北京大學(xué)實現(xiàn)魔角激光器 基于模式耦合光場局域化機制

  微納激光器通過有效光學(xué)反饋機制將光場局域在波長量級或更小尺度，從而增強光與物質(zhì)相互作用，提升激光器性能，可實現(xiàn)低能耗和高調(diào)制速率相干激射，在數(shù)據(jù)通信、光傳感、片上光電互聯(lián)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。光場的局域化通常由材料光學(xué)性質(zhì)的空間不連續(xù)性或無序化引起，比如不同折射率材料界面的全內(nèi)反射可形成回音壁局域模式，光子晶體中的結(jié)構(gòu)缺陷可形成光學(xué)禁帶局域的缺陷模式，無序結(jié)構(gòu)中的多重散射可形成安德森局域化模式，等等。

  近日，北京大學(xué)物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學(xué)中心馬仁敏研究員課題組在無缺陷的周期性結(jié)構(gòu)中基于模式耦合光場局域化機制實現(xiàn)了魔角激光器(圖1)。魔角激光器中的光場局域化來源于形成莫爾超晶格的兩套光子晶體模式之間的耦合，無需形成光子晶體禁帶，因而無需對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行精確調(diào)控;也就是說，只要簡單地將兩套光子晶體扭轉(zhuǎn)一定角度并疊加，即可產(chǎn)生亞波長局域的高品質(zhì)因子納米光腔。該光場局域機制可應(yīng)用于納米激光器、納米發(fā)光二極管、非線性光學(xué)和腔量子電動力學(xué)等研究。

圖1 魔角激光器示意圖(其中的光場局域化來源于模式耦合，無需形成光子晶體禁帶，即可實現(xiàn)亞波長局域的高品質(zhì)因子納米光腔)

  不同于兩層石墨烯扭轉(zhuǎn)形成電子體系的魔角結(jié)構(gòu)，課題組利用微納加工技術(shù)，將兩套扭轉(zhuǎn)的光子晶體晶格做在同一層的半導(dǎo)體材料中(圖2a, b)，由此形成具有更大周期的莫爾超晶格，其對應(yīng)的布里淵區(qū)內(nèi)會因兩套光子晶體模式之間的耦合而形成光子晶體能帶的扁平化，對應(yīng)的實空間波函數(shù)分布也會局域化。由于兩套光子晶體中的布洛赫波函數(shù)在垂直于傳播方向的維度完全重合，兩者之間的耦合也隨之增強，所以在較大的扭轉(zhuǎn)角度下仍然可以得到光場的強局域化。課題組對兩套光子晶體之間扭轉(zhuǎn)角度為2.65o的魔角納米光腔開展了詳盡的理論和實驗研究;三維模擬計算表明，該納腔的模式體積僅約0.02×(波長)3，品質(zhì)因子高于4×105。該魔角納腔在功率約為6 kW/cm2激勵下發(fā)生自發(fā)輻射到受激輻射的閾值轉(zhuǎn)變，激射后輻射光譜線寬約0.24 nm(圖2c, d)。

圖2 魔角激光器電子顯微鏡照片和激射特性：(a)為魔角激光器電鏡照片，(b)為其局部放大;(c)和(d)分別為魔角激光器激射近場光斑照片和激射光譜

  此外，課題組還詳細研究了轉(zhuǎn)角為4.41o、6.01o和9.43o的魔角激光器的能帶結(jié)構(gòu)、模式局域特性和激射特性(圖3)，進一步闡釋了該光場局域機制不依賴光子晶體禁帶而實現(xiàn)光場局域的特性及其在不同轉(zhuǎn)角下的適用性。

圖3 不同轉(zhuǎn)角(4.41o、6.01o和9.43o)下，魔角激光器的電子顯微鏡照片(a-c)、能帶結(jié)構(gòu)(d-f)和激射近場光斑照片(g-i)

  相關(guān)研究成果以“納米結(jié)構(gòu)莫爾超晶格中的魔角激光器”(Magic-angle lasers in nanostructured moiré superlattice)為題，2021年8月16日在線發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology);物理學(xué)院2019級博士研究生冒芯蕊、邵增凱副研究員、2020級博士研究生欒弘義和王少雷為共同第一作者;馬仁敏為通訊作者。同期的“新聞與視角”欄目配發(fā)了雅典大學(xué)(National and Kapodistrian University of Athens)Kosmas Tsakmakidis博士的評論文章，認為納米激光器是發(fā)展集成光電子和硅基光子器件的關(guān)鍵元件(Nanolasers are key components under development for contemporary integrated optoelectronics and silicon photonics)，魔角激光器的設(shè)計概念具有高度創(chuàng)新性(exceptionally innovative design concept)并展現(xiàn)出優(yōu)異性能(exhibits exceptional performance)。

  上述研究工作得到北京市自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃，及人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學(xué)中心、北京大學(xué)長三角光電科學(xué)研究院等支持。

  論文原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00956-7

  同期評論：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00960-x