CN108431580A - 用于光连续区束缚态激光器光源的系统和方法 - Google Patents

用于光连续区束缚态激光器光源的系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108431580A
CN108431580A CN201680071442.2A CN201680071442A CN108431580A CN 108431580 A CN108431580 A CN 108431580A CN 201680071442 A CN201680071442 A CN 201680071442A CN 108431580 A CN108431580 A CN 108431580A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
resonator
nano
array
radius
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201680071442.2A
Other languages
English (en)
Inventor
布巴卡尔·坎特
耶沙伊阿胡·费恩曼
托马斯·勒珀蒂
阿肖克·科迪加拉
顾青
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of California
Original Assignee
University of California
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of California filed Critical University of California
Publication of CN108431580A publication Critical patent/CN108431580A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/42—Arrays of surface emitting lasers
    • H01S5/423—Arrays of surface emitting lasers having a vertical cavity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/041—Optical pumping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1042—Optical microcavities, e.g. cavity dimensions comparable to the wavelength
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34313—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/16—Semiconductor lasers with special structural design to influence the modes, e.g. specific multimode

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

根据本发明原理的系统和方法在室温下提供一种光连续区束缚态激光器，其利用驻留于辐射连续区内的光学模式，却会具备任意高的品质因数。这些反直觉的腔是基于相消干涉的谐振俘获的对称性兼容模式。这样的系统和方法可以被应用于具有用于光俘获、生物成像和量子通信的复杂拓扑性质的相干源。

