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首页>> news>> 2026年07月组内文献阅读汇报



文献标题: Ultra-low threshold continuous-wave quantum dot mini-BIC lasers


研究背景:超低阈值、紧凑尺寸的连续波激光器是光子集成芯片长期追求的目标。连续域束缚态(BIC)因其优异的光场局域和光-物质相互作用增强能力,已被探索用于激光器。然而,传统BIC激光器面临三大瓶颈:一是高Q BIC模式通常需要数百个周期的大面积周期性结构,导致器件尺寸难以缩小;二是BIC模式在腔内呈弥散分布,要求增益材料覆盖整个结构,而高表面体积比导致严重的非辐射复合,使得连续波泵浦困难;三是多数BIC激光器仅限于脉冲泵浦,阈值较高。如何在保持BIC高Q优势的同时实现紧凑尺寸和连续波超低阈值激射,是该领域的核心挑战。 研究内容 本文提出并实验验证了一种将mini-BIC腔与InGaAs量子点增益相结合的连续波BIC激光器。mini-BIC腔通过光子晶体异质结构实现横向光场局域,同时利用NOA上下包覆实现垂直方向镜面对称,从而在三个维度上有效束缚光场。量子点增益介质则提供三维载流子限制,有效抑制表面非辐射复合。实验上,在1310 nm O波段实现了室温连续波激射,最低阈值仅12 μW,比已报道的III-V族连续波BIC激光器阈值功率密度降低超过两个半数量级。最小器件仅5×5个周期,模式体积低至1.16(λ/n)³。通过拓扑荷工程优化Q因子,进一步实现了最高70°C的工作温度和T=93.9 K的特征温度,波长调谐范围达80 nm。 创新点一 首次将mini-BIC概念与量子点增益相结合,实现光场和载流子的三维同时束缚。mini-BIC腔通过光子带隙反射镜提供横向局域,打破了传统BIC激光器需要数百个周期的尺寸限制;量子点增益的三维载流子约束有效抑制了高表面体积比带来的非辐射复合,使得连续波泵浦成为可能。这两者的协同作用是实现超低阈值连续波激射的关键。 创新点二 系统研究了拓扑荷工程对mini-BIC激光器Q因子的优化作用。通过调节晶格常数使M₁₁模式与偶然BIC在动量空间匹配,实验Q因子从~500提升至~2000,验证了有限尺寸腔体中BIC拓扑保护机制的有效性。这一方法为在极小尺寸器件中进一步提高Q因子提供了明确路径。 结论 本文通过在InGaAs量子点增益膜中制备mini-BIC腔,实现了室温连续波激射的BIC激光器。mini-BIC腔通过光子带隙反射镜实现横向光场限制,量子点提供三维载流子约束,两者协同实现了12 μW的超低阈值和5×5周期的超小尺寸。通过调节晶格常数实现了80 nm波长调谐,通过拓扑荷工程将Q因子提升至约2000,器件最高工作温度达70°C。该工作为高密度光子集成芯片提供了一种极具前景的片上光源方案。 启发方面 该研究展示了结构工程与材料工程深度融合的设计理念mini-BIC的光场三维限制与量子点的“载流子三维限制”形成了完美的互补。这提示我们,在BIC激光器设计中,不能仅关注光场的局域,增益材料的载流子管理同样关键。此外,mini-BIC腔通过光子带隙反射镜实现横向局域的思路,可推广至其他需要紧凑高Q谐振腔的场景。

文献来源: Light: Science & Applications 12, 100 (2023). 作者:Hancheng Zhong, Ying Yu, Ziyang Zheng, Zhengqing Ding, Xuebo Zhao, Jiawei Yang, Yuming Wei, Yingxin Chen, Siyuan Yu 发表日期: 25 April 2023



