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▌ARMS 在微型BIC激光器表征中的應(yīng)用
利用顯微角分辨光譜儀對微型BIC激光器光子能帶進(jìn)行表征
連續(xù)域光子束縛態(tài)
BIC激光器
顯微角分辨光譜
光子能帶
【概述】微型超低閾值單模激光器對于光通信和光子集成回路具有重要應(yīng)用意義。目前制備微型激光器的方法通常是將增益材料嵌入具有高品質(zhì)因子 Q 的光學(xué)微腔中，以實(shí)現(xiàn)激光出射。光子連續(xù)域束縛態(tài)（Bound states in the continuum, BIC）具有無限的品質(zhì)因子和極強(qiáng)的場約束能力，在微型激光器的研究中具有重要價值。然而，一直以來實(shí)現(xiàn)微型尺寸超低閾值的 BIC 激光器都具有極大的挑戰(zhàn)性。
最近，中山大學(xué)余思遠(yuǎn)課題組在《 Light: Science & Application 》上雜志上發(fā)表了一篇題為《Ultra-low threshold continuous-wave quantum dot mini-BIC lasers》的研究文章，報道了微型 BIC 激光器最新研究進(jìn)展。作者通過在 InAs/GaAs 外延量子點(diǎn)增益膜中加工出 BIC 微腔，成功實(shí)現(xiàn) 1310nm 附近超低閾值連續(xù)激光發(fā)射，室溫條件下激射閾值僅為 12 微瓦（0.052千瓦/平方厘米），微腔體積僅為 2.5×2.5μm2。這一研究發(fā)現(xiàn)為 BIC 激光器的未來研究和應(yīng)用奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。
【樣品 & 測試】作者通過分子束外延生長方法在 GaAs (001) 襯底的內(nèi)部嵌入了三層高密度（約 5.5×101?cm?2）的 InAs 量子點(diǎn)，隨后用電子束光刻和干法刻蝕工藝在該 InAs/GaAs 外延量子點(diǎn)薄膜內(nèi)加工出 BIC 微腔。在表征手段上，作者采用 705nm 連續(xù)激光共焦激發(fā)方式對該樣品的出射激光特性進(jìn)行測試，并用 COMSOL Multiphysics 軟件中的頻域有限元法（FEM）對制備的樣品進(jìn)行光子能帶仿真。
圖2，(a)微型BIC激光器的AB光子異質(zhì)結(jié)構(gòu)；(b)理論計算能帶圖；(c)BIC激光特性
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如圖2a 所示，該微型激光器具有 AB 兩種晶格常數(shù)的光子異質(zhì)結(jié)構(gòu)，作者通過理論計算對這種結(jié)構(gòu)的光子能帶進(jìn)行仿真，以優(yōu)化光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了在橫向方向?qū)崿F(xiàn)有效的光束捕獲，TE A 模式的能量被設(shè)計在區(qū)域 A 的光錐之上（圖2b 中的綠色陰影區(qū)域），而在區(qū)域 B（TE B 模式）的帶隙內(nèi)，該帶隙禁止了橫向泄漏（圖2b 中的黃色區(qū)域），使得區(qū)域 B 幾乎可視為全反射鏡，從而實(shí)現(xiàn)激光增益并產(chǎn)生低閾值激射（圖2c）。遺憾的是，這份研究工作中作者并未通過實(shí)驗(yàn)手段對不同模式的光子能帶進(jìn)行直觀表征。
在微型 BIC 激光器的研究中，光子能帶的實(shí)驗(yàn)表征是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工是否成功的重要手段。復(fù)享光學(xué)自主研發(fā)的基于光學(xué)傅里葉變換技術(shù)的顯微角分辨光譜儀 ARMS，可對 BIC 激光器中的光子能帶、角分辨激射和熒光發(fā)射進(jìn)行精確表征。ARMS 具有以下特點(diǎn)：豐富的測量模式，支持輻射、反射、透射等多種顯微角分辨光譜測量模式，可適配用戶不同的激發(fā)測試需求；精細(xì)的角度分辨能力，角度分辨率可達(dá)0.1°；超寬光譜探測能力，最高可實(shí)現(xiàn) 400~1650nm 的光譜測量；瞬態(tài)光譜采集能力，毫秒級（ms）實(shí)現(xiàn)角分辨光譜檢測。圖3 展示了利用 ARMS 進(jìn)行一維光子晶體的光子能帶表征，從該測量結(jié)果中可清晰觀察到光子能帶在 Γ 點(diǎn)處明顯的 BIC 現(xiàn)象。
圖3，利用ARMS對一維光子晶體BIC的表征結(jié)果
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【總結(jié)】對于當(dāng)前微型 BIC 激光器的研究，光子能帶及其發(fā)射光譜的表征尤為關(guān)鍵。復(fù)享光學(xué)的顯微角分辨光譜儀 ARMS，能夠提供光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)、發(fā)射特性及光譜特性的綜合光學(xué)表征，這使得對微型 BIC 激光器的實(shí)驗(yàn)表征成為可能。 展望未來，復(fù)享光學(xué)的顯微角分辨光譜技術(shù)將持續(xù)在微納光子學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，進(jìn)一步推動光子學(xué)的進(jìn)步。▌
圖4，復(fù)享光學(xué)的顯微角分辨光譜儀, ARMS
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【參考文獻(xiàn)】
? H Zhong; Y Chen;S Yu*;,et al. Ultra-low threshold continuous-wave quantum dot mini-BIC lasers.Light: Science & Application (2023). Link
? A Kodigala*; T Lepetit*;Q Gu*;,et al. Lasing action from photonic bound states in continuum.Nature (2017). Link
? Y Zhang; Zhao M;L Shi*;,et al. Momentum-space imaging spectroscopy for the study of nanophotonic materials. Science Bulletin (2020). Link
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