Description

用于光连续区束缚态激光器光源的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请请求于2015年10月13日提交、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR BOUNDSTATE IN CONTINUUM LASER SOURCES”、为本申请的受让人所有的美国临时专利申请序列号62/240,867的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及激光器光源。
背景技术
1929年，在量子力学出现仅三年之后，Von Neumann和Wigner首次证明薛定谔方程可能具有连续阈值以上的束缚态。这些特殊状态称为光连续区束缚态(BIC)，它们本身表现为不衰减的谐振。几十年后，这种想法在很大程度上处于萌芽状态，因为主要是将其视为一种数学好奇心。1977年，Herrick和Stillinger再次产生对BIC的兴趣，他们提出可能会在半导体超晶格中观察到BIC。十几年后的1992年，在AlxIn1-xAs/GayIn1-yAs超晶格中实验观察到BIC。
BIC由如Friedrich和Wintgen提出的费什巴赫量子力学谐振理论自然产生，因此比最初所认识的更符合物理规律。近年来，据悉，BIC本质上是一种波动现象并且不局限于量子力学范畴。自此，它们就出现在许多不同的波物理学领域，包括声学、微波学和纳米光子学。然而，对光连续区束缚态的实验观察一直受到限制，例如，针对无源系统。
提供本背景技术来介绍下面的发明内容和具体实施方式的概述。本背景技术并非旨在确定所要求保护的主题的范围，亦非旨在将所要求保护的主题限制为解决上述任何或全部缺陷或问题的实施方式。
发明内容
根据本发明原理的系统和方法通过几种方式来满足上述需求。特定而言，根据本发明原理的系统和方法针对例如为激光源经由光连续区束缚态(BIC)产生高品质因数的腔。根据本发明原理的系统和方法的特定实施方式提供了光连续区束缚态表面发射激光器(BICSEL)。这些腔实现任意高的品质因数，这些品质因数一般不会受辐射限制，使用驻留于辐射模式的连续区内的光学模式。这与大多数激光器腔不同，而后者并非依靠驻留于辐射模式的连续区下的光学模式。本发明原理是基于两种光学模式的混合。出现这种情况时，一种光学模式可以将另一种光学模式俘获到连续区中，将其转变成束缚态。BIC腔与增益介质耦合产生超低阈值激光源。
示例性应用包括能够集成在芯片上用于下一代光学处理器件的超低阈值相干源。其他应用包括依靠珀塞尔因数增强的单光子源，能够将其集成到芯片上用于日后的量子通信器件。更多的应用包括相干矢量光束源，能够将其集成到芯片上用于俘获生物分子并且实时成像它们的特性。通过以下描述，包括说明书和权利要求书，将会了解到其他应用。
不希望受理论束缚，据信，根据本发明原理的系统和方法所带来的独特性、新颖性和改进源于三点。首先，根据本发明原理的激光器腔不需要全场约束，因此使系统易于接受外部调制。其次，其品质因数理论上无限，为超低阈值整合源以及珀塞尔因数增强开辟了前景。最后，BIC激光器是固有矢量光束源，它们的整合可能对光俘获、生物成像和量子通信领域产生巨大帮助。
一方面，本发明针对一种由光源泵浦的光连续区束缚态激光器，所述光源被配置成将光引导到激光器中，所述激光器包括激光器腔，所述腔被配置成实现光连续区束缚态。
本发明的实施方式可以包括以下一个或多个。所述光连续区束缚态可以被配置成实现相消干涉的谐振俘获的对称性兼容模式。所述腔可以由悬浮在空气中的圆柱形纳米谐振器的阵列组成。所述阵列可以被容纳在半导体材料的膜中。所述腔可以由通过支撑桥网络互连的纳米谐振器的周期性阵列组成。所述激光器可以通过调整所述圆柱形纳米谐振器的半径来调谐。每个纳米谐振器的半径可以被制作成在500nm至550nm之间。每个纳米谐振器的半径可以被制作成在510nm至540nm之间。所述激光器的阈值功率可以被配置成小于约80μW。所述纳米谐振器可以通过电子束光刻和反应离子蚀刻以及后续的湿法蚀刻步骤来构建。所述激光器可以被配置为垂直腔表面发射激光器。所述纳米谐振器可以形成多重量子阱，以及发射角度可以基于所述多重量子阱的厚度。
另一方面，本发明针对一种制造光连续区束缚态激光器的方法，包括：a.提供衬底；b.在所述衬底上制造器件层，所述器件层被形成为多重量子阱；以及c.在所述器件层上制作顶部阻挡层。
本发明的实施方式可以包括以下一个或多个。所述顶部阻挡层可以由铬形成。所述铬层可以具有在20nm至40nm之间的厚度。所述衬底可以由InP制成。所述方法可以进一步包括：在所述顶部阻挡层的顶部上布置抗蚀层，以及进行蚀刻步骤来创建器件。所述方法可以进一步包括：去除所述顶部阻挡层。所述方法可以进一步包括：去除所述InP衬底的一部分以使所述器件悬浮。所述器件可以是纳米谐振器。所述纳米谐振器可以形成圆柱形纳米谐振器。所述圆柱形纳米谐振器可以被形成为阵列，以及所述圆柱形纳米谐振器可以通过桥来连接。
本发明内容旨在以简化形式介绍精选的概念。将会在具体实施方式中进一步描述这些概念。本发明内容中所述元素或步骤以外的元素或步骤可行，并且并非必然需要任何元素或步骤。本发明内容并非旨在确定所要求保护主题的主要特征或基本特征，也并非旨在用来限定所要求保护主题的范围。所要求保护主题不限于解决在本公开的任何部分中所指出的任何或全部缺陷的实施方式。
附图说明
图1图示出嵌入多层叠层的X-Y周期层板。
图2(A)至图2(D)图示出随着在1.45μm至1.67μm的波长范围内以及对于528.4nm的BIC半径沿ΜΓ和ΓX的结构的k(a/2π)而变化的复色散关系。图3(A)至图3(B)图示出指示每个不可约表示如何关于每个对称操作表现的字符表。
图4(A)至图4(C)分别图示出悬浮在空气中的阵列中的量子阱的倾斜电子显微照片、阵列与支撑桥的俯视图以及制造系统的示意图，其中示出泵浦光束和BIC模式下的激射。
图5(A)至图5(F)图示出BIC腔的设计和复色散关系。
图6(A)和6(B)图示出BIC激光器的实验特征。
图7(A)和7(B)图示出BIC激光器的缩放比例。
图8(A)图示出数种大小的谐振器阵列。图8(B)是谐振器的激射波长与半径的关系图。
图9是谐振器的阈值功率与半径的关系图。
图10(A)至图10(I)图示出根据本发明原理的器件制造过程，该过程始于在InP衬底上外延生长多重量子阱，并且结束于膜纳米圆柱体悬浮膜。
图10(J)是根据本发明原理的示例性制造过程的流程图。
图11(A)至图11(B)图示出膜结构与圆柱形谐振器的电子显微照片图像，以及阵列中心的两个圆柱体的特写图。
图12图示出用于测量来自BIC激光器的激光发射的微光致发光装置。
图13(A)至图13(C)图示出悬浮的激光器阵列的CCD图像。
