Science：哈工大（深圳）宋清海 | 超快可控涡旋微纳激光器

推广位（非商务）

撰稿 | 杨大海

在微纳激光器研究领域中，科研工作者发现“鱼和熊掌其实也可兼得”。

近日,哈尔滨工业大学（深圳）宋清海教授带领的可调谐激光技术国家重点实验室、微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室中心团队。在微纳激光器研究中提出了一种新方法，该方法解决了长期以来在低能耗和高速可切换纳米光子学之间权衡取舍的问题。

该研究是基于钙钛矿超表面的涡旋微激光器，作者分析了其在室温条件下可进行超快全光切换的功能。

同时，通过利用模式对称性和远场特性，研究人员发现，涡旋激光可以切换到线性偏振激光，反之亦然。

其切换时间为1到1.5个皮秒，能耗比先前所报道的全光切换要低几个数量级。作者同时也提到这种涡旋微纳激光器也可在太赫兹频率下进行全切换工作。

光是信息传播的主要有效载体之一。充分利用和发掘光的信息承载能力和光的实际有效应用一直是学术界和工业界的一个长期目标。

涡旋光由于具有轨道角动量的特性，其各个模式之间相互正交。所以，具有不同拓扑荷数的涡旋光束被认为是革新经典和量子光通信最具潜力的方法。

涡旋光作为下一代最有望实现高速大容量通信的光载体，在更方便更普适以及在特定领域条件下产生涡旋光束，是涡旋光研究的一个重要方向。

在经典和量子光信息处理技术的发展中，通常需要在芯片上进行结构光源的集成。

尽管涡旋微纳激光集成器已经很早被提出来了，但是它们仍然处于静态工作的过程，并且具有较高的激光阈值，使得这种静态集成激光器不适合于高速光通信和计算的发展。

近年来，在紧凑型显示器和高密度集成电路需求的驱动下，片上可集成涡旋微激光器引起了广泛的关注。

紧凑的旋涡激光器的产生，通常是通过将常规的光学缺陷转化为螺旋波导或微柱链的方式，并用附加的非对称散射体对其进行改造而产生的。如图1.所示，是通过手性波导产生涡旋光束的示意图。

虽然，轨道角动量涡旋光束的定向输出和产生效率是值得关注的问题，但这种涡旋微激光器的品质因子由于散射损耗而被大大降低。

因此，通常产生的方法对能量消耗是很大的。

另外，目前已有的片上集成涡旋微激光器要么是静态的，要么是通过控制圆偏振光来泵浦发射的，其具有手性结构特性。

这使得涡旋微纳激光器很难适应超快的光学网络信息处理。

还有一点重要的是，在纳米光子学中，由于光共振的衰减时间，低能量消耗和高调制速度之间似乎是一种“鱼和熊掌”的关系，这限制了它们在现代信息计算和光通信中的广泛应用。

在本文中，作者通过拓扑保护连续区域中的束缚态（bounded states in the continuum，BIC）来解决这些问题。

在光学系统中，通过局域共振和辐射模式之间的相互作用而产生的BICs，在许多系统中以准BICs的形式被观察到，从孤立的纳米颗粒到周期性的结构。

其除了具有超高的Q因子和低阈值激光激发之外，同时也已经证明BIC模式可以具有不同拓扑荷数的旋涡行为。这些发现使得BICs在前沿光子学领域中具有很大的应用前景。

本文作者利用BIC的光开关机理，在室温下演示了以钙钛矿为基础的超快可控涡旋微纳激光器。

验证了微型激光从径向偏振的涡旋光束到线性偏振的旁瓣光的相互超快全光切换。由于BIC的超高品质因子和低激光阈值特性，从而可突破传统全光切换的瓶颈。

图2. 设计的钙钛矿超表面示意图与SEM实际图

图2.中钙钛矿超表面的制作是利用电子束光刻和反应离子束刻蚀相结合的方法(作者在补充材料中对结构有详细说明)。

图2.右边为样品的扫描电子显微镜(SEM)俯视图图像。作者通过设计优化计算这种钙钛矿超表面结构内部的极化横向磁场共振(TM)模式，选择出此种钙钛矿超表面的增益光谱范围内有一个合适的品质（Q）因子。

在保证品质因子的情况下，通过改变超表面结构圆孔的半径，就可以产生具有内嵌偏振涡旋的拓扑保护BIC。

超表面：是指一种结构尺寸小于波长的人工微纳材料。可实现对电磁波振幅、相位、偏振、传播模式等特性进行灵活有效调控。

图3. 钙钛矿超表面涡旋激光器产生矢量涡旋

钙钛矿：金属卤化物钙钛矿作为一类新兴的半导体材料，具有光学吸收系数高，载流子扩散长度长，缺陷态密度低，载流子迁移速率快，荧光量子效率高等特点，在激光器等领域中取得了突飞猛进的发展。

如图3.所示，这些涡旋光束轮廓、自干涉模式和偏振状态的实验结果证实了矢量涡旋激光在BIC模式下的产生。

为了获得设计的BIC涡旋激光器，作者在室温下用倍频Ti:蓝宝石激光器泵浦钙钛矿超表面。随着泵浦功率的增加，在552纳米处出现一个单峰。其输出激光强度与泵浦密度呈现激光特征的S型函数分布规律。

作者又利用背焦平面成像技术，在远场角分布区研究了出射光束的涡旋特性。其次，BIC涡旋微激光器对外界条件变化具有很强的鲁棒性。

图4. 利用泵浦激光的对称性来实现全光可控切换

在无源系统中，全光控制是通过纳米结构的变形或非线性克尔效应来实现的，但这些操作不适用于后期的制造控制而且还需要较强的泵浦激光功率。

其实，可以利用入射激励的对称性，可以很好的解决这个问题。

作者在设计钙钛矿超表面时发现异常增益对应于折射率(n”)的虚部，而这是一种新的控制对称性的参数。折射率虚部的有规律变化可以打破激光系统的四次旋转对称性。

这就会引起BIC模式向准BIC退化，导致品质因子的数量级下降好几个量级。从这个意义上来说，泵浦激光的几何形状可以提供一种更加灵活的方法来控制涡旋BICs激光的特性。

如图4.所示，分别为圆形、椭圆和两个圆形光场叠加形成的入射激励源，激发钙钛矿超表面产生的远场光场图样，从而实现了全光可切换。

在本文的研究中由于作者利用了BIC的远场特性。使得BIC激光器的跃迁时间比先前报道的直接调制微激光器的跃迁时间要短得多。同时也比BIC激光的寿命要快。

作者讲这两种情况的产生是由辐射通道的破坏性干涉造成的。BIC涡旋激光器对线性激光的作用是激光发射再分配，而不是激光模式的直接转换。

因此,我们不需要等待一个初始激光模式,所以高品质因子和高速操作的权衡可以被打破。而且特殊的增益系数使其能耗降低了几个数量级。这种方法还可以消除微激光器的基本限制，并通过充分利用极高的Q系数可进一步降低能量消耗。

由于BIC模式具有高灵敏度的对称破坏扰动性能和特殊光学增益相关的远场特性，使得BIC激光器具有超低的能量消耗和超快全光可控特性。

因此，用BIC激光器能够打破低能耗和高速转化之间的权衡，这为发展高速经典和量子通信系统提供了一条可行的方案。

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