北京大学实现可重构相干纳米激光阵列

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室马仁敏教授课题组成功实现了莫尔相干纳米激光阵列，突破了纳米激光仅能实现单个或固定阵列相干激射的限制，展示了纳米激光能够以“P”“K”“U”和“中”“国”等图形生成可重构的阵列化相干激射。研究成果以《相位同步可重构莫尔纳米激光阵列》（“Reconfigurable moiré nanolaser arrays with phase synchronization”）为题，于北京时间2023年12月14日在《自然》（Nature）杂志上发表。《自然》同期刊发了以《转角系统使纳米激光共同闪耀》（“Twisted system makes nanolasers shine together”）为题的专题评述文章，认为该工作“为探索更小、更智能、更强大的激光光源开辟了道路”（“open an avenue for exploring smaller, smarter and more powerful laser sources”）。

半导体激光因体积小、能耗低、速度快等特性成为了现代信息技术的基石。近年来，可将光场极端局域化于分子尺度的纳米激光为新一代信息技术和研究强光场局域下的光与物质相互作用带来了新的机遇。纳米激光研究的核心目标之一是实现可重构的相控阵纳米激光阵列。通过对各个纳米激光进行相位锁定和控制，可获得任意形状的相干激射，从而开拓纳米激光在激光雷达、激光显示、相干计算和通信等领域的应用。然而由于缺乏相应的物理机制，目前已报道的纳米激光器只能实现单个或固定阵列的相干激射。

马仁敏课题组利用莫尔超晶格中平带局域波函数可重构的特性，实现了可重构且相位可调谐的相控阵纳米激光阵列。这项工作基于课题组之前提出的魔角纳米激光原理与技术。2021年，马仁敏课题组提出并实现了魔角纳米激光，利用在单个莫尔原胞内的平带波函数局域化，实现了高性能的纳米激光（Nature Nanotechnology 16，1099—1105，2021）。随后，该课题组又运用这一原理，成功构建了硅基转角纳腔，其品质因子超过1百万（Fundamental Research 3，537—543，2023）。最新的研究工作取得了莫尔纳米激光阵列的相位锁定和控制，使其能够生成任意形状的阵列化相干激射（如图1所示）。

图1. 莫尔纳米激光阵列以“中国”图形生成阵列化相干激射示意图

课题组通过将两套扭转的光子晶体晶格加工在同一层半导体薄膜，得到光学莫尔超晶格结构。结构中的非局域Bloch模式通过莫尔倒格矢产生耦合，形成实空间局域的本征模式。在能带中这些局域的本征模式对应于莫尔平带。纳米激光阵列的实空间和动量空间电场强度分布由傅里叶变换相互联系，动量空间分布通过能带结构对应出频率分布，莫尔平带保证了频率的简并性，使得任意形状纳米激光阵列的相干激射成为可能（如图2、图3）。

图2. 莫尔平带的本征能量简并特性使得任意形状纳米激光阵列的相干激射成为可能。纳米激光阵列的实空间和动量空间电场强度分布由傅里叶变换相互联系，动量空间分布通过能带结构对应出频率分布，莫尔平带保证了频率的简并性

图3. 莫尔纳米激光阵列以“P”“K”“U”和 “中”“国”图形生成阵列化相干激射。由于莫尔平带的本征能量简并特性，任意形状的莫尔纳米激光阵列均能够通过自发相位锁定产生相干激射。图中标尺均为10微米

以U形状纳米激光阵列为例，通过自发相位锁定产生相干激射的U形状纳米激光阵列具有更高的空间和频谱相干性，表现为动量空间更为局域的方向性出射和频谱空间良好的单模激射等非相干激射阵列所不具有的特性（如图4）。

图4. U形莫尔纳米激光阵列相干特性。（a）扫描电子显微镜照片，橙色六边形标出了构成U形的17个莫尔纳米激光；（b）相干阵列的二阶强度关联函数随泵浦功率变化图；（c）输出功率随输入功率变化图；（d—f）相干阵列激射的实空间图案（d）、动量空间图案（e）和光谱（f）；（g—i）作为对比器件的非相干阵列激射的实空间图案（g）、动量空间图案（h）和光谱（i）

课题组还进一步对纳米激光的相对相位进行控制，实现了相控阵纳米激光阵列。图5展示了具有不同相对相位分布的4个纳米激光阵列实空间和动量空间图案。图中标“+”和“-”的纳米激光之间相差180度的相位，这些相位分布决定了4个纳米激光器阵列具有不同的出射方向分布。