图14(A)至图14(D)图示出多重泵浦功率下的激光器阵列的远场发射。
除非另作说明，否则这些元素不按比例绘制。
具体实施方式
从量子力学到电磁学，腔在波动现象中起到重要作用，并且决定激光器的时空物理现象。一般而言，它们通过关闭所有光波可能逸散的“门”而构建。根据本发明原理的系统和方法提供室温的光连续区束缚态激光器，其利用驻留于辐射连续区内的光学模式，却具备任意高的品质因数，并且如此示出来自光连续区束缚态腔的激射动作。这些反直觉的腔是基于相消干涉的谐振俘获的对称性兼容模式。
目前的结果表明，根据对BIC模式的理论预测，由悬浮在空气中的圆柱形纳米谐振器阵列组成的制造BIC腔的振荡波长随纳米谐振器的半径缩放。而且，即使将膜缩减到8×8个纳米谐振器之后，所设计的BIC腔的激射作用仍会存留。BIC激光器在研究光物质相互作用方面开辟出新的途径，因为它们本质上关系到拓扑电荷，并且代表固有矢量光束源，这在光俘获、生物感测和量子信息领域备受青睐。
一般而言，开放系统通过非厄米有效哈密顿量来描述，其具有描述系统模式的多变量且复杂的特征值。这些特征值存在于多维空间(超空间)中，但在给定的频率范围内，可以将调查减少到有限数目的变量，从而限制有效哈密顿量的复杂性。当特征值作为修改系统的几何参数的函数接近交叉时，发生谐振免交叉(ARC)，即特征值在整个复平面内互斥。Friedrich和Wintgen表明，谐振俘获的BIC代表一种特殊类型的ARC，对其而言，主要在远场中发生耦合。
更详细地，图1示出嵌入多层叠层的X-Y周期层板10，以形成覆板12-层板16-衬底14结构。在一个实施方式中，衬底和覆板是相同的材料，即空气。
采用费什巴赫耦合波道形式论来解释开开放波道和关闭波道的概念。在沿z包含若干层(均质性或周期性)的介质中，亥姆霍兹电场方程(符号约定，+jωt)，由下式给出：
其中ρ是面内位置矢量。所有层都能够被视为沿x和y具周期性(参见图1)。
对于所有z，介电常数证明：
εr(ρ+R，z)＝εr(ρ，z) (2)
其中R是正格矢量。因此，介电常数能够展开为傅立叶级数：
其中G是倒格矢量，S是单位晶格表面积。电场须满足布洛赫定理：
E(ρ，z)＝e-jkρEn(ρ，z)，En(ρ+R，z)＝En(ρ，z) (5)
布洛赫场是带周期包络的平面波。这些包络是周期函数，因此它们也能够展开为傅里叶级数：
然后，获得一种在沿z的所有层(覆层-膜-衬底)皆有效的常微分方程(ODE)的系统：
方程(8)的结构与描述法诺-费什巴赫谐振的方程的结构类似。傅里叶分量被称为波道，因此这个方程被称为耦合波道方程。在方程(8)中，波道仅与右边的项耦合，即与介电常数εG-G′(Z)的高阶傅里叶系数耦合。这意味着，波道只能在非均质的介质中耦合。
在均质层中，方程(8)简化为：
并且波道因此而不再耦合。在延伸至无穷远的均质层中，波道也被称为衰变道，根据其渐近行为分类为开衰变道和闭衰变道：
在亚波长周期结构中，只有一种传播秩序，或者以其他方式放置一个开放波道。所有其他波道都被关闭。在典型的散射实验中，通过唯一的开放波道发送和收集入射波和散射波，但实验的结果源于周期性介质中所有耦合波道之间的复杂干扰。
在本发明系统的一个实施方式中，悬浮的均质膜用不带右边的方程(8)表示。周期性纳米结构化该均质膜之后，所述系统用带右边的方程(8)表示。如果均质膜的初始引导状态变成周期性结构化膜的泄漏状态，则发生法诺-费什巴赫谐振。这些法诺-费什巴赫谐振中绝大部分的生命周期有限，但经由εG-G′(Z)对波道之间的耦合进行细致的工程设计会导致生命周期趋于无限的谐振，即光连续区束缚态。
参照图2，在1.45μm至1.67μm的波长范围内，针对奇模和偶模(xy-镜面)绘制复色散关系。更详细地，图2图示出随着在1.45μm至1.67μm的波长范围内以及对于528.4nm的BIC半径沿ΜΓ和ΓX的结构的k(a/2π)的而变化的复色散关系。图2A和图2B图示出奇模，并且特别示出频率与相位的关系以及品质因数与相位的关系。图2C和图2D图示出偶模的相同情况。
从图中可以看出，在该波长范围内，存在三种奇模和三种偶模。任何模式的总体品质因数均未高出BIC模式在1.55μm附近的两个奇模(图2B中的虚线和粗线)(在Γ处双重简并)。此外，还存在两种对称保护模式，一种是奇模，一种是偶模，它们的品质因数仅在Γ处高(图2B中的标准线和图2D中的虚线)。最后，还存在一对偶模，它们在Γ处简并，具有低品质因数(图2D中的标准线和粗线)。
“谐振俘获的”BIC模式与“对称保护的”模式之间的区别在群论方面更为明显。光子晶体的空间对称能够用来分类其模式。悬浮在空气中的方格光子晶体板的点群是点群C4v和C1h的直积。因此，它的模式能够使用两个点群的不可约表示来进行分类。图3A至图3B图示出解释每个不可约表示如何关于每个对称操作表现的字符表。
因此，在这样的晶格中可能存在十种不同的模式。考虑到限于关于xy平面奇对称的模式，因此只剩五种模式：(B,A1)、(B,A2)、(B,B1)、(B,B2)和(B,E)。在Γ处，自由空间中的平面波准许E表示，因此能够仅耦合到(B,E)模式。所有其他模式因对称性而解耦，即，它们形成对称保护的BIC。这一点最先由Paddon和Young报道，这就表明这类模式具有无限Q因数。
此外，(B,A1)、(B,A2)、(B,B1)和(B,B2)模式都是单重简并的，而(B,E)模式是双重简并的。在图2C的波段图中，可以清楚看出一种在1520nm处的单重简并模式以及一种在1558nm处的双重简并模式。从上述对称性考虑，预期只有较低波长的模式才具有无限Q因数。然而，可以看出，情况并非如此。这意味着，双重简并模式并非因对称保护而产生的BIC。这是一种由相消干涉引起的谐振俘获的BIC。有别于以前的工作，在此显示出，并不总是从高对称点起发生这样的BIC。此外，值得注意的是，根据本发明原理的激射结构与激射源自对称保护模式的其他工作存在根本差异。
更详细地，在一个实施方式中，根据本发明原理的系统和方法包括悬浮在空气中的半导体材料薄膜。空气中的场是平面波的叠加，这可理解为独立的衰变道，可以可能是传播道或瞬逝道。随后，该膜按纳米级结构化。膜中的场因结构化而变成耦合平面波的叠加，该场也耦合到空气中的场。由此产生的开放系统由非厄米哈密顿函数表示，在该开放系统中，谐振生命周期通过不同波道之间的耦合来控制。复频域的虚数部分用来量化模式的衰变。当复频率模式(连续区内)相消干涉而给出纯粹真实的频率模式时，会出现BIC。它们是非常独特的离散模式，因为它们实际上嵌入连续谱内，但由于它们的非衰变性质而固有无限高的辐射品质因数。因此，BIC非常适于设计完美的纳米光子腔。
