新闻详情
更多+
超紧凑多束缚态辅助平带激光器：小型化激光技术的突破性进展
作者：欧光科技 发表时间：2025-07-30 16:38:10
在集成光电子学领域，高度紧凑的激光器是关键研究方向与核心需求。然而，器件小型化过程中面临一项严峻挑战：腔体尺寸缩减会引发严重的侧向泄漏与辐射损耗，导致关键性能指标——品质因子（Q因子）显著降低。传统连续谱束缚态（BIC）虽能在理想条件下实现低损耗，但在有限尺寸器件中，模式会偏离Γ点，丧失其非辐射与无色散特性，难以满足实际应用需求。
为解决这一难题，研究人员提出基于平带与多重连续谱束缚态（multi-BIC）的创新设计，成功实现超紧凑尺寸下的高性能激光输出。该设计通过平带与多重BIC的协同作用，在三个维度有效约束光场，为小型化激光器的性能突破提供了新思路。
创新设计：平带与多重BIC的协同机制
该激光器的核心在于独特的平带多重BIC腔体结构。其基底采用三阱共振声子GaAs/Al₀.₁₅Ga₀.₈₅As太赫兹量子级联激光器（QCL）晶圆，通过蚀刻周期性气孔形成三角形光子晶格，气孔则采用特殊的雏菊状形状。此结构设计基于精密的能带工程：通过强制孤立B模式与双重简并E₁、E₂模式形成偶然简并，在顶点处构建出与两个线性色散带（狄拉克锥）相交的独特平带。
平带的引入是增强面内约束的关键。平带在光子晶体能带结构中表现为近乎无色散的特性，能量不随波矢变化，对应光子局域化状态。其直接优势是超高群折射率——E₁平带的群折射率较传统B'模式高约10倍。群折射率的提升源于平带无色散特性产生的慢光效应，超低群速度显著增强模式反馈，即便在有限尺寸腔体中模式偏离Γ点，仍能实现优异的面内场约束，大幅减少侧向泄漏损耗。
多重BIC进一步解决了Q因子受限于尺寸与缺陷的问题。研究人员在Γ点周围构建一系列偶然BIC，并在特定位置创建具有发散Q因子的特殊点，形成更大的极化奇点核心。该设计在布里渊区建立起宽广的高Q区域，显著增强器件对系统无序、结构缺陷及光子有限尺寸效应的容忍度，有效抑制辐射与散射损耗。
实验验证：超紧凑尺寸下的优异性能
实验制备的器件呈现出优异的性能。以侧向尺寸仅294μm（约3λ，L=5a）的超紧凑腔体为例，在8.6K工作温度、10kHz重复频率及500ns脉宽的电脉冲激励下，其Q因子达约1440，为普通BIC模式的40倍；激射阈值低至0.19kA/cm²，边模抑制比（SMSR）约20dB，且在整个动态范围内保持稳定的单模工作。
这种高性能具有良好的可扩展性。L=9a的器件Q因子达1.0×10⁴，SMSR提升至23dB，峰值功率1.02mW，远场呈现圆柱矢量光束的甜甜圈状图案，光束发散角仅约15°；更大尺寸的L=17a器件，Q因子进一步攀升至5.7×10⁴，SMSR达25dB，仍保持稳定单模激射。
与普通C₄ᵥ-BIC对照器件相比，优势显著：对照器件Q因子仅约265，激射阈值高达0.28kA/cm²，整体边长约5λ（更大）且工作于多模状态。这充分验证了多重BIC辅助平带腔体在降低阈值、保持单模性能上的显著效果。
理论支撑与未来展望
通过COMSOLMultiphysics6.0有限元求解器进行仿真分析，进一步揭示了该设计的优越性。仿真结果表明，E₁平带模式的电场被紧密约束于腔体中心，而普通BIC的B'模式则有大量能量泄漏至图案化区域外，形成近平面波前。同时，对称保护BIC模式的拓扑荷计算为+2，从理论上支撑了其稳定性。
该设计的核心创新点在于：有效抑制有限尺寸效应引起的侧向泄漏与辐射损耗，同时降低制造缺陷导致的面外散射，实现卓越的电场约束。其突破不仅体现在高度紧凑（~3λ）的电泵浦QCL器件、超低激射阈值（~0.19kA/cm²）及优异的单模性能上，更在于其普适性——不仅限于太赫兹QCL，还可扩展至其他光子腔激光器，甚至通过介电常数调制拓展至近红外、可见光等其他波长范围。
在应用前景上，该技术为先进光电子学与集成光子学提供了有效途径，可满足片上通信、生物传感、量子信息等领域对低阈值、高性能激光源的需求。未来，基于这一设计的传感器、调制器、谐波信号发生器等光子器件，有望成为能效高、单片集成的超紧凑激光源的核心，推动集成光子学领域的进一步发展。
平带与多重BIC的协同设计，为小型化激光器的性能突破开辟了新路径，也为光场操控与约束提供了更丰富的理论与实践依据。
更多文章
更多+
-
离轴 MTF 与全视场测量：镜头质量不能只看中心欧光科技 · 光学传递函数测量离轴 MTF 与全视场测量：镜头质量不能只看中心轴上 MTF只是起点离轴 MTF视场边缘质量子午/弧矢两个方向分量全视场质量矩阵一
-
光学玻璃体缺陷检测：条纹、气泡与夹杂物很多光学加工者有一个惯性思维：拿到一块抛光好的玻璃，面形 PV 合格、透过率达标，就认为这块料没问题了。但光学玻璃的质量远不止表面面形——玻璃内部还藏着一类"体缺陷"（bulk defects），它们不影响面形，却会散射光、引入波前畸变、甚至在激光或高能应用里成为损伤起点。
-
面型测量和波前测量是一回事吗？一文讲清两者区别一、两个常见的光学检测概念在光学加工和镜头检测中，'面型测量'和'波前测量'是两个经常被提到的术语。很多人会把它们混为一谈——都是用干涉仪测，都出PV值和RMS
-
中心偏测量：镜头装调中最容易被忽视的关键环节一个镜头通常由多片透镜组成。理想状态下，每片透镜的光轴应该与镜头的机械轴（安装基准轴）完全重合。但在实际装调过程中，由于加工误差、装配偏差，每片透镜的光轴都会有不同程度的偏移——这就是中心偏（Center偏差，也称Decenter）。
-
偏振度与消光比测量： 光的"方向性"怎么量化激光、LCD、偏振通信都依赖'光的振动方向'——这个看不见的属性，用偏振度和消光比来打分偏振度偏振光占比消光比偏振纯度指标检偏器正交探测法波片相位延迟测量一、偏
声明：此篇为欧光科技原创文章，转载请标明出处链接,以上文章或转稿中文字或图片涉及版权或法律等问题，请及时联系本站，我们会尽快和您对接处理。
