北京大學實現可重構相幹納米激光陣列

北京大學物理學院凝聚態物理與(yu) 材料物理研究所、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馬仁敏教授課題組成功實現了莫爾相幹納米激光陣列，突破了納米激光僅(jin) 能實現單個(ge) 或固定陣列相幹激射的限製，展示了納米激光能夠以“P”“K”“U”和“中”“國”等圖形生成可重構的陣列化相幹激射。研究成果以《相位同步可重構莫爾納米激光陣列》（“Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization”）為(wei) 題，於(yu) 北京時間2023年12月14日在《自然》（Nature）雜誌上發表。《自然》同期刊發了以《轉角係統使納米激光共同閃耀》（“Twisted system makes nanolasers shine together”）為(wei) 題的專(zhuan) 題評述文章，認為(wei) 該工作“為(wei) 探索更小、更智能、更強大的激光光源開辟了道路”（“open an avenue for exploring smaller, smarter and more powerful laser sources”）。

半導體(ti) 激光因體(ti) 積小、能耗低、速度快等特性成為(wei) 了現代信息技術的基石。近年來，可將光場極端局域化於(yu) 分子尺度的納米激光為(wei) 新一代信息技術和研究強光場局域下的光與(yu) 物質相互作用帶來了新的機遇。納米激光研究的核心目標之一是實現可重構的相控陣納米激光陣列。通過對各個(ge) 納米激光進行相位鎖定和控製，可獲得任意形狀的相幹激射，從(cong) 而開拓納米激光在激光雷達、激光顯示、相幹計算和通信等領域的應用。然而由於(yu) 缺乏相應的物理機製，目前已報道的納米激光器隻能實現單個(ge) 或固定陣列的相幹激射。

馬仁敏課題組利用莫爾超晶格中平帶局域波函數可重構的特性，實現了可重構且相位可調諧的相控陣納米激光陣列。這項工作基於(yu) 課題組之前提出的魔角納米激光原理與(yu) 技術。2021年，馬仁敏課題組提出並實現了魔角納米激光，利用在單個(ge) 莫爾原胞內(nei) 的平帶波函數局域化，實現了高性能的納米激光（Nature Nanotechnology 16，1099—1105，2021）。隨後，該課題組又運用這一原理，成功構建了矽基轉角納腔，其品質因子超過1百萬(wan) （Fundamental Research 3，537—543，2023）。最新的研究工作取得了莫爾納米激光陣列的相位鎖定和控製，使其能夠生成任意形狀的陣列化相幹激射（如圖1所示）。

圖1. 莫爾納米激光陣列以“中國”圖形生成陣列化相幹激射示意圖

課題組通過將兩(liang) 套扭轉的光子晶體(ti) 晶格加工在同一層半導體(ti) 薄膜，得到光學莫爾超晶格結構。結構中的非局域Bloch模式通過莫爾倒格矢產(chan) 生耦合，形成實空間局域的本征模式。在能帶中這些局域的本征模式對應於(yu) 莫爾平帶。納米激光陣列的實空間和動量空間電場強度分布由傅裏葉變換相互聯係，動量空間分布通過能帶結構對應出頻率分布，莫爾平帶保證了頻率的簡並性，使得任意形狀納米激光陣列的相幹激射成為(wei) 可能（如圖2、圖3）。

圖2. 莫爾平帶的本征能量簡並特性使得任意形狀納米激光陣列的相幹激射成為(wei) 可能。納米激光陣列的實空間和動量空間電場強度分布由傅裏葉變換相互聯係，動量空間分布通過能帶結構對應出頻率分布，莫爾平帶保證了頻率的簡並性

圖3. 莫爾納米激光陣列以“P”“K”“U”和 “中”“國”圖形生成陣列化相幹激射。由於(yu) 莫爾平帶的本征能量簡並特性，任意形狀的莫爾納米激光陣列均能夠通過自發相位鎖定產(chan) 生相幹激射。圖中標尺均為(wei) 10微米

以U形狀納米激光陣列為(wei) 例，通過自發相位鎖定產(chan) 生相幹激射的U形狀納米激光陣列具有更高的空間和頻譜相幹性，表現為(wei) 動量空間更為(wei) 局域的方向性出射和頻譜空間良好的單模激射等非相幹激射陣列所不具有的特性（如圖4）。

圖4. U形莫爾納米激光陣列相幹特性。（a）掃描電子顯微鏡照片，橙色六邊形標出了構成U形的17個(ge) 莫爾納米激光；（b）相幹陣列的二階強度關(guan) 聯函數隨泵浦功率變化圖；（c）輸出功率隨輸入功率變化圖；（d—f）相幹陣列激射的實空間圖案（d）、動量空間圖案（e）和光譜（f）；（g—i）作為(wei) 對比器件的非相幹陣列激射的實空間圖案（g）、動量空間圖案（h）和光譜（i）

課題組還進一步對納米激光的相對相位進行控製，實現了相控陣納米激光陣列。圖5展示了具有不同相對相位分布的4個(ge) 納米激光陣列實空間和動量空間圖案。圖中標“+”和“-”的納米激光之間相差180度的相位，這些相位分布決(jue) 定了4個(ge) 納米激光器陣列具有不同的出射方向分布。