如图4所示，根据一个实施方式的BIC腔由半径为R的纳米谐振器的周期性阵列组成，这些纳米谐振器通过支撑桥的网络互连，用于系统的机械稳定性。在一个实施方式中，膜包括几个InxGa1-xAsyP1-y多重量子阱，它们被设计成在电信波长附近(λ≈1.55μm)操作。在一种实施方式中，纳米圆柱体的半径是用于调谐膜的模式并且更改有效哈密顿量的唯一参数。这种结构可以使用电子束光刻和反应离子蚀刻(RTE)制成来限定圆柱形谐振器并随后进行湿法蚀刻步骤成膜而制成。制成的纳米谐振器的半径通常小于它们的标称设计值，这是RIE的结果。因此，可实现的最大半径通常小于p/2，其中p是结构的周期。
更详细地，图4(A)示出悬置在空气中的圆柱形纳米谐振器阵列中的InGaAsP多重量子阱的倾斜电子显微照片。所有结构皆使用电子束光刻并随后进行反应离子蚀刻以形成圆柱体而制成。随后，使用湿法蚀刻来悬浮结构。图4(B)示出8×8阵列与支撑桥的的俯视图，这些支撑桥用于膜的机械稳定性。该结构的尺寸为：周期＝1200nm，厚度＝300nm，桥宽＝100nm。图4(C)图示出制成的系统的示意图，示出较大的泵浦光束50以及光连续区束缚态模式60中的激射。纳米圆柱体的半径是BIC设计中的重要参数。
为了分析该系统，在物质增益达到峰值之处，以约1.55μm的正入射计算品质因数。该讨论限于奇模(横磁类)，因为它们在测试的频率范围内具有比偶模(横电类)高得多的品质因数。在1.55μm附近发现三种模式，具有可观的品质因数，一种是双重简并模式(模式1-2)，一种是单重简并模式(模式3)。
图5(A)示出它们的随着半径(535nm≤R≤550nm)而变的品质因数。模式3的品质因数与半径无关，并在整个计算范围内保持较高水平。该模式对应于对称保护模式。相比之下，模式1-2的品质因数在很大程度上依赖于半径，在最小半径(R＝535nm)与最大半径(R＝550nm)之间连续变化，并且在Ropt＝541.7nm的最佳半径处达到最大值。在该最佳半径处，模式1-2完全与辐射连续区解耦，因而变成BIC。应会理解，如果选择新的材料或者为激光器选择新的波长，尺寸可能有所改变。
品质因数在两种情况下可能有所不同，这取决于是否考虑孤立谐振或陷阱谐振。在第一种情况下(孤立谐振，模式3)，仅仅由于对称保护，与外部的耦合消失。任何保持对称性的扰动，诸如修改半径，一般都不会影响其品质因数。这种类型的模式之前已得到广泛研究。在第二种情况下(陷阱谐振模式1-2)，由于相消干涉，与外部的耦合消失。谐振俘获的BIC在奇异半径Ropt处实现无限品质因数，但Ropt周围半径的品质因数仍然极高。图6(B)示出结构在正入射时的透射光谱，其中从消失线宽可以看出模式1-2的无限品质因数。
图5C示出ΜΓ和ΓX方向上对于高Q模式(1、2和3)的约1.55μm的色散关系。插图示出方格的第一布里渊区和圆柱形纳米谐振器的不可约轮廓(阴影区)。轮廓连接高对称点Γ、X和M。
特定而言，该图示出BIC结构在R＝Ropt沿MΓ和ΓX的色散关系。复色散关系被绘制为模式1-2(图5D至图5E)和模式3(图5F)。图5F示出模式3对于对称破缺扰动极度敏感，因为其品质因数从Γ点起急剧下降。从Γ点起不再简并的模式1-2的品质因数(如图5C所示)不会像模式3那样急剧下降。因此，模式1-2对对称破缺扰动的敏感性要低得多。此外，谐振俘获的BIC稳健的原因在于，半径的变化仅引起其在k空间中的位移，而对称破缺扰动则会破坏对称保护模式。这在器件设计中极为重要，因为制造公差对谐振俘获的BIC的影响要小于依靠对称保护的模式。此外，在大区域的k空间中设计具有高品质因数的模式具有实践意义，因为所制成的器件永不可能无限，其始终在k空间中的有限邻域中采样色散关系。因此，对于给定的品质因数，与对称保护模式相比，采用谐振俘获的BIC模式能够实现小得多的设备印记。
如上所述，插图表示圆柱体表面上的归一化电场。模式1和模式2在90度旋转下相同。模式3是对称保护模式，因此不受诸如半径变化的保持对称性的几何变化影响。然而，模式3的品质因数从高对称点Γ起急剧下降。与模式1-2的品质因数相比，该模式下降的速度更快。模式3的品质因数从Γ起骤降意味着，在有限大小样品的情况下，该模式的积分品质因数小于模式1和2的积分品质因数。
为了实验地展示来自BIC腔的激射，我们用脉冲激光(λ＝1064nm，T＝12ns脉冲，在f＝300kHz重复率)在室温下光泵浦膜，并且记录光谱发射。图6(A)示出随着纳米谐振器半径为507nm的20×20阵列的泵浦功率和波长而变化的输出功率。在低泵浦功率下，观察到宽光谱的光致发光光谱，而在高泵浦功率下，观察到对光致发光的显著整体抑制，这有利于一个极窄的峰值，即激射。如图6(A)所示，三种模式最初都显示增幅(Ppump≈60μW)，但最终只剩一种模式(Ppump≈120μW)。激射作用发生在1553.2nm的波长，线宽为0.52nm(参见图6(B)的插图)。图6(B)示出随着该激射波长附近的泵浦功率而变化的输出功率。观察到阈值功率为62μW或密度为108mWmm-2的明确的阈值行为。点对应于测量值，数字1至5表示图6(A)中绘制的频谱。插图示出泵浦功率为120μW(数字5)时的激射光谱，线宽为0.52nm。
为了进一步展示BIC激光器的稳健性和可扩展性，制造几种半径和阵列大小的器件。图7(A)示出不同阵列大小(8×8(十字)、10×10(圆形)、16×16(方形)和20×20(菱形))以及不同半径的纳米谐振器(495nm至530nm)。每个点对应于具有特定半径和阵列大小的器件。误差条表示从制造的器件测量的半径的标准偏差。对于无限阵列，线表示不同半径的纳米谐振器的模式1-2(实线)和模式3(虚线)的理论谐振波长。实验激射波长与谐振俘获的BIC模式(模式1-2)的理论谐振波长之间的良好一致性证实，在整个半径范围内，激射作用确实来自BIC模式。此外，所有阵列大小的激射持续性可降至少至8×8个谐振器，这就表明BIC激光器的可扩展性，这在很大程度上归功于谐振俘获的BIC模式在宽区域的K空间中的大品质因数。
图7(B)图示出大小为8×8、10×10、16×16和20×20的制造BIC激光器的电子显微照片。
如上所述，对于基于表面化的激光而言，期望具有低阈值，而本发明的系统和方法能够通过以“连续奇点束缚态”操作激光器实现这一点。
图8A图示出各种谐振器阵列110、120、130和140。阵列110是8×8谐振器阵列，阵列120是10×10阵列，阵列130是16×16阵列，并且阵列140是20×20阵列。图8B示出随着半径而变化的波长，图9示出随着半径而变化的阈值功率。从图9可以看出，约525nm的谐振器半径是激光器的阈值功率最小的半径。通过操作接近这个最小值或者由给定的激射系统提供任意的最小值，能够获得高效激光。在当前的系统中，激射是光泵浦的。然而，在其他实施方式中，系统可以被电泵浦。
