超低阈值和高度定向發射的微型激光

“介觀光學與飛秒光物理”研究群體肖雲峰研究員和龔旗煌教授及研究生最近在非對稱光學微腔的研究中取得重要進展。他們首次在矽芯片上制備出了同時具備超高品質因子和高度定向發射的非對稱光學微腔。光學微腔的品質因子超過10^8，超過國際上同類微腔四個量級以上。這一研究結果被選為封面文章發表在《先進材料》（Advanced Material）特刊《先進光材料》（Advanced Optical Materials）上[“Highly unidirectional emission and ultralow-threshold lasing from on-chip ultrahigh-Q microcavities”，Advanced Material (September 2012),DOI: 10.1002/adma.201201229]。論文第一作者為博士生姜雪峰，合作者還包括中國科學技術大學和美國聖路易斯華盛頓大學的研究人員。

近年來，随着集成光子學的發展，芯片可集成的低阈值微型激光器的研究得到了國際學術界的越來越多關注。對于激光器來說，最重要的組成部分是光學諧振腔。激光激射的阈值一般反比于光學諧振腔的品質因子，因而具有極高品質因子的光學回音壁模式逐漸成為微型激光器研究的熱點。然而，傳統的回音壁模式微腔具有旋轉對稱性，其激光出射是各向同性的，不利于實際應用。

在前期工作的基礎上(Phys. Rev. A. 85, 013843 (2012); Phys. Rev. A 83, 053835 (2011); Opt. Lett. 34, 509-511 (2009))，群體人員利用混沌誘導的隧穿機制，設計了一種特殊的非對稱光學微腔，不但支持超高品質因子的回音壁模式，而且模式能量主要沿着特殊設計的方向出射。實驗上，他們發展了一種全新的兩步幹法刻蝕技術，第一次成功的制備出了這種非對稱微芯圓環腔，品質因子高達10^8。基于同樣技術手段制備的铒摻雜非對稱微腔激光器阈值小于2微瓦，并且表現出極佳的單向性出射，實驗測量的遠場發射角小于10°。這項研究工作不但對集成光子學芯片的微型光源具有重要意義，而且還可以應用于某些重要的基礎物理研究，例如強耦合物理和腔光力學等。

研究工作得到了國家自然科學基金，教育部新教師基金，beat365和介觀物理國家重點實驗室的資助。