报告人:罗猜

文献标题:Unveiling the Enhancement of Spontaneous Emission at Exceptional Points


内容: 该工作报道了在EP处自发辐射增强的实验验证。他们设计了一维光子晶体结构:在Bragg反射镜上制备 HSQ 光栅,通过调节光栅的填充因子和面内波矢,使亮模与暗模在复频率空间中合并形成一对EP,接着在实验上用角分辨反射光谱验证了这一对 EP 的存在,并利用反射谱提取了模式能量和线宽,与理论上的非厄米模型相符合。接着在结构表面旋涂高量子产率的CsPbBr₃ 钙钛矿纳米晶作为发光层,通过角分辨光致发光实验提取LDOS 分布。实验结果表明,在EP附近LDOS明显增强,实验测得增强因子约为 2.56,超过普通二重简并的增强上限,证明了 EP 处确实能够增强自发辐射。



文献来源:L. Ferrier et al. PHYSICAL REVIEW LETTERS 129, 083602 (2022) 作者:L. Ferrier, P. Bouteyre , A. Pick, S. Cueff , N. H. M Dang , C. Diederichs , A. Belarouci, T. Benyattou, J. X. Zhao, R. Su , J. Xing, Qihua Xiong and H. S. Nguyen



报告人:彭家华

文献标题: Generation of helical topological exciton-polaritons 手性拓扑激子极化激元的产生


研究内容: 针对已有拓扑激子-极化激元通常依赖深低温和强磁场、器件可调性受限的问题,本文将单层WS₂的A激子与具有量子自旋霍尔型能带的SiNₓ六角光子晶体强耦合,在无外磁场条件下构建螺旋拓扑激子-极化激元。作者结合紧束缚模型、有限差分时域仿真、角分辨反射和光致发光成像,从能带、实空间和动量空间验证了强耦合及手性传输。创新点:一是利用C₆ᵥ对称性产生的伪时间反演保护实现类量子自旋霍尔极化激元,在不施加外磁场的情况下将实验工作温度提高到200 K,明显降低了拓扑极化激元的实现条件;二是在拓扑边界态与WS₂激子之间观察到清晰的反交叉,提取边界态Rabi劈裂为38 meV,且与体态的40 meV接近,说明强耦合条件下界面极化激元的形成与体能带拓扑具有一致的体-边对应关系;三是通过实空间和动量空间实验确认σ⁺与σ⁻极化分别对应相反传播方向,极化激元能够无明显后向散射地通过60°急弯,传播长度达到8.0 μm;同时可借助温度调节激子-光子失谐,使群速度由约30 μm/ps降至接近零,并使有效质量在窄温区内变化两个数量级。结论:单层WS₂与非平庸光子晶体的强耦合可形成兼具拓扑保护、圆偏振选择性和主动可调性的螺旋界面极化激元;其自旋-动量锁定、急弯传输和较高温运行均得到实验验证。启发:该工作表明,二维材料提供的强激子响应可为拓扑光子态引入显著的物质成分和外场可调性,而光子晶体的能带反转与边界态则保证定向、鲁棒传输。该思路可进一步拓展到电栅调控、非线性开关、低阈值相干光源及量子信息器件,也为二维材料与C₆ᵥ对称拓扑光子晶体的集成设计提供了直接参考。



文献来源: Science, 2020, 370(6516): 600-604 作者:Wenjing Liu, Zhurun Ji, Yuhui Wang, Gaurav Modi, Minsoo Hwang, Biyuan Zheng, Volker J. Sorger, Anlian Pan, Ritesh Agarwal



报告人: 赵健

文献标题: Topology-Enabled Switchable Unidirectional Radiative Band in a Bilayer Photonic Crystal


研究背景:控制开放光子系统使得其与环境进行能量交换,是研究定向光子运动的重要领域。多层结构的光子晶体可以通过多层堆叠引入垂直维度的模式杂化,这创造了一个耦合模式空间,使得上下双层之间的辐射通道进行干涉。这种设计实现了平带色散、增强的非线性、动量空间中的拓扑效应等现象。单向导模共振通过倾斜结构打破对称性,使得原本的BIC变化泄露共振,会向上下两个方向发射能量。再利用相消干涉将其中一个通道泄露的光抵消,从而实现向上或者向下的单方向发射。但是这种方式也存在一些问题,比如泄露模式较低的Q值,结构制造后的不可调控方向以及斜角发射。 创新点: 1:如图上a所示的异质双层光子晶体结构示意图,上层非晶硅,下层二氧化钛,中间二氧化硅间隙层。通过这样的图案,若上下双层结构一样,则会形成fp-BIC,但异质双层结构打破了垂直对称性,当满足fw干涉条件时,会在两板中间形成电四极型的fw-BIC。由于近场耦合加上板间相互作用,使得向上下两个方向的辐射同时由双板和间隙之间的相互作用构成。这样的双层光子晶体结构所得到的上下方向远场辐射表达式为 ,简单来说就是上方的远场辐射由上板的辐射损耗加下板的辐射损耗经过板间相位和上板的相位,即两个辐射场的复振幅线性叠加。由于 ,如图下b所示,能通过调整层间相位和两板之间相位差来共同调控向上下方向的辐射强度。通过公式 ,将上下方向的辐射场分别投影到二维平面的xy轴上,可以得到关于他们之间的偏振角关系。基于这种关系,得到下图c,可以观察到在几何空间顺时针转一圈2Π的时候,相位也同时变化了2Π,而在中间位置这一点关系不可定义,意味着这个是拓扑的。这样的伪偏振角形成了拓扑涡旋,这表明其是受到拓扑保护的。



文献来源: arXiv 作者:Zhiyi Yuan, Vytautas Valuckas,Yuhao Wang



报告人: 汪志远

文献标题:Chiral phase-imaging meta-sensors metamaterials (手性相位成像超表面传感器)


传统光电探测器仅能记录光强信息,无法直接探测入射光的相位和偏振等关键属性,而这些信息通常需要通过干涉仪、偏振仪等复杂而庞大的光学系统才能获取,限制了其在小型化和高速场景中的应用。近年来,超构表面为多功能紧凑型光传感器的开发提供了新途径。本工作提出并实现了一对手性手征超构表面光电探测,能够分别选择性地测量入射光右旋或左旋圆偏振分量的局域相位梯度。该器件基于金纳米颗粒阵列构成的手性等离激元超表面,通过结合共振相位与几何相位,在近红外通信波段(1550 nm)实现了对特定圆偏振分量的角度选择性表面等离激元(SPP)耦合,从而使探测器的响应度强烈依赖于该偏振分量的局域传播方向(即横向相位梯度),而对相反圆偏振分量的角度响应则近乎各向同性。内容包括:左右手性配对器件的设计、制备与表征;通过角分辨光电流测量清晰观察到了预期的响应度对入射角和偏振态的依赖关系,并展示了约37~71倍的相位梯度偏振选择性;利用实验测得的角度响应图进行了计算成像模拟,验证了将四种不同取向的像素(R、L及其180°旋转复制)组合成超像素,即可在单次曝光下独立同时重建入射光中RCP和LCP分量的波前分布。创新点:在同一器件架构中实现了圆偏振选择性与相位梯度探测功能的集成,即利用手性超表面将圆偏振分量的局域相位梯度信息直接编码为光电流变化,无需外部偏振元件和干涉光路;阐明了等离激元自旋霍尔效应在器件角度响应非对称性中的作用,为光子-等离激元相互作用中的自旋守恒研究提供了器件平台。文章结论:该器件在近红外波段实现了0.72的圆二色性和3.4的偏振鉴别比,为光纤通信、自由空间光通信和偏振成像等应用提供了高度集成的光子平台。启发:通过设计超表面实现光电探测器可以探测相位和偏振信息,能够选择性地测量RCP或LCP分量的局部相位梯度,在单次曝光下同时独立测量RCP和LCP的波前相位分布。



文献来源:Nanophotonics 2025; 14(7): 947–957 作者信息:波士顿大学电子与计算机工程系 Roberto Paiella 课题组 Ahmet M. Erturan、Jianing Liu 等



报告人:袁斌杰


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