在一个实施方式中，参照图10，使用纳米加工技术制造根据本发明原理的BIC激光器。可以选择活性介质，以外延生长与InP衬底晶格匹配的InGaAsP多重量子阱，定制成在电信波长范围内发射。在一个实施方式中，增益材料包括10nm厚度的9个Inx＝0.564Ga1-xAsy＝ 0.933P1-y量子阱层(带隙波长为1600nm)和20nm厚度的Inx＝0.737Ga1-xAsy＝0.569P1-y阻挡层(带隙波长为1300nm)。30nm的附加顶部阻挡层使得增益的总高度为300nm，其被10nm厚度的InP保护覆盖层覆盖。因为谐振器很小，所以采用电子束光刻，并且因为阵列本身很大，所以还采用光刻。图10(J)的流程图200中也提供一些制造方法的步骤。
图10A示出不带InP覆盖层的材料叠层(步骤202)。InP覆盖物最终在制造过程中去除。在一个实施方式中，制造技术包括旋涂～100nm的PMMA，并且在裸晶片的顶部上热沉积～30nm的铬(Cr)(步骤204)。在此，Cr层充当干法蚀刻硬掩模，以获得并保留激射膜的临界尺寸，而PMMA层则充当最终便于去除Cr的牺牲层(参见图10B)。使用电子束光刻(步骤206)，以在氢硅倍半氧烷(HSQ)负性抗蚀剂涂布的晶片上限定器件图案(参见图10C)。调整HSQ的旋涂条件，以便在晶片上旋涂130nm厚度的抗蚀剂。在电子束曝光和HSQ显影之后，暴露的HSQ充当限定Cr硬掩模的后续反应离子蚀刻(RTE)过程的掩模(步骤208)。
Cr硬掩模在光致抗蚀剂的顶部上提供特别重要的金属层，并且在一个实施方式中，高度为30nm。利用该层，能够形成相对较大的谐振器半径，并且获得如上所述的最小阈值。更详细地，对于多重量子阱而言，存在过度蚀刻的问题，因此产生半径过小的谐振器。铬层倾向于保护谐振器并且减缓蚀刻速度。正因如此，可能制造出更大半径范围的谐振器，如此会导致使功率阈值最小化的奇点。如上所述，这样的最小功率阈值非常合乎需要，因为有很多应用需要使能耗降至最低程度，例如，通信和集成器件。除铬之外，也可以使用其他类型的金属掩模。
首先，使用O2和Cl2等离子体的组合干法蚀刻Cr，随后采用O2等离子体干法蚀刻PMMA层(参见图10D)。其次，在Cr掩模的帮助下，干法蚀刻III-V材料以限定圆柱形纳米谐振器(参见图10D)。这种使用H2:CH4:Ar等离子体的RIE主要蚀刻InGaAsP材料，但同样蚀刻一些InP材料。接下来，参照图10F，采用微波氧等离子体处理去除RIE期间的有机污染物和聚合物堆积，并且采用缓冲氧化物蚀刻去除HSQ掩模(步骤212)。接下来，简单通过在丙酮溶剂中提起PMMA层并略作超声处理来去除Cr。随后，在光刻和HCl溶液的帮助下，在InGaAsP MQW下方去除大量的InP衬底材料(步骤216)。通过使用光刻，在负性R9光致抗蚀剂中开放将要湿法蚀刻的区域(图10G)。最后，使用盐酸的稀释溶液来选择性蚀刻InP，同时最小限度地蚀刻InGaAsP(图10H，步骤218)。在图10I中作为示意图而在图11中作为电子显微照片图像能够看出最终的结构。后者(图11(A))示出具有16×16个圆柱形谐振器的完全悬浮膜结构150的电子显微图像，这些圆柱形谐振器通过桥网络互连，在InP衬底中具有可见的蚀刻坑和易于释膜的大开口，以及(图11(B))示出阵列中心的两个圆柱体的放大图像。
应当指出，由于在RIE和InP选择性湿法蚀刻过程期间，谐振器半径减小，所得的谐振器的半径小于电子束光刻后的半径。使用Cr金属掩模最大限度地减轻这种半径减小。
参照图12，为了表征BIC激光器，在室温下进行微光致发光测量。该图示出用于测量来自BIC激光器的激光发射的微光致发光装置。路径1代表泵浦路径；路径2代表收集/成像路径；并且路径3代表电缆。具有L-1,2,3和L-1,4,5的显微镜物镜(M.O.)分别构成用于CCD相机和单色仪的4-f重像系统。
受测试的器件被脉冲宽度为12ns的1064nm激光以300kHz的重复率光学泵浦。使用数值孔径(NA)为0.4的20倍长工作距离显微镜物镜将泵浦光束聚焦成直径～8μm FWHM的光斑大小，同时收集来自样品的发射。为了使色差最小化，引入望远镜(透镜L-6和L-7)来调整泵浦光束的发散度，使得泵浦和发射波长的焦面重合。使用4-f重像系统连同泵浦滤波器，将激光器结构成像到IR CCD相机(Indigo Alpha NIR)上，或者采用单色仪(CVI DigikromDK480)连同锁定检测配置冷型InGaAs检测器进行光谱测量。单色仪能够解析～0.33nm的线宽。
在图13和图14中可以看出运行中悬浮激光器阵列的IR CCD图像及其对应的远场发射。图13示出：(A)悬浮激光器阵列的IR CCD图像；(B)具有重叠泵浦光束的阵列的图像，以及(C)在相机带宽上收集的来自激光器阵列的遗漏图像。图14示出多重泵浦功率下的激光器阵列的远场发射，虚线轮廓线指示阵列的物理尺寸和位置。随着泵浦功率的增大，超阈值运行的激光器的发射曲线为：(A)82Mw；(B)98μW；(C)111Mw；以及(D)135μW。在此，利用40nm FWHM的带通滤波器，以便仅收集激射波长附近的发射，并且避免相机饱和。
可以看出，泵浦光束整齐地与激光器阵列重叠，并且在图13B和图13C中呈现出在相机带宽上收集产生的发射。如图14所示，使用带通滤波器(40nm的FWFDVI)在激射波长附近过滤超阈值运行的激光器阵列的远场发射。随着泵浦功率增大，发射曲线更为突出。不均匀图案部分是由激光器阵列下方的蚀刻衬底的背射引起(如图101所示的V槽蚀坑)。
本文已描述的是来自腔的光连续区束缚态(BIC)激光，尽管其嵌入辐射模式的连续谱内，但仍意外地具有任意高的品质因数。由悬浮的圆柱形纳米谐振器阵列组成的根据本发明原理的腔对于各种半径和阵列大小示出持续的单模式激射。激射波长遵循BIC模式的理论预测。这些结果展示了系统的稳健性和可扩展性。将光约束在辐射连续区内的能力为研究BIC的复杂拓扑物理学以及实现非标准的光子器件、传感器和源打开大门。已经制造出数十种这样的新型BICSEL激光器，并且已经展示出这些激光器的阈值在BIC奇点处最小。因此，所展示的BIC激光器可扩展并且是超高效的相干光源。尽管体积极小，例如，甚至降至8×8阵列，但系统仍能高效激射。BIC奇点的能量需求最小。已表征激光器的真实空间图像，显示阵列发出清晰的发射。
还可以为更多可操纵类型的垂直腔表面发射激光器或VCSEL提供多种实施方式，这些实施方式是基于光子或晶体Bragg光栅的边缘模式。先前的VCSEL始终以正入射来发射；然而，使用根据本发明原理的系统和方法，可以通过仅改变量子阱的厚度来更改发射方向，即，能够进行光束控制。
以上描述说明根据本发明原理的系统和方法的各种示例性实施方式和实施例。本发明不限于这样的示例。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物来限定。

