基于连续体中准束缚态的近 unity 自发发射因子 InP 面发射激光器研究

研究人员针对传统垂直腔面发射激光器(VCSELs)因自上而下制备工艺导致的结构损伤问题，创新性地采用自下而上无蚀刻工艺制备了基于对称破缺准束缚态(BIC)的InP纳米片阵列面发射激光器。通过晶体相工程优化自发发射(SE)与激光模式的耦合，实现了室温下单模激射(阈值低至14 μJ cm?2 pulse?1)，并创纪录地获得0.8的高自发发射因子(β)，为室温近阈值less激射提供了新方案。

　　

在光电集成与传感技术飞速发展的今天，微型化、低功耗的半导体激光器成为研究热点。传统垂直腔面发射激光器(VCSELs)虽已广泛应用，但其自上而下(top-down)的刻蚀工艺会引入侧壁粗糙度，增加散射损耗；而等离子体纳米激光器又受限于金属组件的欧姆损耗。更棘手的是，多数微型激光器存在发射方向性差的问题。这些瓶颈促使科学家将目光投向连续体中束缚态(Bound states in the continuum, BIC)——这种能在周期性亚波长谐振器中形成的高品质因子光学态，为表面发射激光器提供了新思路。

为突破传统BIC激光器需分离增益介质与谐振腔层的局限，研究团队创新性地采用自下而上(bottom-up)的选择性区域外延(SAE)技术，在InP衬底上直接生长具有原子级光滑侧壁的纤锌矿(WZ)相InP纳米片阵列。这些六方晶系纳米片既作为激光有源介质，又构成对称破缺的准BIC腔，通过精准调控纳米片长度不对称参数α（定义为(L₂-L₁)/L₂），实现了自发发射与激射模式的最优耦合。

关键实验技术：

1. 1.

   金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长WZ相InP纳米片阵列

2. 2.

   阴极发光(CL)光谱和原子力显微镜(AFM)表征晶体结构与表面粗糙度

3. 3.

   时域有限差分法(FDTD)模拟光子能带结构与辐射谱

4. 4.

   时间分辨微区光致发光(TR-μPL)系统测量激射特性

5. 5.

   激光速率方程拟合提取自发发射因子β

设计与建模准BIC激光器

通过设计高度650nm、间距120nm的纳米片对单元，在600nm周期光子晶体中形成Γ点TE-like BIC模式。模拟显示当α=0.15时，准BIC模式波长与WZ相InP材料增益峰(870nm)最佳匹配，此时辐射品质因子Q_rad达最大值。

无刻蚀激光器制备

[1^ˉ10]晶向的SAE生长使纳米片自然形成六个{1^ˉ00}侧壁面，AFM测得表面粗糙度仅1.6 ?。CL图谱证实了850nm处均匀的WZ相发光，与衬底的锌blende相(915nm)形成鲜明对比。

室温激射特性

在522nm飞秒脉冲泵浦下，α=0.10器件展现出880nm单模激射，阈值18 μJ cm^?2 pulse^?1，发散角7°。偏振测量显示沿纳米片短轴方向的线偏振度达8.6dB，符合准BIC模式特征。

β值与阈值优化

通过调节α值系统优化发现：当α=0.15时，β值达到0.8的峰值，阈值降至14 μJ cm^?2 pulse^?1。这种近unity的β值源于准BIC模式与SE谱的精确重叠，以及六方晶系对TM边模的天然抑制（Γ₇^C→Γ₉^V跃迁的选择定则）。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，首次实现了将BIC谐振腔与增益介质合二为一的bottom-up制备方案。0.8的β值刷新了全电介质纳米激光器的室温纪录，14 μJ cm^?2 pulse^?1的低阈值使其在生化传感、激光雷达(LiDAR)等应用中极具潜力。晶体相工程与几何不对称参数的协同调控策略，为发展室温近阈值less激射器件提供了全新范式。