高性能半导体魔角激光器
北京大学马仁敏团队在无缺陷的周期性结构中基于模式耦合光场局域化机制实现了半导体魔角激光器。魔角激光器中的光场局域化来源于形成莫尔超晶格的两套光子晶体模式之间的耦合，无需形成光子晶体禁带即可产生亚波长局域的高品质因子纳米光腔。该光场局域机制可应用于纳米激光器、纳米发光二极管、非线性光学和腔量子电动力学等研究。研究成果以“Magic-angle lasers in nanostructured moiré superlattice”为题，于2021年8月发表于Nature Nanotechnology，被认为“设计概念具有高度创新性”并“展现出优异性能”。
微纳激光器通过有效光学反馈机制将光场局域在波长量级或更小尺度，从而增强光与物质相互作用，提升激光器性能，可实现低能耗和高调制速率相干激射，在数据通信、光传感、片上光电互联等领域有着广泛应用前景。光场的局域化通常由材料光学性质的空间不连续性或无序化引起，比如不同折射率材料界面的全内反射可形成回音壁局域模式，光子晶体中的结构缺陷可形成光学禁带局域的缺陷模式，无序结构中的多重散射可形成安德森局域化模式，等等。
近日，北京大学马仁敏团队提出并实现了魔角激光器（图1）。魔角激光器中的光场局域化来源于形成莫尔超晶格的两套光子晶体模式之间的耦合，无需形成光子晶体禁带，因而无需对结构参数进行精确调控；也就是说，只要简单地将两套光子晶体扭转一定角度并叠加，即可产生亚波长局域的高品质因子纳米光腔。
图1. 半导体魔角激光器示意图。其中的光场局域化来源于莫尔超晶格中的模式耦合，无需形成光子晶体禁带，即可实现亚波长局域的高品质因子纳米光腔。
不同于两层石墨烯扭转形成电子体系的魔角结构，课题组利用微纳加工技术，将两套扭转的光子晶体晶格做在同一层的半导体材料中（图2a），由此形成具有更大周期的莫尔超晶格，其对应的布里渊区内会因两套光子晶体模式之间的耦合而形成光子晶体能带的扁平化，对应的实空间波函数分布也会局域化。由于两套光子晶体中的布洛赫波函数在垂直于传播方向的维度完全重合，两者之间的耦合也随之增强，所以在较大的扭转角度下仍然可以得到光场的强局域化（图2b）。
图2. 半导体魔角激光器电子显微镜照片和局域激射特性。（a）基于周期性莫尔超晶格的魔角激光器电镜照片;（b）局域于周期性结构中的魔角激光器近场光斑。
魔角激光器的纳米光腔具有极高的品质因子模式体积比：三维模拟计算表明该纳腔的品质因子高于4×105，模式体积仅约0.02×(波长)3。极高的品质因子模式体积比使得魔角激光器在功率约为6 kW/cm2激励下即发生自发辐射到受激辐射的阈值转变，对应的功耗仅为30余微瓦，激射后辐射光谱线宽约0.24 nm（图3）。
图3. 半导体魔角激光器的辐射光谱和阈值曲线。（a）归一化的辐射光谱随泵浦功率变化热力图;（b）出射强度和线宽随泵浦功率变化图。
Nature Nanotechnology同期“新闻与观点”栏目配发了雅典大学Kosmas Tsakmakidis博士的评论文章，认为纳米激光器是发展集成光电子和硅基光子器件的关键元件（Nanolasers are key components under development for contemporary integrated optoelectronics and silicon photonics），魔角激光器的设计概念具有高度创新性（exceptionally innovative design concept）并展现出优异性能（exhibits exceptional performance）。
该工作由北京大学完成，博士研究生冒芯蕊、副研究员邵增凯、博士研究生栾弘义和王少雷为共同第一作者；马仁敏为通讯作者。该工作得到北京市自然科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划，及人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心、北京大学长三角光电科学研究院等支持。