Claims (22)

1.一种由光源泵浦的光连续区束缚态激光器，所述光源被配置成将光引导到所述激光器中，
所述激光器包括激光器腔，所述腔被配置成实现光连续区束缚态。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中，
所述光连续区束缚态被配置成实现相消干涉的谐振俘获的对称性兼容模式。
3.根据权利要求1所述的激光器，其中，
所述腔由悬浮在空气中的圆柱形纳米谐振器的阵列组成。
4.根据权利要求3所述的激光器，其中，
所述阵列被容纳在半导体材料的膜中。
5.根据权利要求1所述的激光器，其中，
所述腔由通过支撑桥的网络来互连的纳米谐振器的周期性阵列组成。
6.根据权利要求3所述的激光器，其中，
通过调整所述圆柱形纳米谐振器的半径来调谐所述激光器。
7.根据权利要求6所述的激光器，其中，
每个纳米谐振器的半径被制作成在500nm至550nm之间。
8.根据权利要求7所述的激光器，其中，
每个纳米谐振器的半径被制作成在510nm至540nm之间。
9.根据权利要求8所述的激光器，其中，
所述激光器的阈值功率被配置成小于约80μW。
10.根据权利要求3所述的激光器，其中，
通过电子束光刻和反应离子蚀刻以及后续的湿法蚀刻步骤来构建所述纳米谐振器。
11.根据权利要求3所述的激光器，其中，
所述激光器被配置为垂直腔表面发射激光器。
12.根据权利要求11所述的激光器，
其中，所述纳米谐振器形成多重量子阱，以及
其中，发射角度是基于所述多重量子阱的厚度。
13.一种制造光连续区束缚态激光器的方法，包括：
a.提供衬底；
b.在所述衬底上制造器件层，所述器件层被形成为多重量子阱；以及
c.在所述器件层上制作顶部阻挡层。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，
所述顶部阻挡层由铬形成。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，
所述铬层具有20nm至40nm的厚度。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，
所述衬底由InP制成。
17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
在所述顶部阻挡层的顶部上布置抗蚀层，以及
进行蚀刻步骤来创建器件。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：
去除所述顶部阻挡层。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
去除所述InP衬底的一部分以使所述器件悬浮。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，
所述器件是纳米谐振器。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，
所述纳米谐振器形成圆柱形纳米谐振器。
22.根据权利要求21所述的方法，
其中，所述圆柱形纳米谐振器被形成为阵列，以及
其中，通过桥来连接所述圆柱形纳米谐振器。
CN201680071442.2A 2015-10-13 2016-10-07 用于光连续区束缚态激光器光源的系统和方法 Pending CN108431580A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562240867P 2015-10-13 2015-10-13
US62/240,867 2015-10-13
PCT/US2016/055960 WO2017066095A1 (en) 2015-10-13 2016-10-07 System and method for bound state in continuum laser sources

