近日，beat365官方网站現代光學研究所、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學團隊”胡小永教授和龔旗煌院士與合作者在基于非厄米奇異面的片上集成微納激光器研究中取得重要進展。他們提出了一種由非厄米奇異面調制的片上集成可見光微納激光器的方案，證明了片上集成可見光微納激光器的性能随非厄米奇異面階數的增加而提高。此工作為片上集成高速可見光通信和信号處理系統的發展奠定了基礎，為非厄米光子學的基礎研究提供了新的平台。2023年4月12日，相關研究成果以“片上集成非厄米奇異面微納激光器”（On-Chip Integrated Exceptional-Surface Microlaser）為題，在線發表于《科學進展》（Science Advances）。

移動互聯網和大數據服務的快速發展對通信網絡的信息能力提出了巨大挑戰。5G/ B5G通信技術的标準化和産業化，以及B5G/6B通信架構的進一步提出使高速可見光通信技術因其低成本、大帶寬成為無線通信藍圖的重要組成部分之一。片上集成可見光微納激光器是可見光通信和信息處理系統的核心單元，其具有四個重要指标：強魯棒性、窄線寬、低阈值以及支持面内發射。

目前已提出的在非厄米系統中微納激光器的方案包括：宇稱時間（PT）對稱微環激光器中基于PT破缺産生的單模激光；由兩個瑞利散射體調制在奇異點（EP）的微腔激光器；由周期性複折射率調制在EP的微腔激光器等。這些非厄米微納激光器方案中有的能消除空間燒孔效應，這将提高激光效率，但沒有進一步讨論壓縮線寬的同時降低阈值的能力。此外，由于對加工誤差的敏感性，在實現具有嚴格簡并條件的孤立EP方案通常需要對結構進行精細的參數調整，這在一定程度上限制了此類微納激光器的魯棒性和實用性。關于微納激光器的其他方案：得益于等離子體納米結構的強光限制效應，等離子體納米激光器具有緊湊的器件面積和降低的阈值，但具有相對較寬的線寬；基于連續體中的束縛态（BIC）的微納激光器可以通過激發洩漏共振來降低阈值，但不具備線寬壓縮和面内發射；基于BIC的法諾微納激光器可以通過形成法諾共振來壓縮激光線寬，但不具備阈值降低。拓撲渦旋微納激光器在單自旋動量鎖定邊界模式下工作時具有良好的魯棒性，但它們不具備線寬壓縮和面内發射。因此，現有的微納激光器方案不能同時滿足可見光通信和信息處理系統的四項重要指标。

研究團隊提出了一種可擴展的方案，以構建一種具有強魯棒性的片上集成微納激光器，該激光器基于不同階數的非厄米奇異面（ES）能同時實現面内發射、壓縮線寬和提高對泵浦光能量的利用率。該方案由增益微腔和非對稱放置的損耗調制波導（MW）（微腔下方側耦合直波導或微腔中未閉合環）組成（圖1）。MW引起非對稱反射，微腔中實現激光的單向發射，該發射被耦合到傳輸波導（TW）。與通過控制瑞利散射體、構建螺旋或變形微腔等偶然簡并EP方案相比，此方案具有更強的魯棒性且更容易實現。為了便于演示，在實驗中采用了微腔下方側耦合直波導構型。盡管MW的兩個端口都作為反射端，但由于材料損耗，隻有MW的短端口才能有效工作，從而在微腔中實現行波模式的單向傳播，因而形成ES。

圖1.所提出的基于ES調制的微納激光系統的方案。（A）所提出的系統示意圖，其中MW相對于微腔（構型i和ii）不對稱放置，以實現逆時針（CCW）行波模式的單向傳播。（B）對照系統示意圖，其中MW相對于微腔（構型i和ii）對稱放置，在微腔中同時存在CCW和順時針（CW）分量。（C）通過本征頻率模拟獲得的ES調制的系統的本征模電場分布（微腔半徑為1.5 μm）。（D）所制備的CsPbBr₃微腔-MW-TW耦合系統的SEM圖像。

在實驗中，CsPbBr₃單晶鈣钛礦薄膜被用作增益/損耗材料（無外部泵浦的情況下表現為損耗态），它具有高光學增益系數、低成本且易于制備。實驗證明，與對照系統相比，二階ES調制的微納激光器激光線寬為0.8 nm，泵浦阈值為2.4 µJ/cm²，線寬和阈值同時分别降低到67%和44%（圖2）。

圖2.基于ES調制的微納激光器的激光實驗。（A）ES調制的CsPbBr₃微腔-MW-TW耦合系統的實驗示意圖。（B）i.對照系統的俯視SEM圖像，ii.對照系統的PL圖像，由高于泵浦阈值的400 nm飛秒激光激發。（C）i. ES調制系統的俯視SEM圖，ii.系統的PL圖像，激勵高于泵浦阈值。白色虛線圓圈顯示了TW的左右端口之間穩定且高的光強度對比度。（D）對照系統和ES調制的系統的激光發射結果比較，激光線寬被壓縮到67%，泵浦阈值被降低到44%。（E）對照系統PL強度（藍色）和FWHM（紅色）随泵浦強度的變化，泵浦強度從2.1 µJ/cm²增加到7.2 µJ/cm²，激光阈值為5.4 µJ/cm²，激光FWHM為1.2 nm。（F）ES調制的系統，泵浦強度從0.7 µJ/cm²增加到6.3 µJ/cm²，激光阈值為2.4 µJ/cm²，激光FWHM為0.8 nm。

更高階數ES調制的微納激光器的性能也在本工作中進行了擴展讨論。線寬壓縮程度和阈值降低程度與階數呈負相關，能量轉換效率的提高程度與階數成正比。另外，對具有優異性能的ES調制的拓撲微納激光器的進一步讨論表明了方案的優越性（圖3）。這項工作為片上集成高速可見光通信和信息處理系統的進一步發展奠定了基礎，并為非線性光學和拓撲光子學的非厄米光子學開辟了新的研究方向。

圖3.所提出的ES調制的微納激光器方案的擴展性研究。（A）高階ES電場分布的仿真模拟結果。（B）不同階ES系統本征值實部和虛部随着MW的反射系數比和系統相關參數δ的變化。（C）TW左端口的激光效率（藍色）和線寬（紅色）與ES階數的關系，通過構建更高階的ES可以實現更窄的線寬和更高的能量轉換效率。（D）i.沒有非厄米ES調制的微腔SSH鍊（鍊兩側的四個邊緣模式表現為駐波）的場分布的模拟結果，ii.具有非厄米ES調制的微腔SSH鍊（四個邊緣模式最終演變成簡并CCW行波模式）的場分布的模拟結果。（E）能量本征值分布随着系統中本征模的數量的變化。i.沒有非厄米ES調制的微腔SSH鍊，ii.四階ES調制的微腔SSH鍊。

beat365官方网站2019級博士生廖琨、國家納米中心2020級聯培博士生鐘陽光和beat365官方网站2022級博士生杜卓晨為共同第一作者。beat365官方网站胡小永教授、國家納米中心劉新風研究員、beat365官方网站王樹峰副教授、哈爾濱工業大學（深圳）宋清海教授和香港科技大學陳子亭教授為共同通訊作者。其他合作者還包括北京理工大學路翠翠長聘副研究員，北京化工大學王興遠博士等。上述研究成果得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金，以及量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心等支持。

論文原文鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf3470