 nm飞秒激光激发。（C）i. ES调制系统的俯视SEM图，ii.系统的PL图像，激励高于泵浦阈值。白色虚线圆圈显示了TW的左右端口之间稳定且高的光强度对比度。（D）对照系统和ES调制的系统的激光发射结果比较，激光线宽被压缩到67%，泵浦阈值被降低到44%。（E）对照系统PL强度（蓝色）和FWHM（红色）随泵浦强度的变化，泵浦强度从2.1 µJ/cm2增加到7.2 µJ/cm2，激光阈值为5.4 µJ/cm2，激光FWHM为1.2 nm。（F）ES调制的系统，泵浦强度从0.7 µJ/cm2增加到6.3 µJ/cm2，激光阈值为2.4 µJ/cm2，激光FWHM为0.8 nm。
更高阶数ES调制的微纳激光器的性能也在本工作中进行了扩展讨论。线宽压缩程度和阈值降低程度与阶数呈负相关，能量转换效率的提高程度与阶数成正比。另外，对具有优异性能的ES调制的拓扑微纳激光器的进一步讨论表明了方案的优越性（图3）。这项工作为片上集成高速可见光通信和信息处理系统的进一步发展奠定了基础，并为非线性光学和拓扑光子学的非厄米光子学开辟了新的研究方向。
图3.所提出的ES调制的微纳激光器方案的扩展性研究。（A）高阶ES电场分布的仿真模拟结果。（B）不同阶ES系统本征值实部和虚部随着MW的反射系数比和系统相关参数δ的变化。（C）TW左端口的激光效率（蓝色）和线宽（红色）与ES阶数的关系，通过构建更高阶的ES可以实现更窄的线宽和更高的能量转换效率。（D）i.没有非厄米ES调制的微腔SSH链（链两侧的四个边缘模式表现为驻波）的场分布的模拟结果，ii.具有非厄米ES调制的微腔SSH链（四个边缘模式最终演变成简并CCW行波模式）的场分布的模拟结果。（E）能量本征值分布随着系统中本征模的数量的变化。i.没有非厄米ES调制的微腔SSH链，ii.四阶ES调制的微腔SSH链。
北京大学物理学院2019级博士生廖琨、国家纳米中心2020级联培博士生钟阳光和北京大学物理学院2022级博士生杜卓晨为共同第一作者。北京大学物理学院胡小永教授、国家纳米中心刘新风研究员、北京大学物理学院王树峰副教授、哈尔滨工业大学（深圳）宋清海教授和香港科技大学陈子亭教授为共同通讯作者。其他合作者还包括北京理工大学路翠翠长聘副研究员，北京化工大学王兴远博士等。上述研究成果得到国家重点研发计划、国家自然科学基金，以及量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心等支持。
论文原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf3470
信息来源：北京大学物理学院网站