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108431580A true CN108431580A (zh) 2018-08-21

Family

ID=58517799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680071442.2A Pending CN108431580A (zh) 2015-10-13 2016-10-07 用于光连续区束缚态激光器光源的系统和方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11152768B2 (zh)
CN (1) CN108431580A (zh)
WO (1) WO2017066095A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114531219A (zh) * 2022-02-16 2022-05-24 西南交通大学 一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法
CN116093741A (zh) * 2023-04-10 2023-05-09 中国科学院半导体研究所 准连续域束缚态电注入激光器结构及半导体激光器

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7264352B2 (ja) * 2017-04-03 2023-04-25 テクニオン・リサーチ・アンド・ディベロップメント・ファウンデーション・リミテッド トポロジカル絶縁体レーザーシステム
US11296484B2 (en) 2017-05-16 2022-04-05 The Regents Of The University Of California Photonic generation and steering of coherent vortex beams

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1183250A (en) * 1967-03-29 1970-03-04 Union Carbide Corp Continuously Tuneable Laser Device
US5511089A (en) * 1992-01-27 1996-04-23 Nec Corporation Semiconductor laser element with excellent high-temperature characteristic and capable of being readily mounted on an optical circuit board
US20030161370A1 (en) * 2000-08-07 2003-08-28 Efraim Buimovich Characterization of multiple section semiconductor lasers
CN1452285A (zh) * 2002-01-28 2003-10-29 夏普公司 半导体激光器件
US6711200B1 (en) * 1999-09-07 2004-03-23 California Institute Of Technology Tuneable photonic crystal lasers and a method of fabricating the same
US7206488B1 (en) * 2004-09-22 2007-04-17 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Coupled photonic crystal resonator array arrangements and applications
CN1972553A (zh) * 2005-11-22 2007-05-30 朱晓峰 一种基于超导射频加速电子的离子阱
CN101114757A (zh) * 2006-07-28 2008-01-30 中国科学院半导体研究所 大功率650nm量子阱半导体激光器及其制作方法
US7391801B1 (en) * 2005-11-25 2008-06-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Electrically pumped Group IV semiconductor micro-ring laser
CN101257182A (zh) * 2008-03-04 2008-09-03 西北大学 一种双腔互联v型结构单向重叠输出准连续绿光激光器
CN101895052A (zh) * 2010-07-15 2010-11-24 宁国斌 包含微腔阵列的激光器谐振腔

