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【资讯】多通道连续域束缚态实现稳健单模激光

2026-09-21 17:40:05 行业资讯 9

激光器，飞秒激光器，脉冲激光器，准连续域束缚态（QBIC）凭借较高的品质因数和紧凑的模式限域，能够增强光与物质的相互作用，降低激光阈值并缩窄线宽。然而，高品质因数并不能保证QBIC在其他低损耗腔模存在时实现单模工作。

准连续域束缚态（QBIC）凭借较高的品质因数和紧凑的模式限域，能够增强光与物质的相互作用，降低激光阈值并缩窄线宽。然而，高品质因数并不能保证QBIC在其他低损耗腔模存在时实现单模工作。超低泄漏在有利于单模运行的同时，也可能阻碍光功率输出并降低微分量子效率。此外，过强泵浦可能改变目标腔模与光学增益空间分布的重叠程度，可能引发模式竞争和模式切换，影响器件的可靠运行。

近期，中国台湾研究人员Min-Hsiung Shih、Shu-Wei Chang团队利用带有泄漏选择反射器的亚波长光栅定向耦合器实现了单模QBIC激光器。该工作利用多通道QBIC相关的泄漏诱导钳制，有效排除非目标竞争模式，使器件在整个泵浦范围内保持单模运行，并对空间增益分布变化表现出不敏感性。相关成果以“Single-Mode Laser of Multichannel Bound State in Continuum in Subwavelength-Grating Directional Coupler”为题，发表在Laser & Photonics Reviews 上。

泄漏选择腔构建多通道QBIC

研究人员设计的QBIC腔悬空，其中心为由线性纳米孔阵列构成的亚波长光栅（Subwavelength-Grating，SWG）。SWG两组对角端分别连接两类区域：线性波导（linear WGs，L-WG）将SWG连接至光子晶体，喇叭形弯曲波导（flared curved WGs，C-WG）则将SWG连接至非束缚平板。由两个光子晶体及其间主要经过L-WG基模的对角路径形成限域通道；另有两条主要泄漏通道，主要由L-WG中的一阶模式以及经C-WG进入平板的另一条对角路径构成。SWG与外部波导连接处的光子结同时承担泄漏选择反射器的作用，其反射强弱取决于SWG中导模的组成。（图1）

器件制备在含多量子阱增益介质的InGaAsP平板上。腔内模式失配与光子结处的结构不连续，使SWG内多个导模之间产生反射耦合。由于两个外部L-WG输入处的基模不能由SWG最低阶的两个模式充分复现，模式匹配至少需要额外一个模式，因此该QBIC腔的主要限域与泄漏通道总数不少于三个。作为对照，研究团队还制备了腔长相同的法布里-珀罗（FP）腔；除单波导几何结构外，其余光子元件与QBIC腔保持一致。

图1 QBIC腔结构示意图、QBIC激光腔与FP对照腔的扫描电子显微镜图

图源：Single-Mode Laser of Multichannel Bound State in

多通道泄漏诱导钳制提升模式选择性

研究团队通过反射矩阵的最大奇异值以及两个品质因数表征QBIC条件。对于假设的双通道QBIC，相关品质因数在接近1.58 μm处同时达到1（figures of merit），但目标QBIC与增益窗口内其他共振模式的泄漏差异并不突出，因而模式选择性较弱。引入第三个通道后，两个品质因数可明显偏离1。只有在特定传播相位组合下，限域通道才能被完整恢复并获得高反射。偏离这些局部极大值时，两条泄漏通道的损耗显著增强，使竞争模式难以达到激射阈值，由此形成泄漏诱导钳制。线性波导长度能够改变导模在其中积累的反射相位，从而调节品质因数的光谱分布。研究人员选择L-WG长度为4.8 μm，使1.58 μm附近的增益窗口仅覆盖一个局部极大值；波长最接近该极大值的模式成为目标QBIC，其余竞争模式则与泄漏通道显著耦合。该策略的核心不是单纯将目标QBIC的品质因数推至极高，而是通过增加系统耦合的损耗自由度，增大竞争模式的泄漏损耗。（图2）

图2 SWG导模、反射矩阵与不同通道数QBIC条件的理论分析

图源：Single-Mode Laser of Multichannel Bound State in

全泵浦范围保持单模激射

在近红外二极管激光器光泵浦下，QBIC腔的输入-输出曲线在149.8 mW处出现激射开启行为。在较宽光谱范围内，器件仅在1.591 μm处出现一个激射峰，输入-输出曲线和光谱均未显示模式竞争，并在整个测试泵浦范围内维持单模运行。近场图像显示，阈值以上的激射场主要从腔两侧光子晶体处散射，未在C-WG输出端的纳米孔位置观察到清晰散射，说明激射模式主要沿两个光子晶体之间的限域通道分布，与QBIC模式图像一致。相比之下，FP对照腔中的两个模式具有相近的激射阈值，分别为52.7和54.3 mW。泵浦功率升高会引发增益光谱红移，较长波长的FP模式趋于占据主导；高泵浦水平下，1.586和1.600 μm处两个FP模式共存，并存在模式切换趋势，显示出动态运行中不希望出现的模式竞争。虽然FP腔通常因限域通道未受扰动而具有较低阈值，但缺少泄漏选择机制也使其模式选择性不足。（图3）

图3 QBIC腔与FP腔的输入—输出曲线、激射光谱及不同泵浦水平下的近场图像

图源：Single-Mode Laser of Multichannel Bound State in

单模运行对空间增益变化保持稳定

为考察空间增益分布变化的影响，研究人员沿器件长轴和短轴移动样品，改变泵浦光斑与腔体的重叠程度。只要目标QBIC模式高于激射阈值，其激射峰便主导光谱，竞争模式信号很弱。尽管非对称泵浦会改变两端发射亮度、背景发射分布和输出功率，QBIC腔仍保持单模运行且不发生模式切换。相同位移条件下，FP腔则出现多模激射和模式切换。即使增益轮廓只有微小变化，第三个模式也可能出现，表明其光谱对空间增益分布更为敏感。（图4）

当泵浦光斑沿长轴偏离腔中心时，由于泵浦效率降低以及增益场与模式重叠减小，QBIC激光阈值随之升高。研究团队指出，为保持输出功率稳定，泵浦需要均匀覆盖SWG。QBIC相较FP模式具有更大的有源面积和更低的品质因数，因此其激射阈值更高。在实际应用中，仍需进一步降低QBIC激射阈值。对选定有源区域进行电注入可能提高泵浦效率并降低阈值，而连接QBIC腔与平板的C-WG也为散热提供了有效路径。

图4 QBIC腔和FP腔的激光光谱

图源：Single-Mode Laser of Multichannel Bound State in

该工作展示了一种基于亚波长光栅定向耦合器与泄漏选择反射器的单模QBIC激光器。模式失配与光子结的结构不连续使QBIC通道数达到至少三个，多通道特性相关的泄漏诱导钳制有效排除了竞争模式，使器件在整个泵浦范围内实现稳健单模激射，并在空间增益分布改变时仍保持无模式切换的单模运行。与通过追求超高品质因数来获得单模工作的路线不同，该方案通过压制竞争模式建立内生模式选择性，同时避免在追求单模时忽略微分量子效率。研究结果表明，多通道QBIC可作为提升高端应用中激光器效率与稳定性的模式选择工具。

参考文献：中国光学期刊网

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