研究背景：光学连续域束缚态（BIC）为抑制辐射损耗和增强Q因子提供了强大平台，但大多数BIC激光器仍基于数百个周期的大尺寸腔体，且有限的尺寸会显著降低BIC模式的Q因子。最近提出的Supercavity mode概念源于动量空间中多个BIC的合并，可在无限结构中实现极高的Q因子。然而，super-BIC在有限尺寸有源器件中的性能从未被研究。有限尺寸效应如何影响BIC合并过程中的辐射损耗,合并条件是否在有限尺寸和无限尺寸结构中相同？这些问题直接关系到super-BIC能否真正用于紧凑型激光器。
研究内容 本文在InGaAsP光子晶体平板中，通过调节晶格常数，在同一器件平台上系统实现了对称保护BIC激光、偶然BIC激光和super-BIC激光三种激射，并揭示了有限尺寸效应对BIC合并过程的关键影响。理论分析表明，在有限尺寸腔体中，由于模式展宽，辐射损耗最低点并非出现在精确的无限结构合并点，而是出现在预合并区域，因为此时两个BIC的拓扑荷可在更大的k空间范围内抑制辐射损耗。实验上，super-BIC激光器实现了阈值低至~1.47 kW/cm²、Q因子高达~7300的单模激射，远优于对称保护BIC激光器。远场图像在合并后显著收缩，表明辐射方向性增强。自发辐射因子β~0.01，阈值已接近增益材料的透明值极限。
创新点一 首次在有限尺寸有源器件中系统研究了BIC合并过程中的激光性能演化，并发现有限尺寸腔体中的最优合并点与无限结构预测存在偏移—预合并区域在有限尺寸中提供了最低的辐射损耗。这一反直觉发现源于有限尺寸导致的模式展宽效应，为设计实际紧凑型BIC激光器提供了关键指导。
创新点二 在同一器件平台上实现了三种BIC激光器的直接对比，通过系统调节晶格常数清晰展示了从传统BIC激光到super-BIC激光的演化过程。实验观测到super-BIC激光在阈值、Q因子和远场方向性上的全面优势，证明了super-BIC概念在有源器件中的有效性。
结论 本文通过调节InGaAsP光子晶体平板的晶格常数，在40×40周期的有限尺寸腔体中实现了对称保护BIC、偶然BIC和super-BIC三种激光器的连续演化。理论分析揭示了有限尺寸效应导致最优合并点从无限结构的a=576.3 nm偏移至预合并区域的a≈573 nm，此时两个BIC拓扑荷在模式展宽范围内协同抑制辐射损耗。super-BIC激光器实现了阈值~1.47 kW/cm²、Q~7300、远场高度收缩的优异性能，阈值接近材料透明极限。该工作为利用拓扑荷工程降低有限尺寸有源器件辐射损耗提供了有效方法
启发方面 该研究最值得深思的发现是：合并本身并非最优，对于有限尺寸器件，预合并往往比精确合并更优。这一反直觉结论对其他BIC器件的设计具有普适性指导意义—在实际有限尺寸结构中，应基于有效模式展宽而非无限结构的理想条件来优化参数。此外，该工作系统展示了如何通过动量空间拓扑荷的协同覆盖来抑制辐射损耗，这种思路可推广至其他存在有限尺寸效应的拓扑光子器件设计中。
文献来源: Nature Communications 12, 4135 (2021).
作者：Min-Soo Hwang, Hoo-Cheol Lee, Kyoung-Ho Kim, Kwang-Yong Jeong, Soon-Hong Kwon, Kirill Koshelev, Yuri Kivshar, Hong-Gyu Park
发表日期: 5 July 2021
报告人：罗猜