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4027392B2 (ja) * 2005-04-28 2007-12-26 キヤノン株式会社 垂直共振器型面発光レーザ装置
US7615389B2 (en) * 2007-05-31 2009-11-10 Corning Incorporated GaN lasers on ALN substrates and methods of fabrication
US9020003B1 (en) * 2012-03-14 2015-04-28 Soraa Laser Diode, Inc. Group III-nitride laser diode grown on a semi-polar orientation of gallium and nitrogen containing substrates

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1183250A (en) * 1967-03-29 1970-03-04 Union Carbide Corp Continuously Tuneable Laser Device
US5511089A (en) * 1992-01-27 1996-04-23 Nec Corporation Semiconductor laser element with excellent high-temperature characteristic and capable of being readily mounted on an optical circuit board
US6711200B1 (en) * 1999-09-07 2004-03-23 California Institute Of Technology Tuneable photonic crystal lasers and a method of fabricating the same
US20030161370A1 (en) * 2000-08-07 2003-08-28 Efraim Buimovich Characterization of multiple section semiconductor lasers
CN1452285A (zh) * 2002-01-28 2003-10-29 夏普公司 半导体激光器件
CN1248379C (zh) * 2002-01-28 2006-03-29 夏普公司 半导体激光器件
US7206488B1 (en) * 2004-09-22 2007-04-17 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Coupled photonic crystal resonator array arrangements and applications
CN1972553A (zh) * 2005-11-22 2007-05-30 朱晓峰 一种基于超导射频加速电子的离子阱
US7391801B1 (en) * 2005-11-25 2008-06-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Electrically pumped Group IV semiconductor micro-ring laser
CN101114757A (zh) * 2006-07-28 2008-01-30 中国科学院半导体研究所 大功率650nm量子阱半导体激光器及其制作方法
CN101257182A (zh) * 2008-03-04 2008-09-03 西北大学 一种双腔互联v型结构单向重叠输出准连续绿光激光器
CN101895052A (zh) * 2010-07-15 2010-11-24 宁国斌 包含微腔阵列的激光器谐振腔

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
M. MEIER: "Laser action from two-dimensional distributed feedback in photonic", 《APPLIED PHYSICS LETTERS》 *
T. LEPETIT: "Resonantly Trapped Bound State in the Continuum Laser", 《HTTPS://LIB-ARXIV-008.SERVERFARM.CORNELL.EDU/PDF/1508.05164V1.PDF》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114531219A (zh) * 2022-02-16 2022-05-24 西南交通大学 一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法
CN114531219B (zh) * 2022-02-16 2023-05-02 西南交通大学 一种基于拓扑异构的激光器网络同步调控方法
CN116093741A (zh) * 2023-04-10 2023-05-09 中国科学院半导体研究所 准连续域束缚态电注入激光器结构及半导体激光器
CN116093741B (zh) * 2023-04-10 2023-06-09 中国科学院半导体研究所 准连续域束缚态电注入激光器结构及半导体激光器

Also Published As

Publication number Publication date
US20180287348A1 (en) 2018-10-04
WO2017066095A1 (en) 2017-04-20
US11152768B2 (en) 2021-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Topological-cavity surface-emitting laser
Altug et al. Two-dimensional coupled photonic crystal resonator arrays
US11500265B2 (en) Harmonic light-generating metasurface
Brière et al. An etching‐free approach toward large‐scale light‐emitting metasurfaces
CN108431580A (zh) 用于光连续区束缚态激光器光源的系统和方法
Xia et al. Enhanced single-photon emission from GaN quantum dots in bullseye structures
Cui et al. Single‐Mode Electrically Pumped Terahertz Laser in an Ultracompact Cavity via Merging Bound States in the Continuum
Choi et al. Nanoscale Focus Pinspot for High-Purity Quantum Emitters via Focused-Ion-Beam-Induced Luminescence Quenching
Nonahal et al. Engineering quantum nanophotonic components from hexagonal boron nitride
Carfagno et al. Inverse designed couplers for use in gallium arsenide photonics
Nur et al. Silicon photonic crystal cavities at near band-edge wavelengths
Su et al. Tuning photoluminescence of CsPbBr3 quantum dots through plasmonic nanofingers
Lepetit et al. Resonantly trapped bound state in the continuum laser
Ha et al. Lasing action in active dielectric nanoantenna arrays
Lin et al. An efficient neural optimizer for resonant nanostructures: Demonstration of highly-saturated red silicon structural color
Be'er et al. Free-electron superfluorescence: collective optical dynamics at deep-subwavelength resolution
CN110931628A (zh) 一种工作在双波段的超导纳米线单光子探测器
Kim et al. Lasing from multipole topological corner states
Wang Low Threshold Lasing in Gallium Nitride Based Microcavities
Radulaski et al. Quantum Photonics Incorporating Color Centers in Silicon Carbide and Diamond
Tripathi et al. Active and lasing dielectric metasurfaces
Goel et al. Photonic crystal microcavities with quantum dot defect: Towards quantum information processing
AU2017203205B1 (en) Frequency conversion of electromagnetic radiation
Liu et al. Photoluminescence engineering using III-V dielectric metamaterials.
Abdelraouf et al. Engineered Dual BIC Resonances in Hybrid Metasurfaces for Controlled Photoluminescence Amplification

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20180821

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication