微納尺度的超低閾值半導體激光器對光通信、光傳感和量子信息等領域研制更大規模、更高性能的光子集成芯片（Photonic Integrated Circuits, PICs）具有重要的科學價值和應用意義。

實現微納激光器的一般方法是通過將增益材料嵌入高品質因子（Quality Factor, Q）和小模式體積的光學微腔中，實現對光與物質相互作用的增強。在具有缺陷態或連續域束縛態（Bound States in Continuum, BIC）的平板光子晶體上已實現了超低閾值的激射。前者雖然具備超小的尺寸和極低的閾值，但是對結構的偏差非常敏感。后者表現出較強的魯棒性，并因其理論上奇特的高Q特性被大量關注和研究，然而為接近理想的BIC，平板光子晶體通常需要上百個周期的結構單元，使得器件的尺寸無法進一步減小；由于BIC只能夠實現垂直方向維度的光子強限制，其閾值也難以進一步降低。

Mini-BIC結構的核心設計思想結合了連續域束縛態的垂直方向限制和光子晶體禁帶反射結構的橫向限制作用，通過對光子的三維強限制實現更小的結構尺寸。如圖1a所示，Mini-BIC結構由A和B兩套不同周期的光子晶體嵌套組成。其中A區域的有限光子晶體作為激光器的諧振微腔。通過設計使得A區域的離散模式（例如M11模式）恰好處于B區域光子晶體的禁帶中（圖1b），可實現對微腔模式的橫向強限制。這些離散模式是處于光錐以上（綠色區域）連續域中的諧振態，還可以通過精細調控光子晶體孔洞半徑和周期，使得所謂“偶然BIC（accidental BIC）”模式與其動量相匹配，進一步提升其垂直方向的光限制、增加其Q值。通過在實驗室自主外延生長的對電子具有三維限制的InAs/GaAs量子點薄膜增益材料中加工上述BIC結構，實現了對光子和載流子的同時強限制。

圖1 小型化連續域束縛態（mini-BICs）激光器的原理。(a) Mini-BICs激光器的示意圖；(b) 平板光子晶體的能帶圖：處于光線（Light Line）以上輻射域中有限光子晶體A的能態，位于區域B的帶隙中。

研究人員采用微加工工藝制備上述微納結構，然后采用薄膜轉移技術將其轉移到玻璃襯底上，最后以紫外固化膠作粘結劑在其上方再覆蓋一層玻璃，形成mini-BIC所需的在垂直方向對稱的平板三明治結構，實現了最小微腔尺寸約為2.5×2.5 μm2，模式體積約為1.16(λ/n)3、閾值功率僅17 μW（圖2a）的室溫連續光泵浦單模mini-BIC激光器，器件最高工作溫度可達343 K(70 ℃)，擬合特征溫度高達93.9 K（圖2b）。通過改變光子晶體周期與尺寸，實現了約80 nm范圍內的激射波長調諧（圖2c）。

圖2 mini-BICs激光器的單模激射性能表征及波長調諧。(a-b)Mini-BIC激光器 (r= 208 nm,a= 499 nm,Na= 5)在室溫條件下的變功率輻射譜(a)和變溫測試結果(b)。(c)激射波長隨周期數及周期大小的變化。

將半導體量子點與連續域束縛態微腔結合，在同一個結構中實現了對電子和光子的雙重三維強限制，成功實現了微米尺度的低閾值、波長可精確調控的光泵單模半導體激光器。采用薄膜轉移技術制備的mini-BIC激光器具有工藝靈活性，可在不同的襯底（如硅或鈮酸鋰）上制備器件。在BIC腔內對光子和載流子同時實現三維強限制的機制為實現光與物質強相互作用提供了新途徑，為后續進一步實現電泵浦的BIC激光器打下了基礎，也為未來片上高密度光電集成光源提供了新思路。

審核編輯 ：李倩