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▌ARMS 在微型BIC激光器表征中的应用
利用显微角分辨光谱仪对微型BIC激光器光子能带进行表征
连续域光子束缚态
BIC激光器
显微角分辨光谱
光子能带
【概述】微型超低阈值单模激光器对于光通信和光子集成回路具有重要应用意义。目前制备微型激光器的方法通常是将增益材料嵌入具有高品质因子 Q 的光学微腔中，以实现激光出射。光子连续域束缚态（Bound states in the continuum, BIC）具有无限的品质因子和极强的场约束能力，在微型激光器的研究中具有重要价值。然而，一直以来实现微型尺寸超低阈值的 BIC 激光器都具有极大的挑战性。
最近，中山大学余思远课题组在《 Light: Science & Application 》上杂志上发表了一篇题为《Ultra-low threshold continuous-wave quantum dot mini-BIC lasers》的研究文章，报道了微型 BIC 激光器最新研究进展。作者通过在 InAs/GaAs 外延量子点增益膜中加工出 BIC 微腔，成功实现 1310nm 附近超低阈值连续激光发射，室温条件下激射阈值仅为 12 微瓦（0.052千瓦/平方厘米），微腔体积仅为 2.5×2.5μm²。这一研究发现为 BIC 激光器的未来研究和应用奠定了强有力的基础。
【样品 & 测试】作者通过分子束外延生长方法在 GaAs (001) 衬底的内部嵌入了三层高密度（约 5.5×10¹⁰cm⁻²）的 InAs 量子点，随后用电子束光刻和干法刻蚀工艺在该 InAs/GaAs 外延量子点薄膜内加工出 BIC 微腔。在表征手段上，作者采用 705nm 连续激光共焦激发方式对该样品的出射激光特性进行测试，并用 COMSOL Multiphysics 软件中的频域有限元法（FEM）对制备的样品进行光子能带仿真。
图2，(a)微型BIC激光器的AB光子异质结构；(b)理论计算能带图；(c)BIC激光特性
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如图2a 所示，该微型激光器具有 AB 两种晶格常数的光子异质结构，作者通过理论计算对这种结构的光子能带进行仿真，以优化光子晶体结构设计。为了在横向方向实现有效的光束捕获，TE A 模式的能量被设计在区域 A 的光锥之上（图2b 中的绿色阴影区域），而在区域 B（TE B 模式）的带隙内，该带隙禁止了横向泄漏（图2b 中的黄色区域），使得区域 B 几乎可视为全反射镜，从而实现激光增益并产生低阈值激射（图2c）。遗憾的是，这份研究工作中作者并未通过实验手段对不同模式的光子能带进行直观表征。
在微型 BIC 激光器的研究中，光子能带的实验表征是验证结构设计和加工是否成功的重要手段。复享光学自主研发的基于光学傅里叶变换技术的显微角分辨光谱仪 ARMS，可对 BIC 激光器中的光子能带、角分辨激射和荧光发射进行精确表征。ARMS 具有以下特点：丰富的测量模式，支持辐射、反射、透射等多种显微角分辨光谱测量模式，可适配用户不同的激发测试需求；精细的角度分辨能力，角度分辨率可达0.1°；超宽光谱探测能力，最高可实现 400~1650nm 的光谱测量；瞬态光谱采集能力，毫秒级（ms）实现角分辨光谱检测。图3 展示了利用 ARMS 进行一维光子晶体的光子能带表征，从该测量结果中可清晰观察到光子能带在 Γ 点处明显的 BIC 现象。
【总结】对于当前微型 BIC 激光器的研究，光子能带及其发射光谱的表征尤为关键。复享光学的显微角分辨光谱仪 ARMS，能够提供光子晶体的能带结构、发射特性及光谱特性的综合光学表征，这使得对微型 BIC 激光器的实验表征成为可能。 展望未来，复享光学的显微角分辨光谱技术将持续在微纳光子学研究领域发挥关键作用，进一步推动光子学的进步。▌
【参考文献】
✽ H Zhong; Y Chen;S Yu*;,et al. Ultra-low threshold continuous-wave quantum dot mini-BIC lasers.Light: Science & Application (2023). Link
✽ A Kodigala*; T Lepetit*;Q Gu*;,et al. Lasing action from photonic bound states in continuum.Nature (2017). Link
✽ Y Zhang; Zhao M;L Shi*;,et al. Momentum-space imaging spectroscopy for the study of nanophotonic materials. Science Bulletin (2020